CN107457471A - 一种焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接系统，包括运动平台、焊接装置和跟踪系统；运动平台用于承载焊件并带动焊件移动；焊接装置用于对焊件进行焊接操作；跟踪系统包括：用于向焊件产生磁场的电磁源；用于以偏振光感应焊件上磁场分布变化，并将磁场分布变化对应记录为光强分布图像的传感装置；用于拍摄焊件上熔池的红外图像的红外摄像装置，用于根据传感装置记录的光强分布图像反映的焊缝位置信息并结合红外图像反映的熔池温度分布，控制运动平台移动使焊接装置跟踪焊缝的控制装置。本发明焊接系统，根据传感装置记录的磁光图像获得焊缝位置信息，并结合红外图像反映的熔池温度分布，控制焊件移动使焊接装置跟踪焊缝，能够实现高精度地跟踪焊缝位置。

Description

一种焊接系统

技术领域

本发明涉及光学应用技术领域，特别是涉及一种焊接系统。

背景技术

焊接是制造业领域重要的加工技术，具有工作条件恶劣、工作量大及质量要求高等诸多特点。在焊接加工中，精确的跟踪焊缝位置是保证焊接质量的前提，即在整个焊接过程中必须要控制焊接头始终与焊缝对准，否则就会造成焊接缺陷，造成废品。

现有技术中，国内外对于获取焊缝位置的方法主要包括以下几种：

(1)结构光视觉传感法：通过将一条可见光谱段内的激光条纹投射在焊缝表面，当焊缝有一定的间隙或者形变，激光条纹也随之发生改变，根据条纹形变特征提取焊缝位置信息。但是该方法容易由于熔池强烈热运动而导致亮条纹分布不均匀，使得图像处理成为焊缝检测中的一项难题。

(2)激光频闪摄像法：利用脉冲激光束的瞬时高强度高于熔池的辐射强度，同步打开高速摄像机快门拍摄焊接区域图像，通过高速摄像机与相应滤光片的组合，得到的图像不再是电弧光反射结果，而是瞬时强激光反射的结果，从而消除干扰影响，获取较清晰的熔池区域图像，进而利用得到的有效图像实现焊缝位置的识别和焊缝偏离状况判别。相比于方法(1)，该方法可以避免由于熔池剧烈热运动所带来的强烈干扰，但是不仅设备较复杂，造价昂贵，并且当焊缝间隙较小时无法实现焊缝检测，而激光焊接对焊缝间隙极其敏感，因此激光闪频摄像法目前只停留在试验研究阶段，无法应用于工业现场。

(3)直接图像传感方法：该方法利用摄像机直接拍摄熔池图像，通过图像处理及分析灰度分布，推测焊缝中心偏差信息。该方法很大程度上消除了导前误差，但由于熔池变化剧烈且熔池处的焊缝已经熔化，焊缝信息基本凐没，因此难以从根本上获取焊缝偏差的特征和规律。

(4)其它非视觉检测方法对检测微小间隙焊缝都有一定的局限性，并且检测精度相对较低。

鉴于以上各种方法所存在的缺陷，如何实现在焊接过程中较为精准地跟踪焊缝位置，并能够降低受熔池剧烈热运动、焊缝间隙小等因素影响，是当前本领域技术人员所面临并需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种焊接系统，能够实现高精度地跟踪焊缝位置，并且与现有方法相比可降低受熔池剧烈热运动、焊缝间隙小等的影响。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种焊接系统，包括运动平台、焊接装置和跟踪系统；

所述运动平台用于承载焊件并带动焊件移动；

所述焊接装置用于对所述焊件进行焊接操作；

所述跟踪系统包括：

用于向所述焊件产生磁场的电磁源；

用于以偏振光感应所述焊件上磁场分布变化，并将磁场分布变化对应记录为光强分布图像的传感装置；

用于拍摄所述焊件上熔池的红外图像的红外摄像装置；

用于根据所述传感装置记录的光强分布图像反映的焊缝位置信息，并结合所述红外图像反映的熔池温度分布，控制所述运动平台移动使所述焊接装置跟踪焊缝的控制装置。

可选地，所述控制装置具体用于，对采集的红外图像进行处理，并提取熔池和小孔的特征信息，通过计算所述红外图像的灰度梯度，提取出熔池温度分布参数，进一步根据建立的焊接装置产生激光束与焊缝中心的偏差的红外视觉模型，控制所述运动平台移动使所述焊接装置跟踪焊缝。

可选地，所述控制装置还具体用于，对相邻前后时刻拍摄的两幅红外图像进行差分运算，提取焊缝位置参数，根据得到的焊缝位置参数控制所述运动平台移动使焊接装置跟踪焊缝。

可选地，所述传感装置包括光源、第一偏振元件、反光元件、介质膜、反射面、第二偏振元件和成像器件；

所述第一偏振元件用于将所述光源发出的光转换为偏振光；

所述反光元件用于将由所述第一偏振元件出射的光反射至所述介质膜，光经过所述介质膜后入射到所述反射面；

所述成像器件用于接收由所述反射面反射回的光依次经过所述介质膜、所述第二偏振元件后的光，记录形成光强分布图像。

可选地，所述第一偏振元件与所述介质膜以及所述反射面位于相互垂直的方向，所述反光元件以反射面与所述第一偏振元件出射光的方向的夹角为45度设置。

可选地，所述电磁源和所述传感装置分别位于焊件的两侧，所述传感装置的所述介质膜、所述反射面朝向所述焊件。

可选地，所述电磁源为电磁铁；所述跟踪系统还包括与电磁铁相连的、用于向电磁铁输入电流的直流/交流电源。

可选地，所述跟踪装置还包括：用于驱动所述运动平台移动的微型工业控制机，所述运动平台为可在三维方向移动的三轴运动平台。

可选地，所述焊接装置包括：用于产生激光的激光器；用于将激光器输出的激光传播到激光头的光纤；用于向所述焊件上焊接区域发出激光束进行焊接操作的所述激光头。

可选地，还包括用于向所述焊件上焊接区域输送保护气体的气体输送装置，所述气体输送装置包括依次连通的气体瓶、输气管和喷嘴。

由上述技术方案可知，本发明所提供的焊接系统，包括运动平台、焊接装置和跟踪系统。其中，由运动平台承载焊件，焊接装置用于对焊件进行焊接操作。电磁源向焊件产生磁场，在焊缝处磁场分布会发生变化；传感装置以偏振光感应焊件上磁场分布变化，并将磁场分布变化记录为光强分布图像，记录的光强分布图像携带了焊缝位置信息；红外摄像装置用于拍摄焊件上熔池的红外图像；控制装置根据传感装置记录的光强分布图像反映的焊缝位置信息并结合红外图像反映的熔池温度分布，控制运动平台移动来带动焊件移动，使焊接装置跟踪焊缝。

本发明焊接系统，基于焊缝对磁场分布的作用，利用磁-光效应记录得到包含焊缝位置信息的光强分布图像，根据得到的光强分布图像所反映的焊缝位置信息，结合红外图像反映的熔池温度分布，控制焊件移动使焊接装置跟踪焊缝，能够实现高精度地跟踪焊缝位置。并且与现有方法相比，探测磁场分布变化受焊件上熔池剧烈热运动、焊缝间隙小等的影响小，因此本焊接系统可降低受熔池剧烈热运动、焊缝间隙小等的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种焊接系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种传感装置的示意图；

图3为图2所示传感装置的原理示意图；

图4为本发明又一实施例提供的一种焊接系统的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明实施例提供的一种焊接系统，包括运动平台10、焊接装置11和跟踪系统；

所述运动平台10用于承载焊件并带动焊件移动；

所述焊接装置11用于对所述焊件进行焊接操作；

所述跟踪系统包括：

用于向所述焊件产生磁场的电磁源12；

用于以偏振光感应所述焊件上磁场分布变化，并将磁场分布变化对应记录为光强分布图像的传感装置13；

用于拍摄所述焊件上熔池的红外图像的红外摄像装置14；

用于根据所述传感装置13记录的光强分布图像反映的焊缝位置信息并结合所述红外图像反映的熔池温度分布，控制所述运动平台10移动使所述焊接装置11跟踪焊缝的控制装置15。

本实施例焊接系统，由运动平台承载焊件，焊接装置用于对焊件进行焊接操作。电磁源向焊件产生磁场，在焊缝处磁场分布会发生变化；传感装置以偏振光感应焊件上磁场分布变化并记录为光强分布图像，记录的光强分布图像携带了焊缝位置信息；控制装置根据传感装置记录的光强分布图像反映的焊缝位置信息，并结合红外图像反映的熔池温度分布，控制运动平台移动来带动焊件移动，使焊接装置跟踪焊缝。

本实施例焊接系统，基于焊缝对磁场分布的作用，利用磁-光效应记录获得包含焊缝位置信息的光强分布图像，根据得到的光强分布图像所反映的焊缝位置信息，结合红外图像反映的熔池温度分布，控制焊件移动使焊接装置跟踪焊缝，能够实现高精度地跟踪焊缝位置。并且与现有方法相比，探测磁场分布变化受焊件上熔池剧烈热运动、焊缝间隙小等的影响小，因此本焊接系统可降低受熔池剧烈热运动、焊缝间隙小等的影响。

下面结合具体实施方式对本实施例焊接系统进行详细说明。

在一种具体实施方式中，请参考图2，传感装置13包括光源130、第一偏振元件131、反光元件132、介质膜133、反射面134、第二偏振元件135和成像器件136；所述第一偏振元件131用于将所述光源130发出的光转换为偏振光；所述反光元件132用于将由所述第一偏振元件131出射的光反射至所述介质膜133，光经过所述介质膜133后入射到所述反射面134；所述成像器件135用于接收由所述反射面134反射回的光依次经过所述介质膜133、所述第二偏振元件135后的光，记录形成光强分布图像。

所述传感装置13基于法拉第磁-光效应实现以偏振光感应焊件上磁场分布变化，将磁场分布变化对应记录为光强分布图像。法拉第磁-光效应具体为：当一束偏振光在磁光介质中传播时，若沿着光传播的方向施加一外磁场，则偏振光通过介质后，光的振动面会发生旋转。

基于此本实施例中传感装置13的工作原理为：

电磁源10向焊件产生磁场，在焊缝位置处磁场分布会发生畸变，引起该位置处的磁场垂直分量发生改变，影响偏振光经过介质膜后振动面的旋转角度。

可参考图3，在传感装置13中，由第一偏振元件131发出的偏振光被反光元件132反射到介质膜133，偏振光经过介质膜133入射到反射面134。介质膜133和反射面134靠近焊件表面，由反射面134反射回的偏振光再次经过介质膜133，由于焊件区域磁场的作用，对应焊件不同位置返回的偏振光，偏振光经过介质膜133时振动面会产生不同的旋转角度。携带了焊缝位置信息的偏振光经过第二偏振元件135检偏后，被成像器件136接收并记录形成光强分布图像。

返回的偏振光具有不同的振动面旋转角度将导致不同的光强，形成图像中不同的灰度值，通过分析光强分布图像的光强分布可以得到焊件区域的磁场分布，可以计算出焊缝位置。

本传感装置中，光源130可以是LED光源，或者也可以是其它种类的光源。所述成像器件136可以是COMS成像器件，或者也可以是其它类型的光电成像器件，均在本发明保护范围内。

进一步具体的，本传感装置中可以将所述第一偏振元件131与所述介质膜133以及所述反射面134位于相互垂直的方向，所述反光元件132以反射面与所述第一偏振元件131出射光的方向的夹角为45度设置，参考图2所示。

在实际应用中，可以将电磁源12和所述传感装置13分别位于焊件的两侧，所述传感装置13的所述介质膜133、所述反射面134朝向所述焊件，可参考图3所示。将传感装置13的介质膜、反射面与焊件保持平面平行，可以更为准确地感应焊件区域的磁场分布变化，获取焊件的磁光图像。

本焊接系统，在对焊件上焊缝进行焊接操作前，由传感装置13感应并记录得到包含焊缝位置信息的光强分布图像，控制装置15的数据处理单元对采集的图像进行处理和分析，计算出焊缝位置信息。

控制装置15根据获得的焊缝位置信息，控制焊接装置11对焊缝进行焊接。在焊接过程中，红外摄像装置14实时拍摄焊件上熔池的红外图像，控制装置15具体用于，对采集的红外图像进行处理，并提取熔池的特征信息，通过计算所述红外图像的灰度梯度，提取出熔池温度分布参数，进一步根据建立的焊接装置产生激光束与焊缝中心的偏差的红外视觉模型，控制所述运动平台移动使所述焊接装置跟踪焊缝。

对焊件焊接过程中，熔池热能分布与红外图像的灰度值保持近似线性关系，红外图像的灰度变化直接体现了熔池表面的热能分布特征，特别的，当焊接装置产生的激光束偏离焊缝时引起的熔池前端热能分布变化将直接体现在红外图像的灰度突变区域。本方法中，将熔池温度分布参数作为特征测量值，建立焊接装置产生激光束与焊缝中心的偏差的红外视觉模型，从而利用熔池红外图像特征对焊缝位置进行跟踪。

进一步优选的，所述控制装置15还具体用于，对相邻前后时刻拍摄的两幅红外图像进行差分运算，提取焊缝位置参数，根据得到的焊缝位置参数控制所述运动平台移动使焊接装置跟踪焊缝。当焊接装置产生的激光束偏离焊缝时引起的熔池前端热能分布变化将直接体现在红外图像的灰度突变区域，会使红外摄像装置14在相邻前后时刻拍摄的两幅熔池红外图像反映的热能分布存在差异，比较前后两幅红外图像，在焊缝位置区域熔池图像有明显的灰度变化，通过对熔池图像进行差分运算，突出该区域的特征信息，在差分图像中在焊缝位置区域存在明显的灰度突变，利用该突变特征从差分图像中提取焊缝位置参数，进而可根据提取的焊缝位置参数，控制运动平台移动使焊接装置跟踪焊缝。

本焊接系统中，控制装置15进行数据处理可采用计算机实现。本实施例中可选的，红外摄像装置14可以是近红外摄像装置。优选的红外摄像装置14采用高速摄像装置。

在具体实施时，电磁源12可采用电磁铁。电磁铁包括N极和S极，在电流激励下向焊件区域产生磁场。请参考图4，相应本焊接系统还包括与电磁铁相连的、用于向电磁铁输入电流的直流/交流电源16。直流/交流电源16向电磁铁输入电流，以激励电磁铁向焊件产生磁场。在本焊接系统的其它实施例中也可采用其它类型的电磁源，也在本发明保护范围内。

本焊接系统中，在运动平台上设置有用于固定焊件的固定装置。

进一步的，本焊接系统中，所述控制装置15包括用于驱动所述运动平台10移动的微型工业控制机17，所述运动平台10为可在三维方向移动的三轴运动平台。其中，微型工业控制机包括与运动平台连接的伺服电机和伺服驱动器。运动平台10可以在三维方向上任意移动，使得对焊件的位置移动更加灵活。

本焊接系统可以应用于电弧焊，也可以应用于激光焊。若采用激光焊，可参考图4，焊接装置11具体包括：用于产生激光的激光器112；用于将激光器112输出的激光传播到激光头的光纤111；用于向所述焊件上焊接区域发出激光束进行焊接操作的所述镜头110。

在上述实施例内容的基础上，优选的，本焊接系统还包括用于向焊件上焊接区域输送保护气体的气体输送装置，所述气体输送装置包括依次连通的气体瓶18、输气管19和喷嘴20。向焊件上焊接区域输送的保护气体为惰性气体，防止在焊接区域存在较多空气，惰性气体可以是氩气。

本实施例焊接系统，可以克服焊接现场的强烈弧光、辐射、飞溅，提高系统的容错性和可靠性。采用磁光、近红外视觉传感和计算机控制的灵活配合，成像直观，自动化程度高，检测速度快，还可应用于金属工件焊缝的非接触检测，而且运行安全可靠，简单易用、无污染。

本实施例焊接系统与使用结构光视觉传感法检测焊缝相比，本系统可以对间隙小于0.1mm的焊缝进行准确检测；与直接图像传感法相比，本系统受焊接环境干扰少，焊缝检测与跟踪精度高；与其它非视觉检测焊缝方法相比，本系统检测焊缝类型范围广，且检测精度高。

以上对本发明所提供的焊接系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种焊接系统，其特征在于，包括运动平台、焊接装置和跟踪系统；

所述运动平台用于承载焊件并带动焊件移动；

所述焊接装置用于对所述焊件进行焊接操作；

所述跟踪系统包括：

用于向所述焊件产生磁场的电磁源；

用于以偏振光感应所述焊件上磁场分布变化，并将磁场分布变化对应记录为光强分布图像的传感装置；

用于拍摄所述焊件上熔池的红外图像的红外摄像装置；

用于根据所述传感装置记录的光强分布图像反映的焊缝位置信息，并结合所述红外图像反映的熔池温度分布，控制所述运动平台移动使所述焊接装置跟踪焊缝的控制装置。

2.根据权利要求1所述的焊接系统，其特征在于，所述控制装置具体用于，对采集的红外图像进行处理，并提取熔池和小孔的特征信息，通过计算所述红外图像的灰度梯度，提取出熔池温度分布参数，进一步根据建立的焊接装置产生激光束与焊缝中心的偏差的红外视觉模型，控制所述运动平台移动使所述焊接装置跟踪焊缝。

3.根据权利要求2所述的焊接系统，其特征在于，所述控制装置还具体用于，对相邻前后时刻拍摄的两幅红外图像进行差分运算，提取焊缝位置参数，根据得到的焊缝位置参数控制所述运动平台移动使焊接装置跟踪焊缝。

4.根据权利要求1所述的焊接系统，其特征在于，所述传感装置包括光源、第一偏振元件、反光元件、介质膜、反射面、第二偏振元件和成像器件；

所述第一偏振元件用于将所述光源发出的光转换为偏振光；

所述反光元件用于将由所述第一偏振元件出射的光反射至所述介质膜，光经过所述介质膜后入射到所述反射面；

所述成像器件用于接收由所述反射面反射回的光依次经过所述介质膜、所述第二偏振元件后的光，记录形成光强分布图像。

5.根据权利要求4所述的焊接系统，其特征在于，所述第一偏振元件与所述介质膜以及所述反射面位于相互垂直的方向，所述反光元件以反射面与所述第一偏振元件出射光的方向的夹角为45度设置。

6.根据权利要求4所述的焊接系统，其特征在于，所述电磁源和所述传感装置分别位于焊件的两侧，所述传感装置的所述介质膜、所述反射面朝向所述焊件。

7.根据权利要求1所述的焊接系统，其特征在于，所述电磁源为电磁铁；所述跟踪系统还包括与电磁铁相连的、用于向电磁铁输入电流的直流/交流电源。

8.根据权利要求1的焊接系统，其特征在于，所述跟踪装置还包括：用于驱动所述运动平台移动的微型工业控制机，所述运动平台为可在三维方向移动的三轴运动平台。

9.根据权利要求1的焊接系统，其特征在于，所述焊接装置包括：用于产生激光的激光器；用于将激光器输出的激光传播到激光头的光纤；用于向所述焊件上焊接区域发出激光束进行焊接操作的所述激光头。

10.根据权利要求9的焊接系统，其特征在于，还包括用于向所述焊件上焊接区域输送保护气体的气体输送装置，所述气体输送装置包括依次连通的气体瓶、输气管和喷嘴。