[发明专利]一种用于复杂曲面焊接的焊道位姿实时检测方法

摘要

一种用于复杂曲面焊接的焊道位姿实时检测方法，属于焊接自动化技术领域。本方法借助面光源获取清晰的细隙焊道图像并提取焊道中心线位置；采用光斑图案为多重封闭曲线的激光光源照射焊道，根据焊道中心线与激光光斑的图像特征确定焊道中心线上一点为待检测位姿的焊道中心点，基于光学三角法确定焊道中心点邻域内激光光斑上各点在视觉传感器坐标系内的坐标，拟合得到焊道中心点所在局部区域相对焊枪的位姿。本发明充分利用面光源下细隙焊道特征明显的特点和多重封闭曲线激光光斑信息量大的优势，保证位姿检测时采用的焊道局部区域面积与实际焊接要求匹配，可应用于航空航天领域复杂曲面零件的自动化焊接，尤其适用于坡口间隙小的焊道自动跟踪场合。

主权项

1.一种用于复杂曲面焊接的焊道位姿实时检测方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：1)建立世界坐标系{W}、视觉传感器坐标系{C}和像素坐标系{P}；所述世界坐标系{W}为三维笛卡尔坐标系，建立在焊枪上；所述视觉传感器坐标系{C}为三维笛卡尔坐标系，原点为视觉传感器的光心，竖轴方向与所述视觉传感器光轴方向相同；所述像素坐标系{P}为二维笛卡尔坐标系，建立在视觉传感器采集的图像上；2)对用于采集工件表面焊道区域图像的视觉传感器进行标定：令(x_P，y_P)为图像畸变前像素坐标系{P}中的像素坐标，(x_d，y_d)为图像畸变后像素坐标系{P}中的像素坐标，(x_C，y_C，z_C)为视觉传感器坐标系{C}中的坐标，采用基于针孔相机模型的相机标定方法建立(x_P，y_P)与(x_C，y_C，z_C)之间的转换关系T₁以及由图像的径向畸变和切向畸变得到(x_P，y_P)与(x_d，y_d)的转换关系T₂；对畸变后的图像中(x_d，y_d)的邻域N(x_d，y_d)内的像素灰度分布进行插值，得到畸变前的图像中(x_P，y_P)处的像素灰度G(x_P，y_P)，即建立图像畸变前后像素灰度的转换关系T₃，所述邻域符号的数学含义为对符号内的数字进行向下取整；3)采用在平面上光斑图案为多重封闭曲线的激光光源照射焊道区域：所述光斑图案满足各条相邻的封闭曲线的最大间距E小于焊缝成形后焊缝平均宽度的一半的要求，令L为所述最大间距E在所述视觉传感器的视场中代表的像素个数，L＝E×w/W，式中w为视觉传感器采集到的图像在宽度方向的像素个数，W为视觉传感器的视场的宽度；对所述各条封闭曲线由内到外依次编号为1、2、3、……、N，N为正整数，N≥3，采用光学三角法标定各条封闭曲线所在的激光传播路径在视觉传感器坐标系{C}中的曲面方程T₄，并标定视觉传感器坐标系{C}中的坐标(x_C，y_C，z_C)与世界坐标系{W}中的坐标(x_W，y_W，z_W)之间的转换关系T₅；4)采用面光源照射工件表面焊道区域，并用控制单元使所述面光源和所述激光光源交替点亮：当所述面光源点亮时，所述视觉传感器同步拍摄焊道图像，所述控制单元利用所述步骤2)中的转换关系T₃消除图像畸变，获取畸变前的图像，采用数字图像处理方法提取图像中的焊道中心线；当所述激光光源点亮时，所述视觉传感器同步拍摄焊道图像，所述控制单元利用所述步骤2)中的转换关系T₃消除图像畸变，获取畸变前的图像，采用数字图像处理方法提取图像中的多重封闭曲线激光光斑；提取激光光斑时仅提取被完全涵盖在图像中的封闭曲线，对于有部分地方在图像外的封闭曲线进行忽略；令M为从图像中提取出的最外层封闭曲线的编号，3≤M≤N，M为正整数；令S_i为从图像中提取出的第i条封闭曲线在像素坐标系{P}中的像素坐标集合，1≤i≤M，i为正整数；5)在所述焊道中心线上选取待检测位姿的焊道中心点，选取的原则为：该点为焊道中心线与某条封闭曲线的交点，且图像中该条封闭曲线的内部和外部存在其它的完整的封闭曲线，且在满足前两条原则的前提下该点靠近焊枪；令所述焊道中心点在像素坐标系{P}中的像素坐标为6)基于焊道局部区域曲面拟合计算焊道位姿：从各个像素坐标集合Si中选择出所有与像素坐标距离小于R的像素坐标(x_P，y_P)，即满足以下关系式的坐标(x_P，y_P)：式中R＝1.2L～1.5L，符号T代表对矩阵的转置；将所有选择出来的像素坐标(x_P，y_P)组成新的像素坐标集合{(x_P，k，y_P，k)}；根据所述步骤2)的转换关系T₁和所述步骤3)的转换关系T₄，计算在像素坐标系{P}中的像素坐标集合{(x_P，k，y_P，k)}在视觉传感器坐标系{C}中的坐标集合{(x_C，k，y_C，k，z_C，k)}；令曲面U为像素坐标集合{(x_P，k，y_P，k)}中的点所在的工件局部表面；用坐标集合{(x_C，k，y_C，k，z_C，k)}中的坐标拟合曲面U在视觉传感器坐标系{C}中的方程T₆；根据方程T₆和所述步骤2)的转换关系T₁，计算像素坐标系{P}中的像素坐标在视觉传感器坐标系{C}中的坐标并求出曲面U在处的法向量；根据所述步骤3)的转换关系T₅，将坐标和所述法向量转换到世界坐标系{W}中，得到焊道位姿。