CN104668739B - 一种熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器，该传感器包括：弧光传输系统、图像采集系统和阻光罩相对高度恒值控制系统；所述弧光传输系统包括：光阑、导光板、平板玻璃、转光路反射镜和阻燃海绵；图像采集系统由带有以太网输出接口的工业相机组成；阻光罩相对高度恒值控制系统由大力矩直流电机、丝杆、控制器、阻光罩和接触式高度传感器组成。本发明在相对密封的阻光罩内采集图像，只采集面积较小的弧光条纹，大大降低了飞溅烟尘对成像的不利影响；投射到待识别焊缝上的是强弧光宽条纹，在两个边界上均产生畸变，通过两个边界畸变做比较，可顺利识别出折线焊缝的角度较大的转折点，进而避免了传统折线焊缝跟踪方法跟踪速度过慢的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊缝识别视觉传感器，尤其涉及一种用于熔化极气体保护焊焊缝识别的视觉传感器。
背景技术
人工焊接对焊接质量的控制带有主观性和不一致性，且焊接时产生的弧光和烟尘对人体有害，焊接自动化成为焊接技术发展的主要趋势。焊缝识别传感器作为焊接自动的必备部件之一，可分为接触式和非接触式两类。接触式焊缝识别传感器包括机械传感器等，非接触式焊缝识别传感器包括视觉传感器、电弧传感器、声学传感器、温度传感器和振动传感器等。其中视觉传感器由于具有获取信息量大、对焊缝识别快速、稳定、精度高等优点，目前已成为自动焊缝识别传感器的研究热点之一。视觉传感器大致可分为主动视觉传感器和被动视觉传感器。
主动视觉传感器大多采用激光光源投射到待焊焊缝表面，再通过工业相机获取激光焊缝图像，目前已形成商业化产品，例如加拿大Servo-robot公司和英国Meta公司的主动视觉传感器。但该类产品存在以下缺点：(1)由于激光条纹边缘在焊件上存在漫反射，边缘图像呈轻微锯齿状，不利于后期算法处理。(2)在焊缝跟踪时易产生阴影效应和错过视场等现象。(3)由于焊接弧光对激光存在严重干扰，故激光只能在距离熔池较远处投射，进而导致焊缝识别处相对当前焊接位置存在超前误差。由于待焊工件在焊接过程中产生热变形，焊接时的焊缝对中位置相对识别时的焊缝对中位置仍可能偏移。(4)激光光源价格较高，增加了视觉传感器的成本。
与主动视觉传感技术有所不同，被动视觉传感器直接利用相机采集焊缝区域图像，不需要辅助光源。由于在极强的弧光下采集焊接焊缝图像，电弧的辐射光强度远远高于一般工业相机的感光饱和度上限。为了去除电弧光的干扰，早期有研究者通过采用遮挡电弧的方式来采集焊接过程图像。但在熔化极气体保护焊中，电弧光照度大，即使采取了遮挡部分电弧的措施，光照度的范围依然很宽。由于超出了一般工业相机的动态范围，焊缝图像采集质量不高，图像中焊缝不明显。目前，被动视觉传感技术更多的是采用减光滤光的方法来避免强电弧光对焊接图像的干扰。但由于原始焊缝识别图像经减光滤光后图像质量下降，且熔化极气体保护焊飞溅和烟尘较多，导致相机获取的图像欠佳，给后期焊缝识别算法处理造成一定的困难。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明将强烈的电弧弧光作为一种有利的光源，充分发挥电弧弧光光照度强的优势，考虑到熔化极气体保护焊飞溅多烟尘大对图像的不利影响，提供了一种熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
一种熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器，该传感器包括：弧光传输系统、图像采集系统和阻光罩相对高度恒值控制系统；所述
弧光传输系统包括：光阑、导光板、平板玻璃、转光路反射镜和阻燃海绵；
图像采集系统由带有以太网输出接口的工业相机组成；
阻光罩相对高度恒值控制系统由大力矩直流电机、丝杆、控制器、阻光罩和接触式高度传感器组成。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
1、熔化极气体保护焊焊缝识别传感器多采用激光作为光源的主动视觉技术，由于激光主动光源成本较高，本发明充分利用了弧光光照度强的特点，代替昂贵的激光光源，降低了焊缝识别传感器的成本。
2、由于熔化极气体保护焊飞溅多烟尘大，给采用减光滤光技术的被动焊缝识别视觉技术造成较大的影响。本发明在相对密封的阻光罩内采集图像，且只采集面积较小的弧光条纹，大大降低了飞溅烟尘对成像的不利影响。
3、当跟踪折线焊缝时，激光条纹投射的主动视觉传感器的跟踪速度受到一定限制。本发明投射到待识别焊缝上的是强弧光宽条纹，在两个边界上均产生畸变。依焊接方向，前方的第一个边界畸变与第二个边界畸变做比较，可顺利识别出折线焊缝的角度较大的转折点，进而避免了传统折线焊缝跟踪方法跟踪速度过慢的缺点。
4、本发明熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器体积较小，质量较轻，固定在焊枪上时，焊枪的可到达性较好。
附图说明
图1为熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器结构图；
图2为待焊工件坡口示意图；
图3为熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器光路图；
图4-1为弧光宽条纹直线焊缝投射畸变示意图；
图4-2为弧光宽条纹曲线焊缝投射畸变示意图；
图4-3为弧光宽条纹折线焊缝投射畸变示意图。
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，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
如图1和图3所示，为熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器结构图和光路图，所述传感器固定在焊枪3上，包括：弧光传输系统、图像采集系统和阻光罩相对高度恒值控制系统；所述
弧光传输系统包括：光阑5、导光板6、平板玻璃7、转光路反射镜12和阻燃海绵13；
图像采集系统由带有以太网输出接口10的工业相机11组成；
阻光罩相对高度恒值控制系统由大力矩直流电机1、丝杆2、控制器9、阻光罩14和接触式高度传感器15组成。
上述工业相机按照转光路反射镜的反射角度嵌入安装在阻光罩内采集焊缝图像；所述接触式高度传感器的触头与待焊工件16接触，大力矩直流电机带动丝杆根据高度传感器的信号调节阻光罩的高度。
在上述阻光罩的内壁和导光板的表面设置有由铝合金电化学着色处理的黑色层，防止部分多余弧光在阻光罩内壁和导光板表面的散射和反射减弱弧光宽条纹的强度。所述导光板前固定有滑槽；所述平板玻璃安装在所述导光板前的滑槽内；
所述转光路反射镜12可通过旋转放射镜转轴4手动调节反射镜的角度，使弧光8宽条纹投射到离熔池尽可能近的焊缝区域，以减少超前误差。
上述阻光罩相对高度恒值控制系统中设置的控制器用于读出接触式高度传感器的值与程序中的给定值，并求出差值；根据差值控制直流电机正转或反转，进而控制阻光罩高度上升或下降，以保持阻光罩与待焊板之间的相对高度恒定。
熔化极气体保护焊时产生弧光，调节阻光罩的高度，使得导光板与弧光的中心大致对准。通过适当增加阻燃海绵的长度和厚度，确保阻光罩底部没有多余的弧光射入。然后对接触式高度传感器进行零点校准。在跟踪焊缝的过程中，当待焊工件表面存在高低起伏时，高度恒值控制系统的控制器根据采集到的高度传感器信号的变化，通过丝杠带动阻光罩升降，保持阻光罩与待焊工件的相对高度恒定。避免在焊缝跟踪过程中由于待焊板高低不平，造成阻光罩底部漏光，对宽条纹弧光产生干扰。
在焊接导光板与阻光罩时，部分弧光通过两块导光板之间射入阻光罩内；经阻光罩内的转光路反射镜，投射到待识别焊缝上。由于投射在待焊焊缝上的弧光条纹较宽，光照度较大，在待识别焊缝处产生明显的畸变。阻光罩内以一定角度嵌入工业相机，用来采集照射在待焊焊缝17上由弧光产生的高照度宽条纹畸变图像，并将所述图像通过接口以数字信号形式输出。所述阻光罩四周由金属壳体包围，阻光罩通过阻燃海绵与待焊板紧密接触。
在阻光罩内导光板后段安装一个与导光板平行的光阑，使投射在待识别焊缝的弧光边缘对比度较大、焊缝坡口产生的畸变更明显。
上述焊缝坡口是通过弧光宽条纹的两个边缘产生畸变来识别，并用于熔化极气体保护焊直线焊缝、折线焊缝和曲线焊缝的识别跟踪。
熔化极气体保护焊焊飞溅较多，导光板前设置平板玻璃以便遮挡焊接时飞溅烟尘。由于飞溅对平板玻璃有氧化作用，平板玻璃需根据工作时间的长短更换，将平板玻璃嵌入导光板前的滑槽内，方便其更换。
由于待焊焊缝17存在坡度(如图2所示)，会把一部分的入射光反射到偏离工业相机的方向上，因而待焊焊缝的光强与其周围待焊工件表面的光强度有一定的差别。在工业相机获得的图像中待识别焊缝较暗而其周围待焊工件表面较亮。同时，在弧光宽条纹的边缘会产生较明显的畸变，如图4-1、4-2、4-3所示。图4-1为弧光宽条纹直线焊缝投射畸变示意图，强弧光宽条纹在坡口处两个边界上均产生畸变。对于直线焊缝，两边界畸变形状相似。图4-2为弧光宽条纹曲线焊缝投射畸变示意图，强弧光宽条纹在曲线焊缝坡口处两个边界上的畸变出现一定的变化。图4-3为弧光宽条纹折线焊缝投射畸变示意图，强弧光宽条纹在曲线焊缝坡口处两个边界上的畸变出现较明显的变化。
工业相机采集到投射在待识别焊缝上的弧光宽条纹畸变图像后，通过以太网接口输出。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器，其特征在于，所述传感器包括：弧光传输系统、图像采集系统和阻光罩相对高度恒值控制系统；所述
弧光传输系统包括：光阑、导光板、平板玻璃、转光路反射镜和阻燃海绵；
图像采集系统由带有以太网输出接口的工业相机组成；
阻光罩相对高度恒值控制系统由大力矩直流电机、丝杆、控制器、阻光罩和接触式高度传感器组成；
所述弧光传输系统与所述阻光罩相连；所述图像采集系统嵌入在阻光罩内。
2.如权利要求1所述的熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器，其特征在于，所述工业相机按照转光路反射镜的反射角度嵌入安装在阻光罩内采集焊缝图像；所述接触式高度传感器的触头与待焊工件接触，大力矩直流电机带动丝杆根据高度传感器的信号调节阻光罩的高度。
3.如权利要求1所述的熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器，其特征在于，
在所述阻光罩的内壁和导光板的表面设置有由铝合金电化学着色处理的黑色层，所述导光板前固定有滑槽；
所述平板玻璃安装在所述导光板前的滑槽内；
所述转光路反射镜可根据待识别焊缝与焊枪的距离进行旋转调节反射镜的角度。
4.如权利要求1所述的熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器，其特征在于，所述阻光罩相对高度恒值控制系统中设置的控制器用于读出接触式高度传感器的值与程序中的给定值，并求出差值；根据差值控制直流电机正转或反转，进而控制阻光罩高度上升或下降，以保持阻光罩与待焊板之间的相对高度恒定。
5.如权利要求4所述的熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器，其特征在于，所述阻光罩四周由金属壳体包围，阻光罩通过阻燃海绵与待焊板紧密接触。
6.如权利要求1所述的熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器，其特征在于，所述工业相机可采集照射在待焊焊缝上由弧光产生的高照度宽条纹畸变图像，并将所述图像通过接口以数字信号形式输出。
7.如权利要求5所述的熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器，其特征在于，在阻光罩内导光板后段安装一个与导光板平行的光阑，该光阑使投射在待识别焊缝的弧光边缘对比度较大、焊缝坡口产生的畸变更明显。
8.如权利要求7所述的熔化极气体保护焊焊缝识别视觉传感器，其特征在于，所述焊缝坡口是通过弧光宽条纹的两个边缘产生畸变来识别，并用于熔化极气体保护焊直线焊缝、折线焊缝和曲线焊缝的识别跟踪。
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