一种基于机器视觉的激光焊接定位方法与流程

本发明涉及一种基于机器视觉的激光焊接定位方法。

背景技术：

机器视觉是通过图像采集硬件将被摄取目标转换成图像信号，并传送给专用的图像处理系统，以获得所需信息，发出指令、配合执行机构完成位置调整、好坏筛选、数据统计等自动化流程的装置。机器视觉不知疲劳，具有很高的跟踪速度和分辨精度，在一些不适合人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉，大大提高生产效率和生产的自动化程度，因此，近年来机器视觉技术已在许多领域得到广泛应用。

激光焊接是利用激光的辐射能量来实现有效焊接的工艺，是激光加工技术应用的重要方面之一，与其他焊接方法相比，其焊接质量更高、效率更快。若将机器视觉技术应用到激光焊接中，那么机器视觉系统来代替传统的机械夹具定位方式，不仅可以减少制作夹具的成本，也为激光焊接设备的运动提供精确定位参数，实现高精度激光焊接。

中国专利文献号CN204414117U于2015年6月24日公开了一种视觉定位焊接机器人，该专利着重机器视觉系统中摄像头与焊枪的相对安装位置以及连接结构，没有注明基于机器视觉的激光焊接图像处理算法、运动控制、坐标转换等细节。因此，需要进一步补充说明。

技术实现要素：

本发明的目的旨在提供一种简单合理、效果优异、使用方便、实施成本低、易实现的基于机器视觉的激光焊接定位方法，以克服现有技术中的不足之处。

按此目的设计的一种基于机器视觉的激光焊接定位方法，其特征在于：包括视觉子系统、工业PC机、电机可编程逻辑控制器、电机执行装置、焊接控制板和二维工作台；所述的激光焊接定位方法利用工业PC机对视觉子系统采集的图像进行处理，提取待焊工件的中心坐标，并把此图像坐标转换成在运动坐标系中的坐标，然后通过串口把数据传到电机可编程逻辑控制器中，电机可编程逻辑控制器对焊接点位置计算，并控制电机执行装置对把二维工作台的焊接点移动到焊接头下进行焊接。

所述视觉子系统包括无闪烁光源、CCD摄像头、图像采集卡；其中，激光焊接定位方法步骤如下：

步骤一、待焊工件图像釆集：接收待焊接工件光学图像信息，并转换成电荷信号，对图像传感器输出的图像信号进行实时采集；

步骤二、待焊工件图像预处理：对传感器输出的原始图像进行预处理操作；

步骤三、待焊工件的中心定位：对待焊工件的中心定位，通过输出接口发送给相应的控制器以实现控制执行单元进行相应的操作；

步骤四、二维工作台带动焊接头运动：控制器发出信号控制二维工作台运动，带动固定在平台上的焊接头运动，使其到达焊接位置；

步骤五、焊接头位置调整，焊接工件：根据待焊工件的中心定位信息与焊接头实时位置信息比较得出偏移量回传给控制器，校准焊接头位置，完成工件焊接。

所述CCD摄像头为旁轴式设置，其安装在激光器的旁边位置、且与XY工作平台垂直；所述的无闪烁光源为环形光源，其具有60个LED发光管，并采用高角度直射光照明设置；所述的图像采集卡为基于PCI总线的外插式图像采集卡、且通过面阵式CCD摄像头实现图像采集。

所述二维工作台通过电机可编程逻辑控制器控制电机执行装置运动；所述的电机执行装置包括步进电机和步进驱动器。

所述焊接控制板用于控制焊接头焊接过程、且通过串口与工业PC机配合连接。

所述工业PC机通过图像处理算法检测图像的边缘信息，并提取边缘的特征作为模板进行匹配，以找到目标信息的中心位置。

所述图像处理算法对图像进行图像平滑滤波、阈值分割，经过Canny算子边缘检测得到图像的边缘，基于链码对图像提取建立特征模板，然后通过模板的匹配进行粗定位和细定位，获得待焊工件焊缝圆的圆心坐标。

所述视觉子系统上设置有标定圆柱，标定圆柱安装在工件夹具上，视觉子系统通过对标定圆柱的圆心的定位和直径的测量，可直接对系统进行图像坐标到运动坐标的转换和相机放大倍数的标定。

所述工业PC机上安装有激光焊接定位软件，该激光焊接定位软件是基于Visual Studio 2010平台采用C#.NET语言编写的系统配套工控软件。

本发明通过上述方法的改良，采用机器视觉自动定位技术，图像提取特征准确、处理算法可靠并且执行速度快，可引导校准焊接位置，有效地解决了传统人工视觉和机械夹具定位法难以达到系统精度要求等问题，为激光焊接设备的运动提供精确定位参数，从而实现高精度激光焊接，不需要人工干预，只需要上下工件即可，大幅度的提高生产效率。其具有简单合理、效果优异、使用方便、实施成本低、易实现等特点，实用性强。

附图说明

图1为本发明第一实施例的实施示意图。

图2为本发明第一实施例的基于图像特征的模板匹配基本流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1、图2，本基于机器视觉的激光焊接定位方法，包括视觉子系统、工业PC机、电机可编程逻辑控制器、电机执行装置、焊接控制板和二维工作台；所述的激光焊接定位方法利用工业PC机对视觉子系统采集的图像进行处理，提取待焊工件的中心坐标，并把此图像坐标转换成在运动坐标系中的坐标，然后通过串口把数据传到电机可编程逻辑控制器中，电机可编程逻辑控制器对焊接点位置计算，并控制电机执行装置对把二维工作台的焊接点移动到焊接头下进行焊接。

进一步地讲，视觉子系统包括无闪烁光源、CCD摄像头、图像采集卡。

其中，激光焊接定位方法步骤如下：

步骤一、待焊工件图像釆集：接收待焊接工件光学图像信息，并转换成电荷信号，对图像传感器输出的图像信号进行实时采集；

步骤二、待焊工件图像预处理：对传感器输出的原始图像进行预处理操作；

步骤三、待焊工件的中心定位：对待焊工件的中心定位，通过输出接口发送给相应的控制器以实现控制执行单元进行相应的操作；

步骤四、二维工作台带动焊接头运动：控制器发出信号控制二维工作台运动，带动固定在平台上的焊接头运动，使其到达焊接位置；

步骤五、焊接头位置调整，焊接工件：根据待焊工件的中心定位信息与焊接头实时位置信息比较得出偏移量回传给控制器，校准焊接头位置，完成工件焊接。

进一步地讲，CCD摄像头为旁轴式设置，其安装在激光器的旁边位置、且与XY工作平台垂直；所述的无闪烁光源为环形光源，其具有60个LED发光管，并采用高角度直射光照明设置；所述的图像采集卡为基于PCI总线的外插式图像采集卡、且通过面阵式CCD摄像头实现图像采集。

进一步地讲，二维工作台通过电机可编程逻辑控制器控制电机执行装置运动；所述的电机执行装置包括步进电机和步进驱动器。

进一步地讲，焊接控制板用于控制焊接头焊接过程、且通过串口与工业PC机配合连接。

进一步地讲，工业PC机通过图像处理算法检测图像的边缘信息，并提取边缘的特征作为模板进行匹配，以找到目标信息的中心位置。

进一步地讲，图像处理算法对图像进行图像平滑滤波、阈值分割，经过Canny算子边缘检测得到图像的边缘，基于链码对图像提取建立特征模板，然后通过模板的匹配进行粗定位和细定位，获得待焊工件焊缝圆的圆心坐标。

进一步地讲，视觉子系统上设置有标定圆柱，标定圆柱安装在工件夹具上，视觉子系统通过对标定圆柱的圆心的定位和直径的测量，可直接对系统进行图像坐标到运动坐标的转换和相机放大倍数的标定。

具体地讲，视觉子系统考虑到相机坐标系与运动平台坐标系的旋转角度，为此需在机械零件的夹具上安装另外一个标定圆柱，通过对此标定圆柱圆心的定位和直径的测量可直接对系统进行图像坐标到运动坐标形成的旋转角度

其中，(x₁，y₁)是标定圆柱中心在图像坐标中的位置，(x₂，y₂)是重新标定圆柱中心位置，d是标定圆柱的直径，d_pixel是测量的像素直径值。

进一步地讲，工业PC机上安装有激光焊接定位软件，该激光焊接定位软件是基于Visual Studio 2010平台采用C#.NET语言编写的系统配套工控软件。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。