一种窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法及系统，系统包括：窄间隙焊炬

【技术实现步骤摘要】
一种窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法及系统


[0001]本专利技术属于焊接
，具体涉及一种窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法及系统
。

技术介绍

[0002]在窄间隙焊接过程中，受坡口加工误差
、
装配误差
、
变间隙
、
焊接热变形等影响，易引起焊炬偏离坡口中心，产生焊缝偏差，从而使电弧难以有效加热坡口侧壁，影响窄间隙焊接坡口侧壁熔合和接头成形质量，因此需要进行焊缝跟踪控制
。
为了实现焊缝跟踪控制，传感技术是关键
。
其中，被动视觉传感方法，直接利用环境光或弧光作为背景光源，无需额外的辅助光源，成本低
、
适合多种坡口形式，可实现与电弧位置同步的传感检测
。
然而，焊接飞溅
、
烟尘和电弧弧光等干扰会严重影响视觉传感器采集的焊接图像质量，给焊缝偏差的视觉传感检测和焊缝跟踪控制的精确检测带来了挑战，从而制约了窄间隙焊接工艺的工程应用
。
[0003]利用视觉传感器实现焊缝跟踪控制的过程中，以焊接坡口边缘位置信息为传感特征的检测最为常见
。
中国专利号为
ZL201610517913.X、
名称为“焊接坡口边缘位置视觉传感检测方法”的专利技术专利，公开了一种焊接坡口边缘位置视觉传感检测方法
。
其利用视觉传感器采集焊接区域全局图像，通过坡口边缘
ROI
窗口截取电弧对侧坡口边缘图像，经图像处理后提取坡口边缘线，并通过局部模式识别小窗口，检测坡口边缘线上的最直段，并以最直段上坡口边缘的位置检测值作为焊接坡口边缘位置的检测值
。
其缺点是：
1)
该方法采用标准差比较和评价每组数据的离散程度和分散度，当各组数据的测量尺度相差大时，标准差评价方法不适用；
2)
该方法没有涉及焊炬中心位置的检测和焊缝跟踪控制方面内容
。
[0004]中国专利号为
ZL201410741503.4、
名称为“窄间隙焊接电弧摇动的适应控制方法及装置”的专利技术专利，公开了一种窄间隙焊接电弧摇动的适应控制方法及装置
。
该方法采用红外摄像机系统实时提取坡口宽度信息，并根据坡口宽度变化实现对电弧摇动角度的自适应控制；其缺点是：
1)
该方法没有采用模式识别方法识别焊接干扰信息，而是通过中值或均值滤波方法获取坡口左
、
右边缘位置和坡口宽度检测值；当焊接飞溅较大时，坡口宽度和坡口中心的检测精度易受影响；
2)
该方法没有涉及焊接的初始焊炬位置引导功能
。
[0005]中国专利号为
ZL201210325926.9、
名称为“基于红外视觉传感的窄间隙焊接监控及焊缝偏差检测方法”的专利技术专利，公开了一种基于红外视觉传感的窄间隙焊接监控及焊缝偏差检测方法
。
该方法采用红外
CMOS
摄像机获取焊接图像，通过计算远离电弧侧的熔池左
(
或右
)
边缘到左
(
或右
)
截取窗口的左
(
或右
)
边界的距离获取焊缝偏差值
。
其缺点是：
1)
该方法未涉及图像实时传输模块和数据通讯模块；
2)
该方法未考虑焊接飞溅等干扰对坡口中心和焊缝偏差检测精度的影响
。
[0006]在上述专利中，未见有效解决摇动电弧窄间隙焊接的焊缝跟踪控制方面的问题
。
然而，在焊接过程中当坡口中心与焊炬中心位置不一致时，会影响焊缝成形和焊接接头质量，所以需要进行实时焊缝跟踪控制，此时上述的方法都难以适用
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是针对现有技术没有解决摇动电弧窄间隙焊接实时焊缝跟踪控制问题，提出一种检测精度高
、
抗干扰能力强的窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法及系统
。
[0008]本专利技术通过采用红外摄像机实时获取焊前坡口图像或焊接区域全局图像，根据焊前坡口图像中心位置或焊接区域全局图像的电弧最高点位置，自适应截取坡口边缘
ROI(Region of interest)
图像和焊丝
ROI
图像，通过不同的图像处理方法，分别提取焊接坡口左
、
右边缘和焊丝轮廓，获取坡口中心原始位置点分布和焊炬中心原始位置点分布，并通过基于变异系数的模式识别抗干扰算法和数值滤波算法，分别获取坡口中心位置和焊炬中心位置，计算坡口中心位置和焊炬中心位置的差值，获取焊缝偏差值；通过开发焊缝跟踪控制器，根据焊缝偏差值的大小自动匹配控制器参数，获取焊缝偏差调节量；通过数据通讯模块，将焊缝偏差调节量发送至窄间隙焊接控制柜，对窄间隙焊炬进行纠偏，实现窄间隙焊接的焊炬焊前位置引导和焊缝跟踪的实时控制
。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
[0010]一种窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪系统，包括窄间隙焊炬，其特征是：还包括窄间隙焊接控制柜
14、
红外摄像机
8、
滤光系统
7、
电流传感器
13、
信号触发器
9、
图像实时传输模块
10、
计算机图像处理模块
11
和数据通讯模块
12
；
[0011]所述红外摄像机8对准焊接坡口6且与水平面成一夹角
θ
安置，通过视频线缆分别与信号触发器9的输出端和图像实时传输模块
10
的输入端相连；信号触发器9的输入端通过导线分别与窄间隙焊接控制柜
14
和电流传感器
13
相连，所述窄间隙焊接控制柜
14
与所述窄间隙焊炬的电弧运动驱动器
3b
相连；所述窄间隙焊炬中的焊接电源
3e
一端与电弧运动驱动器
3b
相连
、
另一端连接电缆线穿过电流传感器
13
的检测环或串接电流传感器
13
后与焊接坡口6所在的工件相连；所述图像实时传输模块
10
包含图像采集卡和图像采集软件，通过视频线缆依次与包含有边缘提取模块
、
焊缝偏差值求取模块
、
焊缝偏差调节量求取模块的计算机图像处理模块
11
和包含有通讯协议
、
通讯软件和通讯接口的数据通讯模块
12
以及窄间隙焊接控制柜
14
相连，所述滤光系统7同轴设置在所述红外摄像机8前端，由滤光镜
、
减光镜和
UV
镜构成
。
[0012]进一步，所述的红外摄本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪系统，包括窄间隙焊炬，其特征是：还包括窄间隙焊接控制柜
(14)、
红外摄像机
(8)、
滤光系统
(7)、
电流传感器
(13)、
信号触发器
(9)、
图像实时传输模块
(10)、
计算机图像处理模块
(11)
和数据通讯模块
(12)
；所述红外摄像机
(8)
对准焊接坡口
(6)
且与水平面成一夹角
θ
安置，
(
θ
＝
10
～
80
°
)
，通过视频线缆分别与信号触发器
(9)
的输出端和图像实时传输模块
(10)
的输入端相连；信号触发器
(9)
的输入端通过导线分别与窄间隙焊接控制柜
(14)
和电流传感器
(13)
相连，所述窄间隙焊接控制柜
(14)
与所述窄间隙焊炬的电弧运动驱动器
(3b)
相连；所述窄间隙焊炬中的焊接电源
(3e)
一端与电弧运动驱动器
(3b)
相连
、
另一端连接电缆线穿过电流传感器
(13)
的检测环或串接电流传感器
(13)
后与焊接坡口
(6)
所在的工件相连；所述图像实时传输模块
(10)
包含图像采集卡和图像采集软件，通过视频线缆依次与包含有边缘提取模块
、
焊缝偏差值求取模块
、
焊缝偏差调节量求取模块的计算机图像处理模块
(11)
和包含有通讯协议
、
通讯软件和通讯接口的数据通讯模块
(12)
以及窄间隙焊接控制柜
(14)
相连，所述滤光系统
(7)
同轴设置在所述红外摄像机
(8)
前端，由滤光镜
、
减光镜和
UV
镜构成
。2.
根据权利要求1所述的窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪系统的跟踪方法，其特征是，包括如下步骤：
1)
实时采集图像：将电流传感器
(13)
检测到的电弧电流基值期信号
i
b
和电弧位置信号
P
arc
，单路或双路发送至信号触发器
(9)
，控制红外摄像机
(8)
开始采集宽度和高度分别为
h1(h1≤1024)
和
h2(h2≤1024)
像素的焊前坡口图像或与电弧位置同步的焊接区域全局图像
(15)
，并通过
C
或
C++
语言及图像处理软件开发图像采集程序，形成具有图像实时采集
、
保存和输出功能的图像实时传输模块
(10)
，实现图像的实时传输，为窄间隙焊接焊前焊炬位置引导和焊缝跟踪控制提供实时图像；
2)
提取坡口边缘，获取坡口中心位置
x
g
：包括获取焊前坡口图像或焊接区域全局图像
(15)
的坡口中心位置
x
g
；焊前坡口图像的坡口中心位置
x
g
的获取，是根据实时采集的单帧焊前坡口图像，通过中点法或中线法，自适应定位高度为
h5(5≤h5≤h2)
像素的坡口左
、
右边缘
ROI
窗口，并自适应截取坡口左
、
右边缘
ROI
图像，通过计算机图像处理模块
(11)
中的焊前坡口边缘
ROI
图像处理方法，提取焊前坡口左边缘
(4)
和坡口右边缘
(5)
，沿坡口边缘
ROI
窗口高度方向，通过计算均值或拟合值的方法获取坡口中心原始位置点分布，并通过均值法计算焊前坡口图像中的坡口中心位置
x
g
；针对焊接区域全局图像
(15)
的坡口中心位置
x
g
的求取，是通过计算机图像处理模块
(11)
中的全局图像处理方法，提取焊接区域全局图像
(15)
中的电弧
(2)
位置，并通过电弧
(2)
位置自适应设置电弧
(2)
对侧的坡口边缘
ROI
窗口
(16)
，截取高度为
h3(5≤h3≤h2)
像素的坡口边缘
ROI
图像，通过计算机图像处理模块
(11)
中的坡口边缘
ROI
图像处理方法，提取电弧
(2)
对侧的坡口左边缘
(4)
或坡口右边缘
(5)
；根据从相邻两帧焊接区域全局图像
(15)
中提取的坡口左边缘
(4)
和坡口右边缘
(5)
，沿坡口边缘
ROI
窗口高度方向，通过计算均值或拟合值的方法获取坡口中心原始位置点分布；通过基于变异系数的模式识别抗干扰算法，分析坡口中心原始位置点分布的离散度，并剔除异常的坡口中心原始位置点后，从保留的坡口中心有效位置点中通过计算均值或拟合值的方法获取焊接区域全局图像
(15)
的坡口中心位置
x
g
，为窄间隙焊炬位置的纠偏提供依据；
3)
提取焊丝轮廓，获取焊炬中心位置
x
e
：包括获取焊前坡口图像和焊接区域全局图像
(15)
的焊炬中心位置
x
e
；焊前坡口图像的焊炬中心位置
x
e
获取，又包括焊丝停留时的焊前坡口图像和焊丝摇动时的焊前坡口图像；针对由图像实时传输模块
(10)
采集的焊丝停留或焊丝摇动状态下的焊前坡口图像，通过焊前焊丝
ROI
窗口，截取高度为
h6(5≤h6≤h2)
像素的焊前焊丝
ROI
图像，并通过焊前焊丝
ROI
图像处理方法，提取焊丝轮廓，获取焊前坡口图像的焊炬中心位置
x
e
，用于窄间隙焊接的初始焊炬位置引导；焊接区域全局图像
(15)
的焊炬中心位置
x
e
获取，是通过电弧
(2)
同侧的焊丝
ROI
窗口
(17)
，截取高度为
h4(5≤h4≤h2)
像素的焊丝
ROI
图像，通过焊丝
ROI
图像处理方法提取焊丝边缘和焊丝中心；根据从相邻两帧焊接区域全局图像
(15)
中，提取的焊丝左轮廓
(
包括焊丝左边缘和焊丝右边缘
...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏娜，王加友，朱杰，姜玉清，胥国祥，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：