用于管板自动焊接的图像找中定位方法技术

一种用于管板自动焊接的图像找中定位方法，其特征在于：利用摄像头或照相机拍摄被焊管口图像，然后利用计算机系统对图像进行处理和识别，自动寻找出被焊管口圆心的位置，最后利用X轴移动机构和Y轴移动机构将焊枪的旋转中轴线平移到被焊管口的圆心位置进行定位。本发明专利技术采用图像找中定位方式来实现管板焊接的定位，完全放弃了芯杆和胀芯，是一种无接触式的精确定位方式，该方式打破了长期以来一直困扰人们的定位难题，其特点是：1．纠正了因机加工及焊接热影响带来的管口位置误差，定位精度高；2．可实现管缩进形式的管板焊接；3．可实现小到φ3mm管径的管板焊接，大大拓展了管板焊接的使用范围。

Image locating and locating method for automatic welding of tube plate

To find a method of image positioning for tube plate automatic welding, which is characterized in that: the use of cameras or cameras are pipe mouth images then by use of computer system for processing and recognition of images, automatically find out the location of the center pipe mouth, finally use the X axis moving mechanism and moving mechanism of Y axis rotating axis the torch is used to shift the center position of pipe mouth positioning. The invention adopts the image positioning for positioning to achieve tube plate welding, completely abandoned the core rod and the expansion core is a kind of non-contact precise positioning method, the way to break the positioning problem has long been plagued by people, its characteristics are: 1. to correct for machining and welding nozzle position error thermal impact, high positioning accuracy can be achieved; the 2. indent form tube plate and tube welding; 3. can realize the small diameter tube plate with 3mm welding, which greatly expanded the scope of use of tube plate welding.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于焊接
，特别涉及一种适用于管与板自动焊接的图像找中定位方法。
技术介绍
在化工、电站、锅炉等行业的换热器制造中，存在大量的管与板之间的焊接任务。 这种焊接难度大，质量要求高，工作量大。长期以来，这类焊接技术的发展一直是本领域技术人员关注的问题。上世纪80年代，自动管板焊机从国外进入中国市场，逐渐在化工、锅炉、电站等行业推广应用。这种焊接方式大大降低了手工施焊的劳动强度，提高了焊接质量的稳定性，引发了管板焊接技术的一次变革。实施自动管板焊接都需要依赖中心定位来实现，即将焊头的回转中心定位到与被焊管板中心重合的位置，然后通过焊头绕管口旋转来完成焊接任务。目前在自动管板焊接中典型的中心定位方式是胀芯机械式定位，即采用中心杆外套胀芯后插入管内，利用胀芯的胀力将焊头定位。焊接时，焊头上的焊炬围绕中心杆旋转进行焊接。上述胀芯机械式定位存在着许多不足，使其在应用上产生了很大的局限性。第一， 胀芯的扩张范围极为有限，不同管径需选用适合的胀芯，因此通用性差；第二，中心杆与胀芯在制作时为了保持自身的机械强度，不能做得太细和太薄，故而不能对小管径的管板进行焊接，一般内径在14mm达到极限，对于更小内径的管板无法施焊；第三，由于管板中心部位的物理空间被中心杆和胀芯占据，焊炬不能调节到负角度的范围，故而不能焊接缩进形式的管板，只能焊接伸出和平齐形式的管板。基于以上不足，国内有些厂家正在进行改进性尝试，但绝大多数都未脱离机械式定位的框架，因此不能彻底解决以上问题。也有厂家尝试开发数控定位方式，但由于管板在焊接过程中会发热变形，容易造成多孔管板的后续焊接定位不准确。中国专利CN101362^6A公开了一件由本申请人提出的，名称为《配有光学定位设备的管板焊机及其定位方法》的专利技术专利申请。该专利申请说明书仅公开了 “通过摄像头采集被焊管口信息，计算出摄像头光学中心线跟被焊管中心线的距离”，以及“以摄像头摄取被焊管的图像数据，进而求取被焊管中心线的实际位置”等通过摄像头采集信息后直接确定中心线相对位置的任务和设想，并没有给出具体实现的技术手段。
技术实现思路
本专利技术提供一种，其目的是要摒弃传统机械式定位的束缚，利用图像处理识别技术，开创性的设计一种无接触式的图像找中定位方法。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是一种，其创新在于(1)环境和条件事先设置一个能够执行管板自动焊接任务的旋转焊枪，该旋转焊枪由焊枪与旋转机构连接构成，焊枪在旋转机构带动下能够绕一旋转中轴线旋转；事先设置一个用于拍摄被焊管口图像的摄像头或照相机，摄像头或照相机设在被焊管板的前方，摄像头或照相机的镜头中具有一成像中轴线，该成像中轴线与被焊管口的管轴线平行；事先设置一个用于调整定位的平面移动装置，该平面移动装置由移动座、X轴移动机构和Y轴移动机构叠加连接构成，其中，X轴和Y轴构成一个机械坐标系，该机械坐标系所在平面与被焊管板上的板平行，所述旋转焊枪和摄像头或照相机相对移动座安装连接，其中， 所述成像中轴线与所述旋转中轴线平行或同轴设置，并且在所述机械坐标系中，旋转中轴线相对成像中轴线的位置已知；事先设置一个用于处理和识别图像以及控制调整定位的计算机系统，该计算机系统包括中央处理单元、输入输出界面、图像处理识别软件以及调整定位控制软件，所述摄像头或照相机的输出信号与计算机系统的输入端连接，计算机系统的输出端分别与所述X轴移动机构和Y轴移动机构中的驱动马达控制端连接；(2)执行步骤和方法第一步，拍摄被焊管口图像通过X轴移动机构和Y轴移动机构将摄像头或照相机移动到被焊管口的正前方，然后拍摄该被焊管口图像，并将该图像转换成数字图像后输入计算机系统；第二步，对数字图像进行处理①对数字图像进行锐化处理在计算机系统中，利用微分算法对数字图像进行锐化处理，获得突出被焊管口圆环轮廓的锐化图像；②对锐化图像进行二值化处理在计算机系统中，利用设定的灰度阈值对锐化图像上的各像素点的灰度值进行二值化处理，获得具有明显黑白效果的二值化图像；第三步，对二值化图像进行识别在计算机系统中，利用下列方法之一对二值化图像进行识别，寻找出二值化图像中被焊管口圆心相对图像坐标系的像素坐标方法一直接利用Hough (霍夫)变换方法找出二值化图像中被焊管口圆心相对图像坐标系的像素坐标；方法二 以被焊管口的圆环为原形，事先建立一个大小相匹配的圆环图像数据模板，然后利用模板匹配方法找出二值化图像中被焊管口圆心相对图像坐标系的像素坐标；方法三利用二值化图像中被焊管口呈圆环的几何特征，以圆环区域内的任意一个像素点为基点，沿水平方向向左和向右以及沿垂直方向向上和向下分别搜索圆环对应边缘的像素点坐标，然后将水平方向的两个像素点坐标相加后除以二即为二值化图像中被焊管口圆心相对图像坐标系水平方向的像素坐标，同理将垂直方向的两个像素点坐标相加后除以二即为二值化图像中被焊管口圆心相对图像坐标系垂直方向的像素坐标； 第四步，调整定位调整定位采用下列方法之一方法一首先根据图像坐标系与机械坐标系的位置关系以及像素间距与机械坐标距离的长度关系，计算出二值化图像中成像中轴线对应的图像中心至被焊管口圆心在机械坐标系中对应X轴和Y轴的投影距离和方向，然后采用逼近的方法，利用X轴移动机构和Y轴移动机构， 按小于投影距离的值将图像中心向被焊管口圆心移动，移完后按所述第一步要求再拍摄第二幅被焊管口图像，并按所述第二步和第三步要求对图像进行处理和识别，重复以上拍摄、 处理、识别和移动过程直至图像中心与被焊管口圆心的偏差小于允许的误差，便认为成像中轴线与被焊管口的管轴线同轴；最后根据旋转中轴线相对成像中轴线的位置已知这一条件，利用X轴移动机构和Y轴移动机构再将旋转中轴线平移到与被焊管口的管轴线同轴位置进行定位； 方法二 首先根据图像坐标系与机械坐标系的位置关系以及像素间距与机械坐标距离的长度关系，将二值化图像中被焊管口圆心相对图像坐标系的像素坐标转换成被焊管口圆心相对机械坐标系的机械坐标；然后利用X轴移动机构和Y轴移动机构直接将焊枪的旋转中轴线平移到机械坐标系中被焊管口的圆心位置进行定位。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点和效果传统的管板焊接都采用机械式定位方式，利用胀芯的弹性张力将旋转焊枪定位，胀芯处于焊接高温区，容易变形受损。对于不同的焊管内径，胀芯必须按照对应的弹性范围制作。如果焊管内径公差过大，胀芯与焊管的配合就会过紧或过松。配合过紧会造成使用不便，配合过松会使旋转焊枪摇晃，定位不准，影响焊接质量。而本专利技术采用图像找中定位方式来实现管板焊接的定位，完全放弃了芯杆和胀芯，是一种无接触式的精确定位方式，该方式采用摄像头或照相机拍摄被焊管口图像，然后对图像进行处理和识别，自动寻找出被焊管口圆心位置，最后利用X轴移动机构和Y轴移动机构将焊枪的旋转中轴线平移到被焊管口的圆心位置进行定位。本专利技术突破了长期以来一直困扰人们的定位难题，解决了所有与芯杆和胀芯相关的问题。1.没有设置芯杆和胀芯的麻烦和烦恼由于本专利技术不再使用芯杆和胀芯，而是采用无接触式的图像找中定位方式，没有配置不同规格胀芯的麻烦，没有拔不出焊头的烦恼，而且降低了消耗。2.可实现管缩进形式的管板焊接由于机械式定位的芯杆和胀芯占据焊头前部中心的空间，使得焊本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于管板自动焊接的图像找中定位方法，其特征在于：（１）环境和条件事先设置一个能够执行管板自动焊接任务的旋转焊枪（８），该旋转焊枪（８）由焊枪与旋转机构连接构成，焊枪在旋转机构带动下能够绕一旋转中轴线（７）旋转；事先设置一个用于拍摄被焊管口图像（１３）的摄像头或照相机（５），摄像头或照相机（５）设在被焊管板的前方，摄像头或照相机（５）的镜头中具有一成像中轴线（６），该成像中轴线（６）与被焊管口（１）的管轴线（４）平行；事先设置一个用于调整定位的平面移动装置，该平面移动装置由移动座（９）、Ｘ轴移动机构（１０）和Ｙ轴移动机构（１１）叠加连接构成，其中，Ｘ轴（Ｘｍ）和Ｙ轴（Ｙｍ）构成一个机械坐标系（Ｍ），该机械坐标系（Ｍ）所在平面与被焊管板上的板（３）平行，所述旋转焊枪（８）和摄像头或照相机（５）相对移动座（９）安装连接，其中，所述成像中轴线（６）与所述旋转中轴线（７）平行或同轴设置，并且在所述机械坐标系（Ｍ）中，旋转中轴线（７）相对成像中轴线（６）的位置已知；事先设置一个用于处理和识别图像以及控制调整定位的计算机系统，该计算机系统包括中央处理单元、输入输出界面、图像处理识别软件以及调整定位控制软件，所述摄像头或照相机（５）的输出信号与计算机系统的输入端连接，计算机系统的输出端分别与所述Ｘ轴移动机构（１０）和Ｙ轴移动机构（１１）中的驱动马达控制端连接；（２）执行步骤和方法第一步，拍摄被焊管口图像通过Ｘ轴移动机构（１０）和Ｙ轴移动机构（１１）将摄像头或照相机（５）移动到被焊管口（１）的正前方，然后拍摄该被焊管口图像（１３），并将该图像转换成数字图像后输入计算机系统；第二步，对数字图像进行处理①对数字图像进行锐化处理在计算机系统中，利用微分算法对数字图像进行锐化处理，获得突出被焊管口圆环（１４）轮廓的锐化图像；②对锐化图像进行二值化处理在计算机系统中，利用设定的灰度阈值对锐化图像上的各像素点的灰度值进行二值化处理，获得具有明显黑白效果的二值化图像；第三步，对二值化图像进行识别在计算机系统中，利用下列方法之一对二值化图像进行识别，寻找出二值化图像中被焊管口圆心（１５）相对图像坐标系（Ｖ）的像素坐标：方法一：直接利用Ｈｏｕｇｈ变换方法找出二值化图像中被焊管口圆心（１５）相对图像坐标系（Ｖ）的像素坐标；方法二：以被焊管口（１）的圆环（１４）为原形，事先建立一个大小相匹配的圆环图像数据模板，然后利用模板匹配方法找出二值化图像中被焊管口圆心（１５）相对图像坐标系（Ｖ）的像素坐标；方法三：利用二值化图像中被焊管口呈圆环（１４）的几何特征，以圆环（１４）区域内的任意一个像素点为基点，沿水平方向向左和向右以及沿垂直方向向上和向下分别搜索圆环（１４）对应边缘的像素点坐标，然后将水平方向的两个像素点坐标相加后除以二即为二值化图像中被焊管口圆心（１５）相对图像坐标系（Ｖ）水平方向的像素坐标，同理将垂直方向的两个像素点坐标相加后除以二即为二值化图像中被焊管口圆心（１５）相对图像坐标系（Ｖ）垂直方向的像素坐标；第四步，调整定位调整定位采用下列方法之一：方法一：首先根据图像坐标系（Ｖ）与机械坐标系（Ｍ）的位置关系以及像素间距与机械坐标距离的长度关系，计算出二值化图像中成像中轴线（６）对应的图像中心至被焊管口圆心（１５）在机械坐标系（Ｍ）中对应Ｘ轴（Ｘｍ　）和Ｙ轴（Ｙｍ）的投影距离和方向，然后采用逼近的方法，利用Ｘ轴移动机构（１０）和Ｙ轴移动机构（１１），按小于投影距离的值将图像中心向被焊管口圆心（１５）移动，移完后按所述第一步要求再拍摄第二幅被焊管口图像（１３），并按所述第二步和第三步要求对图像进行处理和识别，重复以上拍摄、处理、识别和移动过程直至图像中心与被焊管口圆心（１５）的偏差小于允许的误差，便认为成像中轴线（６）与被焊管口的管轴线（４）同轴；最后根据旋转中轴线（７）相对成像中轴线（６）的位置已知这一条件，利用Ｘ轴移动机构（１０）和Ｙ轴移动机构（１１）再将旋转中轴线（７）平移到与被焊管口（１）的管轴线（４）同轴位置进行定位；方法二：首先根据图像坐标系（Ｖ）与机械坐标系（Ｍ）的位置关系以及像素间距与机械坐标距离的长度关系，将二值化图像中被焊管口圆心（１５）相对图像坐标系（Ｖ）的像素坐标转换成被焊管口圆心（１５）相对机械坐标系（Ｍ）的机械坐标；然后利用Ｘ轴移动机构（１０）和Ｙ轴移动机构（１１）直接将焊枪的旋转中轴线（７）平移到机械坐标系（Ｍ）中被焊管口的圆心（１５）位置进行定位。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高鸣，
申请(专利权)人：苏州工业园区华焊科技有限公司，昆山华焊科技有限公司，
类型：发明
国别省市：32