CN102721366A - 一种焊缝跟踪测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊缝跟踪测量方法及其装置，所述方法包括：利用单束激光沿焊缝长度对焊缝及其两侧区域进行激光扫描；扫描激光束经焊缝及焊缝两侧区域反射后形成光斑的漫反射光并反射至透镜上，经透镜聚焦并在光敏元件上生成与光斑的漫反射光强度对应的电信号；根据光敏元件所生成的电信号对所测焊缝的宽度、中心位置及其高度的变化作出判断，获取所测焊缝的变化信息，并传输至焊接执行器，焊接执行器根据所测焊缝变化信息，对焊缝的焊接位置进行修正。所述测量装置包括激光束扫描装置、激光束处理装置、信号处理与计算单元及数据传输单元。本发明测量方法简单，不需要透镜组和高精度CCD成像芯片，即可采集焊缝的变化信息，焊缝测量成本极低。

Description

一种焊缝跟踪测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及光学传感器领域，特别涉及一种涉及焊缝的几何特征检测的焊缝跟踪测量方法及其装置。

背景技术

在焊接过程中，会经常遇到非直线焊缝，或误差较大的直线焊缝，即便是焊缝直线度合格，在焊接中也会产生变形。这些误差会使焊接位置产生偏移，严重时会使焊接失效。焊缝跟踪测量是在对焊缝进行施焊时对焊缝进行实时跟踪测量，实时对焊缝的偏移进行检测，然后将焊缝的测量信息传输给焊接执行器，通过纠偏机构调整焊枪或焊缝位置，使两者始终保持合适的相对位置关系。

现有的焊缝跟踪测量方法一般分为两种：接触式和非接触式。其中非接触式常用光学成像法，获得焊缝图像，通过图像分析软件计算焊缝几何特征，得到焊缝位置、宽度、高度等信息。现有的光学成像法需要连续光幕、高精度CCD成像芯片、专业的透镜组、才能建立精密的光学图像，且需要一套光学图像分析软件对所采集的光学图像进行图像分析，焊缝的跟踪测量复杂，检测成本高昂，且不利于推广应用。

发明内容

为了降低焊缝跟踪成本，方便对焊缝作出检测，使其更有利于推广应用，本发明实施例提供了一种焊缝跟踪测量方法及其装置。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种焊缝跟踪测量方法，所述方法包括：

利用单束激光沿焊缝长度方向对焊缝及焊缝两侧区域进行激光扫描；

扫描激光束经焊缝及焊缝两侧区域反射后形成光斑的漫反射光并反射至透镜上，经透镜聚焦并在光敏元件上生成与光斑的漫反射光强度对应的电信号；

根据光敏元件所生成的电信号对所测焊缝的宽度、中心位置及其高度的变化作出判断，获取所测焊缝的变化信息；

将焊缝的变化信息传输至焊接执行器，焊接执行器根据所测焊缝变化信息，对焊缝的焊接位置进行修正。

所述的根据光敏元件所生成的电信号对所测焊缝的宽度、中心位置的变化作出判断，获取所测焊缝的宽度和中心位置变化信息，其具体包括：

根据光敏元件所生成的电信号确定对焊缝及焊缝两侧区域进行激光扫描的扫描时间；

根据激光扫描时间和扫描速度，分别获得焊缝宽度及焊缝两侧区域的扫描尺寸；

根据所得焊缝宽度及焊缝两侧区域的扫描尺寸，得出焊缝的中心位置；

比较前后激光扫描所得到的焊缝宽度和焊缝中心位置，对后一焊缝信息的变化作出判断，若后一激光扫描的焊缝信息发生变化，计算得出所测焊缝宽度及其中心位置的变化信息。

所述的根据光敏元件所生成的电信号对所测焊缝高度的变化作出判断，其具体包括：

对光敏元件所生成的电信号进行噪声提取，若前后激光扫描所提取的噪声信号的频率发生变化，则判断焊缝高度发生变化。

所述的获取所测焊缝高度的变化信息，其具体包括：

根据所获得的焊缝宽度及焊缝两侧区域的扫描尺寸，并结合激光扫描角度，得出所测焊缝的高度；比较前后激光扫描所得到的焊缝高度，计算得出所测焊缝的高度变化信息。

所述方法还包括：

设定焊缝变化精度，将其与所获取的焊缝变化信息进行比较，对焊接执行器焊接位置的变化作出判断，其具体方法：

若所获取的焊缝变化信息位于所设定的焊缝变化精度内，焊接执行器的焊接位置不变；

若所获取的焊缝变化信息位于所设定的焊缝变化精度外，焊接执行器根据所获取的焊缝变化信息对焊接位置进行修正。

另一方面，提供了一种焊缝跟踪测量装置，所述跟踪测量装置包括：

激光束扫描装置，包括单束激光管和多棱镜，所述激光管固定于焊缝的上方，所述多棱镜通过驱动电机以固定转速旋转，所述单束激光管所发出的单束光以固定角度照射在所述多棱镜上形成反射至焊缝及其两侧区域的扫描激光束；

激光束处理装置，包括透镜和光敏元件，所述透镜用于聚焦扫描激光束所形成的光斑漫反射光，所述光敏元件用于将聚焦后的光斑漫反射光转换成对应的电信号；

信号处理与计算单元，其内运行有：信号处理单元、焊缝变化判断单元及焊缝变化量计算单元；所述信号处理单元与所述光敏元件和焊接执行器连接，用于对所述光敏元件所生成的电信号进行处理；所述焊缝变化判断单元接收所述信号处理单元的信号，用于对焊缝的宽度、中心位置及高度的变化作出判断；所述焊缝变化量计算单元接收所述焊缝变化判断单元的信号，用于计算焊缝的宽度、中心位置及高度的变化值；

数据传输单元，接收所述焊缝变化量计算单元的所测焊缝变化信息，并将其传输给焊接执行器。

所述装置还包括焊缝变化精度设定单元，其与所述焊缝变化判断单元连接，其包括：

焊缝宽度及中心位置设定模块，用于设定焊缝宽度及焊缝中心位置的变化精度；

焊缝高度设定模块，用于设定焊缝高度的变化精度。

所述信号处理单元包括：

信号放大器，与所述光敏元件连接，用于对所述光敏元件所生成的电信号进行放大；

滤波器，接收所述信号放大器的电信号，用于对所述信号放大器放大后的电信号进行滤波；

整形器，接收所述滤波器滤波后的电信号，并将其整形为方波；

噪声提取模块，接收所述信号放大器的电信号，用于对放大后的电信号进行噪声提取；

所述焊缝变化判断单元包括：

焊缝宽度及中心位置变化判断模块，接收所述整形器的整形后的电信号及所述焊缝宽度及中心位置设定模块的信号，用于对焊缝的宽度、中心位置的变化作出判断；

焊缝高度变化判断模块，接收所述噪声提取模块所提取的噪声信号和所述焊缝高度设定模块的信号，用于对焊缝高度的变化作出判断。

所述的焊缝变化量计算单元包括：

焊缝宽度及中心位置变化量计算模块，接收所述焊缝宽度及中心位置变化判断模块的判断信号，用于执行焊缝宽度及其中心位置变化量的计算，并将焊缝宽度及中心位置的变化量传输至所述数据传输单元；

焊缝高度变化量计算模块，接收所述焊缝高度变化判断模块的判断信号，用于执行焊缝高度变化量的计算，并将焊缝高度变化量传输至所述数据传输单元。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明通过单束激光管照射在旋转的多棱镜上，在焊件上形成一道扫描激光束，然后将激光扫描光束的漫反射光通过透镜聚焦到光敏元件上，由光敏元件生成电信号，由于焊缝及焊缝两侧所反射光的强度不同，焊缝处为弱反射光，而焊缝两侧区域则为强反射光，因此光敏元件上生成与反射光的强弱相对应的强弱反射信号；通过对光敏元件所述生成的电信号进行信号处理、比较判断、计算，得到焊缝的宽度、中心位置及高度变化信息。本发明不需要专业的透镜组和高精度CCD成像芯片，即可采集焊缝的变化信息，焊缝测量成本极低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提供的跟踪测量方法流程框图；

图2是本发明所提供的焊缝跟踪测量原理图；

图3是图2中光敏元件的输出信号图；

图4是本发明焊缝高度变化时测量原理图；

图5是图2中焊缝高度变化时光敏元件输出信号的变化图；

图6是本发明所提供的测量装置工作原理图。

图中：

1单束激光管，2多棱镜，3光敏元件，4透镜，5物体表面扫描线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

根据图1所示，本发明所提供的焊缝跟踪测量方法，具体包括以下步骤：

【S1】利用单束激光沿焊缝长度方向对焊缝及焊缝两侧区域进行激光扫描。

利用激光束进行扫描的具体方法：

将单束激光管按固定角度照射至以固定速度旋转的多棱镜上；

单束激光经旋转的多棱镜反射后即形成扫描于焊缝表面区域的连续变角度的扫描激光束。如图2所示。

【S2】扫描激光束经焊缝及焊缝两侧区域反射后形成光斑的漫反射光并反射至透镜上，经透镜聚焦并在光敏元件上生成与光斑的漫反射光强度对应的电信号。

其中在焊缝两侧区域形成强反射区，而焊缝处为光线吸收区，因此形成弱反射区，一并漫反射至焊件上方的透镜，通过透镜的聚焦作用，将激光束聚焦于其后方的光敏元件上，生成对应光斑漫反射强度的电信号。如图2所示。

【S3】根据光敏元件所生成的电信号对所测焊缝的宽度、中心位置及其高度的变化作出判断，获取所测焊缝的变化信息。

所述的根据光敏元件所生成的电信号对所测焊缝的宽度、中心位置的变化作出判断，获取所测焊缝的宽度和中心位置变化信息，其具体包括：

根据光敏元件所生成的电信号确定对焊缝及焊缝两侧区域进行激光扫描的扫描时间；

根据激光扫描时间和扫描速度，分别获得焊缝宽度及焊缝两侧区域的扫描尺寸；

根据所得焊缝宽度及焊缝两侧区域的扫描尺寸，得出焊缝的中心位置；

比较前后激光扫描所得到的焊缝宽度和焊缝中心位置，对后一焊缝信息的变化作出判断，若后一激光扫描的焊缝信息发生变化，计算得出所测焊缝宽度及其中心位置的变化信息。

所述的根据光敏元件所生成的电信号对所测焊缝高度的变化作出判断，其具体包括：

对光敏元件所生成的电信号进行信号放大和噪声提取；

若前后激光扫描所提取的噪声信号的频率发生变化，则判断焊缝高度发生变化。

所述的获取所测焊缝高度的变化信息，其具体包括：

根据所获得的焊缝宽度及焊缝两侧区域的扫描尺寸，并结合激光扫描角度，得出所测焊缝的高度；比较前后激光扫描所得到的焊缝高度，得出所测焊缝的高度变化信息。

为了提高焊缝跟踪测量速度，在焊缝跟踪测量方法中还增加了设定焊缝变化精度的步骤，将所获取的焊缝变化信息与所设定的焊缝变化精度进行比较，对焊接执行器焊接位置的变化作出判断，其具体方法：

若所获取的焊缝变化信息位于所设定的焊缝变化精度内，焊接执行器的焊接位置不变；

若所获取的焊缝变化信息位于所设定的焊缝变化精度外，焊接执行器根据所获取的焊缝变化信息对焊接位置进行修正。

图5是关于噪声信号s与扫描距离h之间的相对关系。首先噪声信号s与被测物体表面光学特性有关，同一种特性的表面，具有相近的噪声信号。图5说明了仅当扫描距离h变化时噪声信号s的变化规律。其中焊缝的宽度设为w，焊缝两侧区域的扫描宽度分别为a和b，焊缝高度设为h，由于扫描角度R不变，如图4所示，设h增加至h+dh，则有a增加至a+da，总宽度L=L+dL,而扫描周期T不变。也就是说总扫描宽度增加了，扫描宽度的增加会导致噪声信号s的增多，在同样的时间内，采集了更多的噪声信号s，因此会使噪声信号的频率特性sf上升。根据这个原理，可以检测到焊缝高度h的相对变化；

这里对电信号进行计算，获得焊缝宽度、焊缝中心位置和焊缝高度的变化信息是通过以下计算获得的。

图2是关于焊缝宽度和中心位置信号的处理方法：图中所示是在某个扫描周期T内光敏元件3上1脚和2脚输出的电压信号（为方便说明，设强反射信号输出为低电平）。当扫描模块确定后，扫描周期T与成像角度P是恒定值（因为扫描角度R固定）。因此只要识别出强弱反射区的边界，根据光敏元件所生成的电信号的强弱，即可准确测定焊缝的边界，通过激光扫描时间和扫描速度即可得出焊缝宽度w。

如图3所示的电信号，经过滤波、整形，即可得到良好的方波信号，可以准确检出各区域的信号时间st1、st2和st3，通过扫描速度即可计算出他们分别对应着图2所示的焊缝两侧区域a、b和焊缝宽度w的尺寸。通过与上一个焊缝测量的宽度和中心位置的测量信息相比较，即可确定焊缝宽度及其中心位置的变化量；

而焊缝高度的变化信息则是通过三角关系得出的，由于扫描周期T和扫描角度R不变，根据三角形计算很容易计算出焊缝高度的变化量。

【S4】将所测焊缝信息传输至焊接执行器，焊接执行器根据所测焊缝信息，进行位置修正，再对焊缝施焊。

焊接执行器是用来控制焊枪执行焊接动作，其接收焊缝信息，并指令控制焊枪按照所测的焊缝信息进行焊接，根据焊缝的轨迹实时调节焊枪的焊接位置，保证焊缝的焊接质量，从而实现自动跟踪焊缝、自动校正施焊位置的功能。

本发明所提供的焊缝跟踪测量装置，包括：

激光束扫描装置，包括单束激光管和多棱镜，所述激光管固定于焊缝的上方，所述多棱镜通过驱动电机以固定转速旋转，所述激光管所发出的单束光以固定角度照射在所述多棱镜上形成反射至焊缝及其两侧区域的扫描激光束；

激光束处理装置，包括透镜和光敏元件，所述透镜用于聚焦扫描激光束所形成的光斑漫反射光，所述光敏元件用于将聚焦后的光斑漫反射光转换成对应的电信号；

信号处理与计算单元，其内运行有：信号处理单元、焊缝变化判断单元及焊缝变化量计算单元；所述信号处理单元与所述光敏元件和焊接执行器连接，用于对所述光敏元件所生成的电信号进行处理；所述焊缝变化判断单元接收所述信号处理单元的信号，用于对焊缝的宽度、中心位置及高度的变化作出判断；所述焊缝变化量计算单元接收所述焊缝变化判断单元的信号，用于计算焊缝的宽度、中心位置及高度的变化值；

数据传输单元，接收所述焊缝变化量计算单元的所测焊缝变化信息，并将其传输给焊接执行器。

所述装置还包括焊缝变化精度设定单元，其与所述焊缝变化判断单元连接，其包括：

焊缝宽度及中心位置设定模块，用于设定焊缝宽度及焊缝中心位置的变化精度；

焊缝高度设定模块，用于设定焊缝高度的变化精度。

所述信号处理单元包括：

信号放大器，与所述光敏元件连接，用于电信号的放大；

滤波器，与所述信号放大器连接，用于对放大后的电信号进行滤波；

整形器，接收所述滤波器滤波后的电信号，并将其整形为方波；

噪声提取模块，与所述信号放大器的连接，用于对放大后的电信号进行噪声提取；

所述焊缝变化判断单元包括：

焊缝宽度及中心位置变化判断模块，接收所述整形器的整形后的电信号及所述焊缝宽度及中心位置设定模块的信号，用于对焊缝的宽度、中心位置的变化作出判断；

焊缝高度变化判断模块，接收所述噪声提取模块所提取的噪声信号和所述焊缝高度设定模块的信号，用于对焊缝高度的变化作出判断。

所述的焊缝变化量计算单元包括：

焊缝宽度及中心位置变化量计算模块，接收所述焊缝宽度及中心位置变化判断模块的判断信号，用于执行焊缝宽度及其中心位置变化量的计算，并将焊缝宽度及中心位置的变化量传输至所述数据传输单元；

焊缝高度变化量计算模块，接收所述焊缝高度变化判断模块的判断信号，用于执行焊缝高度变化量的计算，并将焊缝高度变化量传输至所述数据传输单元。

其中光源可仅用一只激光管，多棱镜可旋转，光敏元件是惟一的，不用于成像的，透镜用于聚焦。

其中的信号处理与判断单元、焊缝计算单元和数据传输单元均集成于单片机系统中，其功能是信号处理、人机界面、输出焊缝信息与控制信号。

激光管只连续发出一个单束光，经旋转地多棱镜反射到被测物体和周边介质上，利用被测物体与周边介质的反差，产生不同照度的光斑，该光斑再由透镜聚焦到光敏元件上，使光敏元件产生电信号，将电信号进行处理、分析，可判断出被测物体轮廓的大小。

当多棱镜转速一定、物体表面与透镜距离处于景深范围内时，扫描速度、角度是恒定的，电信号波形特性仅与物体表面漫反射强度有关。通过分析、对比电信号，即可得到物体表面明暗变化的位置，由此给出焊缝宽度、焊缝中心位置和物体表面到透镜之间的距离。

其中的激光管、多棱镜、透镜、光敏元件、是一个集成化扫描模块。

图6是信号处理框图。它是一个单片机、外围电子器件和软件组成的操作系统，具有参数设定、自动检测和信号输出功能。具体描述如下：

电信号经放大器放大后，分成两路，分别进入滤波器与整形器，得到有用的信号，其中时间信号进入焊缝变化量计算单元，用来对焊缝的宽度及焊缝的中心位置进行计算；噪声信号进入噪声提取模块，所提取的噪声信号通过焊缝高度变化判断模块判断噪声频率是否变化，若噪声频率发生变化，则通过焊缝高度变化量计算模块进行焊缝高度变化量的计算。最后通过数据输出单元传输给焊接执行器。噪声信号分析可以有很多种方法，一般采用自适应滤波器即可。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种焊缝跟踪测量方法，其特征在于，所述方法包括：

利用单束激光沿焊缝长度方向对焊缝及焊缝两侧区域进行激光扫描；

扫描激光束经焊缝及焊缝两侧区域反射后形成光斑的漫反射光并反射至透镜上，经透镜聚焦并在光敏元件上生成与光斑的漫反射光强度相对应的电信号；

根据光敏元件所生成的电信号对所测焊缝的宽度、中心位置及其高度的变化作出判断，并获取所测焊缝的变化信息；

将焊缝的变化信息传输至焊接执行器，焊接执行器根据所测焊缝变化信息，对焊缝的焊接位置进行修正。

2.根据权利要求1所述的焊缝跟踪测量方法，其特征在于，

所述的根据光敏元件所生成的电信号对所测焊缝的宽度、中心位置的变化作出判断，获取所测焊缝的宽度和中心位置变化信息，其具体包括：

根据光敏元件所生成的电信号确定对焊缝及焊缝两侧区域进行激光扫描的扫描时间；

根据激光扫描时间和扫描速度，分别获得焊缝宽度及焊缝两侧区域的扫描尺寸；

根据所得焊缝宽度及焊缝两侧区域的扫描尺寸，得出焊缝的中心位置；

比较前后激光扫描所得到的焊缝宽度和焊缝中心位置，对后一焊缝信息的变化作出判断，若后一激光扫描的焊缝信息发生变化，计算得出所测焊缝宽度及其中心位置的变化信息。

3.根据权利要求1所述的焊缝跟踪测量方法，其特征在于，

所述的根据光敏元件所生成的电信号对所测焊缝高度的变化作出判断，其具体包括：

对光敏元件所生成的电信号进行噪声提取，若前后激光扫描所提取的噪声信号的频率发生变化，则判断焊缝高度发生变化。

4.根据权利要求3所述的焊缝跟踪测量方法，其特征在于，

所述的获取所测焊缝高度的变化信息，其具体包括：

根据所获得的焊缝宽度及焊缝两侧区域的扫描尺寸，并结合激光扫描角度，得出所测焊缝的高度；比较前后激光扫描所得到的焊缝高度，计算得出所测焊缝的高度变化信息。

5.根据权利要求1-4任一所述的焊缝跟踪测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

设定焊缝变化精度，将其与所获取的焊缝变化信息进行比较，对焊接执行器焊接位置的调整作出判断，其具体方法：

若所获取的焊缝变化信息位于所设定的焊缝变化精度内，焊接执行器的焊接位置不变； 

若所获取的焊缝变化信息位于所设定的焊缝变化精度外，焊接执行器根据所获取的焊缝变化信息对焊接位置进行修正。

6.一种焊缝跟踪测量装置，其特征在于，所述跟踪装置包括：

激光束扫描装置，包括单束激光管和多棱镜，所述激光管固定于焊缝的上方，所述多棱镜通过驱动电机以固定转速旋转，所述单束激光管所发出的单束光以固定角度照射在所述多棱镜上形成反射至焊缝及其两侧区域的扫描激光束；

激光束处理装置，包括透镜和光敏元件，所述透镜用于聚焦扫描激光束所形成的光斑漫反射光，所述光敏元件用于将聚焦后的光斑漫反射光转换成对应的电信号；

信号处理与计算单元，其内运行有：信号处理单元、焊缝变化判断单元及焊缝变化量计算单元；所述信号处理单元与所述光敏元件和焊接执行器连接，用于对所述光敏元件所生成的电信号进行处理；所述焊缝变化判断单元接收所述信号处理单元的信号，用于对焊缝的宽度、中心位置及高度的变化作出判断；所述焊缝变化量计算单元接收所述焊缝变化判断单元的信号，用于计算焊缝的宽度、中心位置及高度的变化值；

数据传输单元，接收所述焊缝变化量计算单元的所测焊缝变化信息，并将其传输给焊接执行器。

7.根据权利要求6所述的焊缝跟踪测量装置，其特征在于，

所述装置还包括焊缝变化精度设定单元，其与所述焊缝变化判断单元连接，其包括：

焊缝宽度及中心位置设定模块，用于设定焊缝宽度及焊缝中心位置的变化精度；

焊缝高度设定模块，用于设定焊缝高度的变化精度。

8.根据权利要求6所述的焊缝跟踪测量装置，其特征在于，

所述信号处理单元包括：

信号放大器，与所述光敏元件连接，用于对所述光敏元件所生成的电信号进行放大；

滤波器，接收所述信号放大器的电信号，用于对所述信号放大器放大后的电信号进行滤波；

整形器，接收所述滤波器滤波后的电信号，并将其整形为方波；

噪声提取模块，接收所述信号放大器的电信号，用于对放大后的电信号进行噪声提取。

9.根据权利要求8所述的焊缝跟踪测量装置，其特征在于，

所述焊缝变化判断单元包括：

焊缝宽度及中心位置变化判断模块，接收所述整形器的整形后的电信号及所述焊缝宽度及中心位置设定模块的信号，用于对焊缝的宽度、中心位置的变化作出判断； 

焊缝高度变化判断模块，接收所述噪声提取模块所提取的噪声信号和所述焊缝高度设定模块的信号，用于对焊缝高度的变化作出判断。

10.根据权利要求9所述的焊缝跟踪测量装置，其特征在于，

所述的焊缝变化量计算单元包括：

焊缝宽度及中心位置变化量计算模块，接收所述焊缝宽度及中心位置变化判断模块的判断信号，用于执行焊缝宽度及其中心位置变化量的计算，并将焊缝宽度及中心位置的变化量传输至所述数据传输单元；

焊缝高度变化量计算模块，接收所述焊缝高度变化判断模块的判断信号，用于执行焊缝高度变化量的计算，并将焊缝高度变化量传输至所述数据传输单元。 

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