一种双传感双波长集成式焊缝跟踪传感器制造技术

本实用新型专利技术提供一种双传感双波长集成式焊缝跟踪传感器：同时采用结构光与单目视觉两种原理对焊缝位置进行检测，结构光传感器可以获得准确的焊缝位置信息，视觉传感器可以获得焊缝的偏角，由此可以对导前误差进行实时修正。与此同时，两种传感器的工作波长分别处于电弧光谱偏弱的两个不同区域，相应地窄带滤光片也为双带通形式，采用彩色相机只需获取一副图像，通过RBG分量处理就可以同步获取激光条纹信息与焊缝区域图像信息，从原理上彻底摆脱了先后异步采样带来的所有问题。两种原理的传感器共用一套镜头与相机，不仅可以大幅度简化系统组成、降低成本、缩小传感器体积、便于应用集成，实际效果显著提升。实际效果显著提升。实际效果显著提升。

【技术实现步骤摘要】
一种双传感双波长集成式焊缝跟踪传感器


[0001]本技术涉及一种焊缝跟踪传感器。具体地，是一种高性能的双传感双波长集成式焊缝跟踪传感器。

技术介绍

[0002]随着工厂自动化设备的普及化及低价化，焊接作业也从传统的手工焊接，开始向半自动焊接、自动焊接发展。借助机器人的焊接工艺也在以汽车行业为主的各类领域普及，成为了焊接工序合理化的必要手段。为了实现机器人焊接的位置准确、无偏差，焊接质量一致性好，工作效率高，以及适应不同类型焊接工艺和不同工件结构变化的目标，需要在焊接过程中实时检测焊枪、电弧或熔池的中心位置，使之与接缝中心位置相吻合，并能适应工件的位置变化以及适应焊接过程产生的变形，这就是焊缝跟踪传感器所要完成的工作。
[0003]目前焊缝跟踪的方法分为两类：一类是传统的接触法，采用探针或直接使用汉斯与接缝接触，通过反馈判断偏差，进行调整。由于存在接触磨损，以及周期长、效率低，目前逐渐被非接触方法所取代。另一类是采用光学方法或涡流发放实现的非接触法，其中光学主镜成为主流，具体包括结构光法和视觉法两类。
[0004]结构光法是基于三角测量原理获取焊缝的三维信息，即在熔池前面一定距离的焊缝上投射线结构光，相机获取被焊缝坡口的激光条纹图像，经过图像处理后获取焊缝的特征参数，结合相机成像参数便可得到焊缝的中心位置。结构光法以其精度高、灵敏性好、信息量丰富和适应范围广等优点，在种类众多的焊缝跟踪传感器中占有越来越大的比例，被广泛地应用于各种焊接工艺中。但是，这种线结构光检测方法也存在自身的缺陷与不足：其一，现有的结构光视觉传感器的检测位置与实际焊接位置存在一定距离，当行走轨道与焊缝轨迹之间存在偏角或轨道安放面不平整时，容易造成焊炬的导前误差。其二：对于间隙很小的对焊焊缝以及紧密对接无坡口焊缝，这种线结构光几乎没有变形，此时这种方法几乎完全失效。为消除该类误差，一部分研究工作着采用减少结构光与熔池之间的距离，但是这样会增加弧光干扰，后期图像处理复杂，稳定性较差、效果不佳。另一部分研究者采用高动态相机直接对熔池及其前区焊缝成像，但成本较高、且在高速焊中能获取的焊缝较短，难以及时计算出偏离量并引导焊枪运动。例如，南昌大学提出一种双线结构光传感方式，通过对焊缝的两个不同位置进行检测，获得焊缝轨迹走向继而求得焊接位置处的焊缝偏差，从而可以减小导前误差。但是，这种方法的系统组成复杂、成本高、体积大，并不实用。特别是两个线激光的距离比较近，由此产生的偏差过大，实际效果并不理想。
[0005]视觉方法的原理是通过获取焊缝区域的图像，通过处理提取焊缝中心特征信息。视觉传感器获取的信息量大，特别是对于间隙很小的对焊焊缝以及紧密对接无坡口焊缝具有独特的优势。例如，广东工业大学通过使用双靶面成像装置对焊缝以及熔池进行成像，对焊缝图像以及熔池图像进行图像处理操作，得出焊缝中心坐标和熔池中心坐标，利用熔池中心坐标对焊枪焊接进行纠偏。但是，视觉方法容易受到焊接飞溅、烟尘、蒸汽、电弧闪烁以及工件的铁锈、划痕、记号和氧化皮的影响，而且视觉传感器技术的成本高，难以应用于普
通的焊接生产。此外，由于熔池本身不会剧烈，而且熔池处的焊缝已经完全融化，焊缝信息基本被淹没，因此很难从熔池图像上准确获取焊缝位置信息及特征。
[0006]因此，对于目前已有的单一技术手段，无论是结构光法还是视觉方法，都不能完全满足焊缝实施跟踪的要求。唯一可行的技术路径，是采用多种原理、多个传感器来获取更多维度的信息。例如，广东广业大学提出一种“双目视觉焊缝跟踪方法及跟踪系统”，采用结构光相机拍摄焊缝区域图像、采用熔池相机拍摄熔池图像，分别进行处理后获得焊缝位置，并对焊枪或激光头进行纠偏。上海交通大学提出一种“基于主被动视觉的机器人焊缝跟踪与熔池监控传感器”，采用CCD和CMOS两个摄像机和一字线型激光器，融合主被动视觉的特点，利用双目视觉可同时具备焊缝跟踪和熔池监控功能。新疆威奥科技股份有限公司提出一种“基于双摄像头图像复合的激光焊缝跟踪传感器”，采用主辅两个摄像头瞄准焊缝区域进行检测，可以克服传统的单线结构光方法不能适应对接无间隙焊缝的弊端。广西安博特智能科技有限公司提出一种“双目视觉示教及结构光焊缝跟踪视觉传感器”，在传感器腔体内的中间由前往后依次布置有一字线激光器和板级相机，在一字线激光器的两侧布置有两个工业相机，同时采用线结构光方法和双目立体视觉方法两种原理进行检测。湘潭大学提出一种“三目全位姿波纹板智能焊缝跟踪传感器”，包括一套双目双向自适应扫描阵列视觉传感器、一个面阵CCD智能视觉系统、一个加速度传感器和一个陀螺仪等，可实现焊缝全位姿检测。
[0007]但是，目前上述的几种方法都是采用两个或更多的相机分别进行获取焊缝或者熔池的图像，通过分别处理得出焊缝位置信息并进行纠偏。其缺点是系统组成复杂、费用高、占用空间大，不便于焊接机器人集成应用。特别是，两个或多个相机之间不可避免地存在同步误差，在高速动态焊接过程中以及强烈的振动、飞溅、烟雾等动态干扰情况下，异步采样将不可避免地导致测量误差，从而使得实际的跟踪效果大打折扣。

技术实现思路

[0008]本技术针对现有光学式焊缝跟踪传感器存在的缺陷与不足，提出一种双传感双波长集成式焊缝跟踪传感器：同时采用结构光与单目视觉两种原理对焊缝位置进行检测，结构光传感器可以获得准确的焊缝位置信息，视觉传感器可以获得焊缝的偏角，由此可以对导前误差进行实时修正。与此同时，两种传感器的工作波长并不相同，分别处于电弧光谱偏弱的两个不同区域，一个为红光、另一个为蓝光；相应地窄带滤光片也为双带通形式，仅允许这两种波长的光线通过；并且两种传感器不分前后顺序、同时工作，采用彩色相机只需获取一副图像，通过RBG分量处理就可以同步获取激光条纹信息与焊缝区域图像信息，从原理上彻底摆脱了先后异步采样带来的所有问题。此外，两种原理的传感器共用一套镜头与相机，不仅可以大幅度简化系统组成、降低成本、缩小传感器体积、便于应用集成，而且同一套共用镜头与相机也有利于提高两个传感器检测的同步性与一致性，抗干扰能力更强，实际效果显著提升。
[0009]本技术是通过以下技术方案实现的：
[0010]本技术的双波长集成式焊缝跟踪传感器的特殊之处在于，所述的传感器包括线激光器、面光源、滤光片、反射镜、镜头、相机、外壳、插座、电缆、控制器等几个部分，其中：
[0011]所述的线激光器为工业级半导体线激光器，位于传感器内部下端的一侧，垂直向
下投射线激光，该线激光与工件表面及焊缝垂直，用于呈现焊缝的垂直截面轮廓；线激光器的中心波长应远离电弧的光谱峰值区域，为红光或者蓝光；
[0012]所述的面光源为工业级单色LED投光灯，其中心波长应远离电弧的光谱峰值区域，但是必须与线激光器的中心波长并不一致，为蓝光或者红光；面光源位于传感器下端的中间位置，垂直向下投射单色照明光，用于照亮焊缝区域；
[0013]所述的滤光片为双带通窄带滤光片，其两个中心波长应该分别与线激光器的中心波长和面光源的中心波长一致，其带宽应该分别覆盖本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双传感双波长集成式焊缝跟踪传感器，其特征在于：所述的传感器包括线激光器、面光源、滤光片、反射镜、镜头、相机、外壳、插座、电缆、控制器等几个部分，其中：所述的线激光器为工业级半导体线激光器，位于传感器内部下端的一侧，垂直向下投射线激光，该线激光与工件表面及焊缝垂直，用于呈现焊缝的垂直截面轮廓；线激光器的中心波长应远离电弧的光谱峰值区域；所述的面光源为工业级单色LED投光灯，其中心波长应远离电弧的光谱峰值区域，但是必须与线激光器的中心波长并不一致；面光源位于传感器下端的中间位置，垂直向下投射单色照明光，用于照亮焊缝区域；所述的滤光片为双带通窄带滤光片，其两个中心波长应该分别与线激光器的中心波长和面光源的中心波长一致，其带宽应该分别覆盖线激光器与面光源的波长范围；滤光片位于传感器的底端，用于滤除其他干扰光线；所述的反射镜为平面镀铝反射镜，位于传感器内部底端的另一侧，用于将焊缝区域的图像投向镜头，形成折返光路，用于减小传感器的横向尺寸；反射镜的姿态为垂直布置，有利于减小传感器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵辉，吕娜，
申请(专利权)人：上海钊晟传感技术有限公司，
类型：新型
国别省市：