CN113146026A - 一种自适应焊缝跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应焊缝跟踪方法，二极管激光发生器倾斜射出激光束，激光束落在工件上，在工作平面X方向上发生***，成像***接收到实时图像序列，同时对图像进行测量，得到当前焊缝位置，计算当前激光光斑位置和当前焊缝位置的偏差值，将该偏差值转化为模拟量传输给激光镜组角度调整机构，激光镜组角度调整机构将以角度数值控制焊接光学***。本发明通过图像处理技术实时获取当前焊缝位置，将位置反馈至控制单元，进而控制电机和传动机构动作来调整激光镜组的角度，实现对待焊接位置激光光斑进行实时测量及纠正，具有焊缝跟踪精度高、响应快的优点，能够显著提高激光熔焊效率和质量。

Description

一种自适应焊缝跟踪方法
技术领域
本发明涉及自动化激光焊接技术，尤其涉及一种自适应焊缝跟踪方法。
背景技术
激光焊接作为一种高效精密的焊接方式，相比传统焊接工艺，具有热输入量小，热变形小，焊缝深宽比大及焊接速度快等优点，广泛应用于航天、汽车等工业领域。其精密的加工方式，对待焊接工件的装配精度具有较高的挑战。
在激光熔焊过程中，激光镜组发出的激光光斑是否能够实时、准确地对焊缝位置进行自适应跟踪，对激光熔焊工艺具有重要的意义。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种实时、准确的自适应焊缝跟踪方法。
技术方案：本发明的自适应焊缝跟踪方法，所采用的焊缝跟踪装置包括激光镜组、激光镜组角度调整机构、二极管激光发生器，其中，激光镜组顶部设有相机，二极管激光发生器通过连接支架倾斜固定在激光镜组的前端；
所述自适应焊缝跟踪针对的焊接接头为角接或者搭接，对应工件包括上层板和下层板；
焊缝跟踪的具体步骤如下：
(1)二极管激光发生器倾斜射出激光束，激光束落在工件上，在工作平面X方向上发生***，所述X方向为焊缝的切线方向；
(2)相机实时采集激光束的***图像，并将图像发送至计算机；每张图像包括***的激光束和激光光斑，通过激光束的***位置确定焊缝位置，以上层板边缘为基准，定义PV为上一张图像的焊缝位置在Y方向的坐标值，即当前激光光斑在Y方向的坐标值；定义SP为当前图像的焊缝位置在Y方向的坐标值；所述Y方向是工作平面上垂直于焊缝切线的方向；
(3)定义当前激光光斑与目标焊缝位置在Y方向上的偏差值为E，E＝SP-PV；
(4)将上述偏差转化为模拟量，传输给激光镜组角度调整机构；
(5)激光镜组角度调整机构控制激光镜组在Y方向发生角度变化，从而调整激光光斑在正确的焊接位置。
进一步的，设相机以每秒i帧的频率采集图像，对每秒内的i次偏差值进行求和，同时乘以受控位置比例系数K，得到电压控制信号
Figure BDA0003042210310000021
其中，Ej为第j帧图像中激光光斑和目标焊缝位置在Y方向上的误差距离，0≤j≤i-1，k是在***标定时确定的受控位置比例系数，其与激光镜组角度调整机构的参数有关；优选通过测量数据的回归分析确定所述受控位置比例系数K。
进一步的，所述二极管激光发生器通过连接支架倾斜45°固定在激光镜组的前端。
进一步的，所述二极管激光发生器的数量为2个，分别安装在激光镜组前端两侧，用于不同方向焊接时的焊缝跟踪。
进一步的，所述激光镜组角度调整机构包括伺服电机、丝杆传动结构以及一对铰接的安装板；所述激光镜组安装在安装板一侧，伺服电机和丝杆传动结构安装在安装板另一侧；计算机获取控制信号Ui后，控制伺服电机转动，丝杆传动结构将丝杆的旋转运动转化为直线运动输出，控制一对安装板的铰接角度发生变化，进而调整激光镜组的角度。
进一步的，所述丝杆传动结构两端设有限位传感器，用于限制激光镜组的光斑位置在Y轴方向的摆动幅度。
进一步的，所述焊缝跟踪装置包括ST控制箱，计算机将处理好的当前激光光斑位置与标定的焊缝位置之间的偏差转化为模拟量后，通过现场总线EtherCAT协议输出给ST控制箱，然后ST控制箱通过相同的现场总线EtherCAT将该模拟量传给激光镜组角度调整机构的伺服电机，通过丝杆传动结构和安装板控制激光镜组的角度。
进一步的，所述ST控制箱内置有二极管激光发生器供电回路。
进一步的，所述ST控制箱内置有安全回路，用于控制二极管激光发生器在调试/工作的状态。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：通过图像处理技术实时获取当前焊缝位置，将位置反馈至控制单元，进而控制电机和传动机构动作来调整激光镜组的角度，实现对待焊接位置激光光斑进行实时测量及纠正，具有焊缝跟踪精度高、响应快的优点，能够显著提高激光熔焊效率和质量。
附图说明
图1为焊缝跟踪装置主视图；
图2为焊缝跟踪装置内的基本构建模块；
图3为焊缝跟踪控制及反馈***；
图4为二极管激光发生器的激光束***图；
图5为相机角度采集的激光束***图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本发明的一种自适应焊缝跟踪方法，所采用的焊缝跟踪装置结构如图1所示，包括激光镜组1、激光镜组角度调整机构2、二极管激光发生器3，其中，激光镜组顶部设有相机4，二极管激光发生器2通过连接支架5倾斜固定在激光镜组1的前端的连接板6上，图1中的连接板6左右两侧各安装有一个二极管激光发生器3，用于不同方向的焊接。
图2为装置内部的模块以及连接通讯方式，其中，激光加工工具包括激光镜组、相机、限位传感器、伺服模块(电机和传动机构)等。其中，相机、焊缝跟踪控制电脑，ST控制柜三者通过EtherCAT相互通讯控制的，焊缝跟踪控制电脑安装有成像***，携带激光加工工具的机器人通过工业级现场总线连接控制焊缝跟踪控制电脑。激光焊接工具上集成的相机对当前焊缝位置进行拍照，将其信息传输给焊缝跟踪控制电脑，由焊缝跟踪控制电脑内部的成像***对图像进行处理和分析，获取当前激光光斑和目标焊缝的误差。焊缝跟踪控制电脑将控制指令传输给ST控制柜，ST控制柜控制伺服模块动作，从而控制激光镜组的角度，即调整光斑的工作位置，实现焊缝跟踪功能。
结合图3-图5，以角接焊接为例，详细阐述自适应焊缝跟踪方法的具体过程：
本实施例的坐标系中，定义X方向为工作平面上焊缝的切线方向，Y方向是工作平面上垂直于焊缝切线的方向。
步骤1、二极管激光发生器倾斜45°射出激光束A，打在上层板和下层板上，激光束A在工作平面X方向上发生***，相机以每秒i帧的频率向下拍摄激光束的分离图像，通过相机观察的***图像如图5所示(图5中的十字纹圆圈表示激光光斑位置B)。
步骤2、计算机的成像***收到实时图像序列，同时对图像进行测量，每帧图像包括***的激光束和激光光斑，通过激光束的***位置确定焊缝位置l1，以上层板边缘l0为基准，定义PV为上一帧图像的焊缝位置在Y方向的坐标值，即当前激光光斑在Y方向的坐标值；定义SP为当前帧图像的焊缝位置在Y方向的坐标值。
步骤3、定义当前激光光斑与目标焊缝位置在Y方向上的误差距离为E，E＝SP-PV。
步骤4、由于相机和激光镜组同轴随动，当相机以特定频率采集图片时，每次的参照基准也发生了变化；因此，将每秒内的i次偏差值进行求和，同时乘以受控位置比例系数K，得到电压控制信号
Figure BDA0003042210310000041
其中，Ej为第j帧图像中激光光斑和目标焊缝位置在Y方向上的误差距离，k是在***标定时通过对大量的测量数据进行数量统计回归分析得出的，其与激光镜组角度调整机构的参数有关。上述对一秒内的每帧误差进行累加，能够使得焊缝跟踪更为实时，结果更为准确。
步骤5、计算机将处理好的当前位置与标定位置之间的偏差，转化为模拟量(电压)，通过现场总线EtherCAT协议输出给ST控制箱内的控制板卡，然后通过一样的通讯协议现场总线EtherCAT传输给激光镜组角度调整机构，激光镜组角度调整机构控制激光镜组在Y方向发生角度变化，从而调整激光光斑在正确的焊接位置。具体的，ST控制箱内设置有电机控制板卡，用于控制伺服电机旋转的圈数以及正反转，正转时激光镜组是往Y正方向调整，反转则往Y负方向调整。
此外，ST控制箱内置有二极管激光发生器的供电及安全回路。首先二极管激光发生器的发光需要提供电，但二极管发出的光会对人体有伤害，所以在ST控制箱内设置了供电回路的同时，还设有安全回路，在正常工作的时候，激光房的门关闭，控制二极管激光发生器处于工作状态，当处于调试状态时，激光房门打开，此时可以通过开关键或者钥匙让ST控制箱内的回路处于短接状态，仅通过人工调试使二极管发光。
上述激光镜组角度调整的实现方式有多种，传动结构可以采用丝杆和螺母(或滑块)，螺母(或滑块)安装在丝杆上，丝杆连接电机输出轴后，随着电机正反转而旋转，其旋转运动转化为螺母(或滑块)在Y方向的直线运动，即实现了直线运动的输出，进一步在螺母(或滑块)上辅以凸起结构，作为直线运动的作用力输出端，该凸起结构的作用力是在Y方向的，且直接或间接作用于激光镜组。为了实现激光镜组的“角度”调整，可设置一对末端铰接的安装板，其中一个是固定板，另一个是活动板，两个安装板合拢时夹角为0，当活动板绕铰接点旋转时，活动板和安装板的夹角变大，以此实现角度调整；具体的，激光镜组安装在活动板外侧，电机和丝杆传动结构安装在固定板外侧，丝杆传动结构的直线运动输出端穿过固定板后作用于活动板，随着电机的正反转，直线运动输出端在Y方向上往复推/拉活动板(两者可以采用硬连接)，使得两个安装板的铰接角度发生变化，从而实现了激光镜组在Y方向上的角度调整。

Claims (10)

1.一种自适应焊缝跟踪方法，其特征在于：所采用的焊缝跟踪装置包括激光镜组、激光镜组角度调整机构、二极管激光发生器，其中，激光镜组顶部设有相机，二极管激光发生器倾斜固定在激光镜组的前端；
所述自适应焊缝跟踪针对的焊接接头为角接或者搭接，对应工件包括上层板和下层板；
焊缝跟踪的具体步骤如下：
(1)二极管激光发生器倾斜射出激光束，激光束落在工件上，在工作平面X方向上发生***，所述X方向为焊缝的切线方向；
(2)相机实时采集激光束的***图像，并将图像发送至计算机；每张图像包括***的激光束和激光光斑，通过激光束的***位置确定焊缝位置，以上层板边缘为基准，定义PV为上一张图像的焊缝位置在Y方向的坐标值，即当前激光光斑在Y方向的坐标值；定义SP为当前图像的焊缝位置在Y方向的坐标值；所述Y方向是工作平面上垂直于焊缝切线的方向；
(3)定义当前激光光斑与目标焊缝位置在Y方向上的偏差值为E，E＝SP-PV；
(4)将上述偏差转化为模拟量，传输给激光镜组角度调整机构；
(5)激光镜组角度调整机构控制激光镜组在Y方向发生角度变化，从而调整激光光斑在正确的焊接位置。
2.根据权利要求1所述的自适应焊缝跟踪方法，其特征在于：设相机以每秒i帧的频率采集图像，对每秒内的i次偏差值进行求和，同时乘以受控位置比例系数K，得到电压控制信号
Figure FDA0003042210300000011
其中，Ej为第j帧图像中激光光斑和目标焊缝位置在Y方向上的误差距离，0≤j≤i-1，k是在***标定时确定的受控位置比例系数，其与激光镜组角度调整机构的参数有关。
3.根据权利要求2所述的自适应焊缝跟踪方法，其特征在于：通过测量数据的回归分析确定所述受控位置比例系数K。
4.根据权利要求1所述的自适应焊缝跟踪方法，其特征在于：所述二极管激光发生器通过连接支架倾斜45°固定在激光镜组的前端。
5.根据权利要求1或4所述的自适应焊缝跟踪方法，其特征在于：所述二极管激光发生器的数量为2个，分别安装在激光镜组前端两侧，用于不同方向焊接时的焊缝跟踪。
6.根据权利要求1所述的自适应焊缝跟踪方法，其特征在于：所述激光镜组角度调整机构包括伺服电机、丝杆传动结构以及一对铰接的安装板；所述激光镜组安装在安装板一侧，伺服电机和丝杆传动结构安装在安装板另一侧；计算机获取控制信号Ui后，控制伺服电机转动，丝杆传动结构将丝杆的旋转运动转化为直线运动输出，控制一对安装板的铰接角度发生变化，进而调整激光镜组的角度。
7.根据权利要求6所述的自适应焊缝跟踪方法，其特征在于：所述丝杆传动结构两端设有限位传感器，用于限制激光镜组的光斑位置在Y轴方向的摆动幅度。
8.根据权利要求1或2所述的自适应焊缝跟踪方法，其特征在于：所述焊缝跟踪装置包括ST控制箱，计算机将处理好的当前激光光斑位置与标定的焊缝位置之间的偏差转化为模拟量后，通过现场总线EtherCAT协议输出给ST控制箱，然后ST控制箱通过相同的现场总线EtherCAT将该模拟量传给激光镜组角度调整机构的伺服电机，通过丝杆传动结构和安装板控制激光镜组的角度。
9.根据权利要求8所述的自适应焊缝跟踪方法，其特征在于：所述ST控制箱内置有二极管激光发生器供电回路。
10.根据权利要求8所述的自适应焊缝跟踪方法，其特征在于：所述ST控制箱内置有安全回路，用于控制二极管激光发生器在调试/工作的状态。
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