專利名稱：一種基于模板匹配的焊縫跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像處理領(lǐng)域，是一種自動焊接技術(shù)，特別是一種線性激光成像基于模板匹配的焊縫跟蹤方法。
背景技術(shù)：
焊縫的焊接過程是一個復(fù)雜、非線性、干擾因素較多的過程，焊接工件存在熱變形、咬邊、錯邊，以及焊縫間隙的變化等不可預(yù)知的因素，這些因素都會直接影響到焊接質(zhì)量。焊接過程中，焊槍與焊縫中心都會存在一定誤差，如果在“示教再現(xiàn)”或軌跡規(guī)劃應(yīng)用的基礎(chǔ)上，能進行實時焊縫糾偏，就可以進一步提高焊接精度，尤其適用于輔助工程上焊接易變形、裝配復(fù)雜等自動焊難以控制的工件生產(chǎn)。焊縫跟蹤就是尋縫對中，保持焊槍尖端始終在焊縫上。而保證焊接過程中對焊縫 位置的精確定位，是實現(xiàn)自動化焊接的前提和必要條件。目前，在現(xiàn)有的激光焊縫跟蹤實現(xiàn)方案中，一般采用機械、電磁、視覺等傳感器提供焊縫信息，由系統(tǒng)進行處理，實現(xiàn)焊槍位置控制。但是這樣的焊縫跟蹤系統(tǒng)一般是封閉的，是針對特定系統(tǒng)開發(fā)的傳感器及處理算法，如低層的接頭輪廓的提取和高層特征參數(shù)提取，包括V型接頭輪廓的分割方法、V型接頭特征判斷與提取、多線段近似的分裂算法等，針對不同的焊縫，需使用不同的算法，算法的適應(yīng)性不強，缺少通用、靈活和獨立的實時焊縫跟蹤。隨著焊接工藝精度、速度的提高，以及焊縫的多樣化，對激光焊接設(shè)備及圖像處理算法及速度都提出了較高的要求。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻檢索分析，發(fā)現(xiàn)譚民等人在專利“一種基于激光結(jié)構(gòu)光的焊縫跟蹤視覺傳感器”(專利號CN200410009931. 4)中的焊縫圖像處理模塊中，提供多種焊縫類型的資料，使用提取特征點的方法找到焊縫坐標(biāo)。在實際的計算中，選擇焊縫類型和工藝，或設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，然后調(diào)用相應(yīng)的圖像處理程序。姜春英等人在專利“一種激光焊接焊縫跟蹤實現(xiàn)裝置及其控制方法”(專利號CN200910012657. 9)中，針對V形接口 /搭接和等厚板、不等厚板對接等多種焊縫類型的不同情況設(shè)計了不同的參數(shù)，進行圖像處理算法參數(shù)設(shè)置，特征點提取。在上述文獻中，在系統(tǒng)中首先要保存大量的焊縫類型的資料以及相應(yīng)的圖像處理算法，針對不同的焊縫，設(shè)置不同的參數(shù)，使用不同的算法，在實際操作中缺乏通用性、靈活性，算法的適應(yīng)性不強，給操作人員帶來較多的操作步驟以及其他的不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于模板匹配的焊縫跟蹤方法，要解決焊縫跟蹤的偏差大、算法適應(yīng)性不強的技術(shù)問題；并解決自動應(yīng)對焊縫形狀漸變、突變的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種基于模板匹配的焊縫跟蹤方法，步驟如下
步驟一設(shè)備校準(zhǔn)，調(diào)整線性激光源發(fā)生器，將線性激光源發(fā)生器以一定的角度固定；調(diào)整焊槍的位置，將焊槍軸心和待焊接工件的焊縫中心調(diào)整到一個垂直平面上；將CXD攝像頭固定在焊槍正前方，垂直采集投射到待焊接工件的焊縫坡口處的條形光帶的圖像，并將采集的圖像傳到計算機中；
步驟二 在正式焊接工作開始前設(shè)定模板，將CCD攝像頭運動到形狀完整、規(guī)則的焊縫處，采集一幅圖像設(shè)定為模板，并記錄模板的位置；
步驟三正式焊接開始后設(shè)置感興趣區(qū)域(XD攝像頭勻速運動，CXD攝像頭實時采集圖像，并將采集的圖像傳到計算機中，通過圖像處理中的預(yù)處理設(shè)置感興趣區(qū)域；
步驟四，在上述區(qū)域內(nèi)搜索模板圖像，通過模板匹配算法尋找與模板相匹配的圖像，進行模板匹配，獲取焊縫中心的位置偏差；
步驟五若找到與模板匹配的圖像，根據(jù)步驟四所述的位置偏差來對焊槍位置進行偏差補償，通過工業(yè)控制計算機將位置偏差傳給運動控制卡控制電機，經(jīng)電機控制焊槍移動，保證焊槍軸心始終在焊縫中心的正上方；
步驟六若沒有找到與模板匹配的圖像，返回步驟三；
步驟七若沒有找到與模板匹配的圖像的次數(shù)大于設(shè)定的閾值，此次焊接結(jié)束，電機停止運動。上述步驟一中線性激光源發(fā)生器以一定角度固定，所述一定角度是線性激光源發(fā)生器投射到待焊接工件表面的激光條形線和焊縫坡口垂直。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下特點和有益效果
本發(fā)明設(shè)計一種基于線性激光成像的焊縫跟蹤方法。本方法操作簡潔、適應(yīng)性強，對采集到的圖像進行圖像預(yù)處理、濾波等，通過模板匹配算法等多種處理，獲取焊縫中心的位置偏差，根據(jù)該位置偏差來對焊槍位置進行偏差補償，從而避免焊偏，保證焊槍軸心始終在焊縫中心的正上方，保證了運輸管道的質(zhì)量。將線性激光源發(fā)生器投射到待焊接工件表面的激光條形線和焊縫坡口垂直，保證采集到的焊縫坡口圖像對稱、均勻、清晰、不變形。本發(fā)明是具有視覺功能的、能夠?qū)崟r自動焊縫跟蹤的方法，檢測空間范圍大，誤差容限大，焊接之前可在較大范圍內(nèi)尋找焊縫接頭；也就是在焊接路徑事先未知的情況下，能夠自主焊接，并將獲取焊縫中心的位置偏差傳給運動控制，移動電機到當(dāng)前焊縫的中心位置，引導(dǎo)焊槍運動。本發(fā)明具有智能化特點，且通用性好，可自動識別并捕捉焊縫區(qū)域，檢測和選定焊接的起點和終點，判斷定位焊點的接頭特征；可跟蹤任意形狀的焊縫，自動適應(yīng)焊縫形狀漸變、突變等情況，從而免除了對焊縫進行分類、設(shè)置等專業(yè)要求高的操作；
本發(fā)明的實時性能好，只對感興趣區(qū)域進行處理，計算速度快，克服了現(xiàn)有焊縫跟蹤的偏差大、算法適應(yīng)性不強等問題，本發(fā)明的精度高，可以獲得接頭截面精確的幾何形狀；可以在焊接過程中精確定位焊縫位置，提高焊縫跟蹤的精確性和可靠性，適用于各種形狀的焊縫跟蹤，不必事先存儲各種形狀焊縫的資料，也不需要設(shè)置過多的參數(shù)，以達到焊接過程中實現(xiàn)焊縫自動跟蹤的目的。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細的說明。圖1是本發(fā)明實施例的方法流程圖。
具體實施例方式 下面結(jié)合實例對本發(fā)明的實質(zhì)性特點和優(yōu)勢作進一步的說明，但本發(fā)明并不局限于所列的實施例。參見圖1所示該圖示出了本發(fā)明實施例提供的基于模板匹配的焊縫跟蹤方法流程圖。為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實施例有關(guān)的部分。一種基于模板匹配的焊縫跟蹤方法，步驟如下
步驟一設(shè)備校準(zhǔn)，調(diào)整線性激光源發(fā)生器，將線性激光源發(fā)生器以一定的角度固定，使其與CCD攝像頭存在一定的角度，激光源發(fā)生器發(fā)射激光束，經(jīng)柱面鏡形成很窄的激光平面，以一定角度照射到待焊接工件表面的焊縫上呈現(xiàn)出一束條形光帶。調(diào)整焊槍的位置，將焊槍軸心和待焊接工件的焊縫中心調(diào)整到一個垂直平面上；將CXD攝像頭固定在焊槍正前方，垂直采集投射到待焊接工件的焊縫坡口處的條形光帶的圖像，并將采集的圖像傳到計算機中；
上述步驟一中線性激光源發(fā)生器以一定角度固定，所述一定角度是線性激光源發(fā)生器投射到待焊接工件表面的激光條形線和焊縫坡口垂直，保證采集到的焊縫坡口圖像對稱、均勻、清晰、不變形。步驟二 設(shè)定模板，在正式焊接前，將CXD攝像頭運動到形狀完整、規(guī)則的焊縫處，采集一幅圖像設(shè)定為模板，并記錄模板的位置；
步驟三設(shè)置感興趣區(qū)域焊接開始后，焊槍和C⑶攝像頭勻速運動，CXD攝像頭實時采集圖像，并將采集的圖像通過圖像采集卡傳到工業(yè)控制計算機中，工作人員通過監(jiān)測傳送到工業(yè)控制計算機中的圖像，實時跟蹤焊縫焊接效果。工業(yè)控制計算機通過圖像處理中的預(yù)處理設(shè)置感興趣區(qū)域；所述感興趣區(qū)域是在CCD攝像頭采集到的焊縫圖像中設(shè)置較小的區(qū)域，該區(qū)域包含進行焊縫跟蹤所需要的特征信息，僅對此區(qū)域內(nèi)的圖像進行處理，削減了大量不必要的圖像信息，提高計算速度，增加實時性。步驟四在上述區(qū)域內(nèi)搜索模板圖像，通過模板匹配算法尋找與模板相匹配的圖像，進行模板匹配，獲取焊縫中心的位置偏差；由于待焊接工件表面的激光條形線存在一定的余高，使條形光帶的圖像產(chǎn)生相應(yīng)的變形，并向待焊接工件表面上方漫反射。條形光帶的的圖像形變真實的反映出了待焊接工件焊縫的結(jié)構(gòu)信息，所以通過處理CCD攝像頭采集圖像中的條形光帶，通過模板匹配算法尋找與模板相匹配的圖像，進行模板匹配，獲取焊縫中心的位置偏差。模板匹配算法是指模板滑動過整個圖像，比較模板與原圖像尺寸為w(模板寬度)Xh (模板高度)的重疊區(qū)域，將結(jié)果R (x，y)保存到圖像R中。公式如下
權(quán)利要求
1.一種基于模板匹配的焊縫跟蹤方法，其特征在于步驟如下步驟一設(shè)備校準(zhǔn)，調(diào)整線性激光源發(fā)生器，將線性激光源發(fā)生器以一定的角度固定； 調(diào)整焊槍的位置，將焊槍軸心和待焊接工件的焊縫中心調(diào)整到一個垂直平面上；將CXD攝像頭固定在焊槍正前方，垂直采集投射到待焊接工件的焊縫坡口處的條形光帶的圖像，并將采集的圖像傳到計算機中；步驟二 在正式焊接工作開始前設(shè)定模板，將CCD攝像頭運動到形狀完整、規(guī)則的焊縫處，采集一幅圖像設(shè)定為模板，并記錄模板的位置；步驟三正式焊接開始后設(shè)置感興趣區(qū)域(XD攝像頭勻速運動，CXD攝像頭實時采集圖像，并將采集的圖像傳到計算機中，通過圖像處理中的預(yù)處理設(shè)置感興趣區(qū)域；步驟四，在上述區(qū)域內(nèi)搜索模板圖像，通過模板匹配算法尋找與模板相匹配的圖像， 進行模板匹配，獲取焊縫中心的位置偏差；步驟五若找到與模板匹配的圖像，根據(jù)步驟四所述的位置偏差來對焊槍位置進行偏差補償，通過工業(yè)控制計算機將位置偏差傳給運動控制卡控制電機，經(jīng)電機控制焊槍移動， 保證焊槍軸心始終在焊縫中心的正上方；步驟六若沒有找到與模板匹配的圖像，返回步驟三；步驟七若沒有找到與模板匹配的圖像的次數(shù)大于設(shè)定的閾值，此次焊接結(jié)束，電機停止運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模板匹配的焊縫跟蹤方法，其特征在于上述步驟一中線性激光源發(fā)生器以一定角度固定，所述一定角度是線性激光源發(fā)生器投射到待焊接工件表面的激光條形線和焊縫坡口垂直。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于線性激光成像的焊縫跟蹤方法，步驟一設(shè)備校準(zhǔn)，調(diào)整線性激光源發(fā)生器，調(diào)整焊槍的位置，將CCD攝像頭固定在焊槍正前方，采集圖像并將采集的圖像傳到計算機中；步驟二設(shè)定模板；步驟三設(shè)置感興趣區(qū)域步驟四進行模板匹配，獲取焊縫中心的位置偏差；步驟五若找到與模板匹配的圖像，對焊槍位置進行偏差補償；步驟六若沒有找到與模板匹配的圖像，返回步驟三；步驟七若沒有找到與模板匹配的圖像的次數(shù)大于設(shè)定的閾值，電機停止運動。本發(fā)明可以在焊接過程中精確定位焊縫位置，提高焊縫跟蹤的精確性和可靠性，適用于各種形狀的焊縫跟蹤，以達到焊接過程中實現(xiàn)焊縫自動跟蹤的目的。
文檔編號B23K26/42GK103008881SQ20121051535
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者連軍莉, 付純鶴, 周慶亞, 孟憲俊 申請人:中國電子科技集團公司第四十五研究所