CN106017420B - 焊接衬垫片的姿态识别方法及识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种焊接衬垫片的姿态识别装置，涉及焊接技术领域，该姿态识别装置包括控制***，以及分别与控制***连接的摄像机和至少两个激光头，控制***触发激光头和摄像机工作，激光头发出激光束，照射待识别的焊接衬垫片的表面，在表面形成激光迹线，摄像机采集激光迹线的图像，并传入控制***进行分析识别该焊接衬垫片的姿态，本发明能够自动对焊接衬垫片的摆放姿态进行识别，效率高，精确率高。本发明还提供一种焊接衬垫片的姿态识别方法。

Description

焊接衬垫片的姿态识别方法及识别装置

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种焊接衬垫片的姿态识别方法及识别装置。

背景技术

在船舶、压力容器、桥梁等各种大型钢结构及设备的制造中，经常需要进行厚钢板对接焊，初期多采用开坡口双面焊工艺对厚钢板进行对接焊，首先对将厚钢板的对接处的一面焊好后，再清除焊缝背面焊渣、并打磨，然后再焊接对接处的背面，此工艺费时费力，特别是清理背面焊渣难度很大，清理不干净还会影响焊缝质量。为了避免开坡口双面焊的缺陷，目前多采用单面焊接工艺对厚钢板进行对接焊，但焊接作业时的高温电弧会熔化焊丝和工件形成高温熔液，高温熔液滴落非常危险，陶质焊接衬垫即是一种用于防止高温熔液通过焊缝流下的衬垫材料，大大提高了焊接质量和焊接速度，焊接衬垫构成的焊接衬垫组在本领域内得到了广泛应用。

图1为焊接衬垫组的结构示意图，参见图1所示，该焊接衬垫组010包括基材层011和由约20个方块状焊接衬垫片012按照同一姿态顺次排列而成的衬垫条013，衬垫条013位于基材层011上。

焊接衬垫片是通过冲压烧结定型后的异形块状结构，其可放置成不同的姿态，利用焊接衬垫片制造焊接衬垫组时，需要使所有焊接衬垫片按照同一姿态顺次排列(每个焊接衬垫片均沿长度方向布置，且相同面朝前，相同朝后，相同朝上，相同朝下)，形成衬垫条，然后将基材层覆盖粘贴于衬垫条以形成焊接衬垫组。

目前，利用焊接衬垫片制造焊接衬垫组时，焊接衬垫片随机存储在一储物篮中，再通过输送带将其运输至贴标装置内进行基材层的覆盖粘贴。焊接衬垫片在运输过程中存在八种摆放方式(姿态)，需要人工将焊接衬垫片调整摆放成同一姿态，但是人工操作，工作量非常大，效率较低，而且容易出错。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焊接衬垫片的姿态识别方法，对焊接衬垫片的摆放姿态进行识别，效率高，精确率高。

本发明的另一目的在于提供一种焊接衬垫片的姿态识别装置，其能够自动对焊接衬垫片的摆放姿态进行识别，效率高，精确率高。

本发明的实施例是这样实现的：

一种焊接衬垫片的姿态识别方法，其包括以下步骤：

将激光束照射待识别的焊接衬垫片的表面，在表面形成激光迹线；以及采集激光迹线的图像，并根据图像进行分析识别焊接衬垫片的姿态。

一种焊接衬垫片的姿态识别装置，其包括控制***，以及分别与控制***连接的摄像机和至少两个激光头，其中，

控制***，触发激光头和摄像机工作；

激光头，发出激光束，照射待识别的焊接衬垫片的表面，在表面形成激光迹线；

摄像机，采集激光迹线的图像，并传入控制***进行分析识别焊接衬垫片的姿态。

在本发明较佳的实施例中，上述待识别的焊接衬垫片置于输送带上进行输送，姿态识别装置还包括与控制***连接的定位传感器，定位传感器感应经过的焊接衬垫片，发出脉冲信号至控制***，以触发激光头和摄像机工作。

在本发明较佳的实施例中，上述控制***包括相互连接的控制器和工控机，控制器分别与定位传感器、激光头和摄像机连接，工控机与摄像机连接。

在本发明较佳的实施例中，上述工控机为主控制界面，用于初始化控制器，以及接收摄像机传入的激光迹线的图像，根据图像分析识别焊接衬垫片的姿态，并发出相应指令信号以挑选具有特定姿态的焊接衬垫片。

在本发明较佳的实施例中，上述激光头发出的激光束是位于同一平面的发散激光线，激光束所在平面与待识别的焊接衬垫片的顶面之间的夹角为α，α＝30°-60°。

在本发明较佳的实施例中，上述激光头的数目为两个，两个激光头照射待识别的焊接衬垫片的表面形成的两条激光迹线相交，相交点位于表面的中心区域。

在本发明较佳的实施例中，上述摄像机朝向待识别的焊接衬垫片的表面，摄像机的焦点延长线与相交点重合。

在本发明较佳的实施例中，上述摄像机与待识别的焊接衬垫片的顶面之间的夹角为β，β＝30°-60°。

在本发明较佳的实施例中，上述摄像机安装有用于过滤环境光透过激光的滤光片。

本发明实施例的有益效果是：本发明实施例的姿态识别装置包括控制***，以及分别与控制***连接的摄像机和至少两个激光头，该姿态识别装置依据姿态识别方法，首先通过控制***触发激光头和摄像机工作；接着激光头发出激光束，照射待识别的焊接衬垫片的表面，在表面形成激光迹线；摄像机采集激光迹线的图像，并传入控制***进行分析识别该焊接衬垫片的姿态。本发明实施例的姿态识别方法及识别装置能够自动对焊接衬垫片的摆放姿态进行识别，效率高，精确率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为焊接衬垫组的结构示意图；

图2为焊接衬垫片的正面结构示意图；

图3为焊接衬垫片的反面结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的一种焊接衬垫片的姿态识别装置的结构示意图；

图5为本发明实施例2至实施例4提供的焊接衬垫片的姿态识别装置的结构示意图；

图6为本发明实施例2至实施例4中激光头、摄像机与焊接衬垫片的位置示意图；

图7为本发明实施例2提供的姿态识别装置采集的焊接衬垫片的模板图像。

图中：

010-焊接衬垫组，011-基材层，012-焊接衬垫片，013-衬垫条，014-第一长方形面，015-第二长方形面，016-第一梯形面，017-第二梯形面，018-第三长方形面，019-凹槽；

100、200-姿态识别装置，110-控制***，111-工控机，112-控制器、120-摄像机，130-激光头，140-定位传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1所示，本发明提供一种焊接衬垫片的姿态识别方法，其包括以下步骤：

将激光束照射待识别的焊接衬垫片012的表面，在表面形成激光迹线；以及

采集激光迹线的图像，并根据图像进行分析识别该焊接衬垫片012的姿态。

第一实施例

参见图1和图4所示，本实施例提供一种焊接衬垫片的姿态识别装置100，其包括控制***110，以及分别与控制***110连接的摄像机120和至少两个激光头130。

其中，控制***110，触发激光头130投射激光工作和摄像机120拍照工作。

激光头130，发出线型激光束，照射待识别的焊接衬垫片012的表面，在表面形成激光迹线(散射光)。

摄像机120，采集激光迹线的图像，并以数据的形式传入控制***110进行分析识别该焊接衬垫片012的姿态。摄像机120为面阵CCD摄像机或CMOS摄像机，摄像机120优选为面阵CCD摄像机120。由于激光是单色性很好的光，其频率范围很小，而环境的自然光是复色光，其频率范围很大，摄像机120安装有用于过滤环境光透过激光的滤光片，滤光片可以滤除环境光的干扰。

第二实施例

参见图1和图5所示，本实施例提供一种焊接衬垫片的姿态识别装置200，是针对放置于输送带上，由输入端向输出端输送的焊接衬垫片012进行姿态识别，以确定焊接衬垫的姿态，便于后续的气缸或机械手分选出具有特定姿态的焊接衬垫片012。本实施例的姿态识别装置200包括控制***110，以及分别与控制***110连接的定位传感器140、摄像机120和至少两个激光头130。控制***110具体包括相互连接的控制器112和工控机111，控制器112分别与定位传感器140、激光头130和摄像机120连接，工控机111与摄像机120连接。其中：

定位传感器140设置于输送带靠近输入端的正上方，感应经过的待识别的焊接衬垫片012，发出脉冲信号至控制***110，以触发激光头130投射激光和摄像机120拍照。

激光头130朝向输送带靠近输出端的区域，发出线型激光束，照射待识别的焊接衬垫片012的表面，在表面形成激光迹线。

摄像机120朝向输送带靠近输出端的区域，采集激光迹线的图像，并以数据的形式传入控制***110进行分析识别该焊接衬垫片012的姿态。

控制器112是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。控制器112由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器112组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机***的操作。本实施中的控制器112主要是用于触发激光头130投射激光、触发摄像机120拍照。

工控机111是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。工控机111具有重要的计算机属性和特征，如具有计算机CPU、硬盘、内存、外设及接口，并有操作***、控制网络和协议、计算能力、友好的人机界面。本实施例中的工控机111作为控制***110的主控制界面，用于初始化控制器112，对控制器112参数进行设定，以及接收摄像机120传入的激光迹线的图像，根据图像分析识别焊接衬垫片012的姿态，并发出相应指令信号以挑选具有特定姿态的焊接衬垫片012。

摄像机120和工控机111是依据机器视觉检测技术而建立的，机器视觉检测技术就是用机器代替人眼来做测量和判断的技术。机器视觉***是指通过机器视觉产品(即本实施例中的摄像机120)将被摄取目标转换成图像信号，再传送给专用的图像处理***(即本实施例中的工控机111)，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，再对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而得到根据判别结果。

参见图6所示，激光头130发出的激光束是位于同一平面的发散激光线，激光束所在平面与待识别的焊接衬垫片012的顶面之间的夹角为α＝30°-60°，本实施例中α优选为45°。摄像机120与待识别的焊接衬垫片012的顶面之间的夹角为β＝30°-60°，本实施例中β优选为45°。

本实施例中的激光头130、摄像机120和待识别的焊接衬垫片012构成激光三角法的特征，激光三角法具有非接触，结构简单，抗干扰性强，测量精度高的优点，可用于实时在线快速检测。激光器产生的激光束以一定角度照射到待识别的焊接衬垫片012的表面上，形成一条激光迹线(激光带)；摄像机120以一定角度接收激光迹线的散射光，从而可获得待识别的焊接衬垫片012的表面被照区域的截面形状或轮廓，形成激光迹线的图像。

而且，本实施例中激光头130的数目为两个，两个激光头130分别与待识别的焊接衬垫片012的表面呈锐角α照射于该焊接衬垫片012的表面，各形成的一条激光迹线(亮线)，两条激光迹线垂直相交，且相交点位于表面的中心区域，该两条激光迹线对应待识别的焊接衬垫片012表面的两垂直截面的形状，根据两条激光迹线，即可判断焊接衬垫片012的姿态。摄像机120朝向待识别的焊接衬垫片012的表面，也与瓷块平面呈锐角β，摄像机120焦点的延长线与相交点重合，摄像机120对激光迹线的取像效果较好。尤其是当α＝β＝45°时，待识别的焊接衬垫片012表面的成像取像效果最好。

姿态识别装置200的工作原理：

待识别的焊接衬垫片012放置于输送带上进行输送，当待识别的焊接衬垫片012输送至定位传感器140的正下方时，定位传感器140感受到光线强度的变化，将光信号转换为电信号，并以脉冲信号的形式发送给控制器112。

控制器112接收到脉冲信号，控制器112触发激光头130和摄像机120工作，此时，定位传感器140正下方的待识别的焊接衬垫片012输送至激光头130和摄像机120的工作区域内，激光头130发出线型激光束，照射待识别的焊接衬垫片012的表面，在表面形成激光迹线，触发摄像机120采集激光迹线的图像，并以数据的形式传入工控机111内存。

工控机111实时读取内存中的图像信息，通过图像识别算法分析图像，识别对应焊接衬垫片012的姿态(摆放方位)，上述过程不断重复进行，可实现大量焊接衬垫片012姿态的实时连续检测。进而工控机111根据焊接衬垫片012的姿态发出相应的指令信号，控制输送后续的气缸或机械手分选出具有特定姿态的焊接衬垫片012。

本实施例中，在使用姿态识别装置200对放置于输送带上的待识别的焊接衬垫片012进行姿态识别检测前，需要首先采集焊接衬垫片012的模板图像，存入工控机111中，便于实际对待识别的焊接衬垫片012进行姿态识别时，工控机111根据摄像机120采集的图像与模板图像，通过图像识别算法，识别对应焊接衬垫片012的姿态。

参见图2和图3所示，焊接衬垫片012的顶面为第一长方形面014，第一长方形面014的两条长边分别连接有一个倾斜向下的第二长方形面015，第一长方形的一条窄边连接有第一梯形面016，另一条窄边连接有第二梯形面017，两个第二长方形面015、第一梯形面016和第二梯形面017的侧边顺次连接在一起。焊接衬垫片012的底面为与顶面平行的第三长方形面018，第三长方形面018开设有沿长度方向设置的凹槽019。焊接衬垫片012的第一梯形面016和第二梯形面017形状不同，焊接衬垫片012的前侧面和后侧面形状不同，因此焊接衬垫片012共有8种不同的摆放姿态。

为了使焊接衬垫片012按照同一姿态顺次排列(每个焊接衬垫片012均沿长度方向布置，且相同面朝前，相同面朝后，相同面朝上，相同面朝下)，以便于形成衬垫条013(此时所有衬垫片的凹槽019拼接成一条长凹槽019)，然后将基材层011覆盖粘贴于衬垫片的正面形成焊接衬垫组010。使用时，通过基材层011将衬垫条013粘贴在对接缝背面，使长凹槽019朝向接缝缝隙。

采集焊接衬垫片012的模板图像方法如下：

将焊接衬垫片012分别摆放呈8种不同的姿态，放置于输送带上进行输送，姿态识别装置200的两个激光头130发出线型激光束，照射焊接衬垫片012的表面，在表面形成两条垂直相交的激光迹线；摄像机120分别采集8种不同的姿态的焊接衬垫片012对应的激光迹线的图像，即为8幅模板图像，如图7所示，将8幅模板图像编号为(1)至(8)，存入工控机111的模板文件中，图中每幅图像都包含了两条交叉的激光迹线，反映了焊接衬垫片012处于不同摆放姿态时表面(观察面)的形状特征。

实际对待识别的焊接衬垫片012进行姿态识别时，工控机111识别对应焊接衬垫片012的姿态的方法是：采用图像识别算法中的模板匹配方法，将摄像机120采集的图像与模板图像进行匹配识别。

模板匹配是把不同传感器或同一传感器在不同时间、不同成像条件下对同一景物获取的两幅或多幅图像在空间上对准，或根据已知模式到另一幅图中寻找相应模式的处理方法。

模板匹配算法计算模板和匹配区域的相似程度以最相似位置为匹配点。由于模板需要在匹配区域上逐次匹配，运算量很大。所以选择匹配公式对整个匹配的效率有极大的影响。工控机111的数据处理能力有限，需要针对激光迹线图像的特点来简化数学模型，选定计算量最小的计算公式。模板尺寸对***性能和计算量影响也较大。模板过大导致动态特性变差；过小又会减少目标的特征数据量，降低匹配的敏感程度，增大目标检测难度。

观察实际模板匹配运算结果可以发现，匹配点附近的匹配误差迅速下降，明显区别于其它位置。针对这一特点，采用粗精匹配结合的算法迅速锁定匹配点大致区域，可大大降低整体匹配次数。具体实现方法：先跳动着隔几个点进行一次粗匹配，大致框定匹配区域，然后在附近区域逐一检索获得最佳匹配点。运算量可减少到三分之一以下，且目标提取效果相当好。

因为只需找到最小匹配误差的位置，不必完整计算每一位置的绝对匹配误差，而以已经计算的最小匹配误差作为最大允许误差。若计算误差大于该最大允许误差，就肯定不是最佳匹配点，可以提前结束计算，进入下一匹配位置的计算；如果匹配完成后仍小于最大允许误差，就用当前误差替换最大允许误差，并把该点作为潜在的匹配位置记录下来。

将采集的待测图像分别按上述方法与模板图像中的各模板匹配，通过比较他们之间的最小匹配误差，来对待测图像的进行分类与识别。

第三实施例

参见图5和图6所示，本实施例提供一种焊接衬垫片的姿态识别装置200，其结构与第二实施例中的姿态识别装置200结构大体相同，不同之处在于：激光头130发出的激光束是位于同一平面的发散激光线，激光束所在平面与待识别的焊接衬垫片012的顶面之间的夹角为α＝30°，摄像机120与待识别的焊接衬垫片012的顶面之间的夹角为β＝60°。

第四实施例

参见图5和图6所示，本实施例提供一种焊接衬垫片的姿态识别装置200，其结构与第二实施例中的姿态识别装置200结构大体相同，不同之处在于：激光头130发出的激光束是位于同一平面的发散激光线，激光束所在平面与待识别的焊接衬垫片012的顶面之间的夹角为α＝60°，摄像机120与待识别的焊接衬垫片012的顶面之间的夹角为β＝30°。

综上所述，本发明提供一种焊接衬垫片的姿态识别方法及识别装置，自动对焊接衬垫片的摆放姿态进行识别，效率高，精确率高。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种焊接衬垫片的姿态识别方法，其特征在于，其包括以下步骤：

将两条激光束照射待识别的焊接衬垫片的表面，在所述表面形成两条垂直相交的激光迹线，相交点位于所述表面的中心区域；以及

采集所述激光迹线的图像，并根据所述图像进行分析识别所述焊接衬垫片的姿态，具体方法为：分别采集8种不同的姿态的焊接衬垫片对应的激光迹线的图像，即为8幅模板图像；将采集的待识别的焊接衬垫片的图像与模板图像进行匹配识别，即可得到焊接衬垫片的摆放姿态。

2.一种焊接衬垫片的姿态识别装置，其特征在于，其采用权利要求1所述的姿态识别方法，其包括控制***，以及分别与所述控制***连接的摄像机和两个激光头，其中，

所述控制***，触发所述激光头和所述摄像机工作；

两个所述激光头，发出激光束，照射待识别的焊接衬垫片的表面，在所述表面形成两条垂直相交的激光迹线，相交点位于所述表面的中心区域；

所述摄像机，采集所述激光迹线的图像，并传入所述控制***进行分析识别所述焊接衬垫片的姿态。

3.根据权利要求2所述的焊接衬垫片的姿态识别装置，所述待识别的焊接衬垫片置于输送带上进行输送，其特征在于，所述姿态识别装置还包括与所述控制***连接的定位传感器，所述定位传感器感应经过的所述焊接衬垫片，发出脉冲信号至所述控制***，以触发所述激光头和所述摄像机工作。

4.根据权利要求3所述的焊接衬垫片的姿态识别装置，其特征在于，所述控制***包括相互连接的控制器和工控机，所述控制器分别与所述定位传感器、所述激光头和所述摄像机连接，所述工控机与所述摄像机连接。

5.根据权利要求4所述的焊接衬垫片的姿态识别装置，其特征在于，所述工控机为主控制界面，用于初始化所述控制器，以及接收所述摄像机传入的所述激光迹线的所述图像，根据所述图像分析识别所述焊接衬垫片的姿态，并发出相应指令信号以挑选具有特定姿态的所述焊接衬垫片。

6.根据权利要求2所述的焊接衬垫片的姿态识别装置，其特征在于，所述激光头发出的所述激光束是位于同一平面的发散激光线，所述激光束所在平面与所述待识别的焊接衬垫片的顶面之间的夹角为α，所述α＝30°-60°。

7.根据权利要求2所述的焊接衬垫片的姿态识别装置，其特征在于，所述摄像机朝向所述待识别的焊接衬垫片的所述表面，所述摄像机的焦点延长线与所述相交点重合。

8.根据权利要求2所述的焊接衬垫片的姿态识别装置，其特征在于，所述摄像机与所述待识别的焊接衬垫片的顶面之间的夹角为β，所述β＝30°-60°。

9.根据权利要求2所述的焊接衬垫片的姿态识别装置，其特征在于，所述摄像机安装有用于过滤环境光透过激光的滤光片。