CN112958958B - 一种mems微镜面扫描与线扫描混合的激光焊缝扫描装置及扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS微镜面扫描与线扫描混合的激光焊缝扫描装置及扫描方法，该装置包含激光投射单元和图像接收单元；所述图像接收单元由间隔一定距离的若干个相机组成；所述激光投射单元包括一组半导体激光器、一字线光束整形聚焦透镜和单轴MEMS微镜；MEMS微镜和半导体激光器由一个外部电路板驱动控制。该装置利用了单轴MEMS微镜静态和振动两种模式，在一套相机和驱动电路配合下实现线激光扫描和结构光面扫描两种功能。该装置结构紧凑小巧可以装在机器人手臂末端。

Description

一种MEMS微镜面扫描与线扫描混合的激光焊缝扫描装置及扫 描方法

技术领域

本发明涉及机器人视觉领域，涉及一种机器人视觉焊缝提取装置和方法，特别是涉及一种MEMS微镜面扫描与线扫描混合的激光焊缝扫描装置与方法。

背景技术

随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，自动焊接机器人,从60年代开始用于生产以来，得到越来越广泛的应用，利用机器人进行焊接主要有以下优点：

1)稳定和提高焊接质量

2)提高劳动生产率；

3)改善工人劳动强度，可在有害环境下工作；

4)降低了对工人操作技术的要求；

轨迹编程示教是焊接机器人引导的一个必要环节，但由于现实工件的焊缝往往不够规则，位置与设计模型偏差较大，导致编程示教的难度较大，耗时也较长。为了减少编程时间以及实现对不规则焊缝的识别，利用视觉测量方法对焊接机器人引导得到越来越多的重视。常见的视觉引导方法包括被动视觉法和激光焊缝跟踪法。被动视觉用摄像机拍摄焊缝图，对二维图片进行图像处理来提取焊缝平面轨迹，其特点是设备简单，缺点是精度较差，缺乏三维信息，对复杂的焊缝不适用。激光焊缝跟踪方法是基于激光三角测距原理，投射线激光到焊缝表面，摄像机从另一个角度来拍摄激光图案，计算机提取图案中的截面轮廓，求轮廓特征点，再对多个位置的特征点进行连接得到焊缝轨迹。该方法的优点是精度高，缺点有如下几个方面：

1)需要事先机器人示教编程实现大致的路径规划，做好焊缝位置对准，

2)只适合直线焊缝和圆形焊缝的提取

3)每次只能采集工件一个轮廓，无法对工件整体形状进行扫描分析，适应不了复杂焊缝轨迹的提取，如空间自由曲线、圆柱与平面交线、圆柱与圆柱交线。

另一方面，结构光投影面扫描三维测量技术也日益成熟，其原理是将带有编码的散斑或光栅图案投影到被测物体表面，由相机拍摄经被测物体表面调制的变形图案，再进一步解调得到三维信息，最后经过标定得到物体表面的三维形貌。这种技术的优点是一次可以扫描物体整个区域的点云，具有形状三维重建的功能，可以对复杂形体的特征进行分析。但是对于焊接场景，该装置的体积较大，不便安装，因此在焊接机器人焊缝轨迹提取上应用较少。

综上所述，这些问题阻碍了视觉技术在焊接机器人领域的进一步应用，从而影响了焊接机器人的进一步普及。为此，迫切需要发明一种可以结合激光线扫描和结构光面扫描优点的装置和技术来突破现有瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于克服上述焊接机器人现有焊缝轨迹视觉提取技术的缺点，提出一种MEMS微镜面扫描与线扫描混合的激光焊缝扫描装置与方法。该装置利用了单轴MEMS微镜静态和振动两种模式，在一套相机和驱动电路配合下实现线激光扫描和结构光面扫描两种功能。该装置结构紧凑小巧可以装在机器人手臂末端。同时，本文还提出了针对不同类型的复杂焊缝轨迹进行自动扫描和轨迹提取的具体方法和步骤。该发明有效的节省了焊接机器人编程示教时间，保证了轨迹提取精度。

本发明采取的技术方案为：

一种MEMS微镜面扫描与线扫描混合的激光焊缝扫描装置与方法,扫描装置装在机器人手臂末端，该装置包含1个激光投射单元和1个图像接收单元组成，图像接收单元由1个相机或2个间隔一定距离的相机组成；激光投射单元包括一组半导体激光器、一字线光束整形聚焦透镜、单轴MEMS微镜；MEMS微镜和半导体激光器由一个外部电路板驱动控制，装置工作时执行如下两种扫描方式：

第一种，线扫描方式：

步骤一：电路板输出直流电压给MEMS微镜，控制MEMS微镜在平衡位置保持静止；电路板输出另一路驱动信号给激光器，激光器光强保持恒定；

步骤二：激光器发射的点激光经过一字线光束整形聚焦透镜后入射到MEMS微镜表面，经微镜反射到被成像的物体表面，形成线激光图案；

步骤三：电路板输出同步触发信号给相机，相机接受触发信号完成一幅线激光图案的拍摄；

步骤四：拍摄的图案送到计算机中进行计算，利用激光三角法成像原理得到物体的三维信息。

第二种，面扫描方式：

步骤一：电路板输出周期正弦、方波或三角波信号给MEMS微镜，驱动MEMS微镜在共振频率附近振动；电路板输出另一路驱动信号给激光器，激光器光强在驱动信号调制下形成亮度变化；

步骤二：激光器发射的点激光经过一字线光束整形聚焦透镜入射到MEMS微镜表面，经微镜反射到被成像的物体表面形成光栅图案；

步骤三：电路板输出同步触发信号给相机，相机接受触发信号完成多幅光栅图案的拍摄；

步骤五：拍摄的图案送到计算机中进行计算，利用相移法成像原理得到物体的三维信息；

利用上述装置在扫描焊缝轨迹的方法如下：

第一种情况，当焊缝轨迹是平面与平面的交线时，采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

1)将机器人手臂末端运动至待焊接工件附近；

2)扫描装置用线激光扫描方式对直线焊缝附近区域进行扫描，得到高精度的点坐标序列，拟合直线作为的焊缝轨迹

第二种情况，当焊缝轨迹是圆柱体与平面的截交线时，采用如下的步骤进行焊缝轨迹提取

1)将机器人手臂末端运动至待焊接工件附近；

2)扫描装置采用面扫描方式扫描焊缝附近一定区域上的三维点云，将点云用平面和圆柱面拟合，利用拟合表面求截交线的方法提取交线，作为焊缝轨迹。

第三种情况，当焊缝轨迹是圆柱体与圆柱的相贯线时，采用如下的步骤进行焊缝轨迹提取

1)将机器人手臂末端运动至待焊接工件附近；

2)扫描装置采用面扫描方式扫描焊缝附近一定区域上的三维点云，将点云用圆柱面拟合，利用圆柱表面求相贯线的方法提取交线，作为焊缝轨迹。

第四种情况，当焊缝轨迹是空间自由曲线时，采用如下的步骤进行焊缝轨迹提取：

1)将机器人手臂末端运动至待焊接工件附近；

2)扫描装置采用面扫描方式扫描焊缝附近区域的三维点云，将点云用样条曲面拟合，计算曲面之间的交线，作为焊缝轨迹。

上述装置中，MEMS微镜驱动方式包括静电驱动、电磁驱动、电热驱动三种方式，一字线光束整形聚焦透镜是一种鲍威尔棱镜，半导体激光器的波长范围在400-1000nm之间。

有益效果

本发明将焊缝的线激光扫描和面扫描用同一套硬件装置实现，没有附加成本。两种扫描方式互相配合。针对常见的三种类型的焊缝，该方法可以快速实现焊缝轨迹的提取，摆脱了对机器人编程示教的依赖，使焊接机器人的现场应用更加智能、更加方便。

附图说明

图1是一种MEMS微镜面扫描与线扫描混合的激光焊缝扫描装置示意图；

图2是两个面相交的直线焊缝扫描示意图；

图3是三个面相交的直线焊缝扫描示意图；

图4是圆柱与平面截交线焊缝扫描示意图；

图5是圆柱与圆柱相贯线焊缝扫描示意图；

图6是平面与曲面自由交线焊缝扫描示意图；

其中：A为激光投射器，B为图像接收器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步描述：

参见图1,本文提供一种MEMS微镜面扫描与线扫描混合的激光焊缝扫描装置，包含激光投射器A(A1)和图像接收器B组成，B由一个相机(B2)和间隔一定距离另一个相机(B3)组成；A由1个半导体激光器(a)、一字线光束整形聚焦透镜(b)、单轴MEMS微镜(c)；一字线光束整形聚焦透镜选用鲍威尔棱镜，单轴MEMS微镜选用静电驱动的微镜；MEMS微镜和半导体激光器由一个外部电路板驱动控制，装置工作时执行如下两种扫描方式：

第一种，线扫描方式：

步骤一：电路板输出直流电压给MEMS微镜，控制MEMS微镜在平衡位置保持静止；电路板输出另一路驱动信号给激光器，激光器光强保持恒定；

步骤二：激光器发射的点激光经过一字线光束整形聚焦透镜后入射到MEMS微镜表面，经微镜反射到被成像的物体表面，形成线激光图案；

步骤三：电路板输出同步触发信号给相机，相机接受触发信号完成一幅线激光图案的拍摄；

步骤四：拍摄的图案送到计算机中进行计算，利用激光三角法成像原理得到物体的三维信息。

第二种，面扫描方式：

步骤一：电路板输出周期正弦、方波或三角波信号给MEMS微镜，驱动MEMS微镜在共振频率附近振动；电路板输出另一路驱动信号给激光器，激光器光强在驱动信号调制下形成亮度变化；

步骤二：激光器发射的点激光经过一字线光束整形聚焦透镜入射到MEMS微镜表面，经微镜反射到被成像的物体表面形成光栅图案；

步骤三：电路板输出同步触发信号给相机，相机接受触发信号完成多幅光栅图案的拍摄；

步骤五：拍摄的图案送到计算机中进行计算，利用相移法成像原理得到物体的三维信息；

利用上述装置在扫描焊缝轨迹的方法如下：

第一种情况，参见图2和图3，当焊缝(5)轨迹是平面与平面的交线时，采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

1)将机器人手臂(1)末端和焊枪(3)运动至待焊接工件(4)

附近；

2)测头(2)采用面扫描方式对工件表面三维形状进行扫描，得到工件表面三维点云；

3)将点云用平面方程拟合，利用平面与平面求交线的方法提取交线，作为焊缝轨迹

第二种情况，参见图4，当焊缝(5)轨迹是圆柱体与平面的截交线时，采用如下的步骤进行焊缝轨迹提取

1)将机器人手臂(1)末端和焊枪(3)运动至待焊接工件(4)

附近；

2)测头(2)采用面扫描方式扫描焊缝附近一定区域上的三维点云，将点云用平面和圆柱面拟合，利用拟合表面求截交线的方法提取交线，作为焊缝轨迹

第三种情况，参见图5，当焊缝(5)轨迹是圆柱体与圆柱的相贯线时，采用如下的步骤进行焊缝轨迹提取

1)将机器人手臂(1)末端和焊枪(3)运动至待焊接工件(4)

附近；

2)测头(2)采用面扫描方式扫描焊缝附近一定区域上的三维点云，将点云用圆柱面拟合，利用圆柱表面求相贯线的方法提取交线，作为焊缝轨迹。

Claims (7)

1.基于单轴MEMS微镜面扫描与线扫描混合的激光焊缝扫描装置的扫描方法,其特征在于:

该装置包含激光投射单元和图像接收单元；所述图像接收单元由间隔一定距离的若干个相机组成；所述激光投射单元包括一组半导体激光器、一字线光束整形聚焦透镜和单轴MEMS微镜；单轴MEMS微镜和半导体激光器由一个外部电路板驱动控制；所述单轴MEMS微镜驱动方式包括静电驱动、电磁驱动、电热驱动三种方式；

所述扫描方法为线扫描，按照如下步骤：

步骤一：电路板输出直流电压给单轴MEMS微镜，控制单轴MEMS微镜在平衡位置保持静止；电路板输出另一路驱动信号给激光器，激光器光强保持恒定；

步骤二：激光器发射的点激光经过一字线光束整形聚焦透镜后入射到单轴MEMS微镜表面，经单轴MEMS微镜反射到被成像的物体表面，形成线激光图案；

步骤三：电路板输出同步触发信号给相机，相机接受触发信号完成一幅线激光图案的拍摄；

步骤四：拍摄的图案送到计算机中进行计算，利用激光三角法成像原理得到物体的三维信息；

所述扫描方法为面扫描，按照如下步骤：

步骤一：电路板输出周期正弦、方波或三角波信号给单轴MEMS微镜，驱动单轴MEMS微镜在共振频率附近振动；电路板输出另一路驱动信号给激光器，激光器光强在驱动信号调制下形成亮度变化；

步骤二：激光器发射的点激光经过一字线光束整形聚焦透镜入射到单轴MEMS微镜表面，经单轴MEMS微镜反射到被成像的物体表面形成光栅图案；

步骤三：电路板输出同步触发信号给相机，相机接受触发信号完成多幅光栅图案的拍摄；

步骤四：拍摄的图案送到计算机中进行计算，利用相移法成像原理得到物体的三维信息。

2.基于权利要求1所述激光焊缝扫描装置的扫描方法，其特征在于：所述一字线光束整形聚焦透镜是一种鲍威尔棱镜。

3.基于权利要求1所述激光焊缝扫描装置的扫描方法，其特征在于：所述半导体激光器的波长范围在400-1000nm之间。

4.基于权利要求1所述激光焊缝扫描装置的扫描方法，其特征在于，当焊缝轨迹是平面与平面的交线时，采用如下焊缝轨迹扫描提取步骤：

1)将机器人手臂末端运动至待焊接工件附近；

2)采用面扫描方式对工件表面三维形状进行扫描，得到工件表面三维点云；

3)将点云用平面方程拟合，利用平面与平面求交线的方法提取交线，作为焊缝轨迹。

5.基于权利要求1所述激光焊缝扫描装置的扫描方法，其特征在于，当焊缝轨迹是圆柱体与平面的截交线时，采用如下的步骤进行焊缝轨迹提取：

1)将机器人手臂末端运动至待焊接工件附近；

2)采用面扫描方式扫描焊缝附近一定区域上的三维点云，将点云用平面和圆柱面拟合，利用拟合表面求截交线的方法提取交线，作为焊缝轨迹。

6.基于权利要求1所述激光焊缝扫描装置的扫描方法，其特征在于，当焊缝轨迹是圆柱体与圆柱的相贯线时，采用如下的步骤进行焊缝轨迹提取：

1)将机器人手臂末端运动至待焊接工件附近；

2)采用面扫描方式扫描焊缝附近一定区域上的三维点云，将点云用圆柱面拟合，利用圆柱表面求相贯线的方法提取交线，作为焊缝轨迹。

7.基于权利要求1所述激光焊缝扫描装置的扫描方法，其特征在于，当焊缝轨迹是空间自由曲线时，采用如下的步骤进行焊缝轨迹提取：

1)将机器人手臂末端运动至待焊接工件附近；

2)扫描装置采用面扫描方式扫描焊缝附近区域的三维点云，将点云用样条曲面拟合，计算曲面之间的交线，作为焊缝轨迹。

Images