基于视觉传感的激光—电弧复合焊接实时自动控制装置及其焊接方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于视觉传感的激光—电弧复合焊接实时自动控制装置及其焊接方法，焊枪与激光头相连，焊接时焊丝的熔化焊丝尖端形成熔滴，激光束照射到焊件形成激光匙孔，高速相机用于拍摄熔化焊丝尖端和激光匙孔的图像，高速相机与图像处理工控机相连，图像处理工控机分别与焊枪的复合焊接头控制装置、焊枪的焊机设备控制装置连接，图像处理工控机通过焊枪的复合焊接头控制装置控制激光匙孔与熔滴的中心点间距离，通过焊枪的焊机设备控制装置控制熔化焊丝尖端的中心点纵坐标y值。本发明解决了现有技术中熔滴与激光匙孔的中心距离不能实时调整、且调整过程无法可视化，导致熔滴与激光匙孔的中心距离过远或过近的问题。
【专利说明】
基于视觉传感的激光一电弧复合焊接实时自动控制装置及其焊接方法
技术领域
[0001]本发明属于焊接技术领域，涉及一种基于视觉传感的激光一电弧复合焊接实时自动控制装置及其焊接方法。
【背景技术】
[0002]现代生产和科学技术的发展对自动化技术的要求越来越高，焊接技术的自动化亦是未来的发展趋势。激光电弧-复合焊以其高桥接性、高焊接速度、大熔深、成本低等优势被广泛的研究和应用。该焊接方法可控因素众多，其中任何一个参数的改变都将对焊接质量产生很大的影响，尤其是熔滴滴落位置与激光匙孔的相对位置尤为重要。大量研究发现当熔滴滴落位置距激光匙孔较远时(即光丝间距大)，激光与电弧的相互作用很弱，两热源复合效果很差，焊接过程中激光的引弧、压弧、稳弧作用不能充分体现，此时焊缝形貌为两种焊接方式形貌的单纯叠加；当熔滴滴落位置距激光匙孔太近时熔滴容易滴落到激光匙孔，此时激光打在熔滴上使激光的能量不能充分作用在工件上，并且极易产生飞溅；只有当两者距离合适时才能形成较好的焊缝形貌。同时，激光匙孔作用于熔池的位置对焊缝的形貌、表面成型以及是否产生飞溅有着很重要的影响。调节焊枪姿态控制熔滴滴落位置与激光匙孔的相对位置的方法有很多，如调节电弧电压从而改变熔滴滴落位置，但是较宽的电弧电压调节范围会影响焊缝的熔宽、余高等形貌参数;调整焊枪与激光头的相对位置，该方法能够很好地调节熔滴滴落位置与激光匙孔的距离，但是由于强弧光干扰不能清晰捕捉焊接过程的熔滴和熔池图像，给焊枪的控制带来一定难度。因此，提出一种能够根据获得熔滴位置与匙孔相对距离数据，并能实时调节焊枪姿态与激光束的相对位置，从而保证熔滴位置与激光匙孔的距离为理想值的焊接装置尤为重要。
[0003]关于实时自动调节激光一电弧复合焊接装置，中国专利号为zl200610048081.8，发明专利名称为“激光-电弧复合焊接协调控制方法”【公开日】:2007年4月11日，公开了一种利用高速摄像、热像仪等设备采集焊接过程中激光与电弧之间的相互位置(du)进而调节焊枪与激光头的相对位置的闭环控制系统，其目的是改善复合热源的能量分布状态，改变焊接接头温度场分布。该方法采集的是焊接过程中的du值，并不能避免熔滴落入匙孔从而影响激光充分作用工件现象的发生。
[0004]中国专利号为zl201310053897.x，发明专利名称为“一种激光-电弧复合焊接的控制方法及装置”【公开日】:2013年5月22日，公开了通过采集焊接过程中的电流、电压信号对du进行实时调节方法。该方法改变了焊接过程的电流、电压值，对焊接的稳定性和焊缝性能的一致性会有影响；同样该方法也不能避免熔滴落入激光匙孔，从而影响激光能量充分作用于工件上。
[0005]2011年公开的“基于视觉的激光深熔焊匙孔检测及图像处理，杨家林，高进强，《焊接》”通过构建激光深熔焊同轴视觉检测系统，获得了完整清晰的匙孔图像，设计了高斯滤波器、增强算子，提出了先搜索匙孔中间部分边缘、而后搜索上部、下部边缘的搜索策略，提取出了匙孔的边缘，但是该文仅仅是涉及激光焊接，不涉及激光-电弧复合焊接的激光匙孔的图像处理技术。本发明的焊接装置，是通过采集更能反映激光与电弧耦合效果、对焊接质量影响更直接且更重要的参数对焊枪与激光头相对位置实现实时调节，不仅能提高焊接效率并且能提高焊接质量。
【发明内容】
[0006]为了达到上述目的，本发明提出了一种基于视觉传感的激光一电弧复合焊接实时自动控制装置，提高了焊接过程的稳定性，改善了焊缝成型和接头的性能，解决了现有技术中熔滴与激光匙孔的中心距离不能实时调整、且调整过程无法可视化，进而导致熔滴与激光匙孔的中心距离过远或过近的问题。
[0007]本发明的另一目的是，提供一种采用基于视觉传感的激光一电弧复合焊接实时自动控制装置的焊接方法。
[0008]本发明所采用的技术方案是，一种基于视觉传感的激光一电弧复合焊接实时自动控制装置，焊枪通过连接装置与激光头相连，焊枪中安装焊丝，焊丝的尖端与焊件接触;焊接时，焊丝的熔化焊丝尖端形成熔滴，激光器发射的激光束通过激光头照射到焊件，在焊件的激光作用点处形成激光匙孔，焊丝的端头与激光作用点间距为3mm，还包括高速相机，高速相机用于拍摄焊丝的熔化焊丝尖端和激光匙孔的图像，高速相机与图像处理工控机相连，图像处理工控机分别与焊枪的复合焊接头控制装置、焊枪的焊机设备控制装置连接，图像处理工控机接收到高速相机的拍摄信息后，通过焊枪的复合焊接头控制装置控制激光匙孔与熔滴的中心点间距离，通过焊枪的焊机设备控制装置控制熔化焊丝尖端的中心点纵坐标。
[0009]本发明的特征还在于，进一步的，复合焊接头控制装置包括纵向控制装置和角度控制装置，纵向控制装置包括m2伺服电机控制单元和m2伺服电机，角度控制装置包括ml伺服电机控制单元和ml伺服电机;m2伺服电机控制单元和图像处理工控机相连，m2伺服电机和焊枪的复合焊接头相连;ml伺服电机控制单元和图像处理工控机相连，ml伺服电机和焊枪的复合焊接头相连;焊机设备控制装置包括焊机控制单元，焊机控制单元与焊枪的焊机设备相连。
[0010]进一步的，m2伺服电机用于调整焊枪的纵向位置，ml伺服电机用于调整焊丝的轴线与激光束的夹角;焊枪的焊机设备用以调整焊枪的电弧电压。
[0011 ] 进一步的，高速相机为cm0s-cr5000 x 2型高速相机，高速相机的镜头前加装532nm的滤光镜，激光器采用ncuyag固体激光器、co2激光器、碟片激光器或半导体激光器中的任意一种。
[0012]本发明所采用的另一技术方案是，一种采用基于视觉传感的激光一电弧复合焊接实时自动控制装置的焊接方法，具体按照以下步骤进行:
[0013]步骤一:焊接前，将厚度为8.0mm的焊件夹持在工作台上，激光器发射激光束，激光器功率为2.0kw;调节焊枪的电弧焊接电流200a、电弧电压25-27v，焊枪的焊丝干伸长为14mm，焊枪的相对焊接速度为800mm/min;设定高速相机的参数，在无滤光镜的条件下，镜头的光圈调节为4-6，曝光时间调到1/50-1/40s，采样频率调到50帧每秒，直至高速相机采集到焊丝和激光束的清晰图像;通过ml伺服电机和m2伺服电机调节焊枪的复合焊接头，使光丝距离du为3mm，且沿焊接方向焊丝与激光束在同一条直线上；
[0014]步骤二:开始焊接时，设定高速相机的参数，在高速相机的镜头前加532nm的滤光镜，镜头的光圈调节为18-32，曝光时间调到1/400000-1/500000s，采样频率调到每秒4000帧，加532nm的背景光源，保证高速相机采集到熔化焊丝尖端、熔滴和激光匙孔的高清图像；
[0015]步骤三:在图像处理工控机中分别设置熔化焊丝尖端的灰度阈值区间、熔滴的灰度阈值区间、激光匙孔的灰度阈值区间，利用图像处理工控机对步骤二得到的高清图像进行二值化处理，使高清图像变为不同的像素群，并使熔化焊丝尖端、熔滴和激光匙孔的图像与背景光源的灰度值差大于50;获得熔化焊丝尖端、熔滴和激光匙孔的图像；
[0016]步骤四:图像处理工控机根据步骤三得到的熔化焊丝尖端、熔滴和激光匙孔的图像，以步骤二得到的高清图像的左下角为坐标原点，利用像素点坐标的平均值分别计算熔化焊丝尖端图像的中心点坐标、激光匙孔图像的中心点坐标和熔滴图像的中心点坐标；
[0017]步骤五:图像处理工控机根据步骤四得到的激光匙孔图像的中心点坐标和熔滴图像的中心点坐标，计算激光匙孔图像和熔滴图像的中心点间距离x1;计算熔化焊丝尖端图像中心点的纵坐标值yi，当xi不满足设定的光丝距dla= 3±0.4mm的要求或者yi值不满足设定值y= 10 ± 2mm的要求时，图像处理工控机经分析后发送相应调节信号至m2伺服电机控制单元、ml伺服电机控制单元或焊机控制单元，m2伺服电机控制单元与m2伺服电机相连，ml伺服电机控制单元与ml伺服电机相连，焊机控制单元与焊枪的焊机设备相连，通过ml伺服电机和m2伺服电机联合控制激光匙孔与熔滴的中心点间距离，通过焊枪的焊机设备控制熔化焊丝尖端图像中心点的纵坐标值y1，实时保证焊接过程中激光匙孔图像和熔滴图像的中心点间距离x1满足设定的光丝距dla=3±0.4mm的要求，熔化焊丝尖端图像中心点的纵坐标值yi满足设定值y= 10 ± 2mm的要求。
[0018]进一步的，步骤一中，焊枪采用mig、mag或tig焊枪中的任意一种，焊枪的焊丝直径φ 1.2mm，焊枪的保护气体为体积比5 %的c02 95的％ar，气体流量为15_17l/min;激光器采用ncuyag固体激光器、co2激光器、碟片激光器或半导体激光器中的任意一种。
[0019]进一步的，步骤三中，熔化焊丝尖端的灰度阈值为20-40，熔滴的灰度阈值为120-140，激光匙孔的灰度阈值为200-220。
[0020]进一步的，步骤三中，图像处理工控机获得熔化焊丝尖端、熔滴和激光匙孔图像的方法，具体按照以下步骤进行:以步骤二得到的高清图像的左下角为坐标原点，沿χ，γ两坐标方向逐行扫描，寻找与熔化焊丝尖端的灰度阈值区间最接近的像素群，当某像素群的灰度值满足熔化焊丝尖端的灰度阈区间时，即确定为熔化焊丝尖端的图像;寻找与熔滴的灰度阈值区间最接近的像素群，当某像素群的灰度值满足熔滴的灰度阈值区间，同时像素群的短轴a与长轴b的比值满足l/2d