CN109865937B - 一种无前视距离的对接拼缝复合视觉检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接自动控制技术领域，并具体公开了一种无前视距离的对接拼缝复合视觉检测系统及方法，其复合了视觉测量装置和光谱测量装置，利用视觉测量装置采集激光焊接点处的拼缝图像，并将拼缝图像传入工业计算机中，其包括点光源以及依次相连的CCD相机、光学镜头和滤光片，点光源投射的光斑与焊接的熔池相交，CCD相机位于光斑的正上方，利用光谱测量装置测量激光焊接点处等离子体的光谱信号，并将光谱信号传入工业计算机中，其包括彼此相连的光谱仪和准直器，准直器对准熔池。本发明可直接观测熔池而稳定的获取拼缝位置，具有检测准确、误差小、检测稳定的优点，适用于激光焊接中拼缝的检测。

Description

一种无前视距离的对接拼缝复合视觉检测系统及方法

技术领域

本发明属于焊接自动控制技术领域，更具体地，涉及一种无前视距离的对接拼缝复合视觉检测系统及方法。

背景技术

近年来，以视觉引导为特征的自动焊接技术已被广泛应用于焊接生产，对焊缝检测的方法的研究越来越受到人们的关注，其中，薄板对接拼缝是一种比较常见的焊接接头形式。由于薄板的厚度一般1mm至4mm，焊枪稍有偏离焊缝中心则极易发生内侧未熔合的焊接缺陷。因此，薄板的对接焊对检测精度的要求很高。

由于焊接中存在强烈的焊接光、飞溅和烟雾，一般的薄板拼缝视觉检测装置往往仅采用一种传感器，且均在焊接点之前一段距离(一般10cm以上)来检测焊缝位置。如CN201110069334.0公开了“一种基于微景深的焊接拼缝测量方法”和CN201410337650.5公开了“一种激光拼焊曲面拼缝测量方法及其实现装置”，两者均采用视觉传感器测量拼缝位置，从其原理和实施例可以看出，其仅采用了单一的视觉传感器，且测量点在焊接点之前。这种方式有效的避免了噪声的干扰，提高了获取的拼缝图像的质量。但是，如果在焊接点和测量点这段距离内拼缝发生变形或偏移，视觉测量装置则无法检测到，这种提前测量焊缝方式势必会引入测量误差。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种无前视距离的对接拼缝复合视觉检测系统及方法，其通过将光谱仪与CCD相机的有机融合，以提高检测的准确性与稳定性，可直接观测熔池而稳定的获取拼缝位置，具有检测准确、误差小、检测稳定的优点，适用于激光焊接中拼缝的检测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种无前视距离的对接拼缝复合视觉检测系统，其包括视觉测量装置和光谱测量装置，其中：

所述视觉测量装置用于采集激光焊接点处的拼缝图像，并将拼缝图像传入工业计算机中，其包括点光源以及依次相连的CCD相机、光学镜头和滤光片，所述点光源用于照明，其投射的光斑与焊接的熔池相交，所述CCD相机位于所述光斑的正上方；

所述光谱测量装置用于测量激光焊接点处等离子体的光谱信号，并将光谱信号传入工业计算机中，其包括彼此相连的光谱仪和准直器，所述准直器对准所述熔池。

作为进一步优选的，所述CCD相机的光轴与拼缝表面法线的夹角的范围为-10°至10°。

作为进一步优选的，所述滤光片具体为以所述点光源的波长为中心的窄带滤光片。

按照本发明的另一方面，提供了一种无前视距离的对接拼缝复合视觉检测方法，其包括如下步骤：

(1)利用视觉测量装置采集激光焊接点处的拼缝图像，并将拼缝图像传入工业计算机中；

(2)利用光谱测量装置测量激光焊接点处等离子体的光谱信号，并将光谱信号传入工业计算机中，工业计算机根据光谱信号计算焊接点处等离子体的温度。

作为进一步优选的，所述方法还包括：(3)工业计算机对拼缝图像和温度进行信息融合：当拼缝图像能准确提取拼缝位置时，则将视觉测量装置的测量结果作为拼缝检测位置，并根据视觉测量装置的测量结果调整焊枪位置；当拼缝图像质量受噪声干扰无法准确提取拼缝位置时，以视觉测量装置的前次测量结果作为拼缝检测位置，并结合光谱测量装置检测到的等离子体温度调整焊枪位置。

作为进一步优选的，所述结合光谱测量装置检测到的等离子体温度调整焊枪位置具体为：若光谱测量装置检测到的等离子体温度不变，则以视觉测量装置的前次测量结果调整焊枪位置；若温度发生变化，则以视觉测量装置的前次测量结果的反方向调整焊枪，直至温度恢复。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明中复合视觉检测系统可通过调整相机和拼缝之间的相对位置以获取焊接点处的拼缝图像，从而提取拼缝位置，可通过光谱仪获取焊接处等离子体的温度，当焊缝出现偏差时等离子体的温度会发生变化，这种关系不会受到焊接噪声的影响(如烟雾或飞溅光斑)，通过上述以CCD相机与光谱仪为核心的两种传感器的相互配合，因无前视距离，可避免因前视距离造成的测量误差，能准确地提取窄对接拼缝的位置信息，克服传统焊缝检测方法有前视距离的局限性。

2.本发明中CCD相机的特点是测量的拼缝位置准确，但直接观测焊接点进行测量会受到大量噪声的干扰使得测量不稳定；而光谱仪则不受该因素的干扰且测量频率非常快，但其仅能反映出焊接点是否偏离拼缝中心，本发明将两者的测量信息有机融合以获取准确的拼缝位置，使得当CCD相机获取到的拼缝质量不佳或提取不到拼缝位置时，可结合光谱仪测量的等离子温度的变化信息，对下一点拼缝的位置做出预测，使得测量结果更准确、稳定，提高拼缝位置的检测精度和稳定性。

3.本发明中以CCD相机与光谱仪为核心的两种传感器均对准焊接点处进行测量，以利用CCD相机直接观察焊接点处的拼缝，不会因测量点超前而引起测量误差，融合CCD相机与光谱仪的测量结果，使得测量结果更稳定，本发明涉及的复合视觉检测系统能精确和稳定的测量薄板对接拼缝的位置，具有更高的使用性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种无前视距离的对接拼缝复合视觉检测系统的结构示意图；

图2是CCD相机采集的焊接点处的拼缝图片；

图3是等离子体的温度变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种无前视距离的对接拼缝复合视觉检测系统，包括视觉测量装置和光谱测量装置，其中，视觉测量装置用于采集激光焊接点处拼缝6的拼缝图像，并将拼缝图像传入工业计算机11中，光谱测量装置用于测量激光焊接点处等离子体的光谱信号，并将光谱信号传入工业计算机11中。通过上述两个装置的相互配合，使得两种测量装置的优势相互弥补，在复合检测系统下可直接对准焊接点处的拼缝进行直接测量，消除了因提前测量引入的测量误差。

具体的，如图1所示，视觉测量装置包括CCD相机1、光学镜头2、滤光片3和点光源4，其中，CCD相机1、光学镜头2和滤光片3依次相连，点光源4用于照明，其设于CCD相机1的旁侧，该点光源4投射的光斑5与焊接的熔池10相交(即点光源投射在稍微偏离焊接点处的工件7的表面)，以照明与熔池相连的拼缝，从而使相机能观察清楚熔池处的焊缝，所述CCD相机1位于光斑5的正上方，其用于获取拼缝图像，并通过图像采集卡8将拼缝图像传入工业计算机11中进行图像处理以获取拼缝位置。具体的图像处理方法为现有技术，在此不赘述，任何根据图像获取相应位置的图像处理方法均在保护范围之内。

进一步的，CCD相机的光轴与拼缝表面法线(法向矢量)呈一定的夹角，夹角范围为-10°至10°，如此使得CCD相机的视野中可观测到点光源的投射光斑5以及熔池10，以便得到清晰的拼缝图像，如图2所示。

进一步的，滤光片具体为以点光源的波长为中心的窄带滤光片，以过滤掉焊接噪声光，仅使照明光源的光能进入镜头而在CCD相机上成像。

如图1所示，光谱测量装置包括彼此相连的光谱仪12和准直器9，该准直器9具体安装在光谱仪12的前端，其对准熔池10，光谱测量装置测量激光焊接点处等离子体的光谱信号，并将光谱信号传输到工业计算机中，工业计算机根据光谱信号可得到各个时刻熔池处等离子体的温度，进而获得温度曲线如图3所示。具体如何根据光谱信号获得等离子体的温度其为现有技术，在此不赘述，任何根据光谱信号获取对应温度的数据处理方法均在保护范围之内。

具体的，光谱仪的分辨率为0.07nm，测量频率为1ms，该光谱仪重点分析波长410-540nm的光波，其用于测量焊接点处等离子体的光谱成分，并将光谱成分传送至工业计算机中，工业计算机根据光谱成分分析出等离子体的温度，焊接点偏离拼缝中心时，等离子体温度会降低，焊接点回归拼缝中心时，等离子的温度则恢复为此前温度，因此可以根据温度是否发生变化来判断焊接点是否偏离拼缝中心。

本发明实施例还提供了一种无前视距离的对接拼缝复合视觉检测方法，包括如下步骤：

(1)利用视觉测量装置采集激光焊接点处的拼缝图像，并将拼缝图像传入工业计算机中；

(2)利用光谱测量装置测量激光焊接点处等离子体的光谱信号，并将光谱信号传入工业计算机中，工业计算机根据光谱信号计算焊接点处等离子体的温度。

通过上述视觉测量装置和光谱测量装置的复合测量下，使得两种测量装置的优势相互弥补，在复合检测系统下可直接对准焊接点处的拼缝进行直接测量，消除了因提前测量引入的测量误差。

为了根据测量结果实现焊枪位置的调节，以减少焊接缺陷、提高焊接质量，本发明还综合了视觉测量装置和光谱测量装置两者的测量结果以实现焊枪的实时调节，即无前视距离的对接拼缝复合视觉检测方法还包括：

(3)工业计算机对拼缝图像和温度进行信息融合，具体为：

当拼缝图像能准确提取拼缝位置时(即获取的拼缝图像清晰，可以准确辨认拼缝位置)，则将视觉测量装置的测量结果作为拼缝检测位置，根据拼缝位置调整焊枪，CCD相机采集的焊接点处的拼缝如图2所示，图像坐标系下拼缝的位置被转换到机床坐标从而引导焊枪调整位置，光谱测量装置的测量结果则作为参考；当拼缝图像质量受噪声干扰无法准确提取拼缝位置时(即获取的拼缝图像不清晰，难以准确辨认拼缝位置)，则参考视觉测量装置前次检测的有效位置(一次视觉测量能测量到一段拼缝位置)，来调整焊枪位置，在这种调整下，若光谱测量装置检测到的等离子体温度不变，如图3所示的左侧的等离子体的温度，则表明焊枪没有偏离拼缝中心，则继续按照前次视觉测量的结果调整焊枪位置，若检测到等离子温度发生变化(降低)，如图3所示的右侧的等离子体的温度，则按前次视觉测量结果的反方向调整焊枪，直至温度恢复至如图3所示的没偏离时的温度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种无前视距离的对接拼缝复合视觉检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用视觉测量装置采集激光焊接点处的拼缝图像，并将拼缝图像传入工业计算机中；

(2)利用光谱测量装置测量激光焊接点处等离子体的光谱信号，并将光谱信号传入工业计算机中，工业计算机根据光谱信号计算焊接点处等离子体的温度；

(3)工业计算机对拼缝图像和温度进行信息融合：当拼缝图像能准确提取拼缝位置时，则将视觉测量装置的测量结果作为拼缝检测位置，并根据视觉测量装置的测量结果调整焊枪位置；当拼缝图像质量受噪声干扰无法准确提取拼缝位置时，以视觉测量装置的前次测量结果作为拼缝检测位置，并结合光谱测量装置检测到的等离子体温度调整焊枪位置，具体的，若光谱测量装置检测到的等离子体温度不变，则以视觉测量装置的前次测量结果调整焊枪位置；若温度发生变化，则以视觉测量装置的前次测量结果的反方向调整焊枪，直至温度恢复。

2.一种用于实现如权利要求1所述方法的无前视距离的对接拼缝复合视觉检测系统，其特征在于，包括视觉测量装置和光谱测量装置，其中：

所述视觉测量装置用于采集激光焊接点处的拼缝图像，并将拼缝图像传入工业计算机中，其包括点光源(4)以及依次相连的CCD相机(1)、光学镜头(2)和滤光片(3)，所述点光源(4)用于照明，其投射的光斑(5)与焊接的熔池(10)相交，所述CCD相机(1)位于所述光斑(5)的正上方；

所述光谱测量装置用于测量激光焊接点处等离子体的光谱信号，并将光谱信号传入工业计算机中，其包括彼此相连的光谱仪(12)和准直器(9)，所述准直器(9)对准所述熔池(10)。

3.如权利要求2所述的无前视距离的对接拼缝复合视觉检测系统，其特征在于，所述CCD相机的光轴与拼缝表面法线的夹角的范围为-10°至10°。

4.如权利要求2或3所述的无前视距离的对接拼缝复合视觉检测系统，其特征在于，所述滤光片具体为以所述点光源的波长为中心的窄带滤光片。

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