專利名稱：一種可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及焊縫跟蹤自動(dòng)化領(lǐng)域，具體地說是一種基于計(jì)算機(jī)視覺及激光三角法測量原理，通過視覺傳感單元獲取焊縫圖像并通過圖像處理技術(shù)提取焊縫中心信息， 實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)對中的可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光焊接由于具有焊接速度快、熱影響區(qū)小、焊縫美觀、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于汽車、造船、航天航空等制造業(yè)領(lǐng)域。但是激光焊接也要求焊件位置定位非常精確，必須控制在激光束的聚焦范圍之內(nèi)，確保激光束聚焦在焊件的焊縫中心上。而在實(shí)際焊接中，由于工件焊縫端面加工誤差、機(jī)器人路徑軌跡誤差、定位夾緊裝置誤差及各種誤差累積，使得激光束很難保證在焊縫的聚焦范圍內(nèi)。目前，傳統(tǒng)的焊縫跟蹤系統(tǒng)都是采一個(gè)線性激光器和一個(gè)CCD攝像機(jī)組成的單線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤系統(tǒng)，例如加拿大ServoRobot公司的焊縫跟蹤系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在跟蹤直線焊縫時(shí)具有較好的效果，但是在跟蹤曲線焊縫時(shí)，由于采集到曲線焊縫的信息不足，跟蹤效果較差，甚至?xí)櫴?，給生產(chǎn)帶來損失。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對上述存在問題和不足，提供一種基于計(jì)算機(jī)視覺及激光三角法測量原理，既能夠?qū)崿F(xiàn)直線焊縫跟蹤，又能夠?qū)崿F(xiàn)曲線焊縫跟蹤，且跟蹤精度高， 可靠性高，并能夠?qū)崿F(xiàn)低成本焊縫在線實(shí)時(shí)跟蹤，尤其在激光快速焊接時(shí)跟蹤曲線焊縫中具有明顯優(yōu)勢的可調(diào)式雙線構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型所述的可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)，包括工控機(jī)及通過數(shù)據(jù)控制線與工控機(jī)通訊的視覺傳感單元、視覺伺服單元、圖像處理模塊和PLC邏輯控制器，其特點(diǎn)是所述視覺傳感單元包括一個(gè)攝像機(jī)和兩個(gè)線性激光器，所述攝像機(jī)安裝在焊縫工件上方的機(jī)架上且攝像機(jī)的鏡頭與焊縫工件的表面相互垂直，所述兩個(gè)線性激光器平行地固定為一體后并使線性激光器的軸線與攝像機(jī)坐標(biāo)系的Z軸成一定角度安裝到機(jī)架上。為了使本實(shí)用新型對于跟蹤不同類型的焊縫具有很好的適應(yīng)性，提高跟蹤精度， 上述機(jī)架上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)攝像機(jī)及線性激光器使用位置的視覺傳感位姿調(diào)節(jié)器，該視覺傳感位姿調(diào)節(jié)器由水平調(diào)節(jié)槽及角度調(diào)節(jié)儀組成，所述攝像機(jī)可沿所述水平調(diào)節(jié)槽來回移動(dòng)，所述線性激光器可沿所述角度調(diào)節(jié)儀來回轉(zhuǎn)動(dòng)。為了防止焊縫背景無用信息的干擾而影響焊縫跟蹤的精度，上述攝像機(jī)的鏡頭上安裝有用于濾除焊縫背景無用信息的濾光片。為了保證攝像機(jī)和線性激光器始終處于指定的溫度下工作，本實(shí)用新型還包括冷卻器，所述冷卻器安裝在上述機(jī)架上并由上述PLC邏輯控制器控制。[0010]本實(shí)用新型用于跟蹤曲線焊縫時(shí)，其工作原理是利用兩個(gè)線性激光器打出兩個(gè)相互平行的光平面，光平面投射到焊縫表面并被焊縫調(diào)制形成兩條相互平行的激光條紋， 這兩條平行的激光條紋蘊(yùn)含了焊縫位置偏移和角度偏移的信息，攝像機(jī)采集這兩條激光條紋的灰度圖像并送給圖像處理模塊進(jìn)行圖像處理，提取出焊縫位置偏移和角度偏移的信息，然后通過工控機(jī)將信息傳遞給視覺伺服單元并通過視覺伺服單元對焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整，從而完成焊縫跟蹤功能。本實(shí)用新型用于跟蹤直線焊縫時(shí)，其工作原理是采用任意一個(gè)線性激光器打出光平面，光平面投射到焊縫表面并被焊縫調(diào)制形成激光條紋，這條激光條紋蘊(yùn)含了焊縫位置偏移的信息，攝像機(jī)采集這條激光條紋的灰度圖像并送給圖像處理模塊進(jìn)行圖像處理， 提取出焊縫位置偏移的信息，然后通過工控機(jī)將信息傳遞給視覺伺服單元并通過視覺伺服單元對焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整，從而完成焊縫跟蹤功能。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型在曲線跟蹤方面獲取的信息比單線結(jié)構(gòu)光豐富，用一幀圖像就可以檢測出焊縫實(shí)際轉(zhuǎn)角偏差和位置偏差，而單線結(jié)構(gòu)光只能檢測出位置偏差；2、本實(shí)用新型是在單線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤系統(tǒng)里增加了一個(gè)線性激光器，在結(jié)構(gòu)上和系統(tǒng)標(biāo)定上容易實(shí)現(xiàn)，而且在曲線焊縫跟蹤時(shí)可獲得更為準(zhǔn)確的焊縫偏差信息；3、本實(shí)用新型能夠在線實(shí)時(shí)跟蹤直線焊縫或空間曲線焊縫，尤其在機(jī)器人激光焊接空間曲線焊縫跟蹤中具有明顯優(yōu)勢；4、本實(shí)用新型的攝像機(jī)和線性激光器的空間位姿可調(diào)，對于跟蹤不同類型的焊縫具有很好的適應(yīng)性，而且通過調(diào)節(jié)攝像機(jī)和線性激光器的空間位姿，可以明顯提高跟蹤精度；5、應(yīng)用范圍廣，本實(shí)用新型配合激光焊接自動(dòng)化裝備，可以廣泛應(yīng)用于汽車、造船、航天、航空等領(lǐng)域；6、本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

圖1為本實(shí)用新型的控制原理圖。圖2為本實(shí)用新型的部分組成結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為通過本實(shí)用新型采集到的雙線激光條紋灰度圖像。圖4為雙線激光條紋和焊槍的四種不同位置關(guān)系。
具體實(shí)施方式
如圖1-圖2所示，本實(shí)用新型所述的可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)， 包括工控機(jī)及通過數(shù)據(jù)控制線與工控機(jī)通訊的視覺傳感單元、視覺伺服單元、圖像處理模塊和PLC邏輯控制器，其中視覺傳感單元包括一個(gè)攝像機(jī)1和兩個(gè)線性激光器2，攝像機(jī)1 安裝在焊縫工件10上方的機(jī)架3上且攝像機(jī)1的鏡頭11與焊縫工件10的表面相互垂直， 兩個(gè)線性激光器2平行地固定為一體后并使線性激光器的軸線與攝像機(jī)1坐標(biāo)系的Z軸成一定角度安裝到機(jī)架3上。兩個(gè)線性激光器2平行地固定為一體，是為了確保兩個(gè)線性激光器2打出的兩個(gè)光平面為兩個(gè)平行的光平面，從而達(dá)到有效及準(zhǔn)確地跟蹤曲線焊縫的目的，而兩個(gè)光平面的平行度主要通過線性激光器2的安裝精度來保證，線性激光器2和攝像機(jī)1的位置和姿態(tài)則通過標(biāo)定確定，標(biāo)定過程是首先標(biāo)定攝像機(jī)1的參數(shù)，然后是標(biāo)定光平面參數(shù)，計(jì)算出線性激光器2光平面在攝像機(jī)1坐標(biāo)系中的平面方程。其中，采用的攝像機(jī)1為工業(yè)攝像機(jī)，接口形式為Cameralink或千兆網(wǎng)口，而且由攝像機(jī)1獲得的激光條紋圖像，圖像最大分辨率為400X600像素；采用的線性激光器2的波長范圍為600 nm 650nm，最大功率為50mW，線性激光器2的功率可通過數(shù)據(jù)控制線調(diào)節(jié)，激光條紋13最小寬度為40um。為了使本實(shí)用新型對于跟蹤不同類型的焊縫具有很好的適應(yīng)性，提高跟蹤精度， 在機(jī)架3上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)攝像機(jī)1及線性激光器2使用位置的視覺傳感位姿調(diào)節(jié)器，該視覺傳感位姿調(diào)節(jié)器由水平調(diào)節(jié)槽4及角度儀5組成，其中攝像機(jī)1可沿水平調(diào)節(jié)槽4來回移動(dòng)，攝像機(jī)1可沿水平調(diào)節(jié)槽4移動(dòng)的范圍值為0 mm 40mm，并且調(diào)整后的位置值可通過水平調(diào)節(jié)槽4上的刻度值讀出，而線性激光器2可沿角度調(diào)節(jié)儀5來回轉(zhuǎn)動(dòng)，線性激光器2可沿角度調(diào)節(jié)儀5旋轉(zhuǎn)的角度范圍值為15° 75°，在本實(shí)施例中，線性激光器2的使用角度為30°，并且調(diào)整后的角度值可通過角度儀5上的標(biāo)值讀出。為了防止焊縫背景無用信息的干擾而影響焊縫跟蹤的精度，在攝像機(jī)1的鏡頭11上安裝有用于濾除焊縫背景無用信息的濾光片6。而視覺伺服單元包括與工控機(jī)通訊的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器7、通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)7的伺服電機(jī)8及與伺服電機(jī)8相連接的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)8的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)焊槍的偏差補(bǔ)償功能，由圖2可知，該視覺伺服單元同樣安裝在機(jī)架 3上。為了保證攝像機(jī)1和線性激光器2始終處于指定的溫度下工作，本實(shí)用新型還包括冷卻器9，該冷卻器9安裝在機(jī)架3上并由PLC邏輯控制器控制，而且該冷卻器9主要是通過其內(nèi)的循環(huán)冷卻水實(shí)現(xiàn)冷卻。此外，焊槍和工控機(jī)的邏輯關(guān)系也通過PLC邏輯控制器來控制。如圖3所示，為獲得的雙線激光條紋灰度圖像示意圖，從該圖上可以獲知兩個(gè)線性激光器2打出的兩個(gè)光平面為兩個(gè)平行的光平面。如圖4所示，為雙線結(jié)構(gòu)光跟蹤曲線焊縫的四種不同狀態(tài)示意圖。其中，A、B點(diǎn)分別是激光條紋13落在焊縫上形成的特征點(diǎn)，TCP為焊槍中心點(diǎn)，根據(jù)特征點(diǎn)在不同跟蹤狀態(tài)下的特征，可定義特征點(diǎn)落在線段1右側(cè)時(shí)為正，落在線段1左側(cè)時(shí)為負(fù)，即可區(qū)別四種不同的跟蹤狀態(tài)。本實(shí)用新型既可以用于跟蹤曲線焊縫，也可以用于跟蹤直線焊縫。如圖2所示，從該示意圖可以看出本實(shí)用新型部分組成結(jié)構(gòu)的位置分布及其對應(yīng)關(guān)系，而且該示意圖對于焊縫工件10上的曲線焊縫12的跟蹤也作了簡單的示意。本實(shí)用新型用于跟蹤曲線焊縫時(shí)，其工作原理是利用兩個(gè)線性激光器2打出兩個(gè)相互平行的光平面，光平面投射到焊縫工件10的表面并被焊縫調(diào)制形成兩條相互平行的激光條紋13，這兩條平行的激光條紋13蘊(yùn)含了焊縫位置偏移和角度偏移的信息，攝像機(jī) 1采集這兩條激光條紋13的灰度圖像并送給圖像處理模塊進(jìn)行圖像處理，提取出焊縫位置偏移和角度偏移的信息，然后通過工控機(jī)將信息傳送給視覺伺服單元并通過視覺伺服單元對焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整，從而完成焊縫跟蹤功能。本實(shí)用新型用于跟蹤直線焊縫時(shí)，其工作原理是采用任意一個(gè)線性激光器2打出光平面，光平面投射到焊縫工件10的表面并被焊縫調(diào)制形成激光條紋13，這條激光條紋13蘊(yùn)含了焊縫位置偏移的信息，攝像機(jī)1采集這條激光條紋13的灰度圖像并送給圖像處理模塊進(jìn)行圖像處理，提取出焊縫位置偏移的信息，然后通過工控機(jī)將信息傳遞給視覺伺服單元并通過視覺伺服單元對焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整，從而完成焊縫跟蹤功能。綜上所述，本實(shí)用新型所述可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)，能夠采集、 處理包括雙激光條紋的焊縫表面灰度圖像，對激光條紋特征進(jìn)行分析，提取出焊縫中心位置信息，并和焊槍位置進(jìn)行比較計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)钠?，由視覺伺服單元完成補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤功能。采用本實(shí)用新型不但可以實(shí)時(shí)跟蹤直線焊縫，而且還能實(shí)時(shí)跟蹤曲線焊縫，極大地提高了焊接自動(dòng)化的能力和焊接的質(zhì)量。本實(shí)用新型是通過實(shí)施例來描述的，但并不對本實(shí)用新型構(gòu)成限制，參照本實(shí)用新型的描述，所公開的實(shí)施例的其他變化，如對于本領(lǐng)域的專業(yè)人士是容易想到的，這樣的變化應(yīng)該屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求限定的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)，包括工控機(jī)及通過數(shù)據(jù)控制線與工控機(jī)通訊的視覺傳感單元、視覺伺服單元、圖像處理模塊和PLC邏輯控制器，其特征在于所述視覺傳感單元包括一個(gè)攝像機(jī)和兩個(gè)線性激光器，所述攝像機(jī)安裝在焊縫工件上方的機(jī)架上且攝像機(jī)的鏡頭與焊縫工件的表面相互垂直，所述兩個(gè)線性激光器平行地固定為一體后并使線性激光器的軸線與攝像機(jī)坐標(biāo)系的Z軸成一定角度安裝到機(jī)架上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)，其特征在于上述機(jī)架上設(shè)置有用于調(diào)節(jié)攝像機(jī)及線性激光器使用位置的視覺傳感位姿調(diào)節(jié)器，該視覺傳感位姿調(diào)節(jié)器由水平調(diào)節(jié)槽及角度調(diào)節(jié)儀組成，所述攝像機(jī)可沿所述水平調(diào)節(jié)槽來回移動(dòng)，所述線性激光器可沿所述角度調(diào)節(jié)儀來回轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)，其特征在于上述線性激光器可沿角度調(diào)節(jié)儀旋轉(zhuǎn)的角度范圍值為15° 75°。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)，其特征在于上述攝像機(jī)可沿水平調(diào)節(jié)槽移動(dòng)的范圍值為0 mm 40mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)，其特征在于上述攝像機(jī)的鏡頭上安裝有用于濾除焊縫背景無用信息的濾光片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)，其特征在于上述視覺伺服單元包括與工控機(jī)通訊的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)及與伺服電機(jī)相連接的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)焊槍的偏差補(bǔ)償功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)，其特征在于還包括冷卻器，所述冷卻器安裝在上述機(jī)架上并由上述PLC邏輯控制器控制。
專利摘要一種可調(diào)式雙線結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤視覺傳感系統(tǒng)，包括工控機(jī)及通過數(shù)據(jù)控制線與工控機(jī)通訊的視覺傳感單元、視覺伺服單元、圖像處理模塊和PLC邏輯控制器，所述視覺傳感單元包括一個(gè)攝像機(jī)和兩個(gè)線性激光器，所述攝像機(jī)安裝在焊縫工件上方的機(jī)架上且攝像機(jī)的鏡頭與焊縫工件的表面相互垂直，所述兩個(gè)線性激光器平行地固定為一體后并使線性激光器的軸線與攝像機(jī)坐標(biāo)系的Z軸成一定角度安裝到機(jī)架上。本實(shí)用新型應(yīng)用范圍廣，既能用于實(shí)時(shí)跟蹤直線焊縫，又能用于實(shí)時(shí)跟蹤曲線焊縫，尤其在機(jī)器人激光焊接空間曲線焊縫跟蹤中有明顯優(yōu)勢，極大地提高了焊接自動(dòng)化能力和焊縫質(zhì)量，同時(shí)本實(shí)用新型在結(jié)構(gòu)上和系統(tǒng)標(biāo)定上容易實(shí)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K26/42GK202278307SQ201120303500
公開日2012年6月20日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者張宇鵬, 徐麗萍, 楊永強(qiáng), 高世一 申請人:廣州有色金屬研究院