基于激光视觉传感的焊缝自动跟踪方法

摘要

本发明涉及一种用于焊接技术领域的焊缝跟踪方法，针对现有焊缝自动跟踪方法依靠单一反馈来控制焊枪产生滞后控制，影响跟踪的精度这一不足，提供一种基于激光视觉传感的焊缝跟踪方法，在传感器检测位置超前焊枪的情况下，它可以计算出焊枪实际焊缝偏差，同时可以预测下一步焊缝的走向，大大提高焊缝跟踪精度和效果。本发明使用摄像机持续获取焊缝图像信息，通过主控计算机处理获得实际焊缝偏差来构成反馈控制，同时通过主控计算机处理获得焊缝轨迹曲率(斜率)信息，进而预测一个前馈量构成前馈控制；将反馈控制和前馈控制两者结合构成前馈反馈，计算焊枪应调整量，控制焊枪沿焊缝前进。

权利要求

1.一种基于激光视觉传感的焊缝自动跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）启动系统，设定跟踪参数；

（2）开始跟踪，计算机经过视觉传感器和图像采集单元获取焊缝图像信息，计算出测量偏差 ，并进行数据存储；

（3）计算机计算实际焊缝偏差 做为反馈量，并进行数据存储；计算公式为，式中， 为第iT周期焊枪实际调整量；

（4）计算机计算由焊缝斜率预测的前馈量，并进行数据存储；焊缝轨迹在iT时刻的斜率 由第iT周期在y方向上的增量 和在x方向上的增量 的商来计算，由斜率预测的焊枪调整量为 ；

计算时，先按公式(b)分别计算出 至 的值；

(b)

然后按照公式(c)计算第iT时刻焊缝轨迹平均增量 ；

(c)

式中，N为所选取的焊枪前方焊缝轨迹曲线的段数；

（5）计算机计算焊枪应调整量应调整量 ，公式为 ，并进行数据存储，通过运动控制单元输出控制信号，由驱动单元控制焊枪运动；

（6）步骤（2）至步骤（5）循环执行，实现焊缝自动跟踪，直到焊接结束。

2.根据权利要求1所述的基于激光视觉传感的焊缝自动跟踪方法，其特征在于：步骤（1）包括设定激光条纹中心与焊枪中心的距离、设定采样周期、设定焊枪与焊件的相对移动速度和设定视觉传感器的分辨率。

说明书

基于激光视觉传感的焊缝自动跟踪方法

技术领域

[0001] 本发明涉及焊接技术领域，具体是一种基于激光视觉传感的焊缝自动跟踪系统和方法。

背景技术

[0002] 焊缝跟踪是实现焊接自动化亟待解决的问题。目前激光视觉传感是最有发展前景的焊缝跟踪传感方式之一，倍受人们的青睐，并逐步在焊接生产中推广应用。激光视觉传感器与焊枪跟踪机构固定连接在一起，传感器安装在焊枪的前方，用于检测焊缝位置信息。传感器将图像信息传送给图像采集系统，并经图像处理获取焊缝位置信息，将焊枪位置与该焊缝位置作比较，计算出焊枪偏离焊缝的偏差，即焊缝偏差，利用这一偏差作为反馈给控制器来调整跟踪机构，使焊枪始终对准焊缝，实现焊缝跟踪的目的。

[0003] 采用这种传感器方式进行焊缝跟踪控制，由于传感器与焊枪固定在一起，且传感器检测位置超前焊枪一定的距离，如果直接将传感器检测到的位置来计算焊缝偏差，并用这个偏差来调整焊枪，当焊缝比较平直时，该方法对跟踪精度影响不大，当焊缝为斜线或弯曲线时，则误差很大，根本无法保证准确跟踪。出现这个问题的原因是误将检测得的偏差当作实际(真正)焊缝偏差来处理。

[0004] 目前已有计算实际焊缝偏差的方法(如蒋力培在《焊接学报》(1998,Vol.19,No.3:184-189)上发表的“传感器超前检测式焊缝自动跟踪系统的控制模型”)，但是，仅仅依靠这种单一的反馈来控制焊枪会产生滞后控制的不良后果，影响跟踪的精度。

发明内容

[0005] 本发明针对现有焊缝自动跟踪方法依靠单一反馈来控制焊枪产生滞后控制，影响跟踪的精度这一不足，提供一种激光视觉传感焊缝自动跟踪系统，在传感器检测位置超前焊枪的情况下，它可以计算出焊枪实际焊缝偏差，同时可以预测下一步焊缝的走向，大大提高焊缝跟踪精度和效果。本发明的技术方案为：

[0006] 一种激光视觉传感焊缝自动跟踪系统，包括计算机、焊枪、视觉传感器、图像采集单元、运动控制单元和驱动单元，视觉传感器、图像采集单元、运动控制单元和驱动单元安装在焊枪的上方，图像采集单元和运动控制单元连接计算机，焊枪由驱动单元带动；焊枪前方设置有半导体激光器，视觉传感器下方设置有滤光片组。

[0007] 本发明由半导体激光器发出一字线激光条纹斜射到焊枪前方的焊件上，经视觉传感器摄取并传送给图像采集单元，图像采集单元将采集到的图像信息存储在计算机内存，如果焊缝为一直线，则采集到的焊缝图像中激光条纹为一折线；如果焊缝为一曲线，由于焊缝坡口处高度不一致，因此采集到的焊缝图像中激光条纹将为一折线（折线反映了焊缝坡口信息），该焊缝图像经计算机的图像处理及识别算法，检测出焊缝中心位置，计算出位置偏差，焊缝自动跟踪算法依据偏差、传动机构特性计算出焊枪纠偏量，由运动控制单元产生对应控制信号，经驱动器单元带动焊枪运动，使焊枪对准焊缝。

[0008] 本发明所述驱动单元包括步进电机和驱动器。控制单元输出的是频率脉冲，经驱动器进行信号放大后驱动步进电机带动机械传动机构运动，从而带动焊枪运动。

[0009] 本发明还提供一种基于激光视觉传感的焊缝自动跟踪方法，包括以下步骤：

[0010] （1）启动系统，设定跟踪参数；

[0011] （2）开始跟踪，计算机经过视觉传感器和图像采集单元获取焊缝图像信息，计算出测量偏差，并进行数据存储；

[0012] （3）计算机计算实际焊缝偏差做为反馈量，并进行数据存储；

[0013] （4）计算机计算由焊缝斜率预测的前馈量，并进行数据存储；

[0014] （5）计算机计算焊枪应调整量，并进行数据存储，通过运动控制单元输出控制信号，由驱动单元控制焊枪运动；

[0015] （6）步骤（2）至步骤（5）循环执行，实现焊缝自动跟踪，直到焊接结束。

[0016] 所述步骤（1）包括设定激光条纹中心与焊枪中心的距离、设定采样周期、设定焊枪与焊件的相对移动速度和设定视觉传感器的分辨率。

[0017] 本发明通过计算机处理获得实际焊缝偏差来构成反馈控制，同时通过计算机处理获得焊缝轨迹曲率(斜率)信息，进而预测一个前馈量构成前馈控制；将反馈控制和前馈控制两者结合构成前馈反馈，计算焊枪应调整量，控制焊枪沿焊缝前进。

[0018] 以下对本发明方法作进一步说明，步骤如下：

[0019] （1）启动系统，设定跟踪参数：第一，设定激光条纹中心(检测点)与焊枪中心的距离，并保证激光条纹在图像中心线重合；第二，设定系统采样时间；第三，设定焊件相对焊枪移动的速度；第四，设定摄像机图像的分辨率。

[0020] （2）开始跟踪，计算机经过视觉传感器和图像采集单元获取获取焊缝图像信息，计算出测量偏差 ，并进行数据存储。

[0021] （3）计算机计算实际焊缝偏差 做为反馈量，并进行数据存储。

[0022] (a)

[0023] 式中， 为第iT周期焊枪实际调整量。

[0024] （4）计算机计算由焊缝斜率预测的前馈量，并进行数据存储。焊缝轨迹在iT时刻的斜率 可以由第iT周期在y方向上的增量 和在x方向上的增量 的商来计算，因此，由斜率 预测的焊枪调整量为 。在实际应用中，可以选择焊枪前后方一小段焊缝轨迹曲线，求取它们的平均增量 做为焊缝斜率预测的前馈量。

[0025] 计算时，先按公式(b)分别计算出 至 的值。

[0026] (b)

[0027] 然后按照下面公式(c)计算第iT时刻焊缝轨迹平均增量 。

[0028] (c)

[0029] 式中，N为所选取的焊枪前方焊缝轨迹曲线的段数(按采样周期数来计算)。

[0030] （5）计算机计算焊枪应调整量 ，并进行数据存储。由前馈量 和反馈量相加得到焊枪应调整量 ，即

[0031] (d)

[0032] 根据机构的特性输出调整量，通过控制单元输出控制信息，由驱动单元控制焊枪运动。

[0033] （6）步骤（2）至步骤（5）循环执行，实现焊缝自动跟踪，直到焊接结束。

[0034] 本发明不局限于激光视觉传感器，凡是采用传感器超前焊枪检测焊缝位置的，都可以使用本方法实现焊缝跟踪，且实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均在本发明的保护范围之内。

[0035] 本发明的有益效果是：

[0036] 1.可计算出焊枪实际焊缝偏差和焊缝轨迹斜率，利用两者构成前馈反馈控制，大大提高焊缝跟踪精度和效果。

[0037] 2、有预测调控量，反馈及时，焊枪控制不滞后。

附图说明

[0038] 图1为本发明实际应调整量 的计算原理示意图。

具体实施方式

[0039] 实施例：自动跟踪一圆形焊缝

[0040] （1）跟踪开始前，装好焊件，启动系统。设定激光条纹中心(检测点)与焊枪中心的距离40 mm，并保证激光条纹在图像中心线重合；设定系统采样时间(与图像采集周期相同)为0.5s；设定焊件相对焊枪移动的速度为20mm/s，因此，可以计算出累积个数n为40/(20*0.5)=4；设定视觉传感器的图像分辨率为10pixel/mm(像素/毫米)。

[0041] （2）开始跟踪，计算机通过视觉传感器和图像采集单元获得一折线激光条纹图像，同时计算测量偏差等于图像中的零点坐标减去在图像中检测到的焊缝中心位置坐标的差值。由于测量偏差值单位为像素(pixel)，焊枪调整量由步进电机输出得到，而跟踪器输出给步进电机为频率可变的脉冲信号(单位为Hz)，考虑到跟踪器输出信号，统一量纲为Hz，因此，计算测量偏差值时还应乘以K值 。

[0042]

[0043] （3）计算机根据公式（a）计算实际焊缝偏差 做为反馈量，并进行数据存储。

[0044] （4）计算机计算前馈量 ，取焊枪前方1段焊缝，则公式(c)变为 。

[0045] （5）计算机计算应调整量 ，将公式(a)和(b)相加得到焊枪调整量计算公式为 ，由于累积个数n为4，所以，焊枪应调整量计算公式最终变为。

[0046] 计算机通过控制单元输出频率脉冲，经驱动器进行信号放大后驱动步进电机带动机械传动机构运动，从而带动焊枪运动。

[0047] （6）步骤（2）至步骤（5）循环执行，实现焊缝自动跟踪，直到圆形焊缝焊接结束。

[0048] 在满足同样的焊缝跟踪精度条件下，利用本方法跟踪的焊缝，由于同时存在反馈量和前馈量，焊缝精度会更高。