CN106825914A - 一种具有焊缝跟踪功能的一体化激光焊枪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有焊缝跟踪功能的一体化激光焊枪，它主要是解决现有激光焊时焊缝跟踪的实时性不强，结构复杂的问题。其结构特点是：由一体化激光焊枪、点环CCD图像处理器、信息处理器、位姿控制器等组成。一体化激光焊枪主要由激光光纤，分光镜，可旋动反光镜，点环形传感器等组成。一体化激光焊枪的跟踪检测焊接工作原理是：一体化激光焊枪控制激光在坡口处扫描，由一体化激光焊枪发出的信号被点环形传感器采集信号，处理后反馈于点环CCD图像处理器、信息处理器中，由位姿控制器实现激光焊的自适应控制及焊接跟踪。本发明结构紧凑，响应速度快，焊接稳定性强，实时性好。

Description

一种具有焊缝跟踪功能的一体化激光焊枪

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体的说是一种具有激光焊接和焊缝跟踪传感器功能的一体化焊接装置。

背景技术

随着现代工业的大型化和高参数化，激光焊接技术也得到了充分体现。由于与传统的电弧焊接相比较，激光焊接技术可将能量高度集中，热影响区较小，同时焊接速度高、焊接变形小。所以国内众多学者将窄间隙焊接技术与激光焊接技术结合起来，获得了窄间隙激光焊接技术。

但由于激光焊接过程相对复杂，坡口的加工、工件的装配精度要求很高，以及在焊接过程中受热产生的变形等多重因素的影响，使得实际焊缝轨迹与焊接接缝的轨迹之间产生一定偏差，使得焊接质量并不能得到保证。

本一体化激光焊枪为了保证实际焊缝轨迹与焊接接缝的轨迹之间吻合，使得焊接质量得到保证。它主要是解决现有的窄间隙激光焊时焊缝跟踪的实时性差的问题。对焊接过程的稳定性及焊接质量产生了直接的影响，并且其对激光焊接焊缝轨迹实现自动修正与补偿，降低激光焊接件的预加工成本，提高焊接过程的工艺适应能力。

经文献检索，目前国内外对激光焊接焊缝跟踪公开号为105382410A的“具有自动跟踪功能的激光焊接设备”专利中，实现了一种激光焊接头在工件表面自动对焦的激光焊接设备。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的激光焊时焊缝跟踪的实时性差的问题,并且对激光焊接焊缝轨迹实现自动修正与补偿。

为实现上述目的，本发明提供一种具有激光焊接和焊缝跟踪传感器功能的一体化激光焊枪。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

当一种具有焊缝跟踪功能的一体化激光焊枪，在焊接过程中同时扫描焊缝坡口信息，点环传感器接收到激光反射的焊缝坡口扫描信号，对原始信号进行滤波处理；其特征在于包括以下：

①一种具有焊缝跟踪功能的一体化激光焊枪，其结构是，激光发射器发出激光束，通过激光光纤送到一体化激光焊枪内，其激光束依次通过透镜，分光镜，透镜，并照射在工件上；其中，一部分激光束在通过分光镜时，被分光镜反射在具有激光焊接和焊缝跟踪的一体化激光焊枪内壁上，被内壁上的镜片反射，充当辅助光源，进行焊缝跟踪检测。

其中一体化激光焊枪底端的点环传感器中，其环状部分是由两个光学镜头拼接成环状，其目的是获取焊缝宽度及及焊缝离焊枪高度特征信息。其信号输出给点环CCD图像处理器，其中点状部分为点阵CCD，获取焊缝高度图像。

②一种具有焊缝跟踪功能的一体化激光焊枪的跟踪方法包括如下步骤：

步骤1，在激光焊接的同时获取焊缝的中心位置以及焊缝尺寸。面阵CCD传感器将其采集的光信号转换成按时序串行输出的图像数据，以获取焊缝路径图像，并且将该焊缝路径图像传输至点环CCD图像处理器；

步骤2，点环CCD图像处理器对焊缝路径图像进行预处理，利用面阵CCD传感器获取焊缝路径，计算出实际的焊缝路径宽度和跟踪方向，之后按照该焊缝路径连续焊接。结合检测红外传感器得到的工件高度，将焊接轨迹数据输出至信息处理器；

步骤3，信息处理器对实际焊接轨迹数据进行处理，并且根据处理结果发出控制指令至位姿控制器；

步骤4，位姿控制器执行信息处理器发出的控制指令，并且驱动一体化激光焊枪，以调节该激光焊头的位置以及控制该激光焊头的焊接动作。

步骤5，图像处理模块对焊缝路径图像进行预处理过程包括滤波处理和锐化处理。图像处理模块滤除焊缝路径图像中的干扰图像，得到有用图像信息，并且加强焊缝特征信号，提取焊缝特征点，凸出图像轮廓，之后进行图像拼接。

③其面阵CCD传感器主要用于测量焊接高度及焊缝宽度，其红外传感器主要用于测量。其测量结果通过点环CCD图像处理器，处理后，通过信息处理的计算，得出焊缝的尺寸信息，控制位姿控制器执行信息处理器的控制指令，驱动一体化激光焊枪，并调节该装置的位置以及控制该装置的焊接动作。

本发明相比现有技术而言的有益效果在于:

通过焊缝跟踪自动完成焊接过程，使得激光焊接过程实现了自动化与智能化，大大提高激光焊接加工的效率，提升激光焊接技术水平，降低了生产成本。

通过对焊缝的实时自动跟踪与调整，可有效避免受多种客观因素影响而造成焊接偏移等质量问题，有效提高焊接质量，由于焊接过程是自动跟踪完成，降低生产成本，改善劳动条件。

适用性强。本发明适用于窄间隙脉冲焊接，对于对称性的窄间隙坡口的熔宽具有良好的适应性。而且，本发明还适用于任何具有对称性坡口的非窄间隙脉冲焊接场合。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是一种具有焊缝跟踪功能的一体化激光焊枪结构图，在图中：1，一体化激光焊枪；2，点环CCD图像处理器；3，信息处理器；4，电源；5，位姿控制器；6，焊件；

图2是一种具有焊缝跟踪功能的一体化激光焊枪系统原理的结构图。在图中：1，激光光纤；2，激光束；3，一体化激光焊枪,4，透镜,5，分光镜,6，反光镜,7，可旋动反光镜,8，实时CCD镜头，9，防飞溅高透玻璃片；10，透镜；11，滤光片；12，减光片；13，CCD镜头；

图3是一种具有焊缝跟踪功能的一体化激光焊枪镜头分布图；

在图中：1，红外传感器；2，面阵CCD传感器；

图4是实时镜头的结构示意图；

图5是图片信号融合的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述,但不限定本发明。

如图1所示，一种具有焊缝跟踪功能的一体化激光焊枪的焊接跟踪系统，包括一体化激光焊枪1，点环CCD图像处理2，信息处理器3，电源4，位姿控制器5。其一体化激光焊枪结构为，通过激光光纤(1)传输的激光发射器产生的激光束(2)依次穿过所述一体化激光焊枪(3)内的透镜(4)、分光镜(5)、反光镜(6)，并照射在工件上，其照射在分光镜(5)部分的激光分为两个部分，一束直接通过分光镜，直接照射在工件，作为焊接激光，另一束被分光镜反射，照在反光片上，通过反光片反射，反射在装有小型步进电机的可旋动反光镜(7)上，通过调节适当角度照射在工件上。其中点环激光红外传感器、面阵CCD传感器安装在一体化激光焊枪上，红外传感器与信息处理器相连接，面阵CCD传感器与点环CCD图像处理器相连接，图像处理器和信息处理器相连接并控制定位装置控制激光焊枪位移变化.其实时CCD镜头组件包括实时CCD镜头(8)，光线依次经过实时CCD镜头(8)内的防飞溅高透玻璃片(13)到透镜(12)、滤光片(11)、减光片(10)再进入CCD或红外传感器相机。一体化激光焊枪底部是点环形传感器，它由红外传感器和两块搭接的面阵CCD传感器构成。其中，环状部分是安装由面阵CCD传感器搭接的镜头，圆圈部分是安装红外传感器。

1、在焊接过程中，传感器与激光焊枪一体化激光焊枪中红外测距CCD传感器的扫描工件，测得工件高度，其面阵CCD传感器通过双目视觉原理得出焊缝的信息数据，利用二值化处理，对数据进行拟合得出焊缝轨迹，调整一体化激光焊枪，使激光焦距调整到最适角度。在焊接过程中面阵CCD传感器实时的对熔宽进行拍照，获得焊缝熔宽的图像，经过图像处理得出焊接过程中焊缝跟踪的熔宽信息；通过对双目视觉传感器获得的数据与CCD红外传感器的信息进行融合，得出焊缝跟踪的控制方案，实现高精度的焊缝跟踪；在焊接过程中主控利用焊缝轨迹信息通过十字滑架，保证一体化激光焊枪的沿焊缝方向移动，自适应焊缝轨迹变化。其中，红外传感器位于一体化激光焊枪底部圆形槽孔内，环形槽孔是由两块面阵CCD搭接融合形成的。

所述的一体化激光焊枪,它由红外传感器、面阵CCD、透镜、反光镜、半导体激光器、扫描转镜、滤波片等构成，焊接过程中，由激光分光形成的辅助光源摆动形成的扫描激光对焊缝进行扫描，通过双目视觉原理找出一系列最远点的距离，利用最小二乘法拟合出焊缝的轨迹。

2、所述的一体化激光焊枪的点环传感器由面阵CCD和红外传感器、摄像镜头等构成，实时对焊缝进行拍照通过对图像进行处理，获得跟踪误差，通过与红外传感器获得数据进行融合，得出反馈的控制方案，实现焊缝跟踪。

其图像信息融合的步骤在于：

(1)选取一个初始阈值T，通常选择CCD图像的平均灰度值作为初始阈值。j为迭代次数，初始时j＝0；

b.用T检验图像，将两幅图像分别为G1和G2；

c.分别计算区域G1和G2中像素的平均灰度值m₁和m₂；

d.计算一个新的阈值T₁＝1/2(m₁+m₂)；

e.令j＝j+1，重复步骤b到步骤d，直到T(j+1)-T(j)＜0.5。

(2)根据计算所得的阈值对两幅图像进行分割，得到目标图像和背景图像。

再假设图像A、B是来自于焊接现场同一时刻两张不同的照片，图像A是通过红外传感器获得的图像，图像B是通过CCD传感器获得的图像。A(x,y)、B(x,y)分别表示图像A、B在坐标(x，y)处的像素值。对于图像A,目标图像为焊接电弧，用A₁(x,y)来表示；背景图像为焊接熔池、焊缝及周边环境，用A₂(x,y)来表示。对于图像B，目标图像为焊接熔池、焊缝及周边环境，用B₁(x,y)来表示；背景图像为焊接电弧，用B₂(x,y)来表示。假设式(1)计算出图像A、B阈值分别为T1、T2对图像进行分割如下：

(3)根据目标图像和背景图像分别得到两幅源图像的光晕部分。

当曝光量较大时，由于电弧属于强光源，会导致采集到图像中的电弧大于实际电弧，即出现光晕。为满足融合图像的真实性，需要分别计算出源图像A、B的光晕部分，分别用A₃(x,y)和B₃(x,y)表示：

(4)用加权平均融合算法对所得到的光晕图像进行融合假设得到的光晕融合图像为C，用C(x,y)来表示

C(x,y)＝0.5×A₃(x,y)+0.5×B₃(x,y) (8)

(5)对目标图像和光晕融合图像进行融合，得到最终的融合图像。

假设得到的最终融合图像为F，用F₁(x,y)表示图像A的最终图像，F₂(x,y)表示图像B的最终图像。

F₁(x,y)＝0.5×A₁(x,y)+0.5×C(x,y)；F₂(x,y)＝0.5×B₂(x,y)+0.5×C(x,y)

(6)红外传感器获得焊缝信息数据F₁、A₂，经过数据处理后，拟合出焊缝高度h1_i，与此同时面阵CCD传感器对焊缝进行观测，获得焊缝的图像信息F₂、B₁，面阵CCD输出模拟视频信号，得出焊接高度h2_i，经过对比图像处理得出焊接过程中的跟踪误差△h＝h1_i-h2_i>0，利用面阵CCD传感器获得跟踪误差对红外传感器获得焊缝轨迹进行误差补偿。根据照度与灰度的关系a、b为系数，当标定过程中均匀光源与相机的距离变化时a、b也随之变化，表示均匀光源出光口照度值，G为图像灰度值。可知，比较两者光晕信号强弱，当A₃(x,y)>B₃(x,y)时，得出加权的焊缝高度信息H＝0.4×h1_i+0.5×h2_i+△h，A₃(x,y)<B₃(x,y)时,得出加权的焊缝高度信息H＝0.5×h1_i+0.4×h2_i+△h，最后，根据此焊缝高度轨迹可以控制焊枪找到焊缝最适焦距；

3、其焊缝熔宽计算在于，在图形处理的点运算中,将彩色图像转化成灰度图像，经过平滑柔化处理后，在预先设定跟踪误差的最优阈值，为图像中的最大和最小灰度值的平均值，将面阵CCD视觉传感器获得的跟踪误差与设定的阀值做比较，若误差值小于设定的阀值，则将面阵CCD视觉传感器获得数据舍去，若跟踪误差大于设定的阈值则进行误差补偿。再将图像分割及二值处理，将焊缝特征的提取，测出焊缝的边界,求出焊缝左边和右边位置的平均值,然后求出焊缝的中心位置，最后求出焊缝熔宽信息。

Claims (3)

1.发明了一种具有焊缝跟踪功能的一体化激光焊枪，该一体化激光焊枪，与点环CCD图像处理器、信息处理器、位姿控制器等组成焊接系统；其中的一体化激光焊枪主要由激光光纤，分光镜，可旋动反光镜，点环形传感器等组成；点环形传感器由红外传感器和两块搭接的面阵CCD传感器构成；经外部激光发射器发出一束激光后，通过激光光纤引导在分光镜上，分离出两束激光，一束用于激光焊接，一束处理后，进行焊缝跟踪；在焊接时，点环CCD传感器，采集焊接信号，并且点环CCD图像处理器接收信号并反馈，同时实现激光焊接、焊缝跟踪一体化的功能；点环CCD传感器实时检测焊缝信息，其中的面阵CCD视觉传感器检测高度信息和熔宽信息，红外传感器检测检测高度信息，二者同时采样，信息在点环CCD图像处理器中处理后，通过融合运算，传递给信息处理器，得出高度和熔宽信息，由信息处理器处理后反馈于位姿控制器控制一体化激光焊枪，控制激光焊头摆动及其对中。

2.发明的一体化激光焊枪结构特征在于：包括通过激光光纤（1）传输的激光发射器产生的激光束（2）依次穿过所述一体化激光焊枪（3）内的透镜（4）、分光镜（5）、反光镜（6），并照射在工件上；照射在分光镜部分的激光分为两个部分，一束直接通过分光镜，直接照射在工件，作为焊接激光，另一束被分光镜反射，照在反光片上，通过反光片反射，反射在装有小型步进电机的反射镜片上，以适当角度照射在工件上；其中点环CCD图像传感器中的红外传感器、面阵CCD视觉传感器安装在一体化激光焊枪上，红外传感器与信息处理器相连接，面阵CCD视觉传感器与点环CCD图像处理器相连接，图像处理器和信息处理器相连接并控制定位装置控制激光焊枪位移变化；其一体化激光焊枪上的点环传感器是由面阵CCD传感器，红外传感器，透镜，反光镜，滤光片，减光片等构成；并且，在所述一体化激光焊枪底部设有实时观测工件焊接状态的CCD镜头组件（8）；所述实时镜头组件包括面阵CCD传感器的镜头，该CCD镜头（8）内从上至下依次装有减光片（10）、滤光片（11）、透镜（12）、防飞溅高透玻璃片（13）。

3.一种具有焊缝跟踪功能的一体化激光焊枪，其信号图像融合处理的特征在于：通过激光红外传感器的采集信号，经过阀值及二值化处理，得出焊接高度h1；面阵CCD传感器器通过双目视觉原理拍摄坡口信息，将其采集的光信号转换成按时序串行输出的图像数据，分区域分批次的转化为距离高度，将其测得的最远距离高度h2，与红外传感器信号得出的焊接高度h1按照一定的规则进行加权比较，以获取焊缝高度信息H，得到焊缝特征路径图像及工件高度H，输出实际焊接轨迹数据。