基于焊接机器人焊缝自主跟踪的被动视觉传感器

摘要

一种机器人焊接技术领域的基于焊接机器人焊缝自主跟踪的被动视觉传感器，包括：安装支架、系统外壳、摄像机、减光滤光系统、光反射系统和送丝调节机构，摄像机和减光滤光系统在焊接过程中同轴设置于系统外壳内壁并传输焊接过程焊缝图像信息，减光滤光系统在非焊接过程中通过电机传动系统进行驱动并实现焊接前的导引和标定，光反射系统设置于系统外壳内壁并与减光滤光系统相连并获取焊接图像，安装支架设置于机器人的第六轴，送丝调节机构固定设置于焊枪上。本发明可应用于焊接中的信息获取与识别、焊缝寻找与跟踪以及熔透控制等方面。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种机器人焊接技术领域的装置，具体是一种基于焊接机器人GTAW(钨极氩弧焊)焊缝自主跟踪的被动视觉传感器。

背景技术

机器人焊接质量控制一直是焊接研究的热点和难点，也是焊接界工作者致力研究的重要课题。在实际焊接中，常常存在变形、变散热、变间隙、变错边等因数，影响焊缝成形的质量。为了克服焊接过程中这些不确定性因素对精密焊接件质量的影响，迫切需要采用信息反馈、智能控制等技术提高现行焊接机器人的适应性或智能化水平，实现机器人焊接过程的智能化控制。要实现焊接过程质量的智能化准确控制，首先需要获得描述焊接过程状态的准确信息，其中传感器在获取信息方面起着重要的作用。利用传感器准确地获得焊接过程中的有用信息对焊接质量的控制具有重要的理论意义和工程实用价值。目前，应用于焊接机器人上的传感方法多种多样，在这些传感方法之中，由于视觉传感方式具有信息量大、非接触、快速、高精度及自动化程度高等优点，受到广大焊接工作者的喜爱，目前已成为第三代焊接机器人研究的热点之一。为此，设计合理、高效的视觉传感器在机器人焊接智能化过程中显得尤为重要。

视觉传感技术在焊接机器人领域主要应用于进行初始焊接位置的导引、焊接接头形式的识别、焊缝跟踪及熔透控制等方面，目前国内外研究比较成熟的主动视觉传感具有价格昂贵，结构复杂庞大以及存在盲区等不足，尤其是由于工件的热变形容易产生超前检测误差，这是最致命的缺陷；而被动视觉传感器中电弧本身就是监测位置，不会产生累似主动视觉传感器因热变形等因素所引起的超前检测误差，能够直接获取焊缝接头和熔池的信息，有利于焊接质量的智能化控制。但现有被动视觉传感器则存在功能单一、弧光干扰大、自动化程度低、体积尺寸相对较大等不足，致使跟焊枪整体安装后焊接活动的范围变小，无法满足焊接过程的连续性，大大降低了焊接过程中设备使用的柔性和灵活性。

经过现有技术的文献检索发现，中国专利申请号：200710037890.3名为“焊接机器人多功能双目视觉传感器及其标定方法”的专利提供了另一种视觉传感器，该种传感器主要由两个CCD摄像机组成，通过图像采集卡及CCD摄像机实现对焊缝图像的采集，该装置能够实时的采集到焊缝的图像信息，能够实现导引、跟踪和焊缝成形控制。但是该传感器由于利用气动装置加载和移除减光滤光系统使得传感器体积及重量过大，不利于小角度焊缝的焊接，加上要利用气源，不利于无气源场合下的焊接，具有很大的局限性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于焊接机器人焊缝自主跟踪的被动视觉传感器，结合机器人焊接自动化过程的特点，通过微型大力矩直流电机及小齿轮齿条带动减光滤光系统进行焊缝导引与跟踪模式的转换，大大减小了传感器的体积，同时避免了无气源的场合下焊接的进行；通过多层多道的减光滤光系统和抽屉式结构，使得可同时清楚地观测到不同光强处的特征信息；并按照实际工艺要求加载送丝调节机构以保证焊接质量。本发明可应用于焊接中的信息获取与识别、焊缝寻找与跟踪以及熔透控制等方面。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：安装支架、系统外壳、摄像机、减光滤光系统、光反射系统和送丝调节机构，其中：摄像机和减光滤光系统在焊接过程中同轴设置于系统外壳内壁并传输焊接过程焊缝图像信息，减光滤光系统在非焊接过程中通过电机传动系统进行驱动并实现焊接前的导引和标定，光反射系统设置于系统外壳内壁并与减光滤光系统相连并获取焊接图像，安装支架整体设置于机器人的第六轴，送丝调节机构固定设置于焊枪上。

所述的安装支架包括：承载支架、摄像机支架、减光滤光系统支架、光反射系统支架以及送丝机构支架，其中：承载支架固定设置于机器人末端，摄像机支架和减光滤光系统支架均固定设置于系统外壳的内表面，送丝机构支架固定设置于焊枪上。

所述的光反射系统支架由一级反射镜支架和二级反射镜支架组成，其中：一级反射镜支架固定设置于系统外壳的内表面，二级反射镜支架固定设置于减光滤光系统上并与摄像机的轴心成45°。

所述的系统外壳的内表面设有螺纹孔和沟槽以固定安装支架和摄像机。

所述的摄像机的通讯端口与计算机的端口连接，通讯方式为串口。

所述的减光滤光系统包括：一个多层多道结构和电机传动机构，其中：多层多道结构安装于电机传动系统的线性滑轨的滑块上，微型大力矩直流电机提供动力，通过电机传动机构中的齿轮和齿条带动滑块来回移动。

所述的多层多道结构为四层结构，从上而下依次为摄像机遮光层、抽屉式滤光片层、抽屉式减光片层和下扩展层，其中：抽屉式滤光片层通过放置不同的滤光片来确定滤光范围，实现不同的滤光效果；下扩展层主要用于连接光反射系统和限定减光滤光系统在承载板上的位置。

所述的电机传动机构包括：微型大力矩直流电机、齿轮齿条、滑块和线性滑轨，其中：微型大力矩直流电机上齿轮与齿条相啮合，滑块活动设置于线性滑轨上。

所述的滑块上设有减光滤光片。

所述的送丝调节机构包括：送丝可调支架、送丝机嘴和送丝电机，其中：送丝可调支架固定设置于焊枪上，送丝机嘴与送丝可调支架固定连接，送丝电机与焊接电源控制柜相连接并通过主控计算机实现送丝速度的手动或自动调节。

本发明提出的模块化结构可以有效地区分各功能，使其相互独立，利于安装和维护，可最大程度减小部件对整体的影响；同时由于采用半开放式的设计，该传感器具有较大的扩展性，可另外增加模块来实现更多的功能，“因需制宜”，实现传感器的柔性化功能。

本发明有效地解决了焊接过程中利用同一传感器无法连续完成诸如初始焊位导引、焊缝跟踪和熔透控制等多项焊接工作的问题，同时让传感器的结构具有很大的柔性和扩展性，一方面可提高稳定性和精度，另一方面能简便操作和节省成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：安装支架1、系统外壳2、摄像机3、减光滤光系统4、光反射系统5和送丝调节机构6，其中：摄像机3和减光滤光系统4在焊接过程中同轴设置于系统外壳2内壁并传输焊接过程焊缝图像信息，减光滤光系统4在非焊接过程中通过电机传动系统进行驱动并实现焊接前的导引和标定，光反射系统5设置于系统外壳内壁并与减光滤光系统相连并获取焊接图像，安装支架1设置于机器人的第六轴16，送丝调节机构6固定设置于焊枪7上。

所述的安装支架1包括：绝缘板支架9、送丝机构支架10、摄像机支架11以及光反射系统支架12，其中：传感系统通过绝缘板支架9固定在安装支架1上，避免传感系统受到电弧高频干扰，安装支架1设置于机器人末端16，摄像机支架11和光反射系统支架12均固定设置于系统外壳2的内表面，送丝机构支架10固定设置于焊枪7上。

所述的系统外壳2的内表面设有螺纹孔和沟槽以固定安装支架1和摄像机3。

所述的摄像机3包括CCD传感器17和镜头18，CCD传感器17通讯端口与计算机的端口连接，通讯方式为串口。

所述的减光滤光系统4包括：一个多层多道结构和电机传动机构，其中：多层多道结构安装于电机传动系统的线性滑轨的滑块上，微型大力矩直流电机提供动力，通过电机传动机构中的齿轮和齿条带动线性滑轨上的滑块来回移动。

所述的多层多道结构为四层结构，从上而下依次为摄像机遮光层、抽屉式滤光片层、抽屉式减光片层和下扩展层，其中：抽屉式滤光片层通过放置不同滤光片来确定滤光范围，实现不同的滤光效果；下扩展层主要用于连接光反射系统5和限定减光滤光系统4在承载板上的位置。

所述的电机传动机构包括：微型大力矩直流电机13、齿轮19、齿条20、线性滑块14，其中：微型大力矩直流电机13上的齿轮19与齿条20相啮合，滑块活动设置于线性滑块14上。

所述的滑块上设有减光滤光片。

所述的光反射系统5由一级反射镜15和二级反射镜21组成，其中：一级反射镜15通过支架固定设置于系统外壳2的内表面，二级反射镜21通过支架固定设置于减光滤光系统4上并与摄像机3的轴心成45°。

所述的送丝调节机构6包括：送丝可调支架22、送丝机嘴23和送丝电机，其中：送丝可调支架25固定设置于焊枪7上，送丝机嘴23与送丝可调支架22固定连接，送丝电机与焊接电源控制柜相连接并通过主控计算机实现送丝速度的手动或自动调节。

本实施例安装、拆卸、更换、维护均非常方便；具有柔性、精准、简便、易扩展等特点；可以满足焊接起始位置的导引、焊缝跟踪及焊接过程中质量控制等要求，为焊接过程自动化和焊接质量优质化提供帮助。