CN213888826U - 一种旋转点激光视觉传感器装置及焊接机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种旋转点激光视觉传感器装置及焊接机器人，包括外壳、伺服电机，以及安装于外壳中的行星齿轮系、点激光发生器和图像传感器；所述外壳用于安装在机器人焊枪的前端，所述行星齿轮系包括与伺服电机传动相连的中心齿轮，以及与中心齿轮啮合传动的行星齿轮，所述点激光发生器安装在行星齿轮上，所述图像传感器安装外壳上，所述行星齿轮系运行时，可带动点激光发生器绕图像传感器旋转。通过行星齿轮系带动点激光传感器围绕图像传感器旋转，可实时采集施焊点前端不远处激光点的X、Z坐标，以便于焊接机器人能够实时且准确地检测出焊缝位置的偏差信息，从而能够及时地调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。

Description

一种旋转点激光视觉传感器装置及焊接机器人

技术领域

本实用新型涉及焊接自动化设备技术领域，尤其涉及一种旋转点激光视觉传感器装置及焊接机器人。

背景技术

在现代焊接工业中，不论是示教再现型机器人还是离线编程再现型机器人，焊接作业时，由于强烈的弧光辐射、烟尘、飞溅、高温、加工误差、夹具夹持精度、表面清理不干净等影响会使焊炬偏离焊缝，从而导致焊缝焊接的质量下降甚至是失效。因此，焊接条件的这种变化要求弧焊机器人能够实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。在焊缝自动跟踪***中，传感器有着至关重要的作用，它决定着整个***对焊缝的跟踪精度，当前焊接自动化多采用线激光位移传感器，但线激光位移传感器实时性差、体型大，造价高昂，不适于工程实际推广应用。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够实时且准确地检测出焊缝偏差的旋转点激光视觉传感器装置，还相应提供一种具有该旋转点激光视觉传感器装置的焊接机器人。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种旋转点激光视觉传感器装置，包括外壳、伺服电机，以及安装于外壳中的行星齿轮系、点激光发生器和图像传感器；所述外壳用于安装在机器人焊枪的前端，所述行星齿轮系包括与伺服电机传动相连的中心齿轮，以及与中心齿轮啮合传动的行星齿轮，所述点激光发生器安装在行星齿轮上，所述图像传感器安装外壳上，所述行星齿轮系运行时，可带动点激光发生器绕图像传感器旋转。

由此，通过将点激光视觉传感器通过外壳的螺纹孔安装在机器人焊枪前端，工作时，伺服电机驱动中心齿轮旋转，从而带动与行星齿轮连接的点激光传感器围绕图像传感器旋转，可实时采集施焊点前端不远处激光点的X、Z坐标，以便于焊接机器人能够实时且准确地检测出焊缝位置的偏差信息，从而能够及时地调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述图像传感器位于中心齿轮的正下方。

所述图像传感器通过传感器外壳的凹槽卡设于中心齿轮的正下方。

所述行星齿轮系还包括与中心齿轮同轴布置的行星架，所述行星齿轮与行星架的内齿啮合传动。

所述点激光发生器通过衔接螺杆固定在其中一个行星齿轮上。

所述图像传感器为电荷耦合图像传感器。

作为一个总的发明构思，本实用新型还提供一种焊接机器人，包括焊枪，还包括上述的旋转点激光视觉传感器装置，所述旋转点激光视觉传感器装置通过外壳可拆卸安装于焊枪的前端。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型的旋转点激光视觉传感器装置，通过行星齿轮系带动点激光传感器围绕图像传感器旋转，可实时采集施焊点前端不远处激光点的X、Z坐标，以便于焊接机器人能够实时且准确地检测出焊缝位置的偏差信息，从而能够及时地调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的旋转点激光视觉传感器装置的主视结构示意图。

图2为本实用新型的旋转点激光视觉传感器装置的俯视结构示意图。

图3为第i个周期旋转激光扫描示意图。

图4为焊炬高度测量原理。

图5为本实用新型的旋转点激光视觉传感器的原理结构框图。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例的旋转点激光视觉传感器装置，包括外壳2、伺服电机1，以及安装于外壳2中的行星齿轮系、点激光发生器4和CCD(电荷耦合)图像传感器5。

行星齿轮7系包括与伺服电机1通过滑键传动相连的中心齿轮6、与中心齿轮6啮合传动的多个行星齿轮7，以及与多个行星齿轮7均啮合传动的行星架8，行星架8与中心齿轮6同轴布置。

点激光发生器4通过衔接螺杆3固定在其中行星齿轮7上，图像传感器5通过传感器外壳2的凹槽卡设于中心齿轮6的正下方。由此，行星齿轮系运行时，可带动点激光发生器4绕图像传感器5旋转。

焊接过程中，安装在焊枪前端的点激光视觉传感器实时采集施焊点前端不远处激光点的X、Z坐标，工控机将焊接采样点数据进行等时预处理，结合动态增益积分法，实时识别焊缝坡口形貌尺寸变化，结合激光三角测量模型公式可得到在焊炬轴线方向上的高度偏移量，工控机传输偏差信号到机器人控制箱，控制焊枪在轴线方向上的位移；通过上述识别过程，可实现在V形焊缝焊接过程中实时地传递焊缝坡口信息，以达到高精度的焊缝坡口表面形貌识别和纠偏。

上述旋转点激光视觉传感***，用于清晰识别焊缝坡口形貌尺寸大小变化偏移量，该装置包括数据接收处理器和数据运算处理器，其具体实施方式在于：数据接收处理器接收来自于旋转点激光视觉传感器采集的数据，从工作时刻开始按照T/8个时间单位的间隔接收X、Z坐标值，T为点激光发生器旋转装置旋转周期，即从旋转装置的旋转起始点开始将一个扫描周期T中的电流数据分为8个子周期T_ij(i为第i个旋转周期，j＝1，2，3，4，5，6，7，8)，如图3从旋转起点开始将各区记录为T_i1，T_i2，T_i3，T_i4，T_i5，T_i6，T_i7，T_i8；以焊炬中心为坐标原点，沿着焊接方向为x轴，垂直于焊接方向为z轴；可以看出当焊缝坡口形貌尺寸发生变化时，z方向上(T_i1、T_i8)和(T_i4、T_i5)两段处的x值前后时刻相差反映最大，即可通过比较第i周期和第i-1周期B₁₈、B₄₅的差值，可得到左侧坡口和右侧坡口的形貌尺寸变化量；为使得堆焊过程中焊炬高度的自适应调节，保证不碰枪和断弧，也需要实时调节焊炬高度；基于上述判断，接收来自于旋转点激光视觉传感器检测的采样点数据后，数据运算处理器计算

T_i1,T_i2,T_i3,T_i4,T_i5,T_i6,T_i7,T_i8区间的X值积分，记为A_ij，则

则

令B₁₈、B₂₃、B₄₅、B₆₇依次代表上述四式，则可得到焊接过程中表征坡口左右两侧尺寸变化量的X值偏差：

坡口左侧变化量ΔD_l＝B_i18-B_(i-1)18

坡口右侧变化量ΔD_r＝B_i45-B_(i-1)45

经过上述旋转点激光视觉传感器的运算处理，可得到焊接过程中坡口形貌尺寸变化量，引入旋转点激光视觉传感器器线性动态增益系数k(t)，则有：

式中ΔL为坡口左侧变化尺寸，ΔR为坡口右侧变化尺寸。

由上述公式即可得到坡口左右两侧尺寸变化量：

旋转点激光视觉传感器摄像头光轴与激光束平行，激光束的中心落点就是摄像头采集的图像上最亮的点。激光束照射在摄像头视野中的焊缝边缘，摄像头就能捕捉到这个激光点，进行图像处理后就能在这帧图像中找到激光束产生的最亮点，同时可以计算Y轴方向上激光落点到图像中心像素的个数。被测焊缝平面离摄像机越远，这个落点就和图像中心越近。计算方法如图4所示：

等式中H、S均为常量，H是摄像头到工作台的垂直距离，S是摄像头和激光器的水平距离，可以直接测量获得。a可以通过α＝Num×Rop+Offset计算。

其中：Num是落点到图像中心的像素个数、Rop是每个像素的弧度值、Offset是弧度误差，合并以上等式可以得到焊炬高度h：

Num可以从图像处理中获得，Rop和Offset通过的多次实验计算获得。

实时案例1、复杂轨迹焊缝焊接。

将上述焊道坡口识别方法应用于复杂轨迹焊缝焊接能起到极好的焊缝实时识别跟踪效果，如图4，当前的工业生产与制造中的复杂轨迹焊缝各个焊接段的形貌会发生变化，将各个堆焊段坡口等效为v型坡口，则各焊接点尺寸不同，如图5所示的工作流程，可以运用本实用新型所述的旋转点激光视觉传感器获取实时特征点坐标数据，经过其中的工控机处理，引入动态增益系数，通过线性动态增益积分法即可在焊接过程中实时获取焊缝变化量。

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (7)

1.一种旋转点激光视觉传感器装置，其特征在于，包括外壳（2）、伺服电机（1），以及安装于外壳（2）中的行星齿轮系、点激光发生器（4）和图像传感器（5）；所述外壳（2）用于安装在机器人焊枪的前端，所述行星齿轮系包括与伺服电机（1）传动相连的中心齿轮（6），以及与中心齿轮（6）啮合传动的行星齿轮（7），所述点激光发生器（4）安装在行星齿轮（7）上，所述图像传感器（5）安装外壳（2）上，所述行星齿轮系运行时，可带动点激光发生器（4）绕图像传感器（5）旋转。

2.根据权利要求1所述的旋转点激光视觉传感器装置，其特征在于，所述图像传感器（5）位于中心齿轮（6）的正下方。

3.根据权利要求2所述的旋转点激光视觉传感器装置，其特征在于，所述图像传感器（5）通过传感器外壳（2）的凹槽卡设于中心齿轮（6）的正下方。

4.根据权利要求1-3任一项所述的旋转点激光视觉传感器装置，其特征在于，所述行星齿轮系还包括与中心齿轮（6）同轴布置的行星架（8），所述行星齿轮（7）与行星架（8）的内齿啮合传动。

5.根据权利要求1-3任一项所述的旋转点激光视觉传感器装置，其特征在于， 所述点激光发生器（4）通过衔接螺杆（3）固定在其中一个行星齿轮（7）上。

6.根据权利要求1-3任一项所述的旋转点激光视觉传感器装置，其特征在于，所述图像传感器（5）为电荷耦合图像传感器。

7.一种焊接机器人，包括焊枪，其特征在于，还包括如权利要求1-6任一项所述的旋转点激光视觉传感器装置，所述旋转点激光视觉传感器装置通过外壳（2）可拆卸安装于焊枪的前端。

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