[發明專利]雙波長雙目視覺焊縫跟蹤方法及跟蹤系統

有效

• 申請號: 201510412801.3
• 申請日: 2015-07-15
• 公開（公告）號: CN104942404B
• 公開（公告）日: 2017-03-15
• 發明（設計）人: 高向東;黃冠雄
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學;佛山市南海區廣工大數控裝備協同創新研究院
• 主分類號: B23K9/127
• 分類號: B23K9/127
• 代理公司: 北京精金石專利代理事務所(普通合伙)11470
• 代理人: 劉曄

技術領域

本發明屬于焊接技術領域，具體涉及一種雙波長雙目視覺焊縫跟蹤方法及跟蹤系統。

背景技術

焊接是制造業領域重要的加工技術，具有工作條件惡劣、工作量大及質量要求高等諸多特點。電弧焊和激光焊是焊接工業中較常用的焊接工藝方法，以電弧和激光束作為被控對象實現焊接自動控制是焊接自動化的一個重要手段。其中，精確的焊縫跟蹤是保證焊接質量的前提，即在整個焊接過程中必須控制激光束或電弧使其始終與焊縫對中，否則就會造成廢品。為此，需精確地自動檢測出焊縫的位置并實現自動跟蹤。

由于焊接是一門復雜的熱加工工藝技術，工件在焊接過程中要產生熱變形，并且在焊接過程中會出現強烈的輻射、弧光、煙塵、飛濺等干擾，使得在焊接過程中實現焊縫位置的精確檢測相當困難。同時，焊接裝置機構誤差、夾具裝配誤差和焊接過程焊件熱變形等因素造成的焊縫路徑實際上是三維曲線焊縫，涉及到較為復雜的三維曲線跟蹤問題。并且焊縫間隙小且沒有坡口、坐標不在同一平面，自動識別和測量難度極大。

目前國內外對于焊縫位置信息的獲取主要集中在以下幾種方法：（1）結構光視覺傳感方法。結構光視覺傳感法通過激光源發射結構光對熔池前端的三維曲線焊縫進行掃描，由于焊縫與其兩邊的鋼板一般有高度差，在結構光的照射下會形成焊縫輪廓線，呈現出焊縫的三維信息。目前工業上應用的焊縫跟蹤器的工作原理大多數是結構光視覺傳感方法。但該方法有其難以克服的缺陷：對于等厚平板對接焊，一般只能有效檢測間隙大于0.15mm的焊縫。對于間隙小于0.15mm的焊縫，焊接前通常需要在對接焊縫表面處開微坡口，以使結構光在此處變形。但這無疑增加了加工成本、降低了焊接生產效率。而對于緊密對接、無坡口的焊縫，結構光幾乎不產生變形，所以，傳統的單波長結構光測量方法難以準確地識別和測量該種焊縫。再加上強烈的弧光和輻射干擾，更容易使得焊縫檢測出現誤判。（2）紅外傳感方法。該方法多用于電弧焊或焊件背面傳感激光焊的焊縫識別，焊接熔池及周圍形成一定的溫度場并伴隨紅外輻射，使用紅外攝像機直接拍攝熔池獲取紅外熱像，對采集到的弧焊區紅外熱像進行定量分析，可以獲得電弧偏離焊縫的量化信息。由于劇烈的熔池和溫度變化使得很難獲得層次分明的紅外圖像，再加上紅外傳感器易受環境干擾，所以該方法存在精度不高等問題。（3）直接圖像傳感方法。該方法利用攝像機直接拍攝熔池，通過圖像處理分析灰度分布，推測焊縫中心偏差信息。由于該方法直接獲取熔池圖像，很大程度上消除了導前誤差。但由于熔池變化劇烈且熔池處的焊縫已經熔化，焊縫信息基本湮沒，因此難以從根本上獲取焊縫偏差的特征和規律。（4）其它方法。如利用差動變壓器作為檢測垂直和水平方向偏差的傳感器；根據焊縫間隙對聲發射波傳播有影響的現象，利用聲發射-微處理器控制的焊縫檢測系統；應用電弧傳感器實現帶有坡口的V形焊縫檢測；利用電渦流方法檢測焊縫，但不能準確判斷焊縫左右偏差位置；超聲波傳感方法需要超聲變換器與被焊板材的緊密接觸，極大地限制了超聲波傳感器在檢測焊縫方面的應用。以上方法在檢測小間隙焊縫時都有局限性。

發明內容

本發明的主要目的在于克服上述現有焊縫跟蹤方法的不足，提供一種檢測精度高、運行可靠、簡單易用、具有一定通用性的雙波長視覺傳感和三軸伺服驅動的焊縫跟蹤系統。

為達到上述目的，本發明提供了一種雙波長雙目視覺焊縫跟蹤方法，該方法包括如下步驟：

a．圖像采集：微型工業控制機發出指令使結構光激光器發射出橫跨于焊縫的結構光，同時發出指令啟動近紅外攝像機、結構光攝像機工作，焊接過程中同步協調近紅外攝像機與結構光攝像機通過圖像采集卡分別采集熔池區域紅外圖像與熔池前端焊縫的結構光圖像，并將獲得的雙波長圖像傳輸到微型工業控制機中;

b．數據處理：應用多信息融合算法對熔池區域紅外圖像與熔池前端焊縫的結構光圖像進行處理，計算出準確的焊縫位置及跟蹤糾偏量;

c．焊縫跟蹤：應用卡爾曼濾波對焊縫跟蹤偏差狀態進行最優估計，找到濾波估計誤差與測量誤差之間的關系，通過伺服驅動器驅動伺服電動機運動從而控制三軸運動工作臺產生相應的運動，實現焊縫的精確跟蹤。

在上述方案中，所述近紅外攝像機攝取的近紅外光波長范圍為960-990nm；所述結構光攝像機攝取的可視結構光波長范圍為640-660nm。