[發明專利]一種激光焊接焊縫跟蹤實現裝置及其控制方法

有效

• 申請號: 200910012657.9
• 申請日: 2009-07-22
• 公開（公告）號: CN101961819A
• 公開（公告）日: 2011-02-02
• 發明（設計）人: 姜春英;鄒媛媛;柳連柱;吳強;郭奇;康永軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: B23K26/42
• 分類號: B23K26/42;B23K26/20
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 李曉光

技術領域

本發明及機器人制造領域中視覺測量與智能運動控制技術，具體的說是一種激光焊接焊縫跟蹤實現裝置及其控制方法。

背景技術

目前，在制造機器人的焊接工藝生產中，一般采用人工手動控制、機器人示教或離線編程的方式進行路徑規劃和運動編程，焊接過程中只是簡單的重復預先設定的動作。但在激光焊接中，由于其具有高速高精度的工藝要求，因此對激光焊接設備提出了較高的要求。

在現有的焊縫跟蹤實現方案中，一般采用機械、電磁、視覺等傳感器提供焊縫信息，由系統進行處理，實現焊槍位置控制。但是這樣的焊縫跟蹤系統一般是封閉的，是針對特定系統開發的傳感器及處理算法，缺少通用、靈活和獨立的實時焊縫跟蹤系統。國外已經有部分較成熟的激光焊接焊縫跟蹤系統的產品，但比較系統性能，各有千秋，很難在精度上和速度上同時滿足激光焊接高速高精度的要求，并且系統結構龐大、構成復雜。

發明內容

針對現有技術中存在的上述不足之處，本發明要解決的技術問題是提供一種具有精度高、定位準、適應性強的激光焊接焊縫跟蹤實現裝置及其控制方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

本發明一種激光焊接焊縫跟蹤實現裝置包括：

圖像采集及處理單元，采集激光焊接焊縫特征的圖像數據，對該圖像數據進行處理并輸出焊縫位置信息；

運動控制單元，接收上述焊縫位置信息進行分析處理，向運動軸執行機構發送運動控制指令；

上層參數設置和控制單元，設置圖像采集和處理參數、運動控制參數，分別與圖像采集及處理單元、運動控制單元進行通訊連接。

所述圖像采集及處理單元包括激光光源、光學組件及智能相機，其中激光光源產生的一字線性激光通過焊接工件反射，經光學組件由智能相機進行采集；所述激光光源波長為660nm，功率為50mw～100mw可調；所述光學組件中的濾光片能透過波長660nm的光波。

所述運動控制單元包括運動控制器、運動軸驅動器及運動軸執行機構，其中：

運動控制器以DSP為控制核心，與圖像采集及處理單元的智能相機通過CAN總線相連，對其輸入的位置信息進行分析、計算，得到運動軸執行機構的控制位置信息；

運動軸驅動器，接收運動控制器的控制位置信息，輸出至運動軸執行機構，最終實現的焊槍對焊縫位置的跟蹤矯正補償運動。

本發明一種激光焊接焊縫跟蹤實現裝置的控制方法，其特征在于包括以下步驟：

開始，通過上層參數設置和控制單元設置參數；

由圖像采集和處理單元實時采集焊縫圖像，并進行圖像算法處理得到焊縫圖像數據；

將焊縫圖像數據緩存，并進行標定處理，確定當前采集圖像對應的焊槍偏移量；

運動控制單元中的運動控制器根據上述焊槍偏移量進行跟蹤軌跡的濾波、擬合以及軌跡規劃；

上述計算結果送給運動軸驅動器對運動軸執行機構實施控制。

所述參數包括激光器光強調節參數、工件參數、圖像處理算法參數以及跟蹤軌跡計算過程的濾波、擬合控制算法參數。

所述圖像算法處理通過FPGA硬件編程和DSP軟件編程相結合來實現，其中通過FPGA硬件編程實現圖像預處理過程，包括以下步驟：

對采集焊縫圖像開窗，得到感興趣區域；

對感興趣區域圖像進行中值濾波得到濾波后圖像；

對濾波后圖像進行二值化圖像增強處理；

對二值化后的圖像實施膨脹和腐蝕的數學形態學處理；

對膨脹和腐蝕后的圖像進行邊緣提取；

對邊緣提取后的圖像進行中心線提取；

通過DSP軟件編程實現特征點提取過程，包括以下步驟：

對由FPGA處理得到的中心線采用最小二乘法進行直線擬合；

通過找到最大拐點位置找到特征點，實現特征點提取。

所述確定當前采集圖像對應的焊槍偏移量包括以下步驟：

將光平面按密度等間隔劃分為矩形網格，各個網格頂點即為事先標定的特征點；

在像平面中有與光平面相應的網格，通過位置控制進行網格各點的實際測量，獲取像平面中不規則網格頂點的圖像坐標(u，v)所對應的光平面物理坐標(x_w，y_w，z_w)，得到對應的關系數據表；

對于上述圖像處理得到的焊縫特征點信息，即為像平面中的任意待標定點P(u，v)，通過上述已建立的關系表格中包圍該待標定點的小四邊形網格插值計算出其物理坐標，得到實際焊縫點的三維坐標P(x_w，y_w，z_w)。