基于视觉检测的激光焊接路径自动规划系统的制作方法

本发明涉及激光焊接与视觉检测，具体是基于视觉检测的激光焊接路径自动规划系统。

背景技术：

1、激光焊接路径的规划质量直接决定焊缝成形质量和焊接效率，激光焊接要求激光光斑始终对准焊缝中心线，光斑偏离焊缝间隙超过其半径即可能导致焊接失效，因此，焊接路径必须与焊缝中心线在空间上保持高度一致；

2、目前激光焊接路径的获取主要依赖人工示教和离线编程两种方式；人工示教由操作人员控制机器人沿焊缝行走并记录轨迹点，对操作人员经验要求高，示教耗时随焊缝长度和弯曲程度显著增加，且不同操作人员示教结果一致性差；离线编程基于工件cad模型生成路径，但实际焊接中工件装夹误差、热变形和来料尺寸偏差都会使实际焊缝位置偏离cad模型，导致离线生成的路径需要现场修正；

3、基于视觉传感的焊缝识别方法，通过工业相机获取焊接区域图像，再从图像中识别焊缝中心线；但激光焊接面对的焊缝间隙通常处于亚毫米级，在图像中仅占十余个像素，属于细弱线状结构；与此同时，金属母材表面存在划痕、油渍、氧化色差和高光反射等干扰，其中划痕在灰度特征上与焊缝间隙相似，高光反射则可能完全遮蔽焊缝间隙；现有视觉识别方法在焊缝间隙灰度过弱或母材表面干扰较强时，容易发生漏检、断线或把划痕误识别为焊缝的问题，难以稳定地输出满足激光焊接精度要求的连续焊缝中心线；

4、如何从焊接区域图像中稳定提取焊缝中心线，并将图像中的中心线直接转化为可供激光焊接执行使用的焊接路径，是我们所需要解决的问题，为此，现提供基于视觉检测的激光焊接路径自动规划系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于视觉检测的激光焊接路径自动规划系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：基于视觉检测的激光焊接路径自动规划系统，包括：

3、图像采集模块，采集包含焊缝间隙的焊接区域灰度图像并进行预处理；

4、响应计算模块，对灰度图像中每个像素，在多个预设方向构建矩形窗口，计算窗口内部区域与两侧邻域区域的灰度均值差，取最大值作为该像素的线状结构一致性响应值，对应方向记为线方向，生成响应图和线方向图；

5、候选点提取模块，对响应图进行非极大值抑制得到初始候选点集，对每个候选点，基于线方向图计算方向一致性评分，并与线状结构一致性响应值融合筛选得到候选线点集合；

6、中心线生成模块，基于线方向图对候选线点进行方向引导连接，并滤除不满足连续性条件的线段，得到焊缝中心线；

7、路径生成模块，对焊缝中心线进行曲率约束下的平滑拟合，将像素坐标转换为焊接坐标系，并结合焊接速度和离焦量对路径进行插值加密，生成激光焊接路径。

8、优选的，采集包含焊缝间隙的焊接区域灰度图像的过程包括：

9、将工业相机固定于焊接区域上方，调整相机光轴使其垂直于焊缝所在平面；开启环形led光源对焊接区域进行照明；触发相机采集焊接区域原始彩色图像；对原始彩色图像进行灰度转换，得到包含焊缝间隙的焊接区域灰度图像。

10、优选的，对灰度图像进行预处理的过程包括：

11、对灰度图像中灰度值超过饱和阈值的像素进行高光抑制处理，将饱和像素的灰度值按其邻域内非饱和像素灰度值的均值进行替换；对高光抑制后的图像采用中值滤波进行去噪处理；对去噪后的图像进行灰度线性拉伸，将焊缝间隙与母材表面的灰度对比度增强至预设范围，得到预处理后的灰度图像。

12、优选的，构建矩形窗口，计算窗口内部区域与两侧邻域区域的灰度均值差的过程包括：

13、遍历预处理后的灰度图像中的每个像素，以当前像素为中心，在多个预设方向上构建矩形窗口，每个矩形窗口划分为内部区域、第一侧邻域区域和第二侧邻域区域；分别计算内部区域、第一侧邻域区域和第二侧邻域区域内全部像素的灰度均值；将内部区域灰度均值与两侧邻域灰度均值的平均值作差并取绝对值，得到当前像素在当前预设方向上的灰度均值差。

14、优选的，取最大值作为线状结构一致性响应值，并生成响应图和线方向图的过程包括：

15、对每个像素，将其在各预设方向上的灰度均值差进行比较，取最大值作为该像素的线状结构一致性响应值，将最大值对应的方向编号记为线方向；建立与预处理后的灰度图像尺寸相同的响应图矩阵和线方向图矩阵，将各像素的线状结构一致性响应值和线方向分别写入响应图矩阵和线方向图矩阵中对应位置，输出响应图和线方向图。

16、优选的，对响应图进行非极大值抑制得到初始候选点集的过程包括：

17、遍历响应图中的每个像素，对线状结构一致性响应值不为零的像素，从线方向图中读取其线方向，沿该线方向的法线方向取前后相邻的两个像素；若当前像素的线状结构一致性响应值大于前后两个相邻像素的线状结构一致性响应值，则将当前像素加入初始候选点集，并记录其空间坐标和响应值；全部像素遍历完成后得到初始候选点集。

18、优选的，基于线方向图计算方向一致性评分，并与响应值融合筛选得到候选线点集合的过程包括：

19、对初始候选点集中的每个候选点，沿其线方向前后各取一段局部邻域，读取邻域内各像素的线方向，计算各像素方向与候选点线方向之间的角度偏差，取平均后得到方向一致性评分；将每个候选点的线状结构一致性响应值与方向一致性评分按预设权重加权求和，得到综合评分；将综合评分与筛选阈值比较，保留综合评分不低于筛选阈值的候选点，形成候选线点集合。

20、优选的，对候选线点进行方向引导连接，并滤除不满足连续性条件的线段，得到焊缝中心线的过程包括：

21、从候选线点集合中选取未连接的候选线点作为起始点，沿其线方向前后搜索，将方向偏差不超过预设阈值且间隔不超过预设像素数的候选线点依次连接，形成初始连接线段；对每条初始连接线段，统计其包含的候选线点数量和线段长度，将候选线点数量和线段长度均不低于预设阈值的线段保留，作为焊缝中心线输出。

22、优选的，生成激光焊接路径的过程包括：

23、对焊缝中心线进行平滑处理，并对平滑后的中心线施加曲率约束，使各局部位置的曲率不超过预设曲率阈值；将满足曲率约束的焊缝中心线各点的像素坐标转换为焊接坐标系下的物理坐标，得到路径点序列；在相邻路径点之间按预设插值间距插入中间点，并为每个路径点附加预设的焊接速度和离焦量参数，生成包含路径点物理坐标、焊接速度和离焦量的激光焊接路径。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：在多个预设方向构建矩形窗口计算灰度均值差，并取最大值作为响应值，增强对焊缝间隙这类弱线状结构的检测能力；通过非极大值抑制与方向一致性评分融合筛选，有效抑制了母材表面划痕、油渍和高光反射等干扰，提高了候选线点提取的准确性；通过方向引导连接与连续性过滤，将离散候选线点恢复为连续焊缝中心线，克服了焊缝间隙细小、方向多变导致的中心线断裂问题；在此基础上进行曲率约束平滑拟合、坐标转换和插值加密，将图像中的焊缝中心线直接转换为可供焊接执行机构使用的焊接路径，实现了从视觉检测到焊接路径生成的自动化，提高了激光焊接的自动化程度与路径规划精度。