1.一种窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法,采用窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪系统,所述的窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪系统包括窄间隙焊炬,还包括窄间隙焊接控制柜(14)、红外摄像机(8)、滤光系统(7)、电流传感器(13)、信号触发器(9)、图像实时传输模块(10)、计算机图像处理模块(11)和数据通讯模块(12);所述红外摄像机(8)对准焊接坡口(6)且与水平面成一夹角θ安置,(θ=10~80°),通过视频线缆分别与信号触发器(9)的输出端和图像实时传输模块(10)的输入端相连;信号触发器(9)的输入端通过导线分别与窄间隙焊接控制柜(14)和电流传感器(13)相连,所述窄间隙焊接控制柜(14)与所述窄间隙焊炬的电弧运动驱动器(3b)相连;所述窄间隙焊炬中的焊接电源(3e)一端与电弧运动驱动器(3b)相连、另一端连接电缆线穿过电流传感器(13)的检测环或串接电流传感器(13)后与焊接坡口(6)所在的工件相连;所述图像实时传输模块(10)包含图像采集卡和图像采集软件,通过视频线缆依次与包含有边缘提取模块、焊缝偏差值求取模块、焊缝偏差调节量求取模块的计算机图像处理模块(11)和包含有通讯协议、通讯软件和通讯接口的数据通讯模块(12)以及窄间隙焊接控制柜(14)相连,所述滤光系统(7)同轴设置在所述红外摄像机(8)前端,由滤光镜、减光镜和UV镜构成,其特征是,包括如下步骤:
1)实时采集图像:将电流传感器(13)检测到的电弧电流基值期信号ib和电弧位置信号Parc,单路或双路发送至信号触发器(9),控制红外摄像机(8)开始采集宽度和高度分别为h1(h1≤1024)和h2(h2≤1024)像素的焊前坡口图像或与电弧位置同步的焊接区域全局图像(15),并通过C或C++语言及图像处理软件开发图像采集程序,形成具有图像实时采集、保存和输出功能的图像实时传输模块(10),实现图像的实时传输,为窄间隙焊接焊前焊炬位置引导和焊缝跟踪控制提供实时图像;
2)提取坡口边缘,获取坡口中心位置xg:包括获取焊前坡口图像或焊接区域全局图像(15)的坡口中心位置xg;焊前坡口图像的坡口中心位置xg的获取,是根据实时采集的单帧焊前坡口图像,通过中点法或中线法,自适应定位高度为h5(5≤h5≤h2)像素的坡口左、右边缘ROI窗口,并自适应截取坡口左、右边缘ROI图像,通过计算机图像处理模块(11)中的焊前坡口边缘ROI图像处理方法,提取焊前坡口左边缘(4)和坡口右边缘(5),沿坡口边缘ROI窗口高度方向,通过计算均值或拟合值的方法获取坡口中心原始位置点分布,并通过均值法计算焊前坡口图像中的坡口中心位置xg;
针对焊接区域全局图像(15)的坡口中心位置xg的求取,是通过计算机图像处理模块(11)中的全局图像处理方法,提取焊接区域全局图像(15)中的电弧(2)位置,并通过电弧(2)位置自适应设置电弧(2)对侧的坡口边缘ROI窗口(16),截取高度为h3(5≤h3≤h2)像素的坡口边缘ROI图像,通过计算机图像处理模块(11)中的坡口边缘ROI图像处理方法,提取电弧(2)对侧的坡口左边缘(4)或坡口右边缘(5);根据从相邻两帧焊接区域全局图像(15)中提取的坡口左边缘(4)和坡口右边缘(5),沿坡口边缘ROI窗口高度方向,通过计算均值或拟合值的方法获取坡口中心原始位置点分布;通过基于变异系数的模式识别抗干扰算法,分析坡口中心原始位置点分布的离散度,并剔除异常的坡口中心原始位置点后,从保留的坡口中心有效位置点中通过计算均值或拟合值的方法获取焊接区域全局图像(15)的坡口中心位置xg,为窄间隙焊炬位置的纠偏提供依据;
3)提取焊丝轮廓,获取焊炬中心位置xe:包括获取焊前坡口图像和焊接区域全局图像(15)的焊炬中心位置xe;焊前坡口图像的焊炬中心位置xe获取,又包括焊丝停留时的焊前坡口图像和焊丝摇动时的焊前坡口图像;针对由图像实时传输模块(10)采集的焊丝停留或焊丝摇动状态下的焊前坡口图像,通过焊前焊丝ROI窗口,截取高度为h6(5≤h6≤h2)像素的焊前焊丝ROI图像,并通过焊前焊丝ROI图像处理方法,提取焊丝轮廓,获取焊前坡口图像的焊炬中心位置xe,用于窄间隙焊接的初始焊炬位置引导;
焊接区域全局图像(15)的焊炬中心位置xe获取,是通过电弧(2)同侧的焊丝ROI窗口(17),截取高度为h4(5≤h4≤h2)像素的焊丝ROI图像,通过焊丝ROI图像处理方法提取焊丝边缘和焊丝中心;根据从相邻两帧焊接区域全局图像(15)中,提取的焊丝左轮廓(包括焊丝左边缘和焊丝右边缘)、焊丝左中心或焊丝右轮廓(包括焊丝左边缘和焊丝右边缘)、焊丝右中心,通过焊丝单侧边缘检测法或焊丝双侧边缘检测法获取焊炬中心位置采样值;对获取的焊炬中心位置采样值通过数值滤波算法,获取焊接区域全局图像(15)的焊炬中心位置xe;
4)获取焊缝偏差值△xi:根据焊前坡口图像或焊接区域全局图像(15)分别获取的坡口中心位置和焊炬中心位置,通过计算机图像处理模块(11)中的焊缝偏差检测模块,按式△xi=(xg‑xe)分别计算焊前或焊接过程中焊炬相对于坡口中心的偏差值,获取焊前坡口图像或焊接区域全局图像(15)的焊缝偏差,为焊前焊炬位置引导和焊缝跟踪控制提供依据;
5)获取焊缝偏差调节量:针对获取的焊缝偏差值△xi,通过比例、积分、微分控制器,或与比例、积分、微分控制器相融合的可分离组合、智能控制器、复合控制器,开发窄间隙焊缝跟踪控制器,形成根据焊缝偏差大小自动匹配控制参数的焊缝跟踪控制器,从而获取焊缝偏差调节量;
6)纠偏操作:针对获取的焊缝偏差调节量,通过计算机语言开发数据通讯软件和通讯接口,形成具有数据保存和输出功能的数据通讯模块(12);通过数据通讯模块(12)将焊缝偏差调节量发送至窄间隙焊接控制柜(14),对焊炬进行焊前引导和焊接过程中的纠偏操作;
7)重复上述所述步骤1)至步骤6),直至焊接过程结束。
2.根据权利要求1所述的窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法,其特征是:在步骤2)中,所述中点法或中线法包括:通过搜索焊前坡口图像的中点坐标(h1/2,h2/2),或寻找焊前坡口图像的中线段位置x=h1/2或y=h2/2,基于初始坡口宽度值、焊前坡口图像的中点或中线段位置,经过上下和左右平移一定距离后,自动寻找焊前坡口图像的坡口左、右边缘ROI窗口位置,自适应截取焊前坡口边缘ROI图像。
3.根据权利要求1所述的窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法,其特征是:在步骤2)中,所述焊前坡口边缘ROI图像处理方法包括:中值滤波、形态学运算、自适应阈值和边缘提取算法。
4.根据权利要求1所述的窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法,其特征是:在步骤2)中,所述全局图像处理方法的步骤是:对焊接区域全局图像(15)进行中值滤波、直方图分析、全局阈值和形态学运算,提取电弧(2)的形态,通过灰度识别法,获取电弧最高点位置,并对连续多个电弧最高点位置的纵坐标值进行数值滤波,降低焊接干扰对电弧最高点位置的影响。
5.根据权利要求1所述的窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法,其特征是:在步骤2)中,所述坡口边缘ROI图像处理方法的步骤是:中值滤波去噪,对比度拉伸提高图像对比度,对ROI图像采用四等份分区阈值处理,再通过形态学运算剔除孤立点,然后采用Canny边缘算子提取坡口边缘。
6.根据权利要求1所述的窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法,其特征是:在步骤2)中,所述基于变异系数的模式识别抗干扰算法的步骤是:对获取的h3个坡口中心原始位置点进行n等份分区处理,通过变异系数(Coefficient of Variation,CV)公式(CV=标准差/平均数),计算每等份分区中坡口中心原始位置点的变异系数,保留最小变异系数对应等份中的坡口中心原始位置点,作为坡口中心真实位置点;将坡口中心真实位置点与h3个坡口中心原始位置点进行全局匹配,原位保留与坡口中心真实位置点具有相同数值的坡口中心原始位置点,作为坡口中心有效位置点;通过对坡口中心有效位置点进行线性拟合或计算均值的方法,获取坡口中心位置采样值;针对获取的连续多个坡口中心位置采样值,通过数值滤波算法对坡口中心位置采样值进行滤波,获取坡口中心位置值xg。
7.根据权利要求1所述的窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法,其特征是:在步骤3)中,所述焊前焊丝ROI图像处理方法步骤是:对截取的焊前焊丝ROI图像进行中值滤波、局部自适应阈值处理、形态学运算、Canny边缘算子提取焊丝轮廓;所述焊丝ROI图像处理方法步骤是:对截取的焊丝ROI图像进行中值滤波去噪、局部自适应阈值处理、形态学运算、Canny边缘算子提取焊丝轮廓。
8.根据权利要求1所述的窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法,其特征是:在步骤3)中,所述焊丝单侧边缘检测法是通过焊丝单侧边缘位置点分布的均值或拟合值作为焊炬中心位置采样值;包括焊丝内侧边缘检测法和焊丝外侧边缘检测法;所述焊丝内侧边缘检测法是指根据与焊丝停留同侧坡口边缘较近的焊丝边缘点分布,通过计算均值或拟合值的方法获取焊炬中心位置采样值;所述焊丝外侧边缘检测法是指根据与焊丝停留同侧坡口边缘较远的焊丝边缘点分布,通过计算均值或拟合值的方法获取焊炬中心位置采样值;所述焊丝双侧边缘检测法是根据提取的焊丝左、右边缘,先获取单侧焊丝左或右中心线位置点分布,再通过计算相邻两帧焊接图像中的焊丝左、右中心线位置点的均值或拟合值,获取当前帧焊炬中心位置采样值;所述数值滤波算法包括中值滤波、均值滤波、抗脉冲均值或中值滤波以及开发的数值滤波算法。
9.根据权利要求1所述的窄间隙焊接视觉传感焊缝跟踪方法,其特征是,在步骤4)中,所述表达式△xi=(xg‑xe),还表达为△xi=(xe‑xg)。