CN111195759A - 基于cmos的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于CMOS的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器，包括：安装支架、***外壳、摄像机、激光器和减光滤光***，其中：摄像机和减光滤光***在焊接过程中同轴设置于***外壳内壁并传输焊接过程焊缝图像，摄像机和激光器以20°的夹角设置于***外壳的内部，安装支架设置于焊枪上；本发明具有结构简单，多自由度，体积小，整体成型，价格便宜等特点，能满足常见的狭窄空间的焊缝类型例如角焊缝和T型焊缝的焊接需求。通过回型气道冷却***，提高了视觉传感器的使用寿命和使用范围，从而满足实际工业应用中长时间自动化焊接的操作需求并确保监控效果。本发明可应用于焊接中的信息获取与识别、焊缝跟踪与控制等方面。

Description

基于CMOS的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器

技术领域

本发明涉及的是一种机器人焊接领域的技术，具体是一种基于CMOS的适用于狭窄空间的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器，可应用于机器人焊接自动化中的焊缝识别、初始焊位导引、焊接过程实时焊缝跟踪以及基于点云的焊缝三维重建等，尤其是体积远小于目前进口具有类似功能的视觉传感器，可用于常见狭窄空间的角焊缝和T型焊缝的实时跟踪等。

背景技术

智能化焊接生产技术中，机器人焊接的智能化可以提高焊接生产效率与产品质量、降低劳动力负担，是实现智能化焊接生产不可或缺的一环。然而目前制造业中使用的绝大部分工业机器人基于示教-再现操作，当与示教轨迹不一致的偏差出现时，机器人不能跟踪焊缝进行焊接操作，这导致了示教型焊接机器人面对工件形状偏差的不确定性下难以进行理想的焊接操作。其根本原因在于传统的工业机器人不具备对外部信息的感知能力，对于焊接条件的变化无法测量，也无法实时根据误差调整运动。使用视觉传感器采集外部信息并进行处理，可以提高机器人在焊接任务中的适应调整能力。

视觉传感器可以采集得到丰富的焊接过程信息，根据是否使用辅助光源划分为主动视觉传感与被动视觉传感。主动视觉使用外部辅助光源辅助成像，而被动视觉主要是利用焊接过程中电弧所产生的电弧光作为图像光源。基于主动视觉的传感器是机器人焊缝跟踪***的主流研究方向，使用特定的激光器作为外部光源，相比于被动视觉直接使用焊接电弧光作为图像采集的光源，主动视觉传感器不受焊接过程本身的影响，具有图像质量稳定、焊缝特征明显、适应性强、易于处理等特点，在焊缝跟踪领域具有越来越广泛的应用。

经过现有技术的文献检索发现，中国专利申请号：CN200410052857.4名为“焊接机器人单目视觉传感器”的专利提供了另一种视觉传感器，该种传感器包括微型CCD摄像机，减光滤光***，电机驱动***及安装支架。其中微型CCD主要负责对焊接场景及被焊工件以及焊接熔池图像的采集，通过对熔池图像的处理可以进行焊接过程中的焊缝跟踪及焊接熔透控制。但是该传感器由于电机驱动***和移除减光滤光***使得传感器体积过大，不利于小角度焊缝的焊接；该传感器全部材料均为金属且不利于散热冷却，无法长时间工作；加上工业CCD摄像机价格比较昂贵，生产成本较高，不利于批量化生产，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，提出一种基于CMOS的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器，具有结构简单，多自由度，体积小，整体成型，价格便宜等特点，能满足常见的狭窄空间的焊缝类型例如角焊缝和T型焊缝的焊接需求。该传感器尺寸较小，其中摄像头仅有大拇指般大小，使得安装以及检测时的空间灵活性大大增加。除此之外，传感器增加了回型气道冷却***，提高了视觉传感器的使用寿命和使用范围，从而满足实际工业应用中长时间自动化焊接的操作需求并确保监控效果。本发明可应用于焊接中的信息获取与识别、焊缝跟踪与控制等方面。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：安装支架、***外壳、摄像机、激光器和减光滤光***，其中：摄像机和减光滤光***在焊接过程中同轴设置于***外壳内壁并传输焊接过程焊缝图像，摄像机和激光器以20°的夹角设置于***外壳的内部，安装支架设置于焊枪上。

所述的安装支架包括：焊枪左夹具、焊枪右夹具、连接夹具、调位夹具、左夹块、夹块主体、右夹块以及燕尾槽，其中：焊枪左夹具和焊枪右夹具一端于连接夹具三者之间相互配合，另一端于焊枪相互配合，将传感器整体设置于焊枪上，连接夹具和调位夹具转动连接以调整传感器和焊枪之间的位置，作为连接传感器和焊枪夹具的桥梁的夹块主体一侧与传感器外壳外壁通过燕尾槽相连，另一侧与调位夹具相连，左夹块和右夹块与夹块主体相互配合，起到固定的作用，安装支架将传感器设置于焊枪上。

所述的***外壳为3D打印的加工方式整体成型，采用高强度高韧性的耐温尼龙作为3D打印材料，其内壁底部设有呈20°斜角的斜坡，所述的激光器和摄像机依次设置于斜坡上以便于提取激光条纹的特征信息。

所述的减光滤光***支架以抽屉的形式所呈现，减光滤光片放于滑动抽屉中，本实例采用的滤光片是中心波长为660nm，带宽20nm，透过率大于90％，截止深度为OD4的窄带滤光片，该抽屉设计便于实验过程中调试和更换减光滤光片。

技术效果

与现有技术相比，本发明模块化结构可以有效地区分各功能，使其相互独立，利于安装与维护，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，“因虚致宜”，实现传感器的柔性化功能。

本发明的柔性，实用，简便，易扩展等特点有效的解决了焊接过程中同一传感器无法连续完成诸如初始焊位导引、焊缝跟踪等多项焊接工作的问题，同时视觉传感器的紧凑化结构设计使得焊接机器人在工作时具有了更大的操作范围和灵活性，一方面有效地提高产品质量和优质性，另一方面简便了工作过程同时降低了成本，最终在一定程度上提高了焊接的自动化程度，其紧凑化和实用化设计必然代表了未来传感器的一个热门方向。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2a和图2b为***外壳示意图；

图3a、图3b和图3c为***外壳内壁示意图；

图4为焊枪左(右)夹具示意图；

图5为摄像机夹具示意图；

图中：安装支架1、***外壳2、摄像机3、激光器4、减光滤光***5、保护玻璃6、摄像机夹具7、回型气道8、激光器夹具9、左夹块10、右夹块11、焊枪左夹具12、焊枪右夹具13、连接夹具14、调位夹具15、夹块主体16、燕尾槽17。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种基于CMOS的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器，包含：安装支架1、***外壳2、摄像机3、激光器4和减光滤光***5，其中：摄像机3和减光滤光***5在焊接过程中同轴设置于***外壳2内壁并传输焊接过程焊缝图像，摄像机3和激光器4以20°的夹角设置于***外壳2的内部，安装支架1设置于焊枪上。

如图4所示，所述的安装支架1包括：焊枪左夹具12、焊枪右夹具13、连接夹具14、调位夹具15、左夹块10、夹块主体16、右夹块11以及燕尾槽17，其中：焊枪左夹具12和焊枪右夹具13一端于连接夹具14三者之间相互配合，另一端于焊枪相互配合，将传感器整体设置于焊枪上，连接夹具14和调位夹具15转动连接以调整传感器和焊枪之间的位置，作为连接传感器和焊枪夹具的桥梁的夹块主体16一侧与传感器外壳2外壁通过燕尾槽相连，另一侧与调位夹具15相连，左夹块10和右夹块11与夹块主体16相互配合，起到固定的作用，安装支架1将传感器设置于焊枪上。

如图2a～图2b和图3a～图3c所示，所述的***外壳2内壁设有回型气道8，该回型气道8起始于主体顶部气道入口、终止于气道入口平行位置的气道出口，该气道位于主体左、右、后三个内壁8a、8b、8c，在内壁表面下挖深度1.5mm，宽度5mm，长度尽量密布三个面的凹槽形成回型气道，通过该回型气道8形成的空冷***，提高了视觉传感器的使用寿命和使用范围，从而满足实际工业应用中长时间自动化焊接的操作需求并确保监控效果。

所述的***外壳2内壁底部设有呈20°斜角的斜坡，所述的激光器4和摄像机3依次设置于斜坡上以便于提取激光条纹的特征信息。

如图1和图5所示，所述的激光器4通过激光器夹具9固定链接，摄像机3通过面板螺纹孔与摄像机夹具7固定连接，进而再将激光器夹具9与摄像机夹具7相互配合。

如图5所示，所述的摄像机夹具7为L字形结构，能够保证摄像机与激光器呈20°夹角以及二者中心位于同一平面上，该摄像机夹具7的设计使得激光器和摄像机在传感器外部预安装以确定相对位置后再整体装配至***外壳2内部，简化了装配流程并易于维修。

所述的减光滤光***5为滑动抽屉结构且减光滤光片可依次置于该抽屉中，当元件损坏时拉开抽屉更换即可，安装方便，便于维护。

所述的减光滤光***外侧设有保护玻璃6为透明树脂制成，能够防止焊接时的各种飞溅，在不影响摄像机采像的前提下保护摄像机和激光滤光***免受破坏，增加元件的使用寿命。

本装置从减小体积的角度考虑选用了特别的内部元器件，相比较目前利用主动视觉传感方式商品化最成功的加拿大的Servo-robot公司POWER-CAM/G Camera series系列，在针对激光焊缝跟踪这一实际应用场合，性能差别不大，但是体积不足其一半，成本也显著下降。

本装置具有模块化的结构，安装，拆卸，更换，维护均非常方便；具有柔性、实用、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。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种基于CMOS的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器，其特征在于，包括：安装支架、***外壳、摄像机、激光器和减光滤光***，其中：摄像机和减光滤光***在焊接过程中同轴设置于***外壳内壁并传输焊接过程焊缝图像，摄像机和激光器以20°的夹角设置于***外壳的内部，安装支架设置于焊枪上；

所述的安装支架包括：焊枪左夹具、焊枪右夹具、连接夹具、调位夹具、左夹块、夹块主体、右夹块以及燕尾槽，其中：焊枪左夹具和焊枪右夹具一端于连接夹具三者之间相互配合，另一端于焊枪相互配合，将传感器整体设置于焊枪上，连接夹具和调位夹具转动连接以调整传感器和焊枪之间的位置，作为连接传感器和焊枪夹具的桥梁的夹块主体一侧与传感器外壳外壁通过燕尾槽相连，另一侧与调位夹具相连，左夹块和右夹块与夹块主体相互配合，起到固定的作用，安装支架将传感器设置于焊枪上；

所述的***外壳内壁底部设有呈20°斜角的斜坡，所述的激光器和摄像机依次设置于斜坡上以便于提取激光条纹的特征信息。

2.根据权利要求1所述的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器，其特征是，所述的***外壳为3D打印的加工方式整体成型，采用耐温尼龙作为3D打印材料，其内壁设有回型气道，形成空冷***。

3.根据权利要求2所述的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器，其特征是，所述的回型气道起始于主体顶部气道入口、终止于气道入口平行位置的气道出口，该气道位于主体左、右、后三个内壁，在内壁表面下挖深度1.5mm，宽度5mm。

4.根据权利要求1所述的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器，其特征是，所述的激光器通过激光器夹具固定链接，摄像机通过面板螺纹孔与摄像机夹具固定连接，进而再将激光器夹具与摄像机夹具相互配合。

5.根据权利要求4所述的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器，其特征是，所述的摄像机夹具为L字形结构，能够保证摄像机与激光器呈20°夹角以及二者中心位于同一平面上，该摄像机夹具的设计使得激光器和摄像机在传感器外部预安装以确定相对位置后再整体装配至***外壳内部，简化了装配流程并易于维修。

6.根据权利要求1所述的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器，其特征是，所述的减光滤光***为滑动抽屉结构且减光滤光片可依次置于该抽屉中，当元件损坏时拉开抽屉更换即可，安装方便，便于维护。

7.根据权利要求1或6所述的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器，其特征是，所述的减光滤光***外侧设有保护玻璃，该保护玻璃为透明树脂制成，能够防止焊接时的各种飞溅，在不影响摄像机采像的前提下保护摄像机和激光滤光***免受破坏，增加元件的使用寿命。

8.根据权利要求6所述的紧凑型机器人焊缝跟踪激光视觉传感器，其特征是，所述的减光滤光片的中心波长为660nm，带宽20nm，透过率大于90％，截止深度为OD4的窄带滤光片。

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