CN104002021A - 用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置 - Google Patents

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Abstract

用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置，属于焊接技术领域。为了解决现有焊接方法的单条纹结构光难以识别多层多道焊道的问题。它包括激光器、衍射光学元件、图像采集系统、控制系统、驱动系统和焊枪；激光器发出圆柱形光入射至衍射光学元件，透过衍射光学元件的光形成网格结构光，网格结构光入射至焊接区域前方焊道上，图像采集系统用于采集多层多道焊道上的网格结构光及焊缝图像，图像采集系统采集数据输出端与控制系统的采集数据输入端连接，控制系统的焊枪位置与姿态控制信号输出端与驱动系统焊枪位置与姿态控制信号输入端连接，驱动系统焊枪位置与姿态驱动信号输出端与焊枪位置与姿态驱动信号输入端连接。它用于多层多道焊道自动识别与跟踪。

Description

用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置
技术领域
本发明属于焊接技术领域。
背景技术
自动化焊接对于改善焊接作业条件、提高生产效率、保证焊接质量具有重要意义。焊缝自动识别与跟踪提高焊接自动化水平的重要手段。例如焊接过程中，工件的热变形以及工件在加工装配误差导致的焊缝偏移，如果不调整焊枪6轨迹，会导致焊接缺陷。尤其对于特殊环境如水下环境、核辐射环境以及高压有毒环境等，操作工人很难进入焊接工作区域近距离监控焊接过程，必须通过适当传感的方法自动跟踪与识别焊缝。
在焊缝自动识别与跟踪技术中，视觉传感器由于其非接触、反应快速、信息量丰富而受到广泛关注。主动视觉传感技术采用结构光作为背景光源，摄像机3捕获经过焊缝形状调制的特殊形式的图像获得焊缝信息。常见的结构光类型有：点状激光、线条激光等。
厚板多层多道焊由于是在厚板的坡口中进行焊接轨迹的平移和重复运动，焊道识别与跟踪对于提高厚板的多层多道焊接效率具有重要意义。然而多层多道焊接过程中，由于相邻焊道之间的特征不规则，随着焊接过程进行越来越不明显，单条纹结构光难以识别焊道信息。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有焊接方法的单条纹结构光难以识别多层多道焊道的问题，本发明提供一种用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置。
本发明的用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置，它包括激光器、衍射光学元件、图像采集系统、控制系统、驱动系统和焊枪；
激光器发出的圆柱形光入射至衍射光学元件，透过衍射光学元件的光形成网格结构光，所述网格结构光入射至焊接区域前方的焊道上，图像采集系统用于采集多层多道焊道上的网格结构光及焊缝图像，图像采集系统的采集数据输出端与控制系统的采集数据输入端连接，控制系统的焊枪位置与姿态控制信号输出端与驱动系统的焊枪位置与姿态控制信号输入端连接，所述驱动系统的焊枪位置与姿态驱动信号输出端与焊枪的位置与姿态驱动信号输入端连接。
本发明的有益效果在于：
1、实现多层多道焊道的识别与跟踪。对于厚板开坡口的多层多道焊，随着焊接过程的进行，焊缝坡口的特征越来越不明显，使得线条状结构光在坡口上不能形成具有明显转折的光亮条纹，通过普通结构光图像难以确定焊缝信息，很难实现对多层多道焊道的识别与跟踪。相比线条结构光，圆环形结构光等简单形式的结构光，网格形状结构光由于存在纵横交错的结构，使得网格状结构光投射在焊缝坡上时，无论是沿焊缝方向，还是垂直于焊缝方向，同时有若干条平行的线条激光经焊道调制发生弯折，这样的结构光图像所含焊道信息显著增多，实现了多层多道焊道的识别与跟踪。
2、焊道识别与跟踪的实时性。传统焊缝跟踪中应用的被动视觉技术与电弧传感技术，由于是获取焊接进行区域的信息，使得焊缝跟踪具有滞后性。本发明中的焊缝跟踪传感装置沿焊接方向前置，具有一定提前量，提前焊接位置检测出焊道轨迹信息，消除了焊缝跟踪的滞后性，提高检测跟踪的实时性。
3、结构简单，应用范围广。本发明的方法实现装置结构简单，可以集成于各类焊接机器人手臂、自动化焊接焊枪6上；除了用于多层多道焊道的识别与检测，还可用于其它类型焊缝，可以在工程中广泛应用。
附图说明
图1为本发明所述的用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置，它包括激光器1、衍射光学元件2、图像采集系统、控制系统、驱动系统和焊枪6；
激光器1发出的圆柱形光入射至衍射光学元件2，透过衍射光学元件2的光形成网格结构光，所述网格结构光入射至焊接区域前方的焊道上，图像采集系统用于采集多层多道焊道上的网格结构光及焊缝图像，图像采集系统的采集数据输出端与控制系统的采集数据输入端连接，控制系统的焊枪6位置与姿态控制信号输出端与驱动系统的焊枪6位置与姿态控制信号输入端连接，所述驱动系统的焊枪6位置与姿态驱动信号输出端与焊枪6的位置与姿态驱动信号输入端连接。
实现装置包括：激光发射机构，图像采集机构，控制器，焊枪6驱动机构。
激光器1作为激光光源；
衍射光学元件2对激光器1发射出的点状光束进行整形，使之形成具有网格形状的结构光激光。
所述图像采集系统包括将采集投射到焊缝上的结构光图像并传输到控制系统。
所述控制系统用于处理采集到图像信息，得出焊道轨迹信息，计算焊枪6偏差，输出控制信号。
焊枪6及驱动器，用于根据控制信号，调整焊枪6的位置与姿态，以实现焊缝跟踪。
本实施方式通过激光器1发出初始圆柱形光束，经过衍射光学元件2，光束被整形为网格结构光，投射在焊接区域前方的焊道上，加图像采集系统拍摄该区域的结构光图像，传入控制系统，进行图像处理，计算得出焊道轨迹信息及焊枪6的偏差信息，进而发出控制信号，通过驱动系统调整焊枪6的位置与姿态以达到焊缝跟踪，完成自动化焊接。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置的进一步限定，所述图像采集系统包括摄像机3和窄带滤光片4；
所述窄带滤光片4安装在摄像机3的镜头前，摄像机3的采集信号输出端与控制系统的采集信号输入端连接。
所述窄带滤光片4用于减少弧光干扰。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置的进一步限定，所述控制系统包括如下模块：
用于接收图像数据的模块；
用于对接收的图像数据进行数据处理的模块；
用于对处理后的数据进行计算，得到焊缝轨迹信息和焊枪6偏离信息的模块；
用于根据得到焊缝轨迹信息和焊枪6偏离信息，向驱动系统输出驱动焊枪6位置与姿态的控制信号的模块。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式三所述的用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置的进一步限定，
它还包括铝制壳体5，所述激光器1、衍射光学元件2、摄像机3和窄带滤光片4均设置在铝制壳体5内，所述激光器1与摄像机3过夹具同轴固定，且铝制壳体5底部设置有两个孔，所述两个孔的位置分别与衍射光学元件2和窄带滤光片4相对应，且所述铝制壳体5与焊枪6固定连接。
本实施方式的衍射光学元件2外安装防飞溅玻璃；摄像机3位置与姿态可调；滤光片置于摄像机3镜头前方。以上整体构成焊缝跟踪传感器，封装固定于铝制壳体5内，整体安装在焊枪6上，导前焊接方向。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置的进一步限定，所述激光器1为发射激光波长650nm的激光器1，所述网格结构光为8*8网格结构的光。
在具体应用过程中：如图1所示，激光器1加装衍射光学元件2，置于焊缝上方，激光器1发射的初始光束经衍射光学元件2整形为网格形结构光，并投射在下方焊道上，形成经焊缝调制后包含焊缝信息的网格结构光7。摄像机3固定在在焊缝上方，沿焊接方向置于激光器1前方，倾斜一定角度，摄像机3倾斜角度可以根据需要进行调节，采集投射在焊缝上的网格结构光7。窄带滤光片4夹持在摄像机3镜头前，用于减少弧光对于图像采集过程的影响。
以上部分封装固定于铝制壳体5内，整体安装在焊枪6上，沿焊接方向前置并通过夹具与焊枪6随动。
摄像机3所采集的图像输入控制系统内，对图像进行数据处理，计算焊缝轨迹信息和焊枪6偏离信息，输出控制信号至焊枪6驱动系统，驱动系统根据控制信号，相应的调整焊枪6位置与姿态，达到焊缝跟踪目的。
本发明并不局限于此，通过更换激光器1与衍射元件可得到不同波长不同形状的结构光。

Claims (5)

1.用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置，其特征在于，
它包括激光器(1)、衍射光学元件(2)、图像采集系统、控制系统、驱动系统和焊枪(6)；
激光器(1)发出的圆柱形光入射至衍射光学元件(2)，透过衍射光学元件(2)的光形成网格结构光(7)，所述网格结构光(7)入射至焊接区域前方的焊道上，图像采集系统用于采集多层多道焊道上的网格结构光(7)及焊缝图像，图像采集系统的采集数据输出端与控制系统的采集数据输入端连接，控制系统的焊枪(6)位置与姿态控制信号输出端与驱动系统的焊枪(6)位置与姿态控制信号输入端连接，所述驱动系统的焊枪(6)位置与姿态驱动信号输出端与焊枪(6)的位置与姿态驱动信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置，其特征在于，
所述图像采集系统包括摄像机(3)和窄带滤光片(4)；
所述窄带滤光片(4)安装在摄像机(3)的镜头前，摄像机(3)的采集信号输出端与控制系统的采集信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置，其特征在于，所述控制系统包括如下模块：
用于接收图像数据的模块；
用于对接收的图像数据进行数据处理的模块；
用于对处理后的数据进行计算，得到焊缝轨迹信息和焊枪(6)偏离信息的模块；
用于根据得到焊缝轨迹信息和焊枪(6)偏离信息，向驱动系统输出驱动焊枪(6)位置与姿态的控制信号的模块。
4.根据权利要求3所述的用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置，其特征在于，
它还包括铝制壳体(5)，所述激光器(1)、衍射光学元件(2)、摄像机(3)和窄带滤光片(4)均设置在铝制壳体(5)内，所述激光器(1)与摄像机(3)过夹具同轴固定，且铝制壳体(5)底部设置有两个孔，所述两个孔的位置分别与衍射光学元件(2)和窄带滤光片(4)相对应，且所述铝制壳体(5)与焊枪(6)固定连接。
5.根据权利要求4所述的用于多层多道焊道自动识别与跟踪的装置，其特征在于，所述激光器(1)为发射激光波长650nm的激光器(1)，所述网格结构光(7)为8*8网格结构的光。
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