本發(fā)明涉及焊接、圖像處理、信號處理、控制領(lǐng)域，具體涉及一種直角流水孔焊縫識別跟蹤方法。

背景技術(shù)：

目前，我國的工業(yè)化水平越來越高，大型構(gòu)件在現(xiàn)場的應(yīng)用也越來越多。焊接是大型構(gòu)件在現(xiàn)場的組裝的重要手段，作為重工業(yè)的一項重要關(guān)鍵技術(shù)，焊接質(zhì)量與效率影響著大型設(shè)備制造的質(zhì)量、周期與成本。近年來我國已超越韓國、日本等國成為了全球第一造船大國，但造船大國并非造船強(qiáng)國，我國的造船自動化技術(shù)還有待于進(jìn)一步提高，使用自主移動式焊接機(jī)器人代替人工焊接，不僅能保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定，還能有效地縮短制造工期，降低制造成本。在船舶制造過程中，為了加強(qiáng)船體的強(qiáng)度，船艙底部設(shè)置格子型構(gòu)件，同時為了能夠讓水在船艙中流動，在格子間上存在一定的直角流水孔焊縫?，F(xiàn)有機(jī)器人無法自動完成識別跟蹤焊接，目前主要靠人工來完成焊接，已成為制約造船工業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，國內(nèi)外尚無關(guān)于直角流水孔自動識別跟蹤與焊接的報道.因此如何采用焊接機(jī)器人識別跟蹤直角流水孔焊縫完成焊接過程，提高生產(chǎn)效率，是造船領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù).

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供直角流水孔焊縫識別跟蹤方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種直角流水孔焊縫識別跟蹤焊接方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）超聲波傳感器檢測前方工件距離以發(fā)出轉(zhuǎn)彎信號；

（2）機(jī)器人本體按軌跡規(guī)劃進(jìn)行運(yùn)動；

（3）橫向滑塊運(yùn)動由軌跡規(guī)劃和實時跟蹤控制疊加實現(xiàn)；

（4）旋轉(zhuǎn)電弧傳感器進(jìn)行焊接段焊縫跟蹤；

（5）激光視覺傳感器進(jìn)行流水孔特征點(diǎn)識別；

（6）根據(jù)流水孔特征點(diǎn)和記步數(shù)，識別流水孔類型，指導(dǎo)焊槍伸縮切換，完成焊縫自動識別跟蹤。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述步驟（1）具體做法為：將超聲波傳感器安裝于機(jī)器人正前方，用于檢測機(jī)器人本體至前方工件的距離，當(dāng)實際距離進(jìn)入設(shè)定的轉(zhuǎn)彎距離時，機(jī)器人開始轉(zhuǎn)彎；設(shè)定距離為焊嘴至機(jī)器人左輪中心的距離s，為了保證每次都能獲取到拐彎信號，實際設(shè)定距離為s±0.5cm。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟（2）中具體做法為：機(jī)器人進(jìn)入直角轉(zhuǎn)彎后，機(jī)器人本體由直線運(yùn)動變?yōu)橐宰筝啚樾D(zhuǎn)中心，后輪后退的運(yùn)動方式；同時右輪的運(yùn)動需要進(jìn)行規(guī)劃；右輪速度規(guī)劃應(yīng)結(jié)合橫向滑塊的運(yùn)動，需保證焊接時焊槍沿焊縫方向的線速度保持不變。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟（3）中具體做法為：直角流水孔焊縫跟蹤過程中，單位時間內(nèi)焊槍的變化較大，單靠實時檢測偏差無法跟蹤上焊縫，需對焊槍軌跡進(jìn)行規(guī)劃；同時，在經(jīng)過流水孔段，機(jī)器人需熄弧，無法由電流信號提取偏差，也需要對焊槍軌跡進(jìn)行提前規(guī)劃；實際焊接過程中，需保證焊槍沿焊縫方向的速度始終不變，其它方向上的速度為零。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟（4）中具體做法為：直角流水孔焊縫跟蹤過程中，在無流水孔的焊接段，利用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器進(jìn)行實時電流信號采集，通過系列信號處理算法后提取偏差。滑塊的驅(qū)動利用規(guī)劃量和實時控制量疊加的方式進(jìn)行。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟（5）中具體做法為：激光視覺傳感器實時采集焊縫圖像信息，經(jīng)rio獲取、激光條紋提取、連通域提取等圖像處理算法后識別出流水孔的特征點(diǎn)（特征點(diǎn)包括流水孔起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)），以提供給處理器進(jìn)行起弧或熄弧的切換，同時指導(dǎo)焊槍進(jìn)行伸出和縮進(jìn)的切換。

作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟（6）中具體做法為：激光視覺傳感器識別出流水孔特征點(diǎn)后，結(jié)合進(jìn)入直角后的記步數(shù)，識別出流水孔的類型。假設(shè)進(jìn)入直角后，到直角拐點(diǎn)的記步數(shù)為n，如果在直角左半段步數(shù)<n-10就進(jìn)入了流水孔，則判斷為左孔，否則為右孔。根據(jù)不同的類型，選擇不同的子程序，從而指導(dǎo)焊槍伸縮的切換時間，完成整個直角角焊縫的自動識別跟蹤焊接。

目前，船艙格子間流水孔焊接都采用人工焊接方式，有部分造船企業(yè)采用大型焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接，該類機(jī)器人無法自主移動，采用的方式為示教方式；國內(nèi)外尚無關(guān)于直角流水孔自動識別跟蹤焊接的報道，本發(fā)明采用自主移動焊接機(jī)器人，能夠在狹小空間完成直角流水孔焊縫的自動識別和跟蹤焊接，識別和跟蹤精度為±1.0mm，具有很高的理論和實用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的船艙格子間典型的直角流水孔焊縫示意圖一。

圖2為本發(fā)明的船艙格子間典型的直角流水孔焊縫示意圖二。

圖3為本發(fā)明的分析后得出的機(jī)器人右輪運(yùn)動規(guī)劃曲線圖。

圖4為本發(fā)明的橫向滑塊規(guī)劃曲線圖。

圖5為本發(fā)明的電流信號處理示意圖。

圖6為本發(fā)明的流水孔特征點(diǎn)示意圖。

圖7為本發(fā)明的激光視覺傳感器采集到的焊縫圖像示意圖。

圖8為本發(fā)明的激光拐點(diǎn)檢測結(jié)果圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1和圖2為船艙格子間兩個典型的直角流水孔焊縫，假設(shè)ac=cd，圖1中，直角焊縫焊接從a點(diǎn)開始，至b點(diǎn)?；?，焊槍行至c點(diǎn)，重新起弧且焊槍由伸出改為縮進(jìn)，焊接至d。圖2中，直角焊縫焊接從a點(diǎn)開始，焊接至b點(diǎn)?；?，同時焊槍由伸出改為縮進(jìn)行至c點(diǎn)，重新起弧焊接至d。

超聲波信號的采集，采用多次采樣求均值的方式以減少單次采樣誤差帶來的影響。當(dāng)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)入設(shè)定拐彎距離范圍內(nèi)時，系統(tǒng)給出觸發(fā)信號，機(jī)器人由兩輪等速直線運(yùn)動進(jìn)入直角拐彎。進(jìn)入直角轉(zhuǎn)彎焊縫后，機(jī)器人本體采用以左輪為旋轉(zhuǎn)中心，右輪后退的方式運(yùn)動。

焊接過程中，移動機(jī)器人進(jìn)入轉(zhuǎn)彎后需對其輪子運(yùn)動進(jìn)行規(guī)劃。輪子的運(yùn)動并非恒速，為一漸變過程，可采用分段方式對其運(yùn)動進(jìn)行分析，需保證運(yùn)動過程中，焊槍沿著焊縫方向的速度分量始終恒定。機(jī)器人運(yùn)動帶來焊槍其它方向的運(yùn)動分量和滑塊的運(yùn)動剛好抵消，圖3為分析后得出的機(jī)器人右輪運(yùn)動規(guī)劃曲線圖。

焊縫跟蹤過程中，無法單靠實時采集的焊縫偏差進(jìn)行跟蹤控制，需對十字滑塊的運(yùn)動進(jìn)行事先規(guī)劃。系統(tǒng)最終輸出的控制量為實時跟蹤控制量和軌跡規(guī)劃的輸出量疊加，對滑塊的規(guī)劃也采用分段的方式。圖4為橫向滑塊規(guī)劃曲線圖。

旋轉(zhuǎn)電弧傳感器進(jìn)行焊縫跟蹤，需采集焊接中的電流信號，對電流信號進(jìn)行系列信號處理后得出偏差信息以指導(dǎo)滑塊運(yùn)動從而跟蹤上焊縫。電流信號處理過程可按圖5進(jìn)行。

圖6為流水孔特征點(diǎn)示意圖，圖中需要檢測的特征點(diǎn)為b、c點(diǎn)，焊縫中有無流水孔時反映在圖像中的激光條紋有明顯區(qū)別，有空時用flag=1描述，無孔時用flag=0來描述，b點(diǎn)的檢測為flag從0跳變到1點(diǎn)，c點(diǎn)的檢測為flag從1跳變到0；機(jī)器人識別跟蹤直角角焊縫的過程中，直角拐點(diǎn)的檢測至關(guān)重要。

圖7為激光視覺傳感器采集到的焊縫圖像，分析可知，焊槍離工件的距離變化會引起焊縫圖像中激光條紋在圖像中的橫坐標(biāo)變化。在焊縫跟蹤過程中，通過實時檢測焊縫圖像中激光條紋的橫坐標(biāo)，當(dāng)其坐標(biāo)處于拐點(diǎn)時，則認(rèn)為激光已經(jīng)到達(dá)拐點(diǎn)，圖8為拐點(diǎn)檢測結(jié)果圖。

在直角焊縫焊接過程中，拐點(diǎn)前后的45°為對稱，機(jī)器人軌跡和滑塊軌跡規(guī)劃都為對稱關(guān)系；跟蹤過程中，輪子的打滑可由實時跟蹤控制量進(jìn)行補(bǔ)償。