基于激光传感器的焊缝自动跟踪测试装置及其测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种基于激光传感器的焊缝自动跟踪测试装 置及其测试方法，本发明适用于需要采用焊接机器人并需要采用激光技术进行焊缝的自动 跟踪的应用领域。
【背景技术】
[0002] 焊接的环境非常恶劣，通常伴有烟尘、高温、飞溅以及弧光的干扰，使得人工焊接 的效果和工作效率都大打折扣。当前机器人焊接已经在国内外的汽车、工程机械、以及集装 箱生产等许多领域都得到了很广泛的应用。然而，目前的焊接机器人都是典型的"示教再 现"模式，"示教编程"指的是通过下述方式完成程序的编制：由人工引导机器人末端执行器 (如：焊枪）来使机器人完成预期的动作，"任务程序"为一组运动及辅助功能指令，用以确 定机器人特定的预期作业。"再现"指的是机器人按照示教编程获得任务程序，不断重复再 现。
[0003] 焊接是一个非线性的，时变的过程。当焊接条件改变时，焊接机器人并不能根据这 些条件的改变做出相应的调整。例如由于强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加 工误差、夹具装夹精度、表面状态以及工件的热变形等都会影响焊枪偏离焊缝中心，影响焊 接精度。
[0004] 为解决上述问题，通常需要采用激光传感技术对再现的焊接轨迹进行实时跟踪， 引导焊枪在焊接过程中实时对准焊缝中心，保证焊接质量。激光传感技术是指通过激光传 感器发射激光束照射待焊工件表面并获取每个激光点在激光传感器坐标系下的位置坐标， 并传送给控制器中的检测单元；检测单元对采集的数据进行各种运算来提取焊缝的特征点 及焊缝中心，并通过检测单元将焊缝中心位置传送给机器人控制柜，引导机器人运动至焊 缝中心位置，从而保证焊枪能够实时对准焊缝中心，保证焊接质量。
[0005] 但是这种由激光传感技术进行焊缝跟踪在国内却未见有相关系统的出现，本发明 以此提出。通过研制一套专用测试装置，对由激光传感技术进行焊缝自动跟踪的效果以及 实用性进行评估和验证，并分析产生误差的原因，从而不断优化激光传感技术中的焊缝特 征提取算法，实现焊缝自动跟踪的精度要求成为了亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于激光传感器的 焊缝自动跟踪测试装置，改测试装置使得在此平台上能够实现基于条纹式激光传感技术完 成焊缝的自动跟踪，并对结果进行评估和验证，分析误差产生的原因。
[0007] 本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于基于激光传 感器的焊缝自动跟踪测试装置的测试方法，该测试方法不断优化条纹式激光传感技术的焊 缝特征提取算法，从而实现准确的跟踪焊缝的目的。
[0008] 本发明的首要目的通过以下技术方案实现：一种基于激光传感器的焊缝自动跟踪 测试装置，包括：焊接机器人模块、激光传感器模块、焊接模块和特征检测模块，所述特征检 测模块是整个装置的最主要的部分。
[0009] 所述焊接机器人模块包括机械本体，所述机械本体采用6轴垂直多关节的开环链 式结构，采用交流伺服驱动的方式驱动，有效载荷为8Kg。安装方式为地面安装。焊接机器 人系统的组成包括机器人控制柜、示教器以及机器人本体。
[0010] 所述激光传感器模块包括：MTI2d激光传感器、安装支架和挡光板，所述激光传 感器模块通过安装支架与机器人本体的末端法兰连接；MTI2d激光传感器采用三角测量 原理，通过激光发射器发射激光，照射物体表面，并通过CCD摄像机采集图像，并进一步转 化为激光点的位置坐标，传感器的测量范围为40~90mm。安装板主要用来将MTI2d激光传 感器固定于安装支架上；挡光板主要用来减小焊接过程中弧光对传感器采集数据的影响。 [0011] 所述激光传感器模块可检测焊缝坡口的二维位置数据，所述检测单元可以选择焊 缝的类型，用来调用处理该类型的焊缝并返回焊缝中心到机器人控制柜，从而实现对焊缝 的自动跟踪。
[0012] 所述焊接模块部分包括：LORCH焊机、送丝结构和焊枪，所述焊接模块控制焊丝的 起弧与焊丝的进给，所述LORCH焊机主要用来控制焊丝的起弧与否，送丝结构主要是用来 保证焊丝的长度，保证焊接过程中焊接参数的不变。
[0013] 所述特征检测模块包括：控制器和检测单元，所述检测单元部分采用Microsoft VisualStudio2010平台开发。主要有五个部分，第一部分为焊缝图像显示，显示的是当前 激光所照射的工件的横截面形状，由激光采集的数据点组成；第二部分为焊缝类型选择部 分，主要是选择当前焊接工件的截面类型；第三部分为焊缝实际特征的输入界面，点击焊缝 类型的按钮，即可弹出该界面，主要是输入实际焊接工件的宽度及高度等特征信息；第四部 分是控制部分，主要是控制激光的启动与关闭，以及软件的启停控制；第五部分是焊缝特征 的测量值输出部分，主要是输出通过特征点检测算法所计算的焊缝特征信息，包括高度、宽 度、焊缝中心等特征，以及输出实际测量值与理想值之间的误差值。
[0014] 所述检测单元能够适用于多种焊缝类型，例如搭接、对接和角接焊缝等。采用小波 变换模极大值理论能够初步检测焊缝的特征点位置，检测的结果偏差较大；通过最小二乘 法对检测的特征点进彳丁精确定位，能够提尚检测精度。
[0015] 所述机器人本体具有6轴垂直多关节的开环链式结构，采用交流伺服驱动的方式 驱动所述机器人本体，所述机器人本体的有效载荷为8Kg，所述机器人本体的安装方式为地 面安装；
[0016] 所述检测单元提取焊缝的特征点并计算焊缝的中心的方法为：
[0017] 首先对由激光传感器模块采集得到的激光原始数据y(t)进行一阶差分：
[0018] dy (t) = y (t) -y (t~l), t= 1,2, ... n,
[0019] 其中，y为所述激光传感器模块采集得到的激光原始数据的纵坐标，dy为所述激 光传感器模块采集得到的激光原始数据求解一阶差分的数据，t为激光点的横坐标；
[0021] Y1 (t)=9 (t)*dy(t),
[0022] 其中，t为激光点的横坐标，a为小波变换尺度因子，0为高斯小波函数值，Y1S 所述激光传感器模块采集得到的激光原始数据的一阶差分数据与高斯小波函数卷积计算 的结果；
果再次进行卷积计算：
[0024] y2(t) = 0 1 (t)*y! (t),
[0025] 其中，t为激光点的横坐标，a为小波变换尺度因子，0 1为高斯小波函数的一阶导 数，y2为高斯小波函数的一阶导数与所述激光传感器模块采集得到的激光原始数据的一阶 差分数据与高斯小波函数的卷积计算结果；
[0026] 然后对上述的卷积计算结果搜索局部最大值和局部最小值，以V型焊缝为例，卷 积后可以搜索到两个局部最大值和两个局部最小值，以这四个局部最值对激光传感器模块 采集的激光原始数据进行分组，可以分成五小部分，分别利用最小二乘法对每一组激光数 据进行最小二乘法拟合，具体如下：
[0027] 假设拟合的直线方程为：y=ax+b，
[0028] 其中，a为直线的斜率；b为直线的截距；X为所述激光传感器模块采集的激光数据 的横坐标；y为所述激光传感器模块采集的激光数据的纵坐标；
[0029] 假设上述其中某一组激光数据为：
[0030] (x1；Y1), (x2,y2). . . (xn,yn),
[0031] 那么该组激光数据满足上述待