一种激光扫描焊缝跟踪装置及其跟踪方法与流程

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种激光扫描焊缝跟踪装置及其跟踪方法。

背景技术

在自动化焊接过程中，如果焊枪头部和焊缝的相对位置产生偏差，则会导致成型差和未焊透等缺陷。而在焊接制造过程中，由于焊接时的恶劣环境、焊件装配误差、焊接应力和焊接变形所引起的焊缝位置和尺寸的变化，都需要对焊枪与焊缝的相对位置误差进行检测和纠正，所以采用焊缝跟踪技术尤为重要。为克服焊缝大小和截面不一致等不确定因素对焊接质量的影响，提高自动伺服焊接的可靠性，需要机器人等自动伺服机构能在线实时调整焊枪的位置，确保焊枪对中焊缝中心，保证焊缝成形质量。

接触式焊缝跟踪传感器由于不受电弧干扰，结构简单，操作直接，维修方便，成本低，是目前使用最多的一种焊缝跟踪方法。但采用机械接触式传感器，对坡口的加工要求较高，跟踪坡口表面的任何损伤和粗糙不平都会影响跟踪的稳定性及跟踪精度；探针始终和坡口接触，磨损较大，易变形，要经常更换；另外对于大坡口焊缝采用多层多道焊时，只能在第一层打底焊时跟踪，其余焊缝则无能为力。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的广泛应用的接触式焊缝跟踪传感器对坡口的加工要求较高，其探针始终和坡口接触，磨损较大，易变形，要经常更换的问题，本发明提供一种激光扫描焊缝跟踪装置及其跟踪方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下，一种激光扫描焊缝跟踪装置，包括支撑机构和激光跟踪机构，所述激光跟踪机构包括激光位移传感器、步进电机、连接板和安装板，所述连接板固定设置在支撑机构上，所述步进电机固定设置在连接板上，所述安装板的一端与步进电机的输出轴固定连接，其另一端与激光位移传感器固定连接，所述安装板上还固定设置有定位传感器，所述激光位移传感器朝向焊缝，所述步进电机驱动激光位移传感器在焊缝上方圆弧往复移动。

进一步地，所述支撑机构包括上支撑结构和下支撑结构，所述上支撑结构和下支撑结构之间设置有缓冲弹簧，所述下支撑结构的底面固定设置有滚轮，所述连接板固定设置在下支撑结构上。该焊缝跟踪装置的滚轮始终与焊接工件接触保证高度稳定，减少与焊接工件表面的摩擦，提高该焊缝跟踪装置的测量精度；缓冲弹簧能有效保护滚轮不被压坏，延长该焊缝跟踪装置的使用寿命。

激光扫描焊缝跟踪装置的跟踪方法：激光位移传感器横向以圆弧轨迹往复扫描焊缝，采集焊缝内与激光位移传感器圆弧轨迹对应的圆弧路径的深度信息，再将圆弧路径的深度信息修正为直线路径的深度信息；

修正处理过程如下：将某一圆弧路径与焊缝上端面边界的两交点作一直线相连，该直线在焊缝内的正投影即为直线路径；借助定位传感器得出两交点的坐标和直线路径的中心坐标以及该直线路径的宽度信息，再将该圆弧路径与前一圆弧路径分别作n等分，分别连接两圆弧路径对应的各等分点得到n条等分线，已知该圆弧路径某一等分点深度为a、前一圆弧路径对应等分点深度为b，该等分线与直线路径相交处为待求点处深度为c，该待求点到该圆弧路径和前一圆弧路径的等分点的距离分别为s1和s2，则待求点处深度为：c＝(a*s2+b*s1)/(s1+s2)，通过各待求点的深度即可拟合得到焊缝在经过该直线路径处的截面形状和面积；

修正处理后，焊接机械手根据截面形状和面积带动焊枪调整姿态、位置和速度，使焊枪始终处于焊缝中心位置，直至整个焊缝焊接完成。

进一步地，激光位移传感器横向以圆弧轨迹往复扫描焊缝前，先手动调整焊接机械手回定位传感器设定的机械零点，焊接机械手再带动激光位移传感器移动到焊缝上方，并使激光位移传感器垂直于焊缝，再调整步进电机的转角定位于定位传感器的原点位置，使该原点位置为横向扫描焊缝的左始起点。

进一步地，激光位移传感器横向以圆弧轨迹往复扫描焊缝前，设定步进电机驱动激光位移传感器横向以圆弧轨迹往复扫描焊缝的行程，该行程大于最大焊缝宽度。

有益效果：本发明的步进电机驱动激光位移传感器横向以圆弧轨迹往复扫描焊缝各点深度信息，借助定位传感器，通过前后圆弧路径的深度信息插补修正计算为直线路径的深度信息，将直线路径的深度信息转换为焊缝的中心位置坐标、宽度、深度信息，实时调整焊接机械手带动焊枪调整姿态、位置和速度，实现焊缝跟踪，该焊缝跟踪装置对焊接环境适应性强，结构简单，设计巧妙，维修方便，成本较低；本发明的激光扫描焊缝跟踪装置的跟踪方法，操作简便，计算快捷，具有实际应用价值。

附图说明

图1是本发明的激光扫描焊缝跟踪装置与焊接机械手的装配立体结构示意图；

图2是图1中a的局部放大示意图；

图3是本发明激光扫描焊缝跟踪装置的立体结构示意图；

图4是本发明激光扫描焊缝跟踪装置的跟踪方法的原理示意图；

图中1、支撑机构，11、上支撑结构，12、下支撑结构，13、缓冲弹簧，14、滚轮，2、激光跟踪机构，21、激光位移传感器，22、定位传感器，23、步进电机，24、连接板，25、安装板，31、圆弧路径，32、直线路径，4、焊接机械手，5、焊缝，a、圆弧路径某一等分点深度，b、前一圆弧路径对应等分点深度，c、待求点深度，s1、待求点到该圆弧路径的等分点的直线距离，s2、待求点到前一圆弧路径的等分点的直线距离。

具体实施方式

实施例

如图1～4所示，一种激光扫描焊缝跟踪装置，该焊缝跟踪装置与焊枪并列设置在焊接机械手4上，包括支撑机构1和激光跟踪机构2，所述激光跟踪机构2包括激光位移传感器21、步进电机23、连接板24和安装板25，所述连接板24固定设置在支撑机构1上，所述步进电机23固定设置在连接板24上，所述安装板25的一端与步进电机23的输出轴固定连接，其另一端与激光位移传感器21固定连接，所述安装板25上还固定设置有定位传感器22，所述激光位移传感器21朝向焊缝5，所述步进电机23驱动激光位移传感器21在焊缝5上方圆弧往复移动。为了支撑机构1支撑稳定可靠，所述支撑机构1包括上支撑结构11和下支撑结构12，所述上支撑结构11和下支撑结构12之间设置有缓冲弹簧13，所述下支撑结构12的底面固定设置有滚轮14，所述连接板24固定设置在下支撑结构12上，滚轮14始终与焊接工件接触保证高度稳定，减少与焊接工件表面的摩擦，提高该焊缝跟踪装置的测量精度；缓冲弹簧13能有效保护滚轮14不被压坏，延长该焊缝跟踪装置的使用寿命。

激光扫描焊缝跟踪装置的跟踪方法：

先手动调整焊接机械手4回定位传感器22设定的机械零点，焊接机械手4再带动激光位移传感器21移动到焊缝5上方，并使激光位移传感器21垂直于焊缝5，设定步进电机23驱动激光位移传感器21横向以圆弧轨迹往复扫描焊缝5的行程，该行程大于最大焊缝5宽度，再调整步进电机23的转角定位于定位传感器22的原点位置，使该原点位置为横向扫描焊缝5的左始起点。

焊接加工开始后，焊接机械手4带动激光跟踪机构2沿焊缝5纵向运行的同时，启动步进电机23，其驱动激光位移传感器21横向以圆弧轨迹往复扫描焊缝5，采集焊缝5内与激光位移传感器21圆弧轨迹对应的圆弧路径31的深度信息，激光激光位移传感器21运动的圆弧轨迹在焊缝5内的正投影即为圆弧路径31，再将圆弧路径31的深度信息修正为直线路径32的深度信息；

修正处理过程如下：将某一圆弧路径31与焊缝5上端面边界的两交点作一直线相连，该直线在焊缝5内的正投影即为直线路径32；借助定位传感器22得出两交点的坐标和直线路径32的中心坐标以及该直线路径32的宽度信息，从而得出该直线路径32处的焊缝5中心位置坐标和宽度信息，再将该圆弧路径31与前一圆弧路径31分别作n等分，该圆弧路径31与前一圆弧路径31沿焊缝5的纵向平行，分别连接两圆弧路径31对应的各等分点得到n条等分线，已知该圆弧路径31某一等分点深度为a、前一圆弧路径31对应等分点深度为b，该等分线与直线路径32相交处为待求点处深度为c，该待求点到该圆弧路径31和前一圆弧路径31的等分点的直线距离分别为s1和s2，采用线性插值的方法，则待求点处深度为：c＝(a*s2+b*s1)/(s1+s2)，通过各待求点的深度即可拟合得到焊缝5在经过该直线路径32处的截面形状和面积；

修正处理后，连同定位传感器22的位置信息一起发送给焊接机械手4的伺服控制处理器，通过焊缝5的中心位置坐标、宽度信息和截面形状和面积焊接机械手4带动焊枪调整姿态、位置和速度，使焊枪始终处于焊缝5中心位置，直至整个焊缝5焊接完成。