CN106984926A - 一种焊缝跟踪系统及焊缝跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊缝跟踪系统及焊缝跟踪方法。焊缝跟踪系统包括视觉传感装置、支架、焊枪、运动机构、计算机及挡板，所述视觉传感装置，包括点状激光器、线状激光器、面阵相机；面阵相机采集图像，并传入计算机，该计算机发出指令，控制运动机构在三维方向移动。实现在焊接过程中，通过监测工件表面高度变化而自动调节焊枪高度。本发明首次采用点线激光组合式视觉传感系统为基准的整体的焊缝高度识别跟踪方法及焊枪调节方法，此种跟踪方法，对多种工况具有更好的适应性，克服了现有技术中跟踪方法的局限性，该方法响应速度快，能准确识别工件表面高度变化，精度高，能高效地完成焊缝跟踪。

Description

一种焊缝跟踪系统及焊缝跟踪方法

技术领域

本发明涉及焊接自动控制技术领域，具体地说是一种焊缝跟踪系统，本发明还涉及一种焊缝跟踪方法。

背景技术

近年来，工业对工件的焊接需求不断扩大，人工焊接已经无法满足供应。焊接自动化得到迅速发展及广泛应用，焊接跟踪系统的研究也越来越受到人们关注。它对于减轻工人劳动强度，提高焊接质量有重要意义。但在焊接钢板时，钢板会因为加热时间过长、焊接电流过大或其他情况下造成向下塌陷，形成坑状的现象。这将导致工件连接成型差和未焊透等缺陷。因此，需要实时识别工件与焊枪相对位置。

目前，业界存在一些对工件、焊缝的识别方法，例如CN104668738A公开了“交叉式双线激光视觉传感焊枪高度实时识别系统及识别方法”，该系统包括：交叉式双线激光视觉传感器、焊枪、计算机等；传感器由分布于摄像机两侧的左线激光器、右线激光器及前端滤光器组成；识别方法：对系统参数标定后，两激光器以交叉方式将激光线投射至工件，焊枪处于检测位置P_i时，由摄像机采集图像送至计算机处理，获得图像中两激光线间的距离X_i；焊枪高度h_i为：

hi＝h₀/(1-X_itan(θ/2)/(N_ptan(α/2)))-ΔH，重复上述步骤，可实时识别焊枪高度。该发明中采用了两线激光式传感装置，此类装置采用两条激光线作为跟踪、识别、计算的依据，此种装置及其方法，适合于部分特点的理想环境下使用，而在一些实际环境下，则无法使用。例如，当工件表面凹凸不平，则在工件上可能呈现的两条线为曲线，其不同部位的间距则无法准确测定；另外，当工件为角焊缝时，该装置在工件上出现两条弯折线，且两条弯折线不在同一平面，在此情形下，无法实现焊缝的跟踪、识别、计算。

另有装置依据单条激光线进行焊缝跟踪，但单条激光易受振动影响，致使焊枪走向不准确。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种焊缝跟踪系统及其方法，该系统及其方法能够适应多种焊缝工艺及不同环境，并对环境具备更好的适应调节能力。

为解决上述技术问题，本发明焊缝跟踪系统及方法，通过以下技术方案实现：

一种焊缝跟踪系统，其特征在于包括视觉传感装置、支架、焊枪、运动机构、计算机及挡板；

所述视觉传感装置，包括点状激光器、线状激光器、面阵相机、滤镜；所述点状激光器用于向工件投射点状激光，所述线状激光器用于向工件投射线状激光，所述滤镜设在面阵相机镜头前端；

所述支架包括柱状的主架、第一调节架及第二调节架，所述面阵相机、第一调节架、第二调节架、焊枪、挡板均安装在主架上；所述挡板置于焊枪与视觉传感装置之间，所述第一调节架垂直于主架，所述点状激光器安装在第一调节架上，且可沿第一调节架滑动；所述线状激光器可拆卸、可转动地安装于第二调节架上；

所述运动机构与主架相连，用于驱动支架及其上的装置向三维方向移动，该运动机构与计算机相连；

所述面阵相机采集工件表面图像，并传入计算机，该计算机发出指令，控制运动机构在三维方向移动。

进一步地，所述点状激光器发射的点激光、线状激光器点发射的线激光的光谱与滤镜带通范围一致。

进一步地，所述挡板活动安装于主架上，并可转动。

进一步地，本焊缝跟踪系统还可设有反光镜，所述线状激光器发射的激光经反光镜反射后投射于工件上。

一种焊缝跟踪方法，其特征在于：基于上面所述设备实现跟踪过程，包括以下步骤：

步骤1：设备准备及调节，将工件置于于视觉传感装置的正下方，使点状激光器竖直向下照射于工件表面，激光点位于焊缝一侧，调节线状激光器线激光入射角度β，使线状激光器轴线与竖直方向夹角为20°～70°，所述第一调节架与面阵相机的间距小于30mm，点状激光器发出的激光点投射在焊缝侧边5～20mm范围内，保证工件上点状激光器投射的激光点与线状激光器激光线重合，且位于面阵相机视场的中央；

步骤2：对焊缝跟踪相关参数进行标定：面阵相机视场角α，线状激光器轴线与竖直方向夹角β；点线激光重合时，工件表面焊缝与相机焦点f之间距离为h₀，此时焊枪所在的位置为正常焊接位置b₀；X_i为激光点与激光线之间距离的像素个数，图像分辨率为X_r(pixel/mm)；

步骤3：焊缝跟踪系统沿着焊缝方向从右至左前行；当工件表面高度变化Δh_i时，激光点与激光线在工件上产生距离；

步骤4：相机采集工件上图像，传送至计算机进行处理，获得图像中激光点与激光线距离；

步骤5：按照下列计算公式，计算此时工件表面高度变化Δh_i；

其中各参数的含义如步骤2所述；

步骤6：计算机命令运动机构驱动焊枪相应调整焊接位置b_i，当下一次工件表面高度变化时，重复步骤3-步骤5，从而实现在焊接过程中，通过监测工件表面高度变化而自动调节焊枪高度。

进一步地，所述步骤1中线状激光器轴线与竖直方向夹角β为40°～50°。

进一步地，所述第一调节架与面阵相机的间距为10～20mm。

采用上述方案后，由于采用了首创的点线激光组合式视觉传感系统为基准的整体的焊缝高度识别跟踪方法及焊枪调节方法，本发明方法只需对监测工件表面高度变化时的点线激光图像采集并处理获得其距离，即可运用前面所述公式计算工件表面高度变化Δh_i，便于实时跟踪焊缝；此种跟踪方法，对多种工况具有更好的适应性，克服了现有技术中跟踪方法的局限性，该方法响应速度快，能准确识别工件表面高度变化，精度高，能高效地完成焊缝跟踪。

附图说明

图1示出了本发明一种实施例中焊缝跟踪系统的结构示意图。图中：1、主架，2、第一调节架，3、点状激光器，4、面阵相机(含镜头和滤镜)，5、计算机，6、第二调节架，7、线状激光器，8、挡板，9、焊枪，10、工件，11、焊缝，12、激光线，13、激光点。

图2为本发明的计算模型图。图中：α为CCD面阵相机视场角，β为线状激光器轴线与竖直方向夹角，f为面阵相机的焦点，P₀为工件初始位置(点线激光重合时)，P_i(P₁高于P₀，P₂低于P₀)为工件处于检测时的位置，h₀为工件表面焊缝与相机焦点f之间距离(物距)，Δh_i为工件的检测位置与初始位置间的高度差(Δh₁为P₁与P₀之间高度差，Δh₂为P₂与P₀之间高度差)，X_i(包括X₁和X₂)为激光点与激光线之间距离的像素个数，b₀为正常焊接位置，b₁为焊接P₁处位置，b₂为焊接P₂处位置。

图3为工件表面高度变化时的图像对比工件正常情况下的图像。图中：X₁为P₁处激光点与激光线之间距离的像素个数，X₂为P₂处激光点与激光线之间距离的像素个数。

图4示出了本发明一种实施例中含有两个点状激光器的焊缝跟踪系统。

图5示出了本发明一种实施例中焊缝跟踪系统对非标准圆截面工件焊接的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。以下描述仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

图1示出了本发明一种实施例中焊缝跟踪系统的结构示意图，包括视觉传感装置、支架、焊枪9、运动机构、计算机5及挡板8；

所述视觉传感装置，包括点状激光器3、线状激光器7、面阵相机4。所述点状激光器3，线状激光器7与面阵相机4三者相对位置固定，所述点状激光器3用于向工件10投射点状激光，所述线状激光器7用于向工件10投射线状激光，在面阵相机镜头前端设有滤镜；

支架包括柱状的主架1、第一调节架2及第二调节架6，所述面阵相机4、第一调节架2、第二调节架6、焊枪9、挡板8均安装在主架1上；所述挡板8置于焊枪9与视觉传感装置之间，所述第一调节架2垂直于主架1，所述点状激光器3安装在第一调节架2上，且可沿第一调节架2滑动；所述线状激光器7可拆卸、可转动地安装于第二调节架6上；

所述运动机构与主架1相连，用于驱动支架及其上的装置向三维方向移动，该运动机构与计算机5相连；

所述面阵相机4采集工件表面图像，并传入计算机5，该计算机5发出指令，控制运动机构在三维方向移动。

优选地，所述点状激光器3发射的激光点13、线状激光器7点发射的激光线12的光谱与滤镜5带通范围一致。

优选地，所述挡板8可根据实际环境需要，活动安装于主架1上，并可转动，此种结构属于现有技术中的常见技术，此处不再详述。

优选地，本焊缝跟踪系统还可以设有反光镜，反光镜与线状激光器7配合使用，所述线状激光器7发射的激光经反光镜反射后投射于工件10上。此种情形下，可以使线状激光器7及第二调节架2离面阵相机4距离更短，结构更紧凑，减少因各部件不同步震动引起的识别误差，也便于产品的结构设计。

另外，所述焊枪9与点线组合式视觉装置之间设有挡板8，保证焊接时能滤除弧光、杂光等干扰。

相应地，本发明所涉及的一种焊缝跟踪方法，是基于上面所述设备实现跟踪过程，包括以下步骤：

步骤1：设备准备及调节，将工件10置于于视觉传感装置的正下方，使点状激光器3竖直向下照射于工件10表面，激光点13位于焊缝11一侧，调节线状激光器7线激光入射角度β，使线状激光器7轴线与竖直方向夹角为40°，所述第一调节架2与面阵相机4的间距小于30mm，点状激光器3发出的激光点13投射在焊缝11侧边5～20mm范围内，保证工件10上点状激光器3投射的激光点13与线状激光器7发射的激光线12重合，且位于面阵相机4视场的中央；

步骤2：对上述点线组合式焊缝跟踪系统的参数进行标定：CCD面阵相机4视场角α，线状激光器7轴线与竖直方向夹角β；点线激光重合时，工件10表面焊缝11与相机焦点f之间距离(物距)为h₀，此时焊枪9所在的位置为正常焊接位置b₀；X_i(包括X₁和X₂)为激光点与激光线之间距离的像素个数，图像分辨率为X_r(pixel/mm)；

步骤3：点线组合式焊缝跟踪系统沿着焊缝方向从右至左前行；当工件10表面高度变化Δh_i(Δh₁或Δh₂)时，焊缝跟踪系统检测P_i(P₁或P₂)处，激光点12与激光线13在工件10上产生距离；

步骤4：面阵相机4采集工件10上图像，传送至计算机5进行处理，获得图像中激光点13与激光线12距离；

步骤5：按照下列计算公式，计算此时工件10表面高度变化Δh_i；

其中各参数的含义如步骤2所述；

步骤6：计算机5命令运动机构驱动焊枪9相应调整焊接位置b_i(b₁或b₂)，当下一次工件10表面高度变化时，重复步骤3-步骤5，从而实现在焊接过程中，通过监测工件10表面高度变化而自动调节焊枪9高度。

步骤1中线状激光器7轴线与竖直方向夹角β在20°～70°均可，但优选角度为40°～50°。例如图1所示实施例采用40°、45°、50°。

第一调节架2与面阵相机4的优选间距为间距为10～20mm。例如图1所示实施例采用10mm。

实施例2

图4为根据实施例示出的两个点状激光器的点线组合式焊缝跟踪系统，其与图1的区别在于视觉传感装置包括两个点状激光器3；两个点状激光器3分别安装在第一调节架2左右两侧，且可沿第一调节架2滑动(Y向)。两个点状激光器3竖直向下照射于工件表面，两个激光点分别位于焊缝左侧和右侧；

线状激光器7轴线与竖直方向夹角β为45°；第一调节架2与面阵相机4的间距为12mm；两个点状激光器3发出的激光点分别投射在焊缝11两侧边10mm处，保证工件10上激光点与激光线重合，且位于面阵相机4视场的中央。

其他步骤、原理与实施例1类同。

实施例3

图5为根据实施例示出的点线激光组合式焊缝跟踪系统对非标准圆截面工件焊接的示意图，在此工况下，圆管状工件绕轴心转动，焊缝跟踪系统整体不动，焊枪瞄准焊缝，点状激光器垂直照射于工件表面，(圆管截面半径方向)激光点位于焊缝一侧；线状激光器7以一定角度倾斜照射于工件表面，线状激光垂直于焊缝；点状激光器3垂直发射的激光点与线状激光器7发射的激光线在非标准圆截面工件上重合；面阵相机4采集图像，并传入计算机5；第一调节架2与面阵相机的间距为15mm；点状激光器3发出的激光点投射在焊缝侧边10mm处。其他方法步骤与实施例1类同，同样可以实现通过监测工件表面高度变化而自动调节焊枪高度。而一些现有技术中的识别方法则无法对此种特殊工况进行跟踪。

以上仅以部分实施例对本发明进行说明，并不构成对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则内做出的任何修改、改进及等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种焊缝跟踪系统，其特征在于包括视觉传感装置、支架、焊枪(9)、运动机构、计算机(5)及挡板(8)；所述视觉传感装置，包括点状激光器(3)、线状激光器(7)、面阵相机(4)；所述面阵相机(4)包括面阵图像传感器、镜头、滤镜；所述点状激光器(3)用于向工件投射点状激光，所述线状激光器(7)用于向工件投射线状激光；

所述支架包括柱状的主架(1)、第一调节架(2)及第二调节架(6)，所述面阵相机(4)、第一调节架(2)、第二调节架(6)、焊枪(9)、挡板(8)均安装在主架(1)上；所述挡板(8)置于焊枪(9)与视觉传感装置之间，所述第一调节架(2)垂直于主架(1)，所述点状激光器(3)安装在第一调节架(2)上，且可沿第一调节架(2)滑动；所述线状激光器(7)可拆卸、可转动地安装于第二调节架(6)上；

所述运动机构与主架(1)相连，用于驱动支架及其上的装置向三维方向移动，该运动机构与计算机(5)相连；

所述面阵相机(4)采集工件表面图像，并传入计算机(5)，该计算机(5)发出指令，控制运动机构在三维方向移动。

2.根据权利要求1所述的焊缝跟踪系统，其特征在于：所述点状激光器(3)发射的点激光、线状激光器(7)发射的线激光的光谱与面阵相机(4)前端的滤镜带通范围一致。

3.根据权利要求1所述的焊缝跟踪系统，其特征在于：所述挡板(8)活动安装于主架(1)上，并可转动。

4.根据权利要求1所述的焊缝跟踪系统，其特征在于：还设有反光镜，所述线状激光器(7)发射的激光经反光镜反射后投射于工件上。

5.一种焊缝跟踪方法，其特征在于：基于权利要求1所述的焊缝跟踪系统实现跟踪过程，包括以下步骤：

步骤1：设备准备及调节，将工件置于视觉传感装置的正下方，使点状激光器(3)竖直向下照射于工件表面，激光点位于焊缝一侧，调节线状激光器(7)线激光入射角度β，使线状激光器(7)轴线与竖直方向夹角为20°～70°，所述第一调节架(2)与面阵相机(4)的间距小于30mm，点状激光器(3)发出的激光点投射在焊缝侧边5～20mm范围内，保证工件上点状激光器(3)投射的激光点与线状激光器(7)激光线重合，且位于面阵相机(4)视场的中央；

步骤2：对焊缝跟踪相关参数进行标定：面阵相机(4)视场角α，线状激光器(7)轴线与竖直方向夹角β；点线激光重合时，工件表面焊缝与相机焦点f之间距离为h₀，此时焊枪所在的位置为正常焊接位置b₀；X_i为激光点与激光线之间距离的像素个数，图像分辨率为X_r；

步骤3：焊缝跟踪系统沿着焊缝方向从右至左前行；当工件表面高度变化Δhi时，激光点与激光线在工件上产生距离；

步骤4：面阵相机(4)采集工件上图像，传送至计算机进行处理，获得图像中激光点与激光线距离；

步骤5：按照下列计算公式，计算此时工件表面高度变化Δh_i；

${\mathrm{\Δh}}_i=\frac{X_i\×X_r}{\tan \mathrm{\β}}$

其中各参数的含义如步骤2所述；

步骤6：计算机命令运动机构驱动焊枪(9)相应调整焊接位置b_i，当下一次工件表面高度变化时，重复步骤3-步骤5，从而实现在焊接过程中，通过监测工件表面高度变化而自动调节焊枪高度。

6.根据权利要求5所述的焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤1中线状激光器(7)轴线与竖直方向夹角β为40°～50°。

7.根据权利要求5所述的焊缝跟踪方法，其特征在于：所述第一调节架(2)与面阵相机(4)的间距为10～20mm。