基于磁控電弧與激光視覺傳感的焊縫自動跟蹤控制系統的制作方法
【專利摘要】一種基于磁控電弧與激光視覺傳感的焊縫自動跟蹤控制系統，它主要是解決現有空間焊縫的自動實時跟蹤精度低，系統容錯性不佳等技術問題。其技術方案要點是：它包括焊槍(1)、焊接電源(2)、送絲機(3)、執行機構、圖像采集裝置(6)、霍爾傳感器(7)、控制器(8)、驅動器(9)、磁控電弧傳感器(10)和激光視覺傳感器(11)，焊接電源(2)兩極分別連接送絲機（3）和霍爾傳感器(7)，霍爾傳感器(7)與控制器（8）連接，送絲機(3)與設置在執行機構上的焊槍(1)連接，在焊槍(1)上設置磁控電弧傳感器(10)，在磁控電弧傳感器(10)上設置激光視覺傳感器(11)，激光視覺傳感器(11)通過圖像采集裝置(6)與控制器（8）連接，控制器(8)通過驅動器(9)連接執行機構。它主要是用于焊縫自動跟蹤。
【專利說明】基于磁控電弧與激光視覺傳感的焊縫自動跟蹤控制系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種焊接控制方法及系統，特別是一種用于自動焊的控制系統。【背景技術】
[0002]自動焊時，為實時補償因工件的加工與裝配誤差，以及因焊接熱變形所引起的焊縫位置和尺寸的變化，必須采用適當的焊縫跟蹤方法。
[0003]在常用的焊縫跟蹤傳感器中，電弧傳感器實時性最好，其中磁控電弧傳感器因無機械震動與磨損且體積小而性能突出；激光視覺傳感器獲取信息量大，焊縫跟蹤效果好。但單一的傳感器難以克服焊接過程中各種不確定因素對焊縫偏差信息提取的影響，焊縫跟蹤失敗的可能性較大。將多種不同的傳感器有機結合，是解決復雜環境下焊縫跟蹤的有效途徑，也是焊接自動化發展的必然趨勢。
[0004]目前，多傳感信息融合技術在軍事運用方面取得了較大的發展，但在自動化焊接系統的焊縫跟蹤中研究較少。針對基于磁控電弧與視覺傳感器的數據融合進行研究，建立以磁控電弧傳感器為主體，激光視覺傳感器進行偏差的預測的融合準則，在采用雙傳感預估檢驗校準的融合方法的基礎上實現焊縫自動跟蹤，為多傳感信息融合技術在焊接機器人焊縫跟蹤中的應用提供理論參考。

【發明內容】

[0005]本實用新型的目的是提供一種響應速度快、穩定性好、容錯性高、跟蹤精度高、實用性強的基于磁控電弧與激光視覺傳感的焊縫自動跟蹤控制系統。提出了一種基于磁控電弧與激光視覺傳感的焊縫偏差識別系統，針對基于磁控電弧與視覺傳感器的數據融合進行研究，建立以磁控電弧傳感器為主體，激光視覺傳感器進行偏差的預測的融合準則，在采用分段插值數據預處理、預估值有效性檢驗、焊縫軌跡預測、自適應加權融合等方法的基礎上，形成有效的數據融合方案，實現了空間復雜軌跡焊縫的自動跟蹤。該系統能有效避免單一傳感器的局限性，提高焊縫跟蹤精度與系統容錯性，算法簡單且易實現，為多傳感信息融合技術在焊接機器人實現復雜焊縫軌跡自動跟蹤中應用提供理論依據。
[0006]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:本實用新型提供了一種基于磁控電弧與激光視覺傳感的焊縫自動跟蹤控制系統，它包括焊槍1、焊接電源2、送絲機3、執行機構、圖像采集裝置6、霍爾傳感器7、控制器8、驅動器9、磁控電弧傳感器10和激光視覺傳感器11，焊接電源2兩極分別連接送絲機3和霍爾傳感器7，霍爾傳感器7與控制器8連接，送絲機3與設置在執行機構上的焊槍I連接，在焊槍I上設置磁控電弧傳感器10，在磁控電弧傳感器10上設置激光視覺傳感器11，激光視覺傳感器11通過圖像采集裝置6與控制器8連接，控制器8通過驅動器9連接執行機構。
[0007]所述執行機構包括焊接小車4、十字滑架5以及十字滑架5上的步進電機；十字滑架5包括高低調節滑架13和安裝在高低調節滑架13上的左右調節滑架12，焊槍I設置在左右調節滑架12上。[0008]所述執行機構包括焊接機器人14以及焊接機器人14上的各電機，焊槍I安裝在焊接機器人14上，具體安裝在焊接機器人14手臂的末端。
[0009]所述執行機構包括焊接專機15以及焊接專機15上的各電機；焊接專機15包括X軸水平調節滑架16和Y軸高低調節滑塊17，Y軸高低調節滑塊17安裝在X軸水平調節滑架16上；焊槍I安裝在焊接專機15上，具體安裝在Y軸高低調節滑塊17上。
[0010]本實用新型的有益效果是:針對單一的傳感器難以滿足實時空間焊縫跟蹤精度與精確質量控制的要求的問題，提出了一種磁控電弧傳感器與視覺傳感器結合的焊縫跟蹤系統。該系統充分發揮視覺傳感器與磁控電弧傳感器雙重量測、相互驗證的綜合優勢。通過對該兩種不同測量精度傳感器觀測量權值的自適應動態調整，選擇最優的偏差提取策略，可對系統跟蹤的效果與精度產生很大的影響，使系統所提取的焊縫偏差更加接近于焊槍相對焊縫中心的真實位移，實現高精度的焊縫偏差信息提取；大大提高了對彎曲程度較大的焊縫軌跡以及折線焊縫折角處的焊縫跟蹤精度以及穩定性，實際焊接工藝試驗驗證了該算法的有效性，跟蹤效果優于單傳感器焊縫跟蹤系統，穩定性更高，實用性強，具有重要的實際應用價值，可廣泛應用于焊接機器人或自動跟蹤專機系統中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本實用新型的工作原理示意圖；
[0012]圖2是本實用新型的結構示意圖；
[0013]圖3是雙傳感預估檢驗校準的融合方法的工作過程示意圖；
[0014]圖4是本實用新型實施例7的結構示意圖；
[0015]圖5是本實用新型實施例8的結構示意圖。
[0016]圖中:1_焊槍，2-焊接電源，3-送絲機，4-焊接小車，5-十字滑架，6-圖像采集裝置，7-霍爾傳感器，8-控制器，9-驅動器，10-磁控電弧傳感器，11-激光視覺傳感器，12-左右調節滑架，13-高低調節滑架，14-焊接機器人，15-焊接專機，16-X軸水平調節滑架，17-Y軸高低調節滑塊。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步詳細說明。
[0018]實施例1，本實用新型采用基于磁控電弧與激光視覺傳感的焊縫自動跟蹤控制方法，在焊接過程中，磁控電弧傳感器10控制焊接電弧掃描坡口，霍爾傳感器7將檢測到的焊接電流信號經過濾波電路信號處理，將干擾信號濾除并將有效信號提取和放大之后進行軟件處理和運算，求得焊槍I偏離焊縫中心位置的偏差信息；激光視覺傳感器11將激光傾斜投射在接縫坡口上，由圖像采集裝置6采集包含焊縫特征的激光條紋圖像，經自適應閾值分割與中值濾波、細化與計算斜率等步驟，獲取焊槍I對焊縫中心的偏差量。這二種焊縫偏差信息一并輸入至跟蹤系統中央控制器8，采用雙傳感預估檢驗校準的融合方法進行信息處理，將融合后的偏差信息作為執行機構的焊縫偏差調節量，由執行機構執行焊縫偏差調節，實現焊縫自動跟蹤，完成自動化焊接。為了實現基于磁控電弧傳感與激光視覺傳感的焊縫自動跟蹤，需要首先對各傳感器獲取的焊縫偏差信息進行有效融合，系統將融合后的焊縫偏差信息輸送至系統中央控制器，再由控制器發出指令給驅動器驅動執行機構進行實時在線糾偏，完成焊縫的自動跟蹤。參閱圖1至圖3。
[0019]實施例2，本實用新型采用雙傳感預估檢驗校準的融合方法對多傳感器數據融合。在異類傳感器數據融合算法的研究中，由于傳感器置信區間與精度各不相同，通常需要根據經驗對各傳感器進行加權，其權值直接影響量測結果，易受實際焊接環境中非線性干擾的影響，性能很不穩定。針對此問題，提出了一種雙傳感預估檢驗校準的融合方法，雙傳感預估檢驗校準的融合方法的要點是:在焊接過程中，由前置的激光視覺傳感器對焊縫中心位置進行前期預估，得到焊縫橫向偏差的預估值；磁控電弧傳感器提取焊槍相對焊縫中心橫向位移偏差作為實測值，經數據預處理后，通過設定門限閾值對預估值進行有效性檢驗，有效預估值通過預測焊縫軌跡的彎曲程度以及是否折線拐點，根據預測結果，分二種情況進行數據融合，當焊縫軌跡曲率小于系統所設閾值時，采用基于總均方差最小的自適應最優加權融合準則對激光視覺傳感器預估值與磁控電弧傳感器實測值進行處理，融合后進行擴展卡爾曼濾波，由濾波后的焊縫偏差融合值對有效預估值進行校正，獲取更準確的焊縫偏差信息；當焊縫軌跡曲率大于系統所設閾值時，以磁控電弧傳感器輸出的焊縫偏差實測值作為系統焊縫偏差融合值；無效預估值丟棄，系統輸出上一周期采樣的焊縫偏差融和值。參閱圖1至圖5，其余同實施例1。
[0020]實施例3，本實用新型結合磁控電弧傳感器與激光視覺傳感器實現焊縫自動跟蹤。參閱圖1至圖5，其余同上述實施例。
[0021]實施例4，本實用新型采用基于焊縫軌跡預測的焊縫偏差實時檢測方法，可以提高焊縫跟蹤精度。為解決焊縫軌跡復雜、彎曲程度大，尤其是大折線角處焊縫跟蹤難的問題，提出了基于焊縫軌跡預測的焊縫偏差實時檢測方法。參閱圖1至圖5，其余同上述實施例。
[0022]基于焊縫軌跡預測的焊縫偏差實時檢測的要點是:由前置的激光傳感器提取焊縫軌跡特征，判斷焊縫軌跡的變化情況，在焊縫軌跡曲率較大以及折線拐點處，由實時性能較好的磁控電弧傳感器獲取更精確的焊縫偏差作為系統執行機構的糾偏量；而在焊縫軌跡曲率較小、且非拐點、極值點的情況下，采用激光傳感器與磁控電弧傳感器數據加權融合的方法獲取焊縫偏差。
[0023]由激光視覺傳感器獲取前置距離X內所有采樣點的位置坐標^,經曲線擬合可獲得焊縫軌跡&U)在A段的近似函數<(1),由函數表達式計算昇段內所有拐
點與極值點，并計算所有采樣點處所預測的焊縫軌跡的曲率4。
[0024]根據該焊縫軌跡預測結果，分二種情況進行數據融合，融合準則可歸納如下:
[0025]1、結合焊接工藝，設融合準則界限值r，當A > r時，或焊槍位置位于拐點、極值點
處，因采用激光視覺跟蹤焊縫精度較低，甚至無法實現跟蹤，故采用磁控電弧傳感器輸出的焊縫偏差實測值作為系統焊縫偏差融合值；
[0026]2、當& <7時，且焊槍位置非拐點、極值點處，采用加權融合準則對雙傳感器觀測值進行處理，經雙傳感數據的估值濾波后輸出焊縫偏差融合值。
[0027]實施例5，本實用新型還提供了一種基于磁控電弧與激光視覺傳感的焊縫自動跟蹤控制系統，它包括焊槍1、焊接電源2、送絲機3、執行機構、圖像采集裝置6、霍爾傳感器7、控制器8、驅動器9、磁控電弧傳感器10和激光視覺傳感器11，焊接電源2兩極分別連接送絲機3和霍爾傳感器7，霍爾傳感器7與控制器8連接，送絲機3與設置在執行機構上的焊槍I連接，在焊槍I上設置磁控電弧傳感器10，在磁控電弧傳感器10上設置激光視覺傳感器11，激光視覺傳感器11通過圖像采集裝置6與控制器8連接，控制器8通過驅動器9連接執行機構。參閱圖1至圖5，其余同上述實施例。
[0028]實施例6，所述執行機構包括焊接小車4、十字滑架5以及十字滑架5上的步進電機；十字滑架5包括高低調節滑架13和安裝在高低調節滑架13上的左右調節滑架12，焊槍I設置在左右調節滑架12上。將融合后的偏差信息作為執行機構的焊縫偏差調節量，由十字滑架5執行焊縫偏差調節，實現焊縫自動跟蹤，完成自動化焊接。其中，對于左右調節滑架12方向上的焊縫偏差，由焊縫跟蹤系統控制器8根據雙傳感預估檢驗校準的數據融合方法控制驅動器9來驅動左右調節滑架12上的步進電機進行糾偏調節；對于焊槍I中心軸方向的焊縫偏差，由焊縫跟蹤系統控制器8根據磁控電弧傳感器10輸出的高度位移偏差控制驅動器9來驅動高低調節滑架13上的步進電機進行糾偏調節。左右調節滑架12與高低調節滑架13在對每一道焊縫的焊接跟蹤時都是相互垂直的，也因此別稱之“十字滑架”。整個系統執行機構的調節是通過控制器8發出指令控制驅動器9，從而驅動步進電機以及控制焊接小車4行走的電機協同完成的，其協同工作方式通過對控制器8的軟件編程實現。參閱圖1至圖5，其余同上述實施例。
[0029]實施例7，所述執行機構包括焊接機器人14以及焊接機器人14上的各電機，焊槍I安裝在焊接機器人14上，具體安裝在焊接機器人14手臂的末端。將融合后的偏差信息作為執行機構的焊縫偏差調節量，焊接機器人14執行焊縫偏差調節，實現焊縫自動跟蹤，完成自動化焊接。其中，整個系統執行機構的調節是通過控制器8發出指令控制驅動器9，從而驅動步進電機以及控制焊接機器人14的各電機協同完成的，其協同工作方式通過對控制器8的軟件編程實現。參閱圖1至圖5，其余同上述實施例。
[0030]實施例8，所述執行機構包括焊接專機15以及焊接專機15上的各電機；焊接專機15包括X軸水平調節滑架16`和Y軸高低調節滑塊17，Y軸高低調節滑塊17安裝在X軸水平調節滑架16上；焊槍I安裝在焊接專機15上，具體安裝在Y軸高低調節滑塊17上。將融合后的偏差信息作為執行機構的焊縫偏差調節量，焊接專機15的X軸水平調節滑架16與Y軸高低調節滑塊17執行焊縫偏差調節，實現焊縫自動跟蹤，完成自動化焊接。其中，對于X軸水平調節滑架16方向上的焊縫偏差，由焊縫跟蹤系統控制器8根據雙傳感預估檢驗校準的數據融合方法控制驅動器9來驅動X軸水平調節滑架16上的步進電機進行糾偏調節；對于Y軸高低調節滑塊17中心軸方向的焊縫偏差，由焊縫跟蹤系統控制器8根據磁控電弧傳感器輸出的高度位移偏差控制驅動器9來驅動Y軸高低調節滑塊17上的步進電機進行糾偏調節。整個系統執行機構的調節是通過控制器8發出指令控制驅動器9，從而驅動步進電機以及控制焊接專機15行走的電機協同完成的，其協同工作方式通過對控制器8的軟件編程實現。參閱圖1至圖5，其余同上述實施例。
[0031]實施例9，本實用新型的控制器可由單片機、05?、？^:3咖、？?64、工控機或計算機等代替，激光視覺傳感器可由激光結構光傳感器、激光掃描傳感器或者主動光視覺傳感器代替，旨在將實時性能、抗弧光干擾性能優越的磁控電弧傳感器與靈敏度高、獲取信息量大的激光視覺傳感器有機結合，通過采用雙傳感預估檢驗校準的融合方法對磁控電弧傳感器與激光視覺傳感器數據進行融合，得到精確的焊縫偏差信息，用于焊縫自動跟蹤，并廣泛應用于焊接機器人或自動跟蹤專機系統中，克服焊接過程中各種不確定因素對焊縫偏差信息提取的影響，降低跟蹤失敗的可能性，從根本上提高系統綜合性能。參閱圖1至圖5，其余同上述實施例。
【權利要求】
1.一種基于磁控電弧與激光視覺傳感的焊縫自動跟蹤控制系統，其特征是:它包括焊槍(I)、焊接電源(2)、送絲機(3)、執行機構、圖像采集裝置(6)、霍爾傳感器(7)、控制器(8)、驅動器(9)、磁控電弧傳感器(10)和激光視覺傳感器(11)，焊接電源(2)兩極分別連接送絲機(3)和霍爾傳感器(7)，霍爾傳感器(7)與控制器(8)連接，送絲機(3)與設置在執行機構上的焊槍(I)連接，在焊槍(I)上設置磁控電弧傳感器(10)，在磁控電弧傳感器(10)上設置激光視覺傳感器(11)，激光視覺傳感器(11)通過圖像采集裝置(6)與控制器(8)連接，控制器(8)通過驅動器(9)連接執行機構。
2.根據權利要求1所述的基于磁控電弧與激光視覺傳感的焊縫自動跟蹤控制系統，其特征是:所述執行機構包括焊接小車(4)、十字滑架(5)以及十字滑架(5)上的步進電機；十字滑架(5)包括高低調節滑架(13)和安裝在高低調節滑架(13)上的左右調節滑架(12)，焊槍(I)設置在左右調節滑架(12)上。
3.根據權利要求1所述的基于磁控電弧與激光視覺傳感的焊縫自動跟蹤控制系統，其特征是:所述執行機構包括焊接機器人(14)以及焊接機器人(14)上的各電機，焊槍(I)安裝在焊接機器人(14)上，具體安裝在焊接機器人(14)手臂的末端。
4.根據權利要求1所述的基于磁控電弧與激光視覺傳感的焊縫自動跟蹤控制系統，其特征是:所述執行機構包括焊接專機(15)以及焊接專機(15)上的各電機；焊接專機(15)包括X軸水平調節滑架(16)和Y軸高低調節滑塊(17)，Y軸高低調節滑塊(17)安裝在X軸水平調節滑架(16)上；焊槍(I)安裝在焊接專機(15)上，具體安裝在Y軸高低調節滑塊(17)上。
【文檔編號】B23K9/127GK203418212SQ201320422081
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年7月17日 優先權日:2013年7月17日
【發明者】洪波, 洪宇翔, 李湘文, 柳健, 湯希 申請人:湘潭大學, 洪波