CN105081627B - 基于双线激光测量系统的焊缝测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，包括如下步骤：对设于焊枪前侧的双线激光传感器进行参数标定，获得焊枪与双线激光传感器的对应关系；通过双线激光传感器在焊缝处形成相互平行的第一激光条纹、第二激光条纹；两条激光条纹在工件表面反射、折射后进入摄像机成像；通过图像处理获得两条激光条纹分别在焊缝处的两组焊缝特征点；以熔池中心点为原点O，焊接方向为X轴，焊缝宽度方向为Y轴建立焊接坐标系，通过坐标变换获得焊缝特征点在焊接坐标系下的焊缝特征点坐标；以原点O和两组焊缝特征点坐标拟合形成焊缝的两个边缘的变化曲线；根据两条变化曲线计算焊缝间隙大小和/或焊缝间隙变化趋势。

Description

基于双线激光测量系统的焊缝测量方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，可以测量熔池前半部分边缘一定前置量的焊缝间隙大小和间隙变化趋势。

背景技术

在自动化焊接过程中，不论是焊接专机还是焊接机器人，都面临焊接工件加工、装配、变形的不一致问题，如焊缝的间隙的不一致和不受控变化，从而导致焊接质量不稳定，因此通过实时检测焊缝间隙控制焊接工艺是保证焊缝质量的必要手段。

目前主要采用单线激光视觉传感器检测焊缝间隙，但由于强烈的电弧弧光干扰，单线激光视觉传感器测量位置相对于熔池位置有一定的前置量，将熔池前半部分边缘一定前置量(熔池前端)的间隙大小反馈控制熔池前端的焊缝成形工艺可能导致成形不稳定；另一方面，单线激光视觉传感器只能获得某一位置的间隙大小，无法预测间隙的变化趋势，也无法计算由于间隙导致的焊料填充量的变化，从而无法保证均匀一致的焊缝成形。因此，提出一种能够检测熔池前端间隙及间隙变化趋势的测量方法对于提高焊接质量有着重要的意义。

有鉴于此，有必要提供一种新的基于双线激光测量系统的焊缝测量方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，以测量熔池前端焊缝间隙大小和间隙变化趋势。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，包括如下步骤：S1：对设于焊枪前侧的双线激光传感器进行参数标定，获得焊枪与双线激光传感器的对应关系；S2：通过双线激光传感器的第一激光器和第二激光器同时向工件表面投射激光，在焊缝处形成相互平行的第一激光条纹、第二激光条纹；第一激光条纹位于熔池中心与第二激光条纹之间；S3：两条激光条纹在工件表面反射、折射后进入摄像机成像；S4：通过图像处理获得两条激光条纹分别在焊缝处的两组焊缝特征点；S5：以熔池中心点为原点O，焊接方向为X轴，焊缝宽度方向为Y轴建立焊接坐标系，通过坐标变换获得焊缝特征点在焊接坐标系下的焊缝特征点坐标；S6：以原点O和两组焊缝特征点坐标拟合形成焊缝的两个边缘的变化曲线；S7：根据两条变化曲线计算焊缝间隙大小和/或焊缝间隙变化趋势。

作为本发明的进一步改进，S1中焊枪与双线激光传感器的对应关系包括位置关系和角度关系。

作为本发明的进一步改进，所述焊缝测量方法还包括S8：根据焊缝的间隙变化趋势计算焊料填充量的变化。

作为本发明的进一步改进，所述变化曲线是采用二次多项式对原点O和两组焊缝特征点坐标进行最小二乘拟合形成：y₁＝k₁x²+k₂x+k₃，y₂＝k₄x²+k₅x+k₆，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅和k₆是随焊缝特征点坐标变化而实时变化的常数。

作为本发明的进一步改进，所述焊缝的间隙变化趋势的判断方法为：两条拟合曲线y₁与y₂之间的差值即为焊缝的间隙，所述焊缝在第一激光条纹、第二激光条纹处的焊缝间隙分别为g₁、g₂；如果g₂大于(g₁+△)，则焊缝的间隙越来越大；如果g₂小于(g₁-△)，则焊缝的间隙越来越小；如果g₂-g₁在[-Δ，+Δ]之间，则焊缝的间隙未变化；其中△为设定的阈值。

作为本发明的进一步改进，所述焊缝测量方法还包括熔池前半部分边缘位置的判断：熔池前半部分边缘距熔池中心点的距离为焊缝的平均宽度的一半。

作为本发明的进一步改进，所述焊缝测量方法还包括焊缝填充量变化ΔF的计算方法：设定熔池前半部分边缘在X轴上坐标为a₅，焊接速度为V，焊接时间T后，焊枪沿X轴方向位移为x_T，x_T按拟合曲线y₁和y₂的中心线通过公式进行反向计算获得，k₁、k₂、k₄、k₅是随焊缝特征点坐标变化而实时变化的常数；设定焊接工件的板厚为t，则焊缝填充量变化ΔF公式计算为：

作为本发明的进一步改进，所述变化曲线是对原点O和两组焊缝特征点坐标采用直线拟合的方式形成的。

作为本发明的进一步改进，熔池前半部分边缘、第一激光条纹、第二激光条纹距离熔池中心的距离分别为d₁、d₂、d₃；所述焊缝在所述熔池前半部分边缘、第一激光条纹、第二激光条纹处的焊缝间隙分别为g₃、g₄、g₅；g₃的计算公式如下：

作为本发明的进一步改进，所述焊缝的间隙变化趋势的判断方法为：根据g₃到g₅之间的变化曲线确定焊缝的间隙变化角度θ，所述间隙变化角度θ计算公式为如果θ为正值，说明焊缝的间隙越来越大；如果θ为负值，说明焊缝的间隙越来越小。

本发明的有益效果是：本发明的基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，通过双线激光传感器在焊缝处形成两条激光条纹，从而获取焊枪前端两个位置的焊缝特征点，从而可以计算熔池前端焊缝的间隙大小和焊缝间隙变化趋势；便于根据焊接速度计算由于焊缝间隙导致的焊料填充量的变化。

附图说明

图1是本发明的双线激光测量系统的结构示意图。

图2是曲线焊缝的间隙变化趋势示意图。

图3是直线焊缝的间隙变化趋势示意图。

图4是图3中由g₃到g₅区间内的焊缝间隙变化趋势图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

请参阅图1～图4所示，本发明提供一种基于双线激光测量系统100的焊缝测量方法，以测量工件200在熔池前端的焊缝21间隙大小和间隙变化趋势，进一步可确定焊料填充量的变化。

请详细参阅图1所示，所述双线激光测量系统100包括传感器控制系统(未图示)、设于焊枪300前侧的双线激光传感器10以及给所述双线激光传感器10降温的冷却系统(未图示)。所述双线激光传感器10包括外壳11、设置于外壳11内用于向工件发射激光的第一激光器121和第二激光器122、用于摄取由工件反射或折射的激光条纹的摄像机13、位于工件与摄像机13之间的滤光镜片14、位于外壳11底部的保护镜片以及设于所述外壳11上与所述冷却系统连接的接头、与所述传感器控制系统连接以传输图像数据和传感器控制信号的电缆。

所述第一激光器121和第二激光器122平行，第一激光器121位于第二激光器122与焊枪300中间，以使得两个激光器打出的两个光平面平行。分别由第一激光器121、第二激光器122打出的两个光平面在工件焊缝21处形成的第一激光条纹121’、第二激光条纹122’平行，且第一激光条纹121’比第二激光条纹122’靠近焊枪300；通过比较第一激光条纹121’、第二激光条纹122’的区别可有效、准确地追踪焊缝21的间隙大小及变化趋势。

所述摄像机13的摄像头竖直向下，所述滤光镜片14安装于摄像机13正下方，所述保护镜片位于所述滤光镜片14的下方，并通过推拉的方式手动加载或者移除；且两个激光器121、122发射的激光的中心线与摄像机13的摄像头成一定角度。激光由第一激光器121和第二激光器122分别倾斜地入射到工件表面形成两个平行的激光条纹121’、122’，两个激光条纹121’、122’在工件表面反射、折射后经滤光镜片向上进入同一摄像机13成像。

请参阅图2～图4所示，所述基于双线激光测量系统100的焊缝测量方法为：S1：对设于焊枪300前侧的双线激光传感器10进行参数标定，获得焊枪300与双线激光传感器10的对应关系；对应关系包括位置关系和角度关系；S2：通过双线激光传感器10的第一激光器121和第二激光器122同时向工件表面投射激光，在焊缝21处形成相互平行的第一激光条纹121’、第二激光条纹122’；第一激光条纹121’位于熔池400中心与第二激光条纹122’之间；S3：两条激光条纹在工件表面反射、折射后进入摄像机13成像，成像中包含了焊缝21的位置偏移信息及角度偏移信息；S4：通过图像处理获得两条激光条纹分别在焊缝21处的两组焊缝特征点；S5：以熔池400中心点为原点O，焊接方向为X轴，焊缝21宽度方向为Y轴建立焊接坐标系，通过坐标变换获得焊缝特征点在焊接坐标系下的焊缝特征点坐标；S6：以原点O和两组焊缝特征点坐标拟合形成焊缝21的两个边缘的变化曲线；S7：根据两条变化曲线计算焊缝21间隙大小和/或焊缝21间隙变化趋势。所述熔池400中心点即焊枪300正下方位于工件表面的位置。

如图2所示，所述基于双线激光测量系统100的焊缝测量方法用于测量曲线焊缝21时，具体步骤如下：

对双线激光传感器10进行参数标定，获得焊枪300末端与双线激光传感器10的相对位置，所述相对位置包括三维立体空间的位置关系和旋转角度关系。

两个激光器同时将激光投射到工件表面，在工件表面形成两条平行的激光条纹，两条激光条纹经工件反射和折射后进入同一摄像机13上成像。

通过图像处理，获得熔池400前半部分边缘一定前置量的两条激光条纹121’、122’分别与焊缝21的交叉点，即焊缝特征点a₁，a₂，a₃，a₄；其中a₁和a₃分别为第一激光条纹121’与形成焊缝21的两个边缘的交叉点；a₂和a₄分别为第二激光条纹122’与形成焊缝21的两个边缘的交叉点；a₁和a₂位于形成焊缝21的一个边缘上，a₃和a₄位于形成焊缝21的另一个边缘上。

以熔池400中心点为原点O，焊接方向为X轴，焊缝21宽度方向为Y轴建立焊接坐标系，通过坐标变换获得焊缝特征点在焊接坐标系下的焊缝特征点坐标；采用二次多项式对曲线(O，a₁，a₂)和曲线(O，a₃，a₄)进行最小二乘拟合，获得曲线方程为y₁＝k₁x²+k₂x+k³，y₂＝k₄x²+k₅x+k₆；将焊缝特征点坐标带入曲线方程可以计算出k₁、k₂、k₃、k₄、k₅和k₆为具体的常数。伴随着焊接进程，焊缝21会发生变化，随之焊缝特征点坐标也会发生相应的变化，上述k₁、k₂、k₃、k₄、k₅和k₆也会实时变化，因此通过上述方法可以实时测量焊缝21的间隙大小和焊缝21的间隙变化趋势。

根据获取的焊缝特征点位置计算焊缝21的间隙大小、焊缝21间隙变化趋势；进一步结合焊接速度计算间隙变化导致的焊料填充量的变化；具体计算方法为：

为了简化焊缝21间隙的计算，定义焊缝21与激光条纹形成的两个交叉点之间的距离为焊缝21间隙大小，因此第一激光条纹121’、第二激光条纹122’处的焊缝21间隙大小分别为g₁＝|a₁-a₃|，g₂＝|a₂-a₄|。

焊缝21间隙变化趋势判断方法为：如果g₂大于(g₁+△)，则间隙越来越大；如果g₂小于(g₁-△)，则间隙越来越小；如果g₂-g₁在[-Δ，+Δ]之间，则间隙未变化，其中△为设定的阈值。

熔池400前半部分边缘处焊缝21间隙大小的测量方法为：根据焊缝21平均宽度的一半的值来估计确定熔池400前半部分边缘位置a5点的位置，熔池400前半部分边缘位置a₅点距熔池400中心点的距离为焊缝21的平均宽度的一半。熔池400前半部分边缘a₅点间隙大小定义为a₅点位置的间隙g₃，即g₃＝(y₁-y₂)a₅。

熔池400前端焊缝21的焊料填充量变化的判断方法为：假设焊接速度为V，焊接一段时间T后，焊枪300在当前测量位置X轴方向位移为x_T，x_T按拟合曲线y₁和y₂的中心线通过公式 进行反向计算获得。

假设板厚为t，因此焊料填充量变化ΔF公式计算为：

如图3～图4所示，所述的基于双线激光测量系统100的焊缝测量方法用于测量直线焊缝21时，与测量曲线焊缝21时的区别点在于：

用户根据工件厚度、形状、工艺等选择的熔池400前半部分的半径，确定熔池400前半部分边缘位置；

利用两条激光条纹121’、122’处的焊缝21间隙位置和大小，采用直线拟合的方式，绘制熔池400前端间隙变化趋势图，计算出熔池400前半部分边缘的间隙大小、间隙变化角度。

设定熔池400前半部分边缘、第一激光条纹121’、第二激光条纹122’距离熔池400中心的距离分别为d₁、d₂、d₃；所述焊缝21在所述熔池400前半部分边缘、第一激光条纹121’、第二激光条纹122’处的焊缝21间隙分别为g₃、g₄、g₅；根据相似三角形原理，g₃的计算公式如下：

如图4所示，根据计算获得的间隙g₃、g₄、g₅及d₁、d₂、d₃，即可绘制出熔池400前端的间隙变化趋势图，即由g₃到g₅，焊缝21边缘中间形成梯形，通过计算可以获得焊缝21的间隙变化角度θ，间隙变化角度θ计算公式为：

如计算出θ为正值，说明焊缝21的间隙逐渐变大；如果θ为负值，说明焊缝21的间隙逐渐变小；θ的绝对值可以表示焊缝21间隙变化的剧烈程度。

进一步地，利用间隙变化趋势图可以很方便的计算出由于间隙导致的焊料填充量的变化。

综上所述，本发明的基于双线激光测量系统100的焊缝测量方法，通过双线激光传感器10在焊缝21处形成两条激光条纹121’、122’，从而获取焊枪300前端两个位置的焊缝特征点，从而可以计算熔池400前端焊缝21的间隙大小和焊缝21间隙变化趋势；便于根据焊接速度计算由于焊缝21间隙导致的焊料填充量的变化。该基于双线激光测量系统100的焊缝测量方法可应用于测量直线焊缝21、曲线焊缝21。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，包括如下步骤：

S1：对设于焊枪前侧的双线激光传感器进行参数标定，获得焊枪与双线激光传感器的对应关系；

S2：通过双线激光传感器的第一激光器和第二激光器同时向工件表面投射激光，在焊缝处形成相互平行的第一激光条纹、第二激光条纹；第一激光条纹位于熔池中心与第二激光条纹之间；

S3：两条激光条纹在工件表面反射、折射后进入摄像机成像；

S4：通过图像处理获得两条激光条纹分别在焊缝处的两组焊缝特征点；

S5：以熔池中心点为原点O，焊接方向为X轴，焊缝宽度方向为Y轴建立焊接坐标系，通过坐标变换获得焊缝特征点在焊接坐标系下的焊缝特征点坐标；

S6：以原点O和两组焊缝特征点坐标拟合形成焊缝的两个边缘的变化曲线；

S7：根据两条变化曲线计算焊缝间隙大小和/或焊缝间隙变化趋势。

2.根据权利要求1所述的基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，其特征在于：S1中焊枪与双线激光传感器的对应关系包括位置关系和角度关系。

3.根据权利要求1所述的基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，其特征在于：所述焊缝测量方法还包括S8：根据焊缝的间隙变化趋势计算焊料填充量的变化。

4.根据权利要求1所述的基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，其特征在于：所述变化曲线是采用二次多项式对原点O和两组焊缝特征点坐标进行最小二乘拟合形成：y₁＝k₁x²+k₂x+k₃，y₂＝k₄x²+k₅x+k₆，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅和k₆是随焊缝特征点坐标变化而实时变化的常数。

5.根据权利要求4所述的基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，其特征在于：所述焊缝的间隙变化趋势的判断方法为：

两条拟合曲线y₁与y₂之间的差值即为焊缝的间隙，所述焊缝在第一激光条纹、第二激光条纹处的焊缝间隙分别为g₁、g₂；

如果g₂大于(g₁+△)，则焊缝的间隙越来越大；

如果g₂小于(g₁-△)，则焊缝的间隙越来越小；

如果g₂-g₁在[-Δ，+Δ]之间，则焊缝的间隙未变化；其中△为设定的阈值。

6.根据权利要求4所述的基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，其特征在于：所述焊缝测量方法还包括熔池前半部分边缘位置的判断：熔池前半部分边缘距熔池中心点的距离为焊缝的平均宽度的一半。

7.根据权利要求4所述的基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，其特征在于：所述焊缝测量方法还包括焊缝填充量变化ΔF的计算方法：

设定熔池前半部分边缘在X轴上坐标为a₅，焊接速度为V，焊接时间T后，焊枪沿X轴方向位移为x_T，x_T按拟合曲线y₁和y₂的中心线通过公式进行反向计算获得，k₁、k₂、k₄、k₅是随焊缝特征点坐标变化而实时变化的常数；

设定焊接工件的板厚为t，则焊缝填充量变化ΔF公式计算为：

$\mathrm{\Δ}F=t\×{\∫}_{a_5}^{a_5+x_T}(y_1-y_2)dx.$

8.根据权利要求1所述的基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，其特征在于：所述变化曲线是对原点O和两组焊缝特征点坐标采用直线拟合的方式形成的。

9.根据权利要求8所述的基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，其特征在于：熔池前半部分边缘、第一激光条纹、第二激光条纹距离熔池中心的距离分别为d₁、d₂、d₃；所述焊缝在所述熔池前半部分边缘、第一激光条纹、第二激光条纹处的焊缝间隙分别为g₃、g₄、g₅；g₃的计算公式如下：

$g_3=\frac{(d_3-d_1)*g_4-(d_2-d_1)*g_5}{d_3-d_2}.$

10.根据权利要求9所述的基于双线激光测量系统的焊缝测量方法，其特征在于：所述焊缝的间隙变化趋势的判断方法为：

根据g₃到g₅之间的变化曲线确定焊缝的间隙变化角度θ，所述间隙变化角度θ计算公式为：

如果θ为正值，说明焊缝的间隙越来越大；

如果θ为负值，说明焊缝的间隙越来越小。