專利名稱：基于激光測距的平板對接焊縫焊接軌跡檢測與控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種檢測與控制方法，尤其是一種基于激光測距的平板對接焊縫焊接軌跡檢測與控制方法。

背景技術：
目前，焊接軌跡控制技術的研究是焊接工業(yè)技術研究的重點和難點之一，國內外研究前沿主要集中在如下方面一、焊接軌跡信息傳感技術；二、軌跡跟蹤控制理論與算法。在自動焊接過程中，準確檢測獲取焊縫的變化是保證焊接質量的關鍵，其中用于焊縫跟蹤的傳感器技術越來越重要。在焊接軌跡檢測技術的研究發(fā)展中，陸續(xù)出現(xiàn)了各種不同形式的傳感器，其中接觸式傳感器、電弧傳感器和光學傳感器應用較為普遍。接觸式傳感器將焊縫變化轉變?yōu)閷U或導輪的位置變化，并轉化為電信號，該傳感器由于性能穩(wěn)定、成本低廉，在生產(chǎn)中曾得到廣泛應用，但由于跟蹤精度及速度的限制，已不適合高精度、高速度的焊接領域；電弧傳感器以電弧本身的參數(shù)為跟蹤目標，能實時反應焊縫變化，但檢測精度易受焊接過程中熔滴過渡形式、飛濺的影響，尤其在對薄板焊件的對接和搭接接頭的焊接中，應用方法較難掌握。相比之下光學傳感器以獲得信息豐富、精確度高、檢測范圍廣等特點，逐漸引起人們的重視，并在焊接生產(chǎn)領域得到了日漸廣泛地應用，這為焊接自動化的實現(xiàn)提供了有利條件。光學傳感器中應用較多的為激光傳感器、紅外傳感器、視覺傳感器等，采用CCD攝像機、紅外成像儀等現(xiàn)代化圖像傳感設備及智能化的圖像處理方法，為準確獲取焊縫信息提供了保證，進一步確保了焊接過程的穩(wěn)定性和可靠性。同時隨著微處理器技術的不斷換代升級、眾多高性能微處理器的涌現(xiàn)，在此基礎上產(chǎn)生的智能化焊縫檢測跟蹤系統(tǒng)，使焊接軌跡自動控制技術的研究進入到了一個嶄新的階段。平面對接焊縫焊接，是一種常見的、具有代表意義的焊接形式，在焊接工業(yè)領域，有相當大的應用需求空間，但當前用于V型坡口和多層多道焊縫信息的采集跟蹤控制系統(tǒng)，價格昂貴且多為圖像采集方式。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于激光測距的平板對接焊縫焊接軌跡檢測與控制方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案 一種基于激光測距的平板對接焊縫焊接軌跡檢測與控制方法，包括以下步驟 A.軌跡檢測；系統(tǒng)初始化后，焊縫橫向掃描軸啟動，通過激光精密位移傳感器實時檢測平板對接焊縫的橫截面輪廓，并不斷沿焊縫方向進給；將檢測到的焊縫輪廓信息數(shù)據(jù)傳送到工控機，對采集數(shù)據(jù)進行濾波、存儲； B.軌跡識別；通過工控機對數(shù)字信號進行處理，提取焊縫輪廓的信息，同時進行焊縫的三維重建，并根據(jù)三維重建信息，獲得當前焊縫的寬度、橫截面積的參數(shù)信息；根據(jù)已獲得的上述信息進一步提取焊縫的特征點，根據(jù)所提出的動態(tài)B樣條擬合算法獲得焊接軌跡曲線表達式； C.軌跡控制；通過工控機根據(jù)檢測獲得的焊縫軌跡曲線位置，以軌跡數(shù)據(jù)為基礎，對軌跡進行插補運算，對各坐標軸進行實時聯(lián)動控制； D.最后通過執(zhí)行機構動作來調節(jié)焊槍與焊縫之間的相對位置關系，即用電機帶動升降軸絲杠做上下調節(jié)，從而達到焊縫跟蹤的目的；在整個系統(tǒng)運行過程中，對焊縫輪廓信息、焊接電壓和電流實時顯示，并存入經(jīng)驗參數(shù)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)同種工件批量焊接的自動控制。
所述步驟A中激光位移傳感器安裝于焊縫橫向掃描軸上；焊縫橫向掃描軸由直線電機驅動，在待焊焊縫的上方做橫向往復運動。
所述步驟A中采用焊縫橫向掃描機構與焊槍運動控制機構的分離設計，系統(tǒng)啟動時，焊縫橫向掃描機構先于焊槍運動控制機構啟動，從焊縫起點開始掃描，以便獲取焊縫起點附近的信息，之后焊槍運動控制機構啟動，這兩者之間的啟動延遲時間為可調的。
所述步驟A中在對焊縫輪廓檢測數(shù)據(jù)處理過程中，采用對焊縫邊緣區(qū)域進行識別劃分，并對邊緣區(qū)域實現(xiàn)不同性質的濾波處理方法。
所述步驟B中對焊接軌跡的在線動態(tài)擬合過程中，采用了分批重疊讀入型值點，并采用準均勻B樣條擬合的方法得到分段B樣條曲線，在整個邊檢測邊焊接進行過程中實現(xiàn)焊接軌跡的整體準均勻B樣條的性質。。
本發(fā)明通過采用激光測距傳感器橫向掃描焊縫的方式，獲取焊縫的三維信息；在焊縫特征的提取中，首先以焊縫橫截面為研究對象，檢測焊縫邊緣點，然后進一步識別出焊縫的中心點集；采用改進的焊接曲線整體準均勻B樣條動態(tài)擬合方法進行焊接軌跡控制。經(jīng)采用本發(fā)明的方法現(xiàn)場試焊，軌跡跟蹤效果達到了預期的目標，焊縫輪廓識別精度達到0.15mm，焊接軌跡識別精度達到0.2mm，焊接進行的同時可以無偏差的動態(tài)顯示三維焊縫輪廓，焊接速度是普通手工焊的4倍以上，提高了平板對接焊縫焊接質量和焊接效率，改善了勞動環(huán)境。本發(fā)明為焊接軌跡識別與控制提出了新的研究思路，對研究提高軌跡控制精度，提高焊接質量，減輕工人的工作強度具有重要應用價值。



圖1是本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理利用流程圖； 圖2是V型焊縫的原始采集數(shù)據(jù)分布圖； 圖3是不同方向類型的模板圖； 圖4是擬合后的焊縫橫截面曲線圖； 圖5是V型坡口焊縫邊緣識別圖； 圖6是搭接焊縫邊緣高度差圖； 圖7是搭接焊縫邊緣點分布圖； 圖8是搭接焊縫邊緣點連線圖； 圖9是端部為四重節(jié)點形成的基函數(shù)； 圖10是反算控制頂點圖； 圖11是整體讀入型值點得到的分段擬合曲線圖； 圖12是分批讀入型值點得到的分段擬合曲線圖； 圖13是分批讀入型值點擬合效果圖；
具體實施例方式 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
一種基于激光測距的平板對接焊縫焊接軌跡檢測與控制方法，包括以下步驟 A.進行軌跡檢測；系統(tǒng)初始化后，焊縫橫向掃描軸啟動，通過激光精密位移傳感器實時檢測平板對接焊縫的橫截面輪廓，并不斷沿焊縫方向進給；將檢測到的焊縫輪廓信息數(shù)據(jù)傳送到工控機，對采集數(shù)據(jù)進行濾波、存儲； B.進行軌跡識別；通過工控機對數(shù)字信號進行處理，提取焊縫輪廓的信息，同時進行焊縫的三維重建，并根據(jù)三維重建信息，獲得當前焊縫的寬度、橫截面積的參數(shù)信息；根據(jù)已獲得的上述信息進一步提取焊縫的特征點，根據(jù)所提出的動態(tài)B樣條擬合算法獲得焊接軌跡曲線表達式； C.進行軌跡控制；通過工控機根據(jù)檢測獲得的焊縫軌跡曲線位置，以軌跡數(shù)據(jù)為基礎，對軌跡進行插補運算，對各坐標軸進行實時聯(lián)動控制； D.最后通過執(zhí)行機構動作來調節(jié)焊槍與焊縫之間的相對位置關系，即用電機帶動升降軸絲杠做上下調節(jié)，從而達到焊縫跟蹤的目的；在整個系統(tǒng)運行過程中，對焊縫輪廓信息、焊接電壓和電流實時顯示，并存入經(jīng)驗參數(shù)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)同種工件批量焊接的自動控制。
所述步驟A中激光位移傳感器安裝于焊縫橫向掃描軸上；焊縫橫向掃描軸由直線電機驅動，在待焊焊縫的上方做橫向往復運動。
所述步驟A中采用焊縫橫向掃描機構與焊槍運動控制機構的分離設計，系統(tǒng)啟動時，焊縫橫向掃描機構先于焊槍運動控制機構啟動，從焊縫起點開始掃描，以便獲取焊縫起點附近的信息，之后焊槍運動控制機構啟動，這兩者之間的啟動延遲時間為可調的。
所述步驟A中在對焊縫輪廓檢測數(shù)據(jù)處理過程中，采用對焊縫邊緣區(qū)域進行識別劃分，并對邊緣區(qū)域實現(xiàn)不同性質的濾波處理方法。
所述步驟B中對焊接軌跡的在線動態(tài)擬合過程中，采用了分批重疊讀入型值點，并采用準均勻B樣條擬合的方法得到分段B樣條曲線，在整個邊檢測邊焊接進行過程中實現(xiàn)焊接軌跡的整體準均勻B樣條的性質。
本發(fā)明中由直線電機帶動滑塊做水平橫向運動，在運動過程中激光位移傳感器不斷檢測當前距離，并實時將數(shù)據(jù)傳送到控制主板，經(jīng)數(shù)據(jù)濾波后存于建好的距離數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內，軌跡識別與控制主程序調用該緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，并以此為基礎實現(xiàn)焊接過程中的軌跡控制、包括決定是否啟用焊槍擺動機構來焊接較寬焊縫，并將調整參數(shù)信息錄入焊接過程記錄數(shù)據(jù)庫，在系統(tǒng)運行過程中，將焊縫的三維圖形、焊接規(guī)范實時顯示實時于顯示器窗口中，便于監(jiān)視焊接過程，保證焊接質量，也可作為人工干預調整的參考。
在掃描機構的實際運行過程中，傳感器的位置超前于焊槍位置，在傳感器檢測點與焊接點之間即存在一固定檢測時間偏差，在系統(tǒng)平穩(wěn)運行過程中，該偏差的存在是必要的，相當于系統(tǒng)提前獲得了下一段待焊焊縫的三維信息，為數(shù)據(jù)可靠分析、處理提供了時間，也可以使系統(tǒng)及時有效調整焊縫跟蹤機構，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量；但在系統(tǒng)剛起動時，焊接點位于焊縫的起點，系統(tǒng)無法獲得焊接起點附近一段焊縫的三維參數(shù)信息，因此系統(tǒng)采用橫向掃描機構與跟蹤機構分離的結構設計，當系統(tǒng)啟動時，掃描機構先于跟蹤機構啟動，從焊縫起點開始掃描，以便獲取焊縫起點附近的信息，之后跟蹤機構啟動焊接，這之間的延遲時間設計為可調的，為系統(tǒng)運行提供更大的靈活性。
1.程序總體流程 激光精密位移傳感器安裝于焊縫橫向掃描機構上，由系統(tǒng)控制步進電機以實現(xiàn)該掃描機構做往復運動，實現(xiàn)焊縫數(shù)據(jù)的掃描采集，計算機將所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波、變換等的預處理后，進行焊縫的三維重建，并根據(jù)三維重建信息，獲得當前焊縫的寬度、橫截面積等參數(shù)信息，經(jīng)一系列相關計算后，以識別出的焊縫軌跡為基礎實現(xiàn)焊接過程中可靠的軌跡控制，為焊縫跟蹤的實現(xiàn)提供高效，低廉的實現(xiàn)方案。
2.數(shù)據(jù)預處理與焊縫幾何特征提取 2.1焊縫采集數(shù)據(jù)的預處理 以系統(tǒng)進給方向為X軸方向，掃描方向為Y軸方向，垂直與XY平面方向的為Z軸方向，以系統(tǒng)運動起點為原點建立坐標系，系統(tǒng)采集得到的數(shù)據(jù)為規(guī)則化網(wǎng)格結構，即數(shù)據(jù)點分布在一張矩形網(wǎng)格上，如圖2所示為V型焊縫的采集數(shù)據(jù)分布。由于在焊接工業(yè)現(xiàn)場，存在著各種飛濺、電磁、煙塵、弧光等干擾，系統(tǒng)采集得到常常包含許多含有噪聲、不完整的數(shù)據(jù)，因此在焊縫特征提取前需要對數(shù)據(jù)必須進行預處理。數(shù)據(jù)預處理包括填補矩形網(wǎng)格上遺漏的數(shù)據(jù)值、識別或除去異常值、平滑有噪聲數(shù)據(jù)以及解決數(shù)據(jù)規(guī)格化問題。
從激光掃描所得焊縫數(shù)據(jù)點陣圖中，可以看到所得數(shù)據(jù)的特點 (1).數(shù)據(jù)量依據(jù)精度的要求確定，具有一定的可控性。徑向進給掃描間隔和橫向掃描間隔可獨立控制，在保證焊縫重建不失真的情況下，根據(jù)工件表面、坡口面的幾何粗糙程度來予以確定。
(2).基于逐行掃描的數(shù)據(jù)采集方式，使所得的點陣數(shù)據(jù)更易于參與各種運算。
結合所選用精密激光位移傳感器的性能和特點，在系統(tǒng)運行過程中，焊縫掃描所得數(shù)據(jù)的處理利用流程如圖1所示，對于不同的應用對象、焊縫點云數(shù)據(jù)的不同特性，焊縫掃描數(shù)據(jù)處理的過程和方法也不盡相同。實際應用中，應根據(jù)掃描數(shù)據(jù)的特點及模型精度需求，選用相應的數(shù)據(jù)處理策略和方式。概括講，整個數(shù)據(jù)處理利用流程包括原始數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預處理及變換、模型重建、模型參數(shù)獲取和模型可視化處理。原始數(shù)據(jù)獲取的精確性和快速性對準確有效獲取模型參數(shù)具有重要影響，其關系到模型重建的可靠性和穩(wěn)定性，同時為準確獲取焊縫參數(shù)信息提供了必要的前提條件。模型重建和模型參數(shù)獲取階段包括的具體處理例程有曲面的擬合、焊縫邊沿的搜索、焊縫中心的識別、焊縫坡口角度的計算、焊縫體積的計算等。模型可視化處理提供了直觀的人機交互操作，便于監(jiān)控，極大改善了操作環(huán)境。
2.1.1填補遺漏的數(shù)據(jù)值預處理 操作主要針對預定采集位置數(shù)據(jù)值缺失的情況，這種情況發(fā)生時，采取鄰域內取中值的方法來填補該遺漏缺失值，即在該遺漏缺失數(shù)據(jù)點g(i，j)附近鄰域N×N矩形鄰域內先進行數(shù)據(jù)的大小排序(本文選取了5×5的矩形鄰域)，并用排序的中值來代替相應的遺漏缺失值。由于需要N2-1個數(shù)據(jù)參與排序，運算量較大，實際運用中對參與排序的數(shù)據(jù)進行了間隔減半選取，如下表所示 表3-3數(shù)據(jù)間隔減半的選取方式 下表為從采集數(shù)據(jù)表中截取的一個5×5的矩形數(shù)據(jù)鄰域(數(shù)據(jù)值為A/D轉換后的數(shù)字量)，其中缺失的數(shù)據(jù)點表示為g(3，3)，如下所示 表3-4 5×5的矩形數(shù)據(jù)鄰域內數(shù)據(jù)間隔減半選取 現(xiàn)在我們來根據(jù)上述方法填補矩形網(wǎng)格上遺漏的數(shù)據(jù)值，采用減半間隔選取數(shù)據(jù)，得到12個數(shù)據(jù)，經(jīng)排序可知，排在中間位置的有兩個數(shù)據(jù)748、749，取兩個值的平均值并四舍五入，得到g(3，3)位置的填補值為749。經(jīng)實際測量該位置的實際值也恰為749，經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)填補實驗證明，該填補方式的數(shù)據(jù)誤差控制在要求范圍內，滿足實際數(shù)據(jù)值分布規(guī)律。
2.1.2異常值識別、平滑噪聲數(shù)據(jù) 本系統(tǒng)在對所采集數(shù)據(jù)進行濾波時，借用了圖像處理中的常用濾波方式，并結合數(shù)據(jù)的分布規(guī)律及焊縫信息提取要求進行了一定改進。
軟件濾波算法效果的好壞很大程度上取決于濾波窗口的尺寸和形狀的選取。從濾波窗口尺寸大小來說，一般情況下濾波窗口越大，所包含的數(shù)據(jù)量就越大，其去噪聲能力也越強，但是容易丟失焊縫邊緣細節(jié)，使邊緣模糊化；濾波窗口選取的越小，運算后保留的細節(jié)部分就越多，但是去噪聲能力差。在濾波窗口形狀的選取上，窗口方向要盡量沿著焊縫邊緣方向，不能把邊緣數(shù)據(jù)點和其周圍相差很大的數(shù)據(jù)點包含在同一個窗口中做平滑濾波處理，否則焊縫邊緣會被周圍數(shù)據(jù)點模糊化。
為了在對數(shù)據(jù)有效濾波的同時盡可能的保留焊縫邊緣的信息，需要對焊縫邊緣區(qū)域進行識別劃分，并對邊緣區(qū)域實現(xiàn)不同性質的濾波處理。由于方差的大小能夠出反映出一組數(shù)據(jù)的集中程度，方差越小代表數(shù)據(jù)分布越集中，隸屬于同一區(qū)域的可能性較大，反之數(shù)據(jù)分布越松散，因此將方差作為判斷數(shù)據(jù)分布變化大小的標準，選擇方差最小的窗口作為濾波窗口。具體的濾波實現(xiàn)是對于一個既定數(shù)據(jù)點，首先充分分析其周邊的邊緣分布情況，這需要以該數(shù)據(jù)點為基點，將其周邊區(qū)域分為4個不同方向類型的模板(如圖3所示)，計算各個模板的均值和方差，比較得出方差的最大值σmax2和最小值σmin2。根據(jù)方差的最小值σmin2確定該基點的隸屬區(qū)域，并在其隸屬區(qū)域內進行均值平滑濾波處理；根據(jù)方差的最大值σmax2確定該基點周圍邊緣存在的可能性，若σmax2大于預先設定的閥值σ2邊緣(該邊緣閥值的選擇是一個涉及在丟失有效焊縫邊緣和由于噪聲所造成的偽邊緣之間進行折衷考慮的問題)，則該最大方差值對應的模板內可能存在焊縫邊緣。當以可能存在焊縫邊緣的模板上點為基點，再次分析邊緣分布時，采用更為深度的劃分，采用9個不同方向類型的模板搜索邊緣存在區(qū)域，在邊緣存在區(qū)域采用中值濾波算法，盡可能保留邊緣細節(jié)。
基于上述濾波的思想，V型坡口焊縫和平板搭接焊縫的采集數(shù)據(jù)進行了上述濾波操作，采用自適應邊緣濾波處理后，在非邊緣區(qū)域仍采用均值平滑濾波處理，而在邊緣附近，盡量保留細節(jié)。
2.1.3數(shù)據(jù)范圍線性變換 由A/D轉換器的得到是12位的二進制數(shù)字量，對應十進制的0～4095，optoNCDT1401-100型精密位移傳感器的測量范圍是100.0mm～150.0mm，則A/D轉換器得到數(shù)字量q對應的實際距離值d(單位mm)為 在實際焊縫的掃描中，由于焊縫的深度、起伏有限，傳感器的測量范圍內只有的一小部分得到有效的利用，如3mm深的焊縫，對應的占用數(shù)字量占全范圍的比例為 在圖像處理領域中，在曝光不足或曝光過度的情況下，圖像灰度可能會局限在一個較小的范圍內，得到的圖像將是一個邊緣模糊不清的圖像，線性灰度變換是一種簡單而實用的圖像增強方法，即采用一個線性單值函數(shù)，對所包含區(qū)域內的每一個像素做線性擴展。它可使圖像對比度增強，圖像變清晰，邊緣特征明顯?；谏鲜鏊枷耄诜治霁@取焊縫邊緣過程中，對采集到的邊緣附近的數(shù)字量進行了線性變換，以準確獲取邊緣，即相當于對邊緣部分差異做放大處理。令F(i，j)表示從A/D轉換器得到的位于平面(i，j)位置的代表距離的數(shù)字量，若對當前一段焊縫，F(xiàn)(i，j)值的范圍為[a，b]，線性變換后F′(i，j)的范圍為[a′，b′]，則線性變化為 對于整個參與線性變換的數(shù)據(jù)集合而言，變換前后數(shù)據(jù)個數(shù)不變，但不同數(shù)據(jù)之間的差異變大，即“對比度”加大。尤其是對于邊緣平滑的焊縫，在邊緣部分采集得到的數(shù)據(jù)較接近，在[a，b]區(qū)間內量化時可能進入同一數(shù)字等級從而使邊緣差異縮小，不利于邊緣的識別，取如果線性變換中取T≥2，則量化時F(i，j)在[a′，b′]范圍內可以取得數(shù)字量等級是[a′，b′]范圍內的兩倍以上，使焊縫邊緣差異得以增強，利于準確獲取焊縫邊緣。
如下表為線性變換前采集得到的原始數(shù)據(jù)。
表3-5采集得到的邊緣原始數(shù)據(jù) 對與該表中的數(shù)據(jù)來說，其數(shù)字量范圍為[526，594]，即a＝526，b＝594，取a′＝0，b′＝255，則有線性變換倍數(shù)T＝255/68＝3.75，在相同的數(shù)字等級標度范圍的數(shù)據(jù)分布圖中，進行邊緣差異線性放大后，邊緣部分特征較明顯的顯示出來。
2.2焊縫特征的提取 2.2.1焊縫邊緣點的提取及其擬合 在圖像處理領域，對目標邊緣的提取有很多成熟的方法，如邊緣檢測算子中的Sobel算子，Robert算子，Laplace算子等。本系統(tǒng)利用激光位移傳感器直接獲取焊縫的信息，將焊縫輪廓信息以距離的形式反映出來，這種方式較采用CCD攝像機獲取焊縫圖像的方式具有直觀、快捷、準確性高的優(yōu)點，對于不同類型平面對接焊縫邊緣的檢測，本系統(tǒng)分別進行了不同的討論。
2.2.1.1.V型坡口的焊縫邊緣識別 測量所得數(shù)據(jù)中個別數(shù)據(jù)的誤差或者波動可能性很大，同時采集給出的數(shù)據(jù)量又很大，這就需要一種有效的方法來對焊縫的實際輪廓曲線加以識別，這里采用的方法是曲線擬合，這里曲線擬合的目的一是是從給出的大量數(shù)據(jù)中找出分布規(guī)律，構造曲線反映截面數(shù)據(jù)點總的趨勢，以消除其局部誤差或波動；二是通過對曲線的曲率的求解，獲得焊縫邊緣關鍵點。B樣條方法既可以表示整體曲線，又可以保持曲線局部特性。最小二乘法原理是一種在多學科領域中獲得廣泛應用的數(shù)據(jù)處理方法，這里采用最小二乘法擬合生成三次B樣條曲線來逼近焊縫橫截面?；跈z測曲線曲率的極值點來發(fā)現(xiàn)邊緣關鍵點，滿足了曲線擬合的實際需要，采用最小二乘擬合，強調了關鍵數(shù)據(jù)點的作用，既可保證曲線的光順性，又可控制誤差在要求的范圍內，對V型坡口焊縫特征的提取提供了保證。
系統(tǒng)先對焊縫橫截面的做了B樣條擬合，并識別出該焊縫橫截面對應的邊緣點后，在此基礎上，對不同焊縫橫截面對應的邊緣點再次進行B樣條擬合，這樣就獲得了完整的焊縫邊緣曲線。下面討論對V型焊縫橫截面數(shù)據(jù)的擬合處理。已知V型焊縫橫截面數(shù)據(jù)點列{Di}i＝1n求一條三次準均勻B樣條曲線P(t)，使下式

達到最小，即需要解方程組其中j＝0，...，m-1，Pj是B樣條曲線P(t)的第j個控制頂點，圖4為Y＝1656.6mm出的焊縫焊接面圖，采用b樣條擬合后，有效的抑制了數(shù)據(jù)的波動。
下面進一步分析曲線的拐點，即焊縫邊緣關鍵點，首先對擬合曲線求取一階導數(shù)，得到焊縫橫截面曲線的一階導數(shù)曲線，在對一階導數(shù)曲線進行二次求導過程中，為了縮減計算量，加快運算速度，在保證邊緣識別精度的前提下，采用了離散差分求導的方式，即X軸上每隔0.5mm抽取一階導數(shù)曲線的值，前后兩次值的差除以間隔長度作為該區(qū)間的二階導數(shù)的近似值，繪制該離散差分二階導數(shù)圖。該離散差分導數(shù)圖反映了焊縫曲線的“曲率”的變化情況，一般情況下邊緣關鍵點是二階導數(shù)值小于零導數(shù)零幅值較大的點，首先從離散差分二階導數(shù)圖分離出邊緣存在可能點集，具體判斷需結合。如下圖所示點邊緣點是導數(shù)圖中導數(shù)值小于零且幅值較大的兩個極值點A″，B″，由于在試驗中采用的焊縫的底部較平坦，在導數(shù)圖中導數(shù)值大于零且幅值較大的極值點C″，D″同時反應出焊縫曲線的底部特性。由于焊縫截面數(shù)據(jù)在利用前已經(jīng)過濾波平滑等預處理，大多數(shù)情況下，根據(jù)擬合曲線的二階離散導數(shù)的情況，即可識別出邊緣關鍵點的分布，經(jīng)實驗測定該方法對于V型焊縫邊緣點的識別是有效的，滿足焊接生產(chǎn)的常規(guī)需要。
2.2.2.2平板搭接焊縫邊緣識別 由于平板搭接焊縫邊緣規(guī)則性較好，邊緣識別采用的方法是分段直線擬合的方式，其原理與在波紋板曲線軌跡擬合處理類似，即也是計算數(shù)據(jù)的滑動方差值，找到邊緣點，然后進行分段的線性擬合處理。
2.3焊縫關鍵特征的獲取 對于V型焊縫，我們需要提取的是焊縫的寬度、深度和橫截面積，焊縫寬度用兩個邊緣點的橫坐標(即掃描軸)差來代替，如圖5中焊縫的寬度為邊緣點A，B的差320mm-190mm＝130mm；焊縫深度用兩個焊縫底部特征點C、D到邊緣點AB所決定直線的距離均值來代替。焊縫橫截面積獲取有兩種方式一是采取的是對焊縫橫截面分段積分的方法，并用梯形ABGF的面積減去該積分值；二是取兩個臨近采樣點的均值，并與這兩個點的采樣間隔相乘，用小直方塊的面積近似代替兩個采樣間隔內對應的面積值，并將這小面積元相加求和，用這個和作為焊縫橫截面積的近似值。第一種方法得出的值精確度高，但較耗機時，運算量大，第二種方法得出的值精確度雖然不高，耗機時少，運算過程也較簡單。如下圖中陰影部分即為焊縫的橫截面區(qū)域，采用第一種方式得出的焊縫橫截面積為33.50mm2，采用第二種方式得出的焊縫橫截面積為31.02mm2，實際中具體選用的方式應根據(jù)對焊縫橫截面積的精度要求而定。
對于平板的搭接焊縫我們比較關注的是兩板高度差h，由于激光傳感器量測的正好是距離值，所以在邊緣點識別出來后，只需要求取兩邊緣點的縱坐標之差即可，如圖6中的邊緣點G和H的縱坐標之差即為h。
3.對接焊縫中心識別與焊接軌跡控制 在獲得焊縫的邊緣點后，下面需要以此為基礎來實現(xiàn)準確的焊縫中心識別與焊接軌跡控制。實際焊接軌跡控制在軌跡檢測的同時實現(xiàn)運動控制過程中予以實現(xiàn)。本部分的主要任務是一、獲得實際生產(chǎn)需要的焊縫中心點，并對離散點進行B樣得到焊縫中心軌跡曲線；二、對由曲線擬合算法獲得的以B樣條曲線形式表達的焊縫曲線進行軌跡插補。
3.1焊縫中心特征點的分離 這里仍以V型焊縫和平面搭接焊縫為主要的研究對象。
1.對于V型焊縫橫截面，首先存在兩個邊緣點E1(X1，Y1)，E2(X2，Y2)，同時還存在焊縫最低點S(X，Y)，將焊縫特征點列定義焊縫中心位置 在上式中加大了對焊縫最低點S(X，Y)在焊縫中心位置定義CX中的比重，使焊槍處在一個更為均衡的位置，盡量消除焊縫坡口不規(guī)則的影響。
為了觀察加大對焊縫最低點S(X，Y)在焊縫中心位置定義CX中的比重的意義，令 CY＝Y 焊縫中心曲線在焊縫底部沿位置較低的區(qū)域分布，符合對實際焊縫中心的要求。
2.搭接焊縫 對于搭接焊縫，只要邊緣點得出后，焊縫的特征已比較明顯，以圖7、8中的兩條實線即為識別的上、下邊緣數(shù)據(jù)點連線圖，一般情況下我們只需關注下邊緣即可滿足焊接生產(chǎn)的要求，上邊緣僅作參考，當上、下邊緣水平位置偏離太大時，可取兩者的均值作為新的焊接軌跡水平位置值。
3.2焊接軌跡運動控制 本系統(tǒng)通過X、Y兩坐標軸聯(lián)動，來實現(xiàn)平面曲線軌跡運動。
3.2.1準均勻B樣條 在焊接加工過程中待加工的焊縫或焊縫橫截面曲線一般是非封閉的曲線，如有的時候焊接任務要求焊接工件對接的某一段焊縫，這時采用準均勻B樣條曲線表達式比較合適，這種情況下往往希望所擬合的焊縫曲線在給定點起始或者終止，或者具有確定的切線方向，亦即要求滿足邊界條件。準均勻B樣條兩端節(jié)點具有重復度k+1，所以準均勻B樣條曲線通過多邊形的首、末頂點并與首、末邊相切。
三次準均勻B樣條在端點應用重節(jié)點，基函數(shù)不再是一個統(tǒng)一的標準形式，相應地，各方程亦有所不同。根據(jù)實際焊縫數(shù)據(jù)點的分布規(guī)律，在此我們假設曲線段數(shù)≥5。
曲線的分段表達式如下 第三至n-3段(n為型值點數(shù))曲線 i＝3，4，…，n-3 (3-3) 則各段曲線的首點為 i＝3，4，…，n-3(3-4) 第n-2段(倒數(shù)第二段)曲線 第n-1段(最后一段)曲線 最后一段曲線的末點為Pn＝Vn+2 為簡便計，記Pj(0)為Pj，可得 由式(2-1)可知，欲求頂點的數(shù)目為n+2，在方程組中的方程數(shù)僅為n。因此，需要補充兩個適當?shù)倪吔鐥l件，才能使方程組有唯一解。實際應用中有多種邊界條件可供選擇，在此只介紹適合本課題應用的一種邊界條件下的方程組，即節(jié)點矢量兩端為四重節(jié)點且給定曲線兩端端點。
兩端取自由端條件時，方程組為
加上端點條件，其首端頂點V1＝P1，末端頂點Vn+2＝Pn，這樣就可以求出全部的控制頂點。
3.2.2運動軌跡的動態(tài)擬合 傳統(tǒng)B樣條曲線擬合算法中，所有型值點必須一次性讀入，然后反求控制點、進行插補運算，型值點數(shù)量若較大，則對硬件運算能力、數(shù)據(jù)處理能力要求越高，這種方式下顯然不易滿足實時性插補要求。如果分批讀入型值點，相鄰兩條B樣條曲線在銜接處連續(xù)性不能保證，本文所述的焊縫為平面上的一段開曲線，采用準均勻B樣條插值計算曲線表達式比較合適，這種情況下希望所擬合的焊縫曲線在給定點起始或者終止。
在前節(jié)中已經(jīng)介紹了三次準均勻B樣條的分段表達式，這里假設段數(shù)≥5，根據(jù)準均勻B樣條曲線段的表達式，繪制N≥5時B樣條曲線的前三段，如圖9所示。其中的一段和第二段對應準均勻B樣條曲線的前兩段曲線，到第三段已經(jīng)與均勻B樣條曲線的形狀一樣了。即重復度為4的端點，只對前端(或者后端)的兩段曲線有影響。這使得準均勻B樣條曲線通過首末端點?；跍示鶆駼樣條的這一上述性質，在對焊接軌跡的在線擬合過程中，采用了分批重疊讀入型值點(激光傳感器的前置為這一操作提供了必要條件)，并采用準均勻B樣條擬合的方法得到分段B樣條曲線，目的是在整個邊檢測邊焊接進行過程中實現(xiàn)整體準均勻B樣條的性質，焊縫曲線相當于預先獲取了整個焊縫的所有型值點，再進行整體準均勻B樣條擬合的效果。
首先讀入從起始位置開始的六個型值點，則待擬合的曲線有五段，為了得到各段的表達式，需要得到V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8，即控制頂點，但我們通過超前的焊縫橫截面掃描，得到的是焊縫曲線上點P1，P2，P3，P4，P5，P6，也就是型值點，這就需要緊接著反算控制頂點，這個過程稱為B樣條曲線的插值，亦稱反算問題(如圖10所示)。
假設焊縫曲線兩端取自由端條件，根據(jù)控制頂點求解表達式，可求得V1，V3，…，V7，因為已知V1＝P1及V8＝P6，從而求得全部頂點。這樣由準均勻B樣條的性質可以得到中間一段的表達式為 可知P3(u)屬于均勻B樣條曲線，是第三段軌跡擬合表達式，系統(tǒng)此時已經(jīng)可以啟動焊接，前兩段軌跡的表達式3-1，3-2式所示。
此時保留控制頂點V1，V2，V3，V4，V5，V6，在焊接進行過程中分批讀入六個型值點P5，P6，P7，P8，P9，P10，反求控制頂點，得到V5′，V6′，V7，V8，V9，V10，V11，V12，保留中間四個控制頂點，得到新的控制點列為V1，V2，V3，V4，V5，V6，V7，V8，V9，V10，計算曲線的參數(shù)表達式。繼續(xù)根據(jù)軌跡識別結果讀入下六個型值點P9，P10，P11，P12，P13，P14，反求控制頂點……依次進行下去，待整個焊接過程結束，得到的是一條整體的準均勻B樣條曲線，實現(xiàn)了軌跡檢測與控制并行運行。為驗證該算法的正確性，從y＝100*cos(x)曲線上取了30個型值點 表3-6從y＝100*cos(x)曲線上取的30個型值點

所有型值點一次性讀入，然后反求控制點，得到如圖11的分段擬合曲線。
按照上述動態(tài)分批讀入型值點的算法，逐次反求控制點，得到的分段擬合曲線如圖12所示。
兩次得到的曲線非常接近，在局部放大后，還是可以看到兩者之間的差別，但這種差別對本文所述的焊接系統(tǒng)來說是完全可以忽略的。
≥對兩次得到的控制點進行了比較，如下表所示 表3-7兩種方式下所得的控制點

為進一步觀察分批讀入型值點所擬合得到的曲線，將原型值點同時繪于圖13中。
3.2.3運動軌跡插補 在前述應用B樣條曲線擬合算法得到焊縫曲線的分段參數(shù)表達式為 式中Bj，3(u)表示B樣條基函數(shù)，Vj表示三次B樣條曲線的控制頂點。P(u)為參數(shù)曲線上的一點；參數(shù)u∈
，為無量綱常參數(shù)。因此對焊接軌跡的控制需要對式(9)表示的B樣條曲線進行高速、高精度的插補計算。
本文所述系統(tǒng)采用的是恒速度進給插補算法，對于所述二維三次B樣條曲線，恒速度進給插補算法是針對直角坐標系下的曲線進行插補的，控制頂點Vj也由X軸和Y軸兩個坐標上的參數(shù)確定。將B樣條曲線寫成直角坐標分量的形式，曲線的表達形式如式()所示。
x(u)＝a3u3+a2u2+a1u+a0 y(u)＝b3u3+b2u2+b1u+b0 ai，bi(i＝0，1，2，3)為常數(shù)，參數(shù)曲線插補的原理是通過合理選取參數(shù)u的增量Δu，進而求出下一插補點Pi+1的坐標值。因為每次求出Δu后都代入公式(3-12)中求插補點，所以插補點總在參數(shù)曲線上，插補算法沒有位置誤差積累。
為了提高參數(shù)曲線插補的速度穩(wěn)定性，需要保證插補過程中進給弦長基本恒定，每個插補周期內增量Δu的值是實時變化的。一般情況下，不同的周期內Δu的取值不等，因此在每一個插補周期內都需要計算新的Δu的值。
恒速度進給插補算法以進給弦長為目標，采用參數(shù)化數(shù)據(jù)采樣插補原理來實現(xiàn)插補過程，通過直接控制參數(shù)u的值，達到控制插補點坐標的目的，插補過程分為兩步分別是軌跡空間到參數(shù)空間的映射和參數(shù)空間到軌跡空間的逆映射。首先根據(jù)進給速度和插補周期來確定進給弦長f，然后計算參數(shù)u在一個周期內的增量Δu，求出ui+1，即完成第一步；將ui+1代入式(9)即可求解軌跡空間中下一點坐標Pi+1，完成第二步工作。
在參數(shù)空間，曲線軌跡參數(shù)u的插補計算可二階泰勒級數(shù)展開，在軌跡空間，沿B樣條曲線的進給速度v(t)的定義 可解得參數(shù)u對時間t的導數(shù)

ü并代入?yún)?shù)u的插補計算可二階泰勒級數(shù)展開式，考慮到ΔL一般很小，當曲線的曲率不太大時，也可采用一階泰勒級數(shù)近似計算，即 v(t)表示瞬時進給速度(單位mm/ms)，T表示插補周期(單位ms)。在插補過程中需要實時計算|dP(u)/du|的值，計算公式如下 其中，C4＝9a32+9b32，C3＝12(a2a3+b2b3)， C2＝4a22+4b22+6a1a3+6b1b3， C1＝4a1a2+4b1b2，C0＝a12+b12。
多項式系數(shù)C4、C3、C2、C1和C0的數(shù)值在每一段曲線上的值都分別是定值，因此可以在插補預處理階段通過一次性計算預先求出，簡化計算。
將f和|dp(u)/du|的值代入式錯誤！未找到引用源。)即可求出下一插補周期中Δu的值。計算ui+1＝ui+Δu，然后將ui+1直接代入式()進行求解，得到下一點Pi+1的坐標值。
令ui＝ui+1，重復上述步驟至終點就可以求出所有的插補點。
權利要求
1.一種基于激光測距的平板對接焊縫焊接軌跡檢測與控制方法，其特征在于，包括以下步驟
A.軌跡檢測；系統(tǒng)初始化后，焊縫橫向掃描軸啟動，通過激光精密位移傳感器實時檢測平板對接焊縫的橫截面輪廓，并不斷沿焊縫方向進給；將檢測到的焊縫輪廓信息數(shù)據(jù)傳送到工控機，對采集數(shù)據(jù)進行濾波、存儲；
B.軌跡識別；通過工控機對數(shù)字信號進行處理，提取焊縫輪廓的信息，同時進行焊縫的三維重建，并根據(jù)三維重建信息，獲得當前焊縫的寬度、橫截面積的參數(shù)信息；根據(jù)已獲得的上述信息進一步提取焊縫的特征點，根據(jù)所提出的動態(tài)B樣條擬合算法獲得焊接軌跡曲線表達式；
C.軌跡控制；通過工控機根據(jù)檢測獲得的焊縫軌跡曲線位置，以軌跡數(shù)據(jù)為基礎，對軌跡進行插補運算，對各坐標軸進行實時聯(lián)動控制；
D.最后通過執(zhí)行機構動作來調節(jié)焊槍與焊縫之間的相對位置關系，即用電機帶動水平軸和升降軸絲杠做上下調節(jié)，沿焊縫方向的進給軸要調整進給速度的變化，從而達到焊縫跟蹤的目的；在整個系統(tǒng)運行過程中，對焊縫輪廓信息、焊接電壓和電流實時顯示，并存入經(jīng)驗參數(shù)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)同種工件批量焊接的自動控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于激光測距的平板對接焊縫焊接軌跡檢測與控制方法，其特征在于所述步驟A中激光位移傳感器安裝于焊縫橫向掃描軸上；焊縫橫向掃描軸由直線電機驅動，在待焊焊縫的上方做橫向往復運動。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于激光測距的平板對接焊縫焊接軌跡檢測與控制方法，其特征在于所述步驟A中采用焊縫橫向掃描機構與焊槍運動控制機構分離設計，系統(tǒng)啟動時，焊縫橫向掃描機構先于焊槍運動控制機構啟動，從焊縫起點開始掃描，以便獲取焊縫起點附近的信息，之后焊槍運動控制機構啟動，這兩者之間的啟動延遲時間為可調的。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于激光測距的平板對接焊縫焊接軌跡檢測與控制方法，其特征在于所述步驟A中在對焊縫輪廓檢測數(shù)據(jù)處理過程中，采用對焊縫邊緣區(qū)域進行識別劃分，并對邊緣區(qū)域實現(xiàn)不同性質的濾波處理方法。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于激光測距的平板對接焊縫焊接軌跡檢測與控制方法，其特征在于所述步驟B中對焊接軌跡的在線動態(tài)擬合過程中，采用了分批重疊讀入型值點，并采用準均勻B樣條擬合的方法得到分段B樣條曲線，在整個邊檢測邊焊接進行過程中實現(xiàn)焊接軌跡的整體準均勻B樣條的性質。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于激光測距的平板對接焊縫焊接軌跡檢測與控制方法，包括以下步驟A.進行軌跡檢測；B.進行軌跡識別及提?。籆.進行軌跡控制；D.最后通過執(zhí)行機構動作來調節(jié)焊槍與焊縫之間的相對位置關系。本發(fā)明通過激光傳感器橫向掃描獲取焊縫輪廓的信息，在經(jīng)過有效的濾波處理后進行焊縫重建，實現(xiàn)焊縫的三維檢測，同時采用動態(tài)B樣條擬合算法，在焊縫檢測的同時擬合得到焊接軌跡曲線，并結合恒速B樣條軌跡插補算法，進行軌跡控制，從根本上解決平板對接焊縫自動焊接中的軌跡檢測與控制這一問題。經(jīng)采用本發(fā)明的方法現(xiàn)場試焊，焊縫輪廓識別精度達到0.15mm，焊接軌跡識別精度達到0.2mm，焊接速度是普通手工焊的4倍以上。
文檔編號B23K9/127GK101559512SQ200910015610
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月21日 優(yōu)先權日2009年5月21日
發(fā)明者田新誠, 濤 劉, 張光先 申請人:山東大學