CN108593659A - 激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置及方法，属于激光检测领域。激光测距传感器固定到传感器支架上；传感器支架与扫查驱动器相连，并在扫查驱动器的作用下向X、Y方向运动；扫查驱动器通过固定座固定在工件上；工业计算机通过电源线与电机驱动模块和扫查驱动器相连，同时工业计算机通过信号线与激光控制卡和激光测距传感器相连。优点在于：解决激光焊缝无损检测技术少，现有无损检测技术精度低，检测条件苛刻等问题，实现各种尺寸、宽度的激光焊缝的表面轮廓检测，并通过计算机拟合形成的图像，对工艺的稳定性和激光焊缝的质量进行评估。本发明结构简单，在保证检测速度的同时具有较高的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及激光检测领域，特别涉及焊缝表面质量检测领域，尤指一种基于激光测距技术的激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置及方法。
背景技术
激光焊由于其能量密度高，操作简便，在工业制造领域得到广泛应用，对激光焊的质量检测要求也越来越高。目前常用的激光焊检测方法为破坏性抽检，而在轨道交通等对焊接质量要求较高，检测频率较高的场合，则大多采用超声波检测作为无损检测方法。超声波检测能够对焊接接头的连接界面进行定量检测。但是，由于超声束具有一定的宽度，因此其检测精度较低，尤其对于薄板窄焊缝的检测，其精度往往难以满足要求。另一方面，由于超声束进入钢板中需要较好的耦合状态，因此对工件表面质量要求较高，而焊缝表面很难达到超声检测所需的平整状态，大部分激光焊缝用超声波难以检测。因此，对激光焊缝的无损检测方法亟待研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置及方法，解决了现有无损检测技术存在的精度低，检测条件苛刻等问题，实现激光焊缝的表面轮廓检测，同时根据轮廓的变化，以及通过计算机拟合形成的图像，对工艺的稳定性和激光焊缝的质量进行评估。本发明适用于各种尺寸、宽度的激光焊缝的表面轮廓检测，并根据表面轮廓变化对工艺的稳定性及焊接质量进行评估。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置，包括工业计算机1、激光控制卡2、电机驱动模块3、扫查驱动器4、传感器支架5、激光测距传感器6，激光测距传感器6固定在传感器支架5上；传感器支架5与扫查驱动器4相连，并在扫查驱动器4的作用下向X、Y方向运动；扫查驱动器4通过固定座8固定在工件7上；工业计算机1通过电源线与电机驱动模块3和扫查驱动器4相连，同时工业计算机1通过信号线与激光控制卡2和激光测距传感器6相连；
所述扫查驱动器4包括壳体401、上盖402、Y向运动模块、Y向固定导轨408、Y向运动滑块409、X向运动模块、X向运动滑轨415，所述Y向运动模块包括Y向电机403、同步带404、Y向主动轮405、Y向从动轮410，所述Y向电机403固定在壳体401上；Y向主动轮405固定在Y向电机403的输出轴上；Y向从动轮410的轴心与壳体401相连；同步带404连接在Y向主动轮405和Y向从动轮410上；Y向运动架407通过同步带压块406与同步带404下端固定在一起；当Y向电机403运动时，其输出轴带动Y向主动轮405旋转，Y向从动轮410同步旋转，使同步带404进行回转运动，从而带动Y向运动架407及与之相连的X向运动模块沿Y向进行直线运动；
所述X向运动模块包括Y向运动架407、同步带压块406、X向电机413、X向驱动齿轮414、X向运动齿条412、X向运动架411，所述X向电机413固定在Y向运动架407上；X向驱动齿轮414与X向电机413的输出轴连接在一起；X向运动齿条412与X向运动架411固定在一起；X向运动架411与传感器支架5固定在一起；当X向电机413运动时，其输出轴带动X向驱动轮414旋转，带动与X向驱动轮414相啮合的X向运动齿条412做直线运动，从而使X向运动架411及与之相连的传感器支架5沿X向进行直线运动。
所述的Y向固定导轨408固定在壳体401上，Y向运动滑块409固定到Y向运动架407上，Y向运动滑块409与Y向固定导轨408相配合，对Y向运动架407起支撑和导向作用。
所述的X向运动滑轨415为微型精密滚珠滑组，由外滑块、内滑块及滑轨滚珠传动系统组成，可实现滑轨内、外滑块间相对运动；X向运动滑轨415的内滑块与Y向运动架407相连，X向运动轨道415的外滑块与X向运动架411相连，保障X向运动架411沿X方向平稳运动。
所述的X向电机413和Y向电机403均为高精度步进电机，由电机驱动模块3控制，电机驱动模块3每给一个脉冲，X向电机413或Y向电机403则按设定方向旋转，驱动与之相连的机构运动。
所述的激光测距传感器6为单点式高精度激光测距传感器，可以发射及接收激光束，并反馈激光束传播的光程信息。
所述的激光控制卡2由集成在一块PCI 总线主板上的激光发射电路、激光接收电路和A/D模数转换电路构成，通过PCI 总线与工业计算机1连接，发射和采集激光信号，并将模拟信号转化为数字信号传入工业计算机1。
所述的工业计算机1为强固型便携机，用于控制激光测距传感器6进行当前位置激光发射/接收；同时通过扫查驱动器4驱动激光测距传感器6进行X-Y向运动，以完成检测区域的覆盖式扫查；对扫查结果进行数据处理及图形化输出，直观显示扫查区域的焊缝表面质量检测结果。
本发明的另一目的在于提供一种激光焊缝表面质量全自动扫查检测方法，包括如下步骤：
步骤1、将扫查驱动器固定在待测工件上，并调节固定座，使激光测距传感器位置处于参考测量距离范围内，工业计算机通过电机驱动模块，驱动扫查驱动器中的X向电机、Y向电机回到扫查原点；
步骤2、工业计算机通过电机驱动模块对扫查驱动器的X向电机发出运动脉冲，使X向电机输出轴与X向驱动轮旋转，带动与X向驱动轮相啮合的X向运动齿条做直线运动，从而使与X向运动架及与之相连的传感器支架沿X向运动；
步骤3、工业计算机通过激光控制卡对激光测距传感器发出检测信号，激光测距传感器发射/接收激光信号，记录并处理光脉冲从发射到接收所经历的时间，并根据激光传播的光速，计算当前检测点与激光测距传感器的距离，并将距离值反馈给工业计算机；
步骤4、重复步骤2及步骤3，直至完成X方向上的第一条直线扫查；
步骤5、工业计算机通过电机驱动模块对扫查驱动器的Y向电机发出运动脉冲，使Y向电机输出轴带动Y向主动轮405旋转，Y向从动轮410同步旋转，使同步带404进行回转运动，从而带动Y向运动架407及与之相连的X向运动模块沿Y向运动；
步骤6、重复步骤2及步骤3，直至完成X方向上的第二条直线扫查；
步骤7、重复步骤5及步骤6，直至所有X向直线扫查完成；
步骤8、工业计算机根据计算所有扫查位置的坐标，以及对应位置的测量点到激光测距传感器的距离值，在扫查范围内的三维空间中标示测量点，所有测量点拟合，则得到激光焊缝的表面轮廓图像，完成表面质量检测。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置及方法，解决激光焊缝无损检测技术少，现有无损检测技术精度低，检测条件苛刻等问题，实现激光焊缝的表面轮廓检测，同时根据轮廓的变化，以及通过计算机拟合形成的图像，对工艺的稳定性和激光焊缝的质量进行评估。本发明结构简单，在保证检测速度的同时具有较高的检测精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置的机构简图；
图2为本发明的激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置的内部结构图；
图3为本发明的激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置的剖面图；
图4为本发明的激光焊缝表面质量全自动扫查检测方法的扫查检测示意图。
图中：1、工业计算机；2、激光控制卡；3、电机驱动模块；4、扫查驱动器；401、壳体；402、上盖；403、Y向电机；404、同步带；405、Y向主动轮；406、同步带压块；407、Y向运动架；408、Y向固定导轨；409、Y向运动滑块；410、Y向从动轮；411、X向运动架；412、X向运动齿条；413、X向电机；414、X向驱动齿轮；415、X向运动滑轨；5、传感器支架；6、激光测距传感器；7、工件；8、固定座。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图3所示，本发明的激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置，解决激光焊缝无损检测技术少，现有无损检测技术精度低，检测条件苛刻等问题，实现各种尺寸、宽度的激光焊缝的表面轮廓检测，并通过计算机拟合形成的图像，对工艺的稳定性和激光焊缝的质量进行评估。本发明结构简单，在保证检测速度的同时具有较高的检测精度。包括工业计算机1、激光控制卡2、电机驱动模块3、扫查驱动器4、传感器支架5、激光测距传感器6，激光测距传感器6固定在传感器支架5上；传感器支架5与扫查驱动器4相连，并在扫查驱动器4的作用下向X、Y方向运动；扫查驱动器4通过固定座8固定在工件7上；工业计算机1通过电源线与电机驱动模块3和扫查驱动器4相连，同时工业计算机1通过信号线与激光控制卡2和激光测距传感器6相连；
所述扫查驱动器4包括壳体401、上盖402、Y向运动模块、Y向固定导轨408、Y向运动滑块409、X向运动模块、X向运动滑轨415，所述Y向运动模块包括Y向电机403、同步带404、Y向主动轮405、Y向从动轮410，所述Y向电机403固定在壳体401上；Y向主动轮405固定在Y向电机403的输出轴上；Y向从动轮410的轴心与壳体401相连；同步带404连接在Y向主动轮405和Y向从动轮410上；Y向运动架407通过同步带压块406与同步带404下端固定在一起；当Y向电机403运动时，其输出轴带动Y向主动轮405旋转，Y向从动轮410同步旋转，使同步带404进行回转运动，从而带动Y向运动架407及与之相连的X向运动模块沿Y向进行直线运动；
所述X向运动模块包括Y向运动架407、同步带压块406、X向电机413、X向驱动齿轮414、X向运动齿条412、X向运动架411，所述X向电机413固定在Y向运动架407上；X向驱动齿轮414与X向电机413的输出轴连接在一起；X向运动齿条412与X向运动架411固定在一起；X向运动架411与传感器支架5固定在一起；当X向电机413运动时，其输出轴带动X向驱动轮414旋转，带动与X向驱动轮414相啮合的X向运动齿条412做直线运动，从而使X向运动架411及与之相连的传感器支架5沿X向进行直线运动。
所述的Y向固定导轨408固定在壳体401上，Y向运动滑块409固定到Y向运动架407上，Y向运动滑块409与Y向固定导轨408相配合，对Y向运动架407起支撑和导向作用。
所述的X向运动滑轨415为微型精密滚珠滑组，由外滑块、内滑块及滑轨滚珠传动系统组成，可实现滑轨内、外滑块间相对运动；X向运动滑轨415的内滑块与Y向运动架407相连，X向运动轨道415的外滑块与X向运动架411相连，保障X向运动架411沿X方向平稳运动。
所述的X向电机413和Y向电机403均为高精度步进电机，由电机驱动模块3控制，电机驱动模块3每给一个脉冲，X向电机413或Y向电机403则按设定方向旋转一个特定角度，驱动与之相连的机构运动。
所述的激光测距传感器6为单点式高精度激光测距传感器，可以发射及接收激光束，并反馈激光束传播的光程信息。
所述的激光控制卡2由集成在一块PCI 总线主板上的激光发射电路、激光接收电路和A/D模数转换电路构成，通过PCI 总线与工业计算机1连接，发射和采集激光信号，并将模拟信号转化为数字信号传入工业计算机1。
所述的工业计算机1为强固型便携机，用于控制激光测距传感器6进行当前位置激光发射/接收；同时通过扫查驱动器4驱动激光测距传感器6进行X-Y向运动，以完成检测区域的覆盖式扫查；通过内置算法对扫查结果进行数据处理及图形化输出，直观显示扫查区域的焊缝表面质量检测结果。
参见图4所示，本发明的激光焊缝表面质量全自动扫查检测方法，包括如下步骤：
步骤1、将扫查驱动器固定在待测工件上，并调节固定座，使激光测距传感器位置处于参考测量距离范围内，工业计算机通过电机驱动模块，驱动扫查驱动器中的X向电机、Y向电机回到扫查原点；
步骤2、工业计算机通过电机驱动模块对扫查驱动器的X向电机发出运动脉冲，使X向电机输出轴与X向驱动轮旋转，带动与X向驱动轮相啮合的X向运动齿条做直线运动，从而使与X向运动架及与之相连的传感器支架沿X向运动；
步骤3、工业计算机通过激光控制卡对激光测距传感器发出检测信号，激光测距传感器发射/接收激光信号，记录并处理光脉冲从发射到接收所经历的时间，并根据激光传播的光速，计算当前检测点与激光测距传感器的距离，并将距离值反馈给工业计算机；
步骤4、重复步骤2及步骤3，直至完成X方向上的第一条直线扫查；
步骤5、工业计算机通过电机驱动模块对扫查驱动器的Y向电机发出运动脉冲，使Y向电机输出轴带动Y向主动轮405旋转，Y向从动轮410同步旋转，使同步带404进行回转运动，从而带动Y向运动架407及与之相连的X向运动模块沿Y向运动；
步骤6、重复步骤2及步骤3，直至完成X方向上的第二条直线扫查；
步骤7、重复步骤5及步骤6，直至所有X向直线扫查完成；
步骤8、工业计算机根据内置算法计算所有扫查位置的坐标，以及对应位置的测量点到激光测距传感器的距离值，在扫查范围内的三维空间中标示测量点，所有测量点拟合，则得到激光焊缝的表面轮廓图像，完成表面质量检测。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置，其特征在于：包括工业计算机（1）、激光控制卡（2）、电机驱动模块（3）、扫查驱动器（4）、传感器支架（5）、激光测距传感器（6），激光测距传感器（6）固定在传感器支架（5）上；传感器支架（5）与扫查驱动器（4）相连，并在扫查驱动器（4）的作用下向X、Y方向运动；扫查驱动器（4）通过固定座（8）固定在工件（7）上；工业计算机（1）通过电源线与电机驱动模块（3）和扫查驱动器（4）相连，同时工业计算机（1）通过信号线与激光控制卡（2）和激光测距传感器（6）相连；
所述扫查驱动器（4）包括壳体（401）、上盖（402）、Y向运动模块、Y向固定导轨（408）、Y向运动滑块（409）、X向运动模块、X向运动滑轨（415），所述Y向运动模块包括Y向电机（403）、同步带（404）、Y向主动轮（405）、Y向从动轮（410），所述Y向电机（403）固定在壳体（401）上；Y向主动轮（405）固定在Y向电机（403）的输出轴上；Y向从动轮（410）的轴心与壳体（401）相连；同步带（404）连接在Y向主动轮（405）和Y向从动轮（410）上；Y向运动架（407）通过同步带压块（406）与同步带（404）下端固定在一起；当Y向电机（403）运动时，其输出轴带动Y向主动轮（405）旋转，Y向从动轮（410）同步旋转，使同步带（404）进行回转运动，从而带动Y向运动架（407）及与之相连的X向运动模块沿Y向进行直线运动；
所述X向运动模块包括Y向运动架（407）、同步带压块（406）、X向电机（413）、X向驱动齿轮（414）、X向运动齿条（412）、X向运动架（411），所述X向电机（413）固定在Y向运动架（407）上；X向驱动齿轮（414）与X向电机（413）的输出轴连接在一起；X向运动齿条（412）与X向运动架（411）固定在一起；X向运动架（411）与传感器支架（5）固定在一起；当X向电机（413）运动时，其输出轴带动X向驱动轮（414）旋转，带动与X向驱动轮（414）相啮合的X向运动齿条（412）做直线运动，从而使X向运动架（411）及与之相连的传感器支架（5）沿X向进行直线运动。
2.根据权利要求1所述的激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置，其特征在于：所述的Y向固定导轨（408）固定在壳体（401）上，Y向运动滑块（409）固定到Y向运动架（407）上，Y向运动滑块（409）与Y向固定导轨（408）相配合，对Y向运动架（407）起支撑和导向作用。
3.根据权利要求1所述的激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置，其特征在于：所述的X向运动滑轨（415）为微型精密滚珠滑组，由外滑块、内滑块及滑轨滚珠传动系统组成，可实现滑轨内、外滑块间相对运动；X向运动滑轨（415）的内滑块与Y向运动架（407）相连，X向运动轨道（415）的外滑块与X向运动架（411）相连，保障X向运动架（411）沿X方向平稳运动。
4.根据权利要求1所述的激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置，其特征在于：所述的X向电机（413）和Y向电机（403）均为高精度步进电机，由电机驱动模块（3）控制，电机驱动模块（3）每给一个脉冲，X向电机（413）或Y向电机（403）则按设定方向旋转，驱动与之相连的机构沿X向或Y向运动。
5.根据权利要求1所述的激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置，其特征在于：所述的激光测距传感器（6）为单点式高精度激光测距传感器，可以发射及接收激光束，并反馈激光束传播的光程信息。
6.根据权利要求1所述的激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置，其特征在于：所述的激光控制卡（2）由集成在一块PCI 总线主板上的激光发射电路、激光接收电路和A/D模数转换电路构成，通过PCI 总线与工业计算机（1）连接，发射和采集激光信号，并将模拟信号转化为数字信号传入工业计算机（1）。
7.根据权利要求1所述的激光焊缝表面质量全自动扫查检测装置，其特征在于：所述的工业计算机（1）为强固型便携机，用于控制激光测距传感器（6）进行当前位置激光发射/接收；同时通过扫查驱动器（4）驱动激光测距传感器（6）进行X-Y向运动，以完成检测区域的覆盖式扫查；对扫查结果进行数据处理及图形化输出，直观显示扫查区域的焊缝表面质量检测结果。
8.一种激光焊缝表面质量全自动扫查检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、将扫查驱动器固定在待测工件上，并调节固定座，使激光测距传感器位置处于参考测量距离范围内，工业计算机通过电机驱动模块，驱动扫查驱动器中的X向电机、Y向电机回到扫查原点；
步骤2、工业计算机通过电机驱动模块对扫查驱动器的X向电机发出运动脉冲，使X向电机输出轴与X向驱动轮旋转，带动与X向驱动轮相啮合的X向运动齿条做直线运动，从而使与X向运动架及与之相连的传感器支架沿X向运动；
步骤3、工业计算机通过激光控制卡对激光测距传感器发出检测信号，激光测距传感器发射/接收激光信号，记录并处理光脉冲从发射到接收所经历的时间，并根据激光传播的光速，计算当前检测点与激光测距传感器的距离，并将距离值反馈给工业计算机；
步骤4、重复步骤2及步骤3，直至完成X方向上的第一条直线扫查；
步骤5、工业计算机通过电机驱动模块对扫查驱动器的Y向电机发出运动脉冲，使Y向电机输出轴带动Y向主动轮（405）旋转，Y向从动轮（410）同步旋转，使同步带（404）进行回转运动，从而带动Y向运动架（407）及与之相连的X向运动模块沿Y向运动；
步骤6、重复步骤2及步骤3，直至完成X方向上的第二条直线扫查；
步骤7、重复步骤5及步骤6，直至所有X向直线扫查完成；
步骤8、工业计算机根据计算所有扫查位置的坐标，以及对应位置的测量点到激光测距传感器的距离值，在扫查范围内的三维空间中标示测量点，所有测量点拟合，则得到激光焊缝的表面轮廓图像，完成表面质量检测。
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