专利名称：焊缝自主跟踪方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于焊接技术领域的焊缝跟踪方法，具体是一种焊缝自主跟踪方法。
背景技术：
现在工业主要工作在示教再现的工作模式，在焊接新工件前需要依靠大量的人力对焊缝进行示教，这一点在小批量生产时尤为明显。另一方面示教的机器人不能感知工件尺寸、装夹位置等的变化，当这些因素变化时，焊接质量会下降。因此，依靠视觉自动的生成焊缝坐标具有重要的意义，能够提高生产效率和焊接质量，并有助于提高机器人弧焊的智能化水平。
经对现有技术文献的检索发现，熊震宇等人在《焊接学报》(2003，Vol24，No.537-41)上发表的“基于旋转电弧传感的空间位置曲线焊缝跟踪”。文中以理想状态的旋转电弧传感信号处理方法为基础，研究了平焊、横焊及立焊位置焊缝偏差的识别方法。采用了模糊控制方法，设计了机器人焊缝跟踪控制系统。该系统具有了空间曲线焊缝的自动跟踪的优点。但也有如下的不足，需要提前示教一条直线轨迹，且因为只在焊接时调整焊枪，调整过程会反映到焊道中去，会影响跟踪精度和焊道成型。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种焊缝自主跟踪方法，使其能够自动的生成曲线焊缝或折线焊缝在机器人基坐标系下坐标，且焊缝曲线可以是闭合的，另外能够在焊接时自动的把CCD摄像机调整到合适的取像位置，具有很高的实用价值。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在自然光下，在把焊枪导引到焊缝的起始点后，使用焊缝斜前方CCD摄像机，不断的获取枪尖前方一小段焊缝的图像，在主控计算机进行图像处理获取枪尖与焊缝间的偏差以及这小段焊缝的角度等信息，根据这些信息控制机器人沿焊缝前进，并通过传感器上的伺服电机调整摄像机的取像方位，同时定时记录用焊缝偏差值修正后机器人坐标值以及用焊缝角度修正后伺服电机的角度值，生成焊缝在机器人基坐标系下的坐标以及摄像机在合适取像方位时伺服电机的角度值。当机器人沿焊缝走完一遍后，主控计算机控制机器人回到焊缝起点，并把减光和滤光片移到摄像机的前方，开始沿焊缝焊接。用此方法过对低碳钢曲线焊缝和锻铝曲线焊缝进行试验，结果表明该方法具有很高的实用价值。
以下对本发明方法作进一步说明，步骤如下(1)据“五点标定法”对焊接机器人控制点(焊枪尖端点)进行精确标定。
(2)对摄像机进行简单的标定。为简化所研究问题的难度，又不失实用性，在跟踪时工件将固定水平工作台上，焊枪与工件垂直。另外钨极尖与工件间的距离保持在5mm左右。在此基础上对摄像机进行简单的标定，标定枪尖点在图像上的位置点，单位为象素。标定在枪尖附近图像纵轴方向上单位象素对应的真实尺寸值，单位为毫米每象素。以及标定传感器中伺服电机的单位角度值所对应图像中的角度。
(3)对枪尖前方一小段图像进行处理，获得焊缝的中心线，并进行特征提取，求取焊缝偏差和焊缝角度。此外根据每桢图像处理后的特征判断焊缝是否结束。图像处理主要过程为滤波、自动阈值二值化、细化。当进行送丝时需要在二值化前在图像中去除焊丝所成的像。特征提取主要是对焊缝中心线进行直线拟合，求取该直线在图像纵轴方向上与枪尖点的距离，即焊缝偏差，规定枪尖点在焊缝下方时偏差为正；求取枪尖点处直线与图像横轴的夹角，即焊缝角度，规定枪尖点右面的一段焊缝斜向上时角度为正，斜向下时角度为负。一幅图像处理和特征提取完成后，直接进行下一幅图像的处理。
(4)根据焊缝偏差和角度，按偏差和角度的大小确定各自的步长，以增量的方式发送给机器人控制器，控制机器人沿焊缝运动及调整摄像机的取像方位。循环发送增量消除偏差并调整摄像机角度后，读取图像处理和特征提取的结果进行下一次控制。同时，从机器人控制器读出机器人的位置值以及传感器中的伺服电机的角度值，记录用焊缝偏差值修正后机器人坐标值以及用焊缝角度修正后伺服电机的角度值。
(5)步骤(3)、(4)同时运行，步骤(4)按步骤(3)的结果控制机器人，直到焊缝结束或手动停止跟踪。
(6)根据第一个记录的坐标值，控制机器人回到焊缝的起始点，准备焊接。
如果在传感器上放置半导体激光器，利用三角测量法获得焊缝的高度信息，自主跟踪三维曲线焊缝。
本发明应用在焊接机器人上，能够实现焊缝的自主跟踪，自动生成焊缝在机器人基坐标系下的坐标。可以使焊接机器人摆脱传统的示教工作模式，直接应用自主跟踪生成的焊缝坐标进行焊接，这对于提高小批量焊接生产的生产率和焊接质量具有很大的意义，而且特别适合极限环境(核电站、太空等)下的焊接。使用本发明可以生成曲线焊缝的坐标，且焊缝曲线可以是闭合的，这使得本发明适合大型闭合曲线焊缝的焊接。此外使用本发明为在焊接曲线焊缝时进行利用被动视觉进行熔透控制提供了便利，因为使用本发明对摄像机的取像位置规划后，焊接时熔池在摄像机中所成的像的方位基本不变。
具体实施例方式
以下结合实施例对本发明方法作进一步的理解，实施例采用的焊接机器人伺服双目视觉传感器包括伺服电机、同步带传动系统、两个小型CCD摄像机、气动系统、减光和滤光系统、内外两个空心轴、端盖及各种支架。同步带传动系统包括小齿轮、同步带和大齿轮，气动系统包括一个电磁气阀和两个气缸。减光及滤光系统包括减光镜片、滤光镜片以及镜片支架、连杆及滑杆和支架。其特点是CCD摄像机可绕焊枪作可控角度旋转以保持需要的取像方位以及自动加载或移开滤光片和减光片。传感器上的伺服电机作为机器人的外部轴受机器人的控制器管理，软件接口为主控计算机通过向机器人发送增量数据，控制机器人运动和CCD摄像机绕焊枪转动，且可以读取机器人的位姿值和传感器上伺服电机的角度值，控制周期为16mm。主控计算机和机器人控制器之间采用CAN总线进行通讯。CCD摄像机的镜头焦距为4.8mm。
跟踪时，规定在焊缝起点处，CCD摄像机位于y轴的正方向上，机器人控制焊枪在基坐标系y轴方向上，先沿正方向运动。
步骤(1)，利用工业机器人提供的工具坐标标定功能，对焊接机器人控制点(焊枪尖端点)进行精确标定。
步骤(2)，在跟踪时工件将固定水平工作台上，焊枪与工件垂直，钨极尖与工件间的距离保持在5mm，在此基础上对摄像机进行简单的标定，标定枪尖点在图像上的位置点，标定在枪尖附近图像纵轴方向上单位象素对应的真实尺寸值，以及标定传感器中伺服电机的单位角度值所对应图像中的角度。标定后，标定结果写进程序中。
步骤(3)，用图像采集卡，把CCD摄像机的图像转化为数字图像，循环采集到内存中的图像大小为300×400象素。在该图像中图像处理的区域为枪尖点前方一小段焊缝的图像，大小为140×140象素，获得焊缝的中心线，并进行特征提取，求取焊缝偏差和焊缝角度，根据每桢图像处理后的特征判断焊缝是否结束。把处理区域的图像和未处理区域的图像一起显示，这样可以直观的显示跟踪的效果。
步骤(4)，根据焊缝偏差和角度，以增量的方式发送给机器人控制器，控制机器人的基本策略是当焊缝偏差为零时，使机器人沿焊缝方向以恒定的速度V前进，当有偏差时，机器人向前运动的同时，在机器人基坐标系的x轴方向上，以速度Vx0消除焊缝偏差在x轴方向上的分量，焊缝偏差的方向与x轴的夹角由传感器中伺服电机的角度确定。为了提高消除偏差的速度与精度，当偏差在x轴上的分量较大时，把Vx0设定为较大值；当较小时，把Vx0设定为较小值。根据焊缝角度调整摄像机的角度使焊缝角度调整到±5°范围内，角度的步长同样采用当焊缝较大时，把步长设定为较大值的原则。
步骤(5)，(3)(4)同时运行，步骤(4)按步骤(3)的结果控制机器人，直到焊缝结束和手动停在跟踪；步骤(6)，根据第一点记录点的坐标值，控制机器人回到焊缝的起始点，准备焊接。
本发明方法中的步骤(3)、(4)、(5)、(6)，均在主控计算机中用编程的方式实现。在步骤(4)中记录用焊缝偏差值修正后机器人坐标值以及用焊缝角度修正后伺服电机的角度值采用多媒体定时器技术，以200ms为时间间隔定时记录。步骤(5)中的步骤(3)和步骤(4)同时运行，在编程中采用多线程技术实现。
以本发明的方法，对低碳钢和锻铝的对接“S”型焊缝进行跟踪试验，缝隙宽度为1mm，生成的焊缝坐标值与实际焊缝坐标值的偏差小于0.3mm，焊缝在图像中与横轴的角度小于2°，选用大焦距的镜头可以进一步提高精度。该方法实用性好，获得的焊缝坐标精度高。
当使用摄像机位置不能运动的一般传感器时，只要在本发明方法中稍作改动，在步骤(2)中加上焊枪的轴线与摄像机的轴线在同一平面上且该平面与机器人基坐标系的x轴垂直的限定，并在(4)中不对传感器的伺服电机进行控。使用本方法也能自主跟踪一些曲线焊缝。
权利要求
1.一种焊缝自主跟踪方法，其特征在于，在自然光下，使用焊缝斜前方CCD摄像机，持续获取枪尖前方一小段焊缝的图像，在主控计算机进行图像处理获取枪尖与焊缝间的偏差以及这小段焊缝的角度信息，根据这些信息控制机器人沿焊缝前进，并通过传感器上的伺服电机调整摄像机的取像方位，同时定时记录用焊缝偏差值修正后机器人坐标值以及用焊缝角度修正后伺服电机的角度值，生成焊缝在机器人基坐标系下的坐标以及摄像机在需要取像方位时伺服电机的角度值。
2.根据权利要求1所述的焊缝自主跟踪方法，其特征是，通过步骤对其作进一步限定(1)据“五点标定法”对焊接机器人控制点即焊枪尖端点进行精确标定；(2)对摄像机进行简单的标定包括标定枪尖点在图像上的位置点，在枪尖附近图像纵轴方向上单位象素对应的真实尺寸值，以及传感器中伺服电机的单位角度值所对应图像中的角度；(3)对焊缝前方一小段图像进行处理，获得焊缝的中心线，并进行特征提取，求取焊缝偏差和焊缝角度，此外根据每桢图像处理后的特征判断焊缝是否结束；(4)根据焊缝偏差和角度，以增量的方式发送给机器人控制器，控制机器人沿焊缝运动及调整摄像机的取像方位，并从机器人控制器读出机器人的位置值以及传感器中的伺服电机的角度值，记录用焊缝偏差值修正后机器人坐标值以及用焊缝角度修正后伺服电机的角度值；(5)步骤(3)(4)同时运行，步骤(4)按步骤(3)的结果控制机器人，直到焊缝结束和手动停在跟踪；(6)根据第一点记录点的坐标值，控制机器人回到焊缝的起始点，准备焊接。
3.根据权利要求1所述的焊缝自主跟踪方法，其特征是，或者在传感器上放置半导体激光器，利用三角测量法获得焊缝的高度信息，自主跟踪三维曲线焊缝。
全文摘要
一种焊接技术领域的焊缝自主跟踪方法，在自然光下，使用焊缝斜前方CCD摄像机，持续获取枪尖前方一小段焊缝的图像，在主控计算机进行图像处理获取枪尖与焊缝间的偏差以及这小段焊缝的角度信息，根据这些信息控制机器人沿焊缝前进，并通过传感器上的伺服电机调整摄像机的取像方位，同时定时记录用焊缝偏差值修正后机器人坐标值以及用焊缝角度修正后伺服电机的角度值，生成焊缝在机器人基坐标系下的坐标以及摄像机在需要取像方位时伺服电机的角度值。本发明能够自动的生成曲线焊缝或折线焊缝在机器人基坐标系下坐标，且焊缝曲线可以是闭合的，另外能够在焊接时自动的把CCD摄像机调整到合适的取像位置，具有很高的实用价值。
文档编号B25J13/00GK1600488SQ20041006732
公开日2005年3月30日 申请日期2004年10月21日 优先权日2004年10月21日
发明者周律, 林涛, 陈善本, 陈文杰, 陈希章 申请人:上海交通大学