專利名稱：基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)器人焊接技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于焊接機(jī)器人 GTAW (鎢極氬弧焊)焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感器。
背景技術(shù)：
機(jī)器人焊接質(zhì)量控制一直是焊接研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也是焊接界工作者致力研究 的重要課題。在實(shí)際焊接中，常常存在變形、變散熱、變間隙、變錯(cuò)邊等因數(shù)，影響焊縫成形 的質(zhì)量。為了克服焊接過(guò)程中這些不確定性因素對(duì)精密焊接件質(zhì)量的影響，迫切需要采用 信息反饋、智能控制等技術(shù)提高現(xiàn)行焊接機(jī)器人的適應(yīng)性或智能化水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接 過(guò)程的智能化控制。要實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程質(zhì)量的智能化準(zhǔn)確控制，首先需要獲得描述焊接過(guò)程 狀態(tài)的準(zhǔn)確信息，其中傳感器在獲取信息方面起著重要的作用。利用傳感器準(zhǔn)確地獲得焊 接過(guò)程中的有用信息對(duì)焊接質(zhì)量的控制具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。目前，應(yīng)用 于焊接機(jī)器人上的傳感方法多種多樣，在這些傳感方法之中，由于視覺(jué)傳感方式具有信息 量大、非接觸、快速、高精度及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大焊接工作者的喜愛(ài)，目前已成 為第三代焊接機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一。為此，設(shè)計(jì)合理、高效的視覺(jué)傳感器在機(jī)器人焊接智 能化過(guò)程中顯得尤為重要。視覺(jué)傳感技術(shù)在焊接機(jī)器人領(lǐng)域主要應(yīng)用于進(jìn)行初始焊接位置的導(dǎo)引、焊接接頭 形式的識(shí)別、焊縫跟蹤及熔透控制等方面，目前國(guó)內(nèi)外研究比較成熟的主動(dòng)視覺(jué)傳感具有 價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大以及存在盲區(qū)等不足，尤其是由于工件的熱變形容易產(chǎn)生超前檢 測(cè)誤差，這是最致命的缺陷；而被動(dòng)視覺(jué)傳感器中電弧本身就是監(jiān)測(cè)位置，不會(huì)產(chǎn)生累似主 動(dòng)視覺(jué)傳感器因熱變形等因素所引起的超前檢測(cè)誤差，能夠直接獲取焊縫接頭和熔池的信 息，有利于焊接質(zhì)量的智能化控制。但現(xiàn)有被動(dòng)視覺(jué)傳感器則存在功能單一、弧光干擾大、 自動(dòng)化程度低、體積尺寸相對(duì)較大等不足，致使跟焊槍整體安裝后焊接活動(dòng)的范圍變小，無(wú) 法滿足焊接過(guò)程的連續(xù)性，大大降低了焊接過(guò)程中設(shè)備使用的柔性和靈活性。經(jīng)過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00710037890. 3名為“焊接機(jī) 器人多功能雙目視覺(jué)傳感器及其標(biāo)定方法”的專利提供了另一種視覺(jué)傳感器，該種傳感器 主要由兩個(gè)CXD攝像機(jī)組成，通過(guò)圖像采集卡及CXD攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫圖像的采集，該裝置 能夠?qū)崟r(shí)的采集到焊縫的圖像信息，能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)引、跟蹤和焊縫成形控制。但是該傳感器由 于利用氣動(dòng)裝置加載和移除減光濾光系統(tǒng)使得傳感器體積及重量過(guò)大，不利于小角度焊縫 的焊接，加上要利用氣源，不利于無(wú)氣源場(chǎng)合下的焊接，具有很大的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的 被動(dòng)視覺(jué)傳感器，結(jié)合機(jī)器人焊接自動(dòng)化過(guò)程的特點(diǎn)，通過(guò)微型大力矩直流電機(jī)及小齒輪 齒條帶動(dòng)減光濾光系統(tǒng)進(jìn)行焊縫導(dǎo)引與跟蹤模式的轉(zhuǎn)換，大大減小了傳感器的體積，同時(shí) 避免了無(wú)氣源的場(chǎng)合下焊接的進(jìn)行；通過(guò)多層多道的減光濾光系統(tǒng)和抽屜式結(jié)構(gòu)，使得可同時(shí)清楚地觀測(cè)到不同光強(qiáng)處的特征信息；并按照實(shí)際工藝要求加載送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以保證 焊接質(zhì)量。本發(fā)明可應(yīng)用于焊接中的信息獲取與識(shí)別、焊縫尋找與跟蹤以及熔透控制等方本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括安裝支架、系統(tǒng)外殼、攝像機(jī)、減 光濾光系統(tǒng)、光反射系統(tǒng)和送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中攝像機(jī)和減光濾光系統(tǒng)在焊接過(guò)程中同軸 設(shè)置于系統(tǒng)外殼內(nèi)壁并傳輸焊接過(guò)程焊縫圖像信息，減光濾光系統(tǒng)在非焊接過(guò)程中通過(guò)電 機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)焊接前的導(dǎo)引和標(biāo)定，光反射系統(tǒng)設(shè)置于系統(tǒng)外殼內(nèi)壁并與減 光濾光系統(tǒng)相連并獲取焊接圖像，安裝支架整體設(shè)置于機(jī)器人的第六軸，送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固 定設(shè)置于焊槍上。所述的安裝支架包括承載支架、攝像機(jī)支架、減光濾光系統(tǒng)支架、光反射系統(tǒng)支 架以及送絲機(jī)構(gòu)支架，其中承載支架固定設(shè)置于機(jī)器人末端，攝像機(jī)支架和減光濾光系統(tǒng) 支架均固定設(shè)置于系統(tǒng)外殼的內(nèi)表面，送絲機(jī)構(gòu)支架固定設(shè)置于焊槍上。所述的光反射系統(tǒng)支架由一級(jí)反射鏡支架和二級(jí)反射鏡支架組成，其中一級(jí)反 射鏡支架固定設(shè)置于系統(tǒng)外殼的內(nèi)表面，二級(jí)反射鏡支架固定設(shè)置于減光濾光系統(tǒng)上并與 攝像機(jī)的軸心成45°。所述的系統(tǒng)外殼的內(nèi)表面設(shè)有螺紋孔和溝槽以固定安裝支架和攝像機(jī)。所述的攝像機(jī)的通訊端口與計(jì)算機(jī)的端口連接，通訊方式為串口。所述的減光濾光系統(tǒng)包括一個(gè)多層多道結(jié)構(gòu)和電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中多層多道 結(jié)構(gòu)安裝于電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的線性滑軌的滑塊上，微型大力矩直流電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)電機(jī) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪和齒條帶動(dòng)滑塊來(lái)回移動(dòng)。所述的多層多道結(jié)構(gòu)為四層結(jié)構(gòu)，從上而下依次為攝像機(jī)遮光層、抽屜式濾光片 層、抽屜式減光片層和下擴(kuò)展層，其中抽屜式濾光片層通過(guò)放置不同的濾光片來(lái)確定濾光 范圍，實(shí)現(xiàn)不同的濾光效果；下擴(kuò)展層主要用于連接光反射系統(tǒng)和限定減光濾光系統(tǒng)在承 載板上的位置。所述的電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括微型大力矩直流電機(jī)、齒輪齒條、滑塊和線性滑軌，其 中微型大力矩直流電機(jī)上齒輪與齒條相嚙合，滑塊活動(dòng)設(shè)置于線性滑軌上。所述的滑塊上設(shè)有減光濾光片。所述的送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括送絲可調(diào)支架、送絲機(jī)嘴和送絲電機(jī)，其中送絲可調(diào) 支架固定設(shè)置于焊槍上，送絲機(jī)嘴與送絲可調(diào)支架固定連接，送絲電機(jī)與焊接電源控制柜 相連接并通過(guò)主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)送絲速度的手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)。本發(fā)明提出的模塊化結(jié)構(gòu)可以有效地區(qū)分各功能，使其相互獨(dú)立，利于安裝和維 護(hù)，可最大程度減小部件對(duì)整體的影響；同時(shí)由于采用半開放式的設(shè)計(jì)，該傳感器具有較大 的擴(kuò)展性，可另外增加模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的功能，“因需制宜”，實(shí)現(xiàn)傳感器的柔性化功能。本發(fā)明有效地解決了焊接過(guò)程中利用同一傳感器無(wú)法連續(xù)完成諸如初始焊位導(dǎo) 引、焊縫跟蹤和熔透控制等多項(xiàng)焊接工作的問(wèn)題，同時(shí)讓傳感器的結(jié)構(gòu)具有很大的柔性和 擴(kuò)展性，一方面可提高穩(wěn)定性和精度，另一方面能簡(jiǎn)便操作和節(jié)省成本。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1所示，本實(shí)施例包括安裝支架1、系統(tǒng)外殼2、攝像機(jī)3、減光濾光系統(tǒng)4、光 反射系統(tǒng)5和送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)6，其中攝像機(jī)3和減光濾光系統(tǒng)4在焊接過(guò)程中同軸設(shè)置于 系統(tǒng)外殼2內(nèi)壁并傳輸焊接過(guò)程焊縫圖像信息，減光濾光系統(tǒng)4在非焊接過(guò)程中通過(guò)電機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)焊接前的導(dǎo)引和標(biāo)定，光反射系統(tǒng)5設(shè)置于系統(tǒng)外殼內(nèi)壁并與減 光濾光系統(tǒng)相連并獲取焊接圖像，安裝支架1設(shè)置于機(jī)器人的第六軸16，送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)6固 定設(shè)置于焊槍7上。所述的安裝支架1包括絕緣板支架9、送絲機(jī)構(gòu)支架10、攝像機(jī)支架11以及光反 射系統(tǒng)支架12，其中傳感系統(tǒng)通過(guò)絕緣板支架9固定在安裝支架1上，避免傳感系統(tǒng)受到 電弧高頻干擾，安裝支架1設(shè)置于機(jī)器人末端16，攝像機(jī)支架11和光反射系統(tǒng)支架12均固 定設(shè)置于系統(tǒng)外殼2的內(nèi)表面，送絲機(jī)構(gòu)支架10固定設(shè)置于焊槍7上。所述的系統(tǒng)外殼2的內(nèi)表面設(shè)有螺紋孔和溝槽以固定安裝支架1和攝像機(jī)3。所述的攝像機(jī)3包括CXD傳感器17和鏡頭18，CXD傳感器17通訊端口與計(jì)算機(jī) 的端口連接，通訊方式為串口。所述的減光濾光系統(tǒng)4包括一個(gè)多層多道結(jié)構(gòu)和電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中多層多道 結(jié)構(gòu)安裝于電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的線性滑軌的滑塊上，微型大力矩直流電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)電機(jī) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪和齒條帶動(dòng)線性滑軌上的滑塊來(lái)回移動(dòng)。所述的多層多道結(jié)構(gòu)為四層結(jié)構(gòu)，從上而下依次為攝像機(jī)遮光層、抽屜式濾光片 層、抽屜式減光片層和下擴(kuò)展層，其中抽屜式濾光片層通過(guò)放置不同濾光片來(lái)確定濾光范 圍，實(shí)現(xiàn)不同的濾光效果；下擴(kuò)展層主要用于連接光反射系統(tǒng)5和限定減光濾光系統(tǒng)4在承 載板上的位置。所述的電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括微型大力矩直流電機(jī)13、齒輪19、齒條20、線性滑塊 14，其中微型大力矩直流電機(jī)13上的齒輪19與齒條20相嚙合，滑塊活動(dòng)設(shè)置于線性滑塊 14上。所述的滑塊上設(shè)有減光濾光片。所述的光反射系統(tǒng)5由一級(jí)反射鏡15和二級(jí)反射鏡21組成，其中一級(jí)反射鏡15 通過(guò)支架固定設(shè)置于系統(tǒng)外殼2的內(nèi)表面，二級(jí)反射鏡21通過(guò)支架固定設(shè)置于減光濾光系 統(tǒng)4上并與攝像機(jī)3的軸心成45°。所述的送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)6包括送絲可調(diào)支架22、送絲機(jī)嘴23和送絲電機(jī)，其中送 絲可調(diào)支架25固定設(shè)置于焊槍7上，送絲機(jī)嘴23與送絲可調(diào)支架22固定連接，送絲電機(jī) 與焊接電源控制柜相連接并通過(guò)主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)送絲速度的手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)。本實(shí)施例安裝、拆卸、更換、維護(hù)均非常方便；具有柔性、精準(zhǔn)、簡(jiǎn)便、易擴(kuò)展等特 點(diǎn)；可以滿足焊接起始位置的導(dǎo)引、焊縫跟蹤及焊接過(guò)程中質(zhì)量控制等要求，為焊接過(guò)程自 動(dòng)化和焊接質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)化提供幫助。
權(quán)利要求
1.一種基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感器，其特征在于，包括安裝支 架、系統(tǒng)外殼、攝像機(jī)、減光濾光系統(tǒng)、光反射系統(tǒng)和送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中攝像機(jī)和減光濾 光系統(tǒng)在焊接過(guò)程中同軸設(shè)置于系統(tǒng)外殼內(nèi)壁并傳輸焊接過(guò)程焊縫圖像信息，減光濾光系 統(tǒng)在非焊接過(guò)程中通過(guò)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)焊接前的導(dǎo)引和標(biāo)定，光反射系統(tǒng)設(shè) 置于系統(tǒng)外殼內(nèi)壁并與減光濾光系統(tǒng)相連并獲取焊接圖像，安裝支架設(shè)置于機(jī)器人的第六 軸，送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定設(shè)置于焊槍上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感器，其特征 是，所述的安裝支架包括絕緣板支架、攝像機(jī)支架、減光濾光系統(tǒng)支架、光反射系統(tǒng)支架以 及送絲機(jī)構(gòu)支架，其中絕緣板支架通過(guò)安裝支架固定設(shè)置于機(jī)器人末端，攝像機(jī)支架和減 光濾光系統(tǒng)支架均固定設(shè)置于系統(tǒng)外殼的內(nèi)表面，送絲機(jī)構(gòu)支架固定設(shè)置于焊槍上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感器，其特征 是，所述的光反射系統(tǒng)支架由一級(jí)反射鏡支架和二級(jí)反射鏡支架組成，其中一級(jí)反射鏡支 架固定設(shè)置于系統(tǒng)外殼的內(nèi)表面，二級(jí)反射鏡支架固定設(shè)置于減光濾光系統(tǒng)上并與攝像機(jī) 的軸心成45°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感器，其特征 是，所述的系統(tǒng)外殼的內(nèi)表面設(shè)有螺紋孔和溝槽以固定安裝支架和攝像機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感 器，其特征是，所述的攝像機(jī)的通訊端口與計(jì)算機(jī)的端口連接，通訊方式為串口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感器，其特 征是，所述的減光濾光系統(tǒng)包括一個(gè)多層多道結(jié)構(gòu)和電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中多層多道結(jié)構(gòu) 安裝于電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的線性滑軌的滑塊上，微型大力矩直流電機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)電機(jī)傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)中的齒輪和齒條帶動(dòng)滑塊來(lái)回移動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感器，其特征 是，所述的多層多道結(jié)構(gòu)為四層結(jié)構(gòu)，從上而下依次為攝像機(jī)遮光層、抽屜式濾光片層、抽 屜式減光片層和下擴(kuò)展層，其中抽屜式濾光片層通過(guò)拉出距離來(lái)確定濾光范圍，實(shí)現(xiàn)同一 目鏡下不同的濾光效果；下擴(kuò)展層主要用于連接光反射系統(tǒng)和限定減光濾光系統(tǒng)在承載板 上的位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感器，其特征 是，所述的電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括微型大力矩直流電機(jī)、齒輪齒條、滑塊和線性滑軌，其中微 型大力矩直流電機(jī)與齒輪齒條相嚙合，滑塊活動(dòng)設(shè)置于線性滑軌上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感器，其特征 是，所述的滑塊上設(shè)有減光濾光片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感器，其特征 是，所述的送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括送絲可調(diào)支架、送絲機(jī)嘴和送絲電機(jī)，其中送絲可調(diào)支架 固定設(shè)置于焊槍上，送絲機(jī)嘴與送絲可調(diào)支架固定連接，送絲電機(jī)與焊接電源控制柜相連 接并通過(guò)主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)送絲速度的手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)。
全文摘要
一種機(jī)器人焊接技術(shù)領(lǐng)域的基于焊接機(jī)器人焊縫自主跟蹤的被動(dòng)視覺(jué)傳感器，包括安裝支架、系統(tǒng)外殼、攝像機(jī)、減光濾光系統(tǒng)、光反射系統(tǒng)和送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，攝像機(jī)和減光濾光系統(tǒng)在焊接過(guò)程中同軸設(shè)置于系統(tǒng)外殼內(nèi)壁并傳輸焊接過(guò)程焊縫圖像信息，減光濾光系統(tǒng)在非焊接過(guò)程中通過(guò)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)焊接前的導(dǎo)引和標(biāo)定，光反射系統(tǒng)設(shè)置于系統(tǒng)外殼內(nèi)壁并與減光濾光系統(tǒng)相連并獲取焊接圖像，安裝支架設(shè)置于機(jī)器人的第六軸，送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定設(shè)置于焊槍上。本發(fā)明可應(yīng)用于焊接中的信息獲取與識(shí)別、焊縫尋找與跟蹤以及熔透控制等方面。
文檔編號(hào)B23K9/127GK102126068SQ20111005326
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月5日
發(fā)明者衛(wèi)善春, 孔祥峰, 許燕玲, 陳善本, 馬宏波 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)