CN104625337A - 可调激光视觉传感结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调激光视觉传感结构，它包括CCD摄像机与激光器模块、传感器外壳、反射镜模块、弧光挡板模块；所述CCD摄像机与激光器模块固定在所述传感器外壳内；所述反射镜模块固定在所述传感器外壳内；所述弧光挡板模块固定在所述传感器外壳底部；所述传感器外壳内设置有传感器外壳循环水道。本发明与其它激光视觉传感器结构相比，在小型化、装配加工、散热***、激光可调节方面均具有较大优势，解决了激光视觉传感器的现有技术缺陷，促进了激光视觉焊缝跟踪技术在焊接领域的应用。

Description

可调激光视觉传感结构

技术领域

本发明涉及焊接设备技术领域，具体涉及一种可调激光视觉传感结构。

背景技术

随着我国金属制造业的蓬勃发展，对于焊接技术这样的关键金属加工方式的自动化要求越来越高，焊接自动化实现需要解决焊缝的自动跟踪问题。焊缝的自动跟踪技术能提供焊缝的实时位置信息，使焊炬的运动控制模块成为闭环的自适应焊接***，因此得到了国内外科研机构和公司企业的广泛关注，并不断的研发出新的传感器、新的跟踪技术。迄今为止，已经出现了基于电弧传感器跟踪、机械接触式跟踪、激光视觉跟踪等。

电弧传感跟踪只能检测出焊炬的高度变化，不能检测出水平横向移动，具有一定的局限性；机械跟踪能进行垂直与水平方向二维跟踪，但是必须采用具有一定硬度的金属探针，与被焊工件进行接触，并施加一定的压力，所检察出的焊缝偏移量精度较低，跟踪速度较慢，并且不适用于对接焊缝的工件以及薄板焊接。激光视觉传感跟踪技术克服了电弧传感与机械传感跟踪方式的缺点，具有信息量大、能进行垂直与水平二维跟踪、灵敏度和精度高、不与被焊工件接触、适合各种坡口形状等优点，已经成为目前最有发展前景的焊缝自动跟踪技术。

然而，由于焊接环境恶劣，工件在焊接过程中始终处于高温状态，导致安装与焊枪上，紧邻焊缝的上方的激光视觉传感器易受高温辐射，影响传感器内部CCD摄像机与激光器的正常工作，给焊缝的自动跟踪带来干扰。同时，由于传感器内部，各组件是紧密配合安装的，空间较小，在需要对激光条纹进行调整以校准或为了适应不同的安装高度及焊缝对中的情况下，难以进行方便的调节。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供解决传感器内部温升、激光调节的问题，设计了一种能最大程度降低传感器内部温升的结构，同时采用可调方向的激光反射镜实现激光条纹相对CCD视觉中心的调节。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种可调激光视觉传感结构，它包括CCD摄像机与激光器模块、传感器外壳、反射镜模块、弧光挡板模块；所述CCD摄像机与激光器模块固定在所述传感器外壳内；所述反射镜模块固定在所述传感器外壳内；所述弧光挡板模块固定在所述传感器外壳底部；所述传感器外壳内设置有传感器外壳循环水道。

更进一步的技术方案是CCD摄像机与激光器模块包括CCD摄像机、激光器以及配装夹具；所述CCD摄像机与所述激光器之间形成夹角结构；所述配装夹具上设置有一端开口的CCD摄像机抱夹和一端开口的激光器抱夹；所述CCD摄像机抱夹上设置有用于固定所述CCD摄像机的螺孔；所述激光器抱夹上设置有用于固定所述激光器的螺孔；所述配装夹具底部设置有用于将所述配装夹具固定在所述传感器外壳内的螺纹安装孔。

更进一步的技术方案是配装夹具是一体成型结构；所述配装夹具是铝材料制作而成。

更进一步的技术方案是传感器外壳是一体成型铝合金传感器外壳。

更进一步的技术方案是传感器外壳内部尺寸大于所述配装夹具尺寸，所述传感器外壳与所述配装夹具之间留有间隙；所述传感器外壳的顶板上设置有用于吹入外部空气的压缩空气接口。

更进一步的技术方案是传感器外壳底部设置有圆形开口与矩形开口。

更进一步的技术方案是传感器外壳循环水道包括：设置在所述传感器外壳内一侧面上的第一水道和第二水道，设置在所述传感器外壳内底部的第三水道和第四水道，设置在所述传感器外壳内与所述一侧面相对的另一侧面上的第五水道；所述第一水道与所述第三水道连通，所述第三水道与所述第五水道连通，所述第五水道与所述第四水道连通，所述第四水道与所述第二水道连通。

更进一步的技术方案是反射镜模块包括激光反射镜支架、激光反射镜；所述激光反射镜支架与所述激光反射镜之间设置有弹性部件，所述激光反射镜支架、弹性部件以及激光反射镜三者通过激光调节螺钉组连接。

更进一步的技术方案是激光调节螺钉组安装在所述传感器外壳侧面上。

更进一步的技术方案是弧光挡板模块包括弧光防护玻璃和金属挡板；所述金属挡板与所述弧光防护玻璃可拆卸式连接。

具体的说，本发明主要通过以下技术手段实现的，本发明的实施例采用了模块化设计，使装配调节更方便，循环水散热***集成于传感外壳内，不受装配影响，整个传感器主要由CCD摄像机与激光器模块、一体成型铝合金传感器外壳、反射镜模块、弧光挡板模块等构成，传感器配装具均由铝或其它金属机加工而成，既有利于***散热，也为传感器内部各组件提供了稳定的紧固安装载体。反射镜模块由弹簧及压紧螺钉组进行位置调节，使反射镜上下左右方向位置微小改变，达到调节激光条纹在焊缝处的不同成像位置的目的。

所述CCD摄像机与激光器模块由圆柱形CCD小型摄像机、圆柱形小型线性激光器、一体化铝配装夹具构成，铝材质配装夹具上以一定的夹角分别采用开孔方式，安装CCD与激光器，并直接在一端开口形成抱夹，采用螺纹分别对CCD、激光器进行紧固，构成CCD摄像机配装模块，此模块的底部设计有两个螺纹安装孔，利用螺钉将其紧固于传感器外壳内的底部。

所述传感器外壳由铝材质一体化成型，具有一定厚度，采用钻孔方式形成外壳侧面与底部的循环水通道，可以以极高的效率将焊接时受到的热辐射通过循环水***带走，同时外壳内部尺寸稍大于CCD安装模块，两者之间留有间隙，通过顶板上的压缩空气接口，吹入外部温度较低的空气，可以最大程度实现CCD模块与外壳之间的热隔离，并降低CCD与激光器本身工作时的温度，提高传感***的信号稳定性。压缩空气通过传感器外壳底部的开口或配装间隙流出，通过这种上入下出的方式吹走焊接时的烟尘，保护摄像视频质量与内部传感器组件免遭烟尘污染。传感器外壳底部有圆形开口与矩形开口，圆形开口利用CCD摄像机对焊缝成像；矩形开口能方便反射镜模块的安装，同时为激光条纹的提供了最佳输出路径。

所述传感器外壳循环水道通过在传感器外壳侧面、底部、另一侧面共5个深孔构成，相互连接相通，深孔底部端面采用钎焊或其它焊接方式堵孔，防止循环水渗漏，降低了循环水道的设计与加工难度。

所述反射镜模块由反射镜、金属支架、弹簧及压紧螺钉组构成。反射镜与金属支架之间有四个弹簧支撑，金属支架通过螺纹紧固安装于传感器外壳底部的矩形开口内，压紧螺钉组安装与传感器外壳侧面，通过压紧螺钉组对反射镜施加不同的压力，使反射镜上下左右方向位置微小改变，达到调节激光条纹与CCD视觉中心相对位置的调节，消除组件配装误差，同时也调节激光条纹在焊缝处的不同成像位置的目的。

所述压紧螺钉组以及传感器外壳上其它所有配装螺纹均与传感器外壳内部的循环水道错开，互不干涉。

所述弧光挡板模块由弧光防护玻璃与金属挡板组成，通过卡槽滑动安装于传感器底部，侧面可由螺纹固定，方便弧光防护玻璃这种焊接耗材的更换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明采用金属一体化成型材质，进行模块化安装，降低了小型化激光视觉传感器的安装难度。

(2)本发明中CCD模块与传感器外壳的安装方式，能最大化的实现两者之间的热隔离，并采用压缩空气进行内部CCD模块的散热，同时通过传感器底部开口与间隙吹走焊接烟尘，对激光视觉传感器进行保护。

(3)本发明中传感器外壳内部集成循环水道，能将传感器受焊接辐射产生的温升降低，传感器外壳采用一体化铝材质，能最大化的阻挡焊接辐射对内部CCD模块的影响，并提高整个传感器的配装稳定性。循环水道通过在传感器外壳侧面、底部、另一侧面共5个深孔构成，相互连接相通，深孔底部端面采用钎焊或其它焊接方式堵孔，防止循环水渗漏，降低了循环水道的设计与加工难度。

(4)本发明设计了反射镜模块，通过压紧螺钉能方便的调节激光条纹与CCD视觉中心的偏移，消除由于原件生产缺陷或装配误差造成激光偏离图像中心，影响视觉***跟踪效果。

综上，本发明与其它激光视觉传感器结构相比，在小型化、装配加工、散热***、激光可调节方面均具有较大优势，解决了激光视觉传感器的现有技术缺陷，促进了激光视觉焊缝跟踪技术在焊接领域的应用。

附图说明

图1为本发明一个实施例中CCD与线性激光器配装模块结构示意图。

图2为本发明一个实施例中激光反射镜模块放大结构示意图图。

图3为本发明一个实施例中激光位置调节示意图。

图4为本发明一个实施例中传感器外壳结构示意图。

图5为本发明一个实施例中循环水道结构示意图。

图6为本发明一个实施例中激光视觉传感器顶盖结构示意图。

图7为本发明一个实施例中弧光挡板模块结构示意图。

图8为本发明一个实施例中激光视觉传感器工作示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1－CCD与激光器配装铝材质载体，2－CCD圆柱形摄像机，3－圆柱形小型线性激光器，4－CCD抱夹紧固螺孔，5－激光器抱夹紧固螺孔，6－CCD-激光器模块装配螺孔，7－激光反射镜支架，8－激光反射镜，9－弹簧，10－激光调节螺钉，11－激光反射镜模块配装孔，12－激光条纹，13－激光与CCD视觉中心交点，14－滤光片，15－激光视觉传感器外壳，16－冷却循环水道，17－循环水道连接孔，18－激光调节螺孔，19－弧光挡板模块配装卡槽，20－弧光挡板模块固定螺孔，21－激光视觉传感器外壳底视图，22－CCD视觉矩形开孔，23－激光出射孔，24－激光反射镜模块配装螺孔，25－CCD-激光器模块装配孔，26－CCD-激光器模块，27－激光反射镜模块，28-弧光挡板模块，29-顶盖模块，30-激光视觉传感器总成，31-电缆接插件，32-压缩空气接头，33-铝材质盖板，34-传感器装配支撑，35-焊枪(焊炬)，36-焊缝或焊接位置，37-被焊工件，38-热辐射。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1至图8所示，本发明一个实施例可调激光视觉传感结构，本实施例中采用了模块化结构，如图1-7所示，主要装配载体均为铝或铝合金材质，便于加工成型，配装紧凑，并利用散热。

如图1所示，本实施例采用一块CCD与激光器配装铝材质载体1，通过钻孔、开口等加工手段，形成CCD圆柱形摄像机2与圆柱形小型线性激光器3配装孔，在配装孔一端设计出抱夹，分别采用CCD抱夹紧固螺孔4与激光器抱夹紧固螺孔5对CCD及激光器进行紧固，构成CCD-激光器模块26，在整个模块的底部加工出CCD-激光器模块装配螺孔6，用于与传感器外壳底部CCD-激光器模块装配孔25(在图4的激光视觉传感器外壳底视图21中可见)进行螺钉紧固配装。

如图2所示，激光反射镜8配装与激光反射镜支架7的侧面，两者之间的4个角分别有一支撑弹簧9，当旋进安装于传感器外壳上的4个激光调节螺钉10，可以调整反射镜的位姿，激光反射镜支架7通过激光反射镜模块配装孔11紧固安装在激光视觉传感器外壳15底部的激光反射镜模块配装螺孔24处，通过这样的刚性连接，反射镜模块、CCD-激光器模块、传感器外壳均实现相对位置的固定。

实现激光调节的原理如图3所示，激光条纹12经过激光反射镜8的反射，到达CCD视觉中心线，两者交汇于激光与CCD视觉中心交点13，优选的，CCD圆柱形摄像机上设置有滤过片14，达到更好的光信号传输效果。在大多数焊接应用中，这是理想的焊缝位置，此处成像质量最好，精度较高。然而，由于激光器本身产品缺陷或各组件加工与配装误差，激光条纹与CCD视觉中心会有偏移，因此，往往不能得到较好质量的视觉跟踪的基准图像，通过调整4个激光调节螺钉10来调节激光反射镜8的位姿，可以调节激光条纹12的垂直与水平反射角度，从而实现激光条纹在被焊工件上的激光与CCD视觉中心交点13在两个维度上的位置调整，消除激光条纹与CCD视觉中心线的偏移，得到理想的焊缝激光图像，提高视觉跟踪的可靠性。

激光视觉传感器外壳15由整块铝材制作而成，内部机加工掏空形成CCD-激光器模块与反射镜模块安装空间，如图4所示，激光视觉传感器外壳15上设置有弧光挡板模块固定螺孔20，用于固定弧光挡板模块。同时，激光视觉传感器外壳15上设置有四个激光调节螺孔18，用于固定激光调节螺钉10。CCD-激光器模块26与激光视觉传感器外壳15的四个侧面均留有共压缩空气流通的间隙，便于对CCD-激光器模块进行散热，同时防止焊接烟尘侵入传感器内部。激光视觉传感器外壳15的底部加工CCD-激光器模块装配孔25用于CCD-激光器模块26的紧固安装，激光反射镜模块配装螺孔24用于激光反射镜模块27的紧固安装。传感器外壳底部两侧分别开口，形成CCD视觉矩形开孔22及激光出射孔23。

如图8所示，焊接时，围绕被焊工件37的焊缝或焊接位置36，形成对传感器的热辐射38，大部分的热辐射作用与传感器外壳的底部与传感器和焊枪35紧邻的侧面，据此，设计的具有最大散热效率的冷却循环水道如图4中虚线所示，冷却循环水道16通过在传感器外壳侧壁钻深孔形成，靠近底部的位置，三个侧面各钻一个深孔，视觉传感器的配装侧面由两根水道，构成进出通道。侧面直接的深孔直接贯穿连接，降低了加工难度，循环水道连接孔17通过钎焊或螺钉堵口，保持内部水道无阻碍联通的同时，防止循环水外渗。铝质激光视觉传感器外壳15能最大化的防止焊接热辐射侵扰到内部CCD-激光器模块，同时由冷却循环水将热量迅速带走，实现激光视觉传感器的稳定工作。

视觉传感器铝材质盖板33由铝板制成，上装CCD、激光器供电及信号传输电缆接插件31，压缩空气接头32，构成顶盖模块29，如图6所示。

弧光挡板模块28，如图7所示，内部安装有防弧光与焊接飞溅玻璃，通过弧光挡板模块配装卡槽19滑动安装与传感器底端，方便拆卸，以利于对弧光玻璃的更换。

激光视觉传感器的最终工作原理如图8所示，前述各模块装配在传感器外壳上，构成激光视觉传感器总成30，激光视觉传感器总成30通过传感器外壳背侧面的螺孔与传感器装配支撑34固定，后者紧固在焊枪上，当对工件进行焊接时，激光视觉传感器总成30与焊枪35保持相同的运动路径，通过激光视觉传感器的图像测量计算，在焊接控制***的作用下，跟随焊缝运动，达到自动跟踪的目的。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种可调激光视觉传感结构，其特征在于：它包括CCD摄像机与激光器模块、传感器外壳、反射镜模块、弧光挡板模块；所述CCD摄像机与激光器模块固定在所述传感器外壳内；所述反射镜模块固定在所述传感器外壳内；所述弧光挡板模块固定在所述传感器外壳底部；所述传感器外壳内设置有传感器外壳循环水道。

2.根据权利要求1所述的可调激光视觉传感结构，其特征在于所述的CCD摄像机与激光器模块包括CCD摄像机、激光器以及配装夹具；所述CCD摄像机与所述激光器之间形成夹角结构；所述配装夹具上设置有一端开口的CCD摄像机抱夹和一端开口的激光器抱夹；所述CCD摄像机抱夹上设置有用于固定所述CCD摄像机的螺孔；所述激光器抱夹上设置有用于固定所述激光器的螺孔；所述配装夹具底部设置有用于将所述配装夹具固定在所述传感器外壳内的螺纹安装孔。

3.根据权利要求2所述的可调激光视觉传感结构，其特征在于所述的配装夹具是一体成型结构；所述配装夹具是铝材料制作而成。

4.根据权利要求1所述的可调激光视觉传感结构，其特征在于所述的传感器外壳是一体成型铝合金传感器外壳。

5.根据权利要求2或3所述的可调激光视觉传感结构，其特征在于所述的传感器外壳内部尺寸大于所述配装夹具尺寸，所述传感器外壳与所述配装夹具之间留有间隙；所述传感器外壳的顶板上设置有用于吹入外部空气的压缩空气接口。

6.根据权利要求1所述的可调激光视觉传感结构，其特征在于所述的传感器外壳底部设置有圆形开口与矩形开口。

7.根据权利要求1所述的可调激光视觉传感结构，其特征在于所述的传感器外壳循环水道包括：设置在所述传感器外壳内一侧面上的第一水道和第二水道，设置在所述传感器外壳内底部的第三水道和第四水道，设置在所述传感器外壳内与所述一侧面相对的另一侧面上的第五水道；所述第一水道与所述第三水道连通，所述第三水道与所述第五水道连通，所述第五水道与所述第四水道连通，所述第四水道与所述第二水道连通。

8.根据权利要求1所述的可调激光视觉传感结构，其特征在于所述的反射镜模块包括激光反射镜支架、激光反射镜；所述激光反射镜支架与所述激光反射镜之间设置有弹性部件，所述激光反射镜支架、弹性部件以及激光反射镜三者通过激光调节螺钉组连接。

9.根据权利要求8所述的可调激光视觉传感结构，其特征在于所述的激光调节螺钉组安装在所述传感器外壳侧面上。

10.根据权利要求1所述的可调激光视觉传感结构，其特征在于所述的弧光挡板模块包括弧光防护玻璃和金属挡板；所述金属挡板与所述弧光防护玻璃可拆卸式连接。