[发明专利]一种基于线结构光视觉的空间相贯曲线焊缝结构建模方法

说明书

本发明公开了一种基于线结构光视觉的空间相贯曲线焊缝结构建模方法，该方法通过被测焊缝的结构光条纹图像处理，提取条纹单像素中心线并构建条纹中心线的斜率变化曲线。基于斜率分析提取相贯曲线焊缝点组图像特征，通过机器人焊接系统的位姿变换和Bspline曲线拟合，建立机器人基坐标系下的焊缝曲线及其两侧曲面变化特征模型。通过时间平均插值形成离线化的焊缝控制点位姿序列，根据焊接工艺要求构建焊枪坐标系，确定控制点序列对应的焊枪位姿。本发明解决了现有技术仅表征焊缝特征点位置，缺少焊缝周边曲面结构特征表达的局限，使所构建的曲线焊缝结构模型具有同时反映焊接位置和姿态的整体表征性，为后续焊接轨迹规划与控制提供基础。

技术领域

本发明属于焊缝检测及焊接自动化技术领域，具体涉及一种基于线结构光视觉的空间相贯曲线焊缝结构建模方法。

背景技术

在焊接工程实践领域，存在许多不同形状管件相互交叉的结构，形成复杂的空间相贯曲线焊缝，这类空间曲线的焊接加工任务已广泛存在于汽车、船舶、石油、钢结构、各类压力容器等制造行业之中。由于空间曲线焊缝形态结构的多样性，人工焊接不仅劳动强度大、效率低，而且对工人的操作技能要求高，焊接质量不易保证。近年来，针对工业机器人在空间相贯曲线自动焊接的应用，研究者开展了大量有益的工作。现有研究热点主要是机器人离线编程，焊接离线编程控制依赖于精确的仿真焊缝模型，由于待焊工件自身形状、尺寸及相贯形式的不同，加之工件装配误差等不确定性因素的影响，使得建立一种通用精确的曲线焊缝模型变得十分困难。因此，曲线焊缝的数学建模是曲线焊接离线编程的关键技术之一。

国内外学者针对各种不同接头形式的空间相贯曲线焊缝建模问题做了大量研究，代表性的有：Chen H.M等在国际期刊Lecture Notes in Electrical Engineering，2011，88：73-80上发表的文章“Combined Planning between Welding Pose and WeldingParameters for an Arc Welding Robot”建立了马鞍曲线焊缝数学模型。张毅等在华中科技大学学报上发表文章“不规则管管相贯曲线的轨迹规划”建立了集斜交、偏移于一体的相贯曲线焊缝数学模型。石磊等在焊接学报，2015，36(6)：5-8发表的文章“主管旋转式相贯曲线自动焊接模型与仿真”建立了主管旋转式相贯曲线自动焊接的几何模型。上述研究者均采用空间解析几何法表示焊缝模型，模型精确且计算效率高，但仅针对某一类特定形式的相贯曲线，通用性不足，对于不规则工件偏心交方式形成的复杂焊缝曲线难以表达，且无法修正由于工件装配问题所导致的实际偏差。

Chen C.L等在国际期刊Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2013，29(4)：41-48上发表文章“An approach to the path planning of tube-sphereintersection welds with the robot dedicated to J-groove joints”采用特定接触式测量头获取多个曲线采样点，再应用多项式函数拟合曲线法建立数学模型，该方法修正了工件装配的偏差，使焊缝位置模型更为精确，但对焊接姿态角度缺乏描述，且接触式测量的操作效率较低。因此，引入视觉检测来全面描述焊缝位置和姿态特征，对于曲线焊缝建模精度和效率的提高都是必要的。