单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器。本传感器包含一套自适应视觉视野装置、一个基于面阵CCD的摄像机、一个自适应摆动器、一个线激光发射器、一个点激光发射器、一套自适应超前距离转接机构以及传感器保护罩。在焊接起始点位置自适应摆动器可以自适应调节摆动扫描激光的长度，自适应视觉视野装置可以自适应调节视觉的视野范围；在焊接过程中根据线激光与焊缝的交点到线激光与扫描激光的交点的距离得出焊枪的高度偏差，通过扫描激光的长度的变化得出左右偏差，根据扫描激光折弯的位置及角度确定波纹板焊缝拐点的位置以及折弯的角度；自适应超前距离转接机构可以根据焊接工艺参数的变化自适应调节超前距离。
【专利说明】
单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及焊缝跟踪领域，是一种单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传 感器。
【背景技术】
[0002] 由于波纹板有较好的力学性能，目前大量用于集装箱的生产，集装箱的生产是劳 动密集型产业需要大量的焊接工人，且工作环境恶劣人力成本高，所以实现波纹板焊接自 动化是亟需解决的问题。目前用于波纹板的焊接方法主要是手工焊接和机械仿形半自动焊 接，焊接效率低且焊接质量难以保证，波纹板焊缝成型质量不高。这些问题在我国波纹板焊 接中长期存在又一直未得到解决的难题，以至于制约了我国集装箱等行业的制造技术的进 步和行业增长模式的转变。为了提高波纹板焊接的自动化水平，本发明提出一种单目自适 应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器，可以有效地提高波纹板焊接的自动化水平。在 可查的期刊文献中所公开的基于视觉的波纹板焊接焊缝跟踪方法自动化程度较低很难同 时实现起始点定位和焊缝跟踪。
【发明内容】
[0003] 为了解决现有技术存在的不足，更好的推动焊接设备的自动化的进程，针对目前 波纹板焊接中多为半自动化，生产效率低的现状，本发明提出了一种单目自适应交叉激光 视觉的波纹板焊缝跟踪传感器。
[0004] 本发明采用如下技术方案：
[0005] -种单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器，本传感器包含一套自适 应视觉视野装置、一个基于面阵CCD的摄像机、一个自适应摆动器、一个点激光发射器、一个 线激光发射器、一套自适应转接机构以及一个传感器保护罩。所述的基于面阵CCD的摄像 机、自适应摆动器、点激光发射器、线激光发射器封装在传感器保护罩中。所述的单目自适 应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器通过自适应转接机构与焊枪固连;点激光发射器 与自适应摆动器固连，自适应摆动器以固定角度摆动且与传感器保护罩固连;线激光发射 器与传感器保护罩固连，线激光的轴线与竖直面倾斜45度安装，摆动扫描激光的中间位置 的轴线与线激光的轴线相交;基于面阵CCD的摄像机的轴线与摆动扫描激光中间位置的轴 线和线激光的轴线组成的平面夹角为60度。
[0006] 所述的点激光发射器与自适应摆动器固连，焊接过程中自适应摆动器以固定角度 摆动以产生固定长度的摆动扫描激光，摆动扫描激光打在波纹板上与焊缝平行且距离焊缝 有一个固定的对中高度，若焊枪左偏则摆动扫描激光的长度会变长，若焊枪右偏则摆动扫 描激光的长度会变短，根据摆动扫描激光的长度变化量来计算焊枪的左右偏差量，从而控 制焊枪左右偏差的补偿。当摆动扫描激光扫描到波纹板的拐点时，激光条纹会呈现出波纹 板拐角的形状，根据扫描激光条纹出现拐点的位置可以得出波纹板焊缝拐点的位置，根据 激光条纹上折线的角度可以获得波纹板焊缝拐点的角度及方向，从而控制焊枪进行焊枪姿 态的调整。
[0007] 所述的线激光发射器产生线激光，线激光打在波纹板焊缝上呈现出波纹板焊缝的 形状。在波纹板焊缝的起始位置根据波纹板焊缝与线激光的交点到线激光与摆动扫描激光 交点的距离以及摆动扫描激光的长度来寻找波纹板焊缝的起始点;在焊接过程中根据焊缝 与线激光的交点到线激光与摆动扫描激光交点的距离来提取焊枪的高度偏差，根据摆动扫 描激光的长度来提取焊枪左右偏差。
[0008] 所述的自适应视觉视野装置由一套自适应螺旋传动机构、步进电机以及步进电机 驱动电路;步进电机驱动电路通过控制线路与主控连接；自适应螺旋传动机构的一端与传 感器保护罩固连，另一端通过自适应超前距离转接机构与焊枪固连。在波纹板焊缝起始点 位置时主控根据激光条纹在基于面阵CCD摄像机视野中的位置以及大小控制步进电机带动 自适应螺旋传动机构转动，以带动传感器保护罩前后移动实现基于面阵CCD摄像机视野范 围的调节，从而使线激光与焊缝的交点、线激光与摆动扫描激光的交点以及摆动扫描激光 的全部长度处于基于面阵CCD摄像机的视野中且具有适当的比例。
[0009] 所述的自适应超前距离转接机构由一套自适应螺旋传动机构、步进电机、步进电 机驱动电路以及与焊枪连接的法兰盘组成，步进电机驱动电路通过控制线路与主控连接。 由于在基于单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器的焊缝跟踪系统中传感器 是超前安装的，所以必定会存在超前误差。超前误差的大小是和超前距尚是呈正相关的，超 前距离越大，超前误差就越大，但是如果超前距离过小焊接过程产生的强烈的弧光和飞溅 就会对视觉信号产生严重的干扰，例如产生高斯噪声、椒盐噪声等，所以设计合适的超前距 离是必要的。以"梯形波纹板"为例，由于波纹板的"三段式"的特殊结构，为了保证焊接质 量，在焊接不同的波段时采用不同的焊接工艺参数，为了提高焊接精度所以不同的焊接工 艺参数选用不同的超前距离。本发明提出的单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传 感器可以根据不同的焊接工艺参数自适应调节超前距离从而提高焊缝跟踪的精度。当焊枪 到达波纹板的"拐点"时，焊枪进行姿态调整的同时调用不同的焊接工艺参数，主控根据不 同的焊接工艺参数匹配不同的超前距离从而控制步进电机的转动进而实现单目自适应交 叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器超前距离的自适应调节。
[0010] 发明的有益效果：
[0011] 本发明涉及一种单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器，通过扫描激 光的长度以及扫描激光的高度来实现波纹板焊缝起始点的识别以及焊缝跟踪，通过扫描激 光的形状实现波纹板拐点位置的判断以及拐角的计算。本发明所提出的单目自适应交叉激 光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器可以根据激光条纹在基于面阵CCD摄像机视野中的位置自 适应的调苄基于面阵CCD摄像机的视野范围，从而提高视觉质量;本发明所提出的单目自适 应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器可以根据不同的工艺参数自适应的调节焊枪的 超前距离从而提高焊缝跟踪的精度。本发明提出了一种全自动化的波纹板焊接方法，可以 提高波纹板焊接的自动化水平，进而大大提高波纹板焊接的效率。
【附图说明】
[0012] 图1是基于单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器的焊缝跟踪系统 图。
[0013] 图2是单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器的机械结构图。
[0014] 图3是单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器偏差提取的几何关系 图。
[0015] 图4是单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器寻找波纹板焊缝轨迹拐 点的几何关系图。
[0016] 图中：1一波纹板，2-单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器，3-自 适应视觉视野装置，4 一步进电机，5-十字滑架，6-焊枪姿态调节转动关节，7-自适应超 前距离转接机构，8-多自由度焊接小车9一传感器保护罩，10-线激光发射器，11一点激光 发射器，12 -自适应摆动器，13 -自适应螺旋传动机构，14 一自适应螺旋传动机构，15-基 于面阵C⑶摄像机，16-步进电机。
【具体实施方式】
[0017] 为了更好地表达整个发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施案例对本 发明做进一步详细说明。本发明的实施方式不限于此。
[0018] 步骤1:波纹板焊接起始点的识别。
[0019] 在焊接前设定所需的扫描激光的长度Lbf以及线激光与焊缝的交点到线激光与扫 描激光的交点的距离Ldl。摆动扫描激光装置11、12发射的摆动扫描激光打在波纹板上同时 线激光发射器10发射线激光以及基于线阵CCD的摄像机15进行拍照，基于线阵CCD的摄像机 拍15摄到激光条纹，经过图像处理得出扫描激光的长度L BF1，将获得的激光的长度与设定的 扫描激光的长度的初值进行对比，若Lbfi<Lbf则主控控制焊枪左移直到Lbfi = Lbf，若Lbfi> Lbf则主控控制焊枪右移直到LBF1 = LBF。若LBF1 = LBF，经过图像处理得出线激光与焊缝的交点 到线激光与扫描激光的交点的距离Ldu，若Ldu<Ldl则主控控制焊枪上移，直到Ldu = Ldl，若 Ldli > Ldl则主控控制焊枪下移到Ldli = Ldl，若Lbfi = Lbf且Ldli = Ldl则起弧焊接。
[0020] 步骤2:波纹板焊缝跟踪的偏差提取。
[0021] 在焊接前设定所需的扫描激光的长度Lbf以及线激光与焊缝的交点到线激光与扫 描激光的交点的距离Ldl。在焊接过程中摆动扫描激光装置11、12发射的摆动扫描激光打在 波纹板上同时线激光发射器10发射线激光以及基于线阵CCD的摄像机15进行拍照，基于线 阵CCD的摄像机15拍摄到激光条纹，经过图像处理得出扫描激光的长度L BF1&及线激光与焊 缝的交点到线激光与扫描激光的交点的距离Ldli。若Lbfi < Lbf则焊枪右偏Lbfi = Lce，此时偏 差量为图3中的【丑/ = W -[班^。若Lbfi>Lbf贝焊枪左偏Lbfi = Lag，此时焊 枪偏差量为图3中的Lu。^ - Lu,?。从而得出焊枪的的左右偏差量LlJ、 Lhi，进而主控控制焊枪实现左右偏差的补偿。若Ldli <Ldl，则焊枪下偏，偏移量为Ldl-Ldli ;若 Ldli>Ldl，则焊枪丄偏，偏移量为Ldli-Ldl。从而得出焊枪的尚度偏差，进而主控控制焊枪实 现高度方向上的补偿。
[0022]步骤3:波纹板焊缝拐点的识别
[0023]在焊接过程中当基于线阵CCD的摄像机15拍摄到的扫描激光的激光条纹上出现折 线时扫描激光已经到达波纹板的拐点。经过图像处理得出图4中ND的长度Lnd，从而获得波纹 板焊缝拐点的位置。图4中，根据线段BN和线段ND的斜率计算出线段BN与线段ND之间的夹角 <BND，<BND = jt- | tan-Abn | - | tan-And |。从而获得波纹板焊缝拐点的位置以及波纹板焊缝 拐角的大小，进而主控控制焊枪到达波纹板拐点时实现焊枪姿态的调整。
【主权项】
1. 一种单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器，其特征在于:本传感器包 含一套自适应视觉视野装置、一个基于面阵CCD的摄像机、一个自适应摆动器、一个点激光 发射器、一个线激光发射器、一套自适应转接机构以及传感器保护罩;所述的基于面阵CCD 的摄像机、自适应摆动器、点激光发射器、线激光发射器封装在传感器保护罩中；点激光发 射器与自适应摆动器固连，自适应摆动器以固定角度摆动，产生固定长度的摆动扫描激光； 线激光的轴线与竖直面倾斜45度安装，摆动扫描激光的中间位置的轴线与线激光的轴线相 交;基于面阵CCD的摄像机的轴线与摆动扫描激光中间位置的轴线和线激光的轴线组成的 平面夹角为60度;所述的单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器通过自适应转 接机构与焊枪固连。2. 根据权利要求1所述的一种单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器，其 特征在于:所述的自适应视觉视野装置由一套自适应螺旋传动机构、步进电机以及步进电 机驱动电路组成;步进电机驱动电路通过控制线路与主控连接；自适应螺旋传动机构的一 端与传感器的保护外壳固连，另一端通过自适应超前距离转接机构与焊枪固连;所述的自 适应超前距离转接机构可以根据焊接工艺参数的变化自适应调节传感器的超前距离。3. 根据权利要求1所述的一种单目自适应交叉激光视觉的波纹板焊缝跟踪传感器，其 特征在于:在波纹板焊缝的起始位置根据焊缝与线激光的交点到线激光与摆动扫描激光交 点的距离以及摆动扫描激光的长度来寻找波纹板焊缝的起始点;在焊接过程中根据波纹板 焊缝与线激光的交点到线激光与摆动扫描激光交点的距离来提取焊枪的高度偏差，根据摆 动扫描激光的长度来提取焊枪左右偏差;根据摆动扫描激光出现折弯的位置以及折弯的角 度来寻找波纹板焊缝拐角的位置和角度。
【文档编号】B23K37/02GK106002022SQ201610397080
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】李湘文, 贾爱亭, 洪波, 钟勇
【申请人】湘潭大学