CN110385505A - 基于被动光视觉的大型结构件焊接自动跟踪方法及*** - Google Patents

基于被动光视觉的大型结构件焊接自动跟踪方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于被动光视觉的大型结构件焊接自动跟踪方法，包括如下步骤：采集焊接过程中的视觉信息；通过视觉信息对焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息进行实时检测；基于焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息，计算以下参数中的一个或多个参数：电弧摆动中心和焊缝中心的距离、电弧摆动幅度和焊缝宽度之比、电弧摆动轨迹和焊缝之间的角度关系以及电弧摆角；及基于一个或多个参数对焊枪进行控制。本发明的方法可以有效地对焊接过程的焊缝、电弧、熔池、焊丝进行实时有效地检测，并根据检测结果实现了焊接过程的在线工艺调整，保证了焊接过程实时控制的要求。

Description

基于被动光视觉的大型结构件焊接自动跟踪方法及***
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种基于被动光视觉的大型结构件焊接自动跟踪方法及***。
背景技术
在结构化生产环境下，如汽车、工程机械和摩托车等制造行业，弧焊机器人已广泛应用。但是在非结构化生产的环境，如大型油罐、船舶、压力管道等，现有弧焊机器人却无能为力。其根本原因在于：一是现有的弧焊机器人工作范围比较小，半径范围大约3米左右，虽然有的弧焊机器人能够利用轨道扩大其工作范围，但是其灵活性是比较差；另一原因是现有的弧焊机器人缺乏智能控制功能，应用中的弧焊机器人一般是示教型的，示教本身需要相当的工作量，示教工作方式无法适应焊接过程中焊缝的变形、工件本身及装备的不一致等情况。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于被动光视觉的大型结构件焊接自动跟踪方法及***，从而克服现有技术的缺点。
本发明提供了一种基于被动光视觉的大型结构件焊接自动跟踪方法，包括如下步骤：采集焊接过程中的视觉信息；通过视觉信息对焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息进行实时检测；基于焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息，计算以下参数中的一个或多个参数：电弧摆动中心和焊缝中心的距离、电弧摆动幅度和焊缝宽度之比、电弧摆动轨迹和焊缝之间的角度关系以及电弧摆角；及基于一个或多个参数对焊枪进行控制。
优选地，上述技术方案中，基于焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息，计算一个或多个参数包括：基于焊缝的特征信息，得到焊缝的左右边界以及焊缝的中心位置；基于以下公式计算电弧摆动中心和焊缝中心的偏差δ、电弧摆动半径R以及电弧摆动平面与垂直平面的夹角ψ：
Py(t)＝Oy'+Rtanψcos(ωt+φ0)
δ＝Ox'-Ox
θ＝ωt+φ0
其中，Px(t)、Py(t)分别为电弧在当前时刻t的横坐标值和纵坐标值；Ox'、Oy'分别为电弧摆动中心的横坐标值和纵坐标值；R为电弧摆动半径；ψ为电弧摆动平面与垂直平面的夹角；ωt为电弧摆动角频率；φ0为电弧摆动初始相位角；Ox为焊缝中心x的坐标值；θ为电弧摆角；根据不同时刻的Px(t)以及Py(t)的测量值，对各个参数进行非线性参数回归，得到焊接过程的特征参数δ、R、θ和ψ；对电弧强度和熔池形状进行检测。
优选地，上述技术方案中，基于一个或多个参数对焊枪进行控制包括：当电弧摆动中心和焊缝中心的距离δ>0时，对焊枪位置进行调整，使得电弧摆动中心和焊缝中心重合；当电弧摆动幅度和焊缝宽度之比R小于一个特定阈值Rmin或大于一个特定阈值Rmax时，调整焊枪摆动幅度，使得Rmin<R<Rmax；当电弧摆动轨迹和焊缝不垂直时，调整焊枪摆动偏角，使得电弧摆动的轨迹和焊缝垂直；当电弧摆角为0或者π时，附加特定频率的电流脉冲，以增加侧壁熔深。
本发明还提供了一种基于被动光视觉的大型结构件焊接***，包括如下组件：图像采集***，其用于采集焊接过程中的视觉信息；特征信息检测模块，其用于通过视觉信息对焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息进行实时检测；参数计算模块，其用于基于焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息，计算以下参数中的一个或多个参数：电弧摆动中心和焊缝中心的距离、电弧摆动幅度和焊缝宽度之比、电弧摆动轨迹和焊缝之间的角度关系以及电弧摆角；以及焊枪控制模块，其用于基于一个或多个参数对焊枪进行控制。
优选地，上述技术方案中，基于焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息，计算一个或多个参数包括：基于焊缝的特征信息，得到焊缝的左右边界以及焊缝的中心位置；基于以下公式计算电弧摆动中心和焊缝中心的偏差δ、电弧摆动半径R以及电弧摆动平面与垂直平面的夹角ψ：
Py(t)＝Oy'+Rtanψcos(ωt+φ0)
δ＝Ox'-Ox
θ＝ωt+φ0
其中，Px(t)、Py(t)分别为电弧在当前时刻t的横坐标值和纵坐标值；Ox'、Oy'分别为电弧摆动中心的横坐标值和纵坐标值；R为电弧摆动半径；ψ为电弧摆动平面与垂直平面的夹角；ωt为电弧摆动角频率；φ0为电弧摆动初始相位角；Ox为焊缝中心x的坐标值；θ为电弧摆角；根据不同时刻的Px(t)以及Py(t)的测量值，对各个参数进行非线性参数回归，得到焊接过程的特征参数δ、R、θ和ψ；以及对电弧强度和熔池形状进行检测。
优选地，上述技术方案中，基于一个或多个参数对焊枪进行控制包括：当电弧摆动中心和焊缝中心的距离δ>0时，对焊枪位置进行调整，使得电弧摆动中心和焊缝中心重合；当电弧摆动幅度和焊缝宽度之比R小于一个特定阈值Rmin或大于一个特定阈值Rmax时，调整焊枪摆动幅度，使得Rmin<R<Rmax；当电弧摆动轨迹和焊缝不垂直时，调整焊枪摆动偏角，使得电弧摆动的轨迹和焊缝垂直；当电弧摆角为0或者π时，附加特定频率的电流脉冲，以增加侧壁熔深。
优选地，上述技术方案中，图像采集***由工业CCD摄像机以及窄带光学滤光片组成，窄带光学滤光片以950nm为中心波长。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提出了一种基于被动光视觉的大型结构件焊缝自动跟踪方法，该方法可以有效地对焊接过程的焊缝、电弧、熔池、焊丝进行实时有效地检测，并根据检测结果实现了焊接过程的在线工艺调整，保证了焊接过程实时控制的要求，并取得了良好的效果。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的基于被动光视觉的大型结构件焊接自动跟踪的方法流程图；
图2是根据本发明的实施例的用于解释计算各个参数的方法的示意图。
具体实施方式
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，本发明的基于被动光视觉的大型结构件焊接自动跟踪方法包括：步骤101：采集焊接过程中的视觉信息；步骤102：通过视觉信息对焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息进行实时检测；步骤103：基于焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息，计算以下参数中的一个或多个参数：电弧摆动中心和焊缝中心的距离、电弧摆动幅度和焊缝宽度之比、电弧摆动轨迹和焊缝之间的角度关系以及电弧摆角；及步骤104：基于一个或多个参数对焊枪进行控制。
以下结合图2描述本发明的计算参数的方法，图2是根据本发明的实施例的用于解释计算各个参数的方法的示意图。本发明的计算方法如下：基于焊缝(图中示出焊件204，焊件204之间的部分为焊缝)的特征信息，得到焊缝的左右边界以及焊缝的中心位置201；基于以下公式计算电弧摆动中心和焊缝中心的偏差δ205、电弧摆动半径R 207以及电弧摆动平面与垂直平面的夹角ψ206：
Py(t)＝Oy'+Rtanψcos(ωt+φ0)
δ＝Ox'-Ox
θ＝ωt+φ0
其中，Px(t)、Py(t)分别为电弧在当前时刻t的横坐标值和纵坐标值(图中仅示出电弧位置203，本领域技术人员可以理解，根据电弧位置203即可获得Px(t)、Py(t))；Ox'、Oy'分别为电弧摆动中心的横坐标值和纵坐标值(图中仅示出电弧摆动中心202，本领域技术人员可以理解，根据电弧摆动中心202即可获得Ox'、Oy')；R为电弧摆动半径；ψ为电弧摆动平面与垂直平面的夹角，在本发明中，该值代表电弧摆动轨迹和焊缝之间的角度关系，当电弧摆动轨迹和焊缝不垂直时，ψ具有偏差；ωt为电弧摆动角频率；φ0为电弧摆动初始相位角；Ox为焊缝中心x的坐标值；θ为电弧摆角；根据不同时刻的Px(t)以及Py(t)的测量值，对各个参数进行非线性参数回归，得到焊接过程的特征参数δ、R、θ和ψ；对电弧强度和熔池形状进行检测。
本发明的方法进一步包括：当电弧摆动中心和焊缝中心的距离δ>0时，对焊枪位置进行调整，使得电弧摆动中心和焊缝中心重合；当电弧摆动幅度和焊缝宽度之比R小于一个特定阈值Rmin或大于一个特定阈值Rmax时，调整焊枪摆动幅度，使得Rmin<R<Rmax；当电弧摆动轨迹和焊缝不垂直时，调整焊枪摆动偏角，使得电弧摆动的轨迹和焊缝垂直；当电弧摆角为0或者π时，附加特定频率的电流脉冲，以增加侧壁熔深。以此可以实现对于焊接过程的智能控制。
本发明还提供了一种基于被动光视觉的大型结构件焊接***，包括如下组件：图像采集***、特征信息检测模块、参数计算模块和焊枪控制模块。其中，图像采集***用于采集焊接过程中的视觉信息。特征信息检测模块用于通过视觉信息对焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息进行实时检测。参数计算模块用于基于焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息，计算以下参数中的一个或多个参数：电弧摆动中心和焊缝中心的距离、电弧摆动幅度和焊缝宽度之比、电弧摆动轨迹和焊缝之间的角度关系以及电弧摆角。焊枪控制模块用于基于一个或多个参数对焊枪进行控制。
本发明的图像采集***包括CCD摄像机，CCD摄像机采用WATEC-321S低照度高清晰的微型CCD传感器，AD转换采用DH-VT121图像采集卡，它是基于PC/104-PLUS总线开发的可以双路同时采集的视频采集卡，它具有高品质的图像质量和稳定性。焊接电弧区域的光谱表现为线光谱辐射和连续谱辐射的叠加，本发明选用了在950nm波段附近“开窗”的窄带滤光片，滤光***以上述波长为参考值，由窄带干涉滤光片、中性密度滤光片和镜头保护镜片组成，并结合焊接实际工况对中心波长进行微调。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种基于被动光视觉的大型结构件焊接自动跟踪方法，其特征在于，所述大型结构件焊接自动跟踪方法包括如下步骤：
采集焊接过程中的视觉信息；
通过所述视觉信息对焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息进行实时检测；
基于所述焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息，计算以下参数中的一个或多个参数：电弧摆动中心和焊缝中心的距离、电弧摆动幅度和焊缝宽度之比、电弧摆动轨迹和焊缝之间的角度关系以及电弧摆角；及
基于所述一个或多个参数对焊枪进行控制。
2.根据权利要求1所述的大型结构件焊接自动跟踪方法，其特征在于，基于所述焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息，计算所述一个或多个参数包括：
基于所述焊缝的特征信息，得到所述焊缝的左右边界以及所述焊缝的中心位置；
基于以下公式计算电弧摆动中心和焊缝中心的偏差δ、电弧摆动半径R以及电弧摆动平面与垂直平面的夹角ψ：
Py(t)＝Oy'+Rtanψcos(ωt+φ0)
δ＝Ox'-Ox
θ＝ωt+φ0
其中，Px(t)、Py(t)分别为电弧在当前时刻t的横坐标值和纵坐标值；Ox'、Oy'分别为电弧摆动中心的横坐标值和纵坐标值；R为电弧摆动半径；ψ为电弧摆动平面与垂直平面的夹角；ωt为电弧摆动角频率；φ0为电弧摆动初始相位角；Ox为焊缝中心x的坐标值；θ为电弧摆角；
根据不同时刻的Px(t)以及Py(t)的测量值，对各个参数进行非线性参数回归，得到焊接过程的特征参数δ、R、θ和ψ；以及
对电弧强度和熔池形状进行检测。
3.根据权利要求2所述的大型结构件焊接自动跟踪方法，其特征在于，基于所述一个或多个参数对焊枪进行控制包括：
当电弧摆动中心和焊缝中心的距离δ>0时，对焊枪位置进行调整，使得电弧摆动中心和焊缝中心重合；
当电弧摆动幅度和焊缝宽度之比R小于一个特定阈值Rmin或大于一个特定阈值Rmax时，调整焊枪摆动幅度，使得Rmin<R<Rmax；
当电弧摆动轨迹和焊缝不垂直时，调整焊枪摆动偏角，使得电弧摆动的轨迹和焊缝垂直；
当电弧摆角为0或者π时，附加特定频率的电流脉冲，以增加侧壁熔深。
4.一种基于被动光视觉的大型结构件焊接***，其特征在于，所述大型结构件焊接***包括如下组件：
图像采集***，其用于采集焊接过程中的视觉信息；
特征信息检测模块，其用于通过所述视觉信息对焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息进行实时检测；
参数计算模块，其用于基于所述焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息，计算以下参数中的一个或多个参数：电弧摆动中心和焊缝中心的距离、电弧摆动幅度和焊缝宽度之比、电弧摆动轨迹和焊缝之间的角度关系以及电弧摆角；以及
焊枪控制模块，其用于基于所述一个或多个参数对焊枪进行控制。
5.根据权利要求4所述的大型结构件焊接***，其特征在于，基于所述焊缝、电弧、熔池和焊丝的特征信息，计算所述一个或多个参数包括：
基于所述焊缝的特征信息，得到所述焊缝的左右边界以及所述焊缝的中心位置；
基于以下公式计算电弧摆动中心和焊缝中心的偏差δ、电弧摆动半径R以及电弧摆动平面与垂直平面的夹角ψ：
Py(t)＝Oy'+Rtanψcos(ωt+φ0)
δ＝Ox'-Ox
θ＝ωt+φ0
其中，Px(t)、Py(t)分别为电弧在当前时刻t的横坐标值和纵坐标值；Ox'、Oy'分别为电弧摆动中心的横坐标值和纵坐标值；R为电弧摆动半径；ψ为电弧摆动平面与垂直平面的夹角；ωt为电弧摆动角频率；φ0为电弧摆动初始相位角；Ox为焊缝中心x的坐标值；θ为电弧摆角；
根据不同时刻的Px(t)以及Py(t)的测量值，对各个参数进行非线性参数回归，得到焊接过程的特征参数δ、R、θ和ψ；以及
对电弧强度和熔池形状进行检测。
6.根据权利要求5所述的大型结构件焊接***，其特征在于，基于所述一个或多个参数对焊枪进行控制包括：
当电弧摆动中心和焊缝中心的距离δ>0时，对焊枪位置进行调整，使得电弧摆动中心和焊缝中心重合；
当电弧摆动幅度和焊缝宽度之比R小于一个特定阈值Rmin或大于一个特定阈值Rmax时，调整焊枪摆动幅度，使得Rmin<R<Rmax；
当电弧摆动轨迹和焊缝不垂直时，调整焊枪摆动偏角，使得电弧摆动的轨迹和焊缝垂直；
当电弧摆角为0或者π时，附加特定频率的电流脉冲，以增加侧壁熔深。
7.根据权利要求4所述的大型结构件焊接***，其特征在于，所述图像采集***由工业CCD摄像机以及窄带光学滤光片组成，窄带光学滤光片以950nm为中心波长。
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