[发明专利]主被动视觉焊接熔池复合传感装置及采用该装置实现的传感方法

说明书

技术领域

本发明涉及主被动视觉焊接熔池复合传感装置及采用该装置实现的传感方法。属于焊接技术领域，特别是自动化焊接技术。

背景技术

焊接自动化是指机器设备在没有人或较少人的直接干预指导下完成焊接操作。在当下焊接领域，一方面，由于劳动力成本持续上涨，这对大量需求具有专业操作技能的焊接技工的焊接工业造成冲击，降低人力成本，提高生产效率与质量成为限制发展的难题；另一方面，在某些特殊的工作环境中，如水下、太空、核辐射区域，操作工人受环境限制，很难进入工作区域开展焊接操作，焊接自动化技术成为解决以上问题的关键。因此，焊接自动化技术已成为当今的发展趋势。

焊接自动化技术的核心问题是焊接质量控制。传统焊接操作中，焊接技工通过观察熔池变化调整焊枪姿态、焊接参数从而保证焊缝质量。获得熔池信息有助于解决焊接自动化操作中的质量控制问题。

熔池传感技术中，视觉传感器由于其非接触、反应快速、信息量丰富而受到广泛研究。被动视觉传感技术指依靠电弧光、熔池和工件表面反射的电弧光作为光源照明熔池区域。如专利CN201320010350提出的双CCD焊接视觉监控系统，即为传统的被动视觉传感方法，直接观察熔池图像，无法获得熔池的尺寸信息。主动视觉传感技术采用光源为单光面或多光面的激光结构光进行照明，分析结构光的变形情况获得所需定量数据，实现精度较高的间接测量。但主动视觉技术相对抽象，缺乏直观的熔池信息，人与系统的交互性差。目前结构光主动视觉多用于焊缝跟踪技术中，如专利CN201310534177、CN201210568670。目前，还未有主动视觉、被动视觉相融合的熔池复合传感方法公开。

由于上述视觉传感方法各自存在不足，因此针对焊接熔池传感技术，提出一种主被动视觉融合的复合传感方法，实现优势互补，对于焊接自动化过程中的质量控制具有重要意义。

发明内容

本发明是为了解决现有的熔池传感技术中直接观察熔池图像，无法获得熔池的尺寸信息，导致焊接精度低的问题。现提供主被动视觉焊接熔池复合传感装置及采用该装置实现的传感方法。

主被动视觉焊接熔池复合传感装置，

它包括焊枪、结构发生机构、图像采集机构和中心处理机构，

结构发生机构包括激光器、衍射光学元件和防飞溅窗口片，

图像采集机构包括数字相机和窄带滤光片，

中心处理机构采用DSP图像处理平台实现，

激光器、衍射光学元件、防飞溅窗口片、数字相机和窄带滤光片均设置在传感器壳体内，且同时位于熔池的上方，传感器壳体为敞口向下的六面体结构，防飞溅窗口片位于传感器壳体的敞口处，数字相机沿焊接方向置于激光器后方，窄带滤光片设置在数字相机镜头前，焊枪沿焊接方向置于传感器壳体的前方，传感器壳体通过铰架安装在焊枪上，

激光器输出的圆形光束经过衍射光学元件整形为线条纹结构光，该线条纹结构光透过防飞溅窗口片3投射在熔池与已凝固焊道的连接处，

数字相机通过窄带滤光片采集投射在熔池与已凝固焊道的连接处的熔池图像和线条纹结构光，

DSP图像处理平台用于采集熔池与已凝固焊道的连接处的熔池图像和线条纹结构光，根据已凝固焊道的高度等于当前熔池高度及结合线条纹结构光信息，获得熔池高度信息，同时提取熔池边缘，获得熔池的三维尺寸。

根据主被动视觉焊接熔池复合传感装置实现的传感方法，它包括以下步骤：

步骤一、半导体激光器发出的初始圆形光束经过衍射光学元件被整形为线条纹结构光后，投射在熔池与已凝固焊道的连接处，通过调整窄带滤光片和数字相机的位置与姿态，使数字相机采集到熔池与已凝固焊道的连接处含有线条纹结构光图像的同时也捕获熔池区域图像，

步骤二、熔池与已凝固焊道的连接处含有线条纹结构光图像和熔池区域图像传入DSP图像处理平台中，DSP图像处理平台对熔池与已凝固焊道的连接处含有线条纹结构光图像和熔池区域图像进行增强处理，去除噪声干扰，然后将已凝固焊道的高度等于当前熔池高度及结合线条纹结构光图像，获得熔池高度信息，同时提取熔池边缘，获得熔池的三维尺寸，

步骤三、重复步骤一和步骤二，直至焊枪完成焊接的过程。