CN110653460B - 基于激光视觉的新型tig焊装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光视觉的新型TIG焊装置及焊接方法，属于焊接自动化领域。装置整体通过螺栓基座固定在自动化焊接设备上，TIG焊枪、导丝装置、自动摆动控制装置、自动送丝驱动装置、激光视觉传感器刚性连接；TIG焊枪、导丝装置、摆动杆可实现同步摆动；TIG焊枪回归摆动中心时焊枪中轴线、线激光发生器的光轴线、CCD相机的光轴线位于同一个平面。摆动焊接时本发明能够实时获取摆动参数实现横向摆动运动自动控制，并实时拟合焊缝中心点坐标曲线，使焊枪摆动焊接的纵向运动以该曲线行走，无需人工示教；非摆动焊接时，本发明能够实时拟合焊缝中心点坐标曲线，使焊枪以该曲线行走，无需人工示教，实现精准焊接。

Description

基于激光视觉的新型TIG焊装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接自动化领域，特别涉及一种基于激光视觉的新型TIG焊装置及焊接方法。

背景技术

(1)TIG焊接过程中不管是摆动焊接还是非摆动焊接人工示教太过繁琐。

人工示教：一种可重复再现的通过示教编程存储起来的作业程序的机器人按照固定路线重复进行的焊接动作。在施焊前，使TIG焊接机器人按照固定路线重复行走，人眼观察，不断调整焊接工件的定位或者改进机器人运动控制程序，使焊缝中心线与机器人末端焊枪固定运动路线空间平行。其会产生如下问题：人工示教大大增加整个焊接时间，尤其对于长焊缝，曲线焊缝，其严重增加焊前准备时间，对于TIG摆动焊接而言，为精确焊接，更需要人工示教。

(2)TIG焊接过程中不管是摆动焊接还是非摆动焊接难以对TIG焊枪与焊缝中心的位置偏差有效调节。

TIG焊接时，不仅要保持适宜的焊接工艺，还要确保焊枪的行走精度。以焊接铝镁等有色金属时为例，若焊枪的行动轨迹偏离焊缝中心，会使得焊接电弧过多作用于母材，在交流电高热量输入下，造成塌陷和咬边等缺陷，但是由于机器人无视觉，目前广泛的自动化焊接设备及机器人多为人工示教型，即按照固定路线重复进行焊接动作。在实际焊接过程中，受工件装夹定位误差、焊缝受热变形等因素的影响，导致焊枪偏离焊缝，无法保证焊件的平整度以及焊缝的绝对直线性，严重影响焊接质量。也就是说传统上机器人无法自己依据实际的焊缝各点坐标，自行控制焊接行走，导致焊接过程中人工示教太过繁琐，焊接过程中难以对TIG焊枪与焊缝中心的位置偏差有效调节。对于TIG摆动焊接该偏差指的是焊枪回归到摆动中心点与焊缝中心的位置偏差；对于TIG非摆动焊接，由于不存在摆动该偏差指的是焊枪下端与焊缝中心的位置偏差。

(3)TIG摆动焊接时未能对摆动角速度、摆动宽度、摆动中心、左停时间及右停时间五个参数进行实时动态调节。

在TIG摆动焊接应用中，基本上采用机械方法摆动，即设计伺服电机加机械减速等机构实现焊枪摆动系统，能够达到较宽的摆幅，电弧不倾斜。但通常来说机构复杂，体积大，增加机头重量，且在施焊过程中摆幅(摆动幅度为熔合两边坡口钝边的2mm处)不能自动反馈调整。也就是说其摆动的宽度、角速度和中心位置必须在焊前一次调整好，不能在焊接过程中根据实际的工况进行实时调节。而且在摆动过程的换向点处，没有延时的功能，往往使得焊缝截面出现中间高、两边低的情况,导致焊缝表面的不平。并且由于加工坡口存在误差，受工件装夹定位误差、焊缝受热变形、会使得焊缝坡口之间间距发生改变，若摆动幅度不能自我调节时，会使得焊接质量严重下降，接头力学性能降低。因此TIG摆动焊接在自动化焊接要达到的效果是实现了摆动角速度、摆动宽度、摆动中心、左停时间及右停时间五个参数根据焊缝特征信息的动态调节。传统上TIG摆动焊接时无法感知钨极下方焊缝宽度，焊缝中心点与钨极尖垂直距离等信息对摆动角速度、摆动宽度、摆动中心、左停时间及右停时间五个参数进行动态调节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光视觉的新型TIG焊装置及焊接方法，解决了现有技术存在的上述问题。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

基于激光视觉的新型TIG焊装置，整体通过螺栓基座11固定在自动化焊接设备上，包括TIG焊枪4、导丝装置、自动摆动控制装置、自动送丝驱动装置、激光视觉传感器10；所述TIG焊枪4通过摆动杆17与自动摆动控制装置固定连接，导丝装置通过摆动杆17与自动摆动控制装置固定连接，TIG焊枪4、导丝装置、摆动杆17可实现同步摆动；自动摆动控制装置通过摆动伺服电机固定板14固定在自动送丝驱动装置的送丝箱9侧壁，激光视觉传感器10与送丝箱9固定连接；TIG焊枪4、导丝装置、自动送丝驱动装置、激光视觉传感器10、自动摆动控制装置之间刚性连接；TIG焊枪4回归摆动中心时焊枪中轴线、线激光发生器33的光轴线、CCD相机36的光轴线位于同一个平面。

所述的TIG焊枪4为普通的弯柄TIG焊枪；TIG焊枪通过固定TIG焊枪中心管5与自动摆动控制装置的摆动杆17刚性连接。

所述的导丝装置包括导丝嘴固定板3、导丝嘴固定连桥8、导丝管18、导丝嘴固定自锁机构19、导丝嘴20、固定卡扣6，所述导丝装置整体通过固定卡扣6与自动摆动控制装置的摆动杆17刚性连接，导丝嘴20通过导丝嘴固定自锁机构19和导丝嘴固定板3与导丝管18连接，导丝管18为柔性管，可实现柔性弯曲，导丝嘴固定自锁机构19与导丝嘴固定板3连接，位于导丝嘴固定板3下部，通过导丝嘴固定自锁机构19的螺帽旋紧旋松可手动调节导丝嘴尖端与TIG焊枪钨极尖端的竖直方向距离及水平角度，导丝嘴固定板3固定在导丝嘴固定连桥8上。

所述的自动摆动控制装置包括摆动伺服电机7、固定TIG焊枪中心管5、摆动伺服电机固定板14、刚性支架15、夹紧及限位螺栓16、摆动杆17，所述摆动伺服电机7与摆动伺服电机固定板14刚性固定，摆动伺服电机固定板14固定在自动送丝驱动装置的送丝箱9的侧壁，刚性支架15与摆动伺服电机固定板14焊接，固定TIG焊枪中心管5与摆动杆17焊接，摆动杆17上部精密装配到摆动伺服电机7的输出轴，夹紧及限位螺栓16紧入摆动杆17上部，防止摆动杆脱落。

所述的自动送丝驱动装置采用单轮驱动，包括送丝箱9、变速器12、驱动伺服电机13、U形夹扣21、进丝管22、从动轮闭合调节旋钮23、杠杆支架24、主动轮25、出丝管26、从动轮27、从动轮闭合调节限台28，所述驱动伺服电机13通过变速器12带动主动轮25旋转，在所述送丝箱9内，主动轮25带动从动轮27旋转，杠杆支架24一端与从动轮27连接，另一端固定在送丝箱9上，通过杠杆支架24之上的从动轮闭合调节旋钮23调节从动轮27的上下位置并通过从动轮闭合调节限位台28限位，以防止从动轮27位置过于偏下，实现与主动轮25夹紧焊丝并可控的目的；U形夹扣21固定在杠杆支架24上，从动轮闭合调节旋钮23安装在U形夹扣21上并可旋转，旋转从动轮闭合调节旋钮23实现从动轮27上下移动。

所述的激光视觉传感器10包括线激光发生器33、CCD相机36，所述CCD相机36、线激光发生器33夹在两个定位板30之间，并通过定位螺栓32固定在激光视觉传感器的壳体上，保证CCD相机36光轴线垂直向下，线激光发生器33的光轴线与CCD相机36的光轴线之间具有夹角。

本发明的另一目的在于提供一种基于激光视觉的新型TIG焊装置的摆动焊接方法，摆动焊接时焊枪运动可分为纵向运动和横向运动；包括以下步骤：

S1、焊前准备，系统参数标定：

S1.1、焊接前将基于激光视觉的新型TIG焊装置安装到焊接自动化设备上；

S1.2、调节自动摆动控制装置使TIG焊枪中轴线垂直地面；

S1.3、记录此时TIG焊枪的姿势，作为摆动中心，将自动摆动控制装置所使用的伺服电机运动初始化，即可随时调控焊枪使其与地面垂直，回归到摆动中心；

S1.4、进行标定完成坐标转化，即焊缝中一点P在CCD相机拍摄的图片上的像素坐标(u，v)转化为自动化焊接设备的基坐标(x，y，z)，从而达到能够通过CCD相机定位识别焊缝信息的目的，包括相机内参数标定、光平面方程的标定以及手眼标定；

S1.4.1、开启CCD相机拍摄自动化焊接平台基坐标系下P点，获得像平面中P点像素(u，v)，将其转化为像平面二维坐标(x_u，y_v)；

S1.4.2、相机内参标定，相机内参采用Halcon开发相机标定程序标定，相机内参标定后与像平面二维坐标(x_u，y_v)，获得相机坐标系下的P点二维坐标(X_u，Y_v)；

S1.4.3、光平面方程标定，采用直接标定法标定光平面方程，光平面方程与相机坐标系下二维坐标(X_u，Y_v)联立并结合黄金分割法求得相机坐标系下三维坐标(Xa，Y_b，Z_c)；

S1.4.4、经手眼变换相机坐标系下三维坐标(Xa，Y_b，Z_c)转换为焊枪末端坐标系下三维坐标(X_A，Y_B，Z_C)；

S1.4.4、通过自动化焊接平台的转换矩阵将焊枪末端坐标系下三维坐标(X_A，Y_B，Z_C)转换为自动化焊接平台基坐标下P点坐标(x，y，z)；

S2、TIG摆动焊时对焊枪纵向运动控制：

S2.1、将焊接件固定到焊接工作台；

S2.2、通过PC端移动基于激光视觉的新型TIG焊装置，使回归到摆动中心的TIG焊枪位于焊缝起弧点正上方，通过PC端调整TIG焊枪高度，手动调节导丝嘴尖端与TIG焊枪钨极尖端的竖直方向距离及水平角度，以满足TIG焊送丝要求；

S2.3、启动线激光发生器，并使线激光发生器产生的线激光垂直焊缝，通过PC端沿自动化焊接平台基坐标x轴或y轴方向移动基于激光视觉的新型TIG焊装置使激光线到起弧点，记录该路径1；

S2.3.1、启动CCD相机，同时TIG焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向向起弧点移动；移动过程中线激光发生器产生的线激光不断扫掠未施焊的焊缝，CCD相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；

S2.3.2、通过图像处理技术实时对带有激光线焊缝图片进行处理；提取焊缝图片中焊缝边缘两特征点像素坐标(u1，v1)和(u2，v2)，再结合步骤S1.4将其转化为基坐标(x1，y2，z1)和(x2，y2，z2)；

S2.3.3、对焊缝边缘两特征点的基坐标(x1，y2，z1)(x2，y2，z2)求平均值得焊缝中线点的基坐标(x_中，y_中，z_中)；

S2.3.4、确定焊缝中心点三维坐标(x_中，y_中，z_中)后，基于这些离散的空间点坐标，通过插补法拟合焊缝空间曲线，TIG焊枪沿着路径1运动过程中，系统拟合的一小段焊缝曲线，记为曲线1；

S2.4、TIG焊枪沿着路径1移动到起弧点时，开始起弧，同时系统将曲线1反馈给下方控制器，控制器将模拟信号转化为数字信号控制TIG焊枪以曲线1纵向运动；

S2.5、TIG焊枪沿着曲线1纵向运动过程中，CCD相机不断拍摄焊枪前端未施焊且带有激光线的焊缝图片，又基于这些离散的空间点坐标，通过插补法拟合一段新的焊缝空间曲线，记为曲线2；

S2.6、TIG焊枪运动到曲线1末尾后，开始沿着曲线2开始纵向运动焊接，系统又拟合一段新的焊缝空间曲线，记为曲线3，如此反复进行，边行走边拟合焊缝空间曲线，直到焊缝末端结束拟合曲线；

S3、TIG摆动焊时对焊枪横向运动控制：

S3.1、通过步骤S2.3.2得到的焊缝边缘两特征点的基坐标(x1，y2，z1)和(x2，y2，z2)，通过距离公式，求取焊缝的实际宽度值；

S3.2、焊枪以锯齿形摆动，焊枪横向运动时也会纵向行走，故呈现锯齿形摆动，点abcdef为焊枪摆动的一个周期，其中：

bc，de表示焊枪在左右坡口边缘停留时，焊枪前进距离，对摆动左停时间T_左及右停时间T_右的控制是通过设定bc，de值进行控制，即：

T_右＝bc/V_焊；

T_左＝de/V_焊；

又：ad＝cf；

bc＝de；

c到e的直线距离为：(ad-bc)/2+bc；

c到d的直线距离为：(ad-bc)/2；

当焊枪摆动到坡口边缘时，系统会每隔{(ad-bc)/2+bc}/(V_焊×Tp)点检测焊缝宽度L，以b点为例，下点检测焊缝宽度点为d点，接着是f点，以此类推；

S3.3、根据步骤S3.2获得焊缝宽度结合焊枪高度调节摆动角速度ζ：

d为焊枪高度；

h为摆动伺服电机轴线到焊枪钨极端距离；

Ln为摆动宽度，Ln＝L+L₁；

L₁为熔合边距焊缝钝边距离，一般为2mm；

β为摆动角；

β＝2arctan{Ln/2/(h+d)}；

角速度ζ＝2arctan{Ln/2/(h+d)}/{(ad-bc)/2/V_焊}；

摆动周期T＝ae/V_焊；

S3.4、焊接前输入焊枪在左右坡口边缘停留时，焊枪前进距离bc，de值，根据焊接速度V_焊自动控制左停时间T_左及右停时间T_右；根据步骤4.3获得的焊缝宽度L和焊接速度V_焊自动控制摆动角速度ζ、摆动宽度Ln；步骤S2使焊枪摆动到摆动中心时始终位于焊缝中心点的正上方，实现对摆动中心的自动控制；

S3.5、PC端将步骤S3.4得到的摆动参数，实时反馈给横向运动控制电机，实现TIG摆动焊焊枪横向摆动运动自动控制；

S4、TIG摆动焊焊缝熄弧点控制：

当CCD相机检测激光线发生巨大突变后，会记录该位置，该位置即为焊接边缘，CCD相机拍摄时间间隔为Tp，真正的熄弧点距离焊缝边缘位置距离为Dp；

则：n_p＝Dp/(V_焊×Tp)

焊接前输入Dp，系统会自动保存n_p点个数，即在距离焊缝边缘n_p个拍摄点处停止焊枪摆动，使焊枪回归垂直位姿熄弧，同时设定熄弧时间，避免弧坑。

本发明的又一目的在于提供一种基于激光视觉的新型TIG焊装置的非摆动焊接方法，包括以下步骤：

S1、焊前准备，系统参数标定：

S1.1、焊接前将基于激光视觉的新型TIG焊装置安装到焊接自动化设备上；

S1.2、调节自动摆动控制装置使TIG焊枪中轴线垂直地面；

S1.3、记录此时TIG焊枪的姿势，作为摆动中心，将自动摆动控制装置所使用的伺服电机运动初始化，即可随时调控焊枪使其与地面垂直，回归到摆动中心；

S1.4、进行标定完成坐标转化，即焊缝中一点P在CCD相机拍摄的图片上的像素坐标(u，v)转化为自动化焊接设备的基坐标(x，y，z)，从而达到能够通过CCD相机定位识别焊缝信息的目的，包括相机内参数标定、光平面方程的标定以及手眼标定；

S1.4.1、开启CCD相机拍摄自动化焊接平台基坐标系下P点，获得像平面中P点像素(u，v)，将其转化为像平面二维坐标(x_u，y_v)；

S1.4.2、相机内参标定，相机内参采用Halcon开发相机标定程序标定，相机内参标定后与像平面二维坐标(x_u，y_v)，获得相机坐标系下的P点二维坐标(X_u，Y_v)；

S1.4.3、光平面方程标定，采用直接标定法标定光平面方程，光平面方程与相机坐标系下二维坐标(X_u，Y_v)联立并结合黄金分割法求得相机坐标系下三维坐标(Xa，Y_b，Z_c)；

S1.4.4、经手眼变换相机坐标系下三维坐标(Xa，Y_b，Z_c)转换为焊枪末端坐标系下三维坐标(X_A，Y_B，Z_C)；

S1.4.4、通过自动化焊接平台的转换矩阵将焊枪末端坐标系下三维坐标(X_A，Y_B，Z_C)转换为自动化焊接平台基坐标下P点坐标(x，y，z)；

S2、TIG摆动焊时对焊枪纵向运动控制：

S2.1、将焊接件固定到焊接工作台；

S2.2、通过PC端移动基于激光视觉的新型TIG焊装置，使回归到摆动中心的TIG焊枪位于焊缝起弧点正上方，通过PC端调整TIG焊枪高度，手动调节导丝嘴尖端与TIG焊枪钨极尖端的竖直方向距离及水平角度，以满足TIG焊送丝要求；

S2.3、启动线激光发生器，并使线激光发生器产生的线激光垂直焊缝，通过PC端沿自动化焊接平台基坐标x轴或y轴方向移动基于激光视觉的新型TIG焊装置使激光线到起弧点，记录该路径1；

S2.3.1、启动CCD相机，同时TIG焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向向起弧点移动；移动过程中线激光发生器产生的线激光不断扫掠未施焊的焊缝，CCD相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；

S2.3.2、通过图像处理技术实时对带有激光线焊缝图片进行处理；提取焊缝图片中焊缝边缘两特征点像素坐标(u1，v1)和(u2，v2)，再结合步骤S1.4将其转化为基坐标(x1，y2，z1)和(x2，y2，z2)；

S2.3.3、对焊缝边缘两特征点的基坐标(x1，y2，z1)(x2，y2，z2)求平均值得焊缝中线点的基坐标(x_中，y_中，z_中)；

S2.3.4、确定焊缝中心点三维坐标(x_中，y_中，z_中)后，基于这些离散的空间点坐标，通过插补法拟合焊缝空间曲线，TIG焊枪沿着路径1运动过程中，系统拟合的一小段焊缝曲线，记为曲线1；

S2.4、TIG焊枪沿着路径1移动到起弧点时，开始起弧，同时系统将曲线1反馈给下方控制器，控制器将模拟信号转化为数字信号控制TIG焊枪以曲线1纵向运动；

S2.5、TIG焊枪沿着曲线1纵向运动过程中，CCD相机不断拍摄焊枪前端未施焊且带有激光线的焊缝图片，又基于这些离散的空间点坐标，通过插补法拟合一段新的焊缝空间曲线，记为曲线2；

S2.6、TIG焊枪运动到曲线1末尾后，开始沿着曲线2开始纵向运动焊接，系统又拟合一段新的焊缝空间曲线，记为曲线3，如此反复进行，边行走边拟合焊缝空间曲线，直到焊缝末端结束拟合曲线；

S3、TIG非摆动焊焊缝熄弧点控制：

当CCD相机检测激光线发生巨大突变后，会记录该位置，该位置即为焊接边缘，CCD相机拍摄时间间隔为Tp，真正的熄弧点距离焊缝边缘位置距离为Dp；

则：n_p＝Dp/(V_焊×Tp)

焊接前输入Dp，系统会自动保存n_p点个数，即在距离焊缝边缘n_p个拍摄点处停止焊枪摆动，使焊枪回归垂直位姿熄弧，同时设定熄弧时间，避免弧坑。

本发明的有益效果在于：

1、构思新颖，结构简单，使用方便，体积小，焊接质量好。在TIG摆动焊接过程中，激光视觉传感器能够实时识别焊缝中心点坐标信息，边焊接边拟合焊缝中心点坐标曲线，依据拟合的焊缝中心点坐标曲线自动控制焊枪的纵向运动，且系统不仅识别焊缝中心点坐标信息，还识别焊缝宽度信息，通过信息转化，能够对焊枪横向运动自动控制，TIG摆动焊接焊枪的纵向运动和横向运动都是通过系统根据实时焊缝自动控制，无需焊前人为输入TIG摆动焊接焊枪的纵向运动和横向运动控制程序，减少人工示教。

同理在TIG非摆动焊接过程中焊枪的运动系统边焊接边拟合焊缝中心点坐标曲线进行控制，减少人工示教。

2、在TIG摆动焊接过程中，激光视觉传感器能够实时识别焊缝中心点坐标信息，边焊接边拟合焊缝中心点坐标曲线，一方面该曲线代表焊缝中心的实际位置，另一方面每一次拟合焊缝中心点坐标曲线长度较短；该工艺能够很大程度上，减弱工件装夹定位误差、焊缝受热变形带来的TIG焊枪与焊缝中心的位置偏差影响。在TIG非摆动焊接过程中，更是如此。

3、在TIG摆动焊接过程中，激光视觉传感器不仅识别焊缝中心点坐标信息，还识别焊缝宽度信息，通过信息转化，能够对焊枪横向运动自动控制，即对摆动角速度、摆动宽度、摆动中心、左停时间及右停时间五个参数动态调节。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的基于激光视觉的新型TIG焊装置的结构示意图；

图2为本发明的基于激光视觉的新型TIG焊装置的另一角度的结构示意图；

图3为本发明的送丝箱内部的结构示意图；

图4为本发明的激光视觉传感器内部的结构示意图；

图5为本发明的基于激光视觉的新型TIG焊装置的焊接方法的流程示意图；

图6为本发明的CCD相机拍摄的预处理后的焊缝图片；

图7为本发明自动控制焊枪摆动焊接的焊枪运行轨迹示意图；

图8为本发明自动调节摆动参数原理示意图。

图中：1、焊缝左边缘点；2、焊缝右边缘点；3、导丝嘴固定板；4、TIG焊枪；5、固定TIG焊枪中心管；6、固定卡扣；7、摆动伺服电机；8、导丝嘴固定连桥；9、送丝箱；10、激光视觉传感器；11、螺栓基座；12、变速器；13、驱动伺服电机；14、摆动伺服电机固定板；15、刚性支架；16、夹紧及限位螺栓；17、摆动杆；18、导丝管；19、导丝嘴固定自锁机构；20、导丝嘴；21、U形夹扣；22、进丝管；23、从动轮闭合调节旋钮；24、杠杆支架；25、主动轮；26、出丝管；27、从动轮；28、从动轮闭合调节限位台；29、CCD相机控制线口；30、定位板；31、激光发生器控制线口；32定位螺栓；33、线激光发生器；34、线激光发生器窗口；35、CCD相机窗口；36、CCD相机。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图4所示，本发明的基于激光视觉的新型TIG焊装置，整体通过螺栓基座11固定在自动化焊接设备上，包括TIG焊枪4、导丝装置、自动摆动控制装置、自动送丝驱动装置、激光视觉传感器10；所述TIG焊枪4通过摆动杆17与自动摆动控制装置固定连接，导丝装置通过摆动杆17与自动摆动控制装置固定连接，TIG焊枪4、导丝装置、摆动杆17可实现同步摆动；自动摆动控制装置通过摆动伺服电机固定板14固定在自动送丝驱动装置的送丝箱9侧壁，激光视觉传感器10与送丝箱9固定连接；TIG焊枪4、导丝装置、自动送丝驱动装置、激光视觉传感器10、自动摆动控制装置之间刚性连接；螺栓基座11考虑到整个装置的重心，紧贴重心线设计，增加平稳性。五大结构配合安装时同时保证当TIG焊枪4回归摆动中心时焊枪中轴线、线激光发生器33的光轴线、CCD相机36的光轴线位于同一个平面。

所述的TIG焊枪4可为普通的弯柄TIG焊枪。TIG焊枪通过固定TIG焊枪中心管5与自动摆动控制装置的摆动杆17刚性连接。

所述的导丝装置包括材料为胶木板的导丝嘴固定板3、材料为胶木板的导丝嘴固定连桥8、可柔性弯曲的导丝管18、便于导丝嘴拆装及角度调节的导丝嘴固定自锁机构19、耐高温金属材料的导丝嘴20、固定卡扣6，所述导丝装置整体通过固定卡扣6与自动摆动控制装置的摆动杆17刚性连接，导丝嘴20通过导丝嘴固定自锁机构19和导丝嘴固定板3与导丝管18连接，可实现柔性弯曲，导丝嘴固定自锁机构19与导丝嘴固定板3连接，位于导丝嘴固定板3下部，通过导丝嘴固定自锁机构19的螺帽旋紧旋松可手动调节导丝嘴尖端与TIG焊枪钨极尖端的竖直方向距离及水平角度，导丝嘴固定板3固定在导丝嘴固定连桥8上。其中导丝管18可柔性弯曲，不会妨碍其横向摆动。

所述的自动摆动控制装置包括摆动伺服电机7、固定TIG焊枪中心管5、摆动伺服电机固定板14、刚性支架15、夹紧及限位螺栓16、摆动杆17，所述摆动伺服电机7与摆动伺服电机固定板14刚性固定，摆动伺服电机固定板14固定在自动送丝驱动装置的送丝箱9的侧壁，刚性支架15与摆动伺服电机固定板14焊接，固定TIG焊枪中心管5与摆动杆17焊接，摆动杆17上部精密装配到摆动伺服电机7的输出轴，夹紧及限位螺栓16紧入摆动杆17上部，防止摆动杆脱落。摆动时由于TIG焊枪、导丝装置、摆动杆固定连接，其一起摆动，且导丝管18是柔性软管，不会妨碍其横向摆动。TIG焊枪4与固定TIG焊枪中心管5连接，固定TIG焊枪中心管下端有自锁螺母，即固定TIG焊枪中心管下端为倒锥形，以便进行TIG焊枪的上下位置调节，固定TIG焊枪中心管5与导丝装置的固定卡扣6连接。实现TIG焊枪4、导丝装置、摆动杆17可实现同步摆动。

所述的自动送丝驱动装置采用单轮驱动，包括送丝箱9、变速器12、驱动伺服电机13、U形夹扣21、进丝管22、从动轮闭合调节旋钮23、杠杆支架24、主动轮25、出丝管26、从动轮27、从动轮闭合调节限台28，所述驱动伺服电机13通过变速器12带动主动轮25旋转，在所述送丝箱9内，主动轮25带动从动轮27旋转，杠杆支架24一端与从动轮27连接，另一端固定在送丝箱9上，通过杠杆支架24之上的从动轮闭合调节旋钮23调节从动轮27的上下位置并通过从动轮闭合调节限位台28限位，以防止从动轮27位置过于偏下，实现与主动轮25夹紧焊丝并可控的目的；U形夹扣21固定在杠杆支架24上，从动轮闭合调节旋钮23安装在U形夹扣21上并可旋转，旋转从动轮闭合调节旋钮23实现从动轮27上下移动。由于主动轮25顺时针旋转，会给从动轮27向下的力，能过实现送丝过程中自锁。主动轮25、从动轮27有两种卡槽，可用不同型号的焊丝。需要使用不同型号的焊丝时，只需将主动轮、从动轮换面再次装入即可。焊丝通过进丝管22进入送丝箱，通过出丝管26出送丝箱，进入导丝管18。改变常规送丝驱动设备，提供尺寸更小且性能优良的单驱动送丝机。相对于普通自动送丝装置体积缩小30％，本发明的送丝箱规格约为155mm×70mm×90mm。

所述的激光视觉传感器10包括CCD相机控制线口29、材料为耐高温胶木板的定位板30、激光发生器控制线口31、定位螺栓32、线激光发生器33、采用普通透光镜片的线激光发生器窗口34、存在滤光片的CCD相机窗口35、CCD相机36，所述CCD相机36、线激光发生器33夹在两个定位板30之间，并通过定位螺栓32固定在激光视觉传感器的壳体上，必须保证CCD相机36光轴线垂直向下，线激光发生器33的轴线与CCD相机36的光轴线之间具有一定角度的夹角，轴线夹角不做特定要求，本发明夹角为20o，角度设定之后不可随意更改，否则要重新定位，增加工作难度。激光视觉传感器的壳体的上部设有CCD相机控制线口29、激光发生器控制线口31，下部设有CCD相机窗口35、线激光发生器窗口34。CCD相机36、线激光发生器33分别通过CCD相机控制线口29、激光发生器控制线口31与图像采集卡和控制柜相接。线激光发生器33发出波长为650nm的红外线激光透过线激光发生器窗口34打在焊缝上，激光线应与焊枪横向摆动方向平行。CCD相机36透过其下端的CCD相机窗口35，以一定帧率拍摄焊缝图片，本发明采用的是24帧每秒。线激光发生器33产生的特定波长的激光线打到焊缝上，CCD相机36以一定帧率拍摄焊缝图片，然后将图片传递到图像采集卡上，工业CCD相机依次提取焊缝图片，并经过一系列的图像处理，包括：滤波、图像二值化、轮廓提取、激光中心线、读取焊缝坡口的焊缝左边缘点1_左和焊缝右边缘点2_右的特征点像素坐标值。

获取焊缝坡口的焊缝左边缘点1_左和焊缝右边缘点2_右的特征点像素坐标后工业PC端会通过坐标矩阵转化，得到焊缝坡口的焊缝左边缘点1_左和焊缝右边缘点2_右的特征点在基坐标系的坐标值。坐标转化矩阵依据自动化焊接设备不同。

通过焊缝坡口的焊缝左边缘点1_左和焊缝右边缘点2_右的特征点在基坐标系的坐标值求取焊缝中心点基坐标值。工业PC端获得焊缝中心点在基坐标系分布是离散的空间坐标点，通过插补法拟合焊缝中心点空间曲线。获得焊缝中心点的空间曲线反馈给下方控制器，控制器控制纵向运动控制电机，实现TIG摆动焊焊枪纵向运动自动控制。

通过焊缝坡口的焊缝左边缘点1_左和焊缝右边缘点2_右的特征点在基坐标系的坐标值获得各焊缝中心点对应的焊缝宽度，再结合焊接速度，获得摆动宽度、，摆动角速度、摆动中心、左停时间及右停时间等参数，反馈给下方控制器，控制器控制横向运动摆动伺服电机运作，实现TIG摆动焊焊枪横向摆动运动自动控制。

PC端通过控制器控制焊接电源启动，并根据焊接速度，焊接电流设定送丝速度，将其反馈给送丝驱动伺服电机，精准控制送丝。

本发明若不进行摆动焊接时，可将摆动伺服电机回位，即TIG焊枪中轴线垂直地面，实现焊抢的非摆动焊接。本发明的焊缝中心点控制精度在0-0.2mm，摆动精度达0-0.3m，摆动幅度在0-100mm，可实现高质量、高精度焊接。

参见图5至图8所示，本发明的基于激光视觉的新型TIG焊装置的焊接方法，包括以下步骤：

对于TIG摆动焊接：摆动焊接时焊枪运动可分为纵向运动和横向运动；

S1、焊前准备，系统参数标定：

S1.1、焊接前将基于激光视觉的新型TIG焊装置安装到焊接自动化设备上；

S1.2、调节自动摆动控制装置使TIG焊枪中轴线垂直地面；

S1.3、记录此时TIG焊枪的姿势，作为摆动中心，将自动摆动控制装置所使用的伺服电机运动初始化，即可随时调控焊枪使其与地面垂直，回归到摆动中心；

S1.4、进行标定完成坐标转化，即焊缝中一点P在CCD相机拍摄的图片上的像素坐标(u，v)转化为自动化焊接设备的基坐标(x，y，z)，从而达到能够通过CCD相机定位识别焊缝信息的目的，包括相机内参数标定、光平面方程的标定以及手眼标定；(该步骤为该领域现有常用技术)；

S1.4.1、开启CCD相机拍摄自动化焊接平台基坐标系下P点，获得像平面中P点像素(u，v)，将其转化为像平面二维坐标(x_u，y_v)；

S1.4.2、相机内参标定，相机内参采用Halcon开发相机标定程序标定，相机内参标定后与像平面二维坐标(x_u，y_v)，获得相机坐标系下的P点二维坐标(X_u，Y_v)；

S1.4.3、光平面方程标定，采用直接标定法标定光平面方程，光平面方程与相机坐标系下二维坐标(X_u，Y_v)联立并结合黄金分割法求得相机坐标系下三维坐标(Xa，Y_b，Z_c)；

S1.4.4、经手眼变换相机坐标系下三维坐标Xa，Y_b，Z_c)转换为焊枪末端坐标系下三维坐标(X_A，Y_B，Z_C)；

S1.4.4、通过自动化焊接平台的转换矩阵将焊枪末端坐标系下三维坐标(X_A，Y_B，Z_C)转换为自动化焊接平台基坐标下P点坐标(x，y，z)。

S2、TIG摆动焊时对焊枪纵向运动控制：

S2.1、将焊接件固定到焊接工作台；

S2.2、通过PC端移动基于激光视觉的新型TIG焊装置，使回归到摆动中心的TIG焊枪位于焊缝起弧点正上方，通过PC端调整TIG焊枪高度，手动调节导丝嘴尖端与TIG焊枪钨极尖端的竖直方向距离及水平角度。以满足TIG焊送丝要求；

S2.3、启动线激光发生器，并使线激光发生器产生的线激光垂直焊缝，通过PC端沿自动化焊接平台基坐标x轴或y轴方向移动基于激光视觉的新型TIG焊装置使激光线到起弧点，记录该路径1；

S2.3.1、启动CCD相机，同时TIG焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向向起弧点移动；移动过程中线激光发生器产生的线激光不断扫掠未施焊的焊缝，CCD相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；

S2.3.2、通过图像处理技术实时对带有激光线焊缝图片进行处理；提取焊缝图片中焊缝边缘两特征点像素坐标(u1，v1)和(u2，v2)，再结合步骤S1.4将其转化为基坐标(x1，y2，z1)和(x2，y2，z2)；

S2.3.3、对焊缝边缘两特征点的基坐标(x1，y2，z1)(x2，y2，z2)求平均值得焊缝中线点的基坐标(x_中，y_中，z_中)；

S2.3.4、确定焊缝中心点三维坐标(x_中，y_中，z_中)后，基于这些离散的空间点坐标，通过插补法拟合焊缝空间曲线，TIG焊枪沿着路径1运动过程中，系统拟合的一小段焊缝曲线，记为曲线1；

S2.4、TIG焊枪沿着路径1移动到起弧点时，开始起弧，同时系统将曲线1反馈给下方控制器，控制器将模拟信号转化为数字信号控制TIG焊枪以曲线1纵向运动；

S2.5、TIG焊枪沿着曲线1纵向运动过程中，CCD相机不断拍摄焊枪前端未施焊且带有激光线的焊缝图片，又基于这些离散的空间点坐标，通过插补法拟合一段新的焊缝空间曲线，记为曲线2；

S2.6、TIG焊枪运动到曲线1末尾后，开始沿着曲线2开始纵向运动焊接，系统又拟合一段新的焊缝空间曲线，记为曲线3，如此反复进行，边行走边拟合焊缝空间曲线，直到焊缝末端结束拟合曲线。

S3、TIG摆动焊时对焊枪横向运动控制：

S3.1、通过步骤S2.3.2得到的焊缝边缘两特征点的基坐标(x1，y2，z1)和(x2，y2，z2)，通过距离公式，求取焊缝的实际宽度值；

S3.2、焊枪以锯齿形摆动，焊枪横向运动时也会纵向行走，故呈现锯齿形摆动，点abcdef为焊枪摆动的一个周期，其中：

bc，de表示焊枪在左右坡口边缘停留时，焊枪前进距离，对摆动左停时间T_左及右停时间T_右的控制是通过设定bc，de值进行控制，即：

T_右＝bc/V_焊；

T_左＝de/V_焊；

又：ad＝cf；

bc＝de；

c到e的直线距离为：(ad-bc)/2+bc；

c到d的直线距离为：(ad-bc)/2；

当焊枪摆动到坡口边缘时，系统会每隔{(ad-bc)/2+bc}/(V_焊×Tp)点检测焊缝宽度L，以b点为例，下点检测焊缝宽度点为d点，接着是f点，以此类推；

S3.3、根据步骤S3.2获得焊缝宽度结合焊枪高度调节摆动角速度ζ：

d为焊枪高度；

h为摆动伺服电机轴线到焊枪钨极端距离；

Ln为摆动宽度，Ln＝L+L₁；

L₁为熔合边距焊缝钝边距离，一般为2mm；

β为摆动角；

β＝2arctan{Ln/2/(h+d)}；

角速度ζ＝2arctan{Ln/2/(h+d)}/{(ad-bc)/2/V_焊}；

摆动周期T＝ae/V_焊；

S3.4、焊接前输入焊枪在左右坡口边缘停留时，焊枪前进距离bc，de值，根据焊接速度V_焊自动控制左停时间T_左及右停时间T_右；根据步骤4.3获得的焊缝宽度L和焊接速度V_焊自动控制摆动角速度ζ、摆动宽度Ln；步骤S2使焊枪摆动到摆动中心时始终位于焊缝中心点的正上方，实现对摆动中心的自动控制；

S3.5、PC端将步骤S3.4得到的摆动参数，实时反馈给横向运动控制电机，实现TIG摆动焊焊枪横向摆动运动自动控制。

S4、TIG摆动焊焊缝熄弧点控制：

当CCD相机检测激光线发生巨大突变后，会记录该位置，该位置即为焊接边缘，CCD相机拍摄时间间隔为Tp，真正的熄弧点距离焊缝边缘位置距离为Dp；

则：n_p＝Dp/(V_焊×Tp)

焊接前输入Dp，系统会自动保存n_p点个数，即在距离焊缝边缘n_p个拍摄点处停止焊枪摆动，使焊枪回归垂直位姿熄弧，同时设定熄弧时间，避免弧坑。

对于TIG非摆动焊接：

S1、焊前准备，系统参数标定：

S1.1、焊接前将基于激光视觉的新型TIG焊装置安装到焊接自动化设备上；

S1.2、调节自动摆动控制装置使TIG焊枪中轴线垂直地面；

S1.3、记录此时TIG焊枪的姿势，作为摆动中心，将自动摆动控制装置所使用的伺服电机运动初始化，即可随时调控焊枪使其与地面垂直，回归到摆动中心；

S1.4、进行标定完成坐标转化，即焊缝中一点P在CCD相机拍摄的图片上的像素坐标(u，v)转化为自动化焊接设备的基坐标(x，y，z)，从而达到能够通过CCD相机定位识别焊缝信息的目的，包括相机内参数标定、光平面方程的标定以及手眼标定；(该步骤为该领域现有常用技术)

S1.4.1、开启CCD相机拍摄自动化焊接平台基坐标系下P点，获得像平面中P点像素(u，v)，将其转化为像平面二维坐标(x_u，y_v)；

S1.4.2、相机内参标定，相机内参采用Halcon开发相机标定程序标定，相机内参标定后与像平面二维坐标(x_u，y_v)，获得相机坐标系下的P点二维坐标(X_u，Y_v)；

S1.4.3、光平面方程标定，采用直接标定法标定光平面方程，光平面方程与相机坐标系下二维坐标(X_u，Y_v)联立并结合黄金分割法求得相机坐标系下三维坐标(Xa，Y_b，Z_c)；

S1.4.4、经手眼变换相机坐标系下三维坐标(Xa，Y_b，Z_c)转换为焊枪末端坐标系下三维坐标(X_A，Y_B，Z_C)；

S1.4.4、通过自动化焊接平台的转换矩阵将焊枪末端坐标系下三维坐标(X_A，Y_B，Z_C)转换为自动化焊接平台基坐标下P点坐标(x，y，z)。

S2、TIG摆动焊时对焊枪纵向运动控制：

S2.1、将焊接件固定到焊接工作台；

S2.2、通过PC端移动基于激光视觉的新型TIG焊装置，使回归到摆动中心的TIG焊枪位于焊缝起弧点正上方，通过PC端调整TIG焊枪高度，手动调节导丝嘴尖端与TIG焊枪钨极尖端的竖直方向距离及水平角度。以满足TIG焊送丝要求；

S2.3、启动线激光发生器，并使线激光发生器产生的线激光垂直焊缝，通过PC端沿自动化焊接平台基坐标x轴或y轴方向移动基于激光视觉的新型TIG焊装置使激光线到起弧点，记录该路径1；

S2.3.1、启动CCD相机，同时TIG焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向向起弧点移动；移动过程中线激光发生器产生的线激光不断扫掠未施焊的焊缝，CCD相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；

S2.3.2、通过图像处理技术实时对带有激光线焊缝图片进行处理；提取焊缝图片中焊缝边缘两特征点像素坐标(u1，v1)和(u2，v2)，再结合步骤S1.4将其转化为基坐标(x1，y2，z1)和(x2，y2，z2)；

S2.3.3、对焊缝边缘两特征点的基坐标(x1，y2，z1)(x2，y2，z2)求平均值得焊缝中线点的基坐标(x_中，y_中，z_中)；

S2.3.4、确定焊缝中心点三维坐标(x_中，y_中，z_中)后，基于这些离散的空间点坐标，通过插补法拟合焊缝空间曲线，TIG焊枪沿着路径1运动过程中，系统拟合的一小段焊缝曲线，记为曲线1；

S2.4、TIG焊枪沿着路径1移动到起弧点时，开始起弧，同时系统将曲线1反馈给下方控制器，控制器将模拟信号转化为数字信号控制TIG焊枪以曲线1纵向运动；

S2.5、TIG焊枪沿着曲线1纵向运动过程中，CCD相机不断拍摄焊枪前端未施焊且带有激光线的焊缝图片，又基于这些离散的空间点坐标，通过插补法拟合一段新的焊缝空间曲线，记为曲线2；

S2.6、TIG焊枪运动到曲线1末尾后，开始沿着曲线2开始纵向运动焊接，系统又拟合一段新的焊缝空间曲线，记为曲线3，如此反复进行，边行走边拟合焊缝空间曲线，直到焊缝末端结束拟合曲线。

S3、TIG非摆动焊焊缝熄弧点控制：

当CCD相机检测激光线发生巨大突变后，会记录该位置，该位置即为焊接边缘，CCD相机拍摄时间间隔为Tp，真正的熄弧点距离焊缝边缘位置距离为Dp；

则：n_p＝Dp/(V_焊×Tp)

焊接前输入Dp，系统会自动保存n_p点个数，即在距离焊缝边缘n_p个拍摄点处停止焊枪摆动，使焊枪回归垂直位姿熄弧，同时设定熄弧时间，避免弧坑。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于激光视觉的新型TIG焊装置的摆动焊接方法，其特征在于：摆动焊接时焊枪运动可分为纵向运动和横向运动；包括以下步骤：

S1、焊前准备，系统参数标定：

S1.1、焊接前将基于激光视觉的新型TIG焊装置安装到焊接自动化设备上；

S1.2、调节自动摆动控制装置使TIG焊枪中轴线垂直地面；

S1.3、记录此时TIG焊枪的姿势，作为摆动中心，将自动摆动控制装置所使用的伺服电机运动初始化，即可随时调控焊枪使其与地面垂直，回归到摆动中心；

S1.4、进行标定完成坐标转化，即焊缝中一点P在CCD相机拍摄的图片上的像素坐标（u，v）转化为自动化焊接设备的基坐标（x，y，z），从而达到能够通过CCD相机定位识别焊缝信息的目的，包括相机内参数标定、光平面方程的标定以及手眼标定；

S1.4.1、开启CCD相机拍摄自动化焊接平台基坐标系下P点，获得像平面中P点像素（u，v），将其转化为像平面二维坐标（x_u，y_v）；

S1.4.2、相机内参标定，相机内参采用Halcon开发相机标定程序标定，相机内参标定后与像平面二维坐标（x_u，y_v），获得相机坐标系下的P点二维坐标（X_u，Y_v）；

S1.4.3、光平面方程标定，采用直接标定法标定光平面方程，光平面方程与相机坐标系下二维坐标（X_u，Y_v）联立并结合黄金分割法求得相机坐标系下三维坐标（Xa，Y_b，Z_c）；

S1.4.4、经手眼变换相机坐标系下三维坐标（Xa，Y_b，Z_c）转换为焊枪末端坐标系下三维坐标（X_A，Y_B，Z_C）；

S1.4.4、通过自动化焊接平台的转换矩阵将焊枪末端坐标系下三维坐标（X_A，Y_B，Z_C）转换为自动化焊接平台基坐标下P点坐标（x，y，z）；

S2、TIG摆动焊时对焊枪纵向运动控制：

S2.1、将焊接件固定到焊接工作台；

S2.2、通过PC端移动基于激光视觉的新型TIG焊装置，使回归到摆动中心的TIG焊枪位于焊缝起弧点正上方，通过PC端调整TIG焊枪高度，手动调节导丝嘴尖端与TIG焊枪钨极尖端的竖直方向距离及水平角度，以满足TIG焊送丝要求；

S2.3、启动线激光发生器，并使线激光发生器产生的线激光垂直焊缝，通过PC端沿自动化焊接平台基坐标x轴或y轴方向移动基于激光视觉的新型TIG焊装置使激光线到起弧点，记录该路径1；

S2.3.1、启动CCD相机，同时TIG焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向向起弧点移动；移动过程中线激光发生器产生的线激光不断扫掠未施焊的焊缝，CCD相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；

S2.3.2、通过图像处理技术实时对带有激光线焊缝图片进行处理；提取焊缝图片中焊缝边缘两特征点像素坐标（u1，v1）和（u2，v2），再结合步骤S1.4将其转化为基坐标（x1，y2，z1）和（x2，y2，z2）；

S2.3.3、对焊缝边缘两特征点的基坐标（x1，y2，z1）（x2，y2，z2）求平均值得焊缝中线点的基坐标（x_中，y_中，z_中）；

S2.3.4、确定焊缝中心点三维坐标（x_中，y_中，z_中）后，基于这些离散的空间点坐标，通过插补法拟合焊缝空间曲线，TIG焊枪沿着路径1运动过程中，系统拟合的一小段焊缝曲线，记为曲线1；

S2.4、TIG焊枪沿着路径1移动到起弧点时，开始起弧，同时系统将曲线1反馈给下方控制器，控制器将模拟信号转化为数字信号控制TIG焊枪以曲线1纵向运动；

S2.5、TIG焊枪沿着曲线1纵向运动过程中，CCD相机不断拍摄焊枪前端未施焊且带有激光线的焊缝图片，又基于这些离散的空间点坐标，通过插补法拟合一段新的焊缝空间曲线，记为曲线2；

S2.6、TIG焊枪运动到曲线1末尾后，开始沿着曲线2开始纵向运动焊接，系统又拟合一段新的焊缝空间曲线，记为曲线3，如此反复进行，边行走边拟合焊缝空间曲线，直到焊缝末端结束拟合曲线；

S3、TIG摆动焊时对焊枪横向运动控制：

S3.1、通过步骤S2.3.2得到的焊缝边缘两特征点的基坐标（x1，y2，z1）和（x2，y2，z2），通过距离公式，求取焊缝的实际宽度值；

S3.2、焊枪以锯齿形摆动，焊枪横向运动时也会纵向行走，故呈现锯齿形摆动，点abcdef为焊枪摆动的一个周期，其中：

bc，de表示焊枪在左右坡口边缘停留时，焊枪前进距离，对摆动左停时间T_左及右停时间T_右的控制是通过设定bc，de值进行控制，即：

T_右=bc/V_焊;

T_左=de/V_焊;

又：ad=cf；

bc=de；

c到e的直线距离为：（ad-bc）/2+bc；

c到d的直线距离为：（ad-bc）/2；

当焊枪摆动到坡口边缘时，系统会每隔{（ad-bc）/2+bc }/（V_焊×Tp）点检测焊缝宽度L，以b点为例，下点检测焊缝宽度点为d点，接着是f点，以此类推；

S3.3、根据步骤S3.2获得焊缝宽度结合焊枪高度调节摆动角速度z：

d为焊枪高度；

h为摆动伺服电机轴线到焊枪钨极端距离；

Ln为摆动宽度，Ln=L+L₁ ；

L₁ 为熔合边距焊缝钝边距离，一般为2mm；

b为摆动角；

b=2arctan{ Ln/2/（h+d）} ；

角速度z=2arctan{ Ln/2/（h+d）}/{（ad-bc）/2/V_焊}；

摆动周期T=ae/ V_焊；

S3.4、焊接前输入焊枪在左右坡口边缘停留时，焊枪前进距离bc，de值，根据焊接速度V_焊自动控制左停时间T_左及右停时间T_右；根据步骤4.3获得的焊缝宽度L和焊接速度V_焊自动控制摆动角速度z、摆动宽度Ln；步骤S2使焊枪摆动到摆动中心时始终位于焊缝中心点的正上方，实现对摆动中心的自动控制；

S3.5、PC端将步骤S3.4得到的摆动参数，实时反馈给横向运动控制电机，实现TIG摆动焊焊枪横向摆动运动自动控制；

S4、TIG摆动焊焊缝熄弧点控制：

当CCD相机检测激光线发生巨大突变后，会记录该位置，该位置即为焊接边缘，CCD相机拍摄时间间隔为Tp，真正的熄弧点距离焊缝边缘位置距离为Dp；

则：n_p=Dp/（V_焊×Tp）

焊接前输入Dp，系统会自动保存n_p点个数，即在距离焊缝边缘n_p个拍摄点处停止焊枪摆动，使焊枪回归垂直位姿熄弧，同时设定熄弧时间，避免弧坑。

2.一种基于激光视觉的新型TIG焊装置的非摆动焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、焊前准备，系统参数标定：

S1.1、焊接前将基于激光视觉的新型TIG焊装置安装到焊接自动化设备上；

S1.2、调节自动摆动控制装置使TIG焊枪中轴线垂直地面；

S1.3、记录此时TIG焊枪的姿势，作为摆动中心，将自动摆动控制装置所使用的伺服电机运动初始化，即可随时调控焊枪使其与地面垂直，回归到摆动中心；

S1.4、进行标定完成坐标转化，即焊缝中一点P在CCD相机拍摄的图片上的像素坐标（u，v）转化为自动化焊接设备的基坐标（x，y，z），从而达到能够通过CCD相机定位识别焊缝信息的目的，包括相机内参数标定、光平面方程的标定以及手眼标定；

S1.4.1、开启CCD相机拍摄自动化焊接平台基坐标系下P点，获得像平面中P点像素（u，v），将其转化为像平面二维坐标（x_u，y_v）；

S1.4.2、相机内参标定，相机内参采用Halcon开发相机标定程序标定，相机内参标定后与像平面二维坐标（x_u，y_v），获得相机坐标系下的P点二维坐标（X_u，Y_v）；

S1.4.3、光平面方程标定，采用直接标定法标定光平面方程，光平面方程与相机坐标系下二维坐标（X_u，Y_v）联立并结合黄金分割法求得相机坐标系下三维坐标（Xa，Y_b，Z_c）；

S1.4.4、经手眼变换相机坐标系下三维坐标（Xa，Y_b，Z_c）转换为焊枪末端坐标系下三维坐标（X_A，Y_B，Z_C）；

S1.4.4、通过自动化焊接平台的转换矩阵将焊枪末端坐标系下三维坐标（X_A，Y_B，Z_C）转换为自动化焊接平台基坐标下P点坐标（x，y，z）；

S2、TIG摆动焊时对焊枪纵向运动控制：

S2.1、将焊接件固定到焊接工作台；

S2.2、通过PC端移动基于激光视觉的新型TIG焊装置，使回归到摆动中心的TIG焊枪位于焊缝起弧点正上方，通过PC端调整TIG焊枪高度，手动调节导丝嘴尖端与TIG焊枪钨极尖端的竖直方向距离及水平角度，以满足TIG焊送丝要求；

S2.3、启动线激光发生器，并使线激光发生器产生的线激光垂直焊缝，通过PC端沿自动化焊接平台基坐标x轴或y轴方向移动基于激光视觉的新型TIG焊装置使激光线到起弧点，记录该路径1；

S2.3.1、启动CCD相机，同时TIG焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向向起弧点移动；移动过程中线激光发生器产生的线激光不断扫掠未施焊的焊缝，CCD相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；

S2.3.2、通过图像处理技术实时对带有激光线焊缝图片进行处理；提取焊缝图片中焊缝边缘两特征点像素坐标（u1，v1）和（u2，v2），再结合步骤S1.4将其转化为基坐标（x1，y2，z1）和（x2，y2，z2）；

S2.3.3、对焊缝边缘两特征点的基坐标（x1，y2，z1）（x2，y2，z2）求平均值得焊缝中线点的基坐标（x_中，y_中，z_中）；

S2.3.4、确定焊缝中心点三维坐标（x_中，y_中，z_中）后，基于这些离散的空间点坐标，通过插补法拟合焊缝空间曲线，TIG焊枪沿着路径1运动过程中，系统拟合的一小段焊缝曲线，记为曲线1；

S2.4、TIG焊枪沿着路径1移动到起弧点时，开始起弧，同时系统将曲线1反馈给下方控制器，控制器将模拟信号转化为数字信号控制TIG焊枪以曲线1纵向运动；

S2.5、TIG焊枪沿着曲线1纵向运动过程中，CCD相机不断拍摄焊枪前端未施焊且带有激光线的焊缝图片，又基于这些离散的空间点坐标，通过插补法拟合一段新的焊缝空间曲线，记为曲线2；

S2.6、TIG焊枪运动到曲线1末尾后，开始沿着曲线2开始纵向运动焊接，系统又拟合一段新的焊缝空间曲线，记为曲线3，如此反复进行，边行走边拟合焊缝空间曲线，直到焊缝末端结束拟合曲线；

S3、TIG非摆动焊焊缝熄弧点控制：

当CCD相机检测激光线发生巨大突变后，会记录该位置，该位置即为焊接边缘，CCD相机拍摄时间间隔为Tp，真正的熄弧点距离焊缝边缘位置距离为Dp；

则：n_p=Dp/（V_焊×Tp）

焊接前输入Dp，系统会自动保存n_p点个数，即在距离焊缝边缘n_p个拍摄点处停止焊枪摆动，使焊枪回归垂直位姿熄弧，同时设定熄弧时间，避免弧坑。

3.一种用于权利要求1所述的基于激光视觉的新型TIG焊装置的摆动焊接方法的基于激光视觉的新型TIG焊装置，其特征在于，整体通过螺栓基座（11）固定在自动化焊接设备上，包括TIG焊枪（4）、导丝装置、自动摆动控制装置、自动送丝驱动装置、激光视觉传感器（10）；所述TIG焊枪（4）通过摆动杆（17）与自动摆动控制装置固定连接，导丝装置通过摆动杆（17）与自动摆动控制装置固定连接，TIG焊枪（4）、导丝装置、摆动杆（17）可实现同步摆动；自动摆动控制装置通过摆动伺服电机固定板（14）固定在自动送丝驱动装置的送丝箱（9）侧壁，激光视觉传感器（10）与送丝箱（9）固定连接；TIG焊枪（4）、导丝装置、自动送丝驱动装置、激光视觉传感器（10）、自动摆动控制装置之间刚性连接；TIG焊枪（4）回归摆动中心时焊枪中轴线、线激光发生器（33）的光轴线、CCD相机（36）的光轴线位于同一个平面。

4.根据权利要求3所述的基于激光视觉的新型TIG焊装置，其特征在于：所述的TIG焊枪（4）为弯柄TIG焊枪；TIG焊枪通过固定TIG焊枪中心管（5）与自动摆动控制装置的摆动杆（17）刚性连接。

5.根据权利要求3所述的基于激光视觉的新型TIG焊装置，其特征在于：所述的导丝装置包括导丝嘴固定板（3）、导丝嘴固定连桥（8）、导丝管（18）、导丝嘴固定自锁机构（19）、导丝嘴（20）、固定卡扣（6），所述导丝装置整体通过固定卡扣（6）与自动摆动控制装置的摆动杆（17）刚性连接，导丝嘴（20）通过导丝嘴固定自锁机构（19）和导丝嘴固定板（3）与导丝管（18）连接，导丝管（18）为柔性管，可实现柔性弯曲，导丝嘴固定自锁机构（19）与导丝嘴固定板（3）连接，位于导丝嘴固定板（3）下部，通过导丝嘴固定自锁机构（19）的螺帽旋紧旋松可手动调节导丝嘴尖端与TIG焊枪钨极尖端的竖直方向距离及水平角度，导丝嘴固定板（3）固定在导丝嘴固定连桥（8）上。

6.根据权利要求3所述的基于激光视觉的新型TIG焊装置，其特征在于：所述的自动摆动控制装置包括摆动伺服电机（7）、固定TIG焊枪中心管（5）、摆动伺服电机固定板（14）、刚性支架（15）、夹紧及限位螺栓（16）、摆动杆（17），所述摆动伺服电机（7）与摆动伺服电机固定板（14）刚性固定，摆动伺服电机固定板（14）固定在自动送丝驱动装置的送丝箱（9）的侧壁，刚性支架（15）与摆动伺服电机固定板（14）焊接，固定TIG焊枪中心管（5）与摆动杆（17）焊接，摆动杆（17）上部精密装配到摆动伺服电机（7）的输出轴，夹紧及限位螺栓（16）紧入摆动杆（17）上部，防止摆动杆脱落。

7.根据权利要求3所述的基于激光视觉的新型TIG焊装置，其特征在于：所述的自动送丝驱动装置采用单轮驱动，包括送丝箱（9）、变速器（12）、驱动伺服电机（13）、U形夹扣（21）、进丝管（22）、从动轮闭合调节旋钮（23）、杠杆支架（24）、主动轮（25）、出丝管（26）、从动轮（27）、从动轮闭合调节限台（28），所述驱动伺服电机（13）通过变速器（12）带动主动轮（25）旋转，在所述送丝箱（9）内，主动轮（25）带动从动轮（27）旋转，杠杆支架（24）一端与从动轮（27）连接，另一端固定在送丝箱（9）上，通过杠杆支架（24）之上的从动轮闭合调节旋钮（23）调节从动轮（27）的上下位置并通过从动轮闭合调节限位台（28）限位，以防止从动轮（27）位置过于偏下，实现与主动轮（25）夹紧焊丝并可控的目的；U形夹扣（21）固定在杠杆支架（24）上，从动轮闭合调节旋钮（23）安装在U形夹扣（21）上并可旋转，旋转从动轮闭合调节旋钮（23）实现从动轮（27）上下移动。

8.根据权利要求3所述的基于激光视觉的新型TIG焊装置，其特征在于：所述的激光视觉传感器（10）包括线激光发生器（33）、CCD相机（36），所述CCD相机（36）、线激光发生器（33）夹在两个定位板（30）之间，并通过定位螺栓（32）固定在激光视觉传感器的壳体上，保证CCD相机（36）光轴线垂直向下，线激光发生器（33）的光轴线与CCD相机（36）的光轴线之间具有夹角。

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