CN102513708A - 主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，为了实现焊前的焊缝跟踪及焊接过程小孔的在线监测同步进行，本发明包括位于工件上方的激光头，位于激光头一侧的辅助光源照射装置，通过光纤传输的激光束依次穿过设置在所述激光头内的透镜A、分光镜、透镜B，并照射在工件上，在所述激光头一侧设有与激光头同轴观测工件焊接状态的同轴光学镜头组件。本发明利用安装在激光头上的LED点光源进行高角度照射，通过同轴拍摄焊接区域，在清晰拍摄到焊接小孔连续图像的同时捕获跟踪待焊区域的焊缝，实现了焊缝跟踪与焊接小孔在线监测同时进行，且成本低、结构简单、安装方便、易于操作。

Description

主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置

技术领域

本发明涉及一种短波长激光焊接过程中焊接小孔同轴视觉监测与焊前焊缝跟踪的集成装置，具体为一种可实现短波长激光焊接过程中小孔的在线监测与焊缝跟踪同时满足的集成装置。

背景技术

随着我国汽车行业的飞速发展，激光焊接技术也得到了充分体现，但由于激光焊接过程相对复杂，使得焊接质量并不能得到保证。经研究发现激光深熔焊接过程中出现小孔的深度与焊缝深度有一定的关系，因此，利用监测激光焊接过程中的小孔相关信息来实现对焊接质量的监测引起广大学者的重视。

目前对于CO2、YAG激光焊接的在线监测如等离子体监测、小孔形状的监测有效性已得到了充分的证实。1997年由德国夫朗赫费激光技术研究所(Fraunhofer Institute of Laser Technique)和加拿大滑铁卢大学(University ofWaterloo)合作，首次采用CCD摄像机来监测焊接过程，德国Joerg Beerisek教授利用CMOS摄像机对激光焊接过程中小孔的不稳定性进行了在线研究，利用观察小孔图像信息建立了熔池的图像与激光焊接熔透状态的关系；清华大学陈武柱等对CO2激光焊接过程中小孔图像的同轴监测做了深入研究，并利用小孔图像灰度的特征与熔深建立了联系；哈尔滨工业大学秦国梁等建立了YAG激光焊接过程中小孔形状与各种焊接参数的关系，并通过在线监测小孔平面形状后利用算法推导出小孔的深度，形成了对小孔三维形态的研究；华中科技大学王春明等人对光纤激光焊接熔池和小孔的高速摄像做了初步分析，但由于不是同轴拍摄小孔，所以拍摄到的小孔的形状有变形，在焊接过程中，采用高速摄像机拍摄熔池图像，但没有涉及熔深等质量参数与熔池几何参数的关系；Beersiek采用同轴视觉传感器拍摄了熔池图像，并通过对垂直焊接方向的灰度分布处理，获得了熔池宽度等特征信息，定性分析了熔池宽度与熔深的对应关系，但没有给出它们之间的定量关系。

焊缝跟踪研究方面已相当成熟，大都是利用辅助激光光源照射待焊接焊缝，CCD或CMOS相机拍摄焊缝图像，经采集系统将图像传入电脑，利用拍摄的待焊区域的焊缝，系统可自动将激光焦点位置调整到焊缝中心。整套系统结构复杂，安装不便，且成本较高。

且现有的文献中仍然没有涉及基于辅助光源的将小孔在线监测与焊缝跟踪集于一体的装置，而只对被动式小孔形状或灰度进行监测，并将焊缝跟踪装置分离开来进行单独研究。

目前国内外对激光焊接质量监测及焊缝跟踪主要有以下方法：公开号为CN1072365的“连续激光焊接过程中焊接质量的实时监测方法”专利中利用激光焊接时出现的小孔效应焊接状态，大量蒸发的金属原子在自由电子级联效应的作用下产生激发、电离形成的离子体发出的特征光、声信号，对光、电、声的测取。通过光、电子线路实现用光、声信号联合实时监测激光焊接质量。公开号为CN101391344的“一种激光焊接过程稳定性实时监测方法”专利中采用首先在激光焊接初始稳定阶段内，采集熔池的红外光信号，对其分析获得熔池的热辐射当量，计算熔池热辐射当量的平均值，再计算辐射当量偏差，然后确定熔池稳定范围，在激光后续焊接过程中周期性采集熔池的红外光信号，计算熔池在单个周期内热辐射当量的平均值，将其与熔池稳定范围比较，以判断熔池稳定性。公开号为CN101081459的“三维激光焊接和切割过程的实时监测装置”专利中提出了一种三维激光加工过程同轴采集红外波段和等离子体辐射光信号的实时质量监测的装置。公开号为CN101961819A的“一种激光焊接焊缝跟踪实现装置及其控制方法”专利中提出通过上层参数设置和控制单元设置参数；采集焊缝图像进行处理得到焊缝图像数据；将焊缝图像数据缓存、标定，确定焊枪偏移量；运动控制单元中的运动控制器进行跟踪轨迹的滤波、拟合以及轨迹规划，结果送给运动轴驱动器来实现激光焊接焊缝跟踪实现装置及其控制。公开号为CN101623867的“一种使机器人高精度跟踪指定路径的设备和方法”专利中提出一种综合利用同轴视觉传感系统和焊缝位置测量传感系统来进行路径跟踪和偏差补偿的机器人加工系统和路径跟踪方法，用于激光焊接等高精度加工。国外precitec公司生产的焊接头中将声、光、电三种传感器安装在激光头上用于监测激光焊接质量，成本高，安装复杂；prometec公司利用被动式同轴监测方式监测激光焊接熔池图像，并提取出焊接熔池的图像信息判断焊接质量的好坏，但是以上方法或产品都是熔池监测与焊缝跟踪分别进行，这使所需设备复杂，安装不便，成本较高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明旨在提供一种主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，该集成装置采用LED点光源作为辅助光源，可实现焊缝跟踪与小孔监测同时进行，能清晰的拍摄到焊缝及焊接小孔的图像，为实现激光焊接质量监控及焊缝跟踪一体化做铺垫。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，包括位于工件上方的激光头，位于激光头一侧的辅助光源照射装置，其结构特点是，通过光纤传输的激光束依次穿过设置在所述激光头内的透镜A、分光镜、透镜B，并照射在工件上，在所述激光头一侧设有与激光头同轴观测工件焊接状态的同轴光学镜头组件。

所述同轴光学镜头组件包括同轴光学镜头，该同轴光学镜头内从上至下依次装有减光片、滤光片、透镜D、反光镜，在该反光镜与所述分光镜之间设有透镜C。

所述同轴光学镜头组件与一成像系统相连。进一步地，所述成像系统优选包括CCD或CMOS相机。

所述辅助光源照射装置包括点光源、聚光器，所述点光源与点光源控制器相连。

为了保证辅助光源的照射效果，所述点光源优选为波长为522nm～542nm的绿色LED点光源。

所述辅助光源照射装置装在光源安装调整支架，该光源安装调整支架固定在激光头上。

所述辅助光源照射装置的结构为，包括装在激光头上的点光源固定支架，装在点光源固定支架上的点光源调整支架，所述点光源装在该点光源调整支架上，且点光源的入射方向与水平面之间的夹角α为20°～75°。

籍由上述结构，本发明提出通过外加辅助光源照射焊接点，提高CCD或CMOS相机捕捉小孔图像的清晰度，照射点也可将待焊区域的焊缝照亮，使CCD或CMOS相机捕捉到焊缝，做到焊缝跟踪，并设计了一套滤光系统及光源调角度定位装置，以滤掉等离子体等其他辐射光源的干扰及通过调整光源照射角度拍摄出清晰的小孔图像，从而实现小孔的在线监测及焊缝跟踪的同步进行，整套装置安装简单，成本低。

以下对本发明作进一步的描述。

本发明的主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，包括如下装置：

1)辅助光源照射装置，包括中心波长为532nm的绿色LED点光源、聚光器及亮度调整开关；

2)光源安装调整装置，包括光源固定、高低位置调整、照射焊接区域的照射角度调度调整，该角度调整可实现高角度与低角度照明；

3)成像系统，包括CCD或CMOS相机拍摄装置；

4)同轴光学镜头组件，包括镜头内部的反光镜、减光片、滤光片，镜头焦距调节、光圈大小调节；

5)数据采集装置，包括千兆网接口数据采集卡，电脑；

6)机械固定装置，包括辅助光源照射装置、光源安装调整装置、成像系统、同轴光学镜头组件固定在激光焊接头上的紧定螺钉。

所述的辅助光源照射装置包括将聚光器套在LED点光源的头部，光源亮度调整开关与点光源连接，通过调整聚光器焦距可调整点光源的光斑直径，点光源控制器可实现光源的输出亮度调节；

所述的光源安装调整装置包括通过紧定螺钉将调整支架固定在激光头上，通过调整调整支架上的手动螺栓，可实现LED点光源的高度调节及对焊接区域的照射角度调节，范围为20°～75°；

所述的成像系统与所述的同轴光学镜头通过C型接口与CCD或CMOS相机连接，同轴镜头上的调焦螺母可以调节焦点位置，以便拍摄到清晰的图像，激光头里的分光镜与同轴镜头里的透镜C，反光镜将光线反射到与CCD或CMOS相机共线的方向，再通过滤波片与减光片的滤光与减光作用将焊接区域的图像投射到CCD或CMOS相机上；

所述的数据采集装置是将数据采集卡安装到电脑上，相机与数据采集卡通过千兆网接口相连，采集到的数据在线传送至电脑上并储存。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用LED点光源作为辅助光源，通过同轴镜头组件的设计，实现了焊缝跟踪与小孔监测同时进行，并能清晰的拍摄到焊缝及焊接小孔的图像，为实现激光焊接质量监控及焊缝跟踪一体化做铺垫，且本集成装置成本低、结构简单、安装方便、易于操作。

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

附图说明

图1是本发明一种实施例的结构示意图；

图2是本发明所述光源安装调整支架的结构示意图；

图3是本发明所述的同轴镜头结构示意图；

图4是本发明的激光光线传输示意图。

在图中：

1，光纤；2，激光束；3，透镜A；4，分光镜；5，透镜B；

6，激光头；7，聚光器；8，点光源；9，点光源调整支架；

10，点光源固定支架；11，同轴镜头；11-1，透镜C；

11-2，反光镜；11-3，透镜D；11-4，滤光片；11-5，减光片；

11-6，同轴镜头焦距调节螺母；12，CCD或CMOS相机；

13，点光源控制器；α-点光源的入射方向与水平面之间的夹角。

具体实施方式

一种主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，如图1所示，首先将透镜C11-1、反光镜11-2、透镜D11-3、滤光片11-4、减光片11-5按照图4光路布置图安装在同轴镜头内，将CCD或CMOS相机12通过C型接口与同轴镜头连接后通过紧定螺钉安装在激光头6一侧；将点光源固定支架10通过紧定螺钉安装在激光头6一侧，将聚光器7套在点光源8头部后通过手动螺钉安装在点光源调整支架9上，点光源调整支架9通过手动螺栓与点光源固定支架10连接；在进行焊接前先通过点光源控制器13使点光源8输出的亮度满足需求，如图2所示，通过调整点光源调整支架9使点光源8的高度及照射角度满足需求，调整聚光器7的焦距控制点光源8的斑点直径；通过电脑控制打开CCD或CMOS相机12，通过调节同轴镜头焦距调节螺钉11-7改变镜头焦距，使CCD或CMOS相机拍摄的图像清晰满足要求；在焊接过程中由安装在激光头6内部的分光镜4将焊接区域的光反射到与其共线的同轴镜头11内，如图4所示，光线依次经过同轴镜头11内的透镜C11-1、反光镜11-2、透镜D11-3、滤光片11-4、减光片11-5再进入CCD或CMOS相机，所采集的数据通过数据线经数据采集卡存储到电脑中，拍摄到的焊缝及小孔的图像清晰，存储格式可以为BMP图片、AVI录像，为下一步的控制做准备。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，包括位于工件上方的激光头(6)，位于激光头(6)一侧的辅助光源照射装置，其特征是，通过光纤(1)传输的激光束(2)依次穿过设置在所述激光头(6)内的透镜B(5)、分光镜(4)、透镜A(3)，并照射在工件上，在所述激光头(6)一侧设有与激光头(6)同轴观测工件焊接状态的同轴光学镜头组件。

2.根据权利要求1所述的主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，其特征是，所述同轴光学镜头组件包括同轴光学镜头(11)，该同轴光学镜头(11)内从上至下依次装有减光片(11-5)、滤光片(11-4)、透镜D(11-3)、反光镜(11-2)，在该反光镜(11-2)与所述分光镜(4)之间设有透镜C(11-1)。

3.根据权利要求2所述的主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，其特征是，所述同轴光学镜头组件与一成像系统相连。

4.根据权利要求3所述的主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，其特征是，所述成像系统包括CCD或CMOS相机(12)。

5.根据权利要求1所述的主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，其特征是，所述辅助光源照射装置包括点光源(8)、聚光器(7)，所述点光源(8)与点光源控制器(13)相连。

6.根据权利要求5所述的主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，其特征是，所述点光源(8)为波长为的绿色LED点光源。

7.根据权利要求1、5或6所述的主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，其特征是，所述辅助光源照射装置装在光源安装调整支架，该光源安装调整支架固定在激光头(6)上。

8.根据权利要求7所述的主动式短波长激光焊接小孔监测及焊缝跟踪集成装置，其特征是，所述辅助光源照射装置的结构为，包括装在激光头(6)上的点光源固定支架(10)，装在点光源固定支架(10)上的点光源调整支架(11)，所述点光源(8)装在该点光源调整支架(11)上，且点光源(8)的入射方向与水平面之间的夹角α为20°～75°。

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