技术干货丨基于结构光视觉的焊缝初始点导引及跟踪

焊缝初始点导引是指焊接开始前控制焊枪的枪尖自动对准焊缝初始点。焊缝初始点导引不仅是智能化焊接的一项关键技术，也是实现后续焊缝跟踪的前提。由于视觉传感器具有非接触、信息量大的特点，已越来越多的用于实现焊缝初始点导引。视觉传感器主要包括结构光视觉传感器和被动光视觉传感器，其中结构光视觉传感器具有精度高、鲁棒性好的优点，被广泛应用于对接坡口、搭接、角接焊缝的初始点导引。
焊缝初始点导引系统主要由三部分组成：机器人系统、结构光视觉传感器和工业计算机。机器人系统包括六自由度的 MOTOMAN Yaskawa机器人和DX200控制器；结构光视觉传感器安装在焊枪前方，激光器投射结构光平面到焊接工件上，并与焊接工件表面相交形成变形的激光条纹，工业相机采集激光条纹图像，并通过工业以太网传输到工业计算机；工业计算机运行初始点导引算法，并作为该系统的人机接口，焊缝初始点导引系统如下图所示。 
在结构光视觉传感器的基础上，添加一个LED面光源，组成双源结构光视觉传感器，LED光源的波长与半导体激光器的波长和窄带滤光片的中心波长相同。这样投射到工件表面的光线会通过反射进入到相机内，投射到焊缝间隙的光线不会通过反射进入相机。
为了实现焊缝初始点的导引，采用双源结构光视觉传感器获取焊缝初始点的三维坐标。整个初始点导引过程包括以下三个步骤：
（1）结构光视觉传感器位置初始化：控制焊接机器人运动使得激光条纹投射到焊接工件上。
（2）焊缝初始点查找：控制机器人沿着焊接的反方向移动，利用激光条纹特征点检测算法实时提取激光条纹特征点的图像坐标，结合结构光视觉测量模型，可以实时获得激光条纹特征点的三维坐标。当激光条纹位于工件上时，激光条纹特征点Z 坐标的导数变化缓慢。然而，当激光条纹到达焊缝初始点时，特征点Z 坐标的导数明显改变。因此，使用二阶差分算子得到焊缝初始点。
（3）初始点对准：在得到焊缝初始点的三维坐标之后，将坐标值输入给机器人控制器DX200，控制焊枪达到焊缝初始点位置。
焊缝跟踪是指焊接过程中利用传感器获得由于工件的一致性差和热变形等原因引起的焊枪与焊缝之间的位置偏差，并将偏差发送给焊接机器人完成纠偏，保证焊枪对准焊缝。焊缝跟踪是智能化焊接的一项关键技术，是保证焊接接头成形和质量的前提。结构光视觉传感器由于具有精度高、鲁棒性好的优点，被广泛应用于对接坡口、搭接、角接等焊缝的跟踪过程中。
焊缝跟踪的步骤：
机器人自动化焊接包括缝初始点导引和焊缝跟踪两个阶段 。首先，控制焊接机器人运动使得激光条纹投射到焊接工件上，控制机器人沿 Y 轴方向移动检测激光条纹特征点，然后进行焊缝初始点导引，控制焊接机器人运动使焊枪***对准焊缝初始点。随后控制机器人沿着焊接方向移动，同时实现水平和竖直两个方向的焊缝跟踪。
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