本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種具有激光焊接和焊縫跟蹤傳感器功能的一體化焊接裝置。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代工業(yè)的大型化和高參數(shù)化，激光焊接技術(shù)也得到了充分體現(xiàn)。由于與傳統(tǒng)的電弧焊接相比較，激光焊接技術(shù)可將能量高度集中，熱影響區(qū)較小，同時(shí)焊接速度高、焊接變形小。所以國內(nèi)眾多學(xué)者將窄間隙焊接技術(shù)與激光焊接技術(shù)結(jié)合起來，獲得了窄間隙激光焊接技術(shù)。

但由于激光焊接過程相對(duì)復(fù)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(chǎn)生的變形等多重因素的影響，使得實(shí)際焊縫軌跡與焊接接縫的軌跡之間產(chǎn)生一定偏差，使得焊接質(zhì)量并不能得到保證。

本一體化激光焊槍為了保證實(shí)際焊縫軌跡與焊接接縫的軌跡之間吻合，使得焊接質(zhì)量得到保證。它主要是解決現(xiàn)有的窄間隙激光焊時(shí)焊縫跟蹤的實(shí)時(shí)性差的問題。對(duì)焊接過程的穩(wěn)定性及焊接質(zhì)量產(chǎn)生了直接的影響，并且其對(duì)激光焊接焊縫軌跡實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修正與補(bǔ)償，降低激光焊接件的預(yù)加工成本，提高焊接過程的工藝適應(yīng)能力。

經(jīng)文獻(xiàn)檢索，目前國內(nèi)外對(duì)激光焊接焊縫跟蹤公開號(hào)為105382410A的“具有自動(dòng)跟蹤功能的激光焊接設(shè)備”專利中，實(shí)現(xiàn)了一種激光焊接頭在工件表面自動(dòng)對(duì)焦的激光焊接設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的激光焊時(shí)焊縫跟蹤的實(shí)時(shí)性差的問題,并且對(duì)激光焊接焊縫軌跡實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修正與補(bǔ)償。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種具有激光焊接和焊縫跟蹤傳感器功能的一體化激光焊槍。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

當(dāng)一種具有焊縫跟蹤功能的一體化激光焊槍，在焊接過程中同時(shí)掃描焊縫坡口信息，點(diǎn)環(huán)傳感器接收到激光反射的焊縫坡口掃描信號(hào)，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波處理；其特征在于包括以下：

①一種具有焊縫跟蹤功能的一體化激光焊槍，其結(jié)構(gòu)是，激光發(fā)射器發(fā)出激光束，通過激光光纖送到一體化激光焊槍內(nèi)，其激光束依次通過透鏡，分光鏡，透鏡，并照射在工件上；其中，一部分激光束在通過分光鏡時(shí)，被分光鏡反射在具有激光焊接和焊縫跟蹤的一體化激光焊槍內(nèi)壁上，被內(nèi)壁上的鏡片反射，充當(dāng)輔助光源，進(jìn)行焊縫跟蹤檢測(cè)。

其中一體化激光焊槍底端的點(diǎn)環(huán)傳感器中，其環(huán)狀部分是由兩個(gè)光學(xué)鏡頭拼接成環(huán)狀，其目的是獲取焊縫寬度及及焊縫離焊槍高度特征信息。其信號(hào)輸出給點(diǎn)環(huán)CCD圖像處理器，其中點(diǎn)狀部分為點(diǎn)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激光焊槍的跟蹤方法包括如下步驟：

步驟1，在激光焊接的同時(shí)獲取焊縫的中心位置以及焊縫尺寸。面陣CCD傳感器將其采集的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成按時(shí)序串行輸出的圖像數(shù)據(jù)，以獲取焊縫路徑圖像，并且將該焊縫路徑圖像傳輸至點(diǎn)環(huán)CCD圖像處理器；

步驟2，點(diǎn)環(huán)CCD圖像處理器對(duì)焊縫路徑圖像進(jìn)行預(yù)處理，利用面陣CCD傳感器獲取焊縫路徑，計(jì)算出實(shí)際的焊縫路徑寬度和跟蹤方向，之后按照該焊縫路徑連續(xù)焊接。結(jié)合檢測(cè)紅外傳感器得到的工件高度，將焊接軌跡數(shù)據(jù)輸出至信息處理器；

步驟3，信息處理器對(duì)實(shí)際焊接軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出控制指令至位姿控制器；

步驟4，位姿控制器執(zhí)行信息處理器發(fā)出的控制指令，并且驅(qū)動(dòng)一體化激光焊槍，以調(diào)節(jié)該激光焊頭的位置以及控制該激光焊頭的焊接動(dòng)作。

步驟5，圖像處理模塊對(duì)焊縫路徑圖像進(jìn)行預(yù)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干擾圖像，得到有用圖像信息，并且加強(qiáng)焊縫特征信號(hào)，提取焊縫特征點(diǎn)，凸出圖像輪廓，之后進(jìn)行圖像拼接。

③其面陣CCD傳感器主要用于測(cè)量焊接高度及焊縫寬度，其紅外傳感器主要用于測(cè)量。其測(cè)量結(jié)果通過點(diǎn)環(huán)CCD圖像處理器，處理后，通過信息處理的計(jì)算，得出焊縫的尺寸信息，控制位姿控制器執(zhí)行信息處理器的控制指令，驅(qū)動(dòng)一體化激光焊槍，并調(diào)節(jié)該裝置的位置以及控制該裝置的焊接動(dòng)作。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)而言的有益效果在于:

通過焊縫跟蹤自動(dòng)完成焊接過程，使得激光焊接過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化與智能化，大大提高激光焊接加工的效率，提升激光焊接技術(shù)水平，降低了生產(chǎn)成本。

通過對(duì)焊縫的實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤與調(diào)整，可有效避免受多種客觀因素影響而造成焊接偏移等質(zhì)量問題，有效提高焊接質(zhì)量，由于焊接過程是自動(dòng)跟蹤完成，降低生產(chǎn)成本，改善勞動(dòng)條件。

適用性強(qiáng)。本發(fā)明適用于窄間隙脈沖焊接，對(duì)于對(duì)稱性的窄間隙坡口的熔寬具有良好的適應(yīng)性。而且，本發(fā)明還適用于任何具有對(duì)稱性坡口的非窄間隙脈沖焊接場合。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

附圖說明

圖1是一種具有焊縫跟蹤功能的一體化激光焊槍結(jié)構(gòu)圖，在圖中：1，一體化激光焊槍；2，點(diǎn)環(huán)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激光焊槍系統(tǒng)原理的結(jié)構(gòu)圖。在圖中：1，激光光纖；2，激光束；3，一體化激光焊槍,4，透鏡,5，分光鏡,6，反光鏡,7，可旋動(dòng)反光鏡,8，實(shí)時(shí)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激光焊槍鏡頭分布圖；

在圖中：1，紅外傳感器；2，面陣CCD傳感器；

圖4是實(shí)時(shí)鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是圖片信號(hào)融合的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述,但不限定本發(fā)明。

如圖1所示，一種具有焊縫跟蹤功能的一體化激光焊槍的焊接跟蹤系統(tǒng)，包括一體化激光焊槍1，點(diǎn)環(huán)CCD圖像處理2，信息處理器3，電源4，位姿控制器5。其一體化激光焊槍結(jié)構(gòu)為，通過激光光纖(1)傳輸?shù)募す獍l(fā)射器產(chǎn)生的激光束(2)依次穿過所述一體化激光焊槍(3)內(nèi)的透鏡(4)、分光鏡(5)、反光鏡(6)，并照射在工件上，其照射在分光鏡(5)部分的激光分為兩個(gè)部分，一束直接通過分光鏡，直接照射在工件，作為焊接激光，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(jìn)電機(jī)的可旋動(dòng)反光鏡(7)上，通過調(diào)節(jié)適當(dāng)角度照射在工件上。其中點(diǎn)環(huán)激光紅外傳感器、面陣CCD傳感器安裝在一體化激光焊槍上，紅外傳感器與信息處理器相連接，面陣CCD傳感器與點(diǎn)環(huán)CCD圖像處理器相連接，圖像處理器和信息處理器相連接并控制定位裝置控制激光焊槍位移變化.其實(shí)時(shí)CCD鏡頭組件包括實(shí)時(shí)CCD鏡頭(8)，光線依次經(jīng)過實(shí)時(shí)CCD鏡頭(8)內(nèi)的防飛濺高透玻璃片(13)到透鏡(12)、濾光片(11)、減光片(10)再進(jìn)入CCD或紅外傳感器相機(jī)。一體化激光焊槍底部是點(diǎn)環(huán)形傳感器，它由紅外傳感器和兩塊搭接的面陣CCD傳感器構(gòu)成。其中，環(huán)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，傳感器與激光焊槍一體化激光焊槍中紅外測(cè)距CCD傳感器的掃描工件，測(cè)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(shù)據(jù)，利用二值化處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得出焊縫軌跡，調(diào)整一體化激光焊槍，使激光焦距調(diào)整到最適角度。在焊接過程中面陣CCD傳感器實(shí)時(shí)的對(duì)熔寬進(jìn)行拍照，獲得焊縫熔寬的圖像，經(jīng)過圖像處理得出焊接過程中焊縫跟蹤的熔寬信息；通過對(duì)雙目視覺傳感器獲得的數(shù)據(jù)與CCD紅外傳感器的信息進(jìn)行融合，得出焊縫跟蹤的控制方案，實(shí)現(xiàn)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，保證一體化激光焊槍的沿焊縫方向移動(dòng)，自適應(yīng)焊縫軌跡變化。其中，紅外傳感器位于一體化激光焊槍底部圓形槽孔內(nèi)，環(huán)形槽孔是由兩塊面陣CCD搭接融合形成的。

所述的一體化激光焊槍,它由紅外傳感器、面陣CCD、透鏡、反光鏡、半導(dǎo)體激光器、掃描轉(zhuǎn)鏡、濾波片等構(gòu)成，焊接過程中，由激光分光形成的輔助光源擺動(dòng)形成的掃描激光對(duì)焊縫進(jìn)行掃描，通過雙目視覺原理找出一系列最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離，利用最小二乘法擬合出焊縫的軌跡。

2、所述的一體化激光焊槍的點(diǎn)環(huán)傳感器由面陣CCD和紅外傳感器、攝像鏡頭等構(gòu)成，實(shí)時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行拍照通過對(duì)圖像進(jìn)行處理，獲得跟蹤誤差，通過與紅外傳感器獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得出反饋的控制方案，實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。

其圖像信息融合的步驟在于：

(1)選取一個(gè)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(shù)，初始時(shí)j＝0；

b.用T檢驗(yàn)圖像，將兩幅圖像分別為G1和G2；

c.分別計(jì)算區(qū)域G1和G2中像素的平均灰度值m₁和m₂；

d.計(jì)算一個(gè)新的閾值T₁＝1/2(m₁+m₂)；

e.令j＝j(luò)+1，重復(fù)步驟b到步驟d，直到T(j+1)-T(j)＜0.5。

(2)根據(jù)計(jì)算所得的閾值對(duì)兩幅圖像進(jìn)行分割，得到目標(biāo)圖像和背景圖像。

再假設(shè)圖像A、B是來自于焊接現(xiàn)場同一時(shí)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(biāo)(x，y)處的像素值。對(duì)于圖像A,目標(biāo)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(huán)境，用A₂(x,y)來表示。對(duì)于圖像B，目標(biāo)圖像為焊接熔池、焊縫及周邊環(huán)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(shè)式(1)計(jì)算出圖像A、B閾值分別為T1、T2對(duì)圖像進(jìn)行分割如下：

(3)根據(jù)目標(biāo)圖像和背景圖像分別得到兩幅源圖像的光暈部分。

當(dāng)曝光量較大時(shí)，由于電弧屬于強(qiáng)光源，會(huì)導(dǎo)致采集到圖像中的電弧大于實(shí)際電弧，即出現(xiàn)光暈。為滿足融合圖像的真實(shí)性，需要分別計(jì)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(quán)平均融合算法對(duì)所得到的光暈圖像進(jìn)行融合假設(shè)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(duì)目標(biāo)圖像和光暈融合圖像進(jìn)行融合，得到最終的融合圖像。

假設(shè)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，F(xiàn)₂(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(shù)據(jù)F₁、A₂，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，擬合出焊縫高度h1_i，與此同時(shí)面陣CCD傳感器對(duì)焊縫進(jìn)行觀測(cè)，獲得焊縫的圖像信息F₂、B₁，面陣CCD輸出模擬視頻信號(hào)，得出焊接高度h2_i，經(jīng)過對(duì)比圖像處理得出焊接過程中的跟蹤誤差△h＝h1_i-h2_i>0，利用面陣CCD傳感器獲得跟蹤誤差對(duì)紅外傳感器獲得焊縫軌跡進(jìn)行誤差補(bǔ)償。根據(jù)照度與灰度的關(guān)系a、b為系數(shù)，當(dāng)標(biāo)定過程中均勻光源與相機(jī)的距離變化時(shí)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?？芍?，比較兩者光暈信號(hào)強(qiáng)弱，當(dāng)A₃(x,y)>B₃(x,y)時(shí)，得出加權(quán)的焊縫高度信息H＝0.4×h1_i+0.5×h2_i+△h，A₃(x,y)<B₃(x,y)時(shí),得出加權(quán)的焊縫高度信息H＝0.5×h1_i+0.4×h2_i+△h，最后，根據(jù)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(jì)算在于，在圖形處理的點(diǎn)運(yùn)算中,將彩色圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像，經(jīng)過平滑柔化處理后，在預(yù)先設(shè)定跟蹤誤差的最優(yōu)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(shè)定的閥值做比較，若誤差值小于設(shè)定的閥值，則將面陣CCD視覺傳感器獲得數(shù)據(jù)舍去，若跟蹤誤差大于設(shè)定的閾值則進(jìn)行誤差補(bǔ)償。再將圖像分割及二值處理，將焊縫特征的提取，測(cè)出焊縫的邊界,求出焊縫左邊和右邊位置的平均值,然后求出焊縫的中心位置，最后求出焊縫熔寬信息。