[發(fā)明專利]基于學習的線結構光焊縫跟蹤與增材路徑糾偏裝置及方法

有效

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• 申請日: 2019-05-13
• 公開（公告）號: CN111922483B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設計）人: 韓靜;柏連發(fā);彭沖沖;趙壯;張毅;于浩天;陳霄宇;王景;孫巖
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: B23K9/04
• 分類號: B23K9/04;B23K9/127;B23K26/044;B23K26/342
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發(fā)明公開了一種基于學習的線結構光焊縫跟蹤與增材路徑糾偏裝置及方法，糾偏裝置包括母板、焊槍、激光器、CCD相機和圖像處理傳輸模塊，在焊接或增材制造過程中由相機在線連續(xù)采集線結構光投射到基板的光條圖像，再采用改進的VGG深度網(wǎng)絡方法提取出線結構光中心光條和基于中心光條提取焊接或增材的特征點位，裝置將特征點信息傳輸給機器人控制系統(tǒng)，以此來實現(xiàn)對焊接作業(yè)的焊縫跟蹤和增材制造中的路徑糾偏。本發(fā)明能夠適用于多種作業(yè)種類，如各類焊接制造、激光增材和電弧增材；對于惡劣的作業(yè)環(huán)境的適應性極強，能夠抗弧光、飛濺、煙塵等各類噪聲干擾；同時也保證了工業(yè)上對于跟蹤及糾偏精度要求。

技術領域

本發(fā)明屬于計算機視覺領域，具體涉及一種基于學習的線結構光焊縫跟蹤與增材路徑糾偏裝置及方法。

背景技術

熔焊與增材制造技術早已滲透到航空航天、兵器裝備、艦船海工、新能源新材料、核裝備/承載設備、汽車軌道車輛等眾多軍事民生領域。熔焊是焊接的主要技術，占焊接總量的75％以上。增材即3D打印，是新興整體制造技術，包括激光增材和電弧增材兩種。大型厚板在船舶、高壓容器等領域廣泛應用，厚板結構一般采用多層多道焊，目前厚板結構焊接自動化程度低下。熔焊與增材制造是瞬態(tài)過程不斷累積的工藝過程，機器人焊接可以提高生產(chǎn)效率和焊接質量，是未來發(fā)展趨勢。機器人自動化焊接與增材制造，就必須擁有自動化的焊縫跟蹤與路徑糾偏系統(tǒng)進行軌跡檢測與規(guī)劃。

目前，針對厚板機器人焊接多采用完全示教的方法，其對工裝精度和坡口加工精度要求非常高，該方法需要知道焊接參數(shù)與每道焊縫成形的定量關系，才能很好規(guī)劃出每層每道的焊縫軌跡，各焊道的累積誤差以及焊接變形會對路徑規(guī)劃精度造成影響，同樣的問題在增材過程中也存在，這嚴重影響厚板機器人焊接與增材的質量和自動化的實現(xiàn)。迫切地需要一種可以適應單道單層、多層多道等各類焊接與增材的檢測系統(tǒng)來配合機器人獲得各焊道的實時填充信息，對生產(chǎn)路徑規(guī)劃進行修正，提高行進路徑規(guī)劃精度，精確的完成焊接任務。

由于焊接和增材過程是一個既變性又變形的復雜物理化學過程，大部分工業(yè)自動化焊接與增材的生產(chǎn)環(huán)境惡劣，由于強烈的弧光輻射、高溫、煙塵、飛濺、坡口狀況、加工誤差、裝夾精度、表面狀態(tài)和工件熱變形等影響會使焊炬偏離焊縫，從而造成焊接質量下降甚至失敗。這些都給線結構光主動視覺模塊的圖像處理帶來很多問題，焊接條件的變化要求弧焊機器人能夠實時檢測出焊縫偏差，并調整焊接路徑和焊接參數(shù)，保證焊接質量的可靠性。傳統(tǒng)的中心線提取算法有極值法、幾何中心法、灰度重心法和Steger法等。極值法與幾何中心法通過尋找圖像灰度值的極值與幾何中心計算光帶中心線,原理簡單,運算速度較快,但是易受噪聲干擾，不能適應復雜場景要求。灰度重心法利用激光光帶能量類似高斯分布的特性計算帶中心,穩(wěn)定性優(yōu)于極值法,但其準確性易受圖像高頻噪聲和光帶非正態(tài)分布的影響,僅適用于圖像光帶質量較好的場合。Steger法利用Hessian矩陣獲取激光光帶像素點的法線方向,通過法線方向上的極值點計算出光帶中心線,但是對光帶寬度敏感，且運算量大。由此看出傳統(tǒng)的中心線及特征點提取算法已無法滿足真實惡劣的生產(chǎn)條件需求。因此，急需能夠排除弧光、飛濺、煙塵等各類干擾，提高圖像處理的準確度和穩(wěn)定性的算法應用于大型工業(yè)焊接及增材制造的作業(yè)環(huán)境中。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于學習的線結構光焊縫跟蹤與增材路徑糾偏裝置及方法，既能適應多種類的焊接及增材制造工藝，又能在惡劣的工業(yè)自動化環(huán)境中穩(wěn)定工作，能夠抗弧光、飛濺、煙塵等各類噪聲干擾，以解決工業(yè)上對于焊縫跟蹤與增材路徑糾偏高精度與穩(wěn)定性要求。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種基于學習的線結構光焊縫跟蹤與增材路徑糾偏裝置，包括母板、焊槍、激光器、CCD相機和圖像處理傳輸模塊；

激光器與CCD相機之間呈一定傾角，兩者均設置在焊槍上，其中CCD相機與焊槍相對平行，所述圖像處理傳輸模塊與CCD相機連接；激光器發(fā)射線結構光投射到母板產(chǎn)生光條輪廓，由CCD相機采集圖像，圖像處理傳輸模塊進行特征線與點位處理，并與機器人控制系統(tǒng)通信，實現(xiàn)焊縫跟蹤與增材路徑糾偏。