CN101655705B - 一种基于智能摄像头的薄板对接焊缝自动跟踪方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于智能摄像头的薄板对接焊缝自动跟踪方法与装置，用智能摄像头采集薄板对接焊缝图像，用可编程序控制器控制步进电机带动焊枪偏移，实现焊枪对焊缝的自动跟踪。焊接过程中，焊枪和智能摄像头沿焊缝方向匀速前进。智能摄像头安装于焊枪前方，对采集的图像进行滤波和焊缝提取，输出焊缝位置到可编程序控制器。可编程序控制器根据焊缝的当前位置和期望位置，控制步进电机的正反转，从而驱动焊枪左右运动，使焊丝处于期望的焊缝位置上，从而实现焊枪准确沿焊缝的焊接作业。本发明能够提高焊缝跟踪的精确性和可靠性，能够实现对薄板对接狭窄焊缝的自动准确跟踪，以满足薄板对接自动焊接的需要。
Description
技术领域：
本发明涉及薄板焊接技术领域，是机器人视觉控制领域中的焊缝跟踪，具体地说是一种基于智能摄像头的薄板对接焊缝自动跟踪方法与装置。
技术背景：
传统的焊缝视觉跟踪采用结构光视觉测量焊缝，即将点或线型结构光投射到工件表面，通过三角测量法计算得到焊缝横向剖面轮廓(参见“吴林，陈善本，智能化焊接技术，第210～211页，第215～217页，北京：国防工业出版社，1999年”；参见“徐德，谭民，李原，机器人视觉测量与控制，第133页，北京：国防工业出版社，2008年”)。这种结构光焊缝测量方法，适用于对横向剖面轮廓明显的焊缝进行测量，如V型坡口焊缝、搭接焊缝等。但对于薄板对接焊缝，由于焊缝过于狭窄，利用结构光测量难以将焊缝与工件区分开来。因此，传统的结构光视觉测量不适用于薄板对接狭窄焊缝的测量。
传统的焊缝视觉跟踪采用计算机构成控制***，控制***的体积大、可靠性差(参见“吴林，陈善本，智能化焊接技术，第226页，北京：国防工业出版社，1999年”)。
目前的焊缝视觉跟踪技术，存在的缺陷之一是需要获得焊缝横向剖面轮廓，对于横向剖面轮廓不明显的焊缝无能为力；存在的缺陷之二是采用计算机控制导致控制***体积大、可靠性差。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于智能摄像头的薄板对接焊缝自动跟踪方法与装置，能够克服现有技术的不足、提高薄板在焊接时对对接焊缝跟踪的精确性、可靠性。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种基于智能摄像头的薄板对接焊缝跟踪方法，其包括步骤：
A)在焊枪的侧面固装智能摄像头，智能摄像头对准焊丝与薄板对接焊缝交接区域；
B)智能摄像头、触摸屏、步进电机驱动器分别与可编程序控制器之间双向通讯连接；
C)用智能摄像头采集焊缝的自然图像，并处理焊缝图像，给出焊缝位置，并将数据发给可编程序控制器；
D)通过触摸屏进行参数输入并显示焊缝的跟踪误差；
E)再用可编程序控制器依据智能摄像头的数据驱动步进电机驱动器，控制步进电机带动电动调节横轴上的横支架使焊枪和焊丝沿垂直于薄板对接焊缝的水平方向移动，以保证焊接的精确性、可靠性。
所述的方法，其所述焊缝位置，是采用焊缝直线作为特征计算焊缝位置。
一种所述的方法使用的装置，包括固定架、调节机构、焊***架、焊枪、步进电机、电源；其中，
固定架安装于焊接机械，调节机构与固定架下端固接；调节机构包括三个运动轴，其中，一手动调节横轴、一手动调节竖轴、一电动调节横轴；两个手动调节轴相对正交安装，在两个手动调节轴的一端分别设有手轮，两个手动调节轴分别用于手动调整焊枪和摄像头的高度和水平位置；电动调节横轴与手动调节横轴相互水平平行设置，步进电机输出端与电动调节横轴的一端固接，电动调节横轴侧向固设一横支架，横支架与电动调节横轴共同运动；
横支架下侧向下平行伸出两支架，一焊***架、一智能摄像头支架；
焊***架下端有焊枪夹，焊枪夹内可拆卸式固接焊枪，焊枪上端连接焊枪管线，下端连接焊丝；智能摄像头支架下端固接有智能摄像头，智能摄像头带有照明光源，智能摄像头位于焊枪侧面、与焊枪同一高度、对准焊丝下端头区域；
电动调节横轴用于焊缝跟踪过程中自动调整焊枪和摄像头的水平位置；
步进电机与步进电机驱动器电连接；
智能摄像头、步进电机驱动器、触摸屏分别与可编程序控制器电连接，并进行双向通讯；
电源对智能摄像头、触摸屏、可编程序控制器、步进电机驱动器供电。
所述的装置，其所述照明光源，是安装于智能摄像头的镜头周围的环状光源。
本发明的突出特点是采用智能摄像头采集和处理焊缝图像，给出焊缝位置；采用可编程序控制器控制步进电机带动焊枪横向偏移；采用触摸屏进行参数输入并显示跟踪误差。本发明的另一个突出特点是采集焊缝的自然图像，采用焊缝直线作为特征计算焊缝位置。
本发明不需要获得焊缝横向剖面轮廓，能够跟踪横向剖面轮廓不明显的焊缝；本发明采用智能摄像头采集并处理焊缝图像，不需要采用传统的计算机，减小了控制***体积，提高了可靠性。
实验证明，本发明能够实现对薄板对接狭窄焊缝跟踪，可以满足薄板对接自动焊接的需要。
附图说明：
图1为本发明的基于智能摄像头的薄板对接焊缝自动跟踪装置结构示意图。
图2为本发明的基于智能摄像头的薄板对接焊缝自动跟踪装置控制***示意图。
具体实施方式：
本发明的基于智能摄像头的薄板对接焊缝自动跟踪装置，由3个调节轴和部分支架构成，参见附图1。其中，第1轴为手动调节横轴9，带有横轴手轮2，用于沿垂直于焊缝的水平方向手动调节焊枪6的位置，即调节焊枪6的左右位置，使得焊丝7处于焊缝上。第2轴为手动调节竖轴8，带有竖轴手轮1，用于沿垂直于焊缝的竖直方向手动调节焊枪6的位置，即调节焊枪6的高度。第3轴为横向电动调节横轴10，带有步进电机3，用于沿垂直于焊缝的水平方向自动调节焊枪6的位置，即用于焊缝自动跟踪。手动调节竖轴8安装于手动调节横轴9的滑块上，电动调节横轴10安装于手动调节竖轴8的滑块上。在电动调节横轴10的滑块上装有横支架11，下面安装焊***架12和摄像头支架13。沿前进方向16，摄像头支架13在焊***架12的前方。焊***架12的末端连杆连接焊枪夹5，用于夹持焊枪6。焊枪6的下端为焊丝7，上端为焊枪管线4。在摄像头支架13的末端面上，安装智能摄像头14和照明光源15。其中，照明光源16安装于智能摄像头14的镜头周围，对智能摄像头14的视野区域内的焊件进行照明。横支架11、焊***架12、摄像头支架13、焊枪夹5、焊枪6、焊丝7、焊枪管线4、智能摄像头14和照明光源15，随着电动调节横轴10的滑块一起运动。焊枪6与智能摄像头14之间具有固定的位置关系。
本发明的焊缝跟踪装置由智能摄像头14、触摸屏18、可编程序控制器19、步进电机驱动器20、步进电机3、开关电源17和上述跟踪调节机构构成，参见附图2。其中，智能摄像头14通过串行口与可编程序控制器19联接，触摸屏18通过另一个串行口与可编程序控制器19联接。触摸屏18用于进行参数输入并显示跟踪误差。可编程序控制器19输出两个信号到步进电机驱动器20，分别为运动脉冲信号和运动方向信号。步进电机驱动器20的驱动输出利用导线直接连接到步进电机3的输入信号端。开关电源17用于对智能摄像头14、触摸屏18、可编程序控制器19、步进电机驱动器20供电。
本发明采用智能摄像头14对采集的图像进行滤波和焊缝提取，输出焊缝位置到可编程序控制器19。可编程序控制器19根据焊缝的当前位置和期望位置，通过步进电机驱动器20控制步进电机3的正反转，从而驱动焊枪6左右运动，使焊丝7处于期望的焊缝位置上，从而实现焊枪6准确沿焊缝的焊接作业。
实施例
请参阅图1。在实施例中，按照附图1所示，制造了焊缝跟踪机构。请参阅图2。焊缝跟踪装置的控制***硬件由可编程序控制器19、触摸屏18、智能摄像头14、步进电机驱动器20、步进电机3、开关电源17构成。在实施例中，其中，可编程序控制器19选用日本OMRON CP1H-X40DT-D，触摸屏18选用MPT5-MG00B触摸屏，智能摄像头14选用德国产VC4068智能摄像头，步进电机3选用和利时的56BYG250D两相混合式步进电机，步进电机驱动器20选用和利时的两相混合式步进电机细分驱动器SH-20403。可编程序控制器19上带有两个串行口，一个串行口用于与触摸屏18连接，另一个串行口用于与智能摄像头14连接。可编程序控制器19的高速脉冲输出端和运动方向端连接到步进电机驱动器20。步进电机驱动器20的驱动输出利用导线直接连接到步进电机3的输入信号端。
实施例实际应用证明，本发明实施方便，能够实现对薄板对接狭窄焊缝的自动跟踪，可以满足薄板对接自动焊接的需要。
Claims (3)
1.一种基于智能摄像头的薄板对接焊缝自动跟踪方法，其特征在于，包括步骤：
A)在焊枪的前面固装智能摄像头，智能摄像头对准焊丝与薄板对接焊缝交接区域；
B)智能摄像头、触摸屏、步进电机驱动器分别与可编程序控制器之间双向通讯连接；
C)用智能摄像头采集焊缝的自然图像，并处理焊缝图像，给出焊缝位置，并将数据发给可编程序控制器；
D)通过触摸屏进行参数输入并显示焊缝的跟踪误差；
E)再用可编程序控制器依据智能摄像头的数据驱动步进电机驱动器，控制步进电机带动电动调节横轴上的横支架使焊枪和焊丝沿垂直于薄板对接焊缝的水平方向移动，以保证焊接的精确性、可靠性；
所述焊缝位置，是采用焊缝直线作为特征计算焊缝位置。
2.一种如权利要求1所述的方法使用的装置，包括固定架、调节机构、焊***架、焊枪、步进电机、电源；其特征在于，
固定架安装于焊接机械，调节机构与固定架下端固接；调节机构包括三个运动轴，其中，一手动调节横轴、一手动调节竖轴、一电动调节横轴；两个手动调节轴相对正交安装，在两个手动调节轴的一端分别设有手轮，两个手动调节轴分别用于手动调整焊枪和摄像头的高度和水平位置；电动调节横轴与手动调节横轴相互水平平行设置，步进电机输出端与电动调节横轴的一端固接，电动调节横轴侧向固设一横支架，横支架与电动调节横轴共同运动；
横支架下侧向下平行伸出两支架，一焊***架、一智能摄像头支架；
焊***架下端有焊枪夹，焊枪夹内可拆卸式固接焊枪，焊枪上端连接焊枪管线，下端连接焊丝；智能摄像头支架下端固接有智能摄像头，智能摄像头带有照明光源，智能摄像头位于焊枪侧面、与焊枪同一高度、对准焊丝下端头区域；
电动调节横轴用于焊缝跟踪过程中自动调整焊枪和摄像头的水平位置；
步进电机与步进电机驱动器电连接；
智能摄像头、步进电机驱动器、触摸屏分别与可编程序控制器电连接，并进行双向通讯；
电源对智能摄像头、触摸屏、可编程序控制器、步进电机驱动器供电。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述照明光源，是安装于智能摄像头的镜头周围的环状光源。
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