一种智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，括壳体、激光器、相机、光路调整模块、驱动装置安装固件和控制系统，相机、光路调整模块和激光器通过安装固件与壳体连接，安装固件均内置于壳体，光路调整模块用于对激光器发出的激光束光路进行调节，驱动装置与壳体的外部可拆卸连接，控制系统分别与相机、光路调整模块、激光器和驱动装置电连接。与现有技术比较本发明的有益效果在于：该系统实现了对焊缝位置高精度实时定位，能够通过反射镜片的旋转来自动调节激光束的照射在待焊接工件位置。该系统上的相机能够实现快速对焦功能，该系统还能自动调节自身与待焊接工件的相对位置。该系统结构紧凑，便于安装，且适用于多种工况。
【专利说明】
一种智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统
技术领域
[0001] 本发明涉及视觉跟踪技术领域，具体涉及一种智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系 统。
【背景技术】
[0002] 随着自动化焊接的发展，对其焊接精度要求越来越高，对其应用范围要求越来越 广泛。而在提升焊接精度和扩大应用范围的过程中，焊缝跟踪系统起着举足轻重的作用，焊 缝跟踪实现的方式多种多样，焊缝视觉跟踪以其精度高和检测范围大等优点成为当下研究 的热点，高度集成化的焊缝视觉跟踪系统也是未来的发展方向。
[0003] 目前，现有的一体式焊接视觉跟踪系统却存在相应的弊端，首先，其相机光轴和激 光器中心线成一定角度的固定方式安装，占用空间大。其次，当焊缝跟踪模块与待焊工件的 实际距离与理论值存在一定的偏差时，相机将会产生对焦不精确，图像虚化等结果，进而， 线结构光在图像中的实际位置会偏离理论设定的位置且图像质量较差，处理结果误差较 大，从而使得后期焊缝跟踪结果产生一定的误差。在焊缝跟踪前期，由于焊缝视觉跟踪模块 无法根据实际情况中的物距自动响应，即焊缝视觉跟踪模块无法依据自身与待焊工件的实 际距离来自动调节焦距、线结构光在相机视场中的初始位置，因此必须借助相应设备并采 用人工的方式对焊缝视觉跟踪模块进行初始化调整，这样，对工人的工作依赖程度较大，同 时降低了装备的智能化。
[0004] 另一方面，由于现有焊缝视觉跟踪模块的相机采用定焦方式工作，其无法根据复 杂结构的待焊工件形状来自动调节焊缝跟踪模块与待焊工件的相对空间位置，现有的定焦 式焊接视觉跟踪模块在应用于对结构复杂的待焊工件的检测过程中，当焊缝跟踪模块与待 焊工件结构之间出现结构干涉时，现有的定焦式焊接视觉跟踪模块便无能为力，其应用场 合受到一定的限制。
[0005] 鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
【发明内容】
[0006] 为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种智能及紧凑型的焊 缝视觉跟踪系统，包括壳体、激光器、相机、光路调整模块、驱动装置安装固件和控制系统， 所述相机、所述光路调整模块和所述激光器通过所述安装固件与所述壳体连接，所述安装 固件均内置于所述壳体，所述光路调整模块用于对激光器发出的激光束光路进行调节，所 述驱动装置与所述壳体的外部可拆卸连接，所述控制系统分别与所述相机、所述光路调整 模块、所述激光器和所述驱动装置电连接。
[0007] 较佳的，所述相机包括定焦镜头、调焦圈和镜头调焦圈伺服驱动电机，所述镜头调 焦圈伺服驱动电机与所述控制单元电连接，所述控制单元通过所述镜头调焦圈伺服电机控 制所述定焦镜头进行自动对焦。
[0008] 较佳的，所述控制系统通过多帧图像分析和比对算法确定所述调焦圈角度，所述 比对算法采用灰度差分函数：
[0009]
[0010] 其中，H为灰度差分梯度函数值，f (i，j)为i，j像素点的灰度值，1和W分别为图像长 和宽的最大像素值。
[0011] 较佳的，该系统还包括上盖，所述上盖通过所述安装固件与所述壳体连接，所述上 盖与所述安装固件可拆卸连接，所述安装固件分别与所述相机、所述光路调整模块和所述 激光器可拆卸连接，所述壳体上设有视窗，所述视窗上设有机玻璃镜片。
[0012] 较佳的，所述光路调整模块包括反射镜、反射镜支架和反射镜伺服驱动电机，所述 反射镜设置在所述反射镜支架上，所述反射镜伺服驱动电机与所述控制系统电连接，所述 反射镜伺服驱动电机与所述反射镜支架固定连接，所述反射镜伺服驱动电机用于带动所述 反射镜支架沿其轴线旋转。
[0013] 较佳的，所述光路调整模块还包括反射镜手动调节装置，所述反射镜手动调节装 置与所述反射镜支架固定连接，所述反射镜手动调节装置用于带动所述反射镜支架沿其轴 线旋转。
[0014] 较佳的，所述激光器产生的线性激光束呈一字型或十字型或圆滑型。
[0015] 较佳的，所述激光器和所述相机平行设置在壳体内，所述激光器的中心轴线、相机 的光轴和反射镜片的中心线在一个平面内。
[0016] 较佳的，该系统还包括镜片插槽组，所述镜片插槽组用于插入减光镜片或滤光片。
[0017] 较佳的，所述控制系统通过多帧图像分析和比对算法确定所述调焦圈角度，所述 比对算法时域函数：
[0018]
[0019] 其中，Y为比对函数值，X(a，b)为第a行第b列像素的亮度，乂3(&，13)4" &，13)分别表 示a行和b列与相邻像素亮度的差值，乂3(8，13)4"&，13)分别表示为 ：
[0020] Xa(a，b)=X(a，b+l)_X(a，b)
[0021] Xb(a，b)=X(a+l，b)_X(a，b)
[0022] 所述比对算法对应的频域函数：
[0023]
[0024] 其中，S为频域函数值，p和q分别为第a行和b列的数字图像频率，F(p，q)是X(a,b) 的傅里叶变换。
[0025] 与现有技术比较本发明的有益效果在于:本发明提供的一种智能及紧凑型的焊缝 视觉跟踪系统实现了在焊缝跟踪模块相对于待焊工件的距离发生变化的条件下，待焊工件 位置高精度实时高智能化定位;该系统能够通过控制系统控制反射镜伺服驱动电机使反射 镜片旋转，以达到自动调节激光束照射在待焊接工件上的位置的目的。该系统上的相机能 够实现快速对焦功能，该系统还能自动调节自身与待焊接工件的相对位置。该系统结构紧 凑，便于安装或拆卸，且适用于多种工况。
【附图说明】
[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍。
[0027] 图1是本发明实施例一中壳体内侧结构示意图；
[0028]图2是本发明实施例一中壳体外侧结构不意图；
[0029] 图3是本发明实施例一中上盖外侧结构示意图；
[0030] 图4是本发明实施例一中上盖内侧结构示意图；
[0031 ]图5是本发明实施例一中安装固件一侧结构示意图；
[0032] 图6是本发明实施例一中安装固件另一侧结构示意图；
[0033] 图7是本发明实施例一中安装固件与壳体连接结构示意图；
[0034] 图8是本发明实施例一中光路调整模块结构示意图；
[0035] 图9是本发明实施例一中控制系统功能不意图；
[0036]图10是本发明实施例一中焊缝视觉跟踪系统一侧结构示意图；
[0037]图11是本发明实施例一中焊缝视觉跟踪系统另一侧结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
[0039] 实施例一
[0040]本实施例提供了一种智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，其包括:壳体1、上盖2、 安装固件3、相机4、激光器5、光路调整模块6、驱动装置7、控制系统8。
[0041 ]如图1所不，为实施例一中壳体内侧结构不意图；如图2所不，为实施例一中壳体外 侧结构示意图。壳体1包括底板11、左侧板12、右侧板13和斜板14，上述的底板11、左侧板12、 右侧板13和斜板14是一体式结构。底板11上设有底板通孔115和第一装配孔116,第一装配 孔116为通孔。底板11上还开有底板第一插槽111、底板第二插槽112、底板第三插槽113和底 板第四插槽114。底板第一插槽111、底板第二插槽112、底板第三插槽113和底板第四插槽 114的开槽深度小于底板11的厚度。壳体1上还设置有视窗16。左侧板12上设有左侧板第一 插槽121、左侧板第二插槽122、左侧板第三插槽123和左侧板第四插槽124。
[0042]如图3所示，为实施例一中上盖外侧结构示意图；如图4所示，为实施例一中上盖内 侧结构示意图。上盖2设有上盖通孔25和反射镜手动调节通孔26,上盖2内侧开有上盖第一 插槽21、上盖第二插槽22、上盖第三插槽23和上盖第四插槽24。上盖第一插槽21、上盖第二 插槽22、上盖第三插槽23和上盖第四插槽24的开槽深度小于上盖2的厚度。
[0043]左侧板第一插槽121分别与上盖第一插槽21和底板第一插槽111位置相对应，左侧 板第一插槽121、上盖第一插槽21和底板第一插槽111在同一平面内，共同形成第一镜片插 槽。左侧板第二插槽122分别与上盖第二插槽22和底板第二插槽112位置相对应，左侧板第 二插槽122、上盖第二插槽22和底板第二插槽112在同一平面内，共同形成第二镜片插槽。左 侧板第三插槽123分别与上盖第三插槽23和底板第三插槽113位置相对应，左侧板第三插槽 123、上盖第三插槽23和底板第三插槽113在同一平面内，共同形成第三镜片插槽。左侧板第 四插槽124分别与上盖第四插槽24和底板第四插槽114位置相对应，左侧板第四插槽124、上 盖第四插槽24和底板第四插槽114在同一平面内，共同形成第四镜片插槽。
[0044]第一镜片插槽、第二镜片插槽、第三镜片插槽和第四镜片插槽组成镜片插槽组，镜 片插槽组用于插入有减光片或滤光片。视窗16处安装有机玻璃镜片，有机玻璃镜片设置在 相机4和待焊接的工件之间，此时，有机玻璃镜片用于隔热且保护定相机4免受熔池飞溅的 损害。镜片插槽组内若同时安装有减光片组和滤光片组，有机玻璃镜片将待焊接的工件隔 离于减光片组或滤光片组，此时有机玻璃镜片用于隔热且保护滤光片组或减光片组免受熔 池飞溅的损害，而滤光片组则用于过滤特定波长的光波，减光片组用于减小入射光波的强 度。当然，镜片插槽组内也可以不插入任何镜片。
[0045]如图5所不，为实施例一中安装固件一侧结构不意图；如图6所不，为实施例一中安 装固件另一侧结构示意图；如图7所示，为实施例一中安装固件与壳体连接结构示意图。安 装固件3包括第一凹槽31和第二凹槽32,第一凹槽31为方形凹槽，用于容纳相机4,第二凹槽 32为弧形凹槽，用于容纳激光器5。第一凹槽31与相机安装架41固定连接，第二凹槽32与激 光器安装架21固定连接。安装固件3上还包括固定架33、第一安装孔34、第二安装孔35和第 二装配孔36。第一安装孔34与上盖通孔25位置相对应，螺栓穿过上盖通孔25在第一安装孔 34内旋紧，使得上盖2与安装固件3相连。第二安装孔35与底板通孔115位置相对应，螺栓穿 过底板通孔115在第二安装孔35内旋紧，使得安装固件3与底板11相连。安装固件3与底板11 间可拆卸连接，上盖2与安装固件3间同样可拆卸连接。第二装配孔36与第一装配孔116位置 对应，第一装配孔116与第二装配孔36配合使用，用于将壳体1与驱动装置7连接在一起。 [0046]相机4通过相机安装架41与安装固件3相连，相机包括定焦镜头42和镜头座43。定 焦镜头42安装在镜头座43上，镜头座43与相机安装架41固定连接，镜头座43内设有调焦圈 和镜头调焦圈伺服驱动电机。调焦圈用于调节定焦镜头42的焦距。镜头调焦圈伺服驱动电 机通过控制调焦圈来控制定焦镜头42进行对焦。镜头调焦圈伺服驱动电机与控制系统8电 连接。
[0047] 激光器5通过激光器安装架51与安装固件3相连，激光器5与控制系统8电连接。激 光器5和相机4平行设置在壳体1内。
[0048] 如图8所示，为实施例一中光路调整模块结构示意图。光路调整模块6包括反射镜 片61、反射镜支架62、反射镜手动调节装置63和反射镜伺服驱动电机64,反射镜支架62上设 有反射镜片61，反射镜片61用于反射激光器5产生的激光，反射镜支架62设置在固定架33 上，反射镜支架62能够绕自身轴线旋转。反射镜支架62分别与反射镜伺服驱动电机64和反 射镜手动调节装置63相连，反射镜伺服驱动电机64和反射镜手动调节装置63均能够带动反 射镜支架62旋转。激光器5的中心轴线、相机4的光轴和反射镜片61的中心线在一个平面内。 光路调整模块6与固定架33可拆卸连接。
[0049] 如图9所示，为实施例一中控制系统功能示意图。控制系统8分别与相机4、激光器5 和反射镜伺服驱动电机64电连接，控制系统8为相机4、激光器5、和反射镜伺服驱动电机64 提供电力。控制系统8接收相机4输出的图像信号，并对接收到的图像信号进行分析。根据分 析结果，控制系统8分别向镜头调焦圈伺服驱动电机和反射镜伺服驱动电机64和驱动装置7 发送控制信号，同时还能自动调节激光器的光强度。
[0050] 本实施例提供了一种智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，其工作原理是：如图10 所示，为实施例一中焊缝视觉跟踪系统一侧结构示意图。如图11所示，为实施例一中焊缝视 觉跟踪系统另一侧结构示意图。首先，将相机4、激光器5和光路调整模块6安装在安装固件3 之上，再将安装固件3内置于壳体1内并与底板11连接，然后再将上盖2固定在安装固件3上， 最后，通过第一装配孔116和第二装配孔36将壳体1与驱动装置7相连接，驱动装置7将带动 壳体1进行空间位置的调整。激光器5产生的激光束先通过反射镜片61照射到待焊接的工件 上，然后激光束再通过待焊接的工件反射，再由带有定焦镜头42的相机4进行采集。上述激 光器5产生的激光束形状呈一字型或十字型或圆滑型等。
[0051] 在焊接前，执行相机最佳焦距调整过程：
[0052] 首先，将视窗16对准待焊接的工件，控制系统8控制激光器5发射激光束，激光束照 射到反射镜片上被反射到待焊接的工件上。相机4能够对经待焊接的工件反射的激光束进 行拍摄。
[0053]进一步，控制系统8从定焦镜头42的焦距范围内抽取N个焦距值，形成焦距列表，N 为正整数，然后，控制系统8通过镜头调焦圈伺服驱动电机控制定焦镜头42开始变焦，依次 执行焦距列表中的焦距值。当定焦镜头42每次执行焦距列表中的焦距值时，相机4都会获取 一张图像，然后相机4将获取到的总数量为N的图像全部回传给控制系统8。控制系统8将这 一组数量为N的图像进行成像质量特征比对，从而确定定焦镜头42的最佳焦距，控制系统8 再通过镜头调焦圈伺服驱动电机控制调焦圈使得定焦镜头42调整至最佳焦距。
[0054] 上述图像比对结果，是通过图像清晰度比对算法得出的。通过比对算法可以得出 多帧图像的比对函数曲线，以其函数峰值作为依据，调节定焦镜头42的焦距。比对算法采用 灰度差分梯度函数，采用灰度差分法可以降低图像噪声，并且计算量小，能够便于相机快速 变焦。该灰度差分梯度函数为：
[0055]
[0056] 其中，H为灰度差分梯度函数值，f (i，j)为i，j像素点的灰度值，1和w分别为图像长 和宽的最大像素值。
[0057]当定焦镜头42的焦距自动调节完成后，若仍不能满足清晰度要求，控制系统8会根 据所拍摄到的图像进行分析，然后控制系统8通过驱动装置7来调整壳体1与待焊接的工件 相对位置，使相机4接近或远离待焊接的工件，进而，重新执行上述相机最佳焦距调整过程， 从而确定定焦镜头42的最佳焦距。
[0058]当定焦镜头42的最佳焦距确定后，控制系统8从反射镜片61的旋转角度范围内抽 取M个旋转角度值，形成旋转角度列表，M为正整数，然后控制系统8通过反射镜伺服驱动电 机64控制反射镜片61的旋转角度，反射镜片61的旋转角度开始变化，依次执行旋转角度列 表中的角度值。当反射镜片61每次执行旋转角度列表中的角度值时，相机4都会获取一张图 像，然后相机4将获取到的总数为M个的图像全部回传给控制系统8,控制系统8确定每张图 像上经过反射的激光束的图像定位坐标，然后将上述坐标与激光器5的理论图像定位坐标 进行对比，从而智能的确定反光镜片61的旋转角度，控制系统8再通过反射镜伺服驱动电机 64智能调整反光镜片61的旋转角度。
[0059]当对焊缝进行跟踪时，待焊接的工件与壳体1相对运动，相机4以一定频率对激光 束照射到的焊缝处进行拍摄，控制系统8实时对接收到的图像信号进行分析。根据对接收到 的图像信号进行分析结果，控制系统8向镜头调焦圈伺服驱动电机、驱动装置7分别发送控 制信号，使镜头调焦圈伺服驱动电机、驱动装置7执行进一步动作，来确保定焦镜头42在拍 摄过程中始终保持最佳的焦距，同时控制系统8还向反射镜伺服驱动电机64和激光器5发送 控制信号，来确保激光的光强度和照射角度满足相机4的拍摄需求。控制系统8会根据所获 取的图像自动绘制焊缝轨迹。
[0060] 实施例二
[0061] 本实施例与实施例一的不同之处在于执行相机最佳焦距调整过程中所涉及的图 像清晰度比对算法不同，本实施例中的图像清晰度比对算法，包括时域形式和频域形式，以 其频域形式的频谱作为依据，调节定焦镜头42的焦距。图像清晰度比对函数为：
[0062] 公式中，Y为比对函数值，X(a，b)为第a行第b列像素的亮度，乂3(&，13)4" &，13)分别 表示a行和b列与相邻像素亮度的差值，Xa(a，b)=X(a，b+l)-X(a，b)，X b(a，b)=X(a+l，b)_X (a,b) 〇
[0063] 上述图像清晰度比对运算是在时域内进行的，其转化后在频域内的算法为：
[0064]
[0065] 其中，S为频域函数值，p和q分别为第a行和b列的数字图像频率，F(p，q)是X(a,b) 的傅里叶变换。
[0066] 本实施例中的图像清晰度比对算法的好处在于:可以降低图像噪声，减小计算量， 具有运算速度快，消耗系统内存资源少，对焦精准的特点。
[0067] 实施例三
[0068]本实施例执行相机最佳焦距调整过程中所涉及的图像清晰度比对方式，采用实施 例一中比对算法与实施例二图像清晰度比对算法相结合的形式，增强了确定最佳焦距的准 确性。
[0069]综上，本实施例提供的一种智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统能够实现对焊缝的 尚精度跟踪。
[0070]以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性 的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变， 修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，包括壳体和激光器，其特征在于，还包括相 机、光路调整模块、驱动装置安装固件和控制系统，所述相机、所述光路调整模块和所述激 光器通过所述安装固件与所述壳体连接，所述安装固件均内置于所述壳体，所述光路调整 模块用于对激光器发出的激光束光路进行调节，所述驱动装置与所述壳体的外部可拆卸连 接，所述控制系统分别与所述相机、所述光路调整模块、所述激光器和所述驱动装置电连 接。2. 如权利要求1所述的智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，其特征在于，所述相机包括 定焦镜头、调焦圈和镜头调焦圈伺服驱动电机，所述镜头调焦圈伺服驱动电机与所述控制 单元电连接，所述控制单元通过所述镜头调焦圈伺服电机控制所述定焦镜头进行自动对 焦。3. 如权利要求2所述的智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，其特征在于，所述控制系统 通过多帧图像分析和比对算法确定所述调焦圈角度，所述比对算法采用灰度差分函数：其中，H为灰度差分梯度函数值，f (i，j)为i，j像素点的灰度值，1和w分别为图像长和宽 的最大像素值。4. 如权利要求1-3任一所述的智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，其特征在于，还包括 上盖，所述上盖通过所述安装固件与所述壳体连接，所述上盖与所述安装固件可拆卸连接， 所述安装固件分别与所述相机、所述光路调整模块和所述激光器可拆卸连接，所述壳体上 设有视窗，所述视窗上设有机玻璃镜片。5. 如权利要求4所述的智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，其特征在于，所述光路调整 模块包括反射镜、反射镜支架和反射镜伺服驱动电机，所述反射镜设置在所述反射镜支架 上，所述反射镜伺服驱动电机与所述控制系统电连接，所述反射镜伺服驱动电机与所述反 射镜支架固定连接，所述反射镜伺服驱动电机用于带动所述反射镜支架沿其轴线旋转。6. 如权利要求5所述的智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，其特征在于，所述光路调整 模块还包括反射镜手动调节装置，所述反射镜手动调节装置与所述反射镜支架固定连接， 所述反射镜手动调节装置用于带动所述反射镜支架沿其轴线旋转。7. 如权利要求6所述的智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，其特征在于，所述激光器产 生的线性激光束呈一字型或十字型或圆滑型。8. 如权利要求7所述的智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，其特征在于，所述激光器和 所述相机平行设置在壳体内，所述激光器的中心轴线、相机的光轴和反射镜片的中心线在 一个平面内。9. 如权利要求8所述的智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，其特征在于，其还包括镜片 插槽组，所述镜片插槽组用于插入减光镜片或滤光片。10. 如权利要求2所述的智能及紧凑型的焊缝视觉跟踪系统，其特征在于，所述控制系 统通过多帧图像分析和比对算法确定所述调焦圈角度，所述比对算法时域函数：其中，Y为比对函数值，X(a，b)为第a行第b列像素的亮度，乂3(&，13)4" &，13)分别表示&行 和b列与相邻像素亮度的差值，乂3(8，13)4"&，13)分别表示为： Xa(a,b)=X(a,b+l)-X(a,b) Xb(a,b)=X(a+l,b)-X(a,b) 所述比对算法对应的频域函数：其中，S为频域函数值，p和q分别为第a行和b列的数字图像频率，F(p，q)是X(a，b)的傅 里叶变换。
【文档编号】B23K37/00GK106041377SQ201610664232
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月12日 公开号201610664232.6, CN 106041377 A, CN 106041377A, CN 201610664232, CN-A-106041377, CN106041377 A, CN106041377A, CN201610664232, CN201610664232.6
【发明人】蒋晓明, 毕齐林, 刘晓光, 赫亮
【申请人】广东省自动化研究所