[发明专利]一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统及方法

摘要

本发明公开了一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统，包括具有图像处理装置的嵌入式工控机、激光视觉传感器，焊接机器人，配套焊接设备及工件夹持工作台，激光视觉传感器通过激光传感器固定元件在焊接方向上超前平行安装于焊枪上，焊枪通过焊枪固定元件安装在焊接机器人的末端法兰盘上，所述的嵌入式工控机与激光视觉传感器电路连接。本发明还公开了一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪方法。本发明无需事先示教的过程，通过实时检测跟踪提高了焊接生产效率及自适应能力；同时避免了超前检测引起的跟踪滞后问题，解决了传感器与焊枪距离过近时强烈的弧光辐射、高温、烟尘等因素导致特征图像耦合大量噪声，从而制约系统实时性及跟踪精度的问题。

主权项

一种激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪方法，该方法使用的激光视觉引导的焊接轨迹自动跟踪系统包括具有图像处理装置的嵌入式工控机(1)、激光视觉传感器(4)，焊接机器人(5)，配套焊接设备(6)及工件夹持工作台(2)，工件(3)固定在夹持工作台(2)上，所述激光视觉传感器(4)通过激光传感器固定元件在焊接方向上超前平行安装于焊枪上，焊枪通过焊枪固定元件安装在焊接机器人(5)的末端法兰盘上，所述配套焊接设备(6)为焊接提供能量及材料，所述的嵌入式工控机(1)与激光视觉传感器(4)电路连接，用于根据激光视觉传感器(4)获取的图像识别跟踪对象并准确确定其位置，将所得到的位置偏差传输给焊接机器人(5)的控制器，实时修正焊枪运动轨迹，实现精确的在线自动焊接；所述激光视觉传感器(4)包括黑色氧化处理的传感器外壳(41)、相机(42)、透光性隔板(43)、激光发生器(44)，所述相机(42)和激光发生器(44)固定在传感器外壳(41)内，所述透光性隔板(43)固定在传感器外壳(41)上且位于所述相机(42)和激光发生器(44)前端；所述的透光性隔板(43)采用透光率为90％～95％的聚碳酸酯板；所述的相机(42)采用CMOS相机，所述的CMOS相机高速采集携带焊缝信息的特征条纹图像，并实时通过千兆工业以太网接口将图像数据传输到嵌入式工控机(1)的图像处理装置；所述的激光发生器(44)为三线激光发生器，其波长为645～655nm，功率为30～35mW，三道线激光投射在焊缝表面形成表征焊缝轮廓特征的结构光条纹；其特征在于，包括步骤：S1、调整焊接机器人(5)的空间位置和姿态，使固定激光视觉传感器(4)的焊枪处于初始焊接位置，且激光线处于相机(42)视场范围内，又要保证在连续自动焊缝识别及跟踪过程中，工件不会与激光视觉传感器(4)发生干涉；S3、焊接开始前激光视觉传感器(4)中的相机(42)先采集特征条纹图像并发送到图像处理装置，通过调用Halcon软件的库函数进行初始化检测及定位，得到焊缝起始位置；S4、焊接开始后激光视觉传感器(4)的相机(42)以20KHz采样频率连续采集图像，并发送至图像处理装置进行处理计算；S5、进行当前时刻焊缝位置预测，根据上一时刻焊缝的状态信息zt‑1，使用服从高斯分布的运动模型p(zt|zt‑1)＝N(zt；zt‑1,Ψ)进行粒子滤波来预测候选状态，并存储所有状态时的图像特征值用于最佳统计决策，模型中Ψ为对角协方差矩阵，其元素对应仿射变换参数的方差；S6、进行焊缝位置更新修正，利用直至当前时刻t的所有观测值y1:t＝{y1,y2,...,yt}对预测候选状态进行修正，计算出后验概率p(zt|y1:t)：p(zt|y1:t)∝p(yt|zt)∫p(zt|zt‑1)p(zt‑1|y1:t‑1)dzt‑1，其中p(yt|zt)表示用来评估当前时刻每个候选状态的可能性的观测似然概率，p(zt‑1|y1:t‑1)为已获知的上一时刻的后验概率；S7、根据最大后验概率准则可求得p(zt|y1:t)最大时的隐藏状态变量zt，即当前时刻的最佳位置状态为表示t时刻第i个采样粒子的状态；S8、根据测量得到的焊缝最佳位置状态计算焊枪的运动轨迹，机器人控制器按此轨迹实时控制焊枪运动，以保证焊枪始终对准焊缝，完成焊接轨迹自动跟踪。