一种基于光栅投影三维重构的工件自动焊接方法技术

一种基于光栅投影三维重构的工件自动焊接方法。焊接工业自动化已经成为了未来焊接的主要发展方向,而目前大多数焊接机器人都是基于示教再现的工作方式，需要操作者靠近加工工位完成示教，对于结构复杂的大型工件存在极大的示教难度，难以保证焊接效果。本发明专利技术提供了一种基于光栅投影三维重构的工件自动焊接方法，该方法利用光栅投影技术对被测工件进行三维重构，结合二维轮廓提取获取焊接工件的轮廓三维信息并用于焊接机器人的自动控制。该方法不仅可以快速检测工件的三维信息，并且测量范围宽、精度高，能够直接用于焊接机器人的操作轨迹控制，实现工件检测和焊接的全自动化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光栅投影三维重构的工件自动焊接方法
本专利技术涉及一种基于光栅投影的三维重构方法，用于工件的自动焊接。
技术介绍
随着现代工业的快速发展，焊接技术成为了重要的金属热加工技术，并在制造、材料等行业得到广泛应用。手工焊接在大批量生产中很难保证加工的一致性和精确性，且焊接的效率较低，需要投入大量的人力资源，因而为了保证产品的焊接品质，焊接工业自动化已经成为了未来焊接的主要发展方向。目前大多数焊接机器人都是基于示教再现模式的工作方式，往往需要操作者靠近加工工位的位置完成示教，且对于结构复杂的大型工件存在极大的示教难度，难以保证焊接效果，因此焊接工件三维轮廓数据的高精度快速检测显得尤其重要，是实现焊接技术的全面自动化、提高焊接效率和质量的前提条件。
技术实现思路
为了解决焊接工件快速自动检测，实现焊接技术的自动化和智能化，本专利技术提供了一种基于光栅投影三维重构的工件自动焊接方法，该方法不仅可以快速检测工件的三维轮廓信息，并且测量范围宽、精度高，能够直接用于焊接机器人的操作轨迹控制，实现工件检测、焊接的全自动化。附图说明图1是光栅投影测量系统结构示意图。图2是平行光轴光栅投影测量原理图。图3是交叉光轴光栅投影测量原理图。图4是局部单应性矩阵标定法部分格雷码图。图5是工件二维轮廓提取流程图。图6是工件自动焊接系统结构示意图。具体实施方式图1所示为光栅投影系统结构示意图。一套基于数字光栅投影的三维重构系统，主要包括了计算机、工控机、摄像机以及投影仪等硬件。正弦光栅条纹通过一台计算机编程控制投影仪生成，并投射到参考平面和物体表面上，摄像机用来拍摄携带了变形光栅条纹的参考平面和物体图像。首先，数字投影装置向参考平面投射光强呈正弦分布的光栅条纹，摄像机同时拍摄具有光栅条纹的参考平面图像并且保存下来。然后，放入待测物体，将同样的光栅图像投射到待测物体的表面上，使用摄像机拍摄经待测物体表面调制而变形的光栅图像并且保存。因为物体表面高度的不同导致投射的正弦光栅条纹发生了变形，所以可以通过分析对比投射到参考平面上的无变形光栅图像和投射到待测物体的变形光栅图像之间的不同，提取出物体表面的高度信息，这就是基于光栅投影的三维重构技术的基本原理。本专利技术中三维测量系统是采用面结构光进行光栅投影，其基本原理是通过计算得到经被测物体表面调制后的光栅相位信息分布，再根据相位-高度映射关系来恢复被测物体表面的三维结构。光栅投影主要是以分析相位信息来进行三维重构的一种方法，属于光学测量方法中的一个重要研究方向，其中面结构光投影方法具有重构速度快、精度高、测量量程大等特点。图2所示为平行光轴光栅投影测量原理图。投影仪向参考平面R投射等相位面相互平行的光栅条纹。D点是被测物体上的一点，θ0为投影条纹光路与参考面之间的夹角，P0为投影在参考面的等周期正弦干涉条纹的节距。根据图2所示，在参考平面上的C点相位为：D点的相位是点A经过待测物体调制后的相位值，其值为：由1式和2式可得3式：根据几何关系可以得到D点对于参考平面的高度h，最后得到简化后的结果：其中定义系统的有效波长为λe＝P0tanθ0，是基于该系统模型的重要参数，由系统的参数P0和θ0决定。图3所示为交叉光轴光栅投影测量原理图。Oc为CCD摄像机的镜头光心，Op为投影仪的镜头光心，l和d分别为摄像机光心到参考平面和投影仪光心的距离。对于物体表面上的任意一点D，其在参考平面上的投影为点C，A、B两点分别为点D与两镜头光心连线和参考平面的交点。在未放置被测物体时，光束OpB投射到参考平面上并与其交点为点B，但当放置被测物体后，光束OpB在经过物体时光路发生了变化，会投射到物体表面的D点上。从摄像机的视角观察，被测物体表面进行高度调制后，光束从原来的B点转换至A点，也就是B点到A点的位移携带了点D的高度信息DC，根据图3中的光路关系，由三角原理可以解算出高度信息DC，并将该过程映射到整个X-Y平面上的所有点，最终便提取出物体的高度矩阵。这个系统存在两个约束条件：(1)摄像机和投影仪的光轴相交在参考平面OXY上；(2)摄像机和投影仪的镜头光心连线与参考平面OXY平行。由上述两个约束条件得到参考平面OXY与投影平面平行，且其Y轴与光栅投影平面平行，根据三角形相似原理得到ΔBDC≈ΔBOPO,则有：同理得到ΔADC≈ΔAOCOd，则有：由于投射在待测物体表面上，使得点D(x,y)投射的光束在参考平面上的交点由点B移动至点A，则有：其中θA与θB分别为A、B两点的相位，f0为投影光栅条纹的频率。根据5式-7式，可以得到相位差与物体表面高度信息的关系，如下：其中l、d、f0是可以通过系统参数标定解算出来的，因此只要求解出投影到参考平面上的光栅图像的相位值θB，以及计算携带光栅条纹的被测物体图像求解出相位值θA,从而得到物体表面的相位差Δθ(A,B),便可解出物体表面高度hDC。为了精确获取物体的高度信息，需要准确地获取物体面形分布引起的相位分布。本专利技术采用相移法完成相位场的提取。相移法使用至少三帧图像来求解物体引起相位分布，相比傅里叶变换法、小波变换法等，相移法对噪声有一定抑制，因此可以获取精度更高的相位分布。用相移法解算出来的相位信息是利用反正切函数来计算得到的，其得到的相位主值呈不连续的锯齿状分布，需要从由反正切计算引起的截断相位中恢复出连续的实际相位分布，这个恢复过程称为相位展开，也被称为相位去包裹或者相位解缠绕。时间相位展开是采用向待测物体投射一定数量的不同频率的光栅条纹图像的方法，通过相移法求得每个频率下的截断相位，图像上每一个像素点都可以采集到相位值，然后把所有的相位信息按照时间序列进行展开。这种解包裹方式有效解决了空间相位展开中的相邻点的误差传播的问题，利用足够多的条纹图像信息进行相位展开，其精度可以得到更好的保障。为了得到物体的三维信息，在准确获取被测物体相位信息的同时还需要对测量系统进行标定。系统的标定就是确定测量系统中投影仪和摄像机的内参数以及设备之间的外部参数关系。其标定的精度将会直接影响后续获取三维坐标的精度。本专利技术采用基于图像局部单应性矩阵的标定方法。图4所示为局部单应性矩阵标定法部分格雷码图。利用投影仪向棋盘格标定板投射多幅正交格雷码光栅，通过图像局部单应性矩阵方法获得棋盘格标定板各个特征角点所对应的投影仪图像坐标，从而进行标定。该方法标定过程易于实现，且可以得到较高的标定结果。使用局部单应性矩阵对系统标定的具体步骤如下：(1)通过投影仪分别向棋盘格标定板不同位置投射明暗视场图案和不同频率的正交格雷码图案，同时摄像机进行采集；(2)对包含有格雷码图案的棋盘格标定板进行角点坐标提取；(3)进行格雷码图案解码。将摄像机像素与投影仪图案坐标系行列联系起来，并且以第1步正确提取的角点为中心，分别提取矩阵区域中正确解码的像素，计算每个角点的局部单应性矩阵，使用该矩阵将摄像机坐标系和投影仪坐标系进行对应映射；(4)利用第3步检测到的两个坐标系的角点坐标，分别可以解出摄像机和投影仪的内部参数；(5)利用棋盘格特征角点在世界坐标系、摄像机坐标系和投影仪坐标系中的位置，从而可以计算出系统的外部参数。图5所示为工件二维轮廓提取流程图。轮廓是图像的基本特征之一，对图像轮廓进行分析可以分割出目标感兴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工件自动焊接方法，其特征是：a.采用光栅投影技术获取工件三维信息，进行三维重构；b.采用二维轮廓提取技术获取工件二维轮廓信息；c.将工件的二维轮廓数据结合工件的三维重构，提取出工件轮廓三维信息；d.根据工件轮廓三维信息生成焊接机器人的理想运行轨迹并进行自动焊接。

【技术特征摘要】
1.一种工件自动焊接方法，其特征是：a.采用光栅投影技术获取工件三维信息，进行三维重构；b.采用二维轮廓提取技术获取工件二维轮廓信息；c.将工件的二维轮廓数据结合工件的三维重构，提取出工件轮廓三维信息；d.根据工件轮廓三维信息生成焊接机器人的理想运行轨迹并进行自动焊接。2.根据权利要求1所述的工件自动焊接方法，其特征是：所述光栅投影技术，具体采用面结构光进行光栅投影；采用相移法完成相位场提取；采...

【专利技术属性】
技术研发人员：万敏，刘清友，范亚军，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51