曲线角接焊缝激光视觉传感器及焊缝偏差实时检测的方法与流程

本发明涉及焊缝视觉检测领域，特别涉及曲线角接焊缝激光视觉传感器及焊缝偏差实时检测的方法，同时也适用于直线角接焊缝的检测。

背景技术：

在弧焊接过程中，确保焊接电极实时对准焊缝是保证焊接质量的必要条件，如果焊接电极偏离焊缝，将会产生未熔合、未焊透等焊接缺陷。此外，没有焊缝传感器无法实现焊接过程自动化。平板对接、角接、搭接等直线焊缝通常采用超前的检测方法实现焊缝检测，超前检测方法检测点超前焊接点一定距离，超前检测的主要原因在于焊接电弧区焊缝检测十分困难，超前检测方法针对于直线焊缝较为适用，然而针对曲线角接焊缝，如波纹板、h型钢结构的曲线角接焊缝，通常采用的超前检测方法如激光条纹超前与焊接点一定距离的视觉检测方法，激光条纹照射点即视觉传感器检测点与焊接点有一定的前视距离，曲线转弯处视觉传感器前视距离会发生变化，由于前视距离的变化而产生的焊缝偏差并不是对应位置的真实焊缝偏差，因此通常采用的超前检测方法无法进行曲线角接焊缝的准确检测。曲线角接焊缝焊接若想实现焊接生产自动化，必须通过焊缝的实时检测来实现，即焊缝检测点与焊接点实时同步，以此来消除曲线角接焊缝转弯对焊缝检测的影响。

本发明的目的在于提供曲线角接焊缝激光视觉传感器及焊缝偏差实时检测方法，通过独创的传感器结构及检测方法实现了焊缝偏差的实时检测，解决了通常采用的超前检测方法在焊缝转弯处无法准确检测的关键技术问题。为实现曲线角接焊缝产品焊接过程自动化、提高焊接质量、降低人工成本、改善生产环境、提高效益提供必要的前提条件。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

曲线角接焊缝激光视觉传感器，航空插座1固定在视觉传感器壳体2上，视觉传感器壳体2中装有摄像机3、窄带滤光片5、减光片6，镜头4固定在摄像机3的前端，视觉传感器壳体2通过冷却板7和尼龙连接件8与焊枪夹持件9连接，焊枪夹持件9固定在焊枪10上；激光光源a11、激光光源b12分别固定在焊枪夹持件9的两个侧面。

所述的曲线角接焊缝激光视觉传感器的可视距离为110mm～150mm，摄像机3的轴线与焊枪10的轴线夹角为10°～45°。

所述的激光光源a11、激光光源b12的激光波长为658nm，激光光斑a17、激光光斑b18的形状为圆形，直径2mm～5mm，功率10mw～200mw；激光光束a13、激光光束b14位于焊枪两侧与焊枪轴线平行且共面，分别平行照射到工件a15、工件b16表面，分别形成激光光斑a17、激光光斑b18，两个激光光斑a、b与焊丝19端部在曲线角接焊缝20分布方向上的投影重合，因此，本发明通过独创的传感器结构及检测方法实现了焊缝偏差的实时检测，解决了通常采用的超前检测方法在焊缝转弯处无法准确检测的关键技术问题。

所述的窄带滤光片5的通带波长为640nm～670nm。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述曲线角接焊缝激光视觉传感器进行焊缝偏差实时检测的方法，当焊丝19横向对准曲线角接焊缝20时，激光光斑a17、激光光斑b18在ccd感光元件24成像的z方向坐标值作为基准值；当焊丝19偏离曲线角接焊缝20时，激光光斑a17在工件a15上的位置、激光光斑b18在工件b16上的位置会发生变化，激光光斑a17、激光光斑b18在ccd感光元件24成像的z方向坐标值会随之发生变化，通过对变化量及变化趋势计算得出焊缝横向偏差值大小及判断偏差方向；同理，当工件a15、工件b16与激光视觉传感器纵向距离发生变化时，激光光斑a17在工件a15上的位置、激光光斑b18在工件b16上的位置会发生变化，激光光斑a17、激光光斑b18在ccd感光元件24成像的z方向坐标值会随之发生变化，通过对变化量及变化趋势计算得出焊缝纵向偏差值大小及判断偏差方向。

已知工件a15与工件b16夹角为c，焊枪10轴线与工件b16夹角为a，则焊枪10轴线与工件a15夹角为c-a，摄像机3轴线与焊枪10轴线夹角为b，摄像机3、镜头4以及依据使用距离进行标定得出的物与像光学投影z方向比例系数为m；

焊缝横向偏移实时检测的步骤如下：

(1)曲线角接焊缝20横向向左偏移ls：

(1.1)激光光斑a17由e点移至f点，激光光斑a17沿着激光束a13方向移动距离为ls1，ls1在ccd感光元件24z轴方向的投影为lz1，lz1通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为ln1，移动方向为z轴负方向；通过工控机22对视觉传感器图像分析测试得到ln1的像素数值，通过计算得出焊缝偏移量ls；

lz1＝ln1×m；ls＝ls1×tan(c-a)；

即：

(1.2)激光光斑b18由h点移至i点，激光光斑b18沿着激光束b14方向移动距离为ls2，ls2在ccd感光元件24z轴方向的投影为lz2，lz2通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为ln2，移动方向为z轴正方向；通过工控机22对视觉传感器图像分析测试得到ln2的像素数值，通过计算得出焊缝偏移量ls；

lz2＝ln2×m；ls＝ls2×tana；

即：

在焊枪10与工件a15、工件b16夹角保持不变的情况下，通过工控机22对视觉传感器图像分析测试得到ln1、ln2的像素数值，通过计算得到工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20横向偏移的大小值，通过ln1向ccd感光元件24z轴负方向以及通过ln2向ccd感光元件24z轴正方向移动的趋势判断工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20的横向偏移方向；

(2)曲线角接焊缝20横向向右偏移rs：

(2.1)激光光斑a17由e点移至g点，激光光斑a17沿着激光束a13方向移动距离为rs1，rs1在ccd感光元件24z轴方向的投影为rz1，rz1通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为rn1，移动方向为z轴正方向；通过工控机22对视觉传感器图像分析测试得到rn1的像素数值，通过计算得出焊缝偏移量rs；

rz1＝rn1×m；rs＝rs1×tan(c-a)；

即：

(2.2)激光光斑b18由h点移至j点，激光光斑b18沿着激光束b14方向移动距离为rs2，rs2在ccd感光元件24z轴方向的投影为rz2，rz2通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为rn2，移动方向为z轴负方向；通过工控机22对视觉传感器图像分析测试得到rn2的像素数值，通过计算得出焊缝偏移量rs；

rz2＝rn2×m；rs＝rs2×tana；

即：

在焊枪10与工件a15、工件b16夹角保持不变的情况下，通过工控机22对视觉传感器图像分析测试得到rn1、rn2的像素数值，通过计算得到工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20横向偏移的大小值，通过rn1向ccd感光元件24z轴曲线角接焊缝激光视觉传感方向以及通过rn2向ccd感光元件24z轴负方向移动的趋势，判断工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20的横向偏移方向。

焊缝纵向偏移实时检测的步骤如下：

(1)曲线角接焊缝20纵向向上偏移us：

(1.1)激光光斑a17由k点移至l点，激光光斑a17沿着激光束a13方向移动距离为us，us在ccd感光元件24z轴方向的投影为uz1，uz1通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为un1，移动方向为z轴正方向；通过工控机22对视觉传感器图像分析测试得到un1的像素数值，通过计算得出焊缝偏移量us；

uz1＝un1×m；

即：

(1.2)激光光斑b18由n点移至o点，激光光斑b18沿着激光束b14方向移动距离为us，us在ccd感光元件24z轴方向的投影为uz2，uz2通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为un2，移动方向为z轴正方向；通过工控机22对视觉传感器图像分析测试得到un2的像素数值，通过计算得出焊缝偏移量us；

uz2＝un2×m；

即：

通过工控机22对视觉传感器图像分析测试得到un1、un2的像素数值，通过计算得到工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20纵向偏移的大小值，通过un1向ccd感光元件24z轴正方向以及通过un2向ccd感光元件24z轴正方向移动的趋势，判断工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20的纵向偏移方向；

(2)曲线角接焊缝20纵向向下偏移ds：

(2.1)激光光斑a17由k点移至m点，激光光斑a17沿着激光束a13方向移动距离为ds，ds在ccd感光元件24z轴方向的投影为dz1，dz1通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为dn1，移动方向为z轴负方向；通过工控机22对视觉传感器图像分析测试得到dn1的像素数值，通过计算得出焊缝偏移量ds；

dz1＝dn1×m；

即：

(2.2)激光光斑b18由n点移至p点，激光光斑b18沿着激光束b14方向移动距离为ds，ds在ccd感光元件24z轴方向的投影为dz2，dz2通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为dn2，移动方向为z轴负方向；通过工控机22对视觉传感器图像分析测试得到dn2的像素数值，通过计算得出焊缝偏移量ds；

dz2＝dn2×m；

即：

通过工控机22对视觉传感器图像分析测试得到dn1、dn2的像素数值，通过计算得到工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20纵向偏移的大小值，通过dn1向ccd感光元件24z轴负方向以及通过dn2向ccd感光元件24z轴负方向移动的趋势，判断工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20的纵向偏移方向。

激光光束a13和激光光束b14位于焊枪两侧与焊枪轴线平行且共面，分别平行照射到工件a15、工件b16表面，分别形成激光光斑a17、激光光斑b18，两个激光光斑a、b与焊丝19端部在曲线角接焊缝20分布方向上的投影重合，因此，本发明通过独创的传感器结构及检测方法实现了焊缝偏差的实时检测，解决了通常采用的超前检测方法在焊缝转弯处无法准确检测的关键技术问题。

本发明的有益效果在于：本发明通过独创的传感器结构及检测方法实现了焊缝偏差的实时检测，激光光束a13和激光光束b14位于焊枪两侧与焊枪轴线平行且共面，分别平行照射到工件a15、工件b16表面，分别形成激光光斑a17、激光光斑b18，两个激光光斑a、b与焊丝19端部在曲线角接焊缝20分布方向上的投影重合，当焊丝19横向对准曲线角接焊缝20时，激光光斑a17、激光光斑b18在ccd感光元件24成像的z方向坐标值作为基准值；当焊丝19偏离曲线角接焊缝20时，激光光斑a17在工件a15上的位置、激光光斑b18在工件b16上的位置会发生变化，激光光斑a17、激光光斑b18在ccd感光元件24成像的z方向坐标值会随之发生变化，通过对变化量及变化趋势计算得出焊缝横向偏差值大小及判断偏差方向；同理，当工件a15、工件b16与激光视觉传感器纵向距离发生变化时，激光光斑a17在工件a15上的位置、激光光斑b18在工件b16上的位置会发生变化，激光光斑a17、激光光斑b18在ccd感光元件24成像的z方向坐标值会随之发生变化，通过对变化量及变化趋势计算得出焊缝纵向偏差值大小及判断偏差方向。因此，本发明通过独创的传感器结构及检测方法实现了焊缝偏差的实时检测，，从而消除曲线角接焊缝转弯对焊缝检测的影响，解决了通常采用的超前检测方法在焊缝转弯处无法准确检测的关键技术问题。为实现曲线角接焊缝产品焊接过程自动化、提高焊接质量、降低人工成本、改善生产环境、提高效益提供必要的前提条件。

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为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明的实施例结构示意图；

图4为本发明的视觉传感器内部ccd感光元件坐标定义示意图；

图5为本发明的焊接状态下曲线角接焊缝检测结果示意图；

图6为本发明焊缝横向偏移焊缝偏差检测几何光路投影示意图；

图7为本发明焊缝纵向偏移焊缝偏差检测几何光路投影示意图。

图中：1、航空插座；2、视觉传感器壳体；3、摄像机；4、镜头；5、窄带滤光片；6、减光片；7、冷却板；8、尼龙连接件；9、焊枪夹持件；10、焊枪；11、激光光源a；12、激光光源b；13、激光束a；14、激光束b；15、工件a；16、工件b；17、激光光斑a；18、激光光斑b；19、焊丝；20曲线角接焊缝；21、传感器连接线缆；22、工控机；23、显示器；24、ccd感光元件。

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7所示，本发明的曲线角接焊缝激光视觉传感器及焊缝偏差实时检测的方法，视觉传感器壳体中装有摄像机、镜头、窄带滤光片、减光片，通过冷却板、连接尼龙件、焊枪夹持件固定于焊枪，两个激光光源分别固定在焊枪夹持件的两个侧面，两个激光光源的轴线与焊枪轴线平行且共面，两个激光光斑对称于焊枪中心分别照射在曲线角接焊缝的两侧板面，两个激光光斑与焊丝端部在曲线角接焊缝分布方向上的投影相重合，从而确保焊缝检测的实时性，消除了曲线角接焊缝转弯对焊缝检测的影响。本发明通过独创的传感器结构及检测方法实现了焊缝偏差的实时检测，解决了通常采用的超前检测方法在焊缝转弯处无法准确检测的关键技术问题。

曲线角接焊缝激光视觉传感器，航空插座1固定在视觉传感器壳体2上，视觉传感器壳体2中装有摄像机3、窄带滤光片5、减光片6，镜头4固定于摄像机3，视觉传感器壳体2通过冷却板7和尼龙连接件8与焊枪夹持件9相连接并固定于焊枪10，激光光源a11、激光光源b12分别固定在焊枪夹持件9的两个侧面。

实时性体现于，工件a15与工件b16组成的曲线角接焊缝20，由于激光光束a13和激光光束b14位于焊枪两侧与焊枪轴线平行且共面，分别平行照射到工件a15、工件b16表面，分别形成激光光斑a17、激光光斑b18，两个激光光斑a、b与焊丝19端部在曲线角接焊缝20分布方向上的投影重合，本发明通过独创的传感器结构及检测方法实现了焊缝偏差的实时检测，解决了通常采用的超前检测方法在焊缝转弯处无法准确检测的关键技术问题。

激光光斑a17、激光光斑b18通过减光片6、窄带滤光片5、镜头4成像于ccd感光元件24，视频信号通过航空插座1、传感器连接线缆21输出至工控机22，由工控机22程序处理分析计算视觉传感器图像信息，图像显示在显示器23中。

参见图1至图7所示，本发的曲线角接焊缝激光视觉传感焊缝偏差实时检测的方法，当焊丝19横向对准曲线角接焊缝20时，激光光斑a17、激光光斑b18在ccd感光元件24成像的z方向坐标值作为基准值；当焊丝19偏离曲线角接焊缝20时，激光光斑a17在工件a15上的位置、激光光斑b18在工件b16上的位置会发生变化，激光光斑a17、激光光斑b18在ccd感光元件24成像的z方向坐标值会随之发生变化，通过对变化量及变化趋势计算得出焊缝横向偏差值大小及判断偏差方向；同理，当工件a15、工件b16与激光视觉传感器纵向距离发生变化时，激光光斑a17在工件a15上的位置、激光光斑b18在工件b16上的位置会发生变化，激光光斑a17、激光光斑b18在ccd感光元件24成像的z方向坐标值会随之发生变化，通过对变化量及变化趋势计算得出焊缝纵向偏差值大小及判断偏差方向。由于激光光束a13和激光光束b14位于焊枪两侧与焊枪轴线平行且共面，分别平行照射到工件a15、工件b16表面，分别形成激光光斑a17、激光光斑b18，两个激光光斑a、b与焊丝19端部在曲线角接焊缝20分布方向上的投影重合，因此，本发明通过独创的传感器结构及检测方法实现了焊缝偏差的实时检测，从而消除了曲线角接焊缝转弯对焊缝检测的影响，解决了通常采用的超前检测方法在焊缝转弯处无法准确检测的关键技术问题。

实施例：

参见图6及图7所示，已知工件a15与工件b16夹角为c，焊枪轴线与工件b16夹角为a，则焊枪10轴线与工件a15夹角为c-a，摄像机3轴线与焊枪10轴线夹角为b，摄像机3、镜头4以及依据使用距离进行标定得出的物与像光学投影z方向比例系数为m。

一、焊缝横向偏移检测方法：

1、曲线角接焊缝20横向向左偏移ls：

1.1、激光光斑a17由e点移至f点，激光光斑a17沿着激光束a13方向移动距离为ls1，ls1在ccd感光元件24z轴方向的投影为lz1，lz1通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为ln1，移动方向为z轴负方向。通过工控机22程序对视觉传感器图像分析测试可以得到ln1的像素数值，通过计算可得出焊缝偏移量ls。

lz1＝ln1×m；ls＝ls1×tan(c-a)；

即：

1.2、激光光斑b18由h点移至i点，激光光斑b18沿着激光束b14方向移动距离为ls2，ls2在ccd感光元件24z轴方向的投影为lz2，lz2通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为ln2，移动方向为z轴正方向。通过工控机22程序对视觉传感器图像分析测试可以得到ln2的像素数值，通过计算可得出焊缝偏移量ls。

lz2＝ln2×m；ls＝ls2×tana；

即：

在焊枪10与工件a15、工件b16夹角保持不变的情况下，通过工控机22程序对视觉传感器图像分析测试可以得到ln1、ln2的像素数值通过计算可以得到工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20横向偏移的大小值，通过ln1向ccd感光元件24z轴负方向以及通过ln2向ccd感光元件24z轴正方向移动的趋势判断工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20的横向偏移方向。

2、曲线角接焊缝20横向向右偏移rs：

2.1、激光光斑a17由e点移至g点，激光光斑a17沿着激光束a13方向移动距离为rs1，rs1在ccd感光元件24z轴方向的投影为rz1，rz1通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为rn1，移动方向为z轴正方向。通过工控机22程序对视觉传感器图像分析测试可以得到rn1的像素数值，通过计算可得出焊缝偏移量rs。

rz1＝rn1×m；rs＝rs1×tan(c-a)；

即：

2.2、激光光斑b18由h点移至j点，激光光斑b18沿着激光束b14方向移动距离为rs2，rs2在ccd感光元件24z轴方向的投影为rz2，rz2通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为rn2，移动方向为z轴负方向。通过工控机22程序对视觉传感器图像分析测试可以得到rn2的像素数值，通过计算可得出焊缝偏移量rs。

rz2＝rn2×m；rs＝rs2×tana；

即：

在焊枪10与工件a15、工件b16夹角保持不变的情况下，通过工控机22程序对视觉传感器图像分析测试可以得到rn1、rn2的像素数值通过计算可以得到工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20横向偏移的大小值，通过rn1向ccd感光元件24z轴正方向以及通过rn2向ccd感光元件24z轴负方向移动的趋势判断工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20的横向偏移方向。

二、焊缝纵向偏移检测方法：

1、曲线角接焊缝20纵向向上偏移us：

1.1、激光光斑a17由k点移至l点，激光光斑a17沿着激光束a13方向移动距离为us，us在ccd感光元件24z轴方向的投影为uz1，uz1通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为un1，移动方向为z轴正方向。通过工控机22程序对视觉传感器图像分析测试可以得到un1的像素数值，通过计算可得出焊缝偏移量us。

uz1＝un1×m；

即：

1.2、激光光斑b18由n点移至o点，激光光斑b18沿着激光束b14方向移动距离为us，us在ccd感光元件24z轴方向的投影为uz2，uz2通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为un2，移动方向为z轴正方向。通过工控机22程序对视觉传感器图像分析测试可以得到un2的像素数值，通过计算可得出焊缝偏移量us。

uz2＝un2×m；

即：

通过工控机22程序对视觉传感器图像分析测试可以得到un1、un2的像素数值通过计算可以得到工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20纵向偏移的大小值，通过un1向ccd感光元件24z轴正方向以及通过un2向ccd感光元件24z轴正方向移动的趋势判断工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20的纵向偏移方向。

2、曲线角接焊缝20纵向向下偏移ds：

2.1、激光光斑a17由k点移至m点，激光光斑a17沿着激光束a13方向移动距离为ds，ds在ccd感光元件24z轴方向的投影为dz1，dz1通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为dn1，移动方向为z轴负方向。通过工控机22程序对视觉传感器图像分析测试可以得到dn1的像素数值，通过计算可得出焊缝偏移量ds。

dz1＝dn1×m；

即：

2.2、激光光斑b18由n点移至p点，激光光斑b18沿着激光束b14方向移动距离为ds，ds在ccd感光元件24z轴方向的投影为dz2，dz2通过镜头4投影到ccd感光元件24z轴方向长度为dn2，移动方向为z轴负方向。通过工控机22程序对视觉传感器图像分析测试可以得到dn2的像素数值，通过计算可得出焊缝偏移量ds。

dz2＝dn2×m；

即：

通过工控机22程序对视觉传感器图像分析测试可以得到dn1、dn2的像素数值通过计算可以得到工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20纵向偏移的大小值，通过dn1向ccd感光元件24z轴负方向以及通过dn2向ccd感光元件24z轴负方向移动的趋势判断工件a15及工件b16组成的曲线角接焊缝20的纵向偏移方向。

本发明焊接状态下曲线角接焊缝检测结果示意图如图5所示，显示器23中左上部分图像为焊接状态下滤光、减光处理后的激光光斑a17、激光光斑b18及弧光图像，显示器23中右上部分图像为经过二值化处理、滤波处理后的激光光斑a17、激光光斑b18及弧光图像数据曲线，曲线r为工件b16激光光斑b18图像数据曲线，曲线s为焊接弧光图像数据曲线，曲线t为工件a15激光光斑a17图像数据曲线，焊接前调整焊丝位置对准焊缝后，软件记忆曲线r、t上的特征点的纵坐标位置，并以此为判断焊缝是否偏移的基准，在焊接过程中时刻将采集到的曲线r、t上的特征点的纵坐标与软件记忆曲线r、t上的特征点的纵坐标基准值进行对比，从而判断出焊缝偏离方向及偏移量，控制机器人或焊接专用机床对应轴移动，实现焊缝的实时自动跟踪，该曲线角接焊缝激光视觉传感器及焊缝偏差实时检测的方法也适用于直线角接焊缝的检测与焊缝自动实时跟踪。

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。