一种流水孔焊缝自动识别跟踪方法与流程

本发明涉及焊接、图像处理、信号处理、自动控制等领域，具体涉及一种船舱直线流水孔焊缝自动识别跟踪方法。

背景技术：

目前，我国的工业化水平越来越高，大型构件在现场的应用也越来越多。焊接是大型构件在现场的组装的重要手段，作为重工业的一项重要关键技术，焊接质量与效率影响着大型设备制造的质量、周期与成本。船舶制造中，为加强船体强度，船舱底部设置许多格子间，其工作环境狭小且存在不连续焊缝，影响焊接生产效率。现有焊接机器人无法识别流水孔特征点位置，也就无法自动完成带有流水孔角焊缝的自动识别跟踪，目前该类焊件焊接主要由人工完成。鉴于焊接过程中大量的烟雾、灰尘、弧光且焊接环境密闭温度较高，工人需穿着厚厚的防护服，带着面罩，因此工作环境相当的恶劣，给长期工作在焊接一线工人的身心都带来严重的伤害。因此，亟待研发一种船舱直线流水孔自动识别跟踪方法，让机器人完成流水孔焊缝的自动焊接，将工人从恶劣的工作环境中解放出来，同时提高生产效率和焊接质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种流水孔焊缝自动识别跟踪方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种流水孔焊缝自动识别跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将旋转电弧传感器和激光视觉传感器按相对位置安装；

（2）采集电流信号和焊缝图像信息；

（3）电流信号通过系列算法后提取焊缝偏差；

（4）对采集到的图像进行处理，得出焊缝的特征信息；

（5）根据焊缝特征信息识别出特征点和焊缝类型；

（6）针对不同焊缝类型自动控制焊接起熄弧，采用不同跟踪方法进行焊缝跟踪。

作为本发明进一步的方案：所述步骤（1）具体包括以下步骤：旋转电弧既为传感器又为焊炬，将其安装在横向十字滑块上，角度可调，初始角度与水平方向成45度角。激光视觉传感器安装在机器人前进方向超前位置，用于检测流水孔信息以及完成不起弧状态下的自动跟踪。激光视觉传感器带有旋转关节，与水平方向的夹角可自由调节，只需保证采集到的图像中激光条纹覆盖整个流水孔且具有一个拐点即可。旋转电弧传感器和激光视觉传感器的相对位置不变，都随着横向十字滑块的伸缩而运动。

作为本发明再进一步的方案：步骤（2）中利用数据采集卡和图像采集卡完成电流数据和焊缝图像的采集。数据采集卡和图像采集卡的类型可自选。采用定时器方式，定时周期根据实际系统处理时间决定；利用线程方式进行电流信号采集和图像采集。主线程完成电流信号采集、信号处理、信号融合、控制等。子线程主要完成焊缝图像采集、处理、焊缝识别等。

作为本发明再进一步的方案：步骤（3）中，通过霍尔传感器采集到的电流信号包含大量噪声干扰，需经过滤波等系列算法后提取出不失真的包含原始信号的波形；采用有效的偏差提取方法提取焊缝偏差从而指导焊缝跟踪。

焊缝偏差e的提取方法主要有特征谐波法和区间积分法，系统采用特征谐波法，这是由于特征谐波法的偏差检测结果的标准差小于区间积分法，而二者的粗大误差率相差不大，检测结果比区间积分法要平滑，与实际情况更为接近。

作为本发明再进一步的方案：步骤（4）中采集到的焊缝图像信息中包含大量的烟雾、灰尘、弧光等干扰，采用去噪、激光条纹提取等系列算法后获得完全表征焊缝真实形状和特点的激光条纹。

作为本发明再进一步的方案：步骤（5）中的具体做法为：根据激光条纹打在焊缝上后，在图像中反映出来的变化情况进行分析，可找到识别焊缝中具有重要转折的特征点，根据特征点的变化可识别出流水孔类型。

作为本发明再进一步的方案：步骤（6）中的具体做法为：根据不同的流水孔类型，确定经过流水孔时跳过或直接焊接；在无流水孔或需直接焊接的流水孔段，采用旋转电弧传感器进行焊缝跟踪。在流水孔段，采用激光视传感器进行焊缝跟踪。

目前，船舱格子间流水孔焊接都采用人工焊接或靠模小车进行，有部分造船企业采用大型焊接机器人进行焊接，但该类机器人无法自主移动，采用的方式为示教方式，国内外尚无关于流水孔自动识别跟踪与焊接的报道，本发明能够自动完成流水孔焊缝的自动识别和跟踪，识别和跟踪精度为±1.0mm，具有很高的理论和实用价值。

附图说明

图1为本发明的其中一种典型的流水孔示意图。

图2为本发明的其中另一种典型的流水孔示意图。

图3为本发明的设计一种旋转电弧传感器和激光视觉传感器相对位置安装图。

图4为本发明的电流信号处理过程示意图。

图5为本发明的焊缝图像处理过程示意图。

图6为本发明激光打在图1流水孔焊缝上的示意图。

图7为本发明激光打在图2流水孔焊缝上的示意图。

在图3中，1旋转电弧传感器旋转关机，2旋转电弧传感器，3激光视觉传感器，4激光视觉传感器旋转关节。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。

实例1

图1-图2所示为两种典型的流水孔示意图，图1中，bc所代表的半圆为流水孔。焊接从a点开始，至b点需停弧，机器人行进至c点后重新起弧，焊接至d点，机器人需自动停弧。图2中，圆孔代表的为流水孔，但机器人需从a点直接焊接至d点而中间不需停弧。因此在图1的中的ab、cd段，图2中的ad段需焊接，此时采用旋转电弧传感器进行焊缝跟踪，图1中bc段需要停弧，此时采用激光视觉传感器进行焊缝跟踪。

（1）将旋转电弧传感器和激光视觉传感器按相对位置安装；

图3为设计的一种旋转电弧传感器和激光视觉传感器相对位置安装图。旋转电弧传感器2和激光视觉传感器3的相对距离位置关系确定，只是各自可以进行俯仰角的调整，调整到激光条纹完全覆盖流水孔，且图像中具有拐点为佳。其中，旋转电弧传感器1可通过旋转关节2进行角度调节，激光视觉传感器3可通过旋转关节4调节，且通过旋柄5进行固定。

（2）采集电流信号和焊缝图像信息；电流信号利用霍尔传感器和信号采集卡进行，霍尔传感器可选用ydg-hsd-4，信号采集卡可选用art2932，图像采集卡可选用大恒图像vt121，采样周期可设置为300ms；为保证电流信号的准确性，可在一周期内连续采样2圈求均值。

（3）电流信号通过系列算法后提取焊缝偏差；电流信号处理过程可以按照图4的方法进行。

（4）对采集到的图像进行处理，得出焊缝的特征信息；图像处理过程需去除弧光、灰尘、飞溅等各类干扰，保留能够真实反映焊缝特征的激光条纹。焊缝图像处理过程可按图5进行。

（5）根据焊缝特征信息识别出特征点和焊缝类型；

在船舱格子间的制造过程中，流水孔的类型多样，需根据不同的类型进行不同的识别方法。图6和图7为激光打在流水孔焊缝上的示意图，在焊接过程中，激光视觉传感器需识别出特征点a,b,c,d点，且需要识别出焊缝的类型以确定何时需要停弧，何时需要起弧。在图像识别过程中，根据激光条的形状对焊缝进行识别，如认为需要焊接的地方则设置焊缝标志flag=1，需要停弧的地方设置flag=0，认为焊缝结束的地方设置flag=2。

如果焊缝标志从1跳变到0，则需延时t后熄弧，t=s/v，其中s为激光视觉传感器超前焊嘴的距离，v为机器人移动的速度，此时设置标志welding=0；如果焊缝标志从0跳变到1，则需延时后重新起弧，此时设置标志welding=1；如果焊缝标志从1跳变到2，则需延时后熄弧并停机。焊缝类型的识别可根据激光条纹的形状判断。

（6）针对不同焊缝类型自动控制焊接起熄弧，采用不同跟踪方法进行焊缝跟踪。

当welding==0时，采用旋转电弧传感器进行焊缝跟踪，控制器采用pid和模糊控制器结合进行，当偏差大于阈值时采用比例控制，提高系统的响应速度；当偏差小于阈值时采用自调整模糊控制，实现平滑跟踪。

当welding==0时，采用激光视觉传感器进行焊缝跟踪，控制器使用和旋转电弧传感相同的控制策略，只需要对两者进行归一化处理，此时e=1.5/5*e，e为通过图像处理算出的偏差像素个数，e为送入到激光视觉跟踪控制器的焊缝偏差。

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。