一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)

圖1為《一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)》的實(shí)施例的系統(tǒng)框圖；

圖2為該發(fā)明的實(shí)施例的處理流程圖；

圖3為該發(fā)明的實(shí)施例的傳感器頭與焊槍位置關(guān)系示意圖；

圖4為該發(fā)明的實(shí)施例的水平方向下傳感器頭工作示意圖；

圖5為該發(fā)明的實(shí)施例的焊接位置調(diào)整流程實(shí)例圖；

圖6為該發(fā)明的實(shí)施例的焊槍高度調(diào)整流程實(shí)例圖；

圖7為該發(fā)明的實(shí)施例的高度方向下傳感器頭工作示意圖； 其中，

圖4a-水平方向下正常焊接時(shí)傳感器頭工作示意圖，

圖4b-水平方向下焊縫往右偏移時(shí)傳感器頭工作示意圖，

圖4c-水平方向下焊縫往左偏移時(shí)傳感器頭工作示意圖，

圖7d-高度方向下正常高度時(shí)傳感器頭工作示意圖，

圖7e-高度方向下超過(guò)正常高度時(shí)傳感器頭工作示意圖，

圖7f-高度方向下低于正常高度時(shí)傳感器頭工作示意圖。

1.《一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)》包括可進(jìn)行行走及焊接的焊接小車(chē)和焊縫跟蹤單元；焊縫跟蹤單元，包括激光傳感器頭和激光控制箱，可檢測(cè)及識(shí)別待焊接工件的焊縫并提供焊縫的檢測(cè)參數(shù)值；激光傳感器頭包括激光傳感器和攝像機(jī)，可攝取含有激光標(biāo)記的圖像檢測(cè)信號(hào)，提前地識(shí)別焊縫延伸的方向和偏差量以及焊縫的高度；激光控制箱可接收激光傳感器頭的圖像檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)圖像檢測(cè)信號(hào)計(jì)算當(dāng)前待焊接點(diǎn)的檢測(cè)參數(shù)值，檢測(cè)參數(shù)值包括焊縫在焊接小車(chē)行走方向上的左右偏差量以及焊縫的高度偏差量；焊接小車(chē)內(nèi)置有焊接調(diào)整單元，以根據(jù)焊縫跟蹤單元的檢測(cè)參數(shù)值調(diào)整當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊接位置及焊槍高度；焊接調(diào)整單元包括小車(chē)控制器、焊接電源及焊槍，焊槍可根據(jù)小車(chē)控制器的指令調(diào)整擺動(dòng)中心位置以及調(diào)整高度位置；小車(chē)控制器接收當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的檢測(cè)參數(shù)值，并讀取焊槍當(dāng)前擺動(dòng)中心位置，將焊縫的左右偏差量與焊槍當(dāng)前擺動(dòng)中心位置量進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，得到左右偏移調(diào)整值，進(jìn)而輸出執(zhí)行擺動(dòng)中心調(diào)整指令，實(shí)現(xiàn)焊槍在當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊接位置調(diào)整；小車(chē)控制器將當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊縫高度偏差量與焊槍實(shí)時(shí)高度位置變量比對(duì)計(jì)算，得到高度偏移調(diào)整值，進(jìn)而輸出執(zhí)行高度調(diào)整指令，實(shí)現(xiàn)焊槍在當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊槍高度調(diào)整；所述焊接調(diào)整單元的焊接位置調(diào)整過(guò)程的內(nèi)容如下，初始化焊接位置的參數(shù)變量，參數(shù)變量包括焊縫的左右偏差量、焊槍擺動(dòng)中心位置量、擺動(dòng)中心調(diào)整量、擺動(dòng)電機(jī)螺距及擺動(dòng)電機(jī)齒輪比；讀取當(dāng)前焊槍的擺動(dòng)中心位置，存入擺動(dòng)中心位置量；接收焊縫的左右偏差量；判斷左右調(diào)整方向：定義在行走方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)處于左邊時(shí)左右偏差量為負(fù)，在行走方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)處于右邊時(shí)左右偏差量為正；分析左右偏差量，若左右偏差量為正則向右邊偏移，若左右偏差量為負(fù)則向左邊偏移；根據(jù)參數(shù)變量計(jì)算擺動(dòng)中心調(diào)整量；控制擺動(dòng)中心作出調(diào)整；所述擺動(dòng)中心調(diào)整量的計(jì)算公式如下，osc_centermove=（left_right_difference_usr*60000）/（Pitch1*fabsf（GearRatio1））其中，left_right_difference_usr為左右偏差量，osc_centermove為擺動(dòng)中心調(diào)整量，Pitch1為擺動(dòng)電機(jī)螺距，GearRatio1為擺動(dòng)電機(jī)齒輪比，fabsf（GearRatio1）函數(shù)指對(duì)擺動(dòng)電機(jī)齒輪比取絕對(duì)值函數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述焊接小車(chē)上設(shè)置有十字滑臺(tái)，十字滑臺(tái)上設(shè)置有焊槍和激光傳感器頭，激光傳感器頭位于焊槍的前方位置。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述激光傳感器頭中，攝像機(jī)位于激光傳感器的前方位置，激光傳感器投射激光線并在當(dāng)前待焊接點(diǎn)處形成一條激光條紋，且激光條紋垂直于行走方向，以構(gòu)成當(dāng)前待焊接點(diǎn)的左右偏差量檢測(cè)模型。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述激光控制箱計(jì)算左右偏差量的過(guò)程如下：接收攝像機(jī)攝取的檢測(cè)圖像；檢測(cè)圖像中有焊縫、激光條紋及焊槍當(dāng)前位置，以焊槍當(dāng)前位置為參考點(diǎn)得到行走方向；識(shí)別當(dāng)前待焊接點(diǎn)的左右偏移方向，同時(shí)計(jì)算當(dāng)前待焊接點(diǎn)與行走方向之間的距離，得到具有正負(fù)數(shù)的左右偏差量，其中，定義在行走方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)處于左邊時(shí)左右偏差量為負(fù)，在行走方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)處于右邊時(shí)左右偏差量為正。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述激光傳感器頭中，攝像機(jī)是傾斜放置使得攝像機(jī)的視覺(jué)可與激光傳感器投射激光線相交，以構(gòu)成焊縫高度偏差量檢測(cè)模型。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述激光控制箱計(jì)算當(dāng)前待焊接點(diǎn)高度偏差量的過(guò)程如下，接收攝像機(jī)攝取的檢測(cè)圖像；檢測(cè)圖像中有焊縫、激光條紋及焊槍當(dāng)前位置，以焊槍當(dāng)前位置為參考點(diǎn)得到激光條紋與參考點(diǎn)之間的距離；根據(jù)激光條紋與參考點(diǎn)之間的距離計(jì)算當(dāng)前待焊接點(diǎn)高度，當(dāng)前待焊接點(diǎn)高度即為當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊縫高度；根據(jù)當(dāng)前待焊接點(diǎn)高度與預(yù)設(shè)高度比對(duì)計(jì)算，得到高度偏差量；其中，高度偏差量具有正負(fù)數(shù)，定義在高度方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)高度比預(yù)設(shè)高度低時(shí)高度偏差量為正數(shù)，反之則為負(fù)數(shù)；當(dāng)攝像機(jī)的視覺(jué)與激光傳感器的激光條紋于當(dāng)前待焊接點(diǎn)處相交時(shí)，焊縫高度為預(yù)設(shè)高度。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述焊接調(diào)整單元的焊槍高度調(diào)整過(guò)程的內(nèi)容如下，初始化高度位置各個(gè)參數(shù)變量，包括高度偏差量、高度調(diào)整量、高度電機(jī)螺距、高度電機(jī)齒輪比及高度位置變量；實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前焊槍的高度位置，存入高度位置變量；讀取焊槍的高度偏差量；判斷高度調(diào)整方向，其中，高度偏差量具有正負(fù)數(shù)，定義在高度方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)高度比預(yù)設(shè)高度低時(shí)高度偏差量為正數(shù)，反之則為負(fù)數(shù)；根據(jù)參數(shù)變量計(jì)算高度調(diào)整量；執(zhí)行高度位置調(diào)整。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述焊槍的高度調(diào)整量的計(jì)算公式如下，Length_centermove=（Length_difference_usr*60000）/（Pitch2*fabsf（GearRatio2）其中，Length_difference_usr為高度偏差量，Length_centermove為高度調(diào)整量，Pitch2為高度電機(jī)螺距，GearRatio2為高度電機(jī)齒輪比，fabsf（GearRatio2）函數(shù)指對(duì)高度電機(jī)齒輪比取絕對(duì)值函數(shù)。

截至2018年7月，在焊接應(yīng)用上，已經(jīng)由半自動(dòng)手工焊接工藝逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)焊接工藝，全自動(dòng)焊接工藝，或者智能焊接工藝，各個(gè)工藝所采用的跟蹤方式也不一樣，全球研究最多的兩類(lèi)跟蹤就是電弧（傳感器）跟蹤，激光（傳感器）跟蹤。

電弧跟蹤是利用焊接電弧自身特點(diǎn)的傳感器，不需要在焊槍上附加任何裝置，通過(guò)采集電弧的特性進(jìn)行程序算法控制，達(dá)到實(shí)時(shí)，穩(wěn)定的焊接跟蹤。

但電弧跟蹤的缺點(diǎn)也有很多，比如對(duì)薄板件的對(duì)接和搭接接頭很難跟蹤；受?chē)?guó)外知識(shí)產(chǎn)權(quán)的影響，不可能開(kāi)放底層接口，所以限制了國(guó)內(nèi)的電弧傳感器自主研發(fā)的進(jìn)度和應(yīng)用范圍；對(duì)于電弧傳感器信號(hào)的處理也是難點(diǎn)之一，因?yàn)榛『高^(guò)程有許多對(duì)信號(hào)采集和處理不利的因素，像短路電流的干擾，熔池液態(tài)金屬波動(dòng)或流動(dòng)的干擾等。這些不利因素導(dǎo)致了焊接電流是由長(zhǎng)時(shí)低頻成分和短時(shí)高頻成分組成的非平穩(wěn)信號(hào)；控制方法的選擇，傳統(tǒng)PID控制已經(jīng)無(wú)法滿足復(fù)雜，非線性的焊接過(guò)程，而采用自適應(yīng)智能控制是一個(gè)比較好的解決方法，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)又會(huì)遇到運(yùn)算量大等問(wèn)題，不容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

激光（傳感器）跟蹤是利用工業(yè)CCD攝像機(jī)，經(jīng)圖像處理獲得焊件和焊縫的相對(duì)位置及坡口、熔池的相關(guān)信息。優(yōu)點(diǎn)是能獲得的焊縫信息量大，控制精度高、再現(xiàn)性好。基于激光跟蹤的很多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于全自動(dòng)焊接設(shè)備上，可以達(dá)到更精確的控制和更完美的焊縫。 要想實(shí)現(xiàn)合格的焊縫，激光傳感器技術(shù)必須依賴可靠的焊接電源。焊接電源包括各項(xiàng)參數(shù)，比如電弧電壓，焊接電流，焊接速度，擺動(dòng)參數(shù)，熱輸入量等，也與焊前工件預(yù)熱溫度相關(guān)。能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)跟蹤的效果進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接電源的參數(shù)，達(dá)到合格的焊縫。

一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)專利目的

《一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)》的目的在于提供一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)，利用激光焊縫跟蹤技術(shù)應(yīng)用在焊接設(shè)備上，確保更高的焊縫質(zhì)量和焊接生產(chǎn)率。

一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)技術(shù)方案

《一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)》包括可進(jìn)行行走及焊接的焊接小車(chē)和焊縫跟蹤單元；焊縫跟蹤單元，包括激光傳感器頭和激光控制箱，可檢測(cè)及識(shí)別待焊接工件的焊縫并提供焊縫的檢測(cè)參數(shù)值；激光傳感器頭包括激光傳感器和攝像機(jī)，可攝取含有激光標(biāo)記的圖像檢測(cè)信號(hào)，提前地識(shí)別焊縫延伸的方向和偏差量以及焊縫的高度；激光控制箱可接收激光傳感器頭的圖像檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)圖像檢測(cè)信號(hào)計(jì)算當(dāng)前待焊接點(diǎn)的檢測(cè)參數(shù)值，檢測(cè)參數(shù)值包括焊縫在焊接小車(chē)行走方向上的左右偏差量以及焊縫的高度偏差量；焊接小車(chē)內(nèi)置有焊接調(diào)整單元，以根據(jù)焊縫跟蹤單元的檢測(cè)參數(shù)值調(diào)整當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊接位置及焊槍高度；焊接調(diào)整單元包括小車(chē)控制器、焊接電源及焊槍，焊槍可根據(jù)小車(chē)控制器的指令調(diào)整擺動(dòng)中心以及調(diào)整高度；小車(chē)控制器接收當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的檢測(cè)參數(shù)值，并讀取焊槍當(dāng)前擺動(dòng)中心位置量，將焊縫的左右偏差量與焊槍當(dāng)前擺動(dòng)中心位置量進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，得到左右偏移調(diào)整值，進(jìn)而輸出執(zhí)行擺動(dòng)中心調(diào)整指令，實(shí)現(xiàn)焊槍在當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊接位置調(diào)整；小車(chē)控制器將當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊縫高度偏差量與焊槍實(shí)時(shí)高度位置變量比對(duì)計(jì)算，得到高度偏移調(diào)整值，進(jìn)而輸出執(zhí)行高度調(diào)整指令，實(shí)現(xiàn)焊槍在當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊槍高度調(diào)整。

其中，焊接小車(chē)上設(shè)置有十字滑臺(tái)，十字滑臺(tái)上設(shè)置有焊槍和激光傳感器頭，激光傳感器頭位于焊槍的前方位置。

作為一選項(xiàng)，焊接調(diào)整單元的焊接位置調(diào)整過(guò)程的內(nèi)容如下：

初始化焊接位置的參數(shù)變量，參數(shù)變量包括焊縫的左右偏差量、焊槍擺動(dòng)中心位置量、擺動(dòng)中心調(diào)整量、擺動(dòng)電機(jī)螺距及擺動(dòng)電機(jī)齒輪比； 讀取當(dāng)前焊槍的擺動(dòng)中心位置，存入擺動(dòng)中心位置量； 接收焊縫的左右偏差量； 判斷左右調(diào)整方向：定義在行走方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)處于左邊時(shí)左右偏差量為負(fù)，在行走方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)處于右邊時(shí)左右偏差量為正；分析左右偏差量，若左右偏差量為正則向右邊偏移，若左右偏差量為負(fù)則向左邊偏移； 根據(jù)參數(shù)變量計(jì)算擺動(dòng)中心調(diào)整量； 控制擺動(dòng)中心作出調(diào)整。 作為一選項(xiàng)，焊槍高度調(diào)整過(guò)程的內(nèi)容如下： 初始化高度位置各個(gè)參數(shù)變量，包括高度偏差量、高度調(diào)整量、高度電機(jī)螺距、高度電機(jī)齒輪比及高度位置變量； 實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前焊槍的高度位置，存入高度位置變量； 讀取焊槍的高度偏差量； 判斷高度調(diào)整方向，其中，高度偏差量具有正負(fù)數(shù)，定義在高度方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)高度比預(yù)設(shè)高度低時(shí)高度偏差量為正數(shù)，反之則為負(fù)數(shù)； 根據(jù)參數(shù)變量計(jì)算高度調(diào)整量； 執(zhí)行高度位置調(diào)整。

一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)改善效果

《一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)》根據(jù)跟蹤單元的實(shí)時(shí)提前監(jiān)控，實(shí)時(shí)計(jì)算，得出焊槍的高度和水平兩個(gè)方向的偏差量，焊接小車(chē)做出相應(yīng)的調(diào)整，達(dá)到焊槍始終保持在焊縫的中心和適當(dāng)?shù)纳舷挛恢茫瑢?shí)現(xiàn)基于激光跟蹤的焊接應(yīng)用。

激光焊縫跟蹤系統(tǒng)是專門(mén)用于焊接專機(jī)的非接觸式焊縫跟蹤系統(tǒng)，克服了機(jī)械探針式系統(tǒng)所固有的不能處理薄工件或者小間隙的缺陷，將激光傳感器安裝在焊槍的前面，跟蹤系統(tǒng)將根據(jù)傳感器檢測(cè)的焊縫偏差來(lái)控制焊槍的位置確保焊絲對(duì)中。

《一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)》包括可進(jìn)行行走及焊接的焊接小車(chē)和焊縫跟蹤單元；焊縫跟蹤單元，包括激光傳感器頭和激光控制箱，可檢測(cè)及識(shí)別待焊接工件的焊縫并提供焊縫的檢測(cè)參數(shù)值；激光傳感器頭包括激光傳感器和攝像機(jī)（可對(duì)圖像進(jìn)行初級(jí)算法處理），可攝取含有激光標(biāo)記的圖像檢測(cè)信號(hào)，提前地識(shí)別焊縫延伸的方向和偏差量以及焊縫的高度；激光控制箱可接收激光傳感器頭的圖像檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)圖像檢測(cè)信號(hào)計(jì)算當(dāng)前待焊接點(diǎn)的檢測(cè)參數(shù)值（對(duì)圖像應(yīng)用層進(jìn)行算法處理），檢測(cè)參數(shù)值包括焊縫在焊接小車(chē)行走方向上的左右偏差量以及焊縫的高度偏差量（與預(yù)設(shè)高度比對(duì)，得到高度偏差量）；焊接小車(chē)內(nèi)置有焊接調(diào)整單元，以根據(jù)焊縫跟蹤單元的檢測(cè)參數(shù)值調(diào)整當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊接位置及焊槍高度；焊接調(diào)整單元包括小車(chē)控制器、焊接電源及焊槍，焊槍可根據(jù)小車(chē)控制器的指令調(diào)整擺動(dòng)中心以及調(diào)整高度；小車(chē)控制器接收當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的檢測(cè)參數(shù)值，并讀取焊槍當(dāng)前擺動(dòng)中心位置量，將焊縫的左右偏差量與焊槍當(dāng)前擺動(dòng)中心量進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，得到左右偏移調(diào)整值，進(jìn)而輸出執(zhí)行擺動(dòng)中心調(diào)整指令，實(shí)現(xiàn)焊槍在當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊接位置調(diào)整；小車(chē)控制器將當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊縫高度偏差量與焊槍實(shí)時(shí)高度比對(duì)，得到高度偏移調(diào)整值，進(jìn)而輸出執(zhí)行高度調(diào)整指令，實(shí)現(xiàn)焊槍在當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊槍高度調(diào)整。其處理流程參見(jiàn)圖2。

下述將對(duì)該發(fā)明進(jìn)行具體說(shuō)明。

如圖1所示，該發(fā)明系統(tǒng)主要包括激光傳感器頭、激光控制箱、焊接小車(chē)（包含焊槍）、焊接手控盒、焊接電源及水箱等。具體說(shuō)明如下：

激光傳感器頭包括激光傳感器和攝像機(jī)（攝像模塊），其中結(jié)合了高分辨率百萬(wàn)像素?cái)z像機(jī)，而激光傳感器包括發(fā)射激光源和控制器（CPU），獨(dú)特地自動(dòng)激光控制和特殊的光學(xué)系統(tǒng)，確保了所生成的焊縫激光條紋圖像的高質(zhì)量和穩(wěn)定性。其內(nèi)部配置高速的數(shù)字圖像處理硬件和軟件保證了高速圖像處理和焊縫跟蹤。

激光控制箱包括硬件控制板，電源控制板，接口電路，彩色觸摸屏顯示器等部件，簡(jiǎn)單的安裝和設(shè)置、簡(jiǎn)便的操作和提供快速診斷的操作界面都是精心設(shè)計(jì)而成。

焊接小車(chē)包含小車(chē)控制板，驅(qū)動(dòng)板，十字滑臺(tái)，電機(jī)等部件，焊接手控盒提供焊接方面的各項(xiàng)操作，焊槍提供送絲通路和水冷通路，焊接電源提供焊接電弧能量，保證電弧穩(wěn)定燃燒和焊接過(guò)程順利進(jìn)行，并得到良好焊接接頭。

冷卻水箱負(fù)責(zé)傳感器探頭的冷卻，保證傳感器在正常的溫度范圍內(nèi)工作，提高系統(tǒng)的使用壽命。

下述將對(duì)該發(fā)明的總體實(shí)現(xiàn)思路進(jìn)行說(shuō)明。

首先，根據(jù)激光傳感器模塊的安裝位置，位置超前于焊槍位置，采用激光的方式對(duì)焊縫進(jìn)行提前識(shí)別，包括焊縫的寬度及高度等。

其次，在焊接過(guò)程中，跟蹤模塊與焊接小車(chē)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，包括上下、左右的偏移量。

然后，當(dāng)跟蹤模塊的傳感器（激光傳感器）檢測(cè)到高度變化后，傳感器CPU及激光控制箱通過(guò)算法計(jì)算出偏差量，然后將偏差量傳給焊接小車(chē)，焊接小車(chē)控制單元將其與焊槍實(shí)時(shí)高度比對(duì)計(jì)算高度偏差量，判斷變化的方向和大小。讓焊槍高度始終保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩?

最后，激光傳感器檢測(cè)水平方向有變化后，通過(guò)算法計(jì)算出左右的偏差量后轉(zhuǎn)給焊接小車(chē)，焊接小車(chē)內(nèi)部實(shí)時(shí)能讀取當(dāng)前焊槍的擺動(dòng)中心，當(dāng)有偏差量后，焊接小車(chē)將焊槍的擺動(dòng)中心值進(jìn)行對(duì)應(yīng)的調(diào)整，使焊槍始終保持在焊縫的中心。

下述將進(jìn)一步說(shuō)明激光傳感器頭在正常安裝和使用狀態(tài)下的情況和焊接參考點(diǎn)的情況，根據(jù)激光傳感器的輸出，焊接位置及焊槍高度各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)的應(yīng)用。 如圖3所示，焊槍安裝在焊接小車(chē)的十字滑臺(tái)上，傳感器頭安裝在焊槍前端，在焊接前，需要操作焊接手控盒（其內(nèi)還有激光手控操作）成功分析到焊縫，然后設(shè)置參考點(diǎn)，才能保證有效的自動(dòng)跟蹤。由于傳感器激光在前端B點(diǎn)，焊槍在A點(diǎn)，為了焊接的準(zhǔn)確性，焊槍起弧點(diǎn)應(yīng)該在B點(diǎn)，所以必須計(jì)算AB段的延遲時(shí)間，存儲(chǔ)到控制系統(tǒng)中，等焊槍移動(dòng)到B點(diǎn)后開(kāi)始起??；已知AB間距離為L(zhǎng)，行走速度為V，則延遲時(shí)間

在激光傳感器頭中，攝像機(jī)位于激光傳感器的前方位置，激光傳感器投射激光線并在當(dāng)前待焊接點(diǎn)處形成一條激光條紋，且激光條紋垂直于行走方向，以構(gòu)成當(dāng)前待焊接點(diǎn)的左右偏差量檢測(cè)模型。

進(jìn)而，激光控制箱計(jì)算左右偏差量，具體內(nèi)容如下：接收攝像機(jī)攝取的檢測(cè)圖像；檢測(cè)圖像中有焊縫、激光條紋及焊槍當(dāng)前位置，以焊槍當(dāng)前位置為參考點(diǎn)得到行走方向；識(shí)別當(dāng)前待焊接點(diǎn)的左右偏移方向，同時(shí)計(jì)算當(dāng)前待焊接點(diǎn)與行走方向之間的距離，得到具有正負(fù)數(shù)的左右偏差量，其中，定義在行走方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)處于左邊時(shí)左右偏差量為負(fù)，在行走方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)處于右邊時(shí)左右偏差量為正。

如圖4所示，在焊縫水平面上，水平傳感器可以識(shí)別焊縫的趨勢(shì)。當(dāng)傳感器已經(jīng)試教過(guò)了，焊縫當(dāng)前的位置就作為參考位置。如果焊縫和行走方向成一定的夾角，則傳感器可以提前讀取位置，傳輸至激光控制器，進(jìn)行程序控制算法，然后將移動(dòng)偏差距離發(fā)送至焊接小車(chē)控制器，然后對(duì)比內(nèi)部實(shí)時(shí)讀取的焊槍的擺動(dòng)中心量計(jì)算左右偏移量并進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到水平方向的位置修正。正常焊接的時(shí)候，處于圖4a位置。如果傳感器檢測(cè)到焊縫往右偏移，如圖4b所示，傳感器控制器計(jì)算出偏差量x。如果傳感器檢測(cè)到焊縫往左偏移，如4c圖所示，傳感器控制器計(jì)算出偏差量-x。

下述將對(duì)基于水平傳感器的焊接位置調(diào)整過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。

焊接調(diào)整單元的焊接位置調(diào)整過(guò)程的內(nèi)容如下：初始化焊接位置的參數(shù)變量，焊縫的左右偏差量、焊槍擺動(dòng)中心位置量、擺動(dòng)中心調(diào)整量、擺動(dòng)電機(jī)螺距及擺動(dòng)電機(jī)齒輪比；讀取當(dāng)前焊槍的擺動(dòng)中心位置量，存入擺動(dòng)中心位置量；接收焊縫的左右偏差量；判斷左右調(diào)整方向：定義在行走方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)處于左邊時(shí)左右偏差量為負(fù)，在行走方向上當(dāng)前待焊接點(diǎn)處于右邊時(shí)左右偏差量為正；分析左右偏差量，若左右偏移量為正則向右邊偏移，若左右偏差量為負(fù)則向左邊偏移；根據(jù)參數(shù)變量計(jì)算擺動(dòng)中心調(diào)整量（左右偏移調(diào)整量）；控制擺動(dòng)中心作出調(diào)整。

如圖5所示，水平位置調(diào)整（焊接位置左右調(diào)整）流程，其流程順序只是一個(gè)實(shí)例，在邏輯可行范圍內(nèi)可以調(diào)換，如將“讀取當(dāng)前焊槍的擺動(dòng)中心位置”步驟與“接收焊縫的左右偏差量”步驟互換等。

首先，初始化水平位置（焊接位置）各個(gè)參數(shù)變量，包括激光控制箱傳輸回來(lái)的左右偏差量（left_right_difference_usr）、焊槍擺動(dòng)中心位置量（Osc_Center）、焊槍擺動(dòng)電機(jī)螺距（Pitch1）及焊槍擺動(dòng)電機(jī)齒輪比（GearRatio1）等。然后，實(shí)時(shí)讀取焊槍擺動(dòng)中心位置量Osc_Center。接著，讀取左右偏差量。依照行走方向，沒(méi)有偏移，則如圖4a所示。如果水平方向發(fā)生偏移，則左右偏差量left_right_difference_usr有取值；往右邊偏移，如圖4b所示，左右偏差量為正值；往左邊偏移，如圖4c所示，左右偏差量為負(fù)值。最后，經(jīng)過(guò)擺動(dòng)中心計(jì)算函數(shù)后，執(zhí)行擺動(dòng)中心調(diào)整。其中，擺動(dòng)中心調(diào)整量osc_centermove＝（left_right_difference_usr*60000）/（Pitch1*fabsf（GearRatio1）），fabsf（GearRatio1）函數(shù)指對(duì)擺動(dòng)電機(jī)齒輪比取絕對(duì)值函數(shù)。

如圖7所示，圖中左側(cè)傳感器圖片中粗線即為識(shí)別出來(lái)的焊縫，圖7d、圖7e及圖7f三圖表示了在垂直方向上傳感器的三個(gè)不同的位置，其中，圖7d為正常高度，在傳感器跟蹤的過(guò)程中，理想情況為始終保持圖7d高度或者附近，因?yàn)閭鞲衅鞴逃刑匦?，不能超過(guò)一定高度范圍或者低于一定高度范圍，否則不能跟蹤或者需要轉(zhuǎn)換為手動(dòng)調(diào)整。如果超過(guò)了正常高度，如圖7e所示，則干伸長(zhǎng)增加，電流減小。如果低于正常高度，如圖7f所示，則干伸長(zhǎng)減小，電流增大。因此，需要對(duì)其高度進(jìn)行調(diào)節(jié)：焊接小車(chē)接收到傳感器控制箱傳來(lái)的高度偏差量后，焊接小車(chē)根據(jù)自己實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前焊槍的高度值，結(jié)合高度偏差量進(jìn)行運(yùn)算，得出焊槍需要調(diào)整的數(shù)值及方向，進(jìn)而，焊槍小車(chē)控制器CPU給驅(qū)動(dòng)發(fā)命令，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行偏移動(dòng)作。如果超過(guò)了傳感器能接受的最大或者最小高度，則不能跟蹤。

下述將對(duì)基于激光傳感器計(jì)算高度進(jìn)行說(shuō)明。

如前述，在激光傳感器頭中，攝像機(jī)位于激光傳感器的前方位置，激光傳感器投射激光線并在當(dāng)前待焊接點(diǎn)處形成一條激光條紋，而且，攝像機(jī)視傾斜放置使得攝像機(jī)的視覺(jué)可與激光傳感器投射激光線相交，以構(gòu)成焊縫高度偏差量檢測(cè)模型。

進(jìn)而，激光控制箱計(jì)算當(dāng)前待焊接點(diǎn)高度，具體內(nèi)容如下：接收攝像機(jī)攝取的檢測(cè)圖像；檢測(cè)圖像中有焊縫、激光條紋及焊槍當(dāng)前位置，以焊槍當(dāng)前位置為參考點(diǎn)得到激光條紋與參考點(diǎn)之間的距離；根據(jù)激光條紋與參考點(diǎn)之間的距離計(jì)算當(dāng)前待焊接點(diǎn)高度，當(dāng)前待焊接點(diǎn)高度即為當(dāng)前待焊接點(diǎn)處的焊縫高度；根據(jù)當(dāng)前帶焊接點(diǎn)高度與預(yù)設(shè)高度比對(duì)計(jì)算，得到高度偏差量；其中，高度偏差量具有正負(fù)數(shù)，定義在高度方向（垂直方向）上當(dāng)前帶焊接點(diǎn)高度比預(yù)設(shè)高度低時(shí)高度偏差量為正數(shù)，反之則為負(fù)數(shù)；當(dāng)攝像機(jī)的視覺(jué)與激光傳感器的激光條紋于當(dāng)前待焊接點(diǎn)處相交時(shí)，焊縫高度為預(yù)設(shè)高度。

如圖6所示，垂直方向位置調(diào)整（焊槍高度調(diào)整）流程，其流程順序只是一個(gè)實(shí)例，在邏輯可行范圍內(nèi)可以調(diào)換，如將“讀取當(dāng)前焊槍的高度位置”步驟與“接收高度偏差量”步驟互換等。

首先，初始化高度位置各個(gè)參數(shù)變量，包括高度偏差量（Length_difference_usr）、高度調(diào)整量（Length_centermove）、高度電機(jī)螺距（Pitch2）、高度電機(jī)齒輪比（GearRatio2）及高度位置（Length_Center）等。然后，實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前焊槍的高度位置，存入Length_Center變量。接著，讀取高度偏差量。若焊槍處于預(yù)設(shè)位置，則如圖7d所示。如果焊槍高于預(yù)設(shè)位置，則如圖7e所示，高度偏差量為負(fù)值。如果焊槍低于預(yù)設(shè)位置，則如圖7f所示，高度偏差量為正值。最后，經(jīng)過(guò)高度位置計(jì)算函數(shù)后，執(zhí)行高度位置調(diào)整。其中，焊槍的高度調(diào)整量Length_centermove＝（Length_difference_usr*60000）/（Pitch2*fabsf（GearRatio2），fabsf（GearRatio2）函數(shù)指對(duì)高度電機(jī)齒輪比取絕對(duì)值函數(shù)。

如上述，在焊接過(guò)程中，根據(jù)跟蹤器（傳感器頭和激光控制箱）的實(shí)時(shí)提前監(jiān)控，實(shí)時(shí)計(jì)算，得出焊槍的高度和水平兩個(gè)方向的偏移量，焊接小車(chē)做出相應(yīng)的調(diào)整，達(dá)到焊槍始終保持在焊縫的中心和適當(dāng)?shù)纳舷挛恢?，?shí)現(xiàn)基于激光跟蹤的焊接應(yīng)用。

2021年11月，《一種基于激光跟蹤的焊接系統(tǒng)》獲得2020年度四川專利獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)( Laser Tracker System )是由單臺(tái)激光跟蹤儀構(gòu)成的球坐標(biāo)系瀕量系統(tǒng)，是一種大范圍、大尺寸設(shè)備的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤的高精度新型測(cè)量?jī)x器。它集成了激光干涉測(cè)距、光電探測(cè)術(shù)、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代控制技術(shù)以及數(shù)值計(jì)算理論等，能對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤并實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)的三維坐標(biāo)。激光跟蹤儀是一種精密的三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器，它具有精度高、速度快、便于移動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。

激光跟蹤儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測(cè)距和跟蹤方式與全站儀不同，測(cè)程僅到35m,重達(dá)30 多公斤，只適合作室內(nèi)工業(yè)測(cè)量。激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)在大型工件測(cè)量、定位、校準(zhǔn)、安裝及在線加工等方面，都是最有效、性價(jià)比最高的測(cè)量設(shè)備。

激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)的軟件有數(shù)據(jù)管理/處理模塊及控制/測(cè)量模塊，商業(yè)化軟件有Leica 公司的Axyz CDM/LTM。控制/測(cè)量模塊可作靜態(tài)的單點(diǎn)平均測(cè)量、球面擬合測(cè)量，還可對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)跟蹤測(cè)量，進(jìn)行連續(xù)采樣、格網(wǎng)采樣和表面測(cè)量等，還具有搬站功能。 2100433B

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)（Laser Tracker System）是工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)中一種高精度的大尺寸測(cè)量?jī)x器。它集合了激光干涉測(cè)距技術(shù)、光電探測(cè)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算理論等各種先進(jìn)技術(shù)，對(duì)空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤并實(shí)時(shí)測(cè)量目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)。它具有高精度、高效率、實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量、安裝快捷、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，適合于大尺寸工件配裝測(cè)量。

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)基本都是由激光跟蹤頭（跟蹤儀）、控制器、用戶計(jì)算機(jī)、反射器（靶鏡）及測(cè)量附件等組成。

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的工作基本原理是在目標(biāo)點(diǎn)上安置一個(gè)反射器，跟蹤頭發(fā)出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，跟蹤頭調(diào)整光束方向來(lái)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。同時(shí)，返回光束為檢測(cè)系統(tǒng)所接收，用來(lái)測(cè)算目標(biāo)的空間位置。簡(jiǎn)單的說(shuō)，激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的所要解決的問(wèn)題是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地跟蹤一個(gè)在空間中運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)，同時(shí)確定目標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

激光跟蹤儀概述

在直角坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系及球坐標(biāo)系中唯有球坐標(biāo)系是只要求長(zhǎng)度量的，其他兩個(gè)角度量完全可以用現(xiàn)代精密的角度編碼器完成。

三大技術(shù)，即：精度的角度編碼器、續(xù)光再續(xù)和激光催生了激光跟蹤儀。

T-Probe的發(fā)明使隱蔽處測(cè)量成為可能，尤其是對(duì)方向姿態(tài)的測(cè)量大大擴(kuò)展了激光跟蹤儀的應(yīng)用，例如可以用于機(jī)器人姿態(tài)的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

激光跟蹤儀在汽車(chē)、航空航天和通用制造領(lǐng)域工裝設(shè)置、檢測(cè)和機(jī)床控制與校準(zhǔn)應(yīng)用中得到普遍認(rèn)可，其中以Leica居多，擁有全球1600多臺(tái)的裝機(jī)量。激光測(cè)量技術(shù)如今已開(kāi)始廣泛應(yīng)用。

由于激光跟蹤儀是利用激光測(cè)距，所以測(cè)距精度很高，但角度編碼器隨著距離的加大帶來(lái)的位置誤差亦很大，所以跟蹤儀本身主要是角度誤差。

在激光跟蹤儀的應(yīng)用中靶標(biāo)對(duì)測(cè)量精度的影響亦不可忽視，通常靶標(biāo)外形為球形，內(nèi)部為3個(gè)互相垂直的反射鏡（CCR）。若三個(gè)反射鏡的角點(diǎn)和外球的中心不重合或3個(gè)反射鏡面相互不垂直都會(huì)引起誤差，因此在同一次測(cè)量中推薦使用同一個(gè)反射鏡，同時(shí)反射鏡不要繞自身光軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

激光本身受大氣溫度、壓力、濕度及氣流流動(dòng)的影響，所以大氣參數(shù)的補(bǔ)償對(duì)此儀器的正常使用十分關(guān)鍵。2100433B