專利名稱：激光視覺跟蹤系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及檢測、機器視覺技術領域，具體是應用在焊接過程焊縫自動跟蹤中，適合目前多種焊縫類型的自動跟蹤的激光視覺跟蹤系統。
背景技術：
目前市場上很多自動化設備都采用的是電弧跟蹤和示教再現式機器人，電弧跟蹤結構簡單，方便靈活，但它對不開坡口的對接焊道(埋弧焊接經常不開坡口)，是難以實現對中跟蹤的。而示教再現式跟蹤方法在焊接條件基本穩定的情況下，能保證焊接質量。但是，由于各種因素的影響，實際焊接條件經常發生變化而造成焊接質量下降甚至失敗。焊縫跟蹤的關鍵是如何檢測焊縫偏差，一直以來人們嘗試了許多檢測方法，它們在應用中都存在一定局限性。目前激光視覺傳感，具有主動性、非接觸、能獲取物體的三維信息、靈敏度精度高、抗電磁場干擾能力強等優點，被認為是焊縫檢測的主要發展方向。為了確保焊接件的焊接質量，盡量降低人為因素對其影響，縮短生產周期，勢必研究一種跟蹤精度高能夠滿足現場復雜多變的焊接條件的自動焊接跟蹤方法。

發明內容
本發明的目的是提出一種跟蹤精度高(〈0.1mm)，抗干擾能力強，并能適合于各種不同焊縫類型、不同材料的焊接跟蹤系統，克服了目前傳感器適應范圍小，抗干擾能力弱，對蓋面時焊縫輪廓不明顯而無法跟蹤的問題。為了達到上述設計目的，本發明采用的技術方案如下:
一種激光視覺跟蹤系統，主要包括工控機、X軸電機、Z軸電機、焊柜、攝像機、激光二極管，所述工控機的COMl端口接入電機控制及驅動電路，并通過電機控制與驅動電路連接到X軸電機、Z軸電機，進而控制X軸電機、Z軸電機的運行，X軸電機、Z軸電機輸出端連接焊柜，通過X軸電機、Z軸電機驅動焊柜移動，所述焊柜上接入控制器及焊機控制電路，且控制器及焊機控制電路接入工控機的COM2端口，通過工控機控制控制器及焊機控制電路進而控制焊柜的工作；其特征在于:所述工控機上還接入激光傳感器，用于實時采集焊柜與工件的信息，并將采集到的信息傳遞到工控機；所述激光傳感器為視覺傳感模塊，主要由攝像機和激光二極管組成，攝像機垂直對準工件，激光器傾斜布置，且與激光器成30°角度，激光器打出的激光，照射到工件上形成一條寬度很窄的光帶，當該光帶被工件反射或折射后，進入攝像機成像，并將圖像傳遞到工控機處理，工控機將圖像分析處理后給焊柜及X軸電機、Z軸電機發出動作指令。優選地，由視覺傳感模塊完成圖像實時采集，通過視覺傳感模塊的攝像機與工控機的圖像采集卡模塊將采集到的圖像送到工控機處理，得出焊槍與焊縫中心的偏差，并將該偏差通過串口發送到電機控制與驅動電路控制X軸電機、Z軸電機的動作，從而達到糾偏的目的。優選地，所述激光二極管出光端設有柱透鏡，攝像機端口處依次設有偏振片和濾光片，激光器打出的激光經柱透鏡形成一光片照射到工件上形成一條寬度很窄的光帶，當該光帶被工件反射或折射后，經濾光片保留激光器發出的特定波長的光，再經偏振片保留特定方向的光，而濾除其它波長的光和其他方向干擾的光，最后進入攝像機成像。優選地，所述工控機上還接入液晶顯示器及遙控盒，用于人機操作。優選地，所述工控機主要包括圖像處理模塊、圖像識別模塊、跟蹤控制模塊，圖像處理模塊用于濾出原始圖像中干擾，計算當前位置并與模板比較得出當前偏差作為跟蹤控制模塊的輸入信息；圖像識別模塊用于識別跟模板有最大匹配度的焊道圖像區域；跟蹤控制模塊用于控制電機的啟停、轉速和轉動方向。更優選地，所述工控機還包括人機界面用于設置參數、發送動作控制信號，并可以直觀地顯示各種實時參數的值。所述視覺跟蹤具體步驟為:
步驟一、系統初始化，包括攝像機初始化、界面初始化，線程初始化等；
步驟二、調節電機為跟蹤做準備，使得當前焊槍對準焊縫的情況下設置模板，將設置的模板圖像存儲在指定硬盤中；具體操作為:按一下設置模板按鈕，計算機就將當前激光傳感器所采集的圖像作為模板存在了工控機中；
步驟三、啟動跟蹤，系統將以每秒25幀的速度采集圖像并對其進行處理，并將處理后得到的控制信息發送到電機控制與驅動電路控制X軸電機、Z軸電機的動作，在該過程中若人為調節電機，應先響應人的控制，人為控制完了再自動轉為跟蹤控制；
步驟四、停止跟蹤，關閉采集圖像的線程；
步驟五、退出。優選地，所述步驟三中跟蹤的具體過程為:
1)圖像預處理:對采集圖像進行圖像預處理(主要包括圖像濾波和圖像增強，濾波主要采用了中值濾波和形態學濾波方法，圖像增強這里采用的是直方圖增強)，通過圖像預處理減少了圖像噪聲，為后面進一步運算做好了準備；
2)模板匹配:將經過預處理的圖像與事先存儲在硬盤中的模板圖像逐點比較得出當前最佳匹配位置，用該位置坐標減去模板位置坐標即得當前偏差，此偏差為當前傳感器所在位置的偏差，而非焊槍下偏差；
3)存儲、處理偏差:通過將焊接速度取回，計算出激光傳感器與焊槍之間的時間差t，將每次計算出的偏差存儲在定義好的數組中，輸出給電機控制模塊的偏差并不是本次計算的偏差而是取如面某次的偏差，從而消除了上述的時間差問題；
4)輸出偏差:將處理后的偏差輸出到電機控制與驅動電路；
5)電機控制:電機控制與驅動電路根據接收到的偏差控制X軸電機、Z軸電機的動作；實現自動調節過程。本發明所述的激光視覺跟蹤系統的有益效果是，能同時跟蹤水平方向和垂直方向，且跟蹤精度都小于0.1mm，該系統適應各種焊縫類型的跟蹤；適應范圍廣，抗干擾能力強。本發明將小車的速度取回并參與算法中，消除了傳感器與焊槍不在同一水平線帶來的超前誤差，實現了真正的實時跟蹤。蓋面時由于焊縫輪廓不明顯，很多現有跟蹤設備都無法對其進行精確跟蹤。本發明提出了在打底填充時，焊接中采用現有算法跟蹤的同時記錄本次焊接焊槍的位置數據，蓋面時焊縫若不明顯無法準確跟蹤的情況下，選擇上次記錄的焊槍位置數據作為示教跟
足示O本發明采用加裝濾光片和偏振片組合的CCD采集圖像，硬件上最大限度的濾出了干擾。傳統的跟蹤方法只利用焊縫某一水平線上的點去計算焊縫中心，而本發明使用戶選擇的感興趣區域內每一點都參與了運算，有利于提高跟蹤的可靠性。通過采集焊縫圖像與焊接前設置的模板進行匹配，將焊槍調節到焊接前設置的位置上，保證焊槍與焊縫的相對位置不變，使焊槍始終對中焊縫。


圖1是本發明實施例所述的激光視覺跟蹤系統的結構 圖2是本發明實施例所述的激光視覺跟蹤系統的軟件結構 圖3是本發明實施例所述的激光視覺跟蹤系統的原理 圖4是本發明實施例所述的激光視覺跟蹤系統的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的最佳實施方案作進一步的詳細的描述。基于激光視覺的焊縫跟蹤系統如附圖1所示，主要包括工控機、X軸電機、Z軸電機、焊柜、攝像機、激光二極管，所述工控機的COMl端口接入電機控制及驅動電路，并通過電機控制與驅動電路連接到X軸電機、Z軸電機，進而控制X軸電機、Z軸電機的運行，X軸電機、Z軸電機輸出端連接焊柜，通過X軸電機、Z軸電機驅動焊柜移動，所述焊柜上接入控制器及焊機控制電路，且控制器及焊機控制電路接入工控機的COM2端口，通過工控機控制控制器及焊機控制電路進而控制焊柜的工作；所述工控機上還接入激光傳感器，用于實時采集焊柜與工件的信息，并將采集到的信息傳遞到工控機；所述激光傳感器為視覺傳感模塊用于采集圖像信息，主要由攝像機和激光二極管組成，攝像機垂直對準工件，激光器傾斜布置，且與激光器成30°角度，激光器打出的激光，照射到工件上形成一條寬度很窄的光帶，當該光帶被工件反射或折射后，進入攝像機成像，并將圖像傳遞到工控機處理，工控機將圖像分析處理后給焊柜及X軸電機、Z軸電機發出動作指令；使用時，由視覺傳感模塊(激光傳感器)完成圖像實時采集，通過視覺傳感模塊的攝像機與工控機的圖像采集卡模塊將采集到的圖像送到工控機處理，得出焊槍與焊縫中心的偏差，并將該偏差通過串口發送到電機控制與驅動電路控制X軸電機、Z軸電機的動作，從而達到糾偏的目的。所述激光二極管出光端設有柱透鏡，攝像機端口處依次設有偏振片和濾光片，激光器打出的激光經柱透鏡形成一光片照射到工件上形成一條寬度很窄的光帶，當該光帶被工件反射或折射后，經濾光片保留激光器發出的特定波長的光，再經偏振片保留特定方向的光，而濾除其它波長的光和其他方向干擾的光，最后進入攝像機成像。由于坡口各處與工件在垂直方向深度不同，故從垂直工件的方向看去，反射光成一折線，折線反映了光紋中心與焊縫坡口中心的三維位置關系。所述激光傳感器設置有冷卻除塵裝置。
本視覺系統中采用的激光二極管是紅光一字線激光二極管，由點激光二極管發光通過一柱透鏡變換成直線形的激光條紋。選用弧光干擾最小中心波長650 nm的條形半導體激光二極管。本系統采用面陣型CXD工業攝像頭，主要考慮其性能穩定，工作可靠的特點，要求C⑶尺寸1/3〃，幀率25fps以上。采用中心波長650 nm的窄帶濾光片(配合激光器光源的中心波段)和偏振片安裝在CCD攝像機的鏡頭前。在激光傳感器和焊炬之間設計安裝了一塊防飛濺擋板，擋光板可以阻擋焊接時一部分的弧光和飛濺進入CCD攝像機的拍攝范圍，從而減少它們對采集圖像的影響。所述工控機內安裝圖像采集卡，圖像采集卡與攝像機電連接。所述電機控制與驅動電路安裝在工控機外面的控制盒里，與工控機串口連接進行數據通信。所述控制焊炬移動的X軸電機、Z軸電機兩端裝有限位開關，與電機控制與驅動電路實現電連接。所述控制器及焊機控制電路主要完成送絲、行走以及焊接啟停的控制；控制器與工控機通信主要是將采集到的焊接速度、電弧電壓、電流等信息發送到工控機參與運算并顯不O系統搭建好之后，必須要對攝像機進行標定，即確定攝像機相面各像素點對應的測量距離與實際距離之間的映射關系。所述工控機上還接入液晶顯示器及遙控盒，用于人機操作。所述工控機主要包括圖像處理模塊、圖像識別模塊、跟蹤控制模塊，圖像處理模塊主要包括圖像預處理、模板匹配、輸出偏差，用于濾出原始圖像中干擾，計算當前位置并與模板比較得出當前偏差作為跟蹤控制模塊的輸入信息；圖像識別模塊用于識別跟模板有最大匹配度的焊道圖像區域；跟蹤控制模塊主要包括電機控制模塊和電機驅動模塊，用于控制電機的啟停、轉速和轉動方向；所述工控機還包括人機界面主要包括跟蹤控制、當前采集圖像顯示、跟蹤信息顯示、焊接參數顯示，為了使整個系統可以方便快捷地設置參數、發送各種動作的控制信號，并可以直觀地顯示各種實時參數的值。可設置的參數包括:匹配度、水平擴展、垂直擴展；實時控制可提供下列功能:鍵盤控制、左移、右移、上移、下移、設置模板、開始、停止等功能。圖4為激光視覺焊縫跟蹤系統的流程圖，其具體步驟為:
步驟一、系統初始化，包括攝像機初始化、界面初始化，線程初始化等；
步驟二、調節電機為跟蹤做準備，使得當前焊槍對準焊縫的情況下設置模板，將設置的模板圖像存儲在指定硬盤中；具體操作為:按一下設置模板按鈕，計算機就將當前激光傳感器所采集的圖像作為模板存在了工控機中；
步驟三、啟動跟蹤，系統將以每秒25幀的速度采集圖像并對其進行處理，并將處理后得到的控制信息發送到電機控制與驅動電路控制X軸電機、Z軸電機的動作，在該過程中若人為調節電機，應先響應人的控制，人為控制完了再自動轉為跟蹤控制；
步驟四、停止跟蹤，關閉采集圖像的線程；
步驟五、退出。所述步驟三中跟蹤的具體過程為: 1)圖像預處理:對采集圖像進行圖像預處理(主要包括圖像濾波和圖像增強，濾波主要采用了中值濾波和形態學濾波方法，圖像增強這里采用的是直方圖增強；此處的中值濾波、形態學濾波、直方圖增強都是沿用目前已有的經典算法)，通過圖像預處理減少了圖像噪聲，為后面進一步運算做好了準備；
2)模板匹配:將經過預處理的圖像與事先存儲在硬盤中的模板圖像逐點比較得出當前最佳匹配位置，用該位置坐標減去模板位置坐標即得當前偏差，此偏差為當前傳感器所在位置的偏差，而非焊槍下偏差；
3)存儲、處理偏差:通過將焊接速度取回，計算出激光傳感器與焊槍之間的時間差t，將每次計算出的偏差存儲在定義好的數組中，該數組大小與時間差t和圖像處理時間(指從圖像采集到輸出偏差的時間)有關，數組大小與時間差t除以圖像處理時間的商成正比；輸出給電機控制模塊的偏差并不是本次計算的偏差而是取前面某次的偏差，從而消除了上述的時間差問題；
4)輸出偏差:將處理后的偏差輸出到電機控制與驅動電路；
5)電機控制:電機控制與驅動電路根據接收到的偏差控制X軸電機、Z軸電機的動作；實現自動調節過程。本具體實施方式
只作為本發明的優選實施例，并不能對本發明進行限定，具體各項權利保護范圍由權利要求書限定。
權利要求
1.一種激光視覺跟蹤系統，主要包括工控機、X軸電機、Z軸電機、焊柜、攝像機、激光二極管，所述工控機的COMl端口接入電機控制及驅動電路，并通過電機控制與驅動電路連接到X軸電機、Z軸電機，進而控制X軸電機、Z軸電機的運行，X軸電機、Z軸電機輸出端連接焊柜，通過X軸電機、Z軸電機驅動焊柜移動，所述焊柜上接入控制器及焊機控制電路，且控制器及焊機控制電路接入工控機的COM2端口，通過工控機控制控制器及焊機控制電路進而控制焊柜的工作；其特征在于:所述工控機上還接入激光傳感器，用于實時采集焊柜與工件的信息，并將采集到的信息傳遞到工控機；所述激光傳感器為視覺傳感模塊，主要由攝像機和激光二極管組成，攝像機垂直對準工件，激光器傾斜布置，且與激光器成30°角度，激光器打出的激光，照射到工件上形成一條寬度很窄的光帶，當該光帶被工件反射或折射后，進入攝像機成像，并將圖像傳遞到工控機處理，工控機將圖像分析處理后給焊柜及X軸電機、Z軸電機發出動作指令。
2.根據權利要求1所述的激光視覺跟蹤系統，其特征在于:由視覺傳感模塊完成圖像實時采集，通過視覺傳感模塊的攝像機與工控機的圖像采集卡模塊將采集到的圖像送到工控機處理，得出焊槍與焊縫中心的偏差，并將該偏差通過串口發送到電機控制與驅動電路控制X軸電機、Z軸電機的動作，從而達到糾偏的目的。
3.根據權利要求2所述的激光視覺跟蹤系統，其特征在于:所述激光二極管出光端設有柱透鏡，攝像機端口處依次設有偏振片和濾光片，激光器打出的激光經柱透鏡形成一光片照射到工件上形成一條寬度很窄的光帶，當該光帶被工件反射或折射后，經濾光片保留激光器發出的特定波長的光，再經偏振片保留特定方向的光，而濾除其它波長的光和其他方向干擾的光，最后進入攝像機成像。
4.根據權利要求3所述的激光視覺跟蹤系統，其特征在于，所述工控機上還接入液晶顯示器及遙控盒，用于人機操作。
5.根據權利要求4所述的激光視覺跟蹤系統，其特征在于，所述工控機主要包括圖像處理模塊、圖像識別模塊、跟蹤控制模塊，圖像處理模塊用于濾出原始圖像中干擾，計算當前位置并與模板比較得出當前偏差作為跟蹤控制模塊的輸入信息；圖像識別模塊用于識別跟模板有最大匹配度的焊道圖像區域；跟蹤控制模塊用于控制電機的啟停、轉速和轉動方向。
6.根據權利要求5所述的激光視覺跟蹤系統，其特征在于，所述工控機還包括人機界面用于設置參數、發送動作控制信號，并可以直觀地顯示各種實時參數的值。
7.根據權利要求Γ6任意一項所述的激光視覺跟蹤系統，其特征在于，所述視覺跟蹤具體步驟為: 步驟一、系統初始化，包括攝像機初始化、界面初始化，線程初始化等； 步驟二、調節電機為跟蹤做準備，使得當前焊槍對準焊縫的情況下設置模板，將設置的模板圖像存儲在指定硬盤中；具體操作為:按一下設置模板按鈕，計算機就將當前激光傳感器所采集的圖像作為模板存在了工控機中； 步驟三、啟動跟蹤，系統將以每秒25幀的速度采集圖像并對其進行處理，并將處理后得到的控制信息發送到電機控制與驅動電路控制X軸電機、Z軸電機的動作，在該過程中若手動調節電機，應先響應人的控制，手動控制結束了再自動轉為跟S示控制； 步驟四、停止跟蹤，關閉采集圖像的線程；步驟五、退出。
8.根據權利要求7所述的激光視覺跟蹤系統，其特征在于，所述步驟三中跟蹤的具體過程為: 1)圖像預處理:對采集圖像進行圖像預處理，通過圖像預處理減少了圖像噪聲，為后面進一步運算做好了準備； 2)模板匹配:將經過預處理的圖像與事先存儲在硬盤中的模板圖像逐點比較得出當前最佳匹配位置，用該位置坐標減去模板位置坐標即得當前偏差，此偏差為當前傳感器所在位置的偏差，而非焊槍下偏差； 3)存儲、處理偏差:通過將焊接速度取回，計算出激光傳感器與焊槍之間的時間差t，將每次計算出的偏差存儲在定義好的數組中，輸出給電機控制模塊的偏差并不是本次計算的偏差而是取如面某次的偏差，從而消除了上述的時間差問題； 4)輸出偏差:將處理后的偏差輸出到電機控制與驅動電路； 5)電機控制:電機控制與驅動電路根據接收到的偏差控制X軸電機、Z軸電機的動作；實現自動調 節過程。
全文摘要
本發明公開了一種激光視覺跟蹤系統，主要包括工控機，所述工控機的COM1端口通過電機控制與驅動電路連接到X軸電機、Z軸電機，X軸電機、Z軸電機輸出端連接焊柜，所述焊柜的控制器及焊機控制電路接入工控機，所述工控機上還接入激光傳感器，用于實時采集焊柜與工件的信息，并將采集到的信息傳遞到工控機；所述激光傳感器為視覺傳感模塊，主要由攝像機和激光二極管組成，攝像機垂直對準工件，激光器傾斜布置，且與激光器成30°角度，激光器打出的激光，照射到工件上形成一條寬度很窄的光帶，當該光帶被工件反射或折射后，進入攝像機成像，并將圖像傳遞到工控機處理，工控機將圖像分析處理后給焊柜及X軸電機、Z軸電機發出動作指令。
文檔編號B23K9/127GK103203526SQ20121001237
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者李堂權, 李榮東, 陳曉莉 申請人:成都熊谷加世電器有限公司