一种激光焊接焊缝跟踪实现装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种激光焊接焊缝跟踪实现装置，包括：图像采集及处理单元，采集激光焊接焊缝特征的图像数据，对该图像数据进行处理并输出焊缝位置信息；运动控制单元，接收上述焊缝位置信息进行分析处理，向运动轴执行机构发送运动控制指令；上层参数设置和控制单元，设置图像采集和处理参数、运动控制参数，分别与图像采集及处理单元、运动控制单元进行通讯连接。本实用新型专利技术可以适应多种焊缝类型和工艺，具有通用性好、灵活性强和独立性高以及精度高、定位准、适应性强等优点。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及机器人制造领域中视觉测量与智能运动控制技术，具体的说是一种激光焊接焊缝跟踪实现装置。
技术介绍
目前，在制造机器人的焊接工艺生产中，一般采用人工手动控制、机器人示教或离线编程的方式进行路径规划和运动编程，焊接过程中只是简单的重复预先设定的动作。但在激光焊接中，由于其具有高速高精度的工艺要求，因此对激光焊接设备提出了较高的要求。 在现有的焊缝跟踪实现方案中，一般采用机械、电磁、视觉等传感器提供焊缝信息，由系统进行处理，实现焊枪位置控制。但是这样的焊缝跟踪系统一般是封闭的，是针对特定系统开发的传感器及处理算法，缺少通用、灵活和独立的实时焊缝跟踪系统。国外已经有部分较成熟的激光焊接焊缝跟踪系统的产品，但比较系统性能，各有千秋，很难在精度上和速度上同时满足激光焊接高速高精度的要求，并且系统结构庞大、构成复杂。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足之处，本技术要解决的技术问题是提供一种具有精度高、定位准、适应性强的激光焊接焊缝跟踪实现装置。 为解决上述技术问题，本技术采用的技术方案是 本技术一种激光焊接焊缝跟踪实现装置包括 图像采集及处理单元，采集激光焊接焊缝特征的图像数据，对该图像数据进行处理并输出焊缝位置信息； 运动控制单元，接收上述焊缝位置信息进行分析处理，向运动轴执行机构发送运动控制指令； 上层参数设置和控制单元，设置图像采集和处理参数、运动控制参数，分别与图像采集及处理单元、运动控制单元进行通讯连接。 所述图像采集及处理单元包括激光光源、光学组件及智能相机，其中激光光源产生的一字线性激光通过焊接工件反射，经光学组件由智能相机进行采集；所述激光光源波长为660nm，功率为50mw 100mw可调；所述光学组件中的滤光片能透过波长660nm的光波。 所述运动控制单元包括运动控制器、运动轴驱动器及运动轴执行机构，其中 运动控制器以DSP为控制核心，与图像采集及处理单元的智能相机通过CAN总线相连，对其输入的位置信息进行分析、计算，得到运动轴执行机构的控制位置信息； 运动轴驱动器，接收运动控制器的控制位置信息，输出至运动轴执行机构，最终实现的焊枪对焊缝位置的跟踪矫正补偿运动。 本技术通过以下方法实现其控制过程 开始，通过上层参数设置和控制单元设置参数； 由图像采集和处理单元实时采集焊缝图像，并进行图像算法处理得到焊缝图像数据； 将焊缝图像数据缓存，并进行标定处理，确定当前采集图像对应的焊枪偏移量； 运动控制单元中的运动控制器根据上述焊枪偏移量进行跟踪轨迹的滤波、拟合以及轨迹规划； 上述计算结果送给运动轴驱动器对运动轴执行机构实施控制。 所述参数包括激光器光强调节参数、工件参数、图像处理算法参数以及跟踪轨迹计算过程的滤波、拟合控制算法参数。 所述图像算法处理通过FPGA硬件编程和DSP软件编程相结合来实现，其中通过FPGA硬件编程实现图像预处理过程，包括以下步骤 对采集焊缝图像开窗，得到感兴趣区域； 对感兴趣区域图像进行中值滤波得到滤波后图像； 对滤波后图像进行二值化图像增强处理； 对二值化后的图像实施膨胀和腐蚀的数学形态学处理； 对膨胀和腐蚀后的图像进行边缘提取； 对边缘提取后的图像进行中心线提取； 通过DSP软件编程实现特征点提取过程，包括以下步骤 对由FPGA处理得到的中心线采用最小二乘法进行直线拟合； 通过找到最大拐点位置找到特征点，实现特征点提取。 所述确定当前采集图像对应的焊枪偏移量包括以下步骤 将光平面按密度等间隔划分为矩形网格，各个网格顶点即为事先标定的特征点； 在像平面中有与光平面相应的网格，通过位置控制进行网格各点的实际测量，获取像平面中不规则网格顶点的图像坐标(u， v)所对应的光平面物理坐标(xw， yw， zj，得到对应的关系数据表； 对于上述图像处理得到的焊缝特征点信息，即为像平面中的任意待标定点P(u，v)，通过上述已建立的关系表格中包围该待标定点的小四边形网格插值计算出其物理坐标，得到实际焊缝点的三维坐标P(xw， yw， zw)。 通过三维坐标(x， y， z)及相机与焊枪物理位置关系确定固定于运动轴执行机构上的焊枪对焊缝的跟踪位移量。 所述跟踪轨迹的滤波、拟合并实时计算跟踪点以及运动指令规划功能，实现过程包括以下步骤 运动控制器采用定时中断方式读取图像采集和处理单元的焊枪偏移量信息； 运动控制器跟踪轨迹滤波模块以前视距离范围取得的焊枪偏移量信息作为滤波输入信息，通过上位机传输的滤波参数(如中值或均值滤波算法及3或5次滤波参数)进行算法和参数的选择，设置2倍前视距离作为滤波窗口的长度，完成滤波计算，输出经过滤波之后的焊枪偏移量； 跟踪轨迹拟合模块以滤波模块的输出量作为输入，通过上位机传输的拟合参数进行拟合方法(如最小二乘或三次样条拟合)和拟合窗口大小(如参数设置或前视距离倍数设置)的选择，完成拟合计算，并对拟合后的线段按照与采集节拍同步的时间节拍进行控制焊枪偏移量的划分实时计算； 跟踪轨迹规划模块以拟合计算后的输出量作为输入，通过超前偏差计算方法，计算当前焊枪需要跟踪补偿运动的矫正偏移量，并按照预定的10毫秒倍数的控制节拍进行运动指令规划。 所述超前偏差计算方法如下 当焊枪前进距离小于等于L时，焊枪从位置n到位置n+l的矫正值为 ￡ e/,a +1 =Z)《+I-|]Z)e/ (+ l^M，,^Z );焊枪前进距离小于等于L ;其中 M为前视距离L长度焊枪前进节拍数，即焊枪开始实时跟踪前的处理图像数； n为当前计算超前偏差值时的焊枪前进控制节拍的前一节拍数； p为当前位置之前的某一节拍； Distn+1为当前位置焊枪偏离初始位置的距离； Deltap为当前位置之前的某一节拍水平位置相对前一节拍的矫正值； Deltan+1为当前位置相对前一节拍位置的矫正值。 焊枪到达位置M后矫正值计算公式为 e/toM+ +1 = - S W (,; ^ Z); 其中 M，p含义同上； n为从初始位置开始经过第一个前视距离长度之后开始计算的当前位置焊枪前进控制节拍的前一节拍数； Distm+n+1为当前位置焊枪偏离初始位置的距离； Deltap为当前位置之前的某一节拍水平位置相对前一节拍的矫正值； Deltam+n+1为当前位置相对前一节拍位置的矫正值。 本技术具有以下有益效果及优点 1.应用本技术可以适应多种焊缝类型和工艺，能够实现焊缝位置的高精度实时定位，具有通用性好、灵活性强和独立性高以及精度高、定位准、适应性强等优点。本技术能够适应V形接口、搭接和等厚板、不等厚板对接等多种焊缝类型，采集激光焊缝图像、提取焊缝特征点位置；智能相机提供网络接口实现上位机设置相机的工作参数，提供CAN通讯接口进行图像处理后的焊缝跟踪位置数据传输；运动控制DSP具有对线性激光器的模拟功率控制接口以及对PLC的信号交互接口 ；针对一种工况完成参数设置后，系统可以脱离上位机独立完成自动焊缝跟踪。 2.本技术针对V形接口、搭接和等厚板、不等厚板对接等多种焊缝类型的不同工况设计了不同参数用于焊缝图像处理模块，并且根据智能相机与跟踪执行机构的固联连接方式，开发了超前偏差焊缝跟踪控制算法，以适应多种焊接类型工况的焊缝跟踪要求。附图说明图1为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光焊接焊缝跟踪实现装置，其特征在于包括：图像采集及处理单元，采集激光焊接焊缝特征的图像数据，对该图像数据进行处理并输出焊缝位置信息；运动控制单元，接收上述焊缝位置信息进行分析处理，向运动轴执行机构发送运动控制指令；上层参数设置和控制单元，设置图像采集和处理参数、运动控制参数，分别与图像采集及处理单元、运动控制单元进行通讯连接。

【技术特征摘要】
一种激光焊接焊缝跟踪实现装置，其特征在于包括图像采集及处理单元，采集激光焊接焊缝特征的图像数据，对该图像数据进行处理并输出焊缝位置信息；运动控制单元，接收上述焊缝位置信息进行分析处理，向运动轴执行机构发送运动控制指令；上层参数设置和控制单元，设置图像采集和处理参数、运动控制参数，分别与图像采集及处理单元、运动控制单元进行通讯连接。2. 按权利要求1所述的激光焊接焊缝跟踪实现装置，其特征在于所述图像采集及处 理单元包括激光光源、光学组件及智能相机，其中激光光源产生的一字线性激光通过焊接 工件反射，经光学组件由智能相机进行采集。3. 按权利要求2所述的激光焊接焊缝跟踪实现装...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜春英，邹媛媛，柳连柱，吴强，郭奇，康永军，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：实用新型
国别省市：89[中国|沈阳]