CN112809131B - 一种激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊缝跟踪领域，尤其是涉及椭形槽罐的焊缝跟踪领域。本发明公开了一种激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器，其由双目同步扫描视觉系统、激光发射器调整装置、滤光系统转换装置、磁吸换向装置等组成。该椭形槽罐焊缝跟踪传感器可以对激光束发射的角度进行分级微调，所述椭形槽罐焊缝跟踪传感器采用一体化设计、通过信号融合的方式对椭形空间焊缝进行跟踪，在跟踪的同时还可采集焊后表面熔宽及焊缝熔透信息。具有结构紧凑、集成程度高、检测精度高、检测功能丰富、超前误差小等优点。本发明还提出了一种全自动化的椭形槽罐焊接方法，可以提高椭形槽罐焊接的自动化水平，进而提高椭形槽罐焊接的效率。

Description

一种激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器

技术领域

本发明涉及焊缝跟踪领域，是一种激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器。

背景技术

在工程实践中，由于槽罐容器简单有效、方便运输，广泛应用于各行各业。随着重型罐车市场的快速发展，对槽罐容器的需求量越来越大，而槽罐容器的生产环节需要大量焊接工艺。槽罐容器属于大型结构件焊接，其焊接自动化水平低，故而槽罐容器的生产变成了劳动密集型产业需要大量的焊接工人，且工作环境恶劣人力成本高，所以实现槽罐容器焊接自动化是亟需解决的问题。椭形槽罐容器自动化焊接过程，由于罐体结构存在大量的曲率半径变化的复杂空间曲线，因此对椭形槽罐容器的焊缝跟踪提出了新的要求。由于罐体和封头在装配过程中难免存在尺寸变化的间隙，焊接过程中存在焊后变形且激光视觉焊缝跟踪由于超前识别存在超前误差等缺陷，识别这些装配间隙并实时调整焊接工艺成为提高焊缝成型质量的关键。

经过现有文献技术检索发现，申请号为201711060054.7名为“基于复合激光结构光的多功能视觉传感器装置”的中国专利申请文件提供了一种复合激光结构光的多功能视觉传感器装置，该传感器采用十字线激光器和一字线激光器同时进行标定，可以是实现焊枪高度检测、焊接坡口截面尺寸检测、焊缝引导与跟踪、焊接过程实时监控等功能，但是该传感器摄像头和激光发射器在焊接过程中无法实时调整，在对椭形罐体结构等曲率半径变化的复杂空间曲线进行焊缝跟踪时会增大其超前误差及产生视野丢失；该传感器用于机器人焊接，而机器人焊接工艺由于机械手的工作范围及位姿限制并不适用于椭形槽罐等大型结构件焊接；另外，该传感器的滤光片在镜头上，在寻找起焊点需要在自然光条件下拍照时无法自动更换滤光片。邹焱飚在2017年5月第53卷第10期的《机械工程学报》上刊登的“基于概率连续模型的激光视觉焊缝自动跟踪”一文，文中探讨了基于概率连续模型的焊缝跟踪算法，该算法能够有效解决焊接过程中噪声干扰带来的焊缝特征点误识别问题，其算法在跟踪过程中以线性表示模型对观测矢量进行建模并利用仿射变换模型对焊缝运动进行描述，在对曲率半径变化的复杂空间曲线进行跟踪时，线型表示模型对焊缝跟踪的准确性会有一定的影响，其激光条纹与焊接熔池的距离固定，对椭形焊缝跟踪时会影响跟踪的实时性。现有技术公开了适用移动自主焊接机器人的复合功能双目视觉传感器及焊接机器人伺服双目视觉传感器，这两个专利分别采用电机旋转机构带动减光滤光系统旋转及气缸推动滤光片移动实现自动加载或移开减光滤光系统的功能，但是由于电机旋转结构复杂和气缸需要外加气动系统并不适用于爬行焊接机器人进行焊缝跟踪。

为了解决上述技术问题及提高罐体容器焊接的自动化水平及焊接质量，本发明提出一种用于爬行焊接机器人的激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器，可以有效地提高罐体容器焊接的自动化水平。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为解决椭形槽罐的自动化焊接问题，本发明提出一种用于爬行焊接机器人的激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器，所述的椭形槽罐焊缝跟踪传感器装置结构紧凑、集成程度高、检测功能丰富、超前误差小。

本发明实施例是针对椭形槽罐焊缝跟踪采用一体化设计而成的，采用一体化设计是为了考虑互换性方便和使传感器结构紧凑，针对不同曲率半径的椭形槽罐采用不同结构爬行机器人时传感器可以整体互换。另外，焊枪和传感器整体调节可以防止视野丢失，在焊枪处于任意位姿时仍可以不受镜头畸变的影响采集准确的焊缝信息。

本发明采用如下技术方案：

根据本发明实施例的一种激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器，所述的激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器装置包括：焊枪，所述的焊枪与激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器固连；还包括双目同步扫描视觉系统、激光发射器调整装置、滤光系统转换装置、伺服电机、双向同步编码器、磁吸换向装置、换向齿轮、同步带传动系统、内空心轴、外空心轴、六个轴承、传感器箱体、箱体玻璃及端盖，其连接关系为：双目同步扫描视觉系统、伺服电机、磁吸装置与箱体固连，双向同步编码器与伺服电机输出轴连接，内空心轴与外空心轴之间设置两个轴承，外空心轴通过一对轴承与箱体内壁连接，外空心轴通过两个同步带传动系统将动力传递到两个滤光系统转换装置，内空心轴通过同步带传动系统将动力传递到激光发射调整装置。

焊接过程中的信号融合是由双目同步扫描视觉系统完成的，信号融合的目的是为了充分考虑不同罐体材料使用不同的焊接参数产生的形变不同和焊接过程中噪声干扰带来的焊缝特征点误识别误差对焊缝跟踪的影响。

所述的双目同步扫描视觉系统包括一个工业广角镜头、一个近红外摄像机及数据处理系统，其中前后布置的工业广角镜头和近红外摄像机通过数据线并联将数据传输至数据处理系统，数据处理系统通过加权平均算法将前置视觉坐标信息、前后拟合得到的焊后偏移误差及根据概率连续模型预测的修正误差进行数据融合从而得到类焊缝轨迹，近红外摄像机还可对焊后焊缝表面进行图像采集从而得到熔宽及焊缝熔透信息，前摄工业广角镜头拍摄焊缝的信息经数据处理系统处理后还可对激光束发射的角度及焊枪位姿进行反馈调节。

所述的激光发射器调整装置包括大带轮轴、发射器支架、两面反射镜及激光发射器，发射器支架分别与大带轮轴和激光发射器固连，内空心轴通过同步带传动系统带动大带轮轴转动，大带轮轴带动激光发射器转动对激光束发射的角度进行分级微调，激光束照射在两面反射镜上时分别发生透射和折射，可以实现单激光发生器发出多线激光束；在利用视觉传感器对椭形罐体结构等曲率半径变化的复杂空间曲线进行焊缝跟踪时，激光束照射的位置会随曲率半径变化发生前后移动，当激光束向焊枪方向移动时，由于弧光和焊渣飞溅的影响使相机提取的图像效果变差，当激光束向焊枪反方向移动时，由于超前距离的增加会产生超前误差的增大而降低焊缝跟踪精度，对激光束发射的角度进行微调的目的在于减小激光束的超前距离及保持其恒定。

所述的磁吸换向装置包括磁吸装置、滑移齿轮、衔铁及弹簧，衔铁与滑移齿轮固连，滑移齿轮通过弹簧与磁吸装置连接，在寻找起焊点时，磁吸装置通电并吸引衔铁，衔铁带动滑移齿轮滑动并与外空心轴齿轮进行啮合，在焊接时，磁吸装置失电，通过弹簧伸长带动滑移齿轮滑动并与内空心轴齿轮进行啮合，磁吸换向装置可以实现激光发射器调整装置和滤光系统转换装置之间的动力切换，达到单伺服电机驱动两套调整装置的目的，简化了传感器的结构。

所述的滤光系统转换装置包括滤光玻璃及曲柄滑块机构，所述的滤光玻璃上有供激光束通过的通槽，滤光玻璃在寻找起焊点时通过曲柄转动带动滤光玻璃处于倾斜状态从而提高工业广角镜头和近红外摄像仪的图像识别能力，滤光玻璃在焊接时处于水平状态滤除弧光影响。

所述的双向同步编码器与伺服电机输出轴连接，双向同步编码器用于记录伺服电机输出轴旋转的角度控制伺服电机精确旋转，进而实现激光发射器的精确微调和滤光系统的精确转换。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明通过对激光束发射角度进行实时反馈分级微调，可以有效控制激光束的超前距离，降低超前误差；通过加权平均算法将前置视觉坐标信息、前后拟合得到的焊后偏移误差及根据概率连续模型预测的修正误差进行数据融合从而提高焊缝跟踪精度；通过对传感器的结构和传动系统进行优化设计使传感器结构紧凑、集成程度高；传感器在进行焊缝跟踪的同时还可对焊后焊缝表面进行图像采集得到熔宽及焊缝熔透信息，检测功能丰富。本发明还提出了一种全自动化的椭形槽罐焊接方法，可以提高椭形槽罐焊接的自动化水平，进而提高椭形槽罐焊接的效率。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是椭形槽罐焊缝跟踪传感器寻找起焊点并引弧工作流程图。

图2是椭形槽罐焊缝跟踪传感器进行焊缝跟踪工作流程图。

图3是激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器结构示意图。

图4是椭形槽罐焊缝跟踪传感器应用于焊接过程示意图。

图5是椭形槽罐焊缝跟踪传感器磁吸换向装置原理图。

图6是基于激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器焊缝跟踪的机械图。

附图标记：

1：焊枪；2：近红外摄像机；3：箱体玻璃；4：曲柄滑块机构；5：传感器箱体；6：同步带传动系统；7：端盖；8：伺服电机；9：激光发射器；10：发射器支架；11:大带轮轴；12：工业广角镜头；13:两面反射镜；14：换向齿轮；15：滤光玻璃；16:防溅挡板；17：双向同步编码器；18：滑移齿轮；19：衔铁；20：弹簧；21：磁吸装置；22：内空心轴；23：外空心轴；24：曲柄轴。

具体实施方式

为了更好地表达整个发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施案例对本发明做进一步详细说明。本发明的实施方式不限于此。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“固连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是规定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

在本实施例中，本发明提供了一种激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器，包括焊枪、双目同步扫描视觉系统、激光发射器调整装置、滤光系统转换装置、伺服电机、双向同步编码器、磁吸换向装置、换向齿轮、同步带传动系统、内空心轴、外空心轴、六个轴承、传感器箱体、箱体玻璃及端盖。

需要说明的是，本传感器是针对椭形槽罐焊缝跟踪一体化设计的，所述的传感器还可用于其他的曲率半径变化的复杂空间曲线的焊缝跟踪。

优选的实施方式为，激光发射器调整装置包括大带轮轴、发射器支架、两面反射镜及激光发射器，利用两面反射镜的透射和折射可以实现单激光发射器发射多线激光。

需要说明的是，激光发射器调整装置可以根据焊件的结构尺寸选择不同的反射镜和反射镜的布置方式。

优选的实施方式为，滤光系统转换装置滤光玻璃及曲柄滑块机构，通过曲柄滑块机构可以实现滤光玻璃的状态切换。

优选的实施方式为，磁吸换向装置包括磁吸装置、滑移齿轮、衔铁及弹簧；衔铁与滑移齿轮固连，滑移齿轮通过弹簧与磁吸装置连接。

一种椭形槽罐的焊缝跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将爬行焊接机器人吸附在椭形槽罐焊缝的附近

S2.寻找起焊点并引弧；

S3.椭形槽罐焊缝跟踪；

S4.激光束发射的角度及焊枪位姿的反馈调节；

S5.完成焊接。

更具体的步骤如下：

1.将爬行焊接机器人吸附在椭形槽罐焊缝的附近时开始进行焊接，此时磁吸装置通电并吸引衔铁，衔铁带动滑移齿轮滑动并与外空心轴齿轮进行啮合，伺服电机开始转动通过传动系统带动滤光系统转换装置的曲柄滑块机构的曲柄转动，双向同步编码器记录伺服电机输出轴旋转的角度，曲柄转动带动滤光玻璃处于倾斜状态；

2.工业广角镜头透过箱体玻璃直接拍摄焊缝图像，经过数据处理系统识别焊缝轨迹并确定起焊点；

3.确定起焊点后伺服电机反向转动通过传动系统带动曲柄反向转动，双向同步编码器记录伺服电机输出轴反向旋转的角度，曲柄转动带动滤光玻璃处于水平状态并开始引弧；

4.引弧完成后磁吸装置失电，通过弹簧伸长带动滑移齿轮滑动并与内空心轴齿轮进行啮合，此时伺服电机用于控制激光发射器调整装置的微调；

5.在焊接过程中，工业广角镜头通过滤光玻璃拍摄焊缝信息，通过两条标定的红外线的形状提取焊缝信息，提取的焊缝信息经数据处理系统处理后用于计算类焊缝轨迹和对激光束发射的角度及焊枪位姿进行反馈调节；

6.近红外摄像机直接拍摄熔池和已焊完的焊缝，通过图像处理分析灰度分布，推测焊缝中心偏差信息，另外近红外摄像机还可对焊后焊缝表面进行图像采集从而得到熔宽及焊缝熔透信息；

7.前后布置的工业广角镜头和近红外摄像机通过数据线并联将数据传输至数据处理系统，数据处理系统通过加权平均算法将前置视觉坐标信息、前后拟合得到的焊后偏移误差及根据概率连续模型预测的修正误差进行数据融合从而得到类焊缝轨迹；

8.根据数据处理系统提取的焊缝信息实现激光束发射的角度的分级调节和焊枪位姿的反馈调节。

下面参考图4、图6描述本实施例的一种激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器用于椭形槽罐焊缝跟踪的类焊缝轨迹计算示例。

图6所示的参数及其含义如下所示：

f₁：工业广角镜头的焦距；

f₂：近红外摄像机的焦距；

D₀：工业广角镜头光轴与焊枪的中心轴线的距离；

D₁：两面反射镜间的距离；

D₂：近红外摄像机的镜头中心与焊枪轴线的距离；

α：激光发射器的轴线与焊枪的中心轴线的距离；

β：发射镜与焊枪的中心轴线的距离；

θ：近红外摄像机的光轴与焊枪的中心轴线的距离；

如图6所示，通过焊枪位姿反馈调节焊枪的中心轴线与被焊点的切线垂直，工业广角像坐标平面为OXY平面，近红外摄像机像坐标平面为O′X′Y′平面；原点O为工业广角镜头光轴与OXY平面的交点，工业广角镜头的焦点到像坐标平面OXY的距离为焦距f₁；原点O′为近红外摄像机光轴与O′X′Y′平面的交点，近红外摄像机的焦点到像坐标平面O′X′Y′的距离为焦距f₂。

根据成像原理及三角测距法，可以确定图6中特征点1至9的像坐标分别为点1(x₁,y₁)、点2(x₂,y₂)、点3(x₃,y₃)、点4(x₄,y₄)、点5(x₅,y₅)、点6(x₆,y₆)、点7(x′₇,y′₇)、点8(x′₈,y′₈)、点9(x′₉,y′₉)。

取激光束实际的超前距离为M＝(D₀+(x₁+x₃)/2)，设定最大超前距离为M_max、标准超前距离为D₀和最小超前距离为M_min，则超期距离的调节范围为δ＝|M_max-M_min|，将调节范围均分为四个区间，超前距离分别为：M₁＝M_min、M₂＝M_min+δ/4、M₃＝D₀、M₄＝D₀+δ/4、M₅＝M_max；根据|(x₁+x₃)/2|的值调节激光束发射的角度α，并记录α的值为α_t。

将像坐标平面O′X′Y′的点7、点8、点9的像坐标转化成像坐标平面OXY的像坐标(x₇,y₇)、(x₈,y₈)、(x₉,y₉)，其中:

x₇＝x′₇·cosθ,y₇＝,y′₇

x₈＝x′₈·cosθ,y₈＝,y′₈

x₉＝x′₉·cosθ,y₉＝,y′₉

建立描述焊缝特征点坐标变化的模型z_t＝(x_t,y_t,α_t)，其中各元素分别代表点5在像平面为OXY的坐标及激光束发射的角度等变换，取图像采样频率为20K，根据上一时刻焊缝的状态信息z_t-1，使用服从高斯分布的运动模型p(z_t|z_t-1)＝N(z_t；z_t-1,Ψ)进行粒子滤波来预测候选状态，并存储所有状态时的图像特征值用于下一步计算，模型中Ψ为对角协方差矩阵，其元素对应仿射变换参数的方差。

利用直至t时刻的所有坐标值x_1:t＝{x₁,x₂,…,x_t}对预测候选状态进行修正，计算后验概率p(z_t|x_1:t)

根据最大后验概率准则可获得p(z_t|x_1:t)最大时的隐藏状态变量z_t，即为当前时刻的最佳位置状态估计

根据概率连续模型预测的t时刻的焊接点的位置为

其中t₁为传感器移动一个超前距离D₀的时间。

t时刻焊接点的前置视觉坐标为t-t₁时刻点5和点6的坐标值(x₅,y₅)、(x₆,y₆)。

利用t时刻点5至9在像坐标平面OXY的坐标值进行前后的算法拟合可得到t时刻焊接点的拟合坐标(x_n,y_n)。

前后拟合得到的焊后偏移误差：

根据概率连续模型预测的修正误差:

t时刻的焊接点的类焊缝轨迹在OXY平面坐标：

横坐标：X＝ξ_x(x₅+x₆)/2+λ_xΔx_n+μ_xΔx_σ；

纵坐标：Y＝ξ_y(y₅+y₆)/2+λ_yΔy_n+μ_yΔy_σ；

其中ξ_x、λ_x、μ_x、ξ_y、λ_y、μ_y为权重系数，随不同罐体材料、焊接参数及罐体结构尺寸变化。

Claims (2)

1.一种激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器，用于椭形槽罐的焊缝跟踪，其特征在于：

该传感器包括：焊枪，所述的焊枪与激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器固连；还包括双目同步扫描视觉系统、激光发射器调整装置、滤光系统转换装置、伺服电机、双向同步编码器、磁吸换向装置、换向齿轮、同步带传动系统、内空心轴、外空心轴、六个轴承、传感器箱体、箱体玻璃及端盖，其连接关系为：双目同步扫描视觉系统、伺服电机、磁吸换向装置与箱体固连，双向同步编码器与伺服电机输出轴连接，内空心轴与外空心轴之间设置两个轴承，外空心轴通过一对轴承与箱体内壁连接，外空心轴通过两个同步带传动系统将动力传递到两个滤光系统转换装置，内空心轴通过同步带传动系统将动力传递到激光发射调整装置；

所述的双目同步扫描视觉系统包括一个工业广角镜头、一个近红外摄像机及数据处理系统，其中所述的工业广角镜头和近红外摄像机分别布置在焊枪的前后两侧；工业广角镜头透过箱体玻璃直接拍摄焊缝图像，经过数据处理系统识别焊缝轨迹并确定起焊点，在焊接过程中，工业广角镜头提取焊缝信息；所述的近红外摄像机直接拍摄熔池和已焊完的焊缝，通过图像处理分析灰度分布，推测焊缝中心偏差信息，另外近红外摄像机还对焊后焊缝表面进行图像采集从而得到熔宽及焊缝熔透信息，前后布置的工业广角镜头和近红外摄像机通过数据线并联将数据传输至数据处理系统；

所述的激光发射器调整装置包括大带轮轴、发射器支架、两面反射镜及激光发射器，发射器支架分别与大带轮轴和激光发射器固连，内空心轴通过同步带传动系统带动大带轮轴转动，大带轮轴带动激光发射器转动对激光束发射的角度进行分级微调，激光束照射在两面反射镜上时分别发生透射和折射，可以实现单激光发生器发出多线激光束；

所述的磁吸换向装置可以实现激光发射器调整装置和滤光系统转换装置之间的动力切换；

所述的数据处理系统通过加权平均算法将前置视觉坐标信息、前后拟合得到的焊后偏移误差及根据概率连续模型预测的修正误差进行数据融合从而得到类焊缝轨迹；

根据数据处理系统提取的焊缝信息实现激光束发射的角度的分级调节和焊枪位姿的反馈调节，有效控制激光束的超前距离，降低超前误差。

2.根据权利要求1所述的激光可调式椭形槽罐焊缝跟踪传感器，其特征在于：所述的磁吸换向装置包括磁吸装置、滑移齿轮、衔铁及弹簧，衔铁与滑移齿轮固连，滑移齿轮通过弹簧与磁吸装置连接，在寻找起焊点时，磁吸装置通电并吸引衔铁，衔铁带动滑移齿轮滑动并与外空心轴齿轮进行啮合，在焊接时，磁吸装置失电，通过弹簧伸长带动滑移齿轮滑动并与内空心轴齿轮进行啮合，伺服电机开始转动通过传动系统带动滤光系统转换装置的曲柄滑块机构曲柄转动。

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