CN112091480A - 用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统及焊接方法，主支撑框架中间设置有主支撑空腔，主支撑框架背面设置有冷却水循环管路，主支撑框架正背面设置有压缩气体吹气管，主支撑框架一端设置有LED光源，LED光源上方设置有透明窗口，内照明系统由金属板材开始卷曲一侧伸入焊缝下方，金属板材的侧面旋转设置有卷板辊子，焊缝上方固定设置有工业相机，焊缝上设置有焊池，焊缝上方设置有移动的焊接头，内照明系统后端固定设置有粗定位柱。本发明可根据所焊接实际材料的辐射光谱情况，选择点亮系统中差异化的LED光源，并在工业相机处配合相应的滤光片使用。

Description

用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统及焊接方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，具体为用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统及焊接方法。

背景技术

直缝金属管材以其优异的性价比广泛应用于自来水、石化、农业以及电力等领域，是工业应用中一种普遍的工程材料。直缝金属管一般由金属板卷曲再焊接而成，因此焊接工序直接影响到直缝管的质量和生产效率。焊接时，金属板卷曲是一个渐进的过程，由于焊接头(焊枪或激光焊接头等)位置固定，因此为了使焊缝恰好处于焊接头正下方就需要在金属板卷曲过程中随着接缝逐渐变小而设置由粗到细数个定位柱，以约束焊缝的空间位置(如图1所示，其工作方式为金属板在牵引力的作用下依次经过各级卷板辊子，逐步成型为符合直径要求的管状。在金属板卷曲过程中，沿途会设置数个尺寸逐步减小的定位柱以保证焊缝最后能够准确地到达焊接头的位置，焊接时会形成焊池。由于板材卷曲拼接后，焊缝宽度很窄，因此最后的定位柱也将随之变得很细，其强度以及定位约束能力将变弱。在实际生产中，管材焊接的速度不能太高，过高的管材行进速度将使管材焊缝滑脱较细的定位柱，造成焊缝偏离、生产中断。如要提高焊接速度，则需取消较细的焊缝定位柱，并增加焊缝自动识别跟踪技术以补偿粗定位柱带来的焊缝空间位置误差，例如采用工业相机实时拍摄的机器视觉技术。目前，使用结构光并结合图像处理是主要的焊缝识别跟踪方法，但该方法依赖于相机对照射到焊接表面的光束图案产生的散射光成像以实现定位，该方法对抛光很好的光滑表面(如镜面不锈钢等，此类表面散射光极弱)效果很差。因此，如何实现一种适用性好的管材焊缝照明方法是直缝管焊接行业中需要解决的问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了直缝管轴向焊缝自动识别的辅助内照明系统，该方法适用于各种材料表面的直缝管焊缝自动识别，具有普适性，尤其是解决了使用结构光方法对极光滑表面的直缝管焊缝识别时，由于管材表面散射光极弱导致的识别效果很差的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：直缝管轴向焊缝自动识别的辅助内照明系统，包括金属板材、卷板辊子、粗定位柱、焊接头、焊池、焊缝、内照明系统、工业相机、滤光片，所述内照明系统包括主支撑框架LED窗口、主支撑空腔、LED光源、冷却水循环管路，压缩气体吹气管，所述主支撑框架中间设置有主支撑空腔，所述主支撑框架背面设置有冷却水循环管路、压缩气体吹气管，所述主支撑框架一端设置有LED窗口、LED光源，所述金属板材为矩形结构，所述金属板材一端为卷曲的形状，所述内照明系统设计为L型，所述内照明系统由金属板材开始卷曲一侧伸入焊缝下方，所述金属板材卷曲的一端上面通过焊接焊缝进行连接，所述金属板材的侧面旋转设置有卷板辊子，所述焊缝上方固定设置有工业相机，所述工业相机的镜头前设置滤光片，根据所焊接实际材料的辐射光谱情况，选择点亮系统中差异化的LED光源，并在工业相机处配合相应的滤光片使用，所述焊缝上设置有焊池，所述焊缝上方设置有移动的焊接头，所述焊接头与外部机械手进行连接，所述内照明系统后端固定设置有粗定位柱。

优选的，所述主支撑框架由金属材料制作为L型。

优选的，所述主支撑框架其内部为中空设计，为排布的光源、控制信号、驱动电路板和走线提供通道，并同时为内部元器件提供良好的电磁屏蔽作用。

优选的，LED光源，由多个LED光源模块排列组成，且每个LED单元中包含多个发光波长峰值不同的LED光源，其波长选择都在工业相机的响应波段内，并可进行独立的开关控制。不同发射波长LED配合工业相机前端对应的滤光片使用。

优选的，所述冷却水循环管路，由金属管(一般为铜管)构成紧密贴合于主支撑框架背面。

优选的，所述压缩气体吹气管，由金属管道构成，置于主体结构上，且出气口位于保护玻璃窗口上方一侧，通入一定压力的压缩气体后可以保证玻璃窗口表面的清洁性和透光性。

优选的，空间中焊缝垂直位置的确定具体为：

当焊缝产生偏离时，焊缝除了在x方向产生位移，同时也会在y方向与顶点处产生一个位移Δy；由于工业相机所拍摄只有平面信息，即x和z两个维度的信息，而y方向的空间位置信息无法直接获取，根据公式(1)来得到焊缝在y方向上的实际偏移；

其中，Δx可由工业相机拍摄图像测量得到，r为管子外半径。

本发明提出了一种直缝管轴向焊缝焊接方法，包括如下步骤：

S1：预处理；

S2：将金属板材通过各级卷板辊子卷成管状；

S3：焊接头复位至初始位置(x0，y0，z0)；

S4：内照明系统打开，根据具体焊接材料焊池发光选择点亮LED光源，打开冷却水循环管路，压缩气体由管道吹气清洁光源表面玻璃保护层；为节约能源考虑，此处压缩气体的清洁性吹气可选择设置为每隔一段时间进行；

S5：根据点亮的LED光源选择合适的滤光片，以使工业相机拍摄图片信噪比最优；

S6：工业相机拍摄焊缝实时图片并传至后端计算机；

S7：由计算机算法根据工业相机所摄图片实时计算出当前焊缝的空间位置信息，并由此得出焊接头应移动到的实际空间坐标(xt，yt，zt)，由控制系统将焊接头移动至正确位置；

S8：进行焊接工序；

S9：开始焊接后，系统根据管子焊接完成情况决定是否继续进行焊接，如继续焊接，则返回S6工序，由工业相机继续进行下一帧图像的采集和实时焊缝判断，并及时将焊缝实际偏移修正量送至控制系统，实时调整焊接头的空间位置，并继续顺序执行S7焊接工序；如焊接完成或其他原因需停止焊接，则进入S10；

S10：焊接工序结束。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了直缝管轴向焊缝自动识别的辅助内照明系统，具备以下有益效果：

本发明提供了一种直缝管轴向内照明系统，通过L形结构将光源送至焊缝下方，并对焊缝进行直接照明，焊缝上方工业相机可以直接对焊缝进行拍摄成像并判断焊缝实际的空间位置，该方法适用于任何焊接材料表面，不会像结构光焊缝识别方法那样因焊接表面极光滑而失效。

不同材料在焊接高温状态时焊池处会辐射不同波段的光能量，有可能对工业相机成像造成严重干扰，因此，在使用本发明的照明系统时，可根据所焊接实际材料的辐射光谱情况，选择点亮系统中差异化的LED光源，并在工业相机处配合相应的滤光片使用。例如焊池处发光黄绿色偏多，则可使用蓝色LED光源进行照明，在工业相机端使用滤光片使蓝色光通过，并阻挡大部分黄绿光，由此可提高工业相机拍摄图像的信噪比，提高整体系统的抗干扰能力。

本发明中，为LED光源上方设置玻璃保护面，避免LED光源受到高温焊渣的破坏，玻璃保护面旁边设置压缩气体吹管，以将玻璃表面不慎掉落的焊渣等异物及时吹开清洁。

本发明提供了一种焊接方法，采用本发明中提供的辅助内照明方式，可以通过工业相机直接对焊缝进行成像拍摄，且成像效果不受焊接表面光滑程度的影响，通过算法可以方便地确定焊缝的实时空间位置，从而及时修正接头对焊缝的空间位置，最终实现直缝管轴向焊缝的快速自动化焊接。

附图说明

图1为背景技术中的常规直缝管焊接方式；

图2为本发明的直缝管轴向焊缝自动识别的辅助内照明系统与直缝管焊接线的配合示意图；

图3为本发明的用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统与直缝管焊接线配合的内部局部结构图；

图4为本发明的用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统的背面结构图；

图5为本发明的用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统的正面结构图；

图6为本发明的用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统的图5的A处放大结构图；

图7为本发明的用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统的LED光源阵列结构图；

图8为本发明的用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统的空间中焊缝空间垂直位置的确定示意图；

图9为本发明的用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统时的基本焊接工序流程。

图中：金属板材201、卷板辊子202、粗定位柱203、焊接头204、焊池205、焊缝206、内照明系统207、工业相机208、滤光片209、主支撑框架301、LED窗口302、LED光源303、主支撑空腔304、冷却水循环管路305、压缩气体吹气管306、波长峰值λ1的LED401、波长峰值λ2的LED 402、波长峰值λ3的LED403、波长峰值λ4的LED404。

具体实施方式

下面将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，都属于本发明保护的范围。

如图2-3所示，用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统，包括金属板材201、卷板辊子202、粗定位柱203、焊接头204、焊池205、焊缝206、内照明系统207、工业相机208、滤光片209，如图4-6所示，所述内照明系统207包括主支撑框架301、LED窗口302、主支撑空腔304、LED光源303、冷却水循环管路305，压缩气体吹气管306、所述主支撑框架301中间设置有主支撑空腔304，所述主支撑框架301背面设置有冷却水循环管路305、压缩气体吹气管306，所述主支撑框架301一端设置有LED窗口302、LED光源303，所述金属板材201为矩形结构，所述金属板材201一端为卷曲的形状，所述内照明系统207设计为L型，所述内照明系统207由金属板材201开始卷曲一侧伸入焊缝下方，所述金属板材201卷曲的一端上面通过焊接焊缝206进行连接，所述金属板材201的侧面旋转设置有卷板辊子202，所述焊缝206的上方固定设置有工业相机208，所述工业相机208的镜头前设置滤光片209，所述焊缝206上在焊接点位置会形成焊池205，所述焊缝206上方设置有移动的焊接头204，所述焊接头204与外部机械手进行连接，所述内照明系统207后端固定设置有粗定位柱203。所述内照明系统为焊缝上方的工业相机208提供照明，使其能够对焊缝进行成像定位。

所述主支撑框架301由金属材料制作为L型。所述主支撑框架301其内部为中空设计，为排布的光源、控制信号、驱动电路板和走线提供通道，并同时为内部元器件提供良好的电磁屏蔽作用。所述卷板辊子对称设置在金属板材201的两边。

直缝管轴向焊缝自动识别的辅助内照明系统，空间中焊缝206垂直位置的确定方法为：

当焊缝206产生偏离时，焊缝206除了在x方向(参照图2与图8所示坐标系)产生位移Δx，同时也会在y方向与顶点处产生一个位移Δy。由于工业相机所拍摄只有平面信息，即x和z两个维度的信息，而y方向的空间位置信息无法直接获取，根据公式(1)来得到焊缝206在y方向上的实际偏移。

其中，Δx可由工业相机拍摄图像测量得到，r为管子外半径。

如图9所示，直缝管轴向焊缝自动识别的辅助内照明系统的基本焊接工序流程如下：

S1：检查系统水、电、气状态，准备开始；

S2：将金属板材通过各级卷板辊子202卷成管状；

S3：焊接头204复位至初始位置(x0，y0，z0)；

S4：内照明系统207打开，根据具体焊接材料焊池205发光特点，选择点亮适合的LED光源303，打开冷却水循环管路305，压缩气体由管道306吹气清洁光源表面玻璃保护层；为节约能源考虑，此处压缩气体的清洁性吹气可选择设置为每隔一段时间进行；这是因为下方照明光源由多个LED单元组成，如图7所示，本发明以四个LED单元组成为例，分别为波长峰值λ1的LED401、波长峰值λ2的LED 402、波长峰值λ3的LED403、波长峰值λ4的LED404；(即每个波长峰值的照射面由多个相同的LED发光组合而成)，玻璃保护面有一些焊渣等异物并不会影响光源对焊缝整体的照明，因此可以选择间隔较长时间进行吹气清洁；

S5：根据点亮的LED光源选择合适的滤光片209，以使工业相机208拍摄图片信噪比最优；

S6：工业相机208拍摄焊缝实时图片并传至后端计算机；

S7：由计算机算法根据工业相机208所摄图片实时计算出当前焊缝206的空间位置信息，并由此得出焊接头204应移动到的实际空间坐标(xt，yt，zt)，由控制系统将焊接头204移动至正确位置；

S8：进行焊接工序，此处焊接工艺可以为激光焊、氩弧焊等多种形式；

S9：开始焊接后，系统可根据管子焊接完成情况决定是否继续进行焊接，如继续焊接，则工业相机208继续进行下一帧图像的采集和实时焊缝206判断，并及时将焊缝206实际偏移修正量送至控制系统，实时调整焊接头204的空间位置，并继续顺序执行S7焊接工序；如焊接完成或其他原因需停止焊接，则进入S9；

S10：焊接工序结束：焊接头204停止工作，工业相机208、控制系统停止工作，关闭LED照明，关闭压缩气体气路，冷却水系统可根据实际温度情况稍后关闭，至此整个工序完毕。

不同材料在焊接高温状态时焊池205处会辐射不同波段的光能量，有可能对工业相机208成像造成严重干扰，因此，在使用本发明的照明系统时，可根据所焊接实际材料的辐射光谱情况，选择点亮系统中差异化的LED光源303，并在工业相机208处配合相应的滤光片209使用。例如焊池处发光黄绿色偏多，则可使用蓝色LED光源进行照明，在工业相机端使用滤光片使蓝色光通过，并阻挡大部分黄绿光，由此可提高工业相机拍摄图像的信噪比，提高整体系统的抗干扰能力。其主体照明光源使用多颗多波段组合LED光源303，照明系统背面设置冷却水循环管路305，为整个系统提供降温功能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统，其特征在于，包括金属板材、卷板辊子、粗定位柱、焊接头、焊池、焊缝、内照明系统、工业相机、滤光片，所述内照明系统包括主支撑框架、LED窗口、主支撑空腔、LED光源、冷却水循环管路，压缩气体吹气管，所述主支撑框架中间设置有主支撑空腔，所述主支撑框架背面设置有冷却水循环管路、压缩气体吹气管，所述主支撑框架一端设置有LED窗口、LED光源，所述金属板材为矩形结构，所述金属板材一端为卷曲的形状，所述内照明系统设计为L型，所述内照明系统由金属板材开始卷曲一侧伸入焊缝下方，所述金属板材卷曲的一端上面通过焊接焊缝进行连接，所述金属板材的侧面旋转设置有卷板辊子，所述焊缝上方固定设置有工业相机，所述工业相机的镜头前设置滤光片，根据所焊接实际材料的辐射光谱情况，选择点亮系统中差异化的LED光源，并在工业相机处配合相应的滤光片使用，所述焊缝上设置有焊池，所述焊缝上方设置有移动的焊接头，所述焊接头与外部机械手进行连接，所述内照明系统后端固定设置有粗定位柱。

2.根据权利要求1所述的用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统，其特征在于，所述主支撑框架由金属材料制作为L型。

3.根据权利要求1所述的用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统，其特征在于，所述主支撑框架其内部为中空设计，为排布的光源、控制信号、驱动电路板和走线提供通道，并同时为内部元器件提供良好的电磁屏蔽作用。

4.根据权利要求1所述的用于直缝管轴向焊缝识别的辅助内照明系统，其特征在于，空间中焊缝垂直位置的确定具体为：

当焊缝产生偏离时，焊缝除了在x方向产生位移Δx，同时也会在y方向与顶点处产生一个位移Δy；由于工业相机所拍摄只有平面信息，即x和z两个维度的信息，而y方向的空间位置信息无法直接获取，根据公式(1)来得到焊缝在y方向上的实际偏移；

其中，Δx可由工业相机拍摄图像测量得到，r为管子外半径。

5.一种使用权利要求1-4任一所述的照明装置的直缝管轴向焊缝焊接方法，其特征在于：

S1：预处理；

S2：将金属板材通过各级卷板辊子卷成管状；

S3：焊接头复位至初始位置(x0，y0，z0)；

S4：内照明系统打开，根据具体焊接材料焊池发光选择点亮LED光源，打开冷却水循环管路，压缩气体由管道吹气清洁光源表面玻璃保护层；压缩气体的清洁性吹气选择设置为每隔一段时间进行；

S5：根据点亮的LED光源选择合适的滤光片；

S6：工业相机拍摄焊缝实时图片并传至后端计算机；

S7：由计算机算法根据工业相机所摄图片实时计算出当前焊缝的空间位置信息，并由此得出焊接头应移动到的实际空间坐标(xt，yt，zt)，由控制系统将焊接头移动至正确位置；

S8：进行焊接工序；

S9：开始焊接后，系统根据管子焊接完成情况决定是否继续进行焊接，如继续焊接，则返回S6工序，由工业相机继续进行下一帧图像的采集和实时焊缝判断，并及时将焊缝实际偏移修正量送至控制系统，实时调整焊接头的空间位置，并继续顺序执行S7焊接工序；如焊接完成或其他原因需停止焊接，则进入S10；

S10：焊接工序结束。

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