CN114266828A - 一种激光焊接系统及激光焊点位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接系统及激光焊点位置确定方法，属于激光焊接领域。系统包括激光器输出头、焊接枪、反射镜和焊点确定装置；激光器输出头产生的焊接激光经由反射镜反射后通过焊接枪进行输出；焊点确定装置包括相位板、相机以及与相机通信连接的上位机；反射镜还用于将焊接激光经待焊工件反射后形成的回返光反射到相位板上，相机用于采集回返光经相位板后的实时图像；上位机用于从数据库中匹配与实时图像最接近的预存图像，并通过查表确定与预存图像对应的焊接点的位置为相机采集到实时图像的时刻下焊接激光在待焊工件上形成的焊点的位置。本发明通过简单的结构设计，能够以低成本的方式精确获得激光焊接点的位置。

Description

一种激光焊接系统及激光焊点位置确定方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，特别涉及一种激光焊接系统及激光焊点位置确定方法。

背景技术

在激光焊接应用中，精确测定焊接点与激光聚焦点的距离对提高焊接质量、保证激光焊接安全至关重要。在实际工作中，焊接点与激光聚焦点的距离通常由焊接点到激光焊接枪的位置关系来表征。

目前主要的精确测定焊接点到焊接枪的位置的方法有：激光测距仪、微波测距仪、机械式测距仪、调高仪等。这些方法在用于激光焊接应用中都有各自的短板：

1、常规的激光测距仪是利用一束激光束进行测距，通过计算激光束的出射和回返光之间的角度差来确定距离。但是该方式存在两个主要问题：第一、出射光与回返光必须有一定角度，因此无法跟焊接激光保持同轴，需要额外的位置安装；第二、焊接时的弧光对测量造成很大影响，需要做很仔细的滤波和抗干扰，结构复杂，成本高。

2、常规的微波测距仪，由于微波的波长在mm级，测量精度在cm级，对激光焊接来说，精度不够。

3、常规的机械式测距仪，由于焊接点温度高(通常在2000℃以上)，机械式的接触点容易损伤，大多数情况下，无法使用。

4、在激光切割中，应用广泛的调高仪，测量精度可以达到，但是测量范围不宜超过5mm，也无法使用在焊接中。

因此，开发一种精确、简单的、焊接专用的测距技术方案，以此来解决激光焊接应用中焊接点位置测定以及基于焊接点位置进行控制的问题有十分重要的价值。

发明内容

针对现有技术存在的激光焊接应用中难以精确、低成本地测量焊接点位置的问题，本发明的目的在于提供一种激光焊接系统及激光焊接点位置确定方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种激光焊接系统，包括激光器输出头、焊接枪和反射镜，所述激光器输出头产生的焊接激光经由所述反射镜反射后通过所述焊接枪进行输出，还包括焊点确定装置，所述焊点确定装置包括相位板、相机以及与所述相机通信连接的上位机；所述反射镜还用于将所述焊接激光经所述待焊工件反射后形成的回返光反射到所述相位板上，所述相机用于采集所述回返光经所述相位板后的实时图像；所述上位机用于从数据库中匹配与所述实时图像最接近的预存图像，通过查表确定与所述预存图像对应的焊接点的位置，并将所述焊接点的位置确定为所述相机采集到所述实时图像的时刻下所述焊接激光在所述待焊工件上形成的焊点的位置。

优选的，所述相位板上设置有呈棋盘状或网格状分布的色块，且相邻色块间的明暗度各异。

第二方面，本发明还提供一种激光焊点位置确定方法，应用于上述的系统，所述方法包括以下步骤：

S1、相机采集回返光经相位板后的实时图像，并发送给上位机；

S2、上位机从预设的数据库中匹配出与所述实时图像最接近的预存图像；

S3、上位机根据所述预存图像查表确定所述激光焊点的位置。

优选的，当所述相位板上设置有呈棋盘状或网格状分布的色块，且相邻色块间的明暗度各异时，则S2中，所述上位机从预设的数据库中匹配出与所述实时图像最接近的预存图像的步骤包括：

S20、通过边界识别算法识别所述实时图像中各色块的边界，确定所述实时图像的边界图形，所述边界图形包含多个明暗边界点；

S22、根据所述边界图形中明暗边界点的位置，计算所述实时图像与相位板之间的二阶矩，获得实时二阶矩列表；

S24、对数据库中全部的预存图像进行S20和S22的处理过程，从而获得多个预存二阶矩列表，并建立记载有预存图像与预存二阶矩列表间一一对应关系的映射表格；

S26、以相位板中心为原点的高斯分布为权重，将计算得到实时二阶矩列表与多个预存二阶矩列表采用最小二乘法进行比对，确定与所述实时二阶矩列表最接近的预存二阶矩列表；

S28、根据与所述实时二阶矩列表最接近的预存二阶矩列表以及所述映射表格，查表确定与所述实时图像最接近的预存图像。

优选的，当所述相位板上的色块呈N×M矩阵分布时，则在S22之前还包括以下步骤：

S21、将所述实时图像的边界图形划分为多个依次分布的计算块，每个所述计算块中均包含相同数量的色块，且各色块构成m阶矩阵，并以每个计算块内部的明暗边界点作为S22的输入，其中，m≥2。

优选的，所述上位机根据所述预存图像查表确定所述激光焊点的位置的步骤包括：

S30、上位机根据所述预存图像查表确定回返光的角度；

S32、上位机根据所述回返光的角度以及所述焊接激光的的位置，确定回返光与焊接激光的交点位置为所述激光焊点的位置。

采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：

1、由于反射镜的设置，使得焊接激光能够无阻碍的通过焊接枪向外输出的同时，还能够利用反射镜将角度发生偏离的焊接激光的回返方从焊接激光中分离出来，从而方便焊点确定装置利用该回返光对焊接点进行确定；

2、由于焊点确定装置中相位板的设置，使得通过相位板解决了回返光模糊、不确定的问题，从而提高了相机对回返光的成像效果；

3、由于焊点确定装置中相机和上位机的设置，使得通过上位机能够对相机采集到的回返光的实时图像进行处理，进而根据处理结果从数据库中匹配出与之最接近的预存图像，并以该预存图像对应的焊接点的位置作为焊接点的实际位置，使得本发明的技术方案能够以更简单的结构、更低的成本实现激光焊接应用中焊接点的位置的精确测量。

附图说明

图1为本发明实施例一公开的激光焊接系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二公开的激光焊点位置确定方法的步骤流程图；

图3为本发明中相位板的示意图；

图4为本发明中相机采集到的回返光经相位板后的实时图像；

图5为本发明中本发明中待焊工件处于不同位置时回返光的光路示意图；

图6为本发明中待焊工件处于图5所示的三个位置下相机分别采集到的实时图像；

图7为图4中的实时图像经处理后获得的边界图形；

图8为本发明中相位板经处理后的标准边界图形；

图9为当本发明中的相位板具有四个色块时对应的标准边界图形；

图10为本发明中实时二阶矩列表以及预存二阶矩列表的示意图。

图中:1.1-焊缝、1.2-待焊工件、1.3-焊接区及焊接光斑、1.4-焊接枪、1.5-焊接激光、1.6-反射镜、1.7-回返光、1.8-相位板、1.9-相机、1.10-上位机、1.11-激光器输出头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。

另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，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，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

一种激光焊接系统，如图1所示，包括激光器输出头1.11、焊接枪1.4和反射镜1.6。

其中，激光器输出头1.11用于产生焊接用的焊接激光1.5，该焊接激光1.5照射到反射镜1.6上后发生反射，并经反射后导向焊接枪1.4的枪管，并从焊接枪1.4的枪管出口端进行输出，焊接激光1.5照射到待焊工件1.2上的焊缝1.1后形成焊接区及焊接光斑1.3。通常，焊接激光1.5会在待焊工件1.2上发生反射从而产生回返光，其中部分回返光1.7会反向进入到焊接枪1.4中，并沿焊接枪1.4的枪管返回并照射到反射镜1.6中。由于该回返光1.7与焊接激光1.5之间具有一定的角度偏移，因此回返光1.7在反射镜1.6上反射后的光路与激光器输出头1.11产生的焊接激光1.5的光路不再重合，两者之间具有更加明显的偏移，从而将回返光1.7从焊接激光1.6中分离出来。

本实施例中，激光焊接系统还包括用于根据回返光1.7而确定焊接点位置的焊点确定装置。该焊点确定装置具体包括相位板1.8、相机1.9以及与该相机1.9通信连接的上位机1.10。

可以理解的是，上述的反射镜1.6用于将焊接激光1.5经待焊工件1.2反射后形成的回返光1.7反射到相位板1.8上。通常，回返光1.7较为模糊和分散，使得相机1.9直接对回返光1.7进行成像的成像效果和质量不好，难以进行后续的图像处理。因此本实施例中，通过在相机1.9的前方布置具有规则图案的相位板1.8，使得回返光1.7通过相位板1.8后再照射相机1.9。而相机1.9则用于采集回返光1.7经相位板1.8后的实时图像，该实时图像则具有较为明显的阴影，从而便于上位机1.10以该阴影为抓手进行图像处理。

具体而言，上位机1.10用于从预设的数据库中匹配出与其所接收到实时图像最接近的预存图像，再通过查表确定与该预存图像对应的焊接点的位置，焊接点的位置通常指的是焊接点距离焊接枪1.4的出口端的距离，该距离通过测定获得，而该焊接点的位置即为相机1.9采集到实时图像的时刻下焊接激光1.5在待焊工件1.2上形成的焊点的位置。

为了进一步方便上位机1.10进行图像处理，本实施例进一步配置相位板1.8上的规则图案为呈棋盘状或者网格状分布的多个色块，并且相邻色块间的明暗度各异，因此相机1.9采集到的实时图像上具有明暗相间的边界，而上位机1.10以明暗相间的边界做为识别特征点进行匹配，从事先存储的一系列预存图像中选出最接近的一张即可，而每张预存图像在获取后，通常都会关闭焊机，再通过现有技术中已存的其他方式获取焊接点的精确的实际位置，并在该实际位置与预存图像间建立映射关系，并记载在表格中保存，以便于上位机1.10确定出与实时图像最接近的预存图像后，直接查表获取表格中记载的焊接点的实际位置，该位置即可输出为激光焊接系统工作过程中焊接点的位置。

实施例二

一种激光焊点位置确定方法，应用于实施例一公开的激光焊接系统，如图2所示，该方法包括以下步骤：

S1、由相机1.9采集回返光经相位板1.8后形成的实时图像，并发送给上位机1.10。

S2、上位机1.10从预设的数据库中匹配出与实时图像最接近的预存图像。

S3、上位机1.10通过查表确定与该预存图像对应的激光焊点的位置。

在S1中，相位板1.8为具有规则图案的透光板，例如棋盘状的规则图案，如图3所示，其表面具有多个明暗度各异的色块，而由于相位板1.8中的各个图案单元对回返光1.7的透过率不同，因此呈现在相机1.9上的实时图像具有明显的明暗相间的阴影，如图4所示。

相应的，在S2中，上位机从预设的数据库中匹配出与实时图像最接近的预存图像的步骤包括：

S20、通过边界识别算法识别实时图像中各色块的边界，确定实时图像的边界图形，边界图形包含多个明暗边界点。

本步骤中，实时图像中的每个色块的明暗度均不一致，并且当焊接点处于不同位置时，相机1.9采集到的实时图像中每个色块的明暗度也不一致，这些色块明暗度不一致的现象则用于区分实时图像。

如图5所示，当待焊工件1.2处于不同的高度位置时，在焊接激光1.5不变的前提下，回返光1.7的光路各不相同，这些不同角度方向的回返光1.7在经实施例一公开的相机1.9成像后，分别获得如图6所示的图像，图6中的三幅图像从左至右分别为待焊工件1.2处于图5中a1、a2和a3位置时相机1.9采集到的实时图像。

如图7所示，其为实时图像经过边界识别算法识别后获得的边界图形，可见其中部分色块的边界(明暗边界)相对于标准边界图形发生了较为明显的变化。其中标准边界图形如图8所示，其指的是对相位板1.8进行边界识别算法后获得的变形图形。

S22、根据实时图像的边界图形中明暗边界上点(例如明暗边界的两个端点和一个中点)的位置，计算实时图像与相位板之间的二阶矩，获得实时二阶矩列表。

其中，二阶矩公式为：

其中，x_i、y_i代表实时图像的边界图形中上第i个数据点的位置坐标，x'_i,y'_i代表预存图像上第i个数据点的位置坐标，n为总的数据点个数。对于实时图像的边界图形中的一个数据点，在标准边界图形中都有一个与之对应的数据点，按照二阶矩公式计算实时图像的边界图形与标准边界图形中相对的数据点间的二阶矩，再将各二阶矩已矩阵的形式呈现为二阶矩列表。如图9所示，其为具有四个色块的相位板1.8所对应的标准边界图形，其具有六个横向的明暗边界，而在只考虑横向的明暗边界上的中点时，则对应的二阶矩矩阵为：

该二阶矩矩阵包含有6个数值，对应两列三行的二阶矩列表。

类似的，如图10所示，其为通过计算图7所示的边界图形与图8所示的标准边界图形间的二阶矩而得到的实时二阶矩列表，该实时二阶矩列表包括r1至r36共36个呈6阶矩阵分布的数据。

S24、对数据库中全部的预存图像进行S20和S22的处理过程，从而获得多个预存二阶矩列表，并建立记载有预存图像与预存二阶矩列表间一一对应关系的映射表格。

该步骤中，数据库中存储的预存图像指的是在事先确定好焊接点的位置的前提下通过相机1.9采集到的图像，并且每个预存图像与事先确定好的焊接点的位置之间具有一一对应的映射关系。如此，经过该步骤处理后，将会获得多个预存二阶矩列表，并且预存二阶矩列表与上述的实时二阶矩列表中具有相同数量的数据。

S26、以相位板中心为原点的高斯分布为权重，将计算得到实时二阶矩列表与多个预存二阶矩列表采用最小二乘法进行比对，确定与实时二阶矩列表最接近的预存二阶矩列表。

本步骤中，即以实时二阶矩列表中心处的数据为原点，通过最小二乘法计算该实时二阶矩列表的高斯分布；同理也能够获得每个预存二阶矩列表的高斯分布；再通过高斯分布最接近的原则，而选取出一个最接近的预存二阶矩列表。

其中，最小二乘法公式为：

其表示ε为实时二阶矩列表，δ为预存二阶矩列表，ε_ij为实时二阶矩列表中第i行第j列的数值，δ_ij为预存二阶矩列表中第i行第j列的数值。通过最小二乘法公式获得的数值最小的，即为与实时二阶矩列表最接近的预存二阶矩列表。

S28、根据与实时二阶矩列表最接近的预存二阶矩列表以及映射表格，查表确定与实时图像最接近的预存图像。

通俗的说，S20-S28的步骤内容可表述：将图像间的对比，归纳到实时图像中棋盘的边缘线与相位板的边缘线之间的间距，从而简化了需要处理的数据点的数量；然后，计算实时图像投影所成棋盘格子的边缘点与相位板边缘点的位置坐标的二阶矩；再将每个格子的边长的差距变为一个正实数，而这些正实数形成一个矩阵(实时二阶矩列表以及多个预存二阶矩列表)；最后，利用实时二阶矩列表与预存二阶矩列表之间的最小二乘法来判断实时二阶矩列表与预存二阶矩列表之间的相似度，从而确定出与实时图像最接近的预存图像。

至此，只需要再调取与该预存图像一一对应的事先确定好的焊接点的位置即可，该事先确定好的焊接点的位置即为相机1.9采集到实时图像的时刻下焊接激光1.5在待焊工件1.2上形成的焊点的位置。

容易理解的是，本方法只需要事先建立好足够丰富和精度的数据库即可。通过简单的图像处理和查表即可获得激光焊接系统应用过程中激光焊接点的实时位置信息，而本方法的计算实际上是一个O(a*n2)算法，a为相位板1.8的条纹总数，n为边界上点的总数目，对于105个计算点的情况，1GHz的16核的GPU的计算速度小于1秒，可以满足激光焊接的要求。

在其他优选实施例中，预存图像与对应的激光焊点的位置并不是直接对应的关系，上位机1.10根据S28中获得的预存图像查表确定激光焊点的位置的步骤通常还进一步包括：

S30、上位机1.10根据预存图像查表确定回返光1.7的角度；

S32、上位机1.10根据回返光1.7的角度以及焊接激光1.5的位置，确定回返光1.7与焊接激光1.5的交点位置为所需的激光焊点的位置。

实施例三

其与实施例二的区别在于：本实施例中，由于相位板1.8上的色块呈N×M矩阵分布，因此为了提高计算速度和效率，在上述的S22步骤之前还包括以下步骤：

S21、将实时图像的边界图形划分为多个依次分布的计算块，每个计算块中均包含相同数量的色块，且各色块构成n阶矩阵，并以每个计算块内部的明暗边界点作为S22的输入，其中，m≥2。

本实施例中，取m＝2，因此每个计算块均包括有4个色块，如图4所示的实时图像则具有9个呈“田”字型或者呈3阶矩阵状分布的计算块。当然，在另一个优选实施例中，m还可以取3，此时计算块包括9个成三阶矩阵状分布的色块，而实时图像则包括4个计算块。

如此设置，使得当相位板1.8上的色块数量过于多时，能够进一步简化S22中需要输入的点的数量，从而提高计算效率。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种激光焊接系统，包括激光器输出头、焊接枪和反射镜，所述激光器输出头产生的焊接激光经由所述反射镜反射后通过所述焊接枪进行输出，其特征在于：还包括焊点确定装置，所述焊点确定装置包括相位板、相机以及与所述相机通信连接的上位机；所述反射镜还用于将所述焊接激光经所述待焊工件反射后形成的回返光反射到所述相位板上，所述相机用于采集所述回返光经所述相位板后的实时图像；所述上位机用于从数据库中匹配与所述实时图像最接近的预存图像，通过查表确定与所述预存图像对应的焊接点的位置，并将所述焊接点的位置确定为所述相机采集到所述实时图像的时刻下所述焊接激光在所述待焊工件上形成的焊点的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述相位板上设置有呈棋盘状或网格状分布的色块，且相邻色块间的明暗度各异。

3.一种激光焊点位置确定方法，应用于如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1、相机采集回返光经相位板后的实时图像，并发送给上位机；

S2、上位机从预设的数据库中匹配出与所述实时图像最接近的预存图像；

S3、上位机根据所述预存图像查表确定所述激光焊点的位置。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述相位板上设置有呈棋盘状或网格状分布的色块，且相邻色块间的明暗度各异，则S2中，所述上位机从预设的数据库中匹配出与所述实时图像最接近的预存图像的步骤包括：

S20、通过边界识别算法识别所述实时图像中各色块的边界，确定所述实时图像的边界图形，所述边界图形包含多个明暗边界点；

S22、根据所述边界图形中明暗边界点的位置，计算所述实时图像与相位板之间的二阶矩，获得实时二阶矩列表；

S24、对数据库中全部的预存图像进行S20和S22的处理过程，从而获得多个预存二阶矩列表，并建立记载有预存图像与预存二阶矩列表间一一对应关系的映射表格；

S26、以相位板中心为原点的高斯分布为权重，将计算得到实时二阶矩列表与多个预存二阶矩列表采用最小二乘法进行比对，确定与所述实时二阶矩列表最接近的预存二阶矩列表；

S28、根据与所述实时二阶矩列表最接近的预存二阶矩列表以及所述映射表格，查表确定与所述实时图像最接近的预存图像。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述相位板上的色块呈N×M矩阵分布，则在S22之前还包括以下步骤：

S21、将所述实时图像的边界图形划分为多个依次分布的计算块，每个所述计算块中均包含相同数量的色块，且各色块构成m阶矩阵，并以每个计算块内部的明暗边界点作为S22的输入，其中，m≥2。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述上位机根据所述预存图像查表确定所述激光焊点的位置的步骤包括：

S30、上位机根据所述预存图像查表确定回返光的角度；

S32、上位机根据所述回返光的角度以及所述焊接激光的的位置，确定回返光与焊接激光的交点位置为所述激光焊点的位置。

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