一种激光焊接机焊缝跟踪系统及焊缝跟踪方法

摘要

本发明公开了一种激光焊接机焊缝跟踪系统，其中，CCD视觉传感器将其采集的光信号转换成按时序串行输出的图像数据，以获取焊缝路径图像，该图像处理模块用于对焊缝路径图像进行预处理，计算出实际的焊缝路径宽度和跟踪方向，结合检测得到的工件高度，输出实际焊接轨迹数据，主控模块用于对实际焊接轨迹数据进行处理，并且根据处理结果发出控制指令，数控驱动模块用于执行主控模块的控制指令驱动一激光焊头，并调节该激光焊头的位置以及控制该激光焊头的焊接动作。本发明不仅实现了自动化激光焊接，还具有偏差小、精度高、焊接质量好等优势。

说明书

技术领域

本发明涉及激光焊接、跟踪技术，尤其涉及一种激光焊接机焊缝跟踪系统 及焊缝跟踪方法。

背景技术

在现有的激光焊接过程中，激光光斑移动路径是由操作者以描点的方式编 程设定的一条激光光斑移动路径。这种方法对坡口的加工、工件的装配精度要 求很高，而且有些焊缝的形状很难用数学方法表示出来,由于操作者描点时主观 上存在偏差，被焊零件在加工、上夹过程中存在尺寸偏差，以及在焊接过程中 受热产生的变形等多重因素的影响，使得实际焊缝轨迹与焊接接缝的轨迹之间 产生一定偏差，对焊接过程的稳定完成及焊接质量产生了直接的影响，特别是 对一些复杂曲线焊缝的焊接。目前，激光焊接焊缝轨迹虽已采用编程方式实现 自动运行，但仍没有实现自动修正与补偿，实际与过程控制系统相差无几。现 阶段，国内焊缝跟踪技术可以说是种类繁多，譬如机械式跟踪、光电式跟踪、 红外线跟踪等，但大部分技术成熟度不够，存在较多的问题和不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种激光焊接 机焊缝跟踪系统及焊缝跟踪方法，其中，通过与激光焊头同步运动的CCD视觉 传感器检测待焊焊缝的位置，然后通过主控模块对所测的激光焊头的实际位置 与其理论路径进行比较，根据比较的结果修正激光焊头的位置，从而达到焊缝 轨迹自动跟踪的目的，不仅实现了自动化激光焊接，还具有偏差小、精度高、 焊接质量好等优势。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种激光焊接机焊缝跟踪系统，其包括有：一CCD视觉传感器，用于将其 采集的光信号转换成按时序串行输出的图像数据，以获取焊缝路径图像；一图 像处理模块，其连接于CCD视觉传感器，该图像处理模块用于对焊缝路径图像 进行预处理，计算出实际的焊缝路径宽度和跟踪方向，结合检测得到的工件高 度，输出实际焊接轨迹数据；一主控模块，其连接于图像处理模块，该主控模 块用于对实际焊接轨迹数据进行处理，并且根据处理结果发出控制指令；一数 控驱动模块，其连接于主控模块，该数控驱动模块用于执行主控模块的控制指 令驱动一激光焊头，并调节该激光焊头的位置以及控制该激光焊头的焊接动作。

优选地，还包括有：一超声波传感器，其用于对已焊部位进行检测，输出 检测数据；一焊接质量信息处理模块，其连接于超声波传感器与主控模块之间， 该焊接质量信息处理模块用于将超声波传感器输出的检测数据与预设的标准数 据进行对比，将不符合要求的焊接部位信息传输至主控模块，由主控模块发送 控制指令至数控驱动模块，并且由数控驱动模块控制激光焊头对该焊接部位进 行补焊。

一种激光焊接机焊缝跟踪方法，该方法包括如下步骤：步骤S1，CCD视觉 传感器将其采集的光信号转换成按时序串行输出的图像数据，以获取焊缝路径 图像，并且将该焊缝路径图像传输至图像处理模块；步骤S2，图像处理模块对 焊缝路径图像进行预处理，计算出实际的焊缝路径宽度和跟踪方向，结合检测 得到的工件高度，将实际焊接轨迹数据输出至主控模块；步骤S3，主控模块对 实际焊接轨迹数据进行处理，并且根据处理结果发出控制指令至数控驱动模块； 步骤S4，数控驱动模块执行主控模块发出的控制指令，并且驱动激光焊头，以 调节该激光焊头的位置以及控制该激光焊头的焊接动作。

优选地，该方法还包括如下步骤：步骤S5，用超声波传感器对已焊部位进 行检测，并且输出检测数据至焊接质量信息处理模块；步骤S6，焊接质量信息 处理模块将检测数据与预设的标准数据进行对比，将不符合要求的焊接部位信 息传输至主控模块，由主控模块发送控制指令至数控驱动模块，并且由数控驱 动模块控制激光焊头对该焊接部位进行补焊。

优选地，步骤S1至步骤S3包括同步巡边过程，同步巡边是在焊接的同时 获取焊缝的中心位置以及焊缝截面形状、尺寸。

优选地，步骤S1至步骤S3包括异步巡边过程，异步巡边是利用CCD视觉 传感器预先获取焊缝路径，之后按照该焊缝路径连续焊接。

优选地，步骤S2中，图像处理模块对焊缝路径图像进行预处理过程包括滤 波处理和锐化处理。

优选地，步骤S2中，图像处理模块通过SIFT算法进行角点提取匹配，对 CCD视觉传感器输出的图像数据进行拼接。

优选地，步骤S2中，图像处理模块滤除焊缝路径图像中的干扰图像，得到 有用图像信息，并且加强焊缝特征信号，提取焊缝特征点，凸出图像轮廓，之 后进行图像拼接。

优选地，步骤S6中，不符合要求的焊接部位为存在沙眼、焊缝深度不够的 部位。

本发明公开的激光焊接机焊缝跟踪系统中，CCD视觉传感器将其采集的光 信号转换成按时序串行输出的图像数据，以获取焊缝路径图像，该图像处理模 块用于对焊缝路径图像进行预处理，计算出实际的焊缝路径宽度和跟踪方向， 结合检测得到的工件高度，输出实际焊接轨迹数据，主控模块用于对实际焊接 轨迹数据进行处理，并且根据处理结果发出控制指令，数控驱动模块用于执行 主控模块的控制指令驱动一激光焊头，并调节该激光焊头的位置以及控制该激 光焊头的焊接动作。本发明相比现有技术而言的有益效果在于，通过焊缝跟踪 自动完成焊接过程，使得激光焊接过程实现了自动化与智能化，大大提高激光 焊接加工的效率，提升激光焊接技术水平，特别适合对接型、角接型、波浪型 焊缝以及其它不规则焊缝的焊接，同时，降低了生产成本。通过对焊缝的实时 自动跟踪与调整，可有效避免受多种客观因素影响而造成焊接偏移等质量问题， 有效提高焊接质量，由于焊接过程是自动完成的，使得人工描点编程的工作量 可以减少甚至忽略，从而降低生产成本，改善劳动条件。

附图说明

图1为激光焊接机焊缝跟踪系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种激光焊接机焊缝跟踪系统，如图1所示，其包括有：

一CCD视觉传感器10，用于将其采集的光信号转换成按时序串行输出的图 像数据，以获取焊缝路径图像，通过该CCD视觉传感器10可以实现对焊缝位 置的高速、高精度的连续拍照，以获取焊缝的中心位置及焊缝截面形状和尺寸 等特征参数。

一图像处理模块20，其连接于CCD视觉传感器10，该图像处理模块20用 于对焊缝路径图像进行预处理，计算出实际的焊缝路径宽度和跟踪方向，结合 检测得到的工件高度，输出实际焊接轨迹数据，该工件高度用于调整焊头的竖 直位置。进一步地，该图像处理模块20存在异步分时和同步实时两种应用模式， 且同步实时应用的图像处理环节是基于嵌入式系统，因此，图像处理系统的设 计方向是高速、高精度、可移植的。此外，由于CCD视觉传感器10所拍摄的 图像是局部的、断续的，所以需要对图像进行拼接。该图像处理模块20的主要 研究内容是，通过嵌入式系统的设计以及图像处理软件的开发，辅以计算机功 能，过滤得到焊缝图像中有用的信息，加强焊缝特征信号，提取焊缝特征点， 突出图像轮廓，保留关于物体边有用的结构信息，进行有用图像的拼接，计算 并输出焊缝宽度、高度、跟踪方向位置等信息。

一主控模块30，其连接于图像处理模块20，该主控模块30用于对实际焊 接轨迹数据进行处理，并且根据处理结果发出控制指令，该主控模块30采用PLC 智能控制技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术与工控机、伺服电机等 系列机电一体化设计，实现指令的转化，为执行机构下达操作指令，根据需要， 可以设计成手动与自动两种操作模式。

一数控驱动模块40，其连接于主控模块30，该数控驱动模块40用于执行 主控模块30的控制指令驱动一激光焊头70，并调节该激光焊头70的位置以及 控制该激光焊头70的焊接动作，其中，该激光焊头70设于焊件100的上方， 并且对准焊件100上的焊缝101，CCD视觉传感器10优选设于激光焊头70之 前，跟踪拍摄待焊焊缝图像并实时传送，自动根据焊缝以提供原始数据。该数 控驱动模块40中，通过预先设计的二维滑台，调整激光焊头70的焊点位置和 激光焦距，使得激光焊头70始终处于焊缝101的中间处。

作为一种优选方式，该激光焊接机焊缝跟踪系统还包括有一超声波传感器 50及一焊接质量信息处理模块60，该超声波传感器50利用超声波经过焊缝反 射形成的回波对已焊部位进行检测，并且输出检测数据。该焊接质量信息处理 模块60连接于超声波传感器50与主控模块30之间，该焊接质量信息处理模块 60用于将超声波传感器50输出的检测数据与预设的标准数据进行对比，将不符 合要求的焊接部位信息传输至主控模块30，由主控模块30发送控制指令至数控 驱动模块40，并且由数控驱动模块40控制激光焊头70对该焊接部位进行补焊。

本实施例中，关于该图像处理模块20的具体内容如下：

1、应用系统：

1）包含且不限于当前常用的图像文件的读写功能，至少包括bmp、jpg、tif、 avi等；2）包含且不限于当前常用的CCD图像读取接口，至少包含avt、basler 等；3）图像数据的形态学处理功能，包含缩放、旋转、灰度化、二值化、对比 度增强、亮度调节、增益转换等；4）常用的定位相关的算法处理，包含角点检 测、sift/surf、边缘提取、链码跟踪、灰度识别、几何匹配等功能。其系统性能 为：1）单幅1280×960的灰度图像读写时间不超过100ms；2）模板匹配时间不 超过300ms；3）角点检测时间不超过500ms。定位精度与主流定位软件（halcon、 mil等）差异小于2个pixel，重复定位精度跳动幅度小于1.5pixel。该图像处理 模块的图像处理库主要运行在WinXP及以上版本的windows系统中。该图像处 理模块的电脑配置需要CPU1.8G以上，推荐使用双核CPU，最小内存512Mb。 系统支持标准图像格式，如bmp、jpg等格式；系统支持常用CCD接口，如basler （GigE网口）、avt（1394采集卡）等。

2、上述应用系统包含以下层次：

1）应用层调用，对应于其他程序的调用，提供动态库、静态库和头文件接 口，上层程序主要针对图像库进行实例化调用和必要的接口函数注册回调，如 库中未包含的图像采集接口、错误处理通知接口。2）图像处理功能，图像处理 功能是针对图像调节、几何变换、定位识别等功能的调用实现，完成以图像数 据为基础的处理，并承接实现上下行接口。3）矩阵计算，矩阵计算是针对图像 数据的转换和功能算法的主体实现，作为图像处理功能调用的算法封装，主流 通用算法和本公司研发的算法均针对矩阵数据执行，以实现高效稳定的处理效 果。4）标准图片读写接口，针对bmp、jpg、tif等标准图片格式进行读写。5） CCD图像读取接口，实现对Basler、Avi等公司常用CCD产品的标准读取接口， 并且可由用户实现其他CCD读取接口，并注册对应的回调函数，以适应不同产 品的特殊化应用。

3、运行模式：

该图像处理模块的图像处理库可以作为两种引用模式进行运行，1）图像显 示图像显示模式只作为图像源（文件或CCD）的封装进行直接调用，不检查使 用权限，不对外呈现数据接口，处理过程无日志；2）图像显示+处理，显示+处 理模式可实现所有功能接口调用（满足使用权限——检查usb加密狗），数据处 理过程可查可测，并产生日志数据库以备查验。

4、运行控制：

该图像处理模块的图像处理库支持多核心CPU执行，在数据处理时，根据 CPU核心数拆分线程，满足处理效果的实时性。

基于上述结构的激光焊接机焊缝跟踪系统，本实施例还提出一种激光焊接 机焊缝跟踪方法，该方法包括如下步骤：

步骤S1，CCD视觉传感器10将其采集的光信号转换成按时序串行输出的 图像数据，以获取焊缝路径图像，并且将该焊缝路径图像传输至图像处理模块 20。

步骤S2，图像处理模块20对焊缝路径图像进行预处理，计算出实际的焊缝 路径宽度和跟踪方向，结合检测得到的工件高度，将实际焊接轨迹数据输出至 主控模块30。该步骤中，图像处理模块20对焊缝路径图像进行预处理过程包括 滤波处理和锐化处理，以去除干扰和噪声，之后进行边缘提取。对于大幅面离 散焊点的提取，由于单幅图像采集的信息是局部的、断续的，需要对整体图像 进行拼接合成，所以，该图像处理模块20通过SIFT算法进行角点提取匹配， 对CCD视觉传感器10输出的图像数据进行拼接，以实现无损拼接，构成视频 信号。进一步地，图像处理模块20滤除焊缝路径图像中的干扰图像，得到有用 图像信息，并且加强焊缝特征信号，提取焊缝特征点，凸出图像轮廓，之后进 行图像拼接。

步骤S3，主控模块30对实际焊接轨迹数据进行处理，并且根据处理结果发 出控制指令至数控驱动模块40。上述步骤S1至步骤S3中，以获取焊缝的中心 位置及焊缝截面形状和尺寸等特征参数的过程成为巡边，巡边有同步和异步两 种模式，同步巡边是在焊接的同时获取焊缝的中心位置以及焊缝截面形状、尺 寸，在焊缝理论路径已知的前提下，与焊接同步实时完成的操作过程，也可以 应用于焊接方向变化不大，焊接速度不太快的焊缝实时焊接；异步巡边是利用 CCD视觉传感器10预先获取焊缝路径，之后按照该焊缝路径连续焊接，该过程 需预先寻找焊缝路径，之后再按该路径连续焊接，这种模式适用于焊接速度快、 焊接幅面较大或离散焊接点的模型。

步骤S4，数控驱动模块40执行主控模块30发出的控制指令，并且驱动激 光焊头70，以调节该激光焊头70的位置以及控制该激光焊头70的焊接动作。

步骤S5，用超声波传感器50对已焊部位进行检测，并且输出检测数据至焊 接质量信息处理模块60。

步骤S6，焊接质量信息处理模块60将检测数据与预设的标准数据进行对 比，将不符合要求的焊接部位信息传输至主控模块30，由主控模块30发送控制 指令至数控驱动模块40，并且由数控驱动模块40控制激光焊头70对该焊接部 位进行补焊，该步骤中，不符合要求的焊接部位为存在沙眼、焊缝深度不够的 部位。

本发明公开的激光焊接机焊缝跟踪系统中，采用了CCD视觉传感数字图像 处理技术与超声检查技术，并结合一定的控制技术，由CCD视觉传感器10、图 像处理模块20、主控模块30、数控驱动模块40、超声波传感器50及焊接质量 信息处理模块60组成，其主要工作原理是通过与激光焊头70同步运动的CCD 视觉传感器10检测待焊焊缝的位置，然后通过主控模块30对所测的实际位置 与激光焊头70运动的理论路径进行比较，根据比较的结果通过数控驱动模块40 实时修正激光焊头70的位置，达到焊缝轨迹自动跟踪的目的，其检测焊缝的偏 移量和深度的精度可达到0.05mm。此外，系统还采用超声波传感器检测技术， 对已焊部位进行检测，通过嵌入式系统的开发与设计，实现对超声传感器50获 取的数据进行处理，将检测到的质量数据与预设的标准进行对比，将不符合要 求的焊接信息传导至中主控模块30，通过主控模块30控制数控驱动模块40完 成对有质量问题部分的补焊操作。由此可以看出，通过上述激光焊接机焊缝跟 踪系统不仅实现了自动化激光焊接，还具有偏差小、精度高、焊接质量好等优 势。

以上只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术 范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。