主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置的製作方法

2023-10-09 17:15:19

專利名稱：主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種短波長雷射焊接過程中焊接小孔同軸視覺監測與焊前焊縫跟蹤的集成裝置，具體為一種可實現短波長雷射焊接過程中小孔的在線監測與焊縫跟蹤同時滿足的集成裝置。
背景技術：
隨著我國汽車行業的飛速發展，雷射焊接技術也得到了充分體現，但由於雷射焊接過程相對複雜，使得焊接質量並不能得到保證。經研究發現雷射深熔焊接過程中出現小孔的深度與焊縫深度有一定的關係，因此，利用監測雷射焊接過程中的小孔相關信息來實現對焊接質量的監測引起廣大學者的重視。目前對於C02、YAG雷射焊接的在線監測如等離子體監測、小孔形狀的監測有效性已得到了充分的證實。1997年由德國夫朗赫費雷射技術研究所(Fraunhofer Institute of Laser Technique)和加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)合作，首次採用CCD攝像機來監測焊接過程，德國Joerg Beerisek教授利用CMOS攝像機對雷射焊接過程中小孔的不穩定性進行了在線研究，利用觀察小孔圖像信息建立了熔池的圖像與雷射焊接熔透狀態的關係；清華大學陳武柱等對C02雷射焊接過程中小孔圖像的同軸監測做了深入研究， 並利用小孔圖像灰度的特徵與熔深建立了聯繫；哈爾濱工業大學秦國梁等建立了 YAG雷射焊接過程中小孔形狀與各種焊接參數的關係，並通過在線監測小孔平面形狀後利用算法推導出小孔的深度，形成了對小孔三維形態的研究；華中科技大學王春明等人對光纖雷射焊接熔池和小孔的高速攝像做了初步分析，但由於不是同軸拍攝小孔，所以拍攝到的小孔的形狀有變形，在焊接過程中，採用高速攝像機拍攝熔池圖像，但沒有涉及熔深等質量參數與熔池幾何參數的關係；Beersiek採用同軸視覺傳感器拍攝了熔池圖像，並通過對垂直焊接方向的灰度分布處理，獲得了熔池寬度等特徵信息，定性分析了熔池寬度與熔深的對應關係，但沒有給出它們之間的定量關係。焊縫跟蹤研究方面已相當成熟，大都是利用輔助雷射光源照射待焊接焊縫，CCD或 CMOS相機拍攝焊縫圖像，經採集系統將圖像傳入電腦，利用拍攝的待焊區域的焊縫，系統可自動將雷射焦點位置調整到焊縫中心。整套系統結構複雜，安裝不便，且成本較高。且現有的文獻中仍然沒有涉及基於輔助光源的將小孔在線監測與焊縫跟蹤集於一體的裝置，而只對被動式小孔形狀或灰度進行監測，並將焊縫跟蹤裝置分離開來進行單獨研究。目前國內外對雷射焊接質量監測及焊縫跟蹤主要有以下方法公開號為 CN1072365的「連續雷射焊接過程中焊接質量的實時監測方法」專利中利用雷射焊接時出現的小孔效應焊接狀態，大量蒸發的金屬原子在自由電子級聯效應的作用下產生激發、電離形成的離子體發出的特徵光、聲信號，對光、電、聲的測取。通過光、電子線路實現用光、 聲信號聯合實時監測雷射焊接質量。公開號為CN101391344的「一種雷射焊接過程穩定性實時監測方法」專利中採用首先在雷射焊接初始穩定階段內，採集熔池的紅外光信號，對其分析獲得熔池的熱輻射當量，計算熔池熱輻射當量的平均值，再計算輻射當量偏差，然後確定熔池穩定範圍，在雷射後續焊接過程中周期性採集熔池的紅外光信號，計算熔池在單個周期內熱輻射當量的平均值，將其與熔池穩定範圍比較，以判斷熔池穩定性。公開號為Cm01081459的「三維雷射焊接和切割過程的實時監測裝置」專利中提出了一種三維雷射加工過程同軸採集紅外波段和等離子體輻射光信號的實時質量監測的裝置。公開號為 CN101961819A的「一種雷射焊接焊縫跟蹤實現裝置及其控制方法」專利中提出通過上層參數設置和控制單元設置參數；採集焊縫圖像進行處理得到焊縫圖像數據；將焊縫圖像數據緩存、標定，確定焊槍偏移量；運動控制單元中的運動控制器進行跟蹤軌跡的濾波、擬合以及軌跡規劃，結果送給運動軸驅動器來實現雷射焊接焊縫跟蹤實現裝置及其控制。公開號為CN101623867的「一種使機器人高精度跟蹤指定路徑的設備和方法」專利中提出一種綜合利用同軸視覺傳感系統和焊縫位置測量傳感系統來進行路徑跟蹤和偏差補償的機器人加工系統和路徑跟蹤方法，用於雷射焊接等高精度加工。國外precitec公司生產的焊接頭中將聲、光、電三種傳感器安裝在雷射頭上用於監測雷射焊接質量，成本高，安裝複雜； prometec公司利用被動式同軸監測方式監測雷射焊接熔池圖像，並提取出焊接熔池的圖像信息判斷焊接質量的好壞，但是以上方法或產品都是熔池監測與焊縫跟蹤分別進行，這使所需設備複雜，安裝不便，成本較高。

發明內容
針對現有技術的缺陷，本發明旨在提供一種主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，該集成裝置採用LED點光源作為輔助光源，可實現焊縫跟蹤與小孔監測同時進行，能清晰的拍攝到焊縫及焊接小孔的圖像，為實現雷射焊接質量監控及焊縫跟蹤
一體化做鋪墊。為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案是一種主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，包括位於工件上方的雷射頭，位於雷射頭一側的輔助光源照射裝置，其結構特點是，通過光纖傳輸的雷射束依次穿過設置在所述雷射頭內的透鏡A、分光鏡、透鏡B，並照射在工件上，在所述雷射頭一側設有與雷射頭同軸觀測工件焊接狀態的同軸光學鏡頭組件。所述同軸光學鏡頭組件包括同軸光學鏡頭，該同軸光學鏡頭內從上至下依次裝有減光片、濾光片、透鏡D、反光鏡，在該反光鏡與所述分光鏡之間設有透鏡C。所述同軸光學鏡頭組件與一成像系統相連。進一步地，所述成像系統優選包括CXD 或CMOS相機。所述輔助光源照射裝置包括點光源、聚光器，所述點光源與點光源控制器相連。為了保證輔助光源的照射效果，所述點光源優選為波長為522nm M2nm的綠色 LED點光源。所述輔助光源照射裝置裝在光源安裝調整支架，該光源安裝調整支架固定在雷射頭上。所述輔助光源照射裝置的結構為，包括裝在雷射頭上的點光源固定支架，裝在點光源固定支架上的點光源調整支架，所述點光源裝在該點光源調整支架上，且點光源的入射方向與水平面之間的夾角α為20° 75°。
籍由上述結構，本發明提出通過外加輔助光源照射焊接點，提高CXD或CMOS相機捕捉小孔圖像的清晰度，照射點也可將待焊區域的焊縫照亮，使CCD或CMOS相機捕捉到焊縫，做到焊縫跟蹤，並設計了一套濾光系統及光源調角度定位裝置，以濾掉等離子體等其他輻射光源的幹擾及通過調整光源照射角度拍攝出清晰的小孔圖像，從而實現小孔的在線監測及焊縫跟蹤的同步進行，整套裝置安裝簡單，成本低。以下對本發明作進一步的描述。本發明的主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，包括如下裝置1)輔助光源照射裝置，包括中心波長為532nm的綠色LED點光源、聚光器及亮度調整開關；2)光源安裝調整裝置，包括光源固定、高低位置調整、照射焊接區域的照射角度調度調整，該角度調整可實現高角度與低角度照明； 3)成像系統，包括CXD或CMOS相機拍攝裝置；4)同軸光學鏡頭組件，包括鏡頭內部的反光鏡、減光片、濾光片，鏡頭焦距調節、光圈大小調節；5)數據採集裝置，包括千兆網接口數據採集卡，電腦；6)機械固定裝置，包括輔助光源照射裝置、光源安裝調整裝置、成像系統、同軸光學鏡頭組件固定在雷射焊接頭上的緊定螺釘。所述的輔助光源照射裝置包括將聚光器套在LED點光源的頭部，光源亮度調整開關與點光源連接，通過調整聚光器焦距可調整點光源的光斑直徑，點光源控制器可實現光源的輸出亮度調節；所述的光源安裝調整裝置包括通過緊定螺釘將調整支架固定在雷射頭上，通過調整調整支架上的手動螺栓，可實現LED點光源的高度調節及對焊接區域的照射角度調節， 範圍為20° 75° ；所述的成像系統與所述的同軸光學鏡頭通過C型接口與C⑶或CMOS相機連接，同軸鏡頭上的調焦螺母可以調節焦點位置，以便拍攝到清晰的圖像，雷射頭裡的分光鏡與同軸鏡頭裡的透鏡C，反光鏡將光線反射到與CCD或CMOS相機共線的方向，再通過濾波片與減光片的濾光與減光作用將焊接區域的圖像投射到CCD或CMOS相機上；所述的數據採集裝置是將數據採集卡安裝到電腦上，相機與數據採集卡通過千兆網接口相連，採集到的數據在線傳送至電腦上並儲存。與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明採用LED點光源作為輔助光源，通過同軸鏡頭組件的設計，實現了焊縫跟蹤與小孔監測同時進行，並能清晰的拍攝到焊縫及焊接小孔的圖像，為實現雷射焊接質量監控及焊縫跟蹤一體化做鋪墊，且本集成裝置成本低、結構簡單、安裝方便、易於操作。以下通過附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步說明。


圖1是本發明一種實施例的結構示意圖；圖2是本發明所述光源安裝調整支架的結構示意圖；圖3是本發明所述的同軸鏡頭結構示意圖4是本發明的雷射光線傳輸示意圖。在圖中1，光纖；2，雷射束；3，透鏡A ;4，分光鏡；5，透鏡B ；6，雷射頭；7，聚光器；8，點光源；9，點光源調整支架；10，點光源固定支架；11，同軸鏡頭；11-1，透鏡C;11-2，反光鏡；11-3，透鏡D ； 11-4，濾光片；11-5，減光片；11-6，同軸鏡頭焦距調節螺母；12，CXD或CMOS相機；13，點光源控制器；α -點光源的入射方向與水平面之間的夾角。
具體實施例方式一種主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，如圖1所示，首先將透鏡Cl 1-1、反光鏡11-2、透鏡Dl 1-3、濾光片11_4、減光片11-5按照圖4光路布置圖安裝在同軸鏡頭內，將CCD或CMOS相機12通過C型接口與同軸鏡頭連接後通過緊定螺釘安裝在雷射頭6 —側；將點光源固定支架10通過緊定螺釘安裝在雷射頭6 —側，將聚光器7套在點光源8頭部後通過手動螺釘安裝在點光源調整支架9上，點光源調整支架9通過手動螺栓與點光源固定支架10連接；在進行焊接前先通過點光源控制器13使點光源8輸出的亮度滿足需求，如圖2所示，通過調整點光源調整支架9使點光源8的高度及照射角度滿足需求，調整聚光器7的焦距控制點光源8的斑點直徑；通過電腦控制打開CXD或CMOS相機12， 通過調節同軸鏡頭焦距調節螺釘11-7改變鏡頭焦距，使CXD或CMOS相機拍攝的圖像清晰滿足要求；在焊接過程中由安裝在雷射頭6內部的分光鏡4將焊接區域的光反射到與其共線的同軸鏡頭11內，如圖4所示，光線依次經過同軸鏡頭11內的透鏡C11-1、反光鏡11-2、 透鏡D11-3、濾光片11-4、減光片11-5再進入C⑶或CMOS相機，所採集的數據通過數據線經數據採集卡存儲到電腦中，拍攝到的焊縫及小孔的圖像清晰，存儲格式可以為BMP圖片、 AVI錄像，為下一步的控制做準備。上述實施例闡明的內容應當理解為這些實施例僅用於更清楚地說明本發明，而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。
權利要求
1.一種主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，包括位於工件上方的雷射頭(6)，位於雷射頭(6) —側的輔助光源照射裝置，其特徵是，通過光纖(1)傳輸的雷射束 (2)依次穿過設置在所述雷射頭(6)內的透鏡B(5)、分光鏡G)、透鏡A(3)，並照射在工件上，在所述雷射頭(6) —側設有與雷射頭(6)同軸觀測工件焊接狀態的同軸光學鏡頭組件。
2.根據權利要求1所述的主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，其特徵是，所述同軸光學鏡頭組件包括同軸光學鏡頭(11)，該同軸光學鏡頭(11)內從上至下依次裝有減光片(11-5)、濾光片(11-4)、透鏡D(ll-3)、反光鏡(11_2)，在該反光鏡(11_2)與所述分光鏡(4)之間設有透鏡C(Il-I)。
3.根據權利要求2所述的主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，其特徵是，所述同軸光學鏡頭組件與一成像系統相連。
4.根據權利要求3所述的主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，其特徵是，所述成像系統包括CXD或CMOS相機(12)。
5.根據權利要求1所述的主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，其特徵是，所述輔助光源照射裝置包括點光源(8)、聚光器(7)，所述點光源(8)與點光源控制器 (13)相連。
6.根據權利要求5所述的主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，其特徵是，所述點光源( 為波長為的綠色LED點光源。
7.根據權利要求1、5或6所述的主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，其特徵是，所述輔助光源照射裝置裝在光源安裝調整支架，該光源安裝調整支架固定在雷射頭(6)上。
8.根據權利要求7所述的主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，其特徵是，所述輔助光源照射裝置的結構為，包括裝在雷射頭(6)上的點光源固定支架(10)，裝在點光源固定支架(10)上的點光源調整支架(U)，所述點光源(8)裝在該點光源調整支架 (11)上，且點光源(8)的入射方向與水平面之間的夾角α為20° 75°。
全文摘要
本發明公開了一種主動式短波長雷射焊接小孔監測及焊縫跟蹤集成裝置，為了實現焊前的焊縫跟蹤及焊接過程小孔的在線監測同步進行，本發明包括位於工件上方的雷射頭，位於雷射頭一側的輔助光源照射裝置，通過光纖傳輸的雷射束依次穿過設置在所述雷射頭內的透鏡A、分光鏡、透鏡B，並照射在工件上，在所述雷射頭一側設有與雷射頭同軸觀測工件焊接狀態的同軸光學鏡頭組件。本發明利用安裝在雷射頭上的LED點光源進行高角度照射，通過同軸拍攝焊接區域，在清晰拍攝到焊接小孔連續圖像的同時捕獲跟蹤待焊區域的焊縫，實現了焊縫跟蹤與焊接小孔在線監測同時進行，且成本低、結構簡單、安裝方便、易於操作。
文檔編號B23K26/42GK102513708SQ20111038235
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者張屹, 張成磊, 陳根餘 申請人:湖南大學