CN105414710B - 主被动视觉焊接熔池复合传感装置及采用该装置实现的传感方法 - Google Patents

Abstract

主被动视觉焊接熔池复合传感装置及采用该装置实现的传感方法，涉及焊接技术领域。本发明是为了解决焊接技术的问题。本发明所述的现有的熔池传感技术中直接观察熔池图像，无法获得熔池的尺寸信息，导致焊接精度低的问题。本发明采用激光器发出初始圆形光束，经衍射光学元件被整形为线条纹结构光投射在熔池与已凝固焊道的连接处，调整滤光片使采集到该区域含有线条纹结构光图像的同时也捕获熔池区域图像，传入DSP图像处理平台，进行图像处理，将熔池根部区域已凝固部分的高度可近似于当前熔池高度，通过分析线条纹结构光在高度方向上的调制情况，获得熔池高度信息，同时处理图像中的熔池部分，提取熔池边缘，获得熔池三维尺寸。它用于焊接中。

Description

主被动视觉焊接熔池复合传感装置及采用该装置实现的传感 方法

技术领域

本发明涉及主被动视觉焊接熔池复合传感装置及采用该装置实现的传感方法。属于焊接技术领域，特别是自动化焊接技术。

背景技术

焊接自动化是指机器设备在没有人或较少人的直接干预指导下完成焊接操作。在当下焊接领域，一方面，由于劳动力成本持续上涨，这对大量需求具有专业操作技能的焊接技工的焊接工业造成冲击，降低人力成本，提高生产效率与质量成为限制发展的难题；另一方面，在某些特殊的工作环境中，如水下、太空、核辐射区域，操作工人受环境限制，很难进入工作区域开展焊接操作，焊接自动化技术成为解决以上问题的关键。因此，焊接自动化技术已成为当今的发展趋势。

焊接自动化技术的核心问题是焊接质量控制。传统焊接操作中，焊接技工通过观察熔池变化调整焊枪姿态、焊接参数从而保证焊缝质量。获得熔池信息有助于解决焊接自动化操作中的质量控制问题。

熔池传感技术中，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研究。被动视觉传感技术指依靠电弧光、熔池和工件表面反射的电弧光作为光源照明熔池区域。如专利CN201320010350提出的双CCD焊接视觉监控系统，即为传统的被动视觉传感方法，直接观察熔池图像，无法获得熔池的尺寸信息。主动视觉传感技术采用光源为单光面或多光面的激光结构光进行照明，分析结构光的变形情况获得所需定量数据，实现精度较高的间接测量。但主动视觉技术相对抽象，缺乏直观的熔池信息，人与系统的交互性差。目前结构光主动视觉多用于焊缝跟踪技术中，如专利CN201310534177、CN201210568670。目前，还未有主动视觉、被动视觉相融合的熔池复合传感方法公开。

由于上述视觉传感方法各自存在不足，因此针对焊接熔池传感技术，提出一种主被动视觉融合的复合传感方法，实现优势互补，对于焊接自动化过程中的质量控制具有重要意义。

发明内容

本发明是为了解决现有的熔池传感技术中直接观察熔池图像，无法获得熔池的尺寸信息，导致焊接精度低的问题。现提供主被动视觉焊接熔池复合传感装置及采用该装置实现的传感方法。

主被动视觉焊接熔池复合传感装置，

它包括焊枪、结构发生机构、图像采集机构和中心处理机构，

结构发生机构包括激光器、衍射光学元件和防飞溅窗口片，

图像采集机构包括数字相机和窄带滤光片，

中心处理机构采用DSP图像处理平台实现，

激光器、衍射光学元件、防飞溅窗口片、数字相机和窄带滤光片均设置在传感器壳体内，且同时位于熔池的上方，传感器壳体为敞口向下的六面体结构，防飞溅窗口片位于传感器壳体的敞口处，数字相机沿焊接方向置于激光器后方，窄带滤光片设置在数字相机镜头前，焊枪沿焊接方向置于传感器壳体的前方，传感器壳体通过铰架安装在焊枪上，

激光器输出的圆形光束经过衍射光学元件整形为线条纹结构光，该线条纹结构光透过防飞溅窗口片3投射在熔池与已凝固焊道的连接处，

数字相机通过窄带滤光片采集投射在熔池与已凝固焊道的连接处的熔池图像和线条纹结构光，

DSP图像处理平台用于采集熔池与已凝固焊道的连接处的熔池图像和线条纹结构光，根据已凝固焊道的高度等于当前熔池高度及结合线条纹结构光信息，获得熔池高度信息，同时提取熔池边缘，获得熔池的三维尺寸。

根据主被动视觉焊接熔池复合传感装置实现的传感方法，它包括以下步骤：

步骤一、半导体激光器发出的初始圆形光束经过衍射光学元件被整形为线条纹结构光后，投射在熔池与已凝固焊道的连接处，通过调整窄带滤光片和数字相机的位置与姿态，使数字相机采集到熔池与已凝固焊道的连接处含有线条纹结构光图像的同时也捕获熔池区域图像，

步骤二、熔池与已凝固焊道的连接处含有线条纹结构光图像和熔池区域图像传入DSP图像处理平台中，DSP图像处理平台对熔池与已凝固焊道的连接处含有线条纹结构光图像和熔池区域图像进行增强处理，去除噪声干扰，然后将已凝固焊道的高度等于当前熔池高度及结合线条纹结构光图像，获得熔池高度信息，同时提取熔池边缘，获得熔池的三维尺寸，

步骤三、重复步骤一和步骤二，直至焊枪完成焊接的过程。

本发明的有益效果为：采用半导体激光器发出初始圆形光束，经过衍射光学元件，光束被整形为线条纹结构光，投射在熔池与已凝固焊道的连接处，调整加装滤光片的数字相机位置与姿态，使其采集到该区域含有线条纹结构光图像的同时也捕获熔池区域图像，传入DSP图像处理平台，进行图像处理，根据焊接过程的连续性，可将熔池根部区域已凝固部分的高度可近似于当前熔池高度，通过分析线条纹结构光在高度方向上的调制情况，获得熔池高度信息，同时处理图像中的熔池部分，提取熔池边缘，获得熔池的长度、宽度信息。通过上述过程，获得了直观的熔池动态图像的同时，实时获得熔池的三维尺寸信息。采用该方法实现的焊接精度高，

并且相对于现有熔池传感技术有以下有点：

1、可获得熔池尺寸信息。现有的基于被动视觉的熔池监控系统，只能通过优化光学采集系统，获得清晰的熔池图像，虽然相对直观，但是缺乏具体的尺寸信息，尤其是熔池高度信息，无法向焊接自动化技术提供前端数字传感信息。

2、检测的实时性优秀。当前提出的基于反射的主动视觉熔池传感技术，光路复杂，图像无法连续采集且熔池恢复需要大量处理运算。本发明相对处理计算量小，能够达到实时熔池传感的要求。

3、结构简单，应用范围广。本发明的检测方法实现装置结构简单，可以集成于各类焊接机器人手臂、自动化焊接焊枪上，可以在工程中广泛应用。

附图说明

图1为具体实施方式所述的主被动视觉焊接熔池复合传感装置的结构示意图；

图2为具体实施方式四所述的主被动视觉焊接熔池复合传感方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的主被动视觉焊接熔池复合传感装置，它包括焊枪7、结构发生机构、图像采集机构和中心处理机构，

结构发生机构包括激光器1、衍射光学元件2和防飞溅窗口片3，

图像采集机构包括数字相机5和窄带滤光片6，

中心处理机构采用DSP图像处理平台实现，

激光器1、衍射光学元件2、防飞溅窗口片3、数字相机5和窄带滤光片6均设置在传感器壳体4内，且同时位于熔池的上方，传感器壳体4为敞口向下的六面体结构，防飞溅窗口片3位于传感器壳体4的敞口处，数字相机5沿焊接方向置于激光器1后方，窄带滤光片6设置在数字相机镜头前，焊枪7沿焊接方向置于传感器壳体4的前方，传感器壳体4通过铰架安装在焊枪上，

激光器1输出的圆形光束经过衍射光学元件2整形为线条纹结构光，该线条纹结构光透过防飞溅窗口片3投射在熔池与已凝固焊道的连接处，

数字相机5通过窄带滤光片6采集投射在熔池与已凝固焊道的连接处的熔池图像和线条纹结构光，

DSP图像处理平台用于采集熔池与已凝固焊道的连接处的熔池图像和线条纹结构光，通过采集线条纹结构，获得熔池高度信息，同时将已凝固焊道的高度等于当前熔池高度，提取熔池边缘，获得熔池的长度、宽度信息。

本实施方式中，通过更换不同规格的光学衍射元件可获得任意形状结构光，不局限于特定一字形单条纹结构。窄带滤光片，用于减少弧光干扰。

本实施方式中，图像采集机构连续采集图像，在同一张图像中，同时包含熔池信息与结构光信息。

本实施方式中，数字相机倾斜角度根据具体拍摄情况进行调节。传感器壳体通过夹具与焊枪随动。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的主被动视觉焊接熔池复合传感装置作进一步说明，本实施方式中，激光器1为半导体激光器。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的主被动视觉焊接熔池复合传感装置作进一步说明，本实施方式中，传感器壳体4的材料为铝制。

具体实施方式四：参照图2具体说明本实施方式，采用具体实施方式三所述的主被动视觉焊接熔池复合传感装置实现的传感方法，本实施方式中，它包括以下步骤：

步骤一、半导体激光器发出的初始圆形光束经过衍射光学元件2被整形为线条纹结构光后，投射在熔池与已凝固焊道的连接处，通过调整窄带滤光片6和数字相机5的位置与姿态，使数字相机5采集到熔池与已凝固焊道的连接处含有线条纹结构光图像的同时也捕获熔池区域图像，

步骤二、熔池与已凝固焊道的连接处含有线条纹结构光图像和熔池区域图像传入DSP图像处理平台中，DSP图像处理平台对熔池与已凝固焊道的连接处含有线条纹结构光图像和熔池区域图像进行增强处理，去除噪声干扰，然后将已凝固焊道的高度等于当前熔池高度及结合线条纹结构光图像，获得熔池高度信息，同时提取熔池边缘，获得熔池的三维尺寸，

步骤三、重复步骤一和步骤二，直至焊枪7完成焊接的过程。

本发明的工作原理：半导体激光器发出初始圆形光束，经过衍射光学元件，光束被整形为线条纹结构光，投射在熔池与已凝固焊道的连接处，调整加装滤光片的数字相机位置与姿态，使其采集到该区域含有线条纹结构光图像的同时也捕获熔池区域图像，传入DSP图像处理平台，进行图像处理，根据焊接过程的连续性，可将熔池根部区域已凝固部分的高度可近似于当前熔池高度，通过分析线条纹结构光在高度方向上的调制情况，获得熔池高度信息，同时处理图像中的熔池部分，提取熔池边缘，获得熔池的长度、宽度信息。通过上述过程，获得了直观的熔池动态图像的同时，实时获得熔池的三维尺寸信息。

Claims (4)

1.主被动视觉焊接熔池复合传感装置，其特征在于，它包括焊枪(7)、结构发生机构、图像采集机构和中心处理机构，

结构发生机构包括激光器(1)、衍射光学元件(2)和防飞溅窗口片(3)，

图像采集机构包括数字相机(5)和窄带滤光片(6)，

中心处理机构采用DSP图像处理平台实现，

激光器(1)、衍射光学元件(2)、防飞溅窗口片(3)、数字相机(5)和窄带滤光片(6)均设置在传感器壳体(4)内，且同时位于熔池的上方，传感器壳体(4)为敞口向下的六面体结构，防飞溅窗口片(3)位于传感器壳体(4)的敞口处，数字相机(5)沿焊接方向置于激光器(1)后方，窄带滤光片(6)设置在数字相机镜头前，焊枪(7)沿焊接方向置于传感器壳体(4)的前方，传感器壳体(4)通过铰架安装在焊枪上，

激光器(1)输出的圆形光束经过衍射光学元件(2)整形为线条纹结构光，该线条纹结构光透过防飞溅窗口片(3)投射在熔池与已凝固焊道的连接处，

数字相机(5)通过窄带滤光片(6)采集投射在熔池与已凝固焊道的连接处的熔池图像和线条纹结构光，

DSP图像处理平台用于采集熔池与已凝固焊道的连接处的熔池图像和线条纹结构光，根据已凝固焊道的高度等于当前熔池高度及结合线条纹结构光信息，获得熔池高度信息，同时提取熔池边缘，获得熔池的三维尺寸。

2.根据权利要求1所述的主被动视觉焊接熔池复合传感装置，其特征在于，激光器(1)为半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的主被动视觉焊接熔池复合传感装置，其特征在于，传感器壳体(4)的材料为铝制。

4.根据权利要求2所述的主被动视觉焊接熔池复合传感装置实现的传感方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一、半导体激光器发出的初始圆形光束经过衍射光学元件(2)被整形为线条纹结构光后，投射在熔池与已凝固焊道的连接处，通过调整窄带滤光片(6)和数字相机(5)的位置与姿态，使数字相机(5)采集到熔池与已凝固焊道的连接处含有线条纹结构光图像的同时也捕获熔池区域图像，

步骤二、熔池与已凝固焊道的连接处含有线条纹结构光图像和熔池区域图像传入DSP图像处理平台中，DSP图像处理平台对熔池与已凝固焊道的连接处含有线条纹结构光图像和熔池区域图像进行增强处理，去除噪声干扰，然后将已凝固焊道的高度等于当前熔池高度及结合线条纹结构光图像，获得熔池高度信息，同时提取熔池边缘，获得熔池的三维尺寸，

步骤三、重复步骤一和步骤二，直至焊枪(7)完成焊接的过程。