主被動視覺焊接熔池復合傳感裝置及采用該裝置實現的傳感方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及主被動視覺焊接熔池復合傳感裝置及采用該裝置實現的傳感方法。屬于焊接技術領域，特別是自動化焊接技術。
【背景技術】
[0002]焊接自動化是指機器設備在沒有人或較少人的直接干預指導下完成焊接操作。在當下焊接領域，一方面，由于勞動力成本持續上漲，這對大量需求具有專業操作技能的焊接技工的焊接工業造成沖擊，降低人力成本，提高生產效率與質量成為限制發展的難題?’另一方面，在某些特殊的工作環境中，如水下、太空、核輻射區域，操作工人受環境限制，很難進入工作區域開展焊接操作，焊接自動化技術成為解決以上問題的關鍵。因此，焊接自動化技術已成為當今的發展趨勢。
[0003]焊接自動化技術的核心問題是焊接質量控制。傳統焊接操作中，焊接技工通過觀察熔池變化調整焊槍姿態、焊接參數從而保證焊縫質量。獲得熔池信息有助于解決焊接自動化操作中的質量控制問題。
[0004]熔池傳感技術中，視覺傳感器由于其非接觸、反應快速、信息量豐富而受到廣泛研究。被動視覺傳感技術指依靠電弧光、熔池和工件表面反射的電弧光作為光源照明熔池區域。如專利CN201320010350提出的雙CCD焊接視覺監控系統，即為傳統的被動視覺傳感方法，直接觀察熔池圖像，無法獲得熔池的尺寸信息。主動視覺傳感技術采用光源為單光面或多光面的激光結構光進行照明，分析結構光的變形情況獲得所需定量數據，實現精度較高的間接測量。但主動視覺技術相對抽象，缺乏直觀的熔池信息，人與系統的交互性差。目前結構光主動視覺多用于焊縫跟蹤技術中，如專利CN201310534177、CN201210568670。目前，還未有主動視覺、被動視覺相融合的熔池復合傳感方法公開。
[0005]由于上述視覺傳感方法各自存在不足，因此針對焊接熔池傳感技術，提出一種主被動視覺融合的復合傳感方法，實現優勢互補，對于焊接自動化過程中的質量控制具有重要意義。
【發明內容】
[0006]本發明是為了解決現有的熔池傳感技術中直接觀察熔池圖像，無法獲得熔池的尺寸信息，導致焊接精度低的問題。現提供主被動視覺焊接熔池復合傳感裝置及采用該裝置實現的傳感方法。
[0007]主被動視覺焊接熔池復合傳感裝置，
[0008]它包括焊槍、結構發生機構、圖像采集機構和中心處理機構，
[0009]結構發生機構包括激光器、衍射光學元件和防飛濺窗口片，
[0010]圖像采集機構包括數字相機和窄帶濾光片，
[0011]中心處理機構采用DSP圖像處理平臺實現，
[0012]激光器、衍射光學元件、防飛濺窗口片、數字相機和窄帶濾光片均設置在傳感器殼體內，且同時位于熔池的上方，傳感器殼體為敞口向下的六面體結構，防飛濺窗口片位于傳感器殼體的敞口處，數字相機沿焊接方向置于激光器后方，窄帶濾光片設置在數字相機鏡頭前，焊槍沿焊接方向置于傳感器殼體的前方，傳感器殼體通過鉸架安裝在焊槍上，
[0013]激光器輸出的圓形光束經過衍射光學元件整形為線條紋結構光，該線條紋結構光透過防飛濺窗口片3投射在熔池與已凝固焊道的連接處，
[0014]數字相機通過窄帶濾光片采集投射在熔池與已凝固焊道的連接處的熔池圖像和線條紋結構光，
[0015]DSP圖像處理平臺用于采集熔池與已凝固焊道的連接處的熔池圖像和線條紋結構光，根據已凝固焊道的高度等于當前熔池高度及結合線條紋結構光信息，獲得熔池高度信息，同時提取熔池邊緣，獲得熔池的三維尺寸。
[0016]根據主被動視覺焊接熔池復合傳感裝置實現的傳感方法，它包括以下步驟:
[0017]步驟一、半導體激光器發出的初始圓形光束經過衍射光學元件被整形為線條紋結構光后，投射在熔池與已凝固焊道的連接處，通過調整窄帶濾光片和數字相機的位置與姿態，使數字相機采集到熔池與已凝固焊道的連接處含有線條紋結構光圖像的同時也捕獲熔池區域圖像，
[0018]步驟二、熔池與已凝固焊道的連接處含有線條紋結構光圖像和熔池區域圖像傳入DSP圖像處理平臺中，DSP圖像處理平臺對熔池與已凝固焊道的連接處含有線條紋結構光圖像和熔池區域圖像進行增強處理，去除噪聲干擾，然后將已凝固焊道的高度等于當前熔池高度及結合線條紋結構光圖像，獲得熔池高度信息，同時提取熔池邊緣，獲得熔池的三維尺寸，
[0019]步驟三、重復步驟一和步驟二，直至焊槍完成焊接的過程。
[0020]本發明的有益效果為:采用半導體激光器發出初始圓形光束，經過衍射光學元件，光束被整形為線條紋結構光，投射在熔池與已凝固焊道的連接處，調整加裝濾光片的數字相機位置與姿態，使其采集到該區域含有線條紋結構光圖像的同時也捕獲熔池區域圖像，傳入DSP圖像處理平臺，進行圖像處理，根據焊接過程的連續性，可將熔池根部區域已凝固部分的高度可近似于當前熔池高度，通過分析線條紋結構光在高度方向上的調制情況，獲得熔池高度信息，同時處理圖像中的熔池部分，提取熔池邊緣，獲得熔池的長度、寬度信息。通過上述過程，獲得了直觀的熔池動態圖像的同時，實時獲得熔池的三維尺寸信息。采用該方法實現的焊接精度高，
[0021]并且相對于現有熔池傳感技術有以下有點:
[0022]1、可獲得熔池尺寸信息。現有的基于被動視覺的熔池監控系統，只能通過優化光學采集系統，獲得清晰的熔池圖像，雖然相對直觀，但是缺乏具體的尺寸信息，尤其是熔池高度信息，無法向焊接自動化技術提供前端數字傳感信息。
[0023]2、檢測的實時性優秀。當前提出的基于反射的主動視覺熔池傳感技術，光路復雜，圖像無法連續采集且熔池恢復需要大量處理運算。本發明相對處理計算量小，能夠達到實時熔池傳感的要求。
[0024]3、結構簡單，應用范圍廣。本發明的檢測方法實現裝置結構簡單，可以集成于各類焊接機器人手臂、自動化焊接焊槍上，可以在工程中廣泛應用。
【附圖說明】
[0025]圖1為【具體實施方式】所述的主被動視覺焊接熔池復合傳感裝置的結構示意圖；
[0026]圖2為【具體實施方式】四所述的主被動視覺焊接熔池復合傳感方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0027]【具體實施方式】一:參照圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的主被動視覺焊接熔池復合傳感裝置，它包括焊槍7、結構發生機構、圖像采集機構和中心處理機構，
[0028]結構發生機構包括激光器1、衍射光學元件2和防飛濺窗口片3，
[0029]圖像采集機構包括數字相機5和窄帶濾光片6，
[0030]中心處理機構采用DSP圖像處理平臺實現，
[0031]激光器1、衍射光學元件2、防飛濺窗口片3、數字相機5和窄帶濾光片6均設置在傳感器殼體4內，且同時位于熔池的上方，傳感器殼體4為敞口向下的六