本发明涉及自动化焊缝打磨，尤其是指一种基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨方法、系统及装置。
背景技术：
1、搅拌摩擦焊(fsw)技术，作为一种先进的固相连接工艺，其核心在于利用高速旋转的搅拌工具(搅拌头)在待焊工件的接合界面处进行摩擦热输入，促使材料局部软化至热塑性状态。随着搅拌头沿预设的焊接轨迹行进，软化的材料被有效搅拌并向后迁移，随后在冷却过程中凝固结合，形成高质量的焊接接头。此过程中，搅拌头施加适量的轴向压力，确保搅拌作用深入接缝，同时控制残余应力与变形至较低水平，从而适用于对焊接质量要求严苛的航空、航天、船舶及汽车等高端制造领域。
2、然而，fsw过程中若轴向压力过大或焊接参数配置失当，可能导致热塑性金属未能充分迁移至焊缝中心与母材充分融合，而是部分被挤出搅拌头周围，冷却后形成飞边缺陷。飞边的存在不仅影响产品的外观美观性，还可能对产品的机械性能和密封性造成不利影响，因此，在fsw质量控制体系中，飞边的彻底去除被视为关键环节之一，需通过后续的打磨处理加以实现。
3、当前，针对fsw焊缝飞边的去除，主要采用手工打磨与机器人示教打磨两种方法。手工打磨依赖于操作人员的经验与技巧，通过手持打磨工具对焊缝区域进行精细作业，但此过程伴随的粉尘污染与噪音危害不容忽视，且长时间的重复性劳动易导致打磨质量波动，效率低下，难以满足大规模生产的需要。机器人示教打磨虽能提升作业精度与效率，但对操作员的技术水平要求高，且仍需人员介入打磨环境进行编程与监控，未能完全规避恶劣工作环境对健康的潜在威胁。
4、此外，工件本身的几何复杂性(如弧度、夹持变形)以及飞边形态的多样性、铝合金焊缝表面的高反光特性，共同构成了对视觉检测与识别技术的严峻挑战，增加了打磨路径规划算法的复杂度。为了实现高质量的fsw焊缝飞边打磨，必须确保打磨路径规划的高精度，同时打磨工艺需精细控制，既要避免过打磨导致的母材损伤，又要确保焊缝过渡区域的平滑无缺陷，这对整个打磨系统的智能化、自动化水平提出了极高的要求。
技术实现思路
1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的传统手工与机器人示教打磨方式在效率、质量控制及智能化水平等方面存在显著局限性，难以满足高质量、高效率的生产需求的问题。
2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨方法、系统及装置，所述方法包括以下步骤：
3、s1：获取焊缝的激光图像，对所述激光图像进行灰度阈值分割，得到激光条纹图像；
4、s2：提取所述激光条纹图像的亚像素特征点，得到激光条纹中心线，将所述激光条纹中心线的二维点集转换到三维空间中，形成激光条纹三维点云；
5、s3：对所述激光条纹三维点云进行特征提取，得到飞边区域的特征数据；
6、s4：基于所述飞边区域的特征数据，规划出打磨路径，利用打磨工具沿着所述打磨路径对焊缝的飞边区域进行打磨加工。
7、在本发明的一个实施例中，在s2中，得到激光条纹中心线的方法为：
8、s21：对所述激光条纹图像进行去噪和增强其对比度，得到预处理后的激光条纹图像；
9、s22：基于所述预处理后的激光条纹图像，计算每个像素点的二阶导数矩阵；
10、s23：通过计算所述二阶导数矩阵的行列式和迹，提取所述预处理后的激光条纹图像的特征点；
11、s24：利用像素点的灰度值对所述特征点进行泰勒级数展开，得到泰勒级数展开式，通过求解所述泰勒级数展开式的导数等于零的方程，得到亚像素特征点的坐标；
12、s25：将检测到的亚像素特征点连接起来，形成激光条纹中心线。
13、在本发明的一个实施例中，所述二阶导数矩阵h的表达式为：
14、
15、其中，ixx、iyy分别是像素点在x和y方向上的二阶导数，ixy＝iyx是混合二阶导数。
16、在本发明的一个实施例中，在s2中，形成激光条纹三维点云的方法如下：
17、s211：获取所述激光条纹中心线的二维亚像素精度坐标，通过手眼标定得到的相机内参矩阵和激光平面位置，将所述二维亚像素精度坐标转换为相机坐标系下的三维坐标；
18、s212：利用手眼转换矩阵，将相机坐标系下的三维坐标转换为机器人工具坐标系下的三维坐标；
19、s213：将所有机器人工具坐标系下的三维坐标点集合起来，得到激光条纹三维点云。
20、在本发明的一个实施例中，s211中，将所述二维亚像素精度坐标转换为相机坐标系下的三维坐标的方法如下：
21、将二维亚像素精度坐标(u,v)转换为齐次坐标形式的像素坐标(u,v,1)t；
22、利用所述相机内参矩阵，将所述齐次坐标形式的像素坐标(u,v,1)t转换成相机坐标系下的三维坐标(x,y,1)t，其转换公式为：
23、(x,y,1)t＝k-1·(u,v,1)t
24、其中，k为相机内参矩阵，其表达式为：
25、
26、其中，(fx,fy)为相机的焦距，fx和fy分别对应于图像的像素点在水平和垂直方向上的焦距，(cx,cy)为相机的光心，cx和cy分别对应于光心在水平和垂直方向上的坐标。
27、在本发明的一个实施例中，s212中，将相机坐标系下的三维坐标转换为机器人工具坐标系下的三维坐标的方法如下：
28、根据相机的深度值z对相机坐标系下的三维坐标(x,y,1)t的x、y轴坐标进行变换，得到变换后的三维坐标
29、通过所述变换后的三维坐标x拉伸至机器人工具坐标系中，得到机器人工具坐标系下的三维坐标x‘：
30、x‘＝trc·x
31、其中，trc为手眼转换矩阵，其表达式为：
32、
33、其中，r为旋转矩阵，t为平移向量。
34、在本发明的一个实施例中，s3中，得到飞边区域的特征数据的方法如下：
35、s31：对所述激光条纹三维点云进行体素滤波，对体素滤波后的点云数据进行聚类分割，得到下采样后的点云数据；
36、s32：基于所述下采样后的点云数据，获取每个样本点的邻域，使用邻域内所有数据点的坐标构建协方差矩阵；
37、s33：对所述协方差矩阵进行主成分分析，得到三个特征向量和对应的特征值，将最小特征值对应的特征向量作为该数据点的法向量；
38、s34：基于邻域内所有数据点的法向量，计算出对应样本点的曲率值，从而获取所述下采样后的点云数据中所有样本点的曲率值；
39、s35：基于所有样本点的曲率值，将所述曲率值高于阈值的样本点作为飞边特征区域的特征数据。
40、在本发明的一个实施例中，在s4中，规划出打磨路径的方法如下：
41、s41：对所述飞边区域的特征数据分段去噪，得到去噪后的特征数据，对所述去噪后的特征数据进行拟合处理，得到拟合直线；
42、s42：循环处理所述去噪后的特征数据中的每一个点，计算其到拟合直线的垂足，为所有飞边区域点云建立第一kd-tree结构；
43、s43：对于每个垂足，使用所述第一kd-tree结构搜索其邻域内的飞边点云，计算这些飞边点云的包围盒体积中心和质心，并根据给定的权重计算加权中心点，所述加权中心点将作为该邻域的飞边修正中心点；
44、s44：为所有母材点云构建第二kd-tree结构，对于每个飞边修正中心点，通过所述第二kd-tree结构搜索其邻域内的点云，得到母材邻域点云；
45、s45：使用所述母材邻域点云拟合出一个母材平面，将飞边修正中心点投影到所述母材平面上，得到的投影点即为打磨路径上的一个点，所有投影点的集合构成打磨路径。
46、基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨系统，用于实现所述的基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨方法，包括以下模块：
47、焊缝图像获取模块，所述焊缝图像获取模块用于获取焊缝的激光图像，对所述激光图像进行灰度阈值分割，得到激光条纹图像；
48、点云数据生成模块，所述点云数据生成模块用于提取所述激光条纹图像的亚像素特征点，得到激光条纹中心线，将所述激光条纹中心线的二维点集转换到三维空间中，形成激光条纹三维点云；
49、飞边特征提取模块，所述飞边特征提取模块用于对所述激光条纹三维点云进行特征提取，得到飞边区域的特征数据；
50、焊缝打磨加工模块，所述焊缝打磨加工模块用于基于所述飞边区域的特征数据，规划出打磨路径，沿着所述打磨路径对焊缝的飞边区域进行打磨加工。
51、本发明还提供了一种基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨装置，该装置包括打磨工具、线激光传感器和控制单元，所述线激光传感器安装在所述打磨工具上，所述控制单元控制连接所述打磨工具和所述线激光传感器，且所述的基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨系统存储于所述控制单元中，所述控制单元通过所述线激光传感器获取焊缝的激光图像，并且利用所述打磨工具对焊缝的飞边区域进行打磨加工。
52、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
53、本发明提出了一种创新的搅拌摩擦焊焊缝飞边自动化打磨方法、系统及装置，集成了高精度视觉识别、三维重建、点云处理、特征提取与打磨路径精确定位规划等技术。通过手眼标定完成的线激光传感器捕捉焊缝图像，并进行预处理以消除反光干扰，随后提取激光条纹中心，实现焊缝的三维重建。在三维点云处理阶段，采用体素滤波和聚类分割技术去除噪声，并通过曲率分析精准定位飞边特征区域。基于这些特征，能够智能规划出打磨路径，并设计了三道打磨工艺以确保焊缝与母材的平滑过渡。最终，采用液控浮动打磨工具，在恒力或恒位控制下，快速且均匀地打磨焊缝表面，有效去除飞边，提升焊接质量。综上，本发明不仅解决了传统打磨方式在效率、精度和健康风险方面的问题，还展现了高度的自动化和智能化水平。
1.一种基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨方法，其特征在于：在s2中，得到激光条纹中心线的方法为：
3.根据权利要求2所述的基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨方法，其特征在于：所述二阶导数矩阵h的表达式为：
4.根据权利要求1所述的基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨方法，其特征在于：在s2中，形成激光条纹三维点云的方法如下：
5.根据权利要求4所述的基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨方法，其特征在于：s211中，将所述二维亚像素精度坐标转换为相机坐标系下的三维坐标的方法如下：
6.根据权利要求5所述的基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨方法，其特征在于：s212中，将相机坐标系下的三维坐标转换为机器人工具坐标系下的三维坐标的方法如下：
7.根据权利要求1所述的基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨方法，其特征在于：s3中，得到飞边区域的特征数据的方法如下：
8.根据权利要求1所述的基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨方法，其特征在于：在s4中，规划出打磨路径的方法如下：
9.一种基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨系统，用于实现如权利要求1～8任一项所述的基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨方法，其特征在于，包括以下模块：
10.一种基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨装置，其特征在于，包括打磨工具、线激光传感器和控制单元，所述线激光传感器安装在所述打磨工具上，所述控制单元控制连接所述打磨工具和所述线激光传感器，且如权利要求9所述的基于激光视觉搅拌摩擦焊缝打磨系统存储于所述控制单元中，所述控制单元通过所述线激光传感器获取焊缝的激光图像，并且利用所述打磨工具对焊缝的飞边区域进行打磨加工。
