貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統的製作方法
2023-05-06 13:11:46 3
專利名稱：貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及焊接貨櫃頂角件加強板機器人焊接系統領域，特別涉及該領域機器人焊接頂角件過程中使用的定位系統。
背景技術：
目前，貨櫃製造廠中80％的焊接工作都採用人工焊接，包括波紋焊、直焊、立焊、搭接焊等等。由於工裝粗糙很難實現自動化焊接，若改進工裝完全實現自動化又增加成本、降低生產速度，是目前競爭激烈的貨櫃生產行業無法並不願付諸實施的方式。但日益上升的以人為本、人性化管理的社會利益驅動，要求工人從惡劣的汙染環境中解脫出來，同時保證焊接質量和焊接效率。為解決這一問題，國際最大的貨櫃製造廠中國貨櫃製造有限公司青島分公司提出需求，針對不同的焊接工種，研究一種專用的自動焊接機器人。其中，貨櫃頂角件加強板的焊接工藝簡單，板形、尺寸都已知，但由於生產環境粗糙，工裝定位不準確，使得加強板位置、姿態不能精確定位，不能實現自動焊接；另外，這一工種要求加強板被焊在貨櫃的四個角上，需要四個工人來完成，造成佔用勞動力多、焊接成本過高的現象。因此，為滿足生產實際需求，研製開發一套成本低廉、定位精度高、使用方便，而且能夠被推廣應用的頂角件加強板自動焊接的定位系統已成為迫切之需。
發明內容
本發明的任務在於提供一種貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統，該系統能夠通過簡單的圖像處理算法和簡化的定位處理方式，實現一種快速、有效的加強板初始點定位和姿態識別方法。
其技術解決方案是 一種貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統，包括一臺攝像機，兩個雷射器，以及一臺電腦；其中攝像機光軸垂直工作平臺安裝，雙雷射器的光平面平行並捆綁在一起，與攝像機光軸成45°角安裝；攝像機通過圖像採集卡與電腦連接，電腦通過數據線路與焊接機器人連接，可以控制機器人執行相應操作。
上述攝像機、雙雷射器、吹風管安裝在直角支架上；吹風管固定在直角支架上，管口朝向工作平臺；攝像機通過1394卡與電腦連接，吹風管與雷射器直接接電源；電腦通過RS232協議與焊接機器人通信。
上述攝像機的圖像平面與工作平面平行，圖像平面與工作平面形成對應比例關係，並通過標準矩形模板獲得這一比例數據；初始安裝設備時，首先通過計算機設置工作坐標系原點，以模板的焊接初始點空間坐標為原點，本系統以第一個焊接目標為模板，模板兩條外邊分別為坐標系統x軸和y軸，並將其圖像信息存入模板庫；在在線定位過程中，雙雷射條紋打在加強板外角處，攝像機實時獲取帶有雷射標記的加強板圖像，並通過計算機處理獲得初始點的圖像信息和其姿態信息；最後通過圖像信息與空間信息的轉換關係得到實時加強板的空間初始點位置和姿態。
上述貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統，包含空間目標與其圖像之間對應關係的確立方式、在線目標信息與參考模板之間對應關係的確立方式、目標深度信息的獲取方式及在線目標信息的獲取方式； 上述空間目標與其圖像之間對應關係的確立方式如下 圖像平面與工作平面形成對應比例關係式為 利用攝像機採集一個已知尺寸的矩形模板圖像，從圖像中獲得該矩形模板以像素為單位的長寬尺寸，然後通過a＝x/u，b＝y/v，獲得圖像空間與物理空間的比例係數a，b； 上述在線目標信息與參考模板之間對應關係的確立方式如下 在工作平面坐標系中，將在線獲得的加強板圖像的6個點通過公式(1)轉化為空間坐標點將
與x軸方向的夾角記為θ，
向量記為t，空間點在坐標系x-O-y下的坐標為{(x1，y1)，(x2，y2)，...，(x6，y6)}，可通過下式獲得 求出(x1，y1)和(x2，y2)後，按照加強板的方向及已知尺寸確定其它各點位置； 上述目標深度信息的獲取方式如下 設三個平行平面，平面A為圖像平面，平面B和C是不同高度的空間平面，不同高度的同一物體所形成的圖像大小不同，具體推導過程如下 其中
的是事先已知的深度信息，
和
是同一目標的長度，由公式(3)和(4)可得 為了計算方便，將公式(5)轉化為 S1是圖像平面中小矩形的面積，S2是大矩形的面積。利用這一公式將目標形狀推廣到任意多邊形，任意姿態都存在這一關係，計算非常方便。這樣
為參考模板的深度信息，
為在線檢測到的目標深度信息。
上述在線目標信息的獲取方式如下 上述雷射標記，為兩條紅色雷射條紋，利用兩個雷射面在加強板上形成的轉折點，獲取焊接初始點位置；具體過程是，首先提取RGB顏色空間的R圖像，然後選取閾值對其進行二值化、去噪處理，在細化處理後得到光條的單像素圖，最後利用列掃描方法獲得條紋在加強板上形成的邊界點，通過四個邊界點擬和直線並求其交點，即焊接初始點的圖像坐標(u1，v1)，再通過霍夫變換獲得以(u1，v1)為起點順時針排序的第一個點(u2，v2)。
本發明貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統能夠通過簡單的圖像處理算法和簡化的定位處理方式，實現一種快速、有效的初始點加強板姿態識別和定位方法。該系統可通過系統設置的箱型參數確定加強板的大小、厚度尺寸，來配合有效算法完成任務。另外，由於加強板的大小、厚度尺寸是已知的，因此，一旦確定初始點位置和加強板姿態即可實現自動焊接任務。
圖1為本發明一種實施方式的原理簡圖，同時示出與本發明有關的其他物件。
圖2示出了與本發明有關的空間目標與圖像之間的一種對應關係。
圖3示出了與本發明有關的在線目標信息與參考模板之間的一種對應關係。
圖4示出了與本發明有關的目標深度信息的一種獲取方式。
圖5a～5e示出了與本發明有關的在線目標信息的一種獲取方式 下面結合附圖對本發明進行說明
具體實施例方式 如圖1所示，一種貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統，包括一臺攝像機1，兩個雷射器2，一個吹風管7，一臺電腦3或其他適宜的運算裝置。具體連接方式是攝像機、雙雷射器、吹風管安裝在直角支架8上，其中要求攝像機光軸垂直工作平臺安裝，雙雷射器的光平面平行並捆綁在一起，與攝像機光軸成45°角安裝；吹風管7固定在直角支架8上，管口朝工作平臺；攝像機通過1394卡11與電腦連接；吹風管與雷射及直接接電源；電腦3通過RS232協議與焊接機器人4通信，可以控制機器人執行相應操作(任務)。
上述攝像機的圖像平面與工作平面平行，圖像平面與工作平面形成對應比例關係，並通過標準矩形模板獲得這一比例數據；初始安裝設備時，首先通過計算機設置工作坐標系原點，以模板的焊接初始點空間坐標為原點，本系統以第一個焊接目標為模板，模板兩條外邊分別為坐標系統x軸和y軸，並將其圖像信息存入模版庫；在在線定位過程中，雙雷射條紋打在位於貨櫃頂板6加強板5的外角10處，攝像機實時獲取帶有雷射標記的加強板5的圖像，並通過計算機處理獲得初始點9的圖像信息和其姿態信息；最後通過圖像信息與空間信息的轉換關係得到實時加強板的空間初始點位置和姿態。
參圖2，由於光軸垂直工作平臺，即
垂直空間平面x-O″-y和圖像平面x-O′-y，並存在如下關係 利用攝像機採集一個已知尺寸的矩形模板圖像，從圖像中獲得該矩形模板以像素為單位的長寬尺寸，然後通過a＝x/u，b＝y/v，獲得圖像空間與物理空間的比例係數a，b。
參看圖3，在工作平面坐標系中，12為參考模板，13為在線加強板，O為空間坐標原點(0，0，0)，兩個外邊界分別為坐標x軸和y軸，參考模板的圖像信息事先存入模板庫。將在線獲得的加強板圖像的6個點通過公式(1)轉化為空間坐標點將
與x軸方向的夾角記為θ，
向量記為t，空間點在坐標系x-O-y下的坐標為{(x1，y1)，(x2，y2)，...，(x6，y6)}，可通過下式獲得 在實際應用中，我們只需求出(x1，y1)和(x2，y2)，即焊接初始點位置和加強板的方向，按照已知尺寸順序確定並排列出其他4個點。
參看圖4，有三個平行平面，平面A為圖像平面，平面B和C是不同高度的空間平面，不同高度的同一物體所形成的圖像大小不同，圖中顯示出，目標的深度信息與所成圖像的面積有關係，具體推導過程如下 其中
的是事先已知的深度信息，
和
是同一目標的長度，是相等的。由公式(3)和(4)可得 為了計算方便，將公式(5)轉化為 S1是圖像平面中小矩形的面積，S2是大矩形的面積。利用這一公式將目標形狀推廣到任意多邊形，任意姿態都存在這一關係，計算非常方便。這樣
為參考模板的深度信息，
為在線檢測到的目標深度信息。
參看圖5a～5e，為了提高圖像處理效率，在加強板打上兩條紅色雷射條紋，利用兩個雷射面在加強板上形成的轉折點，獲取焊接初始點，如圖5a。具體方法是首先提取RGB顏色空間的R圖像，如圖5b；然後選取合理的閾值對其進行二值化、去噪處理，如圖5c，在細化處理後得到光條的單像素圖，如圖5d、5e；最後利用列掃描方法獲得條紋在加強板上形成的邊界點，通過四個邊界點擬和直線並求其交點，即焊接初始點的圖像坐標(u1，v1)，再通過霍夫變換獲得以(u1，v1)為起點順時針排序的第一個點(u2，v2)，將(u1，v1)與(u2，v2)的方向角記為加強板的姿態。
本方法中的列掃描獲得邊界點，順時針排序能夠實現的前提是，本應用中，加強板位姿變化範圍小(位移＜5mm，角度＜5°)，因此，攝像機可以安裝在適合圖像計算的位置，即圖像u軸近似平行雷射條紋。
本發明是在焊接之前進行圖像採集，所以不會受到弧焊光線的影響，當焊接機器人換向或停頓時，先通過吹風管通風，把攝像機鏡頭前的煙霧和灰塵吹開，然後進行採集圖像。
權利要求
1、一種貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統，特徵是包括一臺攝像機，兩個雷射器，以及一臺電腦；其中攝像機光軸垂直工作平臺安裝，雙雷射器的光平面平行並捆綁在一起，與攝像機光軸成45°角安裝；攝像機通過圖像採集卡與電腦連接，電腦通過數據線路與焊接機器人連接，可以控制機器人執行相應操作。
2、根據權利要求1所述的貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統，其特徵在於所述攝像機、雙雷射器、吹風管安裝在直角支架上；吹風管固定在直角支架上，管口朝向工作平臺；攝像機通過1394卡與電腦連接，吹風管與雷射器直接接電源；電腦通過RS232協議與焊接機器人通信。
3、根據權利要求1所述的貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統，其特徵在於所述攝像機的圖像平面與工作平面平行，圖像平面與工作平面形成對應比例關係，並通過標準矩形模板獲得這一比例數據；初始安裝設備時，首先通過計算機設置工作坐標系原點，以模板的焊接初始點空間坐標為原點，本系統以第一個焊接目標為模板，模板兩條外邊分別為坐標系統x軸和y軸，並將其圖像信息存入模板庫；在在線定位過程中，雙雷射條紋打在加強板外角處，攝像機實時獲取帶有雷射標記的加強板圖像，並通過計算機處理獲得初始點的圖像信息和其姿態信息；最後通過圖像信息與空間信息的轉換關係得到實時加強板的空間初始點位置和姿態。
4、根據權利要求3所述的貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統，其特徵在於所述貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統，包含空間目標與其圖像之間對應關係的確立方式、在線目標信息與參考模板之間對應關係的確立方式、目標深度信息的獲取方式及在線目標信息的獲取方式；
上述空間目標與其圖像之間對應關係的確立方式如下
圖像平面與工作平面形成對應比例關係式為
利用攝像機採集一個已知尺寸的矩形模板圖像，從圖像中獲得該矩形模板以像素為單位的長寬尺寸，然後通過a＝x/u，b＝y/v，獲得圖像空間與物理空間的比例係數a，b；
上述在線目標信息與參考模板之間對應關係的確立方式如下
在工作平面坐標系中，將在線獲得的加強板圖像的6個點通過公式(1)轉化為空間坐標點
將
與x軸方向的夾角記為θ，
向量記為t，空間點
在坐標系x-O-y下的坐標為{(x1，y1)，(x2，y2)，...，(x6，y6)}，可通過下式獲得
求出(x1，y1)和(x2，y2)後，按照加強板的方向及已知尺寸確定其它各點位置；
上述目標深度信息的獲取方式如下
設三個平行平面，平面A為圖像平面，平面B和C是不同高度的空間平面，不同高度的同一物體所形成的圖像大小不同，具體推導過程如下
其中
的是事先已知的深度信息，
和
是同一目標的長度，由公式(3)和(4)可得
為了計算方便，將公式(5)轉化為
S1是圖像平面中小矩形的面積，S2是大矩形的面積。利用這一公式將目標形狀推廣到任意多邊形，任意姿態都存在這一關係，計算非常方便。這樣
為參考模板的深度信息，
為在線檢測到的目標深度信息。
上述在線目標信息的獲取方式如下
上述雷射標記，為兩條紅色雷射條紋，利用兩個雷射面在加強板上形成的轉折點，獲取焊接初始點位置；具體過程是，首先提取RGB顏色空間的R圖像，然後選取閾值對其進行二值化、去噪處理，在細化處理後得到光條的單像素圖，最後利用列掃描方法獲得條紋在加強板上形成的邊界點，通過四個邊界點擬和直線並求其交點，即焊接初始點的圖像坐標(u1，v1)，再通過霍夫變換獲得以(u1，v1)為起點順時針排序的第一個點(u2，v2)。
全文摘要
本發明公開一種貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統，特徵是包括一臺攝像機，兩個雷射器，以及一臺電腦；其中攝像機光軸垂直工作平臺安裝，雙雷射器的光平面平行並捆綁在一起，與攝像機光軸成45°角安裝；攝像機通過圖像採集卡與電腦連接，電腦通過數據線路與焊接機器人連接，可以控制機器人執行相應操作。本發明貨櫃頂角件加強板自動焊接定位系統能夠通過簡單的圖像處理算法和簡化的定位處理方式，實現一種快速、有效的初始點加強板姿態識別和定位方法。
文檔編號B23K37/00GK101301711SQ20081001697
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月27日 優先權日2008年6月27日
發明者王海霞, 曉 盧, 青 林, 明 劉, 張志獻, 朱蘇寧 申請人:山東科技大學