CN108890135A - 激光视觉传感焊缝间隙检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光视觉传感焊缝间隙检测装置与方法，属于焊缝间隙检测领域。激光视觉传感器通过传感器连接线与工控机中的图像采集卡相连，所述激光视觉传感器通过冷却板与连接板通过螺丝固定连接，连接板通过螺丝与绝缘连接件连接，绝缘连接件与焊枪夹持件A通过螺丝固定连接，焊枪夹持件A、焊枪夹持件B与焊枪夹持相连，焊丝从焊枪中心伸出，与工控机相连的显示器作为人机交互界面，实现参数设置及处理结果输出。焊接之前或焊接同时检测焊缝间隙，所检测的数据可以作为焊接机器人决策是否摆弧焊接以及摆弧幅度，提高产品焊接质量和一次焊接合格率，节省补焊造成的设备、材料等各种浪费、环境污染及降低职业病的发生率。实用性强。

Description

激光视觉传感焊缝间隙检测装置与方法

技术领域

本发明涉及焊缝间隙检测领域，特别涉及一种激光视觉传感焊缝间隙检测装置与方法。

背景技术

机器人被广泛应用于弧焊领域，弧焊机器人如果按照试教轨迹工作，对工件的加工、定位精度要求极高，否则，不仅自动焊接会中断，转为人工补焊，甚至会产生废品。比如，在汽车保险杠机器人弧焊中，焊缝多数为冲压件组合而成，尽管模具精度符合要求而且冲压或滚压工艺参数根据板材性能进行了调整，但还会出现一些冲压件形状参数拨动，不同的冲压件组合，有的组对缝隙会较大，当间隙大于1.2mm(焊丝直径)时，机器人按照原有的规划轨迹无法自动焊接，有一些件需要100％的人工补焊，焊接质量及焊接效率很低，人力开销很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光视觉传感焊缝间隙检测装置与方法，解决了机器人弧焊过程不能检测焊缝间隙的同时按照试教轨迹焊接而造成的较低的一次合格率以及较低的自动化焊接程度及相关的浪费问题。每条焊缝在焊接前或焊接同时检测焊缝间隙，进一步实现机器人摆弧焊接，提高产品焊接质量和一次焊接合格率，节省补焊造成的设备、材料等各种浪费、环境污染及降低职业病的发生率，可以节约90％的人工成本。推动机器人弧焊向“无人化”智能制造迈出必要的一步。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

激光视觉传感焊缝间隙检测装置，激光视觉传感器1通过传感器连接线9与工控机10中的图像采集卡相连，所述激光视觉传感器1通过冷却板2与连接板3通过螺丝固定连接，连接板3通过螺丝与绝缘连接件4连接，绝缘连接件4与焊枪夹持件A5通过螺丝固定连接，焊枪夹持件A5、焊枪夹持件B6与焊枪7夹持相连，焊丝8从焊枪7中心伸出，与工控机10相连的显示器11作为人机交互界面，实现参数设置及处理结果输出。

所述的激光视觉传感器1是：航空插座101固定在上端盖102上，上端盖102固定在主体103上，镜头108与摄像机107固定连接，摄像机107及激光光源1011分别固定在主体103上；窄带滤光片109和减光片1010安装于固定件104上，下端盖106通过固定件104安装于主体103上；防护片105安装在下端盖106与固定件104之间的间隙中。

所述的激光光源1011的轴线与摄像机107的轴线的夹角为20°～40°，激光波长为658nm，激光条纹线长60mm～100mm，线宽0.5mm～2mm，所采用的摄像机为黑白视频摄像机，输出为PAL制式视频信号，采用的窄带滤光片为通带波长为640nm～670nm；激光视觉传感器1下端面距离工件A12、工件B13上表面60mm～80mm，激光视觉传感器1相对于焊枪7的中心线前视距离为10mm～80mm。

所述的工控机10中的图像采集卡为DH-CG300。

本发明的另一目的在于提供一种激光视觉传感焊缝间隙检测方法，包括如下步骤：

步骤(1)、启动***，在工控机10中进行图像采集及处理程序设计，通过激光视觉传感器1，摄取工件A12、工件B13对接焊缝激光条纹图像，显示器1中左上部分图像为焊缝激光条纹实时图像，调整激光视觉传感器1位置和高度，确保焊缝坡口部分激光条纹图像位于图像显示区中心区域；显示器11中右上部分图像为经过二值化处理、软件滤波处理后得到的焊缝激光条纹边缘数据曲线，曲线ab段为工件A12铝板激光条纹曲线，曲线bc段为工件A12铝板坡口激光条纹曲线，曲线cd段为工件A12、工件B13两块铝板对接缝开缝激光条纹曲线，曲线de段为工件B13铝板坡口激光条纹曲线，曲线ef段为工件B13铝板激光条纹曲线；

步骤(2)检测精度测试：采用多种焊缝间隙及测试得到的摄像机像素数之间的对应关系，计算平均值得出焊缝间隙检测精度；

步骤(3)焊缝间隙检测：通过分析焊缝间隙激光条纹图像特征，采用斜率分析法将激光条纹图像数据曲线各点斜率计算出来后，通过比较相邻点的斜率，若某一点斜率满足以下两个条件，即认为特征拐点，也就是焊缝间隙边沿；

(1)特征拐点在斜率突变足够明显的单调区间内；

(2)特征拐点为此单调区间内斜率变化的最大值点；

焊缝间隙的边沿之间的像素数与间隙检测精度的乘积即为焊缝间隙。

本发明的有益效果在于：焊接之前或焊接同时检测焊缝间隙，所检测的数据可以作为焊接机器人决策是否摆弧焊接以及摆弧幅度，解决了现有机器人弧焊过程对焊缝间隙无检测的技术问题，为进一步实现机器人弧焊摆弧焊接，提高产品焊接质量和一次焊接合格率，节省补焊造成的设备、材料等各种浪费、环境污染及降低职业病的发生率，推动机器人弧焊向“无人化”智能制造迈出必要的一步。实用性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的激光视觉传感焊缝间隙检测装置结构示意图；

图2为本发明的激光视觉传感器的主视结构示意图；

图3为本发明的激光视觉传感器的侧视图；

图4为本发明的激光视觉传感焊缝间隙检测工件坡口尺寸图；

图5为本发明的激光视觉传感工件坡口焊缝间隙检测结果示意图；

图6为本发明的激光视觉传感汽车保险杠总成焊缝间隙检测结果示意图；

图7为本发明的激光视觉传感汽车保险杠总成焊缝间隙检测激光条纹图像数据曲线图；

图8激光视觉传感汽车保险杠总成焊缝间隙检测激光条纹图像数据采用斜率分析法处理后结果示意图。

图中：1、激光视觉传感器；2、冷却板；3、连接板；4、绝缘连接件；5、焊枪夹持件A；6、焊枪夹持件B；7、焊枪；8、焊丝；9、传感器连接线；10、工控机；11、显示器；12、工件A；13、工件B；14、激光条纹；15、摄像机视野；101、航空插座；102、上端盖；103、主体；104、固定件；105、防护片；106、下端盖；107、摄像机；108、镜头；109、窄带滤光片；1010、减光片；1011、激光光源。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图8所示，本发明的激光视觉传感焊缝间隙检测装置，激光视觉传感器1通过传感器连接线9与工控机10中的图像采集卡相连，所述激光视觉传感器1通过冷却板2与连接板3通过螺丝固定连接，连接板3通过螺丝与绝缘连接件4连接、绝缘连接件4与焊枪夹持件A5通过螺丝固定连接，焊枪夹持件A5与焊枪夹持件B6与焊枪7夹持相连，焊丝8从焊枪7中心伸出，与工控机10相连的显示器11作为人机交互界面，实现参数设置及处理结果输出。

参见图2及图3所示，本发明所述的激光视觉传感器1是：航空插座101固定在上端盖102上，上端盖102固定在主体103上，镜头108与摄像机107固定连接，摄像机107及激光光源1011分别固定在主体103上；窄带滤光片109和减光片1010固定在固定件104上，所述固定件104固定在主体103上，下端盖106通过固定件104固定在主体103上；防护片105安装在下端盖106与固定件104之间的间隙中。

所述的激光光源1011的轴线与摄像机107的轴线的夹角为20°～40°，激光波长为658nm，激光条纹线长60mm～100mm，线宽0.5mm～2mm，所采用的摄像机为黑白视频摄像机，输出为PAL制式视频信号，采用的窄带滤光片为通带波长为640nm～670nm；激光视觉传感器1下端面距离工件A12、工件B13上表面60mm～80mm，激光视觉传感器1相对于焊枪7的中心线前视距离为10mm～80mm。

所述的工控机10中的图像采集卡为DH-CG300。

参见图4所示，本发明实施例采用的工件A12、工件B13是厚度为4mm的两块铝板对接，每块铝板坡口角度为35度，钝边厚度1mm。

参见图1、图4至图8所示，本发明的激光视觉传感焊缝间隙检测方法，包括如下步骤：

步骤(1)、启动***，在工控机10中进行图像采集及处理程序设计，通过激光视觉传感器1，摄取工件A12、工件B13对接焊缝激光条纹图像，如图5所示，显示器11中左上部分图像为焊缝激光条纹实时图像，调整传感器1位置和高度，确保焊缝坡口部分激光条纹图像位于图像显示区中心区域。显示器11中右上部分图像为经过二值化处理、软件滤波处理后得到的焊缝激光条纹图像数据曲线，曲线ab段为工件A12铝板激光条纹曲线，曲线bc段为工件A12铝板坡口激光条纹曲线，曲线cd段为工件A12、工件B13两块铝板对接缝开缝激光条纹曲线，曲线de段为工件B13铝板坡口激光条纹曲线，曲线ef段为工件B13铝板激光条纹曲线。

步骤(2)、检测精度测试，实施例中采用五种实际焊缝间隙，具体实施是采用测试后的一定厚度的钢板塞入焊缝中，测试得出五种实际焊缝间隙与摄像机像素数之间的对应关系，如下表所示：

实验序号	1	2	3	4	5
						实际焊缝间隙	1.09mm	2.22mm	3.31mm	4.44mm	5.59mm
像素数	28	49	70	88	114

对这五组数据求和取平均值得出检测精度：0.047mm/像素；焊缝间隙检测范围0～5.5mm

步骤(3)、汽车保险杠总成焊缝间隙测试，显示器显示的测试结果如图6所示，焊缝激光条纹图像数据曲线如图7所示，横坐标W为沿着激光条纹方向摄像机图像坐标，纵坐标H为垂直激光条纹方向像机图像坐标。焊缝间隙边沿识别程序算法采用斜率分析法，在分析斜率时，焊缝激光条纹图像数据曲线中第i个像素点斜率为式(1)，为了保证计算的可靠性，往往将斜率公式修正为式(2)，即

K＝Y_i-Y_i-1 (1)

式中:y_i－4，y_i－3，y_i－2，y_i－1，y_i，y_i+1，y_i+2，y_i+3和y_i+4分别为第i－4，i－3，i－2，i－1，i，i+1，i+2，i+3和i+4各像素点的纵坐标。

将各点斜率计算出来后，通过比较相邻点的斜率，若某一点斜率满足以下两个条件，即认为特征拐点，也就是焊缝间隙边沿

(1)特征拐点应在斜率突变足够明显的单调区间内；

(2)特征拐点应为此单调区间内斜率变化的最大值点。

对焊缝激光条纹图像数据曲线经上述方法处理后得到如图8所示的结果，分析数据可知，横坐标为179和215的点斜率变化最大，因此可认定这两点为特征拐点。即采用斜率分析法可以准确的识别出焊缝间隙的边沿，实现焊缝间隙的准确测量。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光视觉传感焊缝间隙检测装置，其特征在于：激光视觉传感器（1）通过传感器连接线（9）与工控机（10）中的图像采集卡相连，所述激光视觉传感器（1）通过冷却板（2）与连接板（3）通过螺丝固定连接，连接板（3）通过螺丝与绝缘连接件（4）连接，绝缘连接件（4）与焊枪夹持件A（5）通过螺丝固定连接，焊枪夹持件A（5）、焊枪夹持件B（6）与焊枪（7）夹持相连，焊丝（8）从焊枪（7）中心伸出，与工控机（10）相连的显示器（11）作为人机交互界面，实现参数设置及处理结果输出。

2.根据权利要求1所述的激光视觉传感焊缝间隙检测装置，其特征在于：所述的激光视觉传感器（1）是：航空插座（101）固定在上端盖（102）上，上端盖（102）固定在主体（103）上，镜头（108）与摄像机（107）固定连接，摄像机（107）及激光光源（1011）分别固定在主体（103）上；窄带滤光片（109）和减光片（1010）安装于固定件（104）上，下端盖（106）通过固定件（104）安装于主体（103）上；防护片（105）安装在下端盖（106）与固定件（104）之间的间隙中。

3.根据权利要求2所述的激光视觉传感焊缝间隙检测装置，其特征在于：所述的激光光源（1011）的轴线与摄像机（107）的轴线的夹角为20°～40°，激光波长为658nm，激光条纹线长60mm～100mm，线宽0.5mm～2mm，所采用的摄像机为黑白视频摄像机，输出为PAL制式视频信号，采用的窄带滤光片为通带波长为640nm～670nm；激光视觉传感器（1）下端面距离工件A（12）、工件B（13）上表面60mm～80mm，激光视觉传感器（1）相对于焊枪（7）的中心线前视距离为10mm～80mm。

4.根据权利要求1所述的激光视觉传感焊缝间隙检测装置，其特征在于：所述的工控机（10）中的图像采集卡为DH-CG300。

5.一种根据权利要求1至4任意一项所述的激光视觉传感焊缝间隙检测装置的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤（1）、启动***，在工控机（10）中进行图像采集及处理程序设计，通过激光视觉传感器（1），摄取工件A（12）、工件B（13）对接焊缝激光条纹图像，显示器（1）中左上部分图像为焊缝激光条纹实时图像，调整激光视觉传感器（1）位置和高度，确保焊缝坡口部分激光条纹图像位于图像显示区中心区域；显示器（11）中右上部分图像为经过二值化处理、软件滤波处理后得到的焊缝激光条纹图像数据曲线，曲线ab段为工件A（12）铝板激光条纹曲线，曲线bc段为工件A（12）铝板坡口激光条纹曲线，曲线cd段为工件A（12）、工件B（13）两块铝板对接缝开缝激光条纹曲线，曲线de段为工件B（13）铝板坡口激光条纹曲线，曲线ef段为工件B（13）铝板激光条纹曲线；

步骤（2）检测精度测试：采用多种焊缝间隙及测试得到的摄像机像素数之间的对应关系，计算平均值得出焊缝间隙检测精度；

步骤（3）焊缝间隙检测：通过分析焊缝间隙激光条纹图像特征，采用斜率分析法将激光条纹图像数据曲线各点斜率计算出来后，通过比较相邻点的斜率，若某一点斜率满足以下两个条件，即认为特征拐点，也就是焊缝间隙边沿；

（1）特征拐点在斜率突变足够明显的单调区间内；

（2）特征拐点为此单调区间内斜率变化的最大值点；

焊缝间隙的边沿之间的像素数与间隙检测精度的乘积即为焊缝间隙。