單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器。本傳感器包含一套自適應視覺視野裝置、一個基于面陣CCD的攝像機、一個自適應擺動器、一個線激光發射器、一個點激光發射器、一套自適應超前距離轉接機構以及傳感器保護罩。在焊接起始點位置自適應擺動器可以自適應調節擺動掃描激光的長度，自適應視覺視野裝置可以自適應調節視覺的視野范圍；在焊接過程中根據線激光與焊縫的交點到線激光與掃描激光的交點的距離得出焊槍的高度偏差，通過掃描激光的長度的變化得出左右偏差，根據掃描激光折彎的位置及角度確定波紋板焊縫拐點的位置以及折彎的角度；自適應超前距離轉接機構可以根據焊接工藝參數的變化自適應調節超前距離。
【專利說明】
單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器
技術領域
[0001] 本發明涉及焊縫跟蹤領域，是一種單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳 感器。
【背景技術】
[0002] 由于波紋板有較好的力學性能，目前大量用于集裝箱的生產，集裝箱的生產是勞 動密集型產業需要大量的焊接工人，且工作環境惡劣人力成本高，所以實現波紋板焊接自 動化是亟需解決的問題。目前用于波紋板的焊接方法主要是手工焊接和機械仿形半自動焊 接，焊接效率低且焊接質量難以保證，波紋板焊縫成型質量不高。這些問題在我國波紋板焊 接中長期存在又一直未得到解決的難題，以至于制約了我國集裝箱等行業的制造技術的進 步和行業增長模式的轉變。為了提高波紋板焊接的自動化水平，本發明提出一種單目自適 應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器，可以有效地提高波紋板焊接的自動化水平。在 可查的期刊文獻中所公開的基于視覺的波紋板焊接焊縫跟蹤方法自動化程度較低很難同 時實現起始點定位和焊縫跟蹤。

【發明內容】

[0003] 為了解決現有技術存在的不足，更好的推動焊接設備的自動化的進程，針對目前 波紋板焊接中多為半自動化，生產效率低的現狀，本發明提出了一種單目自適應交叉激光 視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器。
[0004] 本發明采用如下技術方案：
[0005] -種單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器，本傳感器包含一套自適 應視覺視野裝置、一個基于面陣CCD的攝像機、一個自適應擺動器、一個點激光發射器、一個 線激光發射器、一套自適應轉接機構以及一個傳感器保護罩。所述的基于面陣CCD的攝像 機、自適應擺動器、點激光發射器、線激光發射器封裝在傳感器保護罩中。所述的單目自適 應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器通過自適應轉接機構與焊槍固連;點激光發射器 與自適應擺動器固連，自適應擺動器以固定角度擺動且與傳感器保護罩固連;線激光發射 器與傳感器保護罩固連，線激光的軸線與豎直面傾斜45度安裝，擺動掃描激光的中間位置 的軸線與線激光的軸線相交;基于面陣CCD的攝像機的軸線與擺動掃描激光中間位置的軸 線和線激光的軸線組成的平面夾角為60度。
[0006] 所述的點激光發射器與自適應擺動器固連，焊接過程中自適應擺動器以固定角度 擺動以產生固定長度的擺動掃描激光，擺動掃描激光打在波紋板上與焊縫平行且距離焊縫 有一個固定的對中高度，若焊槍左偏則擺動掃描激光的長度會變長，若焊槍右偏則擺動掃 描激光的長度會變短，根據擺動掃描激光的長度變化量來計算焊槍的左右偏差量，從而控 制焊槍左右偏差的補償。當擺動掃描激光掃描到波紋板的拐點時，激光條紋會呈現出波紋 板拐角的形狀，根據掃描激光條紋出現拐點的位置可以得出波紋板焊縫拐點的位置，根據 激光條紋上折線的角度可以獲得波紋板焊縫拐點的角度及方向，從而控制焊槍進行焊槍姿 態的調整。
[0007] 所述的線激光發射器產生線激光，線激光打在波紋板焊縫上呈現出波紋板焊縫的 形狀。在波紋板焊縫的起始位置根據波紋板焊縫與線激光的交點到線激光與擺動掃描激光 交點的距離以及擺動掃描激光的長度來尋找波紋板焊縫的起始點;在焊接過程中根據焊縫 與線激光的交點到線激光與擺動掃描激光交點的距離來提取焊槍的高度偏差，根據擺動掃 描激光的長度來提取焊槍左右偏差。
[0008] 所述的自適應視覺視野裝置由一套自適應螺旋傳動機構、步進電機以及步進電機 驅動電路;步進電機驅動電路通過控制線路與主控連接；自適應螺旋傳動機構的一端與傳 感器保護罩固連，另一端通過自適應超前距離轉接機構與焊槍固連。在波紋板焊縫起始點 位置時主控根據激光條紋在基于面陣CCD攝像機視野中的位置以及大小控制步進電機帶動 自適應螺旋傳動機構轉動，以帶動傳感器保護罩前后移動實現基于面陣CCD攝像機視野范 圍的調節，從而使線激光與焊縫的交點、線激光與擺動掃描激光的交點以及擺動掃描激光 的全部長度處于基于面陣CCD攝像機的視野中且具有適當的比例。
[0009] 所述的自適應超前距離轉接機構由一套自適應螺旋傳動機構、步進電機、步進電 機驅動電路以及與焊槍連接的法蘭盤組成，步進電機驅動電路通過控制線路與主控連接。 由于在基于單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器的焊縫跟蹤系統中傳感器 是超前安裝的，所以必定會存在超前誤差。超前誤差的大小是和超前距尚是呈正相關的，超 前距離越大，超前誤差就越大，但是如果超前距離過小焊接過程產生的強烈的弧光和飛濺 就會對視覺信號產生嚴重的干擾，例如產生高斯噪聲、椒鹽噪聲等，所以設計合適的超前距 離是必要的。以"梯形波紋板"為例，由于波紋板的"三段式"的特殊結構，為了保證焊接質 量，在焊接不同的波段時采用不同的焊接工藝參數，為了提高焊接精度所以不同的焊接工 藝參數選用不同的超前距離。本發明提出的單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳 感器可以根據不同的焊接工藝參數自適應調節超前距離從而提高焊縫跟蹤的精度。當焊槍 到達波紋板的"拐點"時，焊槍進行姿態調整的同時調用不同的焊接工藝參數，主控根據不 同的焊接工藝參數匹配不同的超前距離從而控制步進電機的轉動進而實現單目自適應交 叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器超前距離的自適應調節。
[0010] 發明的有益效果：
[0011] 本發明涉及一種單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器，通過掃描激 光的長度以及掃描激光的高度來實現波紋板焊縫起始點的識別以及焊縫跟蹤，通過掃描激 光的形狀實現波紋板拐點位置的判斷以及拐角的計算。本發明所提出的單目自適應交叉激 光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器可以根據激光條紋在基于面陣CCD攝像機視野中的位置自 適應的調芐基于面陣CCD攝像機的視野范圍，從而提高視覺質量;本發明所提出的單目自適 應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器可以根據不同的工藝參數自適應的調節焊槍的 超前距離從而提高焊縫跟蹤的精度。本發明提出了一種全自動化的波紋板焊接方法，可以 提高波紋板焊接的自動化水平，進而大大提高波紋板焊接的效率。
【附圖說明】
[0012] 圖1是基于單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器的焊縫跟蹤系統 圖。
[0013] 圖2是單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器的機械結構圖。
[0014] 圖3是單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器偏差提取的幾何關系 圖。
[0015] 圖4是單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器尋找波紋板焊縫軌跡拐 點的幾何關系圖。
[0016] 圖中：1一波紋板，2-單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器，3-自 適應視覺視野裝置，4 一步進電機，5-十字滑架，6-焊槍姿態調節轉動關節，7-自適應超 前距離轉接機構，8-多自由度焊接小車9一傳感器保護罩，10-線激光發射器，11一點激光 發射器，12 -自適應擺動器，13 -自適應螺旋傳動機構，14 一自適應螺旋傳動機構，15-基 于面陣C⑶攝像機，16-步進電機。
【具體實施方式】
[0017] 為了更好地表達整個發明的技術方案與有益效果，下面結合附圖和實施案例對本 發明做進一步詳細說明。本發明的實施方式不限于此。
[0018] 步驟1:波紋板焊接起始點的識別。
[0019] 在焊接前設定所需的掃描激光的長度Lbf以及線激光與焊縫的交點到線激光與掃 描激光的交點的距離Ldl。擺動掃描激光裝置11、12發射的擺動掃描激光打在波紋板上同時 線激光發射器10發射線激光以及基于線陣CCD的攝像機15進行拍照，基于線陣CCD的攝像機 拍15攝到激光條紋，經過圖像處理得出掃描激光的長度L BF1，將獲得的激光的長度與設定的 掃描激光的長度的初值進行對比，若Lbfi<Lbf則主控控制焊槍左移直到Lbfi = Lbf，若Lbfi> Lbf則主控控制焊槍右移直到LBF1 = LBF。若LBF1 = LBF，經過圖像處理得出線激光與焊縫的交點 到線激光與掃描激光的交點的距離Ldu，若Ldu<Ldl則主控控制焊槍上移，直到Ldu = Ldl，若 Ldli > Ldl則主控控制焊槍下移到Ldli = Ldl，若Lbfi = Lbf且Ldli = Ldl則起弧焊接。
[0020] 步驟2:波紋板焊縫跟蹤的偏差提取。
[0021] 在焊接前設定所需的掃描激光的長度Lbf以及線激光與焊縫的交點到線激光與掃 描激光的交點的距離Ldl。在焊接過程中擺動掃描激光裝置11、12發射的擺動掃描激光打在 波紋板上同時線激光發射器10發射線激光以及基于線陣CCD的攝像機15進行拍照，基于線 陣CCD的攝像機15拍攝到激光條紋，經過圖像處理得出掃描激光的長度L BF1&及線激光與焊 縫的交點到線激光與掃描激光的交點的距離Ldli。若Lbfi < Lbf則焊槍右偏Lbfi = Lce，此時偏 差量為圖3中的【丑/ = W -[班^。若Lbfi>Lbf貝焊槍左偏Lbfi = Lag，此時焊 槍偏差量為圖3中的Lu。^ - Lu,?。從而得出焊槍的的左右偏差量LlJ、 Lhi，進而主控控制焊槍實現左右偏差的補償。若Ldli <Ldl，則焊槍下偏，偏移量為Ldl-Ldli ;若 Ldli>Ldl，則焊槍丄偏，偏移量為Ldli-Ldl。從而得出焊槍的尚度偏差，進而主控控制焊槍實 現高度方向上的補償。
[0022]步驟3:波紋板焊縫拐點的識別
[0023]在焊接過程中當基于線陣CCD的攝像機15拍攝到的掃描激光的激光條紋上出現折 線時掃描激光已經到達波紋板的拐點。經過圖像處理得出圖4中ND的長度Lnd，從而獲得波紋 板焊縫拐點的位置。圖4中，根據線段BN和線段ND的斜率計算出線段BN與線段ND之間的夾角 <BND，<BND = jt- | tan-Abn | - | tan-And |。從而獲得波紋板焊縫拐點的位置以及波紋板焊縫 拐角的大小，進而主控控制焊槍到達波紋板拐點時實現焊槍姿態的調整。
【主權項】
1. 一種單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器，其特征在于:本傳感器包 含一套自適應視覺視野裝置、一個基于面陣CCD的攝像機、一個自適應擺動器、一個點激光 發射器、一個線激光發射器、一套自適應轉接機構以及傳感器保護罩;所述的基于面陣CCD 的攝像機、自適應擺動器、點激光發射器、線激光發射器封裝在傳感器保護罩中；點激光發 射器與自適應擺動器固連，自適應擺動器以固定角度擺動，產生固定長度的擺動掃描激光； 線激光的軸線與豎直面傾斜45度安裝，擺動掃描激光的中間位置的軸線與線激光的軸線相 交;基于面陣CCD的攝像機的軸線與擺動掃描激光中間位置的軸線和線激光的軸線組成的 平面夾角為60度;所述的單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器通過自適應轉 接機構與焊槍固連。2. 根據權利要求1所述的一種單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器，其 特征在于:所述的自適應視覺視野裝置由一套自適應螺旋傳動機構、步進電機以及步進電 機驅動電路組成;步進電機驅動電路通過控制線路與主控連接；自適應螺旋傳動機構的一 端與傳感器的保護外殼固連，另一端通過自適應超前距離轉接機構與焊槍固連;所述的自 適應超前距離轉接機構可以根據焊接工藝參數的變化自適應調節傳感器的超前距離。3. 根據權利要求1所述的一種單目自適應交叉激光視覺的波紋板焊縫跟蹤傳感器，其 特征在于:在波紋板焊縫的起始位置根據焊縫與線激光的交點到線激光與擺動掃描激光交 點的距離以及擺動掃描激光的長度來尋找波紋板焊縫的起始點;在焊接過程中根據波紋板 焊縫與線激光的交點到線激光與擺動掃描激光交點的距離來提取焊槍的高度偏差，根據擺 動掃描激光的長度來提取焊槍左右偏差;根據擺動掃描激光出現折彎的位置以及折彎的角 度來尋找波紋板焊縫拐角的位置和角度。
【文檔編號】B23K37/02GK106002022SQ201610397080
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】李湘文, 賈愛亭, 洪波, 鐘勇
【申請人】湘潭大學