本發(fā)明涉及一種基于結(jié)構(gòu)光跟蹤傳感的焊縫實時跟蹤，特別涉及一種馬鞍形空間曲線的焊縫實時跟蹤的焊接控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

圓形管材在石油、化工、電力等工業(yè)領(lǐng)域中十分常見，對于石油、天然氣、水的輸送常用此類管材來運輸，管材之間相連接的相貫線焊縫也是非常典型的焊縫形式。這種管管之間相交的相貫線在行業(yè)中稱為馬鞍形焊縫。而在保證低成本和高焊接質(zhì)量的條件下，這些容器的筒體和與其連接的管道的焊接問題也是一個亟待解決的問題。

基于自動化焊接的種種優(yōu)勢，針對上述馬鞍形焊縫的焊接問題，國內(nèi)企業(yè)在原手工焊的情況下，也陸續(xù)采用自動或半自動的方式來實現(xiàn)相貫線焊縫的焊接。但是市場上大部分針對相貫線焊縫的焊接設(shè)備，一般缺少反饋及數(shù)字化管理，方法一般要采用示教再現(xiàn)的方法，操作復(fù)雜、適應(yīng)能力較差，只能滿足預(yù)先示教的特定路徑的焊縫，不能夠根據(jù)實際焊接工況準確調(diào)整焊槍的軌跡，實現(xiàn)焊接過程的自動化和數(shù)字化。因此，在相貫線焊縫焊接時，能自動適應(yīng)管道直徑和位置是實現(xiàn)機器人焊接應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題。

目前，將焊縫視覺傳感器應(yīng)用于焊接機器人的研究較為常見，主要應(yīng)用于直線焊縫或水平焊縫的焊接方面，但是把焊縫跟蹤傳感器應(yīng)用于壓力容器的管管相交的焊接方面的研究和應(yīng)用卻不多見。

因此，確有必要對現(xiàn)有技術(shù)和馬鞍形空間曲線的自動焊接設(shè)備做進一步的研究和改造，以解決現(xiàn)有技術(shù)之不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一在于針對上述不足，提供一種馬鞍形空間曲線的焊接控制系統(tǒng)，以期望實現(xiàn)馬鞍形焊接設(shè)備在完成馬鞍形焊縫軌跡的情況下，能夠根據(jù)焊接的實際工況準確調(diào)整焊接軌跡，解決焊接設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定性差、效率低、焊縫不能實時跟蹤等技術(shù)問題。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種馬鞍形空間曲線的焊接控制系統(tǒng)，采用了基于結(jié)構(gòu)光的跟蹤傳感系統(tǒng)，具體如下：

激光從激光器發(fā)出，經(jīng)過柱面透鏡后匯聚成寬度很窄的光帶，其最大特點是激光發(fā)射的光帶是結(jié)構(gòu)化的，在圖像處理過程中可以采用特定處理方法快速提取光帶圖像，對相應(yīng)的圖像信息進行采集，并且經(jīng)過圖像預(yù)處理，然后將信息送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對圖像進行處理，提取出所需的焊接信息，處理后送給機器人的驅(qū)動裝置。

作為優(yōu)選，進一步地技術(shù)方案是：所述結(jié)構(gòu)光跟蹤傳感系統(tǒng)工作原理如下：

圖像采集卡采集ccd攝像機所拍攝的焊縫圖片，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳送給運動實時跟蹤模塊，接著調(diào)用圖像處理程序進行圖像預(yù)處理（濾波、增強等）和圖像后處理（抽取焊縫中心線、檢測特征信號點）,將處理得到的偏差信號傳給dsp控制系統(tǒng)。

本發(fā)明另一方面還采用如下技術(shù)方案：提供了一種馬鞍形空間曲線的焊接控制系統(tǒng)，其包括如下步驟：

（1）根據(jù)焊接需求，在控制面板輸入各項焊接工藝參數(shù)，軌跡計算模塊按照預(yù)設(shè)編寫在多軸運動控制卡里面的插補算法和程序計算出理想的馬鞍形焊縫軌跡，將生成的焊接軌跡參數(shù)傳輸至控制系統(tǒng)；手工對焊槍位置進行調(diào)整，將焊縫的最高點作為馬鞍形焊接軌跡的初始起點；

（2）電機驅(qū)動模塊接入主軸回轉(zhuǎn)運動電機、橫向進給運動電機、縱向進給運動電機和焊槍旋轉(zhuǎn)電機，驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)完成馬鞍形焊縫的軌跡運動，在試運行階段，電機驅(qū)動模塊收到控制系統(tǒng)的信號，驅(qū)動電機帶動執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)的軌跡運動；在焊槍運行過程中，通過工作人員干預(yù)，根據(jù)實際工況對理想軌跡的部分軌跡點進行一定的插補算法調(diào)整，使其滿足實際需求;

（3）結(jié)構(gòu)光跟蹤傳感器安置在焊槍的前面,并且與焊槍固定，將焊槍的實時位置反饋給運動實時跟蹤模塊；焊接過程中，ccd攝像機將采集到的圖像傳送到圖像采集卡，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換后，將信號送入控制系統(tǒng)的運動實時跟蹤模塊進行處理，得到偏差信號后由電機驅(qū)動模塊控制伺服電機，對執(zhí)行機構(gòu)的運動進行調(diào)整以及對結(jié)構(gòu)光跟蹤傳感器和焊槍的位置調(diào)整,實現(xiàn)對焊縫的跟蹤;

（4）dsp控制系統(tǒng)根據(jù)運動實時跟蹤模塊反饋的焊槍當前位置，至少計算出當前焊槍的擺動角度和落差量，并傳輸至控制面板進行呈現(xiàn)。

進一步地，所述步驟（2）中軌跡試運行步驟具體包括：

步驟1：將焊接機器人移動到調(diào)整起點，即馬鞍形焊縫最高點位置；

步驟2：按下控制面板上的“試運行”按鈕，焊接設(shè)備會自動沿著理想軌跡運動；

步驟3：當有需要調(diào)整的軌跡點時，按下“暫停”按鈕，設(shè)備會停止運動，此時工作人員可以通過調(diào)整橫向進給機構(gòu)、縱向進給機構(gòu)和焊槍回轉(zhuǎn)機構(gòu)使焊槍末端到達合理的位置；按下“繼續(xù)”按鈕，控制系統(tǒng)軟件會根據(jù)一定的插補算法對調(diào)整點前后各一段距離進行平滑處理，然后根據(jù)調(diào)整后的新軌跡，繼續(xù)運動；

步驟4：如果遇到下一個需要調(diào)整的軌跡點，重復(fù)步驟（2）、（3），到整條軌跡調(diào)整完成。

進一步地，所述步驟（3）實現(xiàn)對焊縫的實時跟蹤具體步驟為：

圖像采集卡采集ccd攝像機所拍攝的焊縫圖片，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳送給運動實時跟蹤模塊，接著調(diào)用圖像處理程序進行圖像預(yù)處理（濾波、增強等）和圖像后處理（抽取焊縫中心線、檢測特征信號點）,將處理后的偏差信號傳給dsp控制系統(tǒng)，系統(tǒng)得到信號后，由電機驅(qū)動模塊操縱伺服電機控制橫向、縱向和焊槍的擺動機構(gòu)，完成相應(yīng)的進給運動調(diào)整以及結(jié)構(gòu)光跟蹤傳感器和焊槍的位置調(diào)整,實現(xiàn)對焊縫的跟蹤。

所述伺服電機至少為四個，分別用于帶動焊槍在橫向和縱向兩個方向上的往復(fù)移動、焊槍的擺動以及主軸的回轉(zhuǎn)運動。

本發(fā)明具有如下有益效果：

（1）本發(fā)明提供了一種馬鞍形空間曲線的焊接控制系統(tǒng)，滿足了壓力容器管道與接管相貫形成的馬鞍形空間曲線的焊接需求，能夠?qū)崿F(xiàn)不同直徑，不同焊接速度等工藝參數(shù)產(chǎn)生的馬鞍形的空間曲線焊縫。并且能夠根據(jù)焊接的實際工況準確調(diào)整焊接軌跡；

（2）本發(fā)明通過提供一種馬鞍形空間曲線的焊接控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對相貫線焊接機器人運動控制系統(tǒng)的研究，改善了相貫線焊接機器人的適應(yīng)能力，提高了焊接效率和穩(wěn)定性以及焊接過程的自動化和數(shù)字化程度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種馬鞍形空間曲線的焊接控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)光跟蹤傳感系統(tǒng)的基本工作原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本說明作進一步闡述。

參考圖1所示，本發(fā)明的一個實施例是一種馬鞍形空間曲線的焊接控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于壓力容器與接管之間的馬鞍形空間曲線的自動焊接，其在系統(tǒng)組成上主要有如下模塊：

dsp控制系統(tǒng)，分別接入控制面板和三大軟件模塊。其作用是根據(jù)控制面板輸入的各項焊接參數(shù)，計算出馬鞍形的焊接軌跡，并生產(chǎn)焊接軌跡參數(shù)傳輸至電機驅(qū)動模塊；

控制面板，連接控制系統(tǒng)，在界面上根據(jù)焊接要求，輸入不同筒體、接管直徑、焊接速度等工藝參數(shù)，傳送給控制系統(tǒng)，計算出不同的馬鞍形焊縫軌跡，滿足焊接需求。

電機驅(qū)動模塊，接入主軸回轉(zhuǎn)運動電機、橫向進給運動電機、縱向進給運動電機和焊槍擺動電機，驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)完成馬鞍形焊縫的軌跡運動；

軌跡計算模塊，根據(jù)控制面板輸入的焊接工藝參數(shù)，計算出理想的馬鞍形焊縫軌跡，并在試運行階段，根據(jù)實際焊接要求，對理想軌跡的部分軌跡點進行一定的插補算法調(diào)整；

運動實時跟蹤模塊，根據(jù)結(jié)構(gòu)光跟蹤傳感系統(tǒng)采集的焊縫圖像，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后，調(diào)用圖像處理程序，進行圖像預(yù)處理（濾波、增強等）和圖像后處理（抽取焊縫中心線、檢測特征信號點）,將處理后的偏差信號傳給dsp控制系統(tǒng)，系統(tǒng)得到信號后，由電機驅(qū)動模塊操縱伺服電機完成相應(yīng)的進給運動調(diào)整以及結(jié)構(gòu)光跟蹤傳感器和焊槍的位置調(diào)整,實現(xiàn)對焊縫的跟蹤。

再參考圖1所示，本發(fā)明的一個實施例的具體實施步驟如下：

工作人員在控制面板輸入各項焊接工藝參數(shù)后，軌跡計算模塊開始按照預(yù)設(shè)在多軸運動控制卡里面的插補算法和程序計算出理想的馬鞍形焊縫軌跡，將生成的焊接軌跡參數(shù)傳輸至控制系統(tǒng)。

手工對焊槍位置進行調(diào)整，將焊縫的最高點作為馬鞍形焊接軌跡的初始起點。

控制系統(tǒng)將信號傳送給電機驅(qū)動模塊，電機驅(qū)動模塊接入主軸回轉(zhuǎn)運動電機、橫向進給運動電機、縱向進給運動電機和焊槍擺動電機，驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)完成馬鞍形焊縫的軌跡運動。在試運行階段，根據(jù)焊接的實際工況，在人工干預(yù)的條件下，可對理想軌跡的部分軌跡點進行一定的插補算法調(diào)整，使其滿足實際焊接要求。

結(jié)構(gòu)光跟蹤傳感器安置在焊槍的前面,并且與焊槍固定，將焊槍的實時位置反饋給運動實時跟蹤模塊；dsp控制系統(tǒng)根據(jù)反饋的位置信息，傳輸至控制面板進行顯示。

焊接過程中，ccd攝像機將采集到的圖像傳送到圖像采集卡，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換后，將信號送入控制系統(tǒng)的運動實時跟蹤模塊進行處理，得到偏差信號后由電機驅(qū)動模塊控制伺服電機，對執(zhí)行機構(gòu)的運動進行調(diào)整以及對結(jié)構(gòu)光跟蹤傳感器和焊槍的位置調(diào)整,實現(xiàn)對焊縫的跟蹤。

參考圖2所示，所述結(jié)構(gòu)光跟蹤傳感系統(tǒng)，激光從激光器發(fā)出，經(jīng)過柱面透鏡后匯聚成寬度很窄的光帶，其最大特點是激光發(fā)射的光帶是結(jié)構(gòu)化的，因此在圖像處理過程中可以采用特定處理方法快速提取光帶圖像，基于結(jié)構(gòu)光的焊縫跟蹤傳感系統(tǒng)的基本工作原理圖如下：

圖像采集卡采集ccd攝像機所拍攝的焊縫圖片，經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳送給運動實時跟蹤模塊，接著調(diào)用圖像處理程序進行圖像預(yù)處理（濾波、增強等）和圖像后處理（抽取焊縫中心線、檢測特征信號點）,將處理后的偏差信號傳給dsp控制系統(tǒng)，系統(tǒng)得到信號后，由電機驅(qū)動模塊操縱伺服電機控制橫向、縱向和焊槍的擺動機構(gòu)，完成相應(yīng)的進給運動調(diào)整以及結(jié)構(gòu)光跟蹤傳感器和焊槍的位置調(diào)整,實現(xiàn)對焊縫的跟蹤。

本發(fā)明為馬鞍形空間曲線的焊接控制提供了系統(tǒng)平臺，通過在控制面板輸入不同焊接工藝參數(shù)，軌跡計算模塊計算出理想的焊接軌跡，實現(xiàn)了不同直徑，不同焊接速度等工藝參數(shù)產(chǎn)生的焊縫，同時能夠根據(jù)焊接的實際工況準確調(diào)整焊接軌跡?；诮Y(jié)構(gòu)光跟蹤傳感系統(tǒng)，在滿足了焊接機器人管管相貫的焊接需求的同時，保證了焊縫的質(zhì)量，提高了焊接效率和穩(wěn)定性以及焊接過程的自動化和數(shù)字化程度。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當之處，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，再不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。