三维焊缝自动识别装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种三维焊缝自动识别装置及方法。传送带以恒定速度将待焊接的工件送至投影范围内，触发光电传感器，工控机控制电机停止运行，投影仪投射光图案，工业相机进行图像采集，通过相位测量轮廓术进行三维重建得到焊缝三维信息的表面模型并输出至工业控制计算机进行处理，处理得到待焊接焊缝的三维坐标信息并发送给焊接机器人，待焊接工件到达指定位置，工控机控制电机停止运行，机器人进行焊接。本发明专利技术通过先扫描后焊接的方式，避免了传统线结构光焊接机器人在焊接时产生的强烈的弧光、高温辐射、电磁干扰、烟尘飞溅对焊缝位置信息检测的影响。提高了焊接的精度，减少了人工焊接的成本，大大的提升了流水线焊接的效率。

【技术实现步骤摘要】
三维焊缝自动识别装置及方法
本专利技术涉及三维信息处理装置方法，尤其是涉及了一种三维焊缝自动识别装置及方法。
技术介绍
随着工业技术的不断进步，焊接技术成为一种重要的金属热加工技术广泛应用于机械、材料等行业且对焊接质量要求越来高。传统的人工焊接，焊接人员技术水平、责任感、疲劳程度等个体因素差异很大，很难保证焊接质量的稳定。因而为了保证产品的焊接品质，减少人为因素的影响，焊接自动化是未来焊接的主要发展方向。目前国内外采用的焊接机器人大多为可编程的示教再现式机器人，装配一些视觉传感器后有一定的环境感知能力，但工作方式基本上还是示教再现。但是它也存以下缺点：1、视觉传感器容易受强烈的弧光、高温辐射、电磁干扰、烟尘飞溅干扰，导致测量误差。2、操作者必须在工作现场进行操作，机器人以示教再现方式工作，它只能重复输入指令，对于在实际工作过程中发生的变化，例如工件加工的尺寸偏差、夹持的位置偏差等，都无法精确的进行焊接，适用于大批量简单焊接过程。对于单件或混合产品的批量生产，示教过程的反复进行，会浪费大量的人力物力。
技术实现思路
鉴于上述
技术介绍
的不足，本专利技术的目的在于提供了一种三维焊缝自动识别装置及方法，将传送带、工控机、焊接机器人等设备结合三维重建原理，实现自动识别待焊接工件的焊缝，提高焊接效率。为了达到上述目的，如图1所示，本专利技术采用技术方案是：本专利技术包括一台DLP投影仪、一台CCD工业相机、一台焊接机器人、一条传送带、一个伺服电机和两个光电传感器；传送带一端的带轮连接伺服电机，待焊接工件置于传送带上，由伺服电机带动传送带工作运送待焊接工件；传送带入口侧上方设有CCD工业相机和DLP投影仪，传送带的出口侧上方设有焊枪，焊枪连接焊接机器人，由焊接机器人控制焊枪移动对焊接工件进行焊接；焊枪和DLP投影仪之间布置有用于感知焊接工件位置的第一光电传感器和第二光电传感器。还包括一台工业控制计算机和一台PLC控制器，伺服电机经PLC控制器与工业控制计算机连接，焊接机器人、CCD工业相机、DLP投影仪、第一光电传感器和第二光电传感器均连接到工业控制计算机。所述的待焊接工件表面上有待焊接缝隙，通过焊枪移动待焊接缝隙上进行焊接。所述的投影仪用于投影具有编码信息的光栅图案图像，光栅图案图像为黑白相间条纹且条纹宽度依据编码信息设定的图像。二、一种三维焊缝自动识别方法，方法的步骤是：步骤Ⅰ)对工业相机和投影仪进行标定，根据标定结果建立相机坐标系，然后对相机坐标系进行旋转和平移后转换建立机器人坐标系；步骤Ⅱ)工件放置在传送带上，沿传送带运输，当待焊接工件到达指定位置时，工控机控制电机停止运行，并控制投影仪向工件表面投影四幅带有不同编码信息的光栅图案图像，相机分别采集四幅光栅图案图像投影下的工件表面图像和一幅正常图像，经过光栅图案图像投影的工件表面具有变形光栅图案，并发送给工控机进行处理，根据相位测量轮廓术对工件表面进行三维重建；步骤Ⅲ)对拍摄到的待焊接工件表面图像进行图像处理，得到待焊接缝隙的中心曲线二维坐标；步骤Ⅳ)在图像中找出该中心线(中心线无高度信息)，根据中心曲线的法向量沿中心曲线每间隔固定距离插入一个切平面；步骤Ⅴ)每个切平面与表面三维模型相交，相交处为存在一条线段，取线段的最低点作为待焊接点，连接各个切平面对应的待焊接点并拟合为曲线获得待焊接缝隙的焊接路径，用焊枪沿着获得的焊接路径对待焊接缝隙进行焊接操作。所述步骤Ⅰ)中，对工业相机和投影仪进行内外参数标定作为系统参数，对相机坐标系进行旋转和平移后转换建立机器人坐标系，计算出相机坐标系和机器人坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，并进行系统几何参数标定。本装置中，工业相机和焊接机器人属于Eye-to-Hand系统。通过坐标系的变换，相机坐标系转换为机器人坐标系，通过光电传感器，确定工件的位置信息，三维重建后的三维坐标信息可直接供机器人使用。所述步骤Ⅱ)中，通过相位测量轮廓术进行三维重建，使用经过编码的光栅图案图像投影到物体上，物体表面的深度信息被调制到相机拍摄到的工件表面图像中，通过在标定板上投射光栅图案图像获得相机成像点和光栅投影点的对应关系，相机成像点为物体上的点对应到工件表面图像上相同位置的点，光栅投影点为物体上的点对应到光栅图案上相同位置的点，将对应点代入依据三角测量原理建立的物相关系中，计算出所有成像点的深度，从而重建出物体的三维面形；具体步骤如下：步骤1)相位测量：利用四步相移算法，将四幅光栅图案图像投影到待焊接工件表面，四幅光栅图案图像的相移分别为：0、π/2、π和3π/2，对每个像素点的相位主值进行求解：四幅光栅图案图像的光强表达式分别为：Ii(x,y)＝a0+b0cos[φ(x,y)+δi]其中，Ii(x,y)表示四幅不同相移光栅图案图像中像素点(x,y)的光强值，i＝1,2,3,4，i表示相移序数标记，i＝1,2,3,4分别代表了相移0、π/2、π和3π/2，δi表示图像光栅的相移，i＝1,2,3,4的δi分别为0、π/2，π，3π/2，a0表示图像的平均灰度，b0表示投影仪投射的光栅图案图像的光强幅值，φ(x,y)表示像素点(x,y)的相位主值；根据光强表达式采用以下公式计算出像素点(x,y)的相位主值：步骤2)相位展开算法：通过相移算法得出的相位主值在全场测量域内呈周期性变化(0～2π)，再采用时间相位展开算法展开成全场范围内的全局相位得到绝对相位主值，以进行相位-高度映射；步骤3)相位-高度映射：通过在白色标定板上投射光栅图案图像，建立相机图像和光栅图案图像的对应关系，通过预先标定的系统参数以及步骤2)得到的绝对相位主值，对每个点的高度值进行计算，得到三维坐标。所述步骤Ⅲ)中具体是利用图像处理的方法，首先对工件表面的图像进行边缘提取，再进行锐化操作，得到待焊接缝隙两侧的两条边缘曲线，通过中间值的方法求出两条边缘曲线之间的中心曲线的二维坐标。所述步骤Ⅳ)插入的切平面平行于中心曲线的法向量且垂直于传送带所在平面，由此可确定一个唯一确定的切平面。优选地，沿中心曲线每隔2mm插入一个切平面。本专利技术的有益效果：本专利技术在焊接领域运用先进的三维重建方法，通过对扫描得到的三维点云的处理，得到焊缝的实际坐标。本专利技术能自动识别焊缝坐标，用焊接机器人自动焊接，在实际生产过程中可用于焊接带有多条复杂缝隙的待焊接工件，并且通过验证其精度满足实际焊接需求。本专利技术通过先扫描后焊接的方式，避免了传统线结构光焊接机器人在焊接时产生的强烈弧光、高温辐射、电磁干扰、烟尘飞溅对焊缝位置信息检测的影响。提高了焊接的精度，减少了人工焊接的成本，大大的提升了流水线焊接的效率。附图说明图1是本专利技术的结构示意图。图2是焊缝坐标提取算法流程图。图3是三维重建系统原理图。图4是实施例的待焊接工件表面模型图。图5为本专利技术根据中心曲线的法向量建立的切平面示意图。图6为本专利技术根据切平面选取相交线段的最低点示意图。图7-9为本专利技术对检测到的焊缝三维数据进行验证的示意图，分别为直线焊缝、曲线焊缝、折线焊缝。图1中：1、工业控制计算机，2、焊接机器人，3、传送带，4、焊枪，5、第二光电传感器，6、第一光电传感器，7、待焊接工件，8、DLP投影仪，9、伺服电机，10、PLC控制器，11、带镜头CCD相机。具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维焊缝自动识别装置，其特征在于：包括一台DLP投影仪(8)、一台CCD工业相机(11)、一台焊接机器人(2)、一条传送带(3)、一个伺服电机(9)和两个光电传感器(5、6)；传送带(3)一端的带轮连接伺服电机(9)，待焊接工件(7)置于传送带(3)上，由伺服电机(9)带动传送带(3)工作运送待焊接工件(7)；传送带(3)入口侧上方设有CCD工业相机(11)和DLP投影仪(8)，传送带(3)的出口侧上方设有焊枪(4)，焊枪(4)连接焊接机器人(2)，由焊接机器人(2)控制焊枪(4)移动对焊接工件(7)进行焊接；焊枪(4)和DLP投影仪(8)之间布置有用于感知焊接工件(7)位置的第一光电传感器(6)和第二光电传感器(5)。

【技术特征摘要】
1.一种三维焊缝自动识别装置，其特征在于：包括一台DLP投影仪(8)、一台CCD工业相机(11)、一台焊接机器人(2)、一条传送带(3)、一个伺服电机(9)和两个光电传感器(5、6)；传送带(3)一端的带轮连接伺服电机(9)，待焊接工件(7)置于传送带(3)上，由伺服电机(9)带动传送带(3)工作运送待焊接工件(7)；传送带(3)入口侧上方设有CCD工业相机(11)和DLP投影仪(8)，传送带(3)的出口侧上方设有焊枪(4)，焊枪(4)连接焊接机器人(2)，由焊接机器人(2)控制焊枪(4)移动对焊接工件(7)进行焊接；焊枪(4)和DLP投影仪(8)之间布置有用于感知焊接工件(7)位置的第一光电传感器(6)和第二光电传感器(5)。2.根据权利要求1所述的一种三维焊缝自动识别装置，其特征在于：还包括一台工业控制计算机(1)和一台PLC控制器(10)，伺服电机(9)经PLC控制器(10)与工业控制计算机(1)连接，焊接机器人(2)、CCD工业相机(11)、DLP投影仪(8)、第一光电传感器(6)和第二光电传感器(5)均连接到工业控制计算机(1)。3.根据权利要求1所述的一种三维焊缝自动识别装置，其特征在于：所述的待焊接工件(7)表面上有待焊接缝隙，通过焊枪(4)移动待焊接缝隙上进行焊接。4.根据权利要求1所述的一种三维焊缝自动识别装置，其特征在于：所述的投影仪(8)用于投影具有编码信息的光栅图案图像，光栅图案图像为黑白相间条纹且条纹宽度依据编码信息设定的图像。5.应用于权利要求1所述装置的一种三维焊缝自动识别方法，其特征在于方法的步骤是：步骤Ⅰ)对工业相机和投影仪进行标定，根据标定结果建立相机坐标系，然后对相机坐标系进行旋转和平移后转换建立机器人坐标系；步骤Ⅱ)工件放置在传送带上，沿传送带运输，当待焊接工件到达指定位置时，工控机(1)控制电机停止运行，并控制投影仪向工件表面投影四幅带有不同编码信息的光栅图案图像，相机(11)分别采集四幅光栅图案图像投影下的工件表面图像和一幅正常图像，并发送给工控机(1)进行处理，根据相位测量轮廓术对工件表面进行三维重建；步骤Ⅲ)对拍摄到的待焊接工件表面图像进行图像处理，得到待焊接缝隙的中心曲线二维坐标；步骤Ⅳ)在图像中找出该中心线，根据中心曲线的法向量沿中心曲线每间隔固定距离插入一个切平面；步骤Ⅴ)每个切平面与表面三维模型相交，相交处为存在一条线段，取线段的最低点作为待焊接点，连接各个切平面对应的待焊接点并拟合为曲线获得待焊接缝隙的焊接路径，用焊枪沿着获得的焊接路径对待焊接缝隙进行焊接...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙坚，王凯，徐红伟，钟邵俊，陆城炜，邹睿，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33