CN114918526A - 一种基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正系统及方法，对焊接头的移动轨迹进行修正，包括以下步骤：根据焊缝形状设定数控机床的焊接头的移动轨迹，数控机床的焊接头根据设定的移动轨迹进行相对焊接移动，设置线激光轮廓扫描仪跟随焊接头移动；设置光栅反馈焊接头的移动位置，并产生脉冲信号，设置线激光轮廓扫描仪接收脉冲信号，并根据脉冲信号触发对焊缝的图像采集；对采集的焊缝图像进行预处理和特征提取，与设定的焊接头的移动轨迹进行比对，计算出焊接头相对于焊缝的偏移量。本发明在进行搅拌摩擦焊的过程中基于机床的数控编程轨迹进行动态的焊接轨迹修正，可以有效地改善直线、圆弧以及两者组合的数控编程轨迹与实际焊缝轨迹的偏差问题。

Description

一种基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正系统及方法

技术领域

本发明涉及数控机床焊接控制技术领域，尤其是指一种基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正系统及方法。

背景技术

目前在航天、航空、高铁等轨道交通生产领域有越来越多的涉及到搅拌摩擦焊接设备，搅拌摩擦焊技术属于一种固相连接技术，用类似加工中心的机床进行焊接加工，与普通熔焊相比，更易于实现加工自动化、智能化。

现有技术的搅拌摩擦焊的焊接轨迹广泛基于数控系统进行编写，现有的数控系统主要通过G代码进行轨迹的编写，由于不同的焊接对象上的实际焊缝存在一定的差异，且由于装夹误差、焊接过程中搅拌针受力偏离轨迹等因素，导致数控机床的编程焊接轨迹与实际焊缝轨迹间存在一定的偏差，进而影响焊接的实际效果。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中编程焊接轨迹与实际焊缝轨迹间存在一定的偏差的问题，提供一种基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正系统及方法，通过线激光轮廓扫描仪获取实际焊缝图像，用图像引导的方式，在进行搅拌摩擦焊的过程中基于机床的数控编程轨迹进行动态的焊接轨迹修正，可以有效地改善直线、圆弧以及两者组合的数控编程轨迹与实际焊缝轨迹的偏差问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正方法，对焊接头的移动轨迹进行修正，包括以下步骤：

根据焊缝形状设定数控机床的焊接头的移动轨迹，数控机床的焊接头根据设定的移动轨迹进行相对焊接移动，设置线激光轮廓扫描仪跟随焊接头移动；

设置光栅反馈焊接头的移动位置，并产生脉冲信号，设置线激光轮廓扫描仪接收脉冲信号，并根据脉冲信号触发对焊缝的图像采集；

对采集的焊缝图像进行预处理和特征提取，与设定的焊接头的移动轨迹进行比对，计算出焊接头相对于焊缝的偏移量；

将计算的偏移量传输至数控机床，数控机床根据偏移量修正设定的轨迹。

在本发明的一个实施例中，将线激光轮廓扫描仪设置在数控机床的C轴上，线激光轮廓扫描仪发出的线结构光照射在焊接头搅拌针运动轨迹的前方，使搅拌针的运动方向垂直平分线结构光。

在本发明的一个实施例中，沿数控机床X、Y轴向分别安装光栅，数控机床的焊接头在相对焊接移动时，分别在X轴向和Y轴向上产生脉冲信号，经过脉冲合并电路处理后合并成一路触发线激光轮廓扫描仪启动的脉冲信号。

在本发明的一个实施例中，线激光轮廓扫描仪计数脉冲信号数量，根据脉冲信号数量设置线激光轮廓扫描仪间隔采集焊缝的图像。

在本发明的一个实施例中，所述光栅包括分别安装在数控机床X轴向基座上和Y轴向基座上的标尺光栅，以及分别安装在数控机床移动台X轴向和Y轴向与所述标尺光栅配合的光栅读数头。

在本发明的一个实施例中，在对采集的焊缝图像进行预处理和特征提取的过程中，将采集的焊缝图像与设定数控机床的焊接头的移动轨迹的位置标定在X-Y直角坐标系内，在直角坐标系内形成两个偏差值ΔX和ΔY，所述偏差值ΔX和ΔY即为修正的偏移量。

在本发明的一个实施例中，所述焊缝为直线时，当所述焊接头的移动轨迹与实际焊缝产生偏移时，线激光轮廓扫描仪发出的线结构光与实际焊缝的交点到线结构光的中点的距离即为实际的偏差距离，该偏差距离在直角坐标系内X轴和Y轴的投影即为两个偏差值ΔX和ΔY。

在本发明的一个实施例中，所述焊缝为直线时，两个偏差值ΔX和ΔY计算公式如下：

其中，△l为线激光轮廓扫描仪发出的线结构光与实际焊缝的交点到线结构光的中点的距离，θ为C轴的倾斜角度。

在本发明的一个实施例中，所述焊缝为弧线时，两个偏差值ΔX和ΔY，计算公式如下：

其中，r为C轴的圆弧半径，L为线激光轮廓扫描仪发出的线结构光相对于搅拌工具的前置距离，θ为C轴的倾斜角度。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正系统，用于实现上述修正方法，包括：

数控机床，所述数控机床包括基座、用于承载焊接件的移动平台、以及设置在移动平台上方的C轴，在所述C轴上设置有带有搅拌针的焊接头；

线激光轮廓扫描仪，设置在所述C轴上，线激光轮廓扫描仪发出的线结构光照射在焊接头搅拌针运动轨迹的前方，使搅拌针的运动方向垂直平分线结构光，所述线激光轮廓扫描仪采集焊接件上焊缝的图像信息；

光栅单元，包括设置在基座上的标尺光栅和设置在移动平台上的光栅读数头，所述光栅单元反馈焊接头的移动位置，并产生触发线激光轮廓扫描仪进行图像采集的脉冲信号；

上位控制机，对采集的焊缝图像进行预处理和特征提取，与设定的焊接头的移动轨迹进行比对，计算出焊接头相对于焊缝的偏移量，并将偏移量传送给数控机床。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正系统及方法，依托线激光轮廓扫描仪和上位控制机，针对板材焊件，用图像引导的方式，在进行搅拌摩擦焊的过程中基于数控机床的编程轨迹进行动态的焊接轨迹修正，可以有效地改善直线、圆弧以及两者组合的数控编程轨迹与实际焊缝轨迹的偏差问题；

具体地，将线激光轮廓扫描仪安装于数控机床的C轴上，使搅拌针的运动方向垂直平分于线结构光，且保持线结构光照射于搅拌针前方，并与搅拌针轴线保持一定距离，随着搅拌针与焊接对象间产生相对位移，分别沿数控机床X、Y轴向安装的光栅随即产生脉冲信号，并触发线激光轮廓扫描仪间隔采集搅拌针前方的焊缝的图像信息，上位控制机根据该图像信息获取焊缝在图像中的一维坐标位置，并将其转化为搅拌针当前相对焊缝位置的偏移量发送至数控机床，数控机床根据该偏移量进行轨迹的修正，从而达到动态修正的效果，改善焊接质量；

本发明有轨迹修正精度高、焊接轨迹适用性广的优点，可用于搅拌摩擦焊、激光熔覆焊接等工艺流程，可在一定程度上改善数控机床的编程焊接轨迹与实际焊缝轨迹间存在一定的偏差等问题而造成的焊接质量下降问题。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的修正方法的原理结构图；

图2是本发明的直线轨迹偏移量计算原理图；

图3是本发明的圆弧轨迹偏移量计算原理图；

图4是本发明的修正系统的原理结构示意图；

图5是本发明的修正系统的机械结构示意图。

图6是本发明的修正方法结合修正系统的工作步骤流程图。

说明书附图标记说明：1、上位控制机；2、以太网交换机；3、plc控制电路；4、数控机床；4-1、移动平台；6、X轴光栅单元；6-1、光栅读数头；6-2、标尺光栅；7、Y轴光栅单元；8、合并电路；9、线激光轮廓扫描仪；10、C轴；11、线激光轮廓扫描仪控制器；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

参照图1所示，本发明公开了一种基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正方法，对焊接头的移动轨迹进行修正，当焊接头的实际移动轨迹与焊缝的延伸轨迹不同时，就对焊接头的位置进行实时修正，保证在焊接的过程中，焊接头能够沿着焊缝进行焊接；

具体地，所述修正方法包括以下步骤：

根据焊缝形状设定数控机床的焊接头的移动轨迹，现有技术中，数控系统主要通过G代码进行轨迹的编写，是已经比较成熟的技术，再次不多加赘述，在编写完轨迹后，数控机床的焊接头根据设定的移动轨迹进行相对焊接移动，设置线激光轮廓扫描仪跟随焊接头移动；

设置光栅反馈焊接头的移动位置，焊接头在移动过程中触发光栅，并在触发时产生脉冲信号，设置线激光轮廓扫描仪接收脉冲信号，根据脉冲信号触发线激光轮廓扫描仪对焊缝的图像采集功能，通过发出线结构光采集焊缝的表面形貌信息，这样只有在焊接头移动的过程中，线激光轮廓扫描仪才对焊缝进行图像采集，一方面，在焊接头没有进行焊接时，线激光轮廓扫描仪不进行工作，另一方面，在焊接头进行焊接时，保证线激光轮廓扫描仪能够实时获取焊缝的位置信息；

对采集的焊缝图像进行预处理和特征提取，与设定的焊接头的移动轨迹进行比对，计算出焊接头相对于焊缝的偏移量；

将计算的偏移量传输至数控机床，数控机床根据偏移量修正设定的轨迹，使焊接头实际的移动轨迹与焊缝的位置吻合，达到动态修正的效果，改善焊接质量。

具体地，在本实施例中，为了达到线激光轮廓扫描仪随焊接头移动的目的，将线激光轮廓扫描仪设置在数控机床的C轴上，这样C轴同步带动焊接头和线激光轮廓扫描仪移动，并且能够保持焊接头和线激光轮廓扫描仪相对位置的稳定，在本实施例中，线激光轮廓扫描仪相对于C轴倾斜安装，使线激光轮廓扫描仪发出的线结构光照射在焊接头搅拌针运动轨迹的前方，并且使搅拌针的运动方向垂直平分线结构光，这样设置一方面保证线激光轮廓扫描仪发出的线结构光不影响正常的搅拌针的焊接动作，另一方面，也保证在焊接头移动时，无论其移动位置相对于焊缝向左或者向右，都保证激光轮廓扫描仪发出的线结构光能够照射到焊缝上；

具体地，在本实施例中，所述焊接头在焊接的过程中，在空间上的两个方向进行移动，即X轴和Y轴，因此沿数控机床X、Y轴向分别安装光栅，数控机床的焊接头在相对焊接移动时，分别在X轴向和Y轴向上产生脉冲信号，经过脉冲合并电路处理后合并成一路触发线激光轮廓扫描仪启动的脉冲信号。

具体地，预先设置好线激光轮廓扫描仪拍摄图像的脉冲间隔，例如设置线激光轮廓扫描仪拍摄图像的脉冲间隔为50次，在焊接头相对移动的过程中，不断触发光栅产生脉冲信号，线激光轮廓扫描仪计数脉冲信号数量，当脉冲信号数量达到预设的50次时，触发线激光轮廓扫描仪采集一次焊缝图像。

在本实施例中，数控机床采用移动平台带动焊接件在水平方向上移动，C轴的位置固定，这样移动平台移动，C轴就相对于移动平台移动，使焊接头相对于在焊缝上移动完成焊接，因此，本实施例中设置的光栅包括分别安装在数控机床X轴向基座上和Y轴向基座上的标尺光栅，以及分别安装在数控机床移动台X轴向和Y轴向与所述标尺光栅配合的光栅读数头，在移动平台移动的过程中，光栅读数头与光栅标尺配合，发出脉冲信号。

在本实施例中，由于焊缝仅存在于一个平面上，只存在X和Y方向上的偏差，因此在对采集的焊缝图像进行预处理和特征提取的过程中，将采集的焊缝图像与设定数控机床的焊接头的移动轨迹的位置标定在X-Y直角坐标系内，在X-Y直角坐标系内对两条线位置进行比较即可，在比较的时候，通过两个方向进行比较，从而形成额两个偏差值ΔX和ΔY，所述偏差值ΔX和ΔY即为修正的偏移量。

在平面上的焊缝一般存在两种情况，一种为直线、一种为曲线，本实施例的修正方法针对焊缝形状为直线或曲线的修正计算方法不一致，下面结合附图对焊缝为直线和曲线的两种形式进行计算：

参照图2所示，所述焊缝为直线时，两个偏差值ΔX和ΔY仅与线激光轮廓扫描仪发出的线结构光与实际焊缝的交点到线结构光的中点的距离有关，两个偏差值ΔX和ΔY计算公式如下：

其中，△l为线激光轮廓扫描仪发出的线结构光与实际焊缝的交点到线结构光的中点的距离，θ为C轴的倾斜角度，其中θ的取值范围为，大于等于0°，小于90°。

参照图3所示，所述焊缝为弧线时，两个偏差值ΔX和ΔY与圆弧轨迹的半径和线激光轮廓扫描仪发出的线结构光相对于C轴的前置距离有关，计算公式如下：

其中，r为C轴的圆弧半径，L为线激光轮廓扫描仪发出的线结构光相对于搅拌工具的前置距离，θ为C轴的倾斜角度，其中θ的取值范围为大于等于0°，小于90°。

实施例2

参照图4和图5所示，本发明还公开了一种基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正系统，用于实现上述实施例1的修正方法，包括：

数控机床4，所述数控机床4包括基座、用于承载焊接件的移动平台4-1、以及设置在移动平台4-1上方的C轴10，在所述C轴10上设置有带有搅拌针的焊接头；

线激光轮廓扫描仪9，设置在所述C轴10上，线激光轮廓扫描仪9发出的线结构光照射在焊接头搅拌针运动轨迹的前方，使搅拌针的运动方向垂直平分线结构光，所述线激光轮廓扫描仪10采集焊接件上焊缝的图像信息，所述线激光轮廓扫描仪10中设置有能够接收信号并控制线激光轮廓扫描仪10工作的线激光轮廓扫描仪控制器11；

光栅单元，包括X轴光栅单元6和Y轴光栅单元7，所述X轴光栅单元6和Y轴光栅单元7均包括设置在基座上的标尺光栅6-2和设置在移动平台4-1上的光栅读数头6-1，所述光栅单元反馈焊接头的移动位置，并产生触发线激光轮廓扫描仪9进行图像采集的脉冲信号，所述脉冲信号包括X轴向和Y轴向的脉冲矩形方波，通过合并电路8处理后，接入到线激光轮廓扫描仪控制器11中；

上位控制机1，对采集的焊缝图像进行预处理和特征提取，与设定的焊接头的移动轨迹进行比对，计算出焊接头相对于焊缝的偏移量，并将偏移量传送给数控机床4，所述上位控制机1通过以太网交换机2将偏移量传送到数控机床4的plc控制电路3中。

参照图6所示，本实施例中的修正系统结合上述实施例1中的修正方法具体的修正步骤为：

在进行焊接之前根据焊缝形状编写焊接轨迹的NC程序，需要进行测量系统及焊接头的标定，设置线激光轮廓扫描仪9拍摄图像的脉冲间隔；

当上位控制机1向数控机床4发送“开始焊接”指令后，线激光轮廓扫描仪9在焊接头的带动下，沿着焊缝的延时方向运动，X轴光栅单元6和Y轴光栅单元7分别产生脉冲信号，所述脉冲信号通过合并电路8处理后，接入到线激光轮廓扫描仪控制器11中，线激光轮廓测量仪控制器11开始计数脉冲数量，当达到设置的脉冲数目时触发线激光轮廓测量仪9采集一次焊缝图像；

每采集一幅图像，上位控制机1对其进行图像处理和焊缝特征提取，并依据系统综合标定的结果获得焊接头当前位置相对于焊缝的实际偏移量；

将偏移量通过以太网交换机2传输至数控机床4后进行修正，从而实现焊缝特征的在线测量和偏移量的动态修正；

在修正的过程中，焊接头仍然继续移动，在移动的过程中反复重复上述修正步骤直到焊接轨迹的NC程序运行结束，表示焊接完成。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正方法，对焊接头的移动轨迹进行修正，其特征在于，包括以下步骤：

根据焊缝形状设定数控机床的焊接头的移动轨迹，数控机床的焊接头根据设定的移动轨迹进行相对焊接移动，设置线激光轮廓扫描仪跟随焊接头移动；

设置光栅反馈焊接头的移动位置，并产生脉冲信号，设置线激光轮廓扫描仪接收脉冲信号，并根据脉冲信号触发对焊缝的图像采集；

对采集的焊缝图像进行预处理和特征提取，与设定的焊接头的移动轨迹进行比对，计算出焊接头相对于焊缝的偏移量；

将计算的偏移量传输至数控机床，数控机床根据偏移量修正设定的轨迹。

2.根据权利要求1所述的基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正方法，其特征在于：将线激光轮廓扫描仪设置在数控机床的C轴上，线激光轮廓扫描仪发出的线结构光照射在焊接头搅拌针运动轨迹的前方，使搅拌针的运动方向垂直平分线结构光。

3.根据权利要求1所述的基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正方法，其特征在于：沿数控机床X、Y轴向分别安装光栅，数控机床的焊接头在相对焊接移动时，分别在X轴向和Y轴向上产生脉冲信号，经过脉冲合并电路处理后合并成一路触发线激光轮廓扫描仪启动的脉冲信号。

4.根据权利要求3所述的基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正方法，其特征在于：线激光轮廓扫描仪计数脉冲信号数量，根据脉冲信号数量设置线激光轮廓扫描仪间隔采集焊缝的图像。

5.根据权利要求3所述的基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正方法，其特征在于：所述光栅包括分别安装在数控机床X轴向基座上和Y轴向基座上的标尺光栅，以及分别安装在数控机床移动台X轴向和Y轴向与所述标尺光栅配合的光栅读数头。

6.根据权利要求1所述的基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正方法，其特征在于：在对采集的焊缝图像进行预处理和特征提取的过程中，将采集的焊缝图像与设定数控机床的焊接头的移动轨迹的位置标定在X-Y直角坐标系内，在直角坐标系内形成两个偏差值ΔX和ΔY，所述偏差值ΔX和ΔY即为修正的偏移量。

7.根据权利要求6所述的基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正方法，其特征在于：所述焊缝为直线时，两个偏差值ΔX和ΔY计算公式如下：

其中，△l为线激光轮廓扫描仪发出的线结构光与实际焊缝的交点到线结构光的中点的距离，θ为C轴的倾斜角度。

8.根据权利要求6所述的基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正方法，其特征在于：所述焊缝为弧线时，两个偏差值ΔX和ΔY，计算公式如下：

其中，r为C轴的圆弧半径，L为线激光轮廓扫描仪发出的线结构光相对于搅拌工具的前置距离，θ为C轴的倾斜角度。

9.一种基于线激光扫描的数控机床焊接轨迹修正系统，其特征在于：用于实现上述权利要求1～8任意一项所述的修正方法，所述修正系统包括：

数控机床，所述数控机床包括基座、用于承载焊接件的移动平台、以及设置在移动平台上方的C轴，在所述C轴上设置有带有搅拌针的焊接头；

线激光轮廓扫描仪，设置在所述C轴上，线激光轮廓扫描仪发出的线结构光照射在焊接头搅拌针运动轨迹的前方，使搅拌针的运动方向垂直平分线结构光，所述线激光轮廓扫描仪采集焊接件上焊缝的图像信息；

光栅单元，包括设置在基座上的标尺光栅和设置在移动平台上的光栅读数头，所述光栅单元反馈焊接头的移动位置，并产生触发线激光轮廓扫描仪进行图像采集的脉冲信号；

上位控制机，对采集的焊缝图像进行预处理和特征提取，与设定的焊接头的移动轨迹进行比对，计算出焊接头相对于焊缝的偏移量，并将偏移量传送给数控机床。

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