一种激光辅助焊缝智能寻迹系统的制作方法

本发明涉及焊接技术领域，具体而言涉及一种激光辅助焊缝智能寻迹系统，对焊缝焊接以及对焊缝质量检测。

背景技术：

焊接是一种低成本、高科技连接材料的可靠工艺方法。到目前为止，还没有另外一种工艺比焊接更为广泛地应用于材料间的连接，并对所焊产品产生更大的附加值。在国内，无论是从目前焊接设备和材料产量构成比的发展趋势，还是从焊接设备和材料的制造技术和发展方向上看，我国焊接技术已有很大发展,部分产品技术已达到或接近国外先进水平，特别是逆变式焊接技术。因此无论现在和将来，焊接都是成功地将各种材料加工成可投入市场产品的首选工艺。

但是现在大部分的焊接工艺都是靠人工焊接，其焊接的精度和效率都容易受到影响，虽说有一些设备可以实现自动焊接，但是焊接后的焊缝质量同样也不能得到很好的保证，更没有建立反馈的调节机制。因此，针对上述问题提出一种激光辅助焊缝智能寻迹系统。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种激光辅助焊缝智能寻迹系统。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，本发明提供一种激光辅助焊缝智能寻迹系统，用于对焊缝进行焊接，包括：

双目立体视觉定位模块，所述双目立体定位模块被定位为能够拍摄到焊缝；

焊接机器人模块，所述焊接机器人模块包括DSP控制系统、焊枪调节装置和焊枪，且所述焊接机器人模块与所述双目立体定位模块之间信号通信，所述焊接机器人模块响应于所述双目立体定位模块采集的参数动作；

激光辅助反馈模块，所述激光辅助反馈模块包括激光传感器和单目摄像机，其中所述激光辅助反馈模块与所述双目立体定位模块和所述焊接机器人模块分别信号连接，所述激光辅助反馈模块将检测到的参数反馈至所述双目立体定位模块和所述焊接机器人模块，其中所述单目摄像机的镜头上安装有滤光片。

根据本发明的一个优选实施方案，所述焊接机器人模块还包括摆动扫描装置，所述摆动扫描装置连接至所述激光传感器，能够驱动所述激光传感器动作。所述扫描摆动装置在必要时驱动激光传感器动作，能够对焊缝的质量进行检测。

根据本发明的一个优选实施方案，所述单目摄像机、激光传感器通过支架固定至所述焊枪。所述单目摄像机、激光传感器、焊枪固定在一起，使得激光辅助反馈模块能够跟随焊枪移动，实时扫描检测焊缝的焊接信息。

根据本发明的一个优选实施方案，所述激光辅助反馈模块还包括照明设备。

根据本发明的一个优选实施方案，所述双目立体定位模块为双目立体相机或双目立体摄像机。双目立体相机或双目立体摄像机对焊缝进行视觉拍摄，分析获取焊缝的立体信息。

根据本发明的一个优选实施方案，所述激光辅助焊缝智能寻迹系统还包括报警装置。当反馈的焊缝信息与双目立体定位模块获取的信息相比偏差大于一预定值时，报警装置发出警报，提醒操作人员对焊接操作进行及时调整，从而保证的焊接质量。

本发明的有益效果是：该系统基于边缘检测算法、激光标定算法、动力学反馈模型、相对运动算法，可以实现高精度焊缝，通过激光反馈系统反馈设置，实现焊缝的二次检测，大大提高了对焊缝的检测精度，实现了在生产线上架构成本低廉但在检测方面效率很高、精准度很强的高精度的激光辅助焊缝智能寻迹系统；实现多个焊缝、多角度或者多个焊接物体进行同时检测，实时检测其焊接质量，将各种焊缝精度信息传送给机器人控制系统，以实时调整焊接机器人的焊接位置、角度、速度来增加焊接精度与准确度。

附图说明

图1为本发明的激光辅助焊缝智能寻迹系统的简要示意图；

图2示出了具有滤光片和照明设备的激光辅助反馈模块的结构示意图；

图3为本发明中边缘检测方法的流程示意图；

图4为本发明的焊接机器人模块部分工作原理流程图；

其中：1、双目立体定位模块，2、焊接机器人模块， 3、激光辅助反馈模块，31、激光传感器，32、单目摄像机，33、照明设备，4、微型计算机， 311、滤光片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明的激光辅助焊缝智能寻迹系统的简要示意图，该激光辅助焊缝智能寻迹系统包括：双目立体视觉定位模块1、焊接机器人模块2以及激光辅助反馈模块3。

双目立体定位模块2通过支架被固定，并且被安装固定为能够拍摄到焊缝的立体信息。双目立体定位模块2由支架固定好的双目摄像机或双目相机构成，主要负责采集焊缝立体信息的视觉信息，实现对焊缝深度信息的检测，也根据视差原理采集被测焊缝的立体信息。在本实施方案中，双目立体定位模块2为双目立体相机，在使用双目立体相机前，需要对其进行标定，主要是对双目相机获取相机的内参（焦距，图像中心，畸变系数等）和外参（旋转矩阵、平移矩阵等）。进行标定以后，对焊缝进行图像采集，图3示出了边缘检测方法的流程示意图。双目立体定位模块对图像进行进一步的图像处理后，定位到焊缝的起点、终点、中间点等特征点；同时识别空间两个焊接边缘的边缘信息，得到两个连续的空间曲线，然后拟合出它们的中心线。双目立体定位模块采用此快速定位模式，能够迅速识别焊缝的特征点信息，并且将所找到的焊缝中心线信息发送到焊接机器人模块。为了可以有效地消除噪音，在更大程度上避免关键像素的损伤和忽略，准确地检测到目标的边缘并保持目标的更好的连接边缘，双目立体定位模块采取基于高斯-拉普拉斯算子的边缘检测算法。高斯-拉普拉斯边缘检测算法是高斯边缘检测算法与拉普拉斯边缘检测算法的结合，既具备高斯算子的平滑特点又具备拉普拉斯算子锐化特点，该算法可以有效地消除噪音，在更大程度上避免了关键像素的损伤和忽略，准确地检测到目标的边缘并保持目标的更好的连接边缘，增强了对于整体图像边缘细节的把握。

再次参照图1，所述焊接机器人模块2包括DSP控制系统、焊枪调节装置和焊枪，且焊接机器人模块2与双目立体定位模块1之间能够实现信号通信，双目立体定位模块1将采集和获取的焊缝信息发送给焊接机器人模块2，焊接机器人模块2将收到的信息进行处理后，响应于双目立体定位模块1发送的参数信息进行动作。如图4所示，在接收到由双目立体定位模块1发送的焊缝位置信息后，主要包括焊缝点和焊缝中心线的信息，DSP控制系统基于动力学模型对焊缝点和焊缝中心线信息进行求解处理，将处理后的信息发送给焊枪调解装置，调整焊枪的位置，使焊枪执行焊接操作。焊抢的执行机构可以为串联、并联或者直线机器人。其中，动力学模型的建模步骤主要是：

第一步：绝对位置的逆解。首先获取双目信息，基于最小二乘拟合算法，得到绝对位置的信息；

第二步：相对位置的逆解。焊枪的执行机构为串联、并联或者直线机器人，运用相对算法进行逆向求解获得其相对位置；

第三步：对获得的绝对位置和相对位置进行验证；

根据获取的信息，进行逆向求解获得其运动轨迹。

再次参照图1，激光辅助反馈模块3包括激光传感器31和单目摄像机32，其中激光辅助反馈模块3与双目立体定位模块1和焊接机器人模块2分别信号连接，激光辅助反馈模块3将检测到的参数反馈至所述双目立体定位模块1和所述焊接机器人模块2。优选地，单目摄像机32、激光传感31器通过支架固定至所述焊枪。所述单目摄像机32、激光传感器31、焊枪固定在一起，使得激光辅助反馈模块3能够跟随焊枪一起移动，实时扫描检测焊接的焊接信息。双目相机可以获取准确的3D视觉信息，单目摄像机32用以解除立体视觉环境中的视场小、立体匹配难的不足之处，采用激光标定算法合理的融合单目相机和激光传感器两种传感器的数据信息，可以有效解决焊缝检测中的各种视角、精度的问题，以实现其辅助双目立体定位模块，使焊枪进行更加精确的焊接的功能。

根据本发明的一个优选实施方案，在焊接过程中会产生大量的弧光，首先，产生的弧光会严重影响双目立体定位模块1和激光辅助反馈模块3的视觉采集，因此会影响焊缝数据分析和对焊缝的精确定位；其次，产生的弧光对于单目摄像机设备造成损害，会缩短单目摄像机设备的使用寿命。为了缓解弧光造成的影响，需要在激光辅助反馈模块的单目摄像机上和双目立体定位模块的双目相机上安装有滤光片，尤其是在单目摄像机上安装滤光片，对单目摄像机和双目相机起保护作用，同时滤掉弧光对单目摄像机和双目相机的影响。图2示出了具有滤光片和照明设备的激光辅助反馈模块的结构示意图。激光辅助反馈模块3的单目摄像机32的镜头上安装有滤光片311，滤光片311对单目摄像机32起保护作用，并且能够滤掉焊接产生的弧光，使单目摄像机32的图像采集更为清晰和准确。优选地，激光辅助反馈模块3还包括一个单独的照明设备33，这是为了进一步缓解弧光造成的视觉影响，为单目摄像机32提供更好的照明条件和图像采集条件。另外，双目立体定位模块1的双目相机虽然距离焊缝相对较远，但也会受到焊接产生的弧光的影响，因此优选地，在双目立体定位模块1的双目相机上也安装有滤光片，保护镜头和滤掉弧光。滤光片需要根据激光传感器发出的激光的波长和频率来进行选型，确保不会将激光传感器发出的激光滤掉。

编写导航焊缝中心线提取程序，提取激光焊缝导航中心线和视觉焊缝导航中心线，分别与两坐标轴交点的坐标以及截距信息，建立相同位置点的激光导航中线和视觉导航中线的映射关系，所以提出一种激光标定方法。激光辅助反馈模块3的控制部分采用激光标定算法。其中，激光标定算法是单目摄像机和激光传感器的数据融合，应当完成两者之间的数据的统一标定的算法。标定的目的是确定激光传感器空间扫描面以及光源在世界坐标系中的位置，从而有效测量焊缝测量信息，为此提出一种激光标定算法，使用单目摄像机组成的立体视觉系统完成对激光传感器的标定工作。对采集的图像信息进行了图像预处理，选用Lab空间中的a分量作为最终的色彩空间模型，通过3×3尺寸的卷积模板，进行中值滤波；运用Otsu阈值分割法分割图像，应用先膨胀后腐蚀的形态学方法处理获得的信息。运用图像透视原理筛选边界点的方法提取图像的边界点，最终基于最小二乘的直线拟合方法拟合出边界线，进一步提取出焊缝中心线。

优选地，所述焊接机器人模块2还包括摆动扫描装置，所述摆动扫描装置连接至所述激光传感器31，能够所述激光传感器31动作（见图3）。所述扫描摆动装置在必要时驱动激光传感器动作，能够对焊缝的质量进行检测。

优选地，本发明的激光辅助焊缝智能寻迹系统还包括报警装置。当反馈的焊缝信息与双目立体定位模块获取的信息相比偏差大于设定好的预定值时，报警装置发出警报，提醒操作人员对焊接操作进行及时调整，从而保证的焊接质量，实现其高精度焊缝追踪。

本发明的激光辅助焊缝智能寻迹系统能实现多个焊缝、多角度或者多个焊接物体进行同时检测，实时检测其焊接质量，将各种焊缝精度信息传送给机器人控制系统，以实时调整焊接机器人的焊接位置、角度、速度等。

具体地，本发明在使用时，首先在双目相机各架支架，对双目立体相机进行标定；将单目摄像机和激光传感器固定至焊枪的对应位置上，使得单目摄像机和激光传感器能够对焊缝进行扫描和检测；双目立体相机对焊缝的立体信息进行采集，识别焊缝起点、终点以及焊缝的中心点，并且识别空间两个焊接边缘的边缘信息，得到两个连续的空间曲线，然后拟合出它们的中心线；双目立体相机将焊缝中心线信息传递给焊接机器人模块，焊接机器人模块根据双目立体相机传递的信息，进行逆向求解获得其运动轨迹，控制焊枪执行焊接操作；在焊枪进行焊接操作的同时，激光辅助反馈模块对焊枪的运动进行跟踪，使用相机采用激光扫描进行辅助反馈。在焊接过程中，双目立体相机被遮挡时，激光辅助反馈模块对焊枪进行激光扫描定位，同时将信息反馈给双目立体相机，双目立体相机根据反馈的信息进行调整。对焊缝进行质量检测，实现远程的焊缝检测以及对比，建立焊接机器人的焊接精度模型，同时实现多个焊缝、多角度或者多个焊接物体进行同时检测，实时检测其焊接质量，同时将各种焊缝精度信息传送给焊接机器人模块，以实时调整焊枪的焊接位置、角度、速度等。同时将双目立体定位模块获取的焊缝中心线和激光辅助反馈模块激光扫描获取的中心线的相对位置误差精度进行对比，若超出预定值，即设定的误差许可范围，可以触发报警，使操作人员尽快对焊接进行调整，从而保障了焊缝的质量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。