CN109633669A - 一种利用双波段激光提高焊接中测距精度的方法 - Google Patents

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罗华
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Abstract

本发明为一种利用双波段激光提高焊接中测距精度的方法，该方法的结构采用三个模块：激光发射模块、激光反射模块、激光接收模块，模块包括：两个能发射波长为λ1和λ2的激光器、半圆形的玻璃砖、三块平面镜、保护罩、槽轮机构、电机、两块能滤过波长为λ1和λ2的窄带滤光片、CCD。所述的两个激光器与玻璃砖的中心轴线夹角为α和β放置在玻璃砖的左侧，两块平面镜竖直放置在保护罩内，而另外一块平面镜与竖直方向夹角为γ/2放置；由电机驱动的槽轮机构安装在滤光盒内，两块滤光片安装在镜架内，CCD固定在滤光片正后方。本发明通过不同波长的激光测量两次距离，避免了在一般激光测距中弧光和测量误差的干扰，从而实现精准测距、精准避障、抗弧光干扰的目的。

Description

一种利用双波段激光提高焊接中测距精度的方法
技术领域
本发明涉及焊接自动化领域，具体涉及一种利用双波段激光提高焊接中测距精度的方法。
背景技术
目前，激光测距由于激光能量比较大、稳定性较好、抗干扰能力强等优点被广泛的运用，也越来越成为各领域用来测距重要的方法和手段。但是，在焊接领域中，由于焊接环境恶劣，在使用激光测距的过程中，弧光的干扰使得激光传感器的精度会大打折扣，从而难以满足实时焊接传感和焊缝跟踪的要求。目前这些问题的出现也制约了焊接行业的发展。
现如今在焊接领域广泛运用的主要有激光扫描式和结构光式两种方法，这两种方法易受到弧光和测量误差的干扰，故在精准测距、精准避障、抗弧光干扰上存在很大的缺陷。本发明采用两种不同波长激光的两次测距，从而CCD获取两次测量距离和位置信号，将两次测量距离耦合处理，实现两次测量距离和位置信号交互和冗余，最终达到精准测距、精准避障、抗弧光干扰的效果。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出了一种利用双波段激光提高焊接中测距精度的方法，解决了传统激光传感器测距易受弧光干扰而影响精度的问题，从而实现精准测距。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种利用双波段激光提高焊接中测距精度的方法，该方法采用的结构包括三个模块：激光发射模块、激光反射模块、激光接收模块。激光发射模块包括：一个能发射波长为λ1的激光器1、一个能发射波长为λ2的激光器2、一块半圆形的玻璃砖；激光反射模块包括：三块平面镜、保护罩；激光接收模块包括：槽轮机构、电机、一块能滤过波长为λ1的窄带滤光片1、一块能滤过波长为λ2的窄带滤光片2、透镜、CCD。所述的两个激光器与半圆形玻璃砖的中心轴线的夹角为α和β，放置在玻璃砖的左侧，三块平面镜分布在保护罩两侧，其中两块平面镜平行竖直放置、另外一块平面镜与竖直方向的夹角为β，放置在保护罩内；由电机驱动的槽轮机构安装在圆形的滤光盒内，两块滤光片安装在镜架内并由槽轮机构中主动拨盘的轴驱动与之协同旋转；CCD固定在滤光片的正后方，使其接收到反射模块的激光。
所述的激光发射模块，其结构由两种能发射不同波长的激光器、半圆形的玻璃砖组成，该模块通过两种不同波长的激光在玻璃砖中的折射率不同来实现，将两个激光器与玻璃砖的中心线给予不同夹角放置在玻璃砖左侧，通过控制入射角的角度使得两束激光在经过玻璃砖发生折射后从同一方向射出，从而使两个激光器的光路同轴。
所述的激光反射模块，其结构由三块平面镜、保护罩组成，保护罩内两块平行竖直放置的平面镜可以延长光路，靠近保护罩后端的平面镜将倾斜的激光光路调整为竖直方向的光路并最终垂直射入到被测物体上，
所述的激光接收模块，其结构由两块可滤过不同波长的滤光片、透镜、槽轮机构和电机所组成，在CCD接收到滤波片滤过的激光时，发射波长为λ1的激光器1熄灭，发射波长为λ2的激光器2打开，滤光片在电机驱动的槽轮机构的作用下实现间歇旋转运动，会使不同波长的激光滤过不同的滤波片，实现两个激光器与两块滤光片之间的协同作用。
所述的波长为λ1的激光器1与玻璃砖的夹角为α，波长为λ2的激光器2与玻璃砖的夹角为β，波长为λ1的激光在玻璃砖中的折射率为n1，波长为λ2的激光在玻璃砖中的折射率为n2，则由折射定律，激光发生折射后角度：
n1=sinγ/sinα；
n2=sinγ/sinβ；
即 γ=arcsin（n1sinα）=arcsin（n2sinβ）；
激光器1、激光器2与玻璃砖中心轴线夹角α与β的关系：
α =arcsin（n2sinβ/n1）；
在反射模块中，激光经过三次反射后垂直射入到被测物，则由几何定律知，激光在平面镜3反射后的反射角为：
θ1 =（90°－γ+90°）/2=90°－γ/2；
故平面镜3与竖直方向的夹角为：
θ2=γ/2。
本发明的益处：
本发明的双波段激光测距方法，通过利用两种不同波长的激光测量两次距离，避免了在普通的激光测距中单次测量易受到外界干扰和本身测量误差的干扰，从而达到精准测距、精准避障、抗弧光干扰的目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记说明：（1）—激光发射模块，（2）—激光器反射模块，（3）—激光接收模块，（1-1）—激光器1，（1-2）—激光器2，（1-3）—半圆形玻璃砖，（2-1）—保护罩，（2-2）—平面镜1，（2-3）—平面镜2，（2-4）—平面镜3，（3-1）—滤光片1，（3-2）—滤光片2，（3-3）—透镜，（3-4）—CCD，（3-5）—电机，（3-6）—槽轮机构。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1，参见图1，本发明为一种利用双波段激光提高焊接中测距精度的方法，该方法的结构包括壳体、两个能发射不同波长λ1、λ2的激光器（（1-1）（1-2））、半圆形的玻璃砖（1-3）、三块平面镜（（2-2）（2-3）（2-4））、保护罩(2-1)、两块能滤过波长为λ1、λ2的滤光片（(3-1)(3-2)）、透镜（3-3）、CCD(3-4)、电机(3-5)、槽轮机构(3-6)等；所述的两个激光器与半圆形玻璃砖（1-3）的中心轴线的夹角为α和β，放置在玻璃砖的左侧，玻璃砖放置在一个开口的支撑板上，三块平面镜分布在保护罩两侧，其中两块平面镜平行竖直放置、另外一块与竖直方向呈一定的夹角放置；由电机(3-5)驱动的槽轮机构(3-6)安装在圆形的滤光盒内，滤光片安装在镜架上并由槽轮机构中主动拨盘的轴协同旋转；此外CCD(3-4)固定在滤光片的正后方，使其能准确的接收到激光发射的信号。该发明通过双波段激光测距的具体步骤如下：步骤一为激光器1（1-1）的测距过程，首先放置在玻璃砖左侧的激光器1（1-1）发射波长为λ1的激光，该激光透过玻璃砖发生折射并与水平方向呈一定夹角射出；折射后的激光经过反射模块发生3次反射，先在位于保护罩右侧的平面镜1（2-2）上发生反射，反射的激光又在平面镜2（2-3）和平面镜3（2-4）上发生反射，然后通过通光孔垂直入射到被测物体上，垂直入射到物体上的激光会反射并通过右侧的通光孔被壳体右侧的激光接收模块（3）所接收，通过通光孔的激光透过滤光片1（3-1）和透镜（3-3），最终被正后方的CCD（3-4）所接收并得到所需的测量距离δ1；步骤二为滤光片与激光器的同步转换过程，具体的过程为在CCD（3-4）接受到激光器（1-1）的信号后，激光器1（1-1）熄灭，激光器2（1-2）发射波长为λ2的激光，此时安装在滤光盒内并由电机(3-5)驱动的槽轮机构(3-6)会协同滤光结构转动至滤光片2（3-2），完成同步转换；步骤三为激光器2（1-2）的测距过程，该过程与第一个过程完全相同，经过激光发射模块、激光反射模块、激光接收模块后，完成激光器2（1-2）的测距，得到测量距离δ2；将步骤一和步骤二所测的距离δ1和δ2进行耦合处理，得到更加精确的距离。
实施例2，这种通过双激光器测距的方法采用波长为λ1、λ2的两束激光（入射角不同）透过位于开口支撑板上的半圆形玻璃砖(1-3)发生折射并以相同的折射角射出，从而使得两束光路不同的激光同轴，提高了测距的精确性；由于激光发生折射后，折射后的激光偏转了一定的角度，本发明采用调节平面镜3（2-4）与竖直方向的夹角将偏转了一定角度的光路调整为竖直方向并最终垂直射入到被测物上。本发明在利用平面镜3（2-4）调整光路方向的同时也利用平面镜1（2-2）和平面镜2（2-3）的多次反射延长光路，来提高测量的精度。
实施例3，这种通过双激光器测距的方法在接收激光信号过程中，被测物体上反射的激光透过滤光片1（3-1）和透镜（3-3）在CCD（3-4）上形成一个位置信号并最终获得所测量的距离δ1。CCD接收到滤波片滤过的激光时，使发射波长为λ1的激光器1（1-1）关闭，发射波长为λ2的激光器2(1-2)打开，与此同时，激光接收模块中的滤光结构会随着槽轮机构的间歇运动而旋转至下一个测距周期，实现激光器2（1-2）与滤光片2（3-2）的同步转换。
以上所述是本发明的优选实施方式，但是本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明的原理前提下所作的若干改进，都视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种利用双波段激光提高焊接中测距精度的方法，其特征在于：该方法的结构包括激光发射模块（1）、激光反射模块（2）、激光接收模块（3）；激光发射模块包括：一个能发射波长为λ1的激光器1、一个能发射波长为λ2的激光器2、一块半圆形的玻璃砖（1-3）；激光反射模块包括：平面镜1（2-2）、平面镜2（2-3）、平面镜3（2-4）、保护罩（2-1）；激光接收模块包括：一块能滤过波长为λ1的窄带滤光片1、一块能滤过波长为λ2的窄带滤光片2、透镜（3-3）、CCD（3-4）、电机（3-5）、槽轮机构（3-6）；在激光发射模块（1）中，激光器1（1-1）和激光器2（1-2）与半圆玻璃砖(1-3)的中心轴线夹角呈α和β，放置在玻璃砖的左侧，半圆形玻璃砖（1-3）放置在一个开口的支撑板上，折射后的激光从玻璃砖中心射出；在激光反射模块（2）中，三块平面镜分布在保护罩（2-1）两侧，其中平面镜1（2-2）与平面镜2（2-3）平行竖直放置、另外一块平面镜3（2-4）与竖直方向呈一定的夹角放置，激光经平面镜3（2-4）后垂直入射到被测物体上；在激光接收模块（3）中，由电机（3-5）驱动的槽轮机构（3-6）安装在圆形的滤光盒内，两块滤光片安装在镜架内并由槽轮机构中主动拨盘的轴驱动与之协同旋转，CCD（3-4）固定在滤光片的正后方。
2.根据权利要求1所述的一种利用双波段激光提高焊接中测距精度的方法，其特征在于：所述的激光发射模块是采用两个能发射不同波长的激光器，两个激光器与玻璃砖中心轴线呈不同的夹角放置，激光经过玻璃砖后，最终使两束激光光路同轴。
3.根据权利要求1所述的一种利用双波段激光提高焊接中测距精度的方法，其特征在于：所述的激光反射模块主要是采用平行竖直放置的平面镜1（2-2）、平面镜2（2-3）和一块与竖直方向呈一定夹角的平面镜3（2-4），激光经平面镜3（2-4）后垂直入射到被测物上。
4.根据权利要求1所述的一种利用双波段激光提高焊接中测距精度的方法，其特征在于：所述的激光接收模块主要是采用可以旋转的滤光结构使窄带滤光片1（3-1）和窄带滤光片2（3-2）与激光器1（1-1）和激光器2（1-2）实现同步转换。
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