CN118023659A - 适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置及方法，属于不锈钢焊接技术领域，装置包括激光扫描跟踪装置主体，激光扫描跟踪装置主体内设有激光发射器和激光接收器；激光扫描跟踪装置主体底部设有偏振机构，偏振机构包括偏振镜片和承载连接件，偏振镜片与承载连接件活动连接，承载连接件与激光扫描跟踪装置主体壳体固定连接。方法为：偏振镜片不参与扫描焊件坡口阶段；焊接时，偏振镜片覆盖到激光扫描跟踪装置主体上，实现发射的是有规律的偏振激光，激光接收器也只能接收同样规律的偏振激光，可以排除焊接弧光造成的影响，从而解决不锈钢焊接中激光焊缝跟踪受弧光及钢板反射影响导致焊枪焊偏的问题。

Description

适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置及方法

技术领域

本发明主要涉及不锈钢焊接技术领域，具体为适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置及方法。

背景技术

激光焊缝跟踪技术是利用激光沿着焊缝坡口扫描一遍，得到激光扫描区域各个点的位置信息，通过复杂的程序算法完成对焊缝的在线实时检测。半自动焊接专机及焊接机器人配备激光焊缝跟踪装置可以根据扫描到的焊缝路径控制焊枪的移动，达到实时检测动态调整的自适应焊缝跟踪效果，从而实现更精确、高效和可靠的焊接。

然而，对于不锈钢等高反射率材料来说，由于不锈钢表面比较干净、光亮，焊接时，弧光强烈，同时不锈钢表面又发生强烈反射，造成激光焊缝跟踪装置接收的激光带信号较弱，噪声较大，影响焊缝跟踪的判断，从而产生焊偏、未焊透、未熔合等缺陷，极大的影响了不锈钢焊接的焊接质量和焊接效率，也阻碍了半自动专机及机器人在不锈钢焊接中的应用，急需得到解决。

发明内容

本发明技术方案针对现有技术解决方案过于单一的技术问题，提供了显著不同于现有技术的解决方案，主要提供了适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置及方法，用以解决上述背景技术中提出的不锈钢焊接中激光焊缝跟踪受弧光和焊材反射影响导致焊偏等缺陷的技术问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置，包括激光扫描跟踪装置主体，所述激光扫描跟踪装置主体内设有激光发射器和激光接收器；所述激光扫描跟踪装置主体底部设有偏振机构，所述偏振机构包括偏振镜片和承载连接件，所述偏振镜片与承载连接件活动连接，所述承载连接件与激光扫描跟踪装置主体壳体固定连接。

进一步地，所述偏振镜片以ZnSn玻璃为基片，且基片表面涂有多层高折射率的膜，所述基片为半球形，所述激光发射器发出的激光入射偏振镜片的夹角为56.5°。

进一步地，所述偏振镜片的一侧通过转动轴与承载连接件铰接。

进一步地，所述偏振镜片配备多种类型，不同类型的偏振镜片的表面多层膜类型不同，所述偏振镜片的安装方式为可拆卸式连接。

进一步地，所述偏振镜片背向激光扫描跟踪装置主体的一侧设有凸透镜片。

进一步地，所述激光扫描跟踪装置主体通过激光组件连接杆连接于焊接机器人的工作端，且焊接机器人的工作端设有焊枪夹持装置，所述焊枪夹持装置内设有焊枪。

本发明还提供了一种适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪方法，采用上述的偏振激光扫描跟踪装置，包括如下步骤：

A、扫描焊件坡口阶段：使偏振镜片位于激光扫描跟踪装置主体旁侧，不参与激光扫描跟踪装置主体的激光扫描识别工作，根据激光扫描跟踪装置主体的激光扫描识别结果，拟合获得焊接轨迹；

B、焊接焊缝跟踪阶段：焊接前的调整工作为：使偏振镜片移动至覆盖到激光扫描跟踪装置主体底面上，激光扫描跟踪装置主体发出的激光经过偏振镜片转变为有规律的偏振激光，并控制角度使得偏振激光集中发射到焊缝坡口中；并通过云台调整激光接收器的角度，使之刚好能接收反射回来的偏振激光；

B1、机器人控制激光扫描跟踪装置主体移动到焊缝入口位置，焊枪随之移动到位；

B2、机器人依据步骤A中确定的焊接轨迹驱动激光扫描跟踪装置主体和焊枪移动，当焊枪移动至焊缝入口位置时引弧，开始进行焊接；

B3、焊接过程中，由于偏振镜片的偏振角度一致，基本只有反射的激光能够被激光接收器获取；弧光以及弧光经钢板表面作用的二次光由于偏振方向不一样，只会有微量被激光接收器获取，从而大大降低了影响；

B4、焊接过程中，激光接收器得到的图像通过卷积神经网络消除弧光的微量影响，从而获取焊缝坡口的实时尺寸信息；

B5、机器人根据激光扫描跟踪装置主体获取的焊缝坡口实时尺寸信息调整焊接轨迹，并据此引导焊枪，从而完成焊接。

进一步地，步骤B1中，在激光扫描跟踪装置主体移动到焊缝入口位置后，进行焊接前的调整工作。

进一步地，步骤B2中，在焊枪引弧时，进行焊接前的调整工作。

进一步地，步骤A中，激光扫描跟踪装置主体识别的位置信息采用三次B样条插值拟合成焊接轨迹。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的偏振激光扫描跟踪装置在激光扫描跟踪装置主体底部设有偏振镜片；应用时，在焊接焊缝跟踪阶段，由于偏振镜片的偏振角度一致，基本只有反射的激光能够被激光接收器获取；弧光以及弧光经钢板表面作用的二次光由于偏振方向不一样，只会有微量被激光接收器获取，从而大大降低了影响，从而解决不锈钢焊接中激光焊缝跟踪受弧光和钢板反射影响导致焊枪焊偏的问题。

本发明中的偏振镜片设置为活动连接的形式，偏振镜片相对于激光扫描跟踪装置主体的位置可调，一方面，焊接前可控制偏振镜片不参与焊接前的激光扫描识别阶段，以避免影响激光扫描跟踪装置主体的激光扫描，从而可保证激光扫描识别焊件坡口的效果；另一方面，通过偏振镜片的位置调节可决定偏振镜片是否启用，使得此装置还可用于非不锈钢类材料焊接时的激光焊缝跟踪。

基于利用偏振镜片过滤绝大多数的弧光及弧光经钢板表面作用的二次光，但仍有微量杂光被激光接收器接收的情况，本发明提供的偏振激光扫描跟踪方法采用了卷积神经网络对激光接收器接收的图像进行处理，可消除残留弧光的微量影响，以获取更精确的实时焊缝路径，为实时调整焊接轨迹打下优良的基础。还采用三次B样条插值拟合焊接轨迹，提高了焊接轨迹的生成效率。

本发明的优化方案中对偏振镜片进行了优化设计，偏振镜片以ZnSn玻璃为基片，并将基片的形状设为半球形，且球面上单面涂有多层高折射率的膜；还限定激光发射器发出的激光入射偏振镜片的夹角为56.5°，能够多重提升偏振镜片的滤光效果，实现高偏振度的折射光。

本发明的优化方案中配备有多种不同类型的偏振镜片，且偏振镜片可拆卸式安装，不同类型的偏振镜片的表面膜类型不同，通过换用不同类型的偏振镜片，可以改变激光发射器照射到焊件坡口表面激光的强弱及激光接收器接收到的激光强弱，以更好的适应于不同焊接需求。

以下将结合附图与具体的实施例对本发明进行详细的解释说明。

附图说明

图1为本发明装置的简单示意图；

图2为本发明装置中偏振机构的简单示意图；

图3为本发明装置中激光发射器和激光接收器的位置示意图；

图4为本发明装置中凸透镜片的简单示意图；

图5为本发明装置中云台设置位置的简单示意图。

附图标记：

1、机器人底盘；2、机器人旋转组件；3、机器人大臂；31、机器人大臂连接件；32、机器人大臂运动轴；4、机器人小臂；41、机器人小臂连接及运动轴；5、机器人操作臂；51、机器人操作臂连接及运动轴；52、机器人手腕运动轴；6、焊枪；61、焊丝；62、送丝机构；63、焊机；7、机器人连接杆；8、焊枪夹持装置；9、手持操作盒；10、激光扫描跟踪装置主体；11、激光发射器；12、激光接收器；121、云台；13、激光组件连接杆；14、激光组件信号线；20、偏振机构；21、偏振镜片；22、承载连接件；23、转动轴；24、驱动器；25、凸透镜片；30、机器人控制器；40、激光组件控制器；50、不锈钢焊件。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更加全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于文本所描述的实施例，相反的，提供这些实施例是为了使对本发明公开的内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常连接的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语知识为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1：请着重参照附图1，一种适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置，应用于焊接机器人，所述焊接机器人包括依次连接的机器人底盘1、机器人旋转组件2、机器人大臂3、机器人小臂4、机器人操作臂5和焊枪6，所述机器人大臂3连接机器人旋转组件2的一端设有机器人大臂连接件31和机器人大臂运动轴32，所述机器人小臂4连接机器人大臂3的一端设有机器人小臂连接及运动轴41，所述机器人操作臂5连接机器人小臂4的一端设有机器人操作臂连接及运动轴51，所述机器人操作臂5的另一端设有机器人手腕运动轴52，且机器人手腕运动轴52上连接有机器人连接杆7，所述机器人连接杆7的另一端连接有焊枪夹持装置8，所述焊枪6安装在焊枪夹持装置8内；所述焊枪6配备有焊丝61、送丝机构62和焊机63；所述焊接机器人的控制设备包括机器人控制器30和手持操作盒9；

请着重参照附图1、图3和图5，所述焊枪夹持装置8通过激光组件连接杆13连接有激光扫描跟踪装置主体10，所述激光扫描跟踪装置主体10内设有激光发射器11、激光接收器12以及用于调整激光接收器12的云台121，所述激光扫描跟踪装置主体10顶部设有激光组件信号线14，所述激光扫描跟踪装置主体10还配备有激光组件控制器40；

请着重参照附图1和图2，所述激光扫描跟踪装置主体10底部设有偏振机构20，所述偏振机构20包括偏振镜片21和承载连接件22，所述偏振镜片21与承载连接件22活动连接，在本实施例中，所述偏振镜片21的一侧通过转动轴23与承载连接件22铰接，且偏振机构20还设有用于驱动偏振镜片21绕转动轴23轴线转动的驱动器24。

在本实施例中，所述偏振镜片21以ZnSn玻璃为基片，所述基片的形状为半球形，且球面上单面涂有三层高折射率的二氧化钛膜；所述激光发射器11发出的激光入射偏振镜片21的夹角为56.5°，此角度通过驱动器24调整偏振镜片21实现。通过基片的形状结构设计和表面涂膜的特征设计能够提升偏振镜片21的滤光效果，实现高偏振度的折射光。

上述适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置的应用方法，包括以下步骤：

A、扫描焊件坡口阶段：

A1、控制机器人将激光扫描跟踪装置主体10移动到不锈钢焊件50的焊接起点附近，并使偏振镜片21位于激光扫描跟踪装置主体10旁侧，如图2中所示的虚线框位置，此时，偏振镜片21靠近激光组件连接杆13；

A2、通过激光组件控制器40启动激光扫描跟踪装置主体10，开始识别焊缝入口，然后驱使激光扫描跟踪装置主体10沿着坡口向焊接终点移动；

A3、移动过程中激光扫描跟踪装置主体10自动识别坡口尺寸信息，并引导焊枪6到达相应位置；

A4、移动过程中坡口尺寸有变化的位置，需让激光扫描跟踪装置主体10识别此位置，并修改相应的焊接工艺参数；

A5、修改完成后，激光扫描跟踪装置主体10继续向前扫描，直至焊接终点；

A6、扫描完成后，激光组件控制器40会将激光扫描跟踪装置主体10识别的位置信息采用三次B样条插值拟合成焊接轨迹；

B、焊接焊缝跟踪阶段：

B1、机器人控制激光扫描跟踪装置主体10回到焊缝入口位置，焊枪6随之移动到位，并进行焊接前的调整工作：通过驱动器24驱动转动轴23带动偏振镜片21转动，直至覆盖到激光扫描跟踪装置主体10底面上（如图2中所示的实线框位置）；激光扫描跟踪装置主体10发出的激光经过偏振镜片21转变为有规律的偏振激光，并控制角度（通过调整激光扫描跟踪装置主体10实现）使得有规律的偏振激光集中发射到焊缝坡口中；通过云台121调整激光接收器12的角度，使之刚好能接收反射回来的偏振激光；

B2、依据步骤A6中确定的焊接轨迹驱动激光扫描跟踪装置主体10和焊枪6移动，由于激光扫描跟踪装置主体10在焊枪6前方一定距离（20mm），所以焊枪6会在激光扫描跟踪装置主体10移动20mm后（此时，焊枪6移动至焊缝入口位置）引弧，开始进行焊接；

B3、焊接过程中，由于偏振镜片21的偏振角度一致，基本只有反射的激光能够被激光接收器12获取；弧光以及弧光经钢板表面作用的二次光由于偏振方向不一样，只会有微量被激光接收器12获取，从而大大降低了影响；

B4、焊接过程中，激光接收器12得到的图像通过卷积神经网络消除弧光的微量影响，从而获取焊缝坡口的实时尺寸信息；

B5、机器人控制器30根据激光扫描跟踪装置主体10获取的焊缝坡口实时尺寸信息调整焊接轨迹，并据此引导焊枪6，从而完成焊接。

实施例2：本实施例与实施例1的不同之处在于：

所述转动轴23不连接驱动器24，即将偏振镜片21的调整转动由电动调节改为手动调节。

所述偏振镜片21配备多种类型，不同类型的偏振镜片21的表面膜类型不同，分别为二氧化钛膜、二氧化硅膜、二氧化钛和二氧化硅的混合膜，所述偏振镜片21的安装方式为可拆卸式连接。通过换用不同类型的偏振镜片21，可以改变激光发射器11照射到焊件坡口表面激光的强弱及激光接收器12接收到的激光强弱。

其它同实施例1。

实施例3：本实施例与实施例1的不同之处在于：

请着重参照附图4，所述偏振镜片21背向激光扫描跟踪装置主体10的一侧设有凸透镜片25，且凸透镜片25与偏振镜片21之间存在间隙，边缘采用胶密封，间隙抽真空。使用时，凸透镜片25跟随偏振镜片21转动，凸透镜片25的设置可以提升聚光效果，并进一步提升偏振镜片21的滤光效果。

在适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置的应用方法中，B、焊接焊缝跟踪阶段：

B1、机器人控制激光扫描跟踪装置主体10回到焊缝入口位置，焊枪6随之移动到位；

B2、依据步骤（6）中确定的焊接轨迹驱动激光扫描跟踪装置主体10和焊枪6移动，由于激光扫描跟踪装置主体10在焊枪6前方一定距离（20mm），所以焊枪6会在激光扫描跟踪装置主体10移动20mm后（此时，焊枪6移动至焊缝入口位置）引弧，在引弧的同时，进行焊接前的调整工作：通过驱动器24驱动转动轴23带动偏振镜片21转动，直至覆盖到激光扫描跟踪装置主体10底面上；激光扫描跟踪装置主体10发出的激光经过偏振镜片21转变为有规律的偏振激光，并控制角度（通过调整激光扫描跟踪装置主体10实现）使得有规律的偏振激光集中发射到焊缝坡口中；通过云台121调整激光接收器12的角度，使之刚好能接收反射回来的偏振激光；开始进行焊接；

B3、焊接过程中，由于偏振镜片21的偏振角度一致，基本只有反射的激光能够被激光接收器12获取；弧光以及弧光经钢板表面作用的二次光由于偏振方向不一样，只会有微量被激光接收器12获取，从而大大降低了影响；

B4、焊接过程中，激光接收器12得到的图像通过卷积神经网络消除弧光的微量影响，从而获取焊缝坡口的实时尺寸信息；

B5、机器人控制器30根据激光扫描跟踪装置主体10获取的焊缝坡口实时尺寸信息调整焊接轨迹，并据此引导焊枪6，从而完成焊接。

其它同实施例1。

上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置，包括激光扫描跟踪装置主体（10），所述激光扫描跟踪装置主体（10）内设有激光发射器（11）、激光接收器（12）以及用于调整激光接收器（12）的云台（121）；其特征在于：所述激光扫描跟踪装置主体（10）底部设有偏振机构（20），所述偏振机构（20）包括偏振镜片（21）和承载连接件（22），所述偏振镜片（21）与承载连接件（22）活动连接，所述承载连接件（22）与激光扫描跟踪装置主体（10）壳体固定连接；所述偏振镜片（21）以ZnSn玻璃为基片，且基片表面涂有高折射率的膜，所述基片为半球形，所述激光发射器（11）发出的激光入射偏振镜片（21）的夹角为56.5°。

2.根据权利要求1所述的适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置，其特征在于：所述偏振镜片（21）的一侧通过转动轴（23）与承载连接件（22）铰接。

3.根据权利要求1所述的适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置，其特征在于：所述偏振镜片（21）配备多种类型，不同类型的偏振镜片（21）的表面膜类型不同；所述偏振镜片（21）的安装方式为可拆卸式连接。

4.根据权利要求1所述的适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置，其特征在于：所述偏振镜片（21）背向激光扫描跟踪装置主体（10）的一侧设有凸透镜片（25）。

5.根据权利要求1-4任一项所述的适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪装置，其特征在于：所述激光扫描跟踪装置主体（10）通过激光组件连接杆（13）连接于焊接设备的工作端，且焊接设备的工作端设有焊枪夹持装置（8），所述焊枪夹持装置（8）内设有焊枪（6）。

6.一种适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪方法，其特征在于：采用权利要求5所述的偏振激光扫描跟踪装置，包括如下步骤：

A、扫描焊件坡口阶段：使偏振镜片（21）位于激光扫描跟踪装置主体（10）旁侧，不参与激光扫描跟踪装置主体（10）的激光扫描识别工作，根据激光扫描跟踪装置主体（10）的激光扫描识别结果，拟合获得焊接轨迹；

B、焊接焊缝跟踪阶段：焊接前的调整工作为：使偏振镜片（21）移动至覆盖到激光扫描跟踪装置主体（10）底面上，激光扫描跟踪装置主体（10）发出的激光经过偏振镜片（21）转变为有规律的偏振激光，并控制角度使得偏振激光集中发射到焊缝坡口中；并通过云台（121）调整激光接收器（12）的角度，使之刚好能接收反射回来的偏振激光；

B1、控制激光扫描跟踪装置主体（10）移动到焊缝入口位置，焊枪（6）随之移动到位；

B2、依据步骤A中确定的焊接轨迹驱动激光扫描跟踪装置主体（10）和焊枪（6）移动，当焊枪（6）移动至焊缝入口位置时引弧，开始进行焊接；

B3、焊接过程中，由于偏振镜片（21）的偏振角度一致，只有反射的激光能够被激光接收器（12）获取；弧光以及弧光经钢板表面作用的二次光由于偏振方向不一样，只会有微量被激光接收器（12）获取，从而大大降低了影响；

B4、焊接过程中，激光接收器（12）得到的图像通过卷积神经网络消除弧光的微量影响，从而获取焊缝坡口的实时尺寸信息；

B5、根据激光扫描跟踪装置主体（10）获取的焊缝坡口实时尺寸信息调整焊接轨迹，并据此引导焊枪（6），从而完成焊接。

7.根据权利要求6所述的适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪方法，其特征在于：步骤B1中，在激光扫描跟踪装置主体（10）移动到焊缝入口位置后，进行焊接前的调整工作。

8.根据权利要求6所述的适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪方法，其特征在于：步骤B2中，在焊枪（6）引弧时，进行焊接前的调整工作。

9.根据权利要求6所述的适用于不锈钢焊接的偏振激光扫描跟踪方法，其特征在于：步骤A中，激光扫描跟踪装置主体（10）识别的位置信息采用三次B样条插值拟合成焊接轨迹。