一種具有焊縫跟蹤功能的一體化雷射焊槍的製作方法

2023-10-10 11:15:04

本發明屬於焊接技術領域，具體的說是一種具有雷射焊接和焊縫跟蹤傳感器功能的一體化焊接裝置。

背景技術：

隨著現代工業的大型化和高參數化，雷射焊接技術也得到了充分體現。由於與傳統的電弧焊接相比較，雷射焊接技術可將能量高度集中，熱影響區較小，同時焊接速度高、焊接變形小。所以國內眾多學者將窄間隙焊接技術與雷射焊接技術結合起來，獲得了窄間隙雷射焊接技術。

但由於雷射焊接過程相對複雜，坡口的加工、工件的裝配精度要求很高，以及在焊接過程中受熱產生的變形等多重因素的影響，使得實際焊縫軌跡與焊接接縫的軌跡之間產生一定偏差，使得焊接質量並不能得到保證。

本一體化雷射焊槍為了保證實際焊縫軌跡與焊接接縫的軌跡之間吻合，使得焊接質量得到保證。它主要是解決現有的窄間隙雷射焊時焊縫跟蹤的實時性差的問題。對焊接過程的穩定性及焊接質量產生了直接的影響，並且其對雷射焊接焊縫軌跡實現自動修正與補償，降低雷射焊接件的預加工成本，提高焊接過程的工藝適應能力。

經文獻檢索，目前國內外對雷射焊接焊縫跟蹤公開號為105382410A的「具有自動跟蹤功能的雷射焊接設備」專利中，實現了一種雷射焊接頭在工件表面自動對焦的雷射焊接設備。

技術實現要素：

本發明的目的在於解決現有的雷射焊時焊縫跟蹤的實時性差的問題,並且對雷射焊接焊縫軌跡實現自動修正與補償。

為實現上述目的，本發明提供一種具有雷射焊接和焊縫跟蹤傳感器功能的一體化雷射焊槍。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：

當一種具有焊縫跟蹤功能的一體化雷射焊槍，在焊接過程中同時掃描焊縫坡口信息，點環傳感器接收到雷射反射的焊縫坡口掃描信號，對原始信號進行濾波處理；其特徵在於包括以下：

①一種具有焊縫跟蹤功能的一體化雷射焊槍，其結構是，雷射發射器發出雷射束，通過雷射光纖送到一體化雷射焊槍內，其雷射束依次通過透鏡，分光鏡，透鏡，並照射在工件上；其中，一部分雷射束在通過分光鏡時，被分光鏡反射在具有雷射焊接和焊縫跟蹤的一體化雷射焊槍內壁上，被內壁上的鏡片反射，充當輔助光源，進行焊縫跟蹤檢測。

其中一體化雷射焊槍底端的點環傳感器中，其環狀部分是由兩個光學鏡頭拼接成環狀，其目的是獲取焊縫寬度及及焊縫離焊槍高度特徵信息。其信號輸出給點環CCD圖像處理器，其中點狀部分為點陣CCD，獲取焊縫高度圖像。

②一種具有焊縫跟蹤功能的一體化雷射焊槍的跟蹤方法包括如下步驟：

步驟1，在雷射焊接的同時獲取焊縫的中心位置以及焊縫尺寸。面陣CCD傳感器將其採集的光信號轉換成按時序串行輸出的圖像數據，以獲取焊縫路徑圖像，並且將該焊縫路徑圖像傳輸至點環CCD圖像處理器；

步驟2，點環CCD圖像處理器對焊縫路徑圖像進行預處理，利用面陣CCD傳感器獲取焊縫路徑，計算出實際的焊縫路徑寬度和跟蹤方向，之後按照該焊縫路徑連續焊接。結合檢測紅外傳感器得到的工件高度，將焊接軌跡數據輸出至信息處理器；

步驟3，信息處理器對實際焊接軌跡數據進行處理，並且根據處理結果發出控制指令至位姿控制器；

步驟4，位姿控制器執行信息處理器發出的控制指令，並且驅動一體化雷射焊槍，以調節該雷射焊頭的位置以及控制該雷射焊頭的焊接動作。

步驟5，圖像處理模塊對焊縫路徑圖像進行預處理過程包括濾波處理和銳化處理。圖像處理模塊濾除焊縫路徑圖像中的幹擾圖像，得到有用圖像信息，並且加強焊縫特徵信號，提取焊縫特徵點，凸出圖像輪廓，之後進行圖像拼接。

③其面陣CCD傳感器主要用於測量焊接高度及焊縫寬度，其紅外傳感器主要用於測量。其測量結果通過點環CCD圖像處理器，處理後，通過信息處理的計算，得出焊縫的尺寸信息，控制位姿控制器執行信息處理器的控制指令，驅動一體化雷射焊槍，並調節該裝置的位置以及控制該裝置的焊接動作。

本發明相比現有技術而言的有益效果在於:

通過焊縫跟蹤自動完成焊接過程，使得雷射焊接過程實現了自動化與智能化，大大提高雷射焊接加工的效率，提升雷射焊接技術水平，降低了生產成本。

通過對焊縫的實時自動跟蹤與調整，可有效避免受多種客觀因素影響而造成焊接偏移等質量問題，有效提高焊接質量，由於焊接過程是自動跟蹤完成，降低生產成本，改善勞動條件。

適用性強。本發明適用於窄間隙脈衝焊接，對於對稱性的窄間隙坡口的熔寬具有良好的適應性。而且，本發明還適用於任何具有對稱性坡口的非窄間隙脈衝焊接場合。

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

附圖說明

圖1是一種具有焊縫跟蹤功能的一體化雷射焊槍結構圖，在圖中：1，一體化雷射焊槍；2，點環CCD圖像處理器；3，信息處理器；4，電源；5，位姿控制器；6，焊件；

圖2是一種具有焊縫跟蹤功能的一體化雷射焊槍系統原理的結構圖。在圖中：1，雷射光纖；2，雷射束；3，一體化雷射焊槍,4，透鏡,5，分光鏡,6，反光鏡,7，可旋動反光鏡,8，實時CCD鏡頭，9，防飛濺高透玻璃片；10，透鏡；11，濾光片；12，減光片；13，CCD鏡頭；

圖3是一種具有焊縫跟蹤功能的一體化雷射焊槍鏡頭分布圖；

在圖中：1，紅外傳感器；2，面陣CCD傳感器；

圖4是實時鏡頭的結構示意圖；

圖5是圖片信號融合的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的描述,但不限定本發明。

如圖1所示，一種具有焊縫跟蹤功能的一體化雷射焊槍的焊接跟蹤系統，包括一體化雷射焊槍1，點環CCD圖像處理2，信息處理器3，電源4，位姿控制器5。其一體化雷射焊槍結構為，通過雷射光纖(1)傳輸的雷射發射器產生的雷射束(2)依次穿過所述一體化雷射焊槍(3)內的透鏡(4)、分光鏡(5)、反光鏡(6)，並照射在工件上，其照射在分光鏡(5)部分的雷射分為兩個部分，一束直接通過分光鏡，直接照射在工件，作為焊接雷射，另一束被分光鏡反射，照在反光片上，通過反光片反射，反射在裝有小型步進電機的可旋動反光鏡(7)上，通過調節適當角度照射在工件上。其中點環雷射紅外傳感器、面陣CCD傳感器安裝在一體化雷射焊槍上，紅外傳感器與信息處理器相連接，面陣CCD傳感器與點環CCD圖像處理器相連接，圖像處理器和信息處理器相連接並控制定位裝置控制雷射焊槍位移變化.其實時CCD鏡頭組件包括實時CCD鏡頭(8)，光線依次經過實時CCD鏡頭(8)內的防飛濺高透玻璃片(13)到透鏡(12)、濾光片(11)、減光片(10)再進入CCD或紅外傳感器相機。一體化雷射焊槍底部是點環形傳感器，它由紅外傳感器和兩塊搭接的面陣CCD傳感器構成。其中，環狀部分是安裝由面陣CCD傳感器搭接的鏡頭，圓圈部分是安裝紅外傳感器。

1、在焊接過程中，傳感器與雷射焊槍一體化雷射焊槍中紅外測距CCD傳感器的掃描工件，測得工件高度，其面陣CCD傳感器通過雙目視覺原理得出焊縫的信息數據，利用二值化處理，對數據進行擬合得出焊縫軌跡，調整一體化雷射焊槍，使雷射焦距調整到最適角度。在焊接過程中面陣CCD傳感器實時的對熔寬進行拍照，獲得焊縫熔寬的圖像，經過圖像處理得出焊接過程中焊縫跟蹤的熔寬信息；通過對雙目視覺傳感器獲得的數據與CCD紅外傳感器的信息進行融合，得出焊縫跟蹤的控制方案，實現高精度的焊縫跟蹤；在焊接過程中主控利用焊縫軌跡信息通過十字滑架，保證一體化雷射焊槍的沿焊縫方向移動，自適應焊縫軌跡變化。其中，紅外傳感器位於一體化雷射焊槍底部圓形槽孔內，環形槽孔是由兩塊面陣CCD搭接融合形成的。

所述的一體化雷射焊槍,它由紅外傳感器、面陣CCD、透鏡、反光鏡、半導體雷射器、掃描轉鏡、濾波片等構成，焊接過程中，由雷射分光形成的輔助光源擺動形成的掃描雷射對焊縫進行掃描，通過雙目視覺原理找出一系列最遠點的距離，利用最小二乘法擬合出焊縫的軌跡。

2、所述的一體化雷射焊槍的點環傳感器由面陣CCD和紅外傳感器、攝像鏡頭等構成，實時對焊縫進行拍照通過對圖像進行處理，獲得跟蹤誤差，通過與紅外傳感器獲得數據進行融合，得出反饋的控制方案，實現焊縫跟蹤。

其圖像信息融合的步驟在於：

(1)選取一個初始閾值T，通常選擇CCD圖像的平均灰度值作為初始閾值。j為迭代次數，初始時j＝0；

b.用T檢驗圖像，將兩幅圖像分別為G1和G2；

c.分別計算區域G1和G2中像素的平均灰度值m1和m2；

d.計算一個新的閾值T1＝1/2(m1+m2)；

e.令j＝j+1，重複步驟b到步驟d，直到T(j+1)-T(j)＜0.5。

(2)根據計算所得的閾值對兩幅圖像進行分割，得到目標圖像和背景圖像。

再假設圖像A、B是來自於焊接現場同一時刻兩張不同的照片，圖像A是通過紅外傳感器獲得的圖像，圖像B是通過CCD傳感器獲得的圖像。A(x,y)、B(x,y)分別表示圖像A、B在坐標(x，y)處的像素值。對於圖像A,目標圖像為焊接電弧，用A1(x,y)來表示；背景圖像為焊接熔池、焊縫及周邊環境，用A2(x,y)來表示。對於圖像B，目標圖像為焊接熔池、焊縫及周邊環境，用B1(x,y)來表示；背景圖像為焊接電弧，用B2(x,y)來表示。假設式(1)計算出圖像A、B閾值分別為T1、T2對圖像進行分割如下：

(3)根據目標圖像和背景圖像分別得到兩幅源圖像的光暈部分。

當曝光量較大時，由於電弧屬於強光源，會導致採集到圖像中的電弧大於實際電弧，即出現光暈。為滿足融合圖像的真實性，需要分別計算出源圖像A、B的光暈部分，分別用A3(x,y)和B3(x,y)表示：

(4)用加權平均融合算法對所得到的光暈圖像進行融合假設得到的光暈融合圖像為C，用C(x,y)來表示

C(x,y)＝0.5×A3(x,y)+0.5×B3(x,y) (8)

(5)對目標圖像和光暈融合圖像進行融合，得到最終的融合圖像。

假設得到的最終融合圖像為F，用F1(x,y)表示圖像A的最終圖像，F2(x,y)表示圖像B的最終圖像。

F1(x,y)＝0.5×A1(x,y)+0.5×C(x,y)；F2(x,y)＝0.5×B2(x,y)+0.5×C(x,y)

(6)紅外傳感器獲得焊縫信息數據F1、A2，經過數據處理後，擬合出焊縫高度h1i，與此同時面陣CCD傳感器對焊縫進行觀測，獲得焊縫的圖像信息F2、B1，面陣CCD輸出模擬視頻信號，得出焊接高度h2i，經過對比圖像處理得出焊接過程中的跟蹤誤差△h＝h1i-h2i>0，利用面陣CCD傳感器獲得跟蹤誤差對紅外傳感器獲得焊縫軌跡進行誤差補償。根據照度與灰度的關係a、b為係數，當標定過程中均勻光源與相機的距離變化時a、b也隨之變化，表示均勻光源出光口照度值，G為圖像灰度值。可知，比較兩者光暈信號強弱，當A3(x,y)>B3(x,y)時，得出加權的焊縫高度信息H＝0.4×h1i+0.5×h2i+△h，A3(x,y)<B3(x,y)時,得出加權的焊縫高度信息H＝0.5×h1i+0.4×h2i+△h，最後，根據此焊縫高度軌跡可以控制焊槍找到焊縫最適焦距；

3、其焊縫熔寬計算在於，在圖形處理的點運算中,將彩色圖像轉化成灰度圖像，經過平滑柔化處理後，在預先設定跟蹤誤差的最優閾值，為圖像中的最大和最小灰度值的平均值，將面陣CCD視覺傳感器獲得的跟蹤誤差與設定的閥值做比較，若誤差值小於設定的閥值，則將面陣CCD視覺傳感器獲得數據捨去，若跟蹤誤差大於設定的閾值則進行誤差補償。再將圖像分割及二值處理，將焊縫特徵的提取，測出焊縫的邊界,求出焊縫左邊和右邊位置的平均值,然後求出焊縫的中心位置，最後求出焊縫熔寬信息。