CN108817616B - 一种基于激光跟踪的焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光跟踪的焊接系统，包括可进行行走及焊接的焊接小车和焊缝跟踪单元；焊缝跟踪单元，包括激光传感器头和激光控制箱，可检测及识别待焊接工件的焊缝并提供焊缝的检测参数值；焊接小车内置有焊接调整单元，以根据焊缝跟踪单元的检测参数值调整当前待焊接点处的焊接位置及焊枪高度。本发明根据跟踪单元的实时提前监控，实时计算，得出焊枪的高度和水平两个方向的偏差量，焊接小车做出相应的调整，达到焊枪始终保持在焊缝的中心和适当的上下位置，实现基于激光跟踪的焊接应用。

Description

一种基于激光跟踪的焊接系统

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种基于激光跟踪的焊接系统。

背景技术

目前在焊接应用上，已经由半自动手工焊接工艺逐渐转变为自动焊接工艺，全自动焊接工艺，或者智能焊接工艺，各个工艺所采用的跟踪方式也不一样，国内外研究最多的两类跟踪就是电弧(传感器)跟踪，激光(传感器)跟踪。

电弧跟踪是利用焊接电弧自身特点的传感器，不需要在焊枪上附加任何装置，通过采集电弧的特性进行程序算法控制，达到实时，稳定的焊接跟踪。

但电弧跟踪的缺点也有很多，比如对薄板件的对接和搭接接头很难跟踪；受国外知识产权的影响，不可能开放底层接口，所以限制了国内的电弧传感器自主研发的进度和应用范围；对于电弧传感器信号的处理也是难点之一，因为弧焊过程有许多对信号采集和处理不利的因素，像短路电流的干扰，熔池液态金属波动或流动的干扰等。这些不利因素导致了焊接电流是由长时低频成分和短时高频成分组成的非平稳信号；控制方法的选择，传统PID控制已经无法满足复杂，非线性的焊接过程，而采用自适应智能控制是一个比较好的解决方法，但实现起来又会遇到运算量大等问题，不容易实现实时控制。

激光(传感器)跟踪是利用工业CCD摄像机，经图像处理获得焊件和焊缝的相对位置及坡口、熔池的相关信息。优点是能获得的焊缝信息量大，控制精度高、再现性好。基于激光跟踪的很多优点，应用于全自动焊接设备上，可以达到更精确的控制和更完美的焊缝。

要想实现合格的焊缝，激光传感器技术必须依赖可靠的焊接电源。焊接电源包括各项参数，比如电弧电压，焊接电流，焊接速度，摆动参数，热输入量等，也与焊前工件预热温度相关。能够实现根据跟踪的效果进行实时自动调节焊接电源的参数，达到合格的焊缝。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光跟踪的焊接系统，利用激光焊缝跟踪技术应用在焊接设备上，确保更高的焊缝质量和焊接生产率。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种基于激光跟踪的焊接系统，包括可进行行走及焊接的焊接小车和焊缝跟踪单元；

焊缝跟踪单元，包括激光传感器头和激光控制箱，可检测及识别待焊接工件的焊缝并提供焊缝的检测参数值；激光传感器头包括激光传感器和摄像机，可摄取含有激光标记的图像检测信号，提前地识别焊缝延伸的方向和偏差量以及焊缝的高度；激光控制箱可接收激光传感器头的图像检测信号，根据图像检测信号计算当前待焊接点的检测参数值，检测参数值包括焊缝在焊接小车行走方向上的左右偏差量以及焊缝的高度偏差量；

焊接小车内置有焊接调整单元，以根据焊缝跟踪单元的检测参数值调整当前待焊接点处的焊接位置及焊枪高度；焊接调整单元包括小车控制器、焊接电源及焊枪，焊枪可根据小车控制器的指令调整摆动中心以及调整高度；小车控制器接收当前待焊接点处的检测参数值，并读取焊枪当前摆动中心位置量，将焊缝的左右偏差量与焊枪当前摆动中心位置量进行比对计算，得到左右偏移调整值，进而输出执行摆动中心调整指令，实现焊枪在当前待焊接点处的焊接位置调整；小车控制器将当前待焊接点处的焊缝高度偏差量与焊枪实时高度位置变量比对计算，得到高度偏移调整值，进而输出执行高度调整指令，实现焊枪在当前待焊接点处的焊枪高度调整。

其中，焊接小车上设置有十字滑台，十字滑台上设置有焊枪和激光传感器头，激光传感器头位于焊枪的前方位置。

作为一选项，焊接调整单元的焊接位置调整过程的内容如下：

初始化焊接位置的参数变量，参数变量包括焊缝的左右偏差量、焊枪摆动中心位置量、摆动中心调整量、摆动电机螺距及摆动电机齿轮比；

读取当前焊枪的摆动中心位置，存入摆动中心位置量；

接收焊缝的左右偏差量；

判断左右调整方向：定义在行走方向上当前待焊接点处于左边时左右偏差量为负，在行走方向上当前待焊接点处于右边时左右偏差量为正；分析左右偏差量，若左右偏差量为正则向右边偏移，若左右偏差量为负则向左边偏移；

根据参数变量计算摆动中心调整量；

控制摆动中心作出调整。

作为一选项，焊枪高度调整过程的内容如下：

初始化高度位置各个参数变量，包括高度偏差量、高度调整量、高度电机螺距、高度电机齿轮比及高度位置变量；

实时读取当前焊枪的高度位置，存入高度位置变量；

读取焊枪的高度偏差量；

判断高度调整方向，其中，高度偏差量具有正负数，定义在高度方向上当前待焊接点高度比预设高度低时高度偏差量为正数，反之则为负数；

根据参数变量计算高度调整量；

执行高度位置调整。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明根据跟踪单元的实时提前监控，实时计算，得出焊枪的高度和水平两个方向的偏差量，焊接小车做出相应的调整，达到焊枪始终保持在焊缝的中心和适当的上下位置，实现基于激光跟踪的焊接应用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的实施例的系统框图；

图2为本发明的实施例的处理流程图；

图3为本发明的实施例的传感器头与焊枪位置关系示意图；

图4为本发明的实施例的水平方向下传感器头工作示意图；

图5为本发明的实施例的焊接位置调整流程实例图；

图6为本发明的实施例的焊枪高度调整流程实例图；

图7为本发明的实施例的高度方向下传感器头工作示意图；

其中，图4a-水平方向下正常焊接时传感器头工作示意图，图4b-水平方向下焊缝往右偏移时传感器头工作示意图，图4c-水平方向下焊缝往左偏移时传感器头工作示意图，图7d-高度方向下正常高度时传感器头工作示意图，图7e-高度方向下超过正常高度时传感器头工作示意图，图7f-高度方向下低于正常高度时传感器头工作示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

激光焊缝跟踪系统是专门用于焊接专机的非接触式焊缝跟踪系统，克服了机械探针式系统所固有的不能处理薄工件或者小间隙的缺陷，将激光传感器安装在焊枪的前面，跟踪系统将根据传感器检测的焊缝偏差来控制焊枪的位置确保焊丝对中。

本发明提供的一种基于激光跟踪的焊接系统，包括可进行行走及焊接的焊接小车和焊缝跟踪单元；焊缝跟踪单元，包括激光传感器头和激光控制箱，可检测及识别待焊接工件的焊缝并提供焊缝的检测参数值；激光传感器头包括激光传感器和摄像机(可对图像进行初级算法处理)，可摄取含有激光标记的图像检测信号，提前地识别焊缝延伸的方向和偏差量以及焊缝的高度；激光控制箱可接收激光传感器头的图像检测信号，根据图像检测信号计算当前待焊接点的检测参数值(对图像应用层进行算法处理)，检测参数值包括焊缝在焊接小车行走方向上的左右偏差量以及焊缝的高度偏差量(与预设高度比对，得到高度偏差量)；焊接小车内置有焊接调整单元，以根据焊缝跟踪单元的检测参数值调整当前待焊接点处的焊接位置及焊枪高度；焊接调整单元包括小车控制器、焊接电源及焊枪，焊枪可根据小车控制器的指令调整摆动中心以及调整高度；小车控制器接收当前待焊接点处的检测参数值，并读取焊枪当前摆动中心位置量，将焊缝的左右偏差量与焊枪当前摆动中心量进行比对计算，得到左右偏移调整值，进而输出执行摆动中心调整指令，实现焊枪在当前待焊接点处的焊接位置调整；小车控制器将当前待焊接点处的焊缝高度偏差量与焊枪实时高度比对，得到高度偏移调整值，进而输出执行高度调整指令，实现焊枪在当前待焊接点处的焊枪高度调整。其处理流程参见图2。

下述将对本发明进行具体说明。

如图1所示，本发明系统主要包括激光传感器头、激光控制箱、焊接小车(包含焊枪)、焊接手控盒、焊接电源及水箱等。具体说明如下：

激光传感器头包括激光传感器和摄像机(摄像模块)，其中结合了高分辨率百万像素摄像机，而激光传感器包括发射激光源和控制器(CPU)，独特地自动激光控制和特殊的光学系统，确保了所生成的焊缝激光条纹图像的高质量和稳定性。其内部配置高速的数字图像处理硬件和软件保证了高速图像处理和焊缝跟踪。

激光控制箱包括硬件控制板，电源控制板，接口电路，彩色触摸屏显示器等部件，简单的安装和设置、简便的操作和提供快速诊断的操作界面都是精心设计而成。

焊接小车包含小车控制板，驱动板，十字滑台，电机等部件，焊接手控盒提供焊接方面的各项操作，焊枪提供送丝通路和水冷通路，焊接电源提供焊接电弧能量，保证电弧稳定燃烧和焊接过程顺利进行，并得到良好焊接接头。

冷却水箱负责传感器探头的冷却，保证传感器在正常的温度范围内工作，提高系统的使用寿命。

下述将对本发明的总体实现思路进行说明。

首先，根据激光传感器模块的安装位置，位置超前于焊枪位置，采用激光的方式对焊缝进行提前识别，包括焊缝的宽度及高度等。

其次，在焊接过程中，跟踪模块与焊接小车之间进行数据交换，包括上下、左右的偏移量。

然后，当跟踪模块的传感器(激光传感器)检测到高度变化后，传感器CPU及激光控制箱通过算法计算出偏差量，然后将偏差量传给焊接小车，焊接小车控制单元将其与焊枪实时高度比对计算高度偏差量，判断变化的方向和大小。让焊枪高度始终保持在适当的位置。

最后，激光传感器检测水平方向有变化后，通过算法计算出左右的偏差量后转给焊接小车，焊接小车内部实时能读取当前焊枪的摆动中心，当有偏差量后，焊接小车将焊枪的摆动中心值进行对应的调整，使焊枪始终保持在焊缝的中心。

下述将进一步说明激光传感器头在正常安装和使用状态下的情况和焊接参考点的情况，根据激光传感器的输出，焊接位置及焊枪高度各项参数进行自适应的应用。

如图3所示，焊枪安装在焊接小车的十字滑台上，传感器头安装在焊枪前端，在焊接前，需要操作焊接手控盒(其内还有激光手控操作)成功分析到焊缝，然后设置参考点，才能保证有效的自动跟踪。由于传感器激光在前端B点，焊枪在A点，为了焊接的准确性，焊枪起弧点应该在B点，所以必须计算AB段的延迟时间，存储到控制系统中，等焊枪移动到B点后开始起弧；已知AB间距离为L，行走速度为V，则延迟时间同理，在结束焊接时，激光传感器会提前结束焊缝的识别，等待焊枪焊接到结束位置。

在激光传感器头中，摄像机位于激光传感器的前方位置，激光传感器投射激光线并在当前待焊接点处形成一条激光条纹，且激光条纹垂直于行走方向，以构成当前待焊接点的左右偏差量检测模型。

进而，激光控制箱计算左右偏差量，具体内容如下：接收摄像机摄取的检测图像；检测图像中有焊缝、激光条纹及焊枪当前位置，以焊枪当前位置为参考点得到行走方向；识别当前待焊接点的左右偏移方向，同时计算当前待焊接点与行走方向之间的距离，得到具有正负数的左右偏差量，其中，定义在行走方向上当前待焊接点处于左边时左右偏差量为负，在行走方向上当前待焊接点处于右边时左右偏差量为正。

如图4所示，在焊缝水平面上，水平传感器可以识别焊缝的趋势。当传感器已经试教过了，焊缝当前的位置就作为参考位置。如果焊缝和行走方向成一定的夹角，则传感器可以提前读取位置，传输至激光控制器，进行程序控制算法，然后将移动偏差距离发送至焊接小车控制器，然后对比内部实时读取的焊枪的摆动中心量计算左右偏移量并进行调整，达到水平方向的位置修正。正常焊接的时候，处于图4a位置。如果传感器检测到焊缝往右偏移，如图4b所示，传感器控制器计算出偏差量x。如果传感器检测到焊缝往左偏移，如4c图所示，传感器控制器计算出偏差量-x。

下述将对基于水平传感器的焊接位置调整过程进行说明。

焊接调整单元的焊接位置调整过程的内容如下：初始化焊接位置的参数变量，焊缝的左右偏差量、焊枪摆动中心位置量、摆动中心调整量、摆动电机螺距及摆动电机齿轮比；读取当前焊枪的摆动中心位置量，存入摆动中心位置量；接收焊缝的左右偏差量；判断左右调整方向：定义在行走方向上当前待焊接点处于左边时左右偏差量为负，在行走方向上当前待焊接点处于右边时左右偏差量为正；分析左右偏差量，若左右偏移量为正则向右边偏移，若左右偏差量为负则向左边偏移；根据参数变量计算摆动中心调整量(左右偏移调整量)；控制摆动中心作出调整。

如图5所示，水平位置调整(焊接位置左右调整)流程，其流程顺序只是一个实例，在逻辑可行范围内可以调换，如将“读取当前焊枪的摆动中心位置”步骤与“接收焊缝的左右偏差量”步骤互换等。

首先，初始化水平位置(焊接位置)各个参数变量，包括激光控制箱传输回来的左右偏差量(left_right_difference_usr)、焊枪摆动中心位置量(Osc_Center)、焊枪摆动电机螺距(Pitch1)及焊枪摆动电机齿轮比(GearRatio1)等。然后，实时读取焊枪摆动中心位置量Osc_Center。接着，读取左右偏差量。依照行走方向，没有偏移，则如图4a所示。如果水平方向发生偏移，则左右偏差量left_right_difference_usr有取值；往右边偏移，如图4b所示，左右偏差量为正值；往左边偏移，如图4c所示，左右偏差量为负值。最后，经过摆动中心计算函数后，执行摆动中心调整。其中，摆动中心调整量osc_centermove＝(left_right_difference_usr*60000)/(Pitch1*fabsf(GearRatio1))，fabsf(GearRatio1)函数指对摆动电机齿轮比取绝对值函数。

如图7所示，图中左侧传感器图片中粗线即为识别出来的焊缝，图7d、图7e及图7f三图表示了在垂直方向上传感器的三个不同的位置，其中，图7d为正常高度，在传感器跟踪的过程中，理想情况为始终保持图7d高度或者附近，因为传感器固有特性，不能超过一定高度范围或者低于一定高度范围，否则不能跟踪或者需要转换为手动调整。如果超过了正常高度，如图7e所示，则干伸长增加，电流减小。如果低于正常高度，如图7f所示，则干伸长减小，电流增大。因此，需要对其高度进行调节：焊接小车接收到传感器控制箱传来的高度偏差量后，焊接小车根据自己实时检测当前焊枪的高度值，结合高度偏差量进行运算，得出焊枪需要调整的数值及方向，进而，焊枪小车控制器CPU给驱动发命令，然后驱动电机执行偏移动作。如果超过了传感器能接受的最大或者最小高度，则不能跟踪。

下述将对基于激光传感器计算高度进行说明。

如前述，在激光传感器头中，摄像机位于激光传感器的前方位置，激光传感器投射激光线并在当前待焊接点处形成一条激光条纹，而且，摄像机视倾斜放置使得摄像机的视觉可与激光传感器投射激光线相交，以构成焊缝高度偏差量检测模型。

进而，激光控制箱计算当前待焊接点高度，具体内容如下：接收摄像机摄取的检测图像；检测图像中有焊缝、激光条纹及焊枪当前位置，以焊枪当前位置为参考点得到激光条纹与参考点之间的距离；根据激光条纹与参考点之间的距离计算当前待焊接点高度，当前待焊接点高度即为当前待焊接点处的焊缝高度；根据当前带焊接点高度与预设高度比对计算，得到高度偏差量；其中，高度偏差量具有正负数，定义在高度方向(垂直方向)上当前带焊接点高度比预设高度低时高度偏差量为正数，反之则为负数；当摄像机的视觉与激光传感器的激光条纹于当前待焊接点处相交时，焊缝高度为预设高度。

如图6所示，垂直方向位置调整(焊枪高度调整)流程，其流程顺序只是一个实例，在逻辑可行范围内可以调换，如将“读取当前焊枪的高度位置”步骤与“接收高度偏差量”步骤互换等。

首先，初始化高度位置各个参数变量，包括高度偏差量(Length_difference_usr)、高度调整量(Length_centermove)、高度电机螺距(Pitch 2)、高度电机齿轮比(GearRatio 2)及高度位置(Length_Center)等。然后，实时读取当前焊枪的高度位置，存入Length_Center变量。接着，读取高度偏差量。若焊枪处于预设位置，则如图7d所示。如果焊枪高于预设位置，则如图7e所示，高度偏差量为负值。如果焊枪低于预设位置，则如图7f所示，高度偏差量为正值。最后，经过高度位置计算函数后，执行高度位置调整。其中，焊枪的高度调整量Length_centermove＝(Length_difference_usr*60000)/(Pitch2*fabsf(GearRatio2)，fabsf(GearRatio2)函数指对高度电机齿轮比取绝对值函数。

如上述，在焊接过程中，根据跟踪器(传感器头和激光控制箱)的实时提前监控，实时计算，得出焊枪的高度和水平两个方向的偏移量，焊接小车做出相应的调整，达到焊枪始终保持在焊缝的中心和适当的上下位置，实现基于激光跟踪的焊接应用。

本发明采用先进的激光传感技术，实现了一种基于激光跟踪的焊接应用，将激光跟踪技术应用到焊接领域，实现焊接参数的自适应控制过程。且，焊缝成型美观，人为操作少，提高了生产效率和产品合格率。

应当理解，本发明上述实施例及实例，是出于说明和解释目的，并非因此限制本发明的范围。本发明的范围由权利要求项定义，而不是由上述实施例及实例定义。

Claims (8)

1.一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，包括可进行行走及焊接的焊接小车和焊缝跟踪单元；

焊缝跟踪单元，包括激光传感器头和激光控制箱，可检测及识别待焊接工件的焊缝并提供焊缝的检测参数值；

激光传感器头包括激光传感器和摄像机，可摄取含有激光标记的图像检测信号，提前地识别焊缝延伸的方向和偏差量以及焊缝的高度；

激光控制箱可接收激光传感器头的图像检测信号，根据图像检测信号计算当前待焊接点的检测参数值，检测参数值包括焊缝在焊接小车行走方向上的左右偏差量以及焊缝的高度偏差量；

焊接小车内置有焊接调整单元，以根据焊缝跟踪单元的检测参数值调整当前待焊接点处的焊接位置及焊枪高度；

焊接调整单元包括小车控制器、焊接电源及焊枪，焊枪可根据小车控制器的指令调整摆动中心位置以及调整高度位置；小车控制器接收当前待焊接点处的检测参数值，并读取焊枪当前摆动中心位置，将焊缝的左右偏差量与焊枪当前摆动中心位置量进行比对计算，得到左右偏移调整值，进而输出执行摆动中心调整指令，实现焊枪在当前待焊接点处的焊接位置调整；小车控制器将当前待焊接点处的焊缝高度偏差量与焊枪实时高度位置变量比对计算，得到高度偏移调整值，进而输出执行高度调整指令，实现焊枪在当前待焊接点处的焊枪高度调整；

所述焊接调整单元的焊接位置调整过程的内容如下，

初始化焊接位置的参数变量，参数变量包括焊缝的左右偏差量、焊枪摆动中心位置量、摆动中心调整量、摆动电机螺距及摆动电机齿轮比；

读取当前焊枪的摆动中心位置，存入摆动中心位置量；

接收焊缝的左右偏差量；

判断左右调整方向：定义在行走方向上当前待焊接点处于左边时左右偏差量为负，在行走方向上当前待焊接点处于右边时左右偏差量为正；分析左右偏差量，若左右偏差量为正则向右边偏移，若左右偏差量为负则向左边偏移；

根据参数变量计算摆动中心调整量；

控制摆动中心作出调整；

所述摆动中心调整量的计算公式如下，

osc_centermove =（left_right_difference_usr * 60000）/（Pitch1 * fabsf(GearRatio1)）

其中， left_right_difference_usr为左右偏差量， osc_centermove为摆动中心调整量， Pitch1为摆动电机螺距， GearRatio1为摆动电机齿轮比， fabsf(GearRatio1)函数指对摆动电机齿轮比取绝对值函数。

2.根据权利要求1所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述焊接小车上设置有十字滑台，十字滑台上设置有焊枪和激光传感器头，激光传感器头位于焊枪的前方位置。

3.根据权利要求2所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述激光传感器头中，摄像机位于激光传感器的前方位置，激光传感器投射激光线并在当前待焊接点处形成一条激光条纹，且激光条纹垂直于行走方向，以构成当前待焊接点的左右偏差量检测模型。

4.根据权利要求3所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述激光控制箱计算左右偏差量的过程如下：

接收摄像机摄取的检测图像；

检测图像中有焊缝、激光条纹及焊枪当前位置，以焊枪当前位置为参考点得到行走方向；

识别当前待焊接点的左右偏移方向，同时计算当前待焊接点与行走方向之间的距离，得到具有正负数的左右偏差量，其中，定义在行走方向上当前待焊接点处于左边时左右偏差量为负，在行走方向上当前待焊接点处于右边时左右偏差量为正。

5.根据权利要求3所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述激光传感器头中，摄像机是倾斜放置使得摄像机的视觉可与激光传感器投射激光线相交，以构成焊缝高度偏差量检测模型。

6.根据权利要求5所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述激光控制箱计算当前待焊接点高度偏差量的过程如下，

接收摄像机摄取的检测图像；

检测图像中有焊缝、激光条纹及焊枪当前位置，以焊枪当前位置为参考点得到激光条纹与参考点之间的距离；

根据激光条纹与参考点之间的距离计算当前待焊接点高度，当前待焊接点高度即为当前待焊接点处的焊缝高度；

根据当前待焊接点高度与预设高度比对计算，得到高度偏差量；

其中，高度偏差量具有正负数，定义在高度方向上当前待焊接点高度比预设高度低时高度偏差量为正数，反之则为负数；当摄像机的视觉与激光传感器的激光条纹于当前待焊接点处相交时，焊缝高度为预设高度。

7.根据权利要求1所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述焊接调整单元的焊枪高度调整过程的内容如下，

初始化高度位置各个参数变量，包括高度偏差量、高度调整量、高度电机螺距、高度电机齿轮比及高度位置变量；

实时读取当前焊枪的高度位置，存入高度位置变量；

读取焊枪的高度偏差量；

判断高度调整方向，其中，高度偏差量具有正负数，定义在高度方向上当前待焊接点高度比预设高度低时高度偏差量为正数，反之则为负数；

根据参数变量计算高度调整量；

执行高度位置调整。

8.根据权利要求7所述一种基于激光跟踪的焊接系统，其特征在于，所述焊枪的高度调整量的计算公式如下，

Length_centermove =（Length_difference_usr * 60000）/（Pitch 2* fabsf(GearRatio2)

其中，Length_difference_usr为高度偏差量，Length_centermove为高度调整量，Pitch2为高度电机螺距，GearRatio2为高度电机齿轮比， fabsf(GearRatio2)函数指对高度电机齿轮比取绝对值函数。