双波长双目视觉焊缝跟踪方法及跟踪系统技术方案

本发明专利技术公开了一种双波长双目视觉焊缝跟踪方法，该方法包括图像采集、数据处理和焊缝跟踪等步骤，本发明专利技术同时公开了一种实现该方法的跟踪系统，本系统采用近红外和结构光双波长双目视觉传感系统，同时测量熔池和焊缝不同波长的焊缝区域图像并传输到微型工业控制机中，利用多信息融合算法和焊缝图像三维重建算法准确测量焊缝位置；微型工业控制机根据焊缝位置检测结果应用卡尔曼滤波算法对焊缝跟踪偏差状态进行最优估计，通过伺服驱动器驱动伺服电动机运动从而控制三轴运动工作台产生相应的运动，控制焊炬或激光头进行纠偏，实现焊缝的精确跟踪。该系统可以克服焊接现场的强光、飞溅和电磁干扰，提高焊缝跟踪精度及可靠性。

【技术实现步骤摘要】
双波长双目视觉焊缝跟踪方法及跟踪系统
本专利技术属于焊接
，具体涉及一种双波长双目视觉焊缝跟踪方法及跟踪系统。
技术介绍
焊接是制造业领域重要的加工技术，具有工作条件恶劣、工作量大及质量要求高等诸多特点。电弧焊和激光焊是焊接工业中较常用的焊接工艺方法，以电弧和激光束作为被控对象实现焊接自动控制是焊接自动化的一个重要手段。其中，精确的焊缝跟踪是保证焊接质量的前提，即在整个焊接过程中必须控制激光束或电弧使其始终与焊缝对中，否则就会造成废品。为此，需精确地自动检测出焊缝的位置并实现自动跟踪。由于焊接是一门复杂的热加工工艺技术，工件在焊接过程中要产生热变形，并且在焊接过程中会出现强烈的辐射、弧光、烟尘、飞溅等干扰，使得在焊接过程中实现焊缝位置的精确检测相当困难。同时，焊接装置机构误差、夹具装配误差和焊接过程焊件热变形等因素造成的焊缝路径实际上是三维曲线焊缝，涉及到较为复杂的三维曲线跟踪问题。并且焊缝间隙小且没有坡口、坐标不在同一平面，自动识别和测量难度极大。目前国内外对于焊缝位置信息的获取主要集中在以下几种方法：（1）结构光视觉传感方法。结构光视觉传感法通过激光源发射结构光对熔池前端的三维曲线焊缝进行扫描，由于焊缝与其两边的钢板一般有高度差，在结构光的照射下会形成焊缝轮廓线，呈现出焊缝的三维信息。目前工业上应用的焊缝跟踪器的工作原理大多数是结构光视觉传感方法。但该方法有其难以克服的缺陷：对于等厚平板对接焊，一般只能有效检测间隙大于0.15mm的焊缝。对于间隙小于0.15mm的焊缝，焊接前通常需要在对接焊缝表面处开微坡口，以使结构光在此处变形。但这无疑增加了加工成本、降低了焊接生产效率。而对于紧密对接、无坡口的焊缝，结构光几乎不产生变形，所以，传统的单波长结构光测量方法难以准确地识别和测量该种焊缝。再加上强烈的弧光和辐射干扰，更容易使得焊缝检测出现误判。（2）红外传感方法。该方法多用于电弧焊或焊件背面传感激光焊的焊缝识别，焊接熔池及周围形成一定的温度场并伴随红外辐射，使用红外摄像机直接拍摄熔池获取红外热像，对采集到的弧焊区红外热像进行定量分析，可以获得电弧偏离焊缝的量化信息。由于剧烈的熔池和温度变化使得很难获得层次分明的红外图像，再加上红外传感器易受环境干扰，所以该方法存在精度不高等问题。（3）直接图像传感方法。该方法利用摄像机直接拍摄熔池，通过图像处理分析灰度分布，推测焊缝中心偏差信息。由于该方法直接获取熔池图像，很大程度上消除了导前误差。但由于熔池变化剧烈且熔池处的焊缝已经熔化，焊缝信息基本湮没，因此难以从根本上获取焊缝偏差的特征和规律。（4）其它方法。如利用差动变压器作为检测垂直和水平方向偏差的传感器；根据焊缝间隙对声发射波传播有影响的现象，利用声发射-微处理器控制的焊缝检测系统；应用电弧传感器实现带有坡口的V形焊缝检测；利用电涡流方法检测焊缝，但不能准确判断焊缝左右偏差位置；超声波传感方法需要超声变换器与被焊板材的紧密接触，极大地限制了超声波传感器在检测焊缝方面的应用。以上方法在检测小间隙焊缝时都有局限性。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服上述现有焊缝跟踪方法的不足，提供一种检测精度高、运行可靠、简单易用、具有一定通用性的双波长视觉传感和三轴伺服驱动的焊缝跟踪系统。为达到上述目的，本专利技术提供了一种双波长双目视觉焊缝跟踪方法，该方法包括如下步骤：a．图像采集：微型工业控制机发出指令使结构光激光器发射出横跨于焊缝的结构光，同时发出指令启动近红外摄像机、结构光摄像机工作，焊接过程中同步协调近红外摄像机与结构光摄像机通过图像采集卡分别采集熔池区域红外图像与熔池前端焊缝的结构光图像，并将获得的双波长图像传输到微型工业控制机中;b．数据处理：应用多信息融合算法对熔池区域红外图像与熔池前端焊缝的结构光图像进行处理，计算出准确的焊缝位置及跟踪纠偏量;c．焊缝跟踪：应用卡尔曼滤波对焊缝跟踪偏差状态进行最优估计，找到滤波估计误差与测量误差之间的关系，通过伺服驱动器驱动伺服电动机运动从而控制三轴运动工作台产生相应的运动，实现焊缝的精确跟踪。在上述方案中，所述近红外摄像机摄取的近红外光波长范围为960-990nm；所述结构光摄像机摄取的可视结构光波长范围为640-660nm。为实现该方法，本专利技术还公开了一种双波长双目视觉焊缝跟踪系统，该系统包括双波长双目视觉检测系统、三轴伺服驱动焊缝跟踪系统和微型工业控制机，该双波长双目视觉检测系统包括近红外摄像机、结构光摄像机、结构光激光器和传感器安装板，所述结构光摄像机安装在传感器安装板左前端，所述近红外摄像机安装在传感器安装板右前端，所述结构光激光器位于结构光摄像机和近红外摄像机中间，安装在传感器安装板中端；所述三轴伺服驱动焊缝跟踪系统包括X轴固定架、Y轴固定架和Z轴固定架，所述X轴固定架上表面安装有焊接工作台，焊接件摆放在所述焊接工作台上，X轴伺服电机安装在所述X轴固定架的右端，所述Z轴固定架的下前端与X轴固定架的中后端连接，Z轴伺服电机安装在所述Z轴固定架的顶端，所述Y轴固定架通过螺栓连接在Z轴固定架右侧，Y轴伺服电机安装在所述Y轴固定架的后端，传感器安装板安装在Y轴固定架的前端，所述传感器安装板背面安装有加强筋，焊炬或激光头安装板通过内六角螺栓安装在Y轴固定架的右前端，焊炬或激光头安装在所述焊炬或激光头安装板的正下方。在上述方案中，所述Z轴固定架右侧表面开有长孔，Z轴伺服电机驱动Y轴固定架在所述长孔中上下运动，通过控制Y轴固定架的上下位置能够调节焊炬距离焊接件的高度或激光焊接时的离焦量的调整。在上述方案中，所述Y轴固定架左侧表面开有长孔，Y轴伺服电机驱动Y轴固定架在所述长孔中前后运动，通过控制Y轴固定架的前后位置能够对焊炬或激光头实现纠偏。在上述方案中，所述X轴伺服电机驱动摆放在焊接工作台上的焊接件左右运动，实现焊接件的进给。在上述方案中，应用近红外光（960-990nm）和可视结构光（640-660nm）分别获取熔池形态及熔池前端焊缝信息，并通过双波长双目视觉传感信息融合技术实现焊缝位置识别。在焊缝位置测量的基础上，建立焊炬或激光头伺服运动控制系统，根据焊缝位置坐标，通过伺服驱动系统控制焊炬或激光头位置以及应用卡尔曼滤波控制使其始终对正和跟踪焊缝，实现电弧焊或激光焊的焊缝跟踪。在上述方案中，以对接、搭接、角焊缝等为应用对象，利用双波长双目视觉传感器定标、双带滤光器特性、焊缝图像增强、熔池形态特征提取技术，在恶劣的工业焊接现场下准确检测出焊缝位置。当进行搭接焊、角焊和较大间隙平板对接焊时，主要根据结构光激光器发射到焊缝的可视变形结构光并通过结构光摄像机检测出焊缝位置。当进行紧密对接焊时，结构光不再变形，此时主要根据近红外摄像机摄取的近红外熔池图像中的热分布特征获取焊缝位置。通过融合不同波段的结构光焊缝图像和近红外熔池图像，实现焊缝位置的测量与跟踪。在上述方案中，针对近红外光辐射下的熔池区域和可视结构光辐射下的焊缝区域，利用双波长图像的特征，增强抗弧光干扰能力。微型工业控制机计算双目视觉传感器测量坐标，进行焊缝图像三维重建，建立焊缝位置测量系统。在上述方案中，建立焊炬或激光头三轴运动及焊缝跟踪控制系统，在此基础上应用卡尔曼滤波进行状态最优估计，准确预测焊缝偏移量和偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双波长双目视觉焊缝跟踪方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：a)图像采集：微型工业控制机发出指令使结构光激光器（5）发射出横跨于焊缝的结构光，同时发出指令启动近红外摄像机（11）、结构光摄像机（4）工作，焊接过程中同步协调近红外摄像机（11）与结构光摄像机（4）通过图像采集卡分别采集熔池区域红外图像与熔池前端焊缝的结构光图像，并将获得的双波长图像传输到微型工业控制机中；b)数据处理：应用多信息融合算法对熔池区域红外图像与熔池前端焊缝的结构光图像进行处理，计算出准确的焊缝位置及跟踪纠偏量；c)焊缝跟踪：应用卡尔曼滤波对焊缝跟踪偏差状态进行最优估计，找到滤波估计误差与测量误差之间的关系，通过伺服驱动器驱动伺服电动机运动从而控制三轴运动工作台产生相应的运动，实现焊缝的精确跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种双波长双目视觉焊缝跟踪系统，包括双波长双目视觉检测系统、三轴伺服驱动焊缝跟踪系统和微型工业控制机，其特征在于：所述双波长双目视觉检测系统包括近红外摄像机(11)、结构光摄像机(4)、结构光激光器(5)和传感器安装板(3)，所述结构光摄像机(4)安装在传感器安装板(3)左前端，所述近红外摄像机(11)安装在传感器安装板(3)右前端，所述结构光激光器(5)位于结构光摄像机(4)和近红外摄像机(11)中间，安装在传感器安装板(3)中端；所述三轴伺服驱动焊缝跟踪系统包括X轴固定架(7)、Y轴固定架(9)和Z轴固定架(2)，所述X轴固定架(7)上表面安装有焊接工作台(15)，焊接件(6)摆放在所述焊接工作台(15)上，X轴伺服电机(13)安装在所述X轴固定架(7)的右端，所述Z轴固定架(2)的下前端与X轴固定架(7)的中后端连接，Z轴伺服电机(1)安装在所述Z轴固定架(2)的顶端，所述Y轴固定架(9)连接在Z轴固定架(2)右侧，Y轴伺服电机(8)安装在所述Y轴固定架(9)的后端，传感器安装板(3)安装在Y轴固定架(9)的前端，所述传...

【专利技术属性】
技术研发人员：高向东，黄冠雄，
申请(专利权)人：广东工业大学，佛山市南海区广工大数控装备协同创新研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44