[发明专利]一种双传感集成式焊缝跟踪传感器及纠偏方法

说明书

本发明提供一种双传感集成式焊缝跟踪传感器方法，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。而且，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。

技术领域

本发明涉及一种焊缝跟踪传感器。具体地，是一种高性能的双传感集成式焊缝跟踪传感器及纠偏方法。

背景技术

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。

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。

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。

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。