CN107199406A - 一种锡丝精密焊接装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锡丝焊接领域，特涉及一种锡丝精密焊接装置及控制方法。本发明以两套视觉系统采集锡丝三维图像为基础，通过比较初始和检测时锡丝的长度、位置和姿态等参数并获取偏差，再借助激光切锡工艺、自动捋锡工艺和自动推收锡丝方法，解决锡丝顶端形成锡球、弯曲、变形、长度误差累计等问题。且本发明的装置和方法简单可靠，有助于实现锡丝焊接的高精度连续自动化生产。
Description
技术领域
本发明涉及锡丝焊接领域，特涉及一种锡丝精密焊接装置及控制方法。
背景技术
锡丝配激光焊接方向，受焊接稳定性制约，这种方式一直未能被广泛采用。而对焊接稳定性影响最大的因素是送锡丝的精准度，包括推送到焊接点的锡丝存在空间位置偏差、锡丝过长或者过短、锡丝过度熔化形成锡球、焊接过程中锡丝弯曲或者变形、送丝误差累积或每次熔化的锡丝长度不一致造成送丝长度偏差较大等。
目前，通过缩短送锡嘴前端伸出的锡丝的长度可有效消除锡丝的空间偏差和变形等问题，但是，当锡丝过度熔化形成锡球时，非常容易堵住送锡嘴，此时必须人工清理锡球并重新调整锡丝位置方可继续生产，同样满足不了连续稳定生产的要求。此外，送丝累计误差等问题也急需解决。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种锡丝精密焊接装置及控制方法。本发明以两套视觉系统采集锡丝三维图像为基础，通过比较初始和检测时锡丝的长度、位置和姿态等参数并获取偏差，再借助激光切锡工艺、自动捋锡工艺和自动推收锡丝方法，解决锡丝顶端形成锡球、弯曲、变形、长度误差累计等问题。且本发明的装置和方法简单可靠，有助于实现锡丝焊接的高精度连续自动化生产，对连续生产的节拍影响很小。
本发明的技术方案是：一种锡丝精密焊接控制方法，一号成像系统垂直向下拍摄锡丝，用于采样锡丝在水平面上的位置和形态图像，二号成像系统在锡丝的垂直面上相对一号成像系统顺时针旋转θ角度后拍摄锡丝，控制器采集一号成像系统和二号成像系统的图像并进行图像处理；其特征在于：包括以下步骤：
使用线性光源照射锡丝，锡丝在图像中为亮色，背景为暗色，视觉系统对锡丝按照像素宽度进行采样得到锡丝的多段线段P1，控制器通过最小二乘法直线拟合得到的直线P2的斜率k、截距b，获得多线段P1和直线P2的偏离程度；
当锡丝的初始长度、位置和姿态确定后，分别计算锡丝在一号成像系统、二号成像系统成像图片中的顶端坐标(x1,y1)和(x2,y2)、直径D1和D2、长度L1和L2、拟合直线的斜率k1和k2、截距b1和b2、线性度相对误差ξ1和ξ2，并将这些值记录为初始参照值；
执行锡丝检测时，计算出当前锡丝顶端坐标(x1′,y1′)和(x2′,y2′)、直径D1′和D2′、长度L1′和L2′、拟合直线的斜率k1′和k2′、截距b1′和b2′、线性度相对误差ξ1′和ξ2′，并计算两幅图像中的拟合直线与初始拟合直线的夹角β1和β2；
控制器判断锡丝顶端是否形成锡球；当D1′与D1或D2′与D2的比值大于设定阈值ρ1时，判定锡球顶端过度熔化形成锡球，则实行激光切断锡球的步骤；否则认为锡球顶端正常；
控制器判断锡丝是否弯曲变形，当ξ1′与ξ1或ξ2′与ξ2的比值大于设定阈值ρ2、拟合直线角度β1或β2的绝对值大于ρ3时判定锡丝弯曲变形，认为锡丝弯曲变形，则实行自动捋锡的步骤；否则认为锡丝没有弯曲变形；
根据初始锡丝端点的坐标(x1,y1)和(x2,y2)、检测锡丝端点的坐标(x1′,y1′)和(x2′,y2′)，并计算空间偏移量(Δx,Δy,Δz)的值，
当Δx不等于零时，则推送或收回锡丝；
当Δy或Δz不等于零时，则自动捋锡或激光切锡丝；
其中，ρ1为锡球判定阈值、ρ2为线性度相对误差阈值、ρ3为拟合直线角度偏差阈值。
根据如上所述的锡丝精密焊接控制方法，其特征在于：所述的切断锡球的步骤为：推送锡丝前进11毫米，锡丝前端位于激光的焦点上；使用高功率短脉宽的激光照射在锡丝上，使锡丝在0.1秒内迅速熔化。
根据如上所述的锡丝精密焊接控制方法，其特征在于：所述的自动捋锡的步骤为：在送锡管和出锡嘴之间加设捋锡装置，捋锡装置的内壁为凸起弧面，上下弧面的最小间距为锡丝直径加上0.05毫米，按照锡丝推送速度的三倍至五倍将锡丝收回，收回长度为L1′或L2′加5毫米的距离，然后再按照正常的推送速度将锡丝再次送出。
根据如上所述的锡丝精密焊接控制方法，其特征在于：所述的空间偏移量(Δx,Δy,Δz)的计算公式为：
其中，θ为二号成像系统在锡丝的垂直面上相对一号成像系统顺时针旋转的角度。
本发明还公开了一种锡丝精密焊接装置，包括一号成像系统、二号成像系统、送锡装置、控制器，控制器采集一号成像系统和二号成像系统的图像并进行图像处理，控制器根据图像处理的结果控制送锡装置中锡丝的运动，其特征在于：所述的捋锡装置设置在送锡管和出锡嘴之间，捋锡装置的内壁为凸起弧面，所述的一号成像系统垂直向下拍摄锡丝，用于采样锡丝在水平面上的位置和形态，二号成像系统在锡丝的垂直面上顺时针旋转θ角度后拍摄锡丝。
根据如上所述的锡丝精密焊接装置，其特征在于：所述的捋锡装置上下凸起弧面之间的最小间距为锡丝直径加上0.05毫米。
根据如上所述的锡丝精密焊接装置，其特征在于：所述的θ角为0°到90°。
根据如上所述的锡丝精密焊接装置，其特征在于：还包括线性光源，所述的线性光源发出的光的宽度为5毫米，线性光源发生的光照射锡丝。
本发明的有益效果是：1、使用双相机实时监测锡丝姿态，当锡丝状态不良时及时采取补救措施，避免因锡丝不良造成的焊接烧伤、虚焊、漏焊等不良，为设备连续稳定生产提供保障。2、激光替代机械切锡，使整个过程无应力作用，锡丝不会发生二次形变。3、消除送丝机构累计误差和每次熔化的锡丝长度不一致造成送丝长度的偏差，实现锡丝的精密控制。
附图说明
图1为系统结构图；
图2为锡丝图像示意图；
图3为捋锡装置结构图；
图4为总控流程图；
图5为激光切锡流程图；
图6为自动捋锡流程图。
附图标记说明：一号成像系统1、二号成像系统2、锡丝3、控制器4，送锡管11、捋锡装置12、凸起弧面13、出锡嘴14。
具体实施方式
本发明采用两套视觉成像系统对锡丝3的形态和位置进行三维检测，检测项目包括锡丝3顶端是否过度熔化形成锡球、推送到焊接点的锡丝3是否存在空间位置偏差、焊接过程中锡丝3是否弯曲或者变形、送丝机构误差累积或每次熔化的锡丝3长度不一致导致送丝长度偏差等。
锡丝3从左向右水平推送，锡丝3上任意一点的空间坐标为(x,y,z)。两套视觉成像系统均垂直于锡丝进行拍摄，其中一号成像系统1垂直向下拍摄锡丝3，用于采样锡丝3在水平面上的位置和形态，采样图像的横向坐标x1和纵向坐标y1分别对应锡丝空间坐标的x′和y；二号成像系统2在锡丝3的垂直面上顺时针旋转θ角度后拍摄锡丝3，用于采样锡丝在垂直面上的位置和形态，采样图像的横向坐标x2和纵向坐标y2分别对应锡丝空间坐标的x"和z，如附图1中所示。一号成像系统1所拍摄图像的横轴与二号成像系统2所拍摄图像的横轴意义相同，为降低横向检测误差，取锡丝空间坐标x＝x′/2+x"/2。采用五百万像素的工业相机拍摄长度为10毫米的锡丝，相机横向像素个数和纵向像素个数分别为2592和1944。选取两个成像系统的视场大小均为15毫米×11.25毫米，则成像系统的像素精度为横向15/2592毫米和纵向11.25/1944毫米。得出锡丝空间坐标的x向精度为15/2952毫米即5.787微米，y向精度为11.25/1944毫米即5.787微米，z向精度为11.25/(1944*sinθ)毫米即5.787/sinθ微米。当一号成像系统1与二号成像系统2的夹角θ越大时，锡丝的z向精度越高，直到夹角θ为90度时，精度最高为5.787微米。但由于加工时，锡丝需要接触工件，夹角θ过大容易导致二号成像系统2的零部件与加工工件发生碰撞。为给加工治具预留足够的空间，夹角θ不宜过大。本实施例中，选取θ为45度，此时锡丝的z向精度为8.185微米。
使用线性光源照射锡丝，光源发射的光的宽度为5毫米，使锡丝在图像中为亮色，背景为暗色，设定二值化灰度阈值为128，则图像中灰度值大于等于128的像素为前景白色，反之则为背景黑色。计算出图像中连通白色区域的面积，面积最大的区域即为锡丝对应的白色区域。假设白色区域的列数为n。以c语言为例，定义元素个数为n的结构体数组如下：
从区域的最左边一列开始，计算每一列白色像素(即8位灰度值为255)的个数m_PixelCount和中间位置的坐标(m_MidCoorX,m_MidCoorY)。如图2所示，第n个中间位置坐标(m_MidCoorX,m_MidCoorY)为锡丝的端点坐标。每一列像素的个数PixelCount乘以对应的像素精度即为锡丝列直径，选取列直径的最大值即为锡丝直径D。连接n个中间位置坐标(m_MidCoorX,m_MidCoorY)的n-1条线段形成的多线段P1的长度即为锡丝的长度L(计算时，一号视觉系统1的单像素实际尺寸为横向5.787毫米，纵向5.787毫米；二号视觉系统2的单像素实际尺寸为横向5.787毫米，纵向8.185毫米)。n个中间位置坐标(m_MidCoorX,m_MidCoorY)通过最小二乘法直线拟合得到的直线P2的斜率k、截距b。最小二乘法拟合直线公式如下:
式中，xi表示第i个中间位置的横向坐标，yi表示第i个中间位置的纵向坐标。进而得出直线P2的方程如下：
y＝kx+b
使用传感器线性度评价多线段P1和直线P2的偏离程度。线性度相对误差表示公式如下。
式中，ΔLmax表示多线段P1和直线P2的最大偏差。yF·S表示第n个中间位置坐标的m_MidCoorY的值。由上述公式可知，ΔLmax越小时，多线段P1和直线P2的偏离程度越小，表示了锡丝的弯曲和变形程度。
当锡丝3的初始长度、位置和姿态确定后，控制器4获取两套视觉系统的图像，分别计算锡丝3在一号成像系统1、二号成像系统2成像图片中的锡丝顶端坐标(x1,y1)和(x2,y2)、直径D1和D2(因θ角度影响，D2为计算出的锡丝直径除以sinθ)、长度L1和L2、拟合直线的斜率k1和k2、截距b1和b2、线性度相对误差ξ1和ξ2，并将这些值记录为初始参照值。
执行锡丝检测时，两套成像系统获取锡丝图像后，控制器4用同样的方式计算出当前锡丝参数，用于与初始参照值比较，得到锡丝的偏移量和形变量。锡丝参数包括顶端坐标(x1′,y1′)和(x2′,y2′)、直径D1′和D2′(因θ角度影响，D2′为计算出的锡丝直径除以sinθ)、长度L1′和L2′、拟合直线的斜率k1′和k2′、截距b1′和b2′、线性度相对误差ξ1′和ξ2′，并计算两幅图像中的拟合直线与初始拟合直线的夹角β1和β2。
控制器4首先判断锡丝3顶端是否形成锡球。约定锡球判定阈值ρ1，取值为1.5。当D1′与D1或D2′与D2的比值大于设定阈值ρ1时，判定锡球顶端过度熔化形成锡球。当检测出锡丝3顶端存在锡球时，使用激光切锡方法切断锡球。约定出锡嘴到激光焦点的距离为10毫米，具体方法为：设置一个激光切锡工位，工位下方有收集锡球或锡丝废料的回收盒；推送锡丝3前进11毫米(如果此时锡丝存在弯曲变形，则锡丝偏出激光焦点，无法正常切锡，因此推送长度必须大于出锡嘴到激光焦点的距离)，此时刚送出的锡丝前端正好位于激光的焦点上；使用高功率短脉宽的激光照射在锡丝3上，如激光光斑直径为0.4毫米，锡丝直径0.5毫米，使用功率35瓦特以上的激光，将激光光斑照射位置及周边0.1毫米的锡丝迅速熔化，控制激光照射时间为0.1秒，则激光热量来不及传导到其他位置的锡丝，未受热的固态锡丝没有趋热性不会凝聚，带锡球的部分锡丝在悬空的状态下因重力作用自由下落，完成整个激光切锡过程，且切口无应力导致形变，一致性好，锡球或锡丝3废料落入回收盒，便于回收。
解决锡丝3顶端的锡球问题后，控制器再检测锡丝是否弯曲变形。约定线性度相对误差阈值为ρ2、拟合直线角度偏差阈值为ρ3，取ρ2为1.1、ρ3为0.5。当ξ1′与ξ1或ξ2′与ξ2的比值大于设定阈值ρ2、拟合直线角度β1或β2的绝对值大于ρ3时判定锡丝弯曲变形，使用自动捋锡方法捋顺锡丝。由于出锡嘴11的直径通常为锡丝3直径的1.1到1.3倍，存在较大的间隙，因此需要在送锡管11和出锡嘴14之间加设捋锡装置12，如图3所示。捋锡装置12的内壁为凸起弧面13，上下弧面的最小间距为锡丝直径加上0.05毫米，保证锡丝顺利通过捋锡装置12。自动捋锡的原理是在锡丝收回的过程中，利用捋锡装置12将锡丝捋直。捋锡的具体方法是：使用锡丝推送速度的三到五倍将锡丝收回L1′或L2′加5毫米的距离，进入捋锡装置12的锡丝3被强行捋直，锡丝3再次送出时，通常会保持笔直推送。自动捋锡动作不可频繁执行，防止锡丝断裂在送锡管中。当执行一次自动捋锡过程后，如果锡丝仍弯曲变形，则执行激光切锡动作，将弯曲的锡丝切除。
利用两套成像系统采集的图像可计算出锡丝端点的空间坐标。根据初始锡丝端点的坐标(x1,y1)和(x2,y2)、检测锡丝端点的坐标(x1′,y1′)和(x2′,y2′)，可计算锡丝的空间偏移量(Δx,Δy,Δz)。偏移量计算公式如下：
其中，θ为二号成像系统2在锡丝3的垂直面上顺时针旋转的角度。
当Δx不等于零时，锡丝3存在轴向偏差，即锡丝长度与初始状态存在偏差，此时推送或收回锡丝3，使Δx等于零即可。若连续推送多次后Δx仍无明显变化，则说明锡丝3卡住或已使用完。当Δy或Δz不等于零时，锡丝3存在径向偏差，需执行自动捋锡或激光切锡，消除锡丝3的空间偏移。
Claims (8)
1.一种锡丝精密焊接控制方法，一号成像系统垂直向下拍摄锡丝，用于采样锡丝在水平面上的位置和形态图像，二号成像系统在锡丝的垂直面上相对一号成像系统顺时针旋转θ角度后拍摄锡丝，控制器采集一号成像系统和二号成像系统的图像并进行图像处理；其特征在于：包括以下步骤：
使用线性光源照射锡丝，锡丝在图像中为亮色，背景为暗色，视觉系统对锡丝按照像素宽度进行采样得到锡丝的多段线段P1，控制器通过最小二乘法直线拟合得到的直线P2的斜率k、截距b，获得多线段P1和直线P2的偏离程度；
当锡丝的初始长度、位置和姿态确定后，分别计算锡丝在一号成像系统、二号成像系统成像图片中的顶端坐标(x1,y1)和(x2,y2)、直径D1和D2、长度L1和L2、拟合直线的斜率k1和k2、截距b1和b2、线性度相对误差ξ1和ξ2，并将这些值记录为初始参照值；
执行锡丝检测时，计算出当前锡丝顶端坐标(x1′,y1′)和(x2′,y2′)、直径D1′和D2′、长度L1′和L2′、拟合直线的斜率k1′和k2′、截距b1′和b2′、线性度相对误差ξ1′和ξ2′，并计算两幅图像中的拟合直线与初始拟合直线的夹角β1和β2；
控制器判断锡丝顶端是否形成锡球；当D1′与D1或D2′与D2的比值大于设定阈值ρ1时，判定锡球顶端过度熔化形成锡球，则实行激光切断锡球的步骤；否则认为锡球顶端正常；
控制器判断锡丝是否弯曲变形，当ξ1′与ξ1或ξ2′与ξ2的比值大于设定阈值ρ2、拟合直线角度β1或β2的绝对值大于ρ3时判定锡丝弯曲变形，认为锡丝弯曲变形，则实行自动捋锡的步骤；否则认为锡丝没有弯曲变形；
根据初始锡丝端点的坐标(x1,y1)和(x2,y2)、检测锡丝端点的坐标(x1′,y1′)和(x2′,y2′)，并计算空间偏移量(Δx,Δy,Δz)的值，
当Δx不等于零时，则推送或收回锡丝；
当Δy或Δz不等于零时，则自动捋锡或激光切锡丝；
其中，ρ1为锡球判定阈值、ρ2为线性度相对误差阈值、ρ3为拟合直线角度偏差阈值。
2.根据权利要求1所述的锡丝精密焊接控制方法，其特征在于：所述的切断锡球的步骤为：推送锡丝前进11毫米，锡丝前端位于激光的焦点上；使用高功率短脉宽的激光照射在锡丝上，使锡丝在0.1秒内迅速熔化。
3.根据权利要求1所述的锡丝精密焊接控制方法，其特征在于：所述的自动捋锡的步骤为：在送锡管和出锡嘴之间加设捋锡装置，捋锡装置的内壁为凸起弧面，上下弧面的最小间距为锡丝直径加上0.05毫米，按照锡丝推送速度的三倍至五倍将锡丝收回，收回长度为L1′或L2′加5毫米的距离，然后再按照正常的推送速度将锡丝再次送出。
4.根据权利要求1所述的锡丝精密焊接控制方法，其特征在于：所述的空间偏移量(Δx,Δy,Δz)的计算公式为：
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其中，θ为二号成像系统在锡丝的垂直面上相对一号成像系统顺时针旋转的角度。
5.一种锡丝精密焊接装置，包括一号成像系统、二号成像系统、送锡装置、控制器，控制器采集一号成像系统和二号成像系统的图像并进行图像处理，控制器根据图像处理的结果控制送锡装置中锡丝的运动，其特征在于：所述的捋锡装置设置在送锡管和出锡嘴之间，捋锡装置的内壁为凸起弧面，所述的一号成像系统垂直向下拍摄锡丝，用于采样锡丝在水平面上的位置和形态，二号成像系统在锡丝的垂直面上相对一号成像系统顺时针旋转θ角度后拍摄锡丝。
6.根据权利要求5所述的锡丝精密焊接装置，其特征在于：所述的捋锡装置上下凸起弧面之间的最小间距为锡丝直径加上0.05毫米。
7.根据权利要求5所述的锡丝精密焊接装置，其特征在于：所述的θ角为0°到90°。
8.根据权利要求5所述的锡丝精密焊接装置，其特征在于：还包括线性光源，所述的线性光源发射的光的宽度为5毫米，线性光源发生的光照射锡丝。
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