專利名稱：焊縫自動跟蹤用線陣電荷耦合器件視覺傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及焊接時(shí)自動跟蹤焊縫的傳感器，屬焊接工藝及設(shè)備自動化領(lǐng)域。
國內(nèi)外對用于埋弧焊的自動跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，產(chǎn)生了幾代跟蹤用的傳感器。第一代焊接跟蹤用的傳感器是觸桿式傳感器，其工作原理基本是機(jī)械式的。第二代焊接跟蹤用的傳感器是用分立元件組成的光電傳感器，其信號接收屏是由分立的光敏元件構(gòu)成的矩陣。而第三代焊接跟蹤用的傳感器對光電信號的接收使用了高度集成的電荷耦合器件(以下簡稱CCD)，又分為面陣CCD(即攝象機(jī))和線陣CCD。面陣CCD視覺跟蹤系統(tǒng)其信息量大，通過對信號的處理，容易獲得三維信息，不但可以實(shí)現(xiàn)焊縫的自動跟蹤，而且還可以對焊接過程實(shí)現(xiàn)智能化控制。但是其信號處理時(shí)間較長，且設(shè)備費(fèi)用較高，使系統(tǒng)的成本提高。而線陣CCD視覺跟蹤系統(tǒng)雖然只有一維信息，但是對于在一個(gè)方向上的跟蹤(如左右方向)則完全夠用。而其價(jià)格低廉，信息處理的時(shí)間短，因此實(shí)時(shí)性強(qiáng)?？傮w來說線陣視覺跟蹤系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比。
對于第一代傳感器，因?yàn)槭菣C(jī)械式的，一般是用于長直焊縫的焊接跟蹤。而且當(dāng)遇到如點(diǎn)固焊道或焊縫過窄時(shí)，就會失去跟蹤基準(zhǔn)。對于第二代傳感器，由于其信號接收屏是由分立元件組成，因此信息量少，跟蹤精度較低。對于第三代傳感器，當(dāng)使用線陣CCD做接收器件時(shí)，其光路原理都是利用入射角等于反射角的原理。在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，采用圓形平行光束照射焊縫，利用坡口與工件表面對光線的反射角度不同造成反射光在CCD上成像的光強(qiáng)度不同。在這種光學(xué)系統(tǒng)中，在CCD上收到的光的強(qiáng)弱主要受反射角度的影響，CCD上反映的是焊縫坡口的斜度信息。因?yàn)榉瓷涔鈴?qiáng)度受反射面的光潔度的影響較大，在這種方法中，當(dāng)焊縫為舊鋼板上新開的坡口時(shí)，坡口內(nèi)部的反射光強(qiáng)可能超過工件表面的反射光強(qiáng)，因而不能提供有效的坡口位置信息。
本實(shí)用新型的傳感器由光源發(fā)射部分、光源接收部分、支撐部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等四部份組成，支撐部分為一個(gè)支撐塊。光源發(fā)射部分為兩個(gè)發(fā)射鏡筒，內(nèi)裝激光發(fā)生管，柱面透鏡。兩個(gè)發(fā)射鏡筒安置在支撐塊的二邊。光源接收部分為一個(gè)接收鏡筒，內(nèi)裝線陣CCD器件、圓透鏡、濾光片、擋灰片，光源接收鏡筒安裝在兩個(gè)光源發(fā)射鏡筒的后面，并位于支撐塊的中心線上。光源發(fā)射鏡筒在支撐塊上呈一定的角度安置，與ZOX平面呈α角，α＝4°，與ZOY平面呈β角，β＝22.4°(見圖5、圖6)。光源發(fā)射鏡筒內(nèi)的激光發(fā)生管為半導(dǎo)體紅光激光管。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)絲桿滑塊機(jī)構(gòu)，由水平導(dǎo)軌、垂直導(dǎo)軌、水平滑塊、垂直滑塊、絲桿所組成。水平導(dǎo)軌、水平滑塊、絲桿，垂直導(dǎo)軌、垂直滑塊、絲桿各組成一運(yùn)動付。
說明附圖如下


圖1為本實(shí)用新型傳感器及與焊機(jī)連接部分的結(jié)構(gòu)示意圖圖2為
圖1的A向視圖圖3為
圖1的B-B剖視圖圖4為本實(shí)用新型傳感器光路工作原理圖圖5為ZOX平面視圖圖6為ZOY平面視圖傳感器的發(fā)射部分發(fā)出的結(jié)構(gòu)光帶，隨著坡口處位置高低的變化，在工件表面和坡口內(nèi)部將形成一條空間曲線ABCDE，該曲線在垂直方向的投影如圖4所示。該投影圖象也為一個(gè)空間曲線，形狀與工件上的光帶對應(yīng)成比例關(guān)系。當(dāng)圓透鏡的焦距足夠大時(shí)，該光學(xué)系統(tǒng)的景深也相應(yīng)較長，可認(rèn)為成像在一個(gè)平面(像平面)上，即認(rèn)為像曲線為一平面曲線abcde。將線陣CCD放置在像平面上，使其感光部分與像曲線的直線部分ab和de重合，這樣，來自工件表面的光能落在線陣CCD上并使其感光，而坡口處的光帶BC和CD所成的像bc和cd落在線陣CCD的感光部分之外，不能使線陣CCD對應(yīng)的位置感光，由此可以提取焊縫坡口位置信息。焊縫坡口內(nèi)的部分與工件表面高度差別越大的點(diǎn)所成的像離線陣CCD相應(yīng)的感光部分越遠(yuǎn)，CCD所能接收到的光也就越少，甚至接收不到光。
在焊接開始之前，首先使焊炬10的中心與工件上焊縫的中心線對中，然后將傳感器調(diào)整到合適的位置后，再將兩者緊固剛性連接。如
圖1中所示，此時(shí)即可獲取到工件坡口兩側(cè)棱邊上的B點(diǎn)和D點(diǎn)在線陣CCD器件上成像點(diǎn)即b點(diǎn)和d點(diǎn)的位置，由此可以求出焊縫中心點(diǎn)在線陣CCD器件上的成像點(diǎn)的位置。而這點(diǎn)的位置即是跟蹤的基準(zhǔn)。在焊接進(jìn)行過程中，傳感器不斷的采集坡口信號，計(jì)算出實(shí)時(shí)的焊縫中心在線陣CCD器件上成像點(diǎn)的位置。如果這個(gè)實(shí)時(shí)成像點(diǎn)的位置與跟蹤基準(zhǔn)點(diǎn)的位置偏離，說明焊炬10與焊縫中心線發(fā)生了偏離，即需要進(jìn)行調(diào)整，也就是進(jìn)行跟蹤。通過驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，最終使兩個(gè)成像點(diǎn)的位置重合時(shí)，調(diào)整結(jié)束，完成了跟蹤過程。
本實(shí)用新型傳感器可用于鋼板及坡口在各種不同表面狀況下的焊接。
權(quán)利要求1.一種焊縫自動跟蹤用線陣電荷耦合器件視覺傳感器，其特征是由光源發(fā)射部分、光源接收部分、支撐部分及執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部份組成，支撐部分為一個(gè)支撐塊，光源發(fā)射部分為兩個(gè)發(fā)射鏡筒，內(nèi)裝激光發(fā)生管，柱面透鏡，兩個(gè)發(fā)射鏡筒安置在支撐塊的二邊，光源接收部分為一個(gè)接收鏡筒，內(nèi)裝線陣CCD器件，圓透鏡，濾光片，擋灰片，光源接收鏡筒安裝在兩個(gè)光源發(fā)射鏡筒的后面，并位于支撐塊的中心線上，光源發(fā)射鏡筒在支撐塊上呈一定的角度安置，與ZOX平面呈α角，與ZOY平面呈β角，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)絲桿滑塊機(jī)構(gòu)，由水平導(dǎo)軌，垂直導(dǎo)軌，水平滑塊，垂直滑塊，絲桿所組成，水平導(dǎo)軌，水平滑塊，絲桿，垂直導(dǎo)軌，垂直滑塊，絲桿各組成一對運(yùn)動付。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷耦合器件視覺傳感器，其特征是所述的激光發(fā)生管為半導(dǎo)體紅光激光管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷耦合器件視覺傳感器，其特征是所述的激光發(fā)生管其光源發(fā)射鏡筒與ZOX平面呈α角，α＝4°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷耦合器件視覺傳感器，其特征是所述的激光發(fā)生管其光源發(fā)射鏡筒與ZOY平面呈β角，β＝22.4°。
專利摘要一種焊縫自動跟蹤用線陣電荷耦合器件視覺傳感器，屬焊接工藝及設(shè)備自動化領(lǐng)域。本傳感器由光源發(fā)射部分，光源接收部分，支撐部分，執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分組成。支撐部分為一個(gè)支撐塊，光源發(fā)射部分為兩個(gè)發(fā)射鏡筒，內(nèi)裝激光發(fā)生管，柱面透鏡，兩個(gè)發(fā)射鏡筒安置在支撐塊的兩邊，光源接收部分為一個(gè)接收鏡筒，內(nèi)裝線陣CCD器件，圓透鏡、濾光片、擋灰片，光源接收鏡筒安裝在兩個(gè)光源發(fā)射鏡筒之間。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)絲桿、滑塊機(jī)構(gòu)，由水平導(dǎo)軌、垂直導(dǎo)軌、水平滑塊、垂直滑塊、絲桿所組成，水平導(dǎo)軌、水平滑塊、絲桿、垂直導(dǎo)軌、垂直滑塊、絲桿各組成一對運(yùn)動付。本傳感器可用于鋼板及坡口在各種不同表面狀況下的焊接。
文檔編號B23K9/127GK2522214SQ0127544
公開日2002年11月27日 申請日期2001年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月30日
發(fā)明者王克爭, 何方殿, 胡鐵軍, 陳新征 申請人:清華大學(xué)