双目视觉示教及结构光焊缝跟踪视觉传感器

摘要

本发明公开了双目视觉示教及结构光焊缝跟踪视觉传感器，其包括由上盖板、下底板、前壳体和后壳体包覆构成的腔体结构，腔体内的中间由前往后依次布置有一字线激光器和板级相机，所述一字线激光器的两侧布置有两个工业相机，所述板级相机和工业相机的镜头竖直朝下，所述一字线激光器倾斜地设置，使所述一字线激光器发出的激光位于所述板级相机的视场里；腔体内在两个所述工业相机的背后固定有散热结构。本发明所提供的焊缝跟踪传感器，外型美观，结构简单紧凑，可调节性强，可适用于机器人自动焊接的场合。

说明书

技术领域

本发明涉及工业焊接机器人的技术领域，具体涉及一种基于视觉示教的焊缝跟踪传感器，是一种主动性基于视觉的焊缝跟踪传感器。

背景技术

随着现代生产的智能化发展，对产品的焊接质量要求越来越高，同时又要求降低工人的劳动强度，因此自动化焊接是目前焊接领域的重点发展方向。而在自动化焊接中，检测和引导是焊接质量的保证。因此，焊缝跟踪传感器技术是实现机器人焊接自动化的前提。

目前，应用于焊接机器人上的传感方式多种多样，其中基于视觉的传感方式具有采集信息量大、非接触、快速、高精度及检测范围大等优点，成为机器人焊接传感器方面的研究热点。在各种视觉传感器中，又以主动视觉传感器结构简单，更易于实现。主动视觉传感器利用激光作为成像光源，使用CCD摄像机来采集激光照射在连接处时的图像信息。由于激光是单波长，相干性好，不易受外部的干扰。因此，可以克服焊接过程中强烈的电弧光、电弧热、烟雾及飞溅等的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种跟踪精度高、抗干扰能力强的基于视觉示教的焊缝跟踪装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

双目视觉示教及结构光焊缝跟踪视觉传感器，其包括由上盖板、下底板、前壳体和后壳体包覆构成的腔体结构，腔体内的中间由前往后依次布置有一字线激光器和板级相机，所述一字线激光器的两侧布置有两个工业相机，所述板级相机和工业相机的镜头竖直朝下，所述一字线激光器倾斜地设置，使所述一字线激光器发出的激光位于所述板级相机的视场里；腔体内在两个所述工业相机的背后固定有散热结构。

所述散热结构包括散热板、导热硅胶片和毛细空心钢管，所述散热板固定在所述后壳体安装板级相机位置上方的壁面上，所述散热板的背后形成凸块，所述凸块的顶部具有一进气口，进气口正对后壳体上端的接口，所述凸块的底部具有一出气口用于连接所述毛细空心钢管的上端，所述散热板内形成数条纵横相交贯通的内部通道，所述内部通道具有两个与外部相通的开口端，其中上方的开口端与背后凸块的进气口相通，下方的开口端通过背后凸块的出气口与所述毛细空心钢管的上端相通，所述毛细空心钢管的下端固定在后壳体的底部出口上，所述导热硅胶片分别贴在所述工业相机背后与散热板之间。

所述散热板的中间在避开所述内部通道的位置形成有螺孔，通过螺孔上的螺丝连接前方的固定支架，所述固定支架包括用于固定所述一字线激光器的中间框架以及用于固定所述两个工业相机的侧边框架，所述一字线激光器通过螺丝倾斜地连接在中间框架上。

在所述后壳体的下端连接一水平方向的压板，所述压板上形成多个孔洞，所述孔洞包括位于所述板级相机的镜头正下方的小相机孔、位于两个所述工业相机镜头以及激光发射方向正下方的大相机孔；

在所述压板的下方通过螺丝连接下底板，所述下底板上具有与所述压板的大相机孔和小相机孔的位置和大小相对应的孔洞，在所述孔洞的边缘分别形成安装槽，在所述安装槽的外围分别形成通气槽，所述在压板与下底板之间安装有滤光片和防护镜片，所述滤光片和防护镜片被压板压在对应孔洞的安装槽内。

所述上盖板设有一气管接头，所述气管接头通过所述上盖板连接在所述后壳体上端的接口，所述后壳体底部的出口正对所述下底板的通气槽，所述通气槽沿着下底板的孔洞周边延伸，并且形成多个通往孔洞内的出气口，所述通气槽的底面比孔洞的安装槽要低，使得孔洞分别被滤光片和防护镜片覆盖之后，所述滤光片和防护镜片的边缘与下底板之间还能露出所述出气口。

所述后壳体的背面通过螺栓与焊枪夹具连接，并通过焊枪夹具与焊枪相连，所述焊枪夹具包括连接在传感器背面的L形的背板、固定在所述焊枪上的上高度调节板以及连接在所述背板与上高度调节板之间的下调节板，所述上高度调节板和下调节板分别设有多个位置相对应的调节螺孔和螺栓，所述背板与下调节板下端之间通过一螺丝进行可转动连接，并且设有用于调整传感器相对于焊枪角度的弧形调节孔。

所述下底板的下方通过螺丝连接挡弧板，所述挡弧板长度以不能挡住工业相机的视线为准。

所述上盖板还设置有一个航空接头、天线、两个工业相机网口和板级相机网口，所述工业相机通过所述工业相机网口连接外部的工控机，所述板极相机通过所述板级相机网口连接外部的工控机，所述一字线激光器通过所述航空接头连接外部的工控机。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

本发明将双目视觉相机与板级相机及激光器集成在一起，结构紧凑，体积小巧。

示教简便，针对现有焊缝跟踪传感器需要预示教的缺点，本发明利用一把示教枪在焊缝上点几个点即可拟合出焊接的轨迹，方便快捷，完成整个示教过程仅需数秒，且对工人的技术要求不高。

示教完成后，利用激光焊缝跟踪系统的寻位功能快速定位到焊缝起始点。焊接时利用激光焊缝跟踪系统的跟踪功能实时修正焊接轨迹，防止由于工件形状不一或焊接温度过热导致的焊缝形貌变化，从而提高了焊接的精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为从本发明的底部看到的视角；

图3为本发明打开前壳体后的内部示意图；

图4为本发明的后壳体部分的结构示意图；

图5为本发明的下底板处的分解图；

图6为本发明的散热结构示意图；

图7为本发明的散热板的剖面图；

图8为本发明安装在焊枪上的示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

请参阅图1至图3所示，本发明公开了双目视觉示教及结构光焊缝跟踪视觉传感器，包括由上盖板1、下底板2、前壳体3和后壳体4包覆构成的腔体结构，见图3，腔体内的中间由前往后依次布置有一字线激光器5和板级相机6，在左右两侧布置有两个工业相机7，板级相机6和工业相机7的镜头竖直朝下，一字线激光器5的激光发射方向也朝下。

见图4，后壳体4由垂直的安装壁41形成类T型的形状结构，并且在T型中间的下半部分形成用于安装板级相机6的空间，后壳体4的两侧边通过螺丝连接前壳体3，腔体的内部并且在两个工业相机7的背后固定有散热结构，散热结构包括一散热板42、两块导热硅胶片43和一毛细空心钢管49，见图6，散热板42通过两侧的螺孔50上的螺丝固定在后壳体4安装板级相机6位置上方的壁面上，散热板42的背后形成一凸块51，凸块51的顶部具有一进气口52，进气口52正对后壳体4上端的接口47(见图4)，凸块51的底部具有一出气口用于连接毛细空心钢管49的上端，见图7，散热板42内形成数条纵横相交贯通的内部通道53，内部通道53遍布在整个散热板平面，其中内部通道53具有两个与外部相通的开口端，其中上方的开口端54与背后凸块的进气口52相通，下方的开口端55通过背后凸块的出气口与毛细空心钢管49相通。

毛细空心钢管49的上端连接在散热板背后凸块底部的出口上，管体在板级相机6的旁边竖直延伸向下，其下端固定在后壳体4的底部出口56上。

散热板42的中间在避开内部通道的位置形成有数个螺孔57，通过螺孔57上的螺丝连接前方的固定支架58，见图3，固定支架58包括用于固定一字线激光器5的中间框架以及用于固定两个工业相机7的侧边框架，一字线激光器5通过螺丝倾斜地连接在中间框架上，使得一字线激光器5能倾斜地固定在板级相机6的前方，并且使得激光器发出的激光射向板级相机6的视场里。在本实施例中，板级相机6与一字线激光器5的轴线之间形成15度的安装夹角，发出的一字线光斑正好位于板级相机6的视野正下方。工业相机7通过螺丝59连接在侧边框架内。工业相机7与板级相机6机身轴线相互平行，两工业相机7的底部共面。

在两个工业相机7背后与散热板42之间分别贴有一导热硅胶片43，工业相机7产生的热量通过导热硅胶片43传递到散热板42内，再通过散热板42进行散热。

见图5，在后壳体4的底部连接一水平方向的压板44，在压板44上形成多个孔洞，这些孔洞包括位于板级相机6的镜头正下方的小相机孔46、位于两个工业相机7镜头以及激光发射方向正下方的大相机孔45。

在压板44的下方通过螺丝连接下底板2，下底板2上具有与压板44对应的孔洞21、22，其中孔洞21与压板44上的大相机孔45位置和大小相同，孔洞22与小相机孔46的位置和大小相同，在孔洞21、22的边缘分别形成一圈安装槽27，在压板44与下底板2之间安装有滤光片23和防护镜片24，滤光片23被压板44压在孔洞22的安装槽27内，滤光片23采用650nm窄带滤光片，防护镜片24被压板44压在孔洞21上，卡在安装槽27内，防护镜片24可用于阻挡焊接时的飞渣和烟雾，进一步保护工业相机7的镜头和激光器的安全，并且采用可方便拆卸的高透明钢化玻璃，方便在其被飞溅和烟雾污染后进行拆卸更换。

毛细空心钢管49的下端与后壳体4底部的出口56相通，见图5，后壳体4底部的出口56对应压板44上的通孔48，下底板2分别沿着孔洞21、22边缘安装槽27的外围形成通气槽25，后壳体4底部的出口56正对下底板2的通气槽25，通气槽25沿着孔洞22的外围延伸一圈，并且通往孔洞22内形成一个出气口28，通气槽25还从孔洞22的周边延伸至孔洞21边缘的一侧，并且形成多个通往孔洞21内的出气口28，通气槽25的底面比孔洞的安装槽27要低，使得孔洞分别被滤光片23和防护镜片24覆盖之后，滤光片23和防护镜片24的边缘与下底板2之间还能露出出气口28，用于从通气槽25往出气口28出气。

本发明的气流路径以下：气体从后壳体4上端的接口47进入后，经过散热板背后凸块51顶部的进气口52，从开口端54进入到散热板42的内部，并按箭头方向扩散至各个内部通道53，从开口端55流出，经过背后凸块的出气口进入毛细空心钢管49，气流经过毛细空心钢管49到达下底板2里的通气槽25，分别从镜片边缘的出气口28喷出形成气帘吹走焊渣，防止焊接时焊渣飞溅到传感器镜片上。气体在吹渣的同时也起到了散热降温的作用，因为气体流经散热板42内部时，会把相机传导到散热板42的热量同时也带走。

见图1和图2，上盖板1设有多个气路和电路连接头，其中包括一个气管接头11、一个航空接头12、天线13、两个工业相机网口14和板级相机接口15，气管接头11经过上盖板1连接至后壳体上端的接口47，用于往内部通入气体，工业相机7通过工业相机网口14连接外部的工控机，板极相机6通过板级相机网口15上的接头连接外部的工控机，一字线激光器5通过航空接头12连接工控机，航空接头12用来控制一字线激光器5的亮灭，还预留了一个天线13用于接收示教枪信号，可以不经过工控机直接控制工业相机和激光器。

下底板2的下方通过螺丝连接挡弧板8，用以阻挡焊接时的飞溅和烟雾，挡弧板8伸向下方的长度尽量大，以挡住焊接时的飞溅和烟雾，该挡弧板长度以不能挡住工业相机7的视线为准。

见图8，传感器的后壳体4背面通过螺栓与焊枪夹具连接，使得传感器能够跟踪焊接过程信息。传感器通过焊枪夹具安装在焊枪9上，其中焊枪夹具包括连接在传感器背面的L形的背板91、固定在焊枪9上的上高度调节板92以及连接在背板91与上高度调节板92之间的下调节板93，其中上高度调节板92和下调节板93分别设有多个位置相对应的调节螺孔94，通过将两者的调节螺孔94错开对应在不同高度的位置并用螺丝固定，可以调整传感器相对焊枪9的高度，背板91与下调节板93末端之间通过螺丝96进行可转动连接，并且通过弧形调节孔95在不同转动角度位置上的固定实现传感器整体相对于焊枪9的角度调整。

传感器后壳体4与背板91之间安装有一绝缘块97，绝缘块97可将传感器整体与焊枪9隔开，以避免焊接时的高电压、电流破坏传感器内部的元件。

工业相机7用于视觉示教，使用一把示教枪模拟焊枪的姿态，在焊点位置点几个点进行直线或圆弧拟合，工业相机7采集示教枪上靶标的图像进行图像处理就计算出焊接的轨迹和焊枪的姿态信息，将信息实时发送给机器人，机器人根据获得的信息运动即完成示教过程。

在机器人焊接开始前，传感器的一字线激光器5投射激光线到焊接件表面，焊缝引起激光线发生形变，板级相机6采集激光线的形变图像并发送给工控机，工控机对采集的图像进行图像处理后得到焊点的坐标，机器人运动到第一个焊点的位置完成寻位功能。焊接开始后，板级相机6将连续不断采集的每一帧图像发送至工控机进行图像处理得到焊点的坐标值，工业机器人根据坐标进行相应运动，使焊枪末端沿着工件的焊缝运动，完成工业机器人的焊缝自动跟踪。

本实施例结构紧凑，可调节性强，适用范围更广，安装和拆卸也较方便；可以满足焊接起始位置的寻找、焊缝跟踪及焊接过程中的纠偏，可为焊接的自动化和焊接质量的优化提供帮助。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。