[发明专利]基于激光视觉传感器的摆动焊接焊缝跟踪误差控制方法

说明书

本发明提供了一种基于激光视觉传感器的摆动焊接焊缝跟踪误差控制方法，包括以下步骤：获取焊接坡口的激光条纹图像；以前一时刻的激光条纹图像的特征条纹作为基准，在当前时刻的激光条纹图像中搜索，获得特征条纹的位置；获取特征条纹中的特征点在图像坐标系下的二维坐标值，并利用矩阵变换将特征点的二维坐标转换为机器人坐标系下的三维坐标值；对激光视觉传感器的时钟与机器人的时钟进行同步，根据激光条纹图像的采集时间，在机器人汇报坐标的时间戳序列中根据摆动周期运动规律参数寻找最近邻的前后两个汇报坐标并按时间戳进行插值，计算机器人的三维坐标值。消除了基于激光视觉传感器的焊缝跟踪中时钟不同步及机器人摆动带来的汇报坐标误差。

技术领域

本发明涉及智能化焊接技术领域，尤其涉及一种基于激光视觉传感器的摆动焊接焊缝跟踪误差控制方法。

背景技术

厚板钢结构对接焊接一般采用多层多道焊接，由于焊接装配精度和工件下料精度误差，以及焊接过程热变形，制约了机器人自动化焊接，需要解决焊接过程焊缝跟踪以确保焊接质量，避免焊偏、咬边、未熔合等缺陷。因此，为了实现智能化机器人焊接，实现精确的实时焊缝跟踪是十分重要的内容。为了确保侧壁熔合和确保高熔覆效率，一般采用摆动焊接。国内外学者对于焊缝跟踪进行了许多探索，传统方式是采用电弧跟踪，这种跟踪方式存在一定制约：(1)厚板坡口焊缝根部一般存在间隙，电流传感会存在干扰，易跟偏；(2)厚板一般多层多道焊时，在填充焊接过程中，被焊接区域没有明显侧壁，其电流传感敏感性不足，也易导致跟偏。

为了解决上述的一系列问题，通常使用基于激光传感器的视觉技术对于焊接过程中的焊缝进行实时的精确跟踪。激光视觉传感器如图1所示，图1为现有技术中提供的基于激光视觉传感器的摆动焊接焊缝跟踪的示意图，激光发生器1通过镜头调制，发射出线形激光，在空间中形成激光平面。线形激光照射到被焊工件2表面，在坡口出形成具有特征的激光条纹。CCD成像平面3接收到激光条纹后形成激光条纹图像4。图像中激光条纹的特征，反映了工件坡口处的形貌。激光焊缝跟踪具有装置简单，成本低，精确度高，实时性好的优势，并且在实际跟踪过程不易受到环境因素影响，稳定性较好。

然而基于激光视觉传感器的焊缝跟踪仍然存在一些问题。一个主要难点是，激光视觉摆动焊跟踪存在不可消除的误差。首先误差来自于时钟的不同步，具体来说，焊缝跟踪误差，在进行坐标转换过程中，手眼转换矩阵是以TCP点为依据的，而在实际操作过程中，TCP点的记录和图像采集周期并不同步，导致了进行手眼转换时使用的机器人坐标与采集图像是的机器人坐标并不一致，这是由机器人坐标汇报频率和图像采集频率不同造成的，成汇报坐标误差。如：汇报坐标周期为50Hz，图像采集周期为14Hz，且两者的触发开关不同，在不同步计时器的情况下，一幅图像的采集时刻与计算时机器人汇报的坐标最多相差10ms。

其次，误差来自于机器人(焊枪)的摆动。所述摆动焊接方式，指摆动运动的形式，在摆动焊接过程中，机器人的运动方式较为复杂，机器人摆动运动包括5个主要参数：摆动幅度A、摆动频率f、摆动方式、侧壁停留时间以及停留时间运动方式。摆动一般以sin摆形式或8字摆形式。停留时间运动方式分为“运动”和“停止”两种，如图2a-2c和如图3a-3c所示，图2a-2c分别为“运动”方式下机器人沿x方向、y方向以及总的运动轨迹；图3a-3c分别为“停止”方式下机器人沿x方向、y方向以及总的运动轨迹。

所述摆动运动方式的摆动幅度与摆动频率为摆动运动的幅度和频率。侧壁停留时间分为左侧停留时间和右侧停留时间，一个完整的摆动周期为T，其表达式如下：

如果将焊缝置于y方向，停留时间运动方式为停止，摆动运动表达式如下：

Δy＝A sin(θ)

焊枪焊接时的速度一般不超过5mm/s，汇报坐标误差带来的最大误差约为0.05mm，远小于焊丝直径和跟踪精度，对实际焊接过程的影响可忽略不计。而在摆动焊接过程中，焊枪的瞬时速度v的表达式如下：