[发明专利]三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统及其跟踪方法

权利要求书

1.一种三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统，其特征在于，包括：三坐标直角机器人、工作台、线激光传感器、焊接电源、焊枪、焊接配套设备、焊枪夹持装置、嵌入式工业控制器和工件；

所述工件放置在工作台上，工件的位置和倾斜角度可以手动调节，线激光传感器固定安装在焊枪末端，焊枪通过焊枪夹持装置安装在三坐标直角机器人的Z轴上，三坐标直角机器人通过其X轴固定安装在工作台上，嵌入式工业控制器通过以太网线与线激光传感器相连，焊枪和焊接配套设备通过电缆线与焊接电源相连接，线激光传感器和焊枪通过三坐标直角机器人的运动而改变空间位置；

所述三坐标直角机器人包括：伺服系统和运动系统；所述伺服系统包括：伺服电机和伺服驱动器；所述运动系统：包括X轴方向线性模组、Y轴方向线性模组、Z轴方向线性模组、X轴和Y轴方向线性模组连接板、Y轴和Z轴方向线性模组连接板以及三个弹性联轴器；

将线激光传感器中相机采集到的图像先经过预处理后，采用高斯核相关跟踪算法，得到当前帧图像中焊缝中心特征点的像素坐标值，将该坐标值转换成相机坐标系下的三维坐标值之后，把该值与初始值的偏差值通过TwinCAT软件实时发送给三坐标直角机器人，从而带动焊枪完成自动焊接；

线激光传感器采集到焊缝的图像并发送回嵌入式工业控制器，控制器通过调用Halcon软件的库函数进行初始化，得到初始的焊缝特征点和相邻区域；嵌入式工业控制器将得到的初始特征点像素坐标值转换成相机坐标系下的三维坐标值，并以此坐标值作为基准与以后得到的坐标值进行比较，从而求出偏差值；线激光传感器以每秒60帧的速率不断地采集捕捉到的图像并发送给工业控制器进行处理计算；嵌入式工业控制器首先将得到的图像进行阈值处理、二值化和三幅图像相乘处理，使得得到的焊接图像中飞溅和弧光噪声大大减小，使得图像纯净度变高；将得到的图像进行高斯核相关算法处理，首先以初始的特征点为中心提取正样本，并在其周围提取负样本来进行样本训练，并通过循环矩阵来实现样本之间的转换；为了简化计算，引入高斯核函数将特征空间映射到更高维空间；通过傅里叶逆变换计算出新的一帧图像中特征点的坐标值；嵌入式工业控制器将得到的偏差值通过TwinCAT实时内核发送给伺服启动器；伺服驱动器给伺服电机发送一系列的脉冲，伺服电机通过弹性联轴器带动三坐标直角机器人运动，固定在三坐标直角机器人Z轴末端上的焊枪便会运动到焊缝中心点完成整个自动焊接过程。

2.根据权利要求1所述的三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统，其特征在于，所述工作台包括铝型材支架和支撑板，所述工件放置于焊接支撑板上，所述焊接支撑板放置于工作台下支撑板上，所述的X轴方向线性模组固定在工作台上支撑板上。

3.根据权利要求1所述的三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统，其特征在于，所述焊枪夹 持装置包括焊枪夹持器和焊枪连接板，焊枪夹持器夹持焊枪并起到绝缘作用，焊枪连接板将焊枪夹持器固定在Z轴线性模组上，焊枪固定在Z轴方向的线性模组上，并跟随Z轴线性模组一起运动。

4.一种应用于权利要求1所述的三坐标直角机器人线激光焊缝自动跟踪系统的跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、调整三坐标直角机器人的位置；

S2、焊接开始前，线激光传感器中的相机先采集图像并发送到嵌入式工业控制器，嵌入式工业控制器通过调用Halcon软件的库函数进行初始化，得到初始的焊缝特征点和相邻区域；

S3、嵌入式工业控制器将得到的初始特征点像素坐标值转换成相机坐标系下的三维坐标值，并以此坐标值作为基准与以后得到的坐标值进行比较，从而求出偏差值；

S4、焊接开始后，线激光传感器的相机连续采集每一帧图像，并发送至嵌入式工业控制器进行处理计算；

S5、嵌入式工业控制器首先将得到的图像进行阈值处理、二值化和三幅图像相乘处理，使得得到的焊接图像中飞溅和弧光噪声大大减小，使得图像纯净度变高；

S6、将得到的图像进行高斯核相关算法处理，首先以初始的特征点为中心提取正样本，并在其周围提取负样本来进行样本训练，并通过循环矩阵来实现样本之间的转换，一个样本的循环矩阵如下所示；

上式中，x＝[x₁ x₂ x₃ … x_n]为矩阵的第1行向量，表示用于训练的正样本，X为x经过循环偏移得到的循环矩阵，表示在正样本周围提取的所有负样本；

S7、引入高斯核函数将特征空间映射到更高维空间得到回归函数和傅里叶变换之后的解变为；

上式中，z表示初始的目标模型，表示z的傅里叶变换，表示训练样本样本x和z乘积的核函数，为待求的参数矩阵，列向量y表示回归值矩阵，λ为防止过拟合的正则化参数；

S8、通过傅里叶逆变换后可得到新的一帧中焊缝特征点的位置：

上式中，(c_i,r_i)表示当前帧特征点的行坐标和列坐标值，(c_i-1,r_i-1)表示上一帧特征点的行坐标和列坐标值，(Δc,Δr)表示特征点行坐标和列坐标值的变化量；

通过嵌入式工业控制器将其转换到相机坐标系下，并与初始化的坐标值进行比较，得到偏差值(Δy,Δz)；

S9、嵌入式工业控制器通过TwinCAT软件实时的将偏差(Δy,Δz)发送给伺服驱动器；

S10、伺服驱动器驱动伺服电机运动并通过弹性联轴器使得三坐标直角机器人运动，使焊枪末端的焊丝沿着工件的焊缝中点运动，完成三坐标直角机器人的焊缝自动跟踪。