適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器裝置的製作方法
2023-06-14 11:21:46 1
本發明涉及機器人智能焊接技術領域，特別是一種適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器裝置。
背景技術：
機器人焊接自動化是焊接技術發展的一個趨勢。隨著生產的發展，對產品的焊接質量要求越來越高，同時又需要改善工人的勞動強度，目前，國內外大量應用的焊接機器人總的來說是第一代或準二代的「示教-再現」型機器人。這種類型的機器人對於焊接環境的一致性要求異常嚴格，其焊接路徑和相關工藝參數都是需要預先設置的。但是在實際的焊接中常常因為存在變形、變散熱、變間隙、變錯邊、工件加工誤差和裝配誤差等因素造成焊縫位置和尺寸的變化，導致焊縫和示教軌跡有偏差，由於「示教-再現」型機器人對示教軌跡偏差沒有適應性，不具備焊縫實時跟蹤控制功能，從而最終影響焊縫成形的質量，難以滿足企業對焊接製造高質量、高效率的要求，因此限制了它在很多領域的應用。為了克服焊接過程中這些不確定性因素對焊接件質量的影響，迫切需要設計一款焊縫識別與跟蹤傳感器，採用焊縫跟蹤技術提高現行焊接機器人的適應性和智能化水平，實現機器人焊接過程的智能化控制。
國內有一部分人針對焊縫識別與跟蹤傳感器進行了研究並取得了一定的成果，但絕大多數仍處於實驗室階段，沒有實際用於焊接現場，其主要存在問題總結如下：其設計的傳感器體積大，重量沉，置於焊槍前端時影響機器人運動範圍並增大機器人負載；無吹屑及散熱設計，難以長時間工作在焊接高溫及惡劣環境中；圖像採集及處理算法簡單，無法適應多種類型坡口及反光材質。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器裝置，在機器人焊接行業中提升智能化程度，並提高生產效率及焊接質量。
實現本發明目的的技術解決方案為：一種適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器裝置，包括夾持機構、外殼吹屑及散熱機構、光學器件及固定支架、減光濾光機構、防護器件及機構，其中，所述夾持機構包括握槍裝置、角度調節裝置、滑塊；所述外殼吹屑及散熱機構包括帶有吹屑氣路槽及散熱氣路槽的外殼機構、散熱進氣接頭、吹屑進氣接頭、散熱出氣接頭、航空插頭；所述光學器件及固定支架包括線雷射器、可調節該線雷射器角度的鎖緊機構、工業CCD相機的固定支架、工業CCD相機、鏡頭；所述減光濾光機構包括減光濾光片的放置機構、鏡頭防護玻璃、減光片固定圈、減光片、濾光片固定圈、濾光片；所述防護器件及機構包括線雷射器的防護玻璃、用於更換防護玻璃板的滑臺機構、能夠透光又能擋住外界灰塵的有機防護玻璃板、能夠遮擋焊接時飛濺及弧光的擋板。
進一步地，所述夾持機構中，握槍裝置由兩個半圓形夾持塊通過螺絲連接而成，該兩個半圓形夾持塊內部均設有絕緣防滑膠皮；所述握槍裝置與角度調節裝置採用一端螺絲固定、另一端螺絲在弧形滑槽固定的方式連接，以調節傳感器安裝角度；夾持機構角度調節裝置與滑塊通過燕尾槽固定的方式進行連接，以調節傳感器上下安裝位置。
進一步地，所述外殼吹屑及散熱機構中，帶有吹屑氣路槽及散熱氣路槽的外殼機構分別與散熱進氣接頭、吹屑進氣接頭、散熱出氣接頭螺紋連接，且外殼機構與航空插頭螺絲連接；在高溫焊接環境中，一路壓縮氣體通過吹屑進氣接頭進入外殼機構，經過吹屑氣路槽由外殼機構底部流出，吹走焊接過程中產生的飛濺，使工業CCD相機採集的圖像不受飛濺幹擾；另一路壓縮氣體通過散熱進氣接頭進入外殼機構，經過散熱氣路槽由散熱出氣接頭流出，將焊接過程中產生的熱量帶走。
進一步地，所述夾持機構通過滑塊與帶有吹屑氣路槽及散熱氣路槽的外殼機構通過螺絲連接在一起。
進一步地，所述光學器件及固定支架中，工業CCD相機的固定支架、可調節線雷射器角度的鎖緊機構通過螺絲固定在外殼機構上，工業CCD相機通過螺絲安裝於固定支架上，工業CCD相機與鏡頭配套連接，線雷射器通過鎖緊螺絲固定於鎖緊機構，線雷射器在鎖緊機構中能夠進行角度調整。
進一步地，所述鏡頭防護玻璃、減光片固定圈、減光片、濾光片固定圈、濾光片順次設置於放置機構中，放置機構通過螺絲固定於外殼機構的底部。
進一步地，所述有機防護玻璃板置於滑臺機構中，滑臺機構通過外殼機構底部的滑槽滑入，擋板通過螺絲固定在滑臺機構上。
一種適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器裝置的工作方法，步驟如下：
步驟1，根據焊接要求進行工業CCD相機及鏡頭、線雷射器、減光片及濾光片的選型；
步驟2，對裝置中各機構零件進行布局及安裝，工業CCD相機垂直安裝，線雷射器傾斜安裝；
步驟3，採用工業CCD相機進行圖像採集，對採集到的圖像進行處理，獲取焊縫特徵與信息。
進一步地，步驟1所述根據焊接要求進行工業CCD相機及鏡頭、線雷射器、減光片及濾光片的選型，具體如下：
(1.1)根據焊接精度及性能要求，選擇相應體積、質量的工業CCD相機及鏡頭、線雷射器、減光片及濾光片；
(1.2)根據焊接精度以及圖像處理速度，選擇解析度在200萬至500萬像素的黑白工業CCD相機及配套的鏡頭；
(1.3)選擇波長為600～680nm，雷射等級為IIIb的線雷射器；
(1.4)根據(1.3)所選擇線雷射器的波長參數確定濾光片的參數，選擇中心波長與線雷射器波長相同的濾光片；
(1.5)根據距離焊接弧光遠近，不觀察熔池時選擇減光率為40～60％的濾光片，需觀察熔池時選擇減光率為70～90％的濾光片。
進一步地，步驟2所述對裝置中各機構零件進行布局及安裝，工業CCD相機垂直安裝，線雷射器傾斜安裝，具體如下：
(2.1)工業CCD相機的固定支架通過螺絲垂直固定在外殼機構上，調節線雷射器角度的鎖緊機構通過螺絲固定在外殼機構上，鎖緊機構與工業CCD相機的光軸傾斜14°傾角，且鎖緊機構中心軸線與工業CCD相機的光軸在同一平面內，工業CCD相機通過螺絲安裝於固定支架上，工業CCD相機與鏡頭配套連接；線雷射器通過鎖緊螺絲固定於鎖緊機構，線雷射器能夠在鎖緊機構中進行角度調整；
(2.2)鏡頭防護玻璃、減光片固定圈、減光片、濾光片固定圈、濾光片按照順序依次放入放置機構中，放置機構通過螺絲固定在外殼機構底部；
(2.3)能夠透光又能擋住外界灰塵的有機防護玻璃板置於滑臺機構中，滑臺機構通過外殼機構底部的滑槽滑入，擋板通過螺絲固定在滑臺機構上。
本發明與現有技術相比，其顯著優點在於：(1)體積小、重量輕、抗弧光飛濺；(2)外殼機構有吹屑及散熱設計，對於焊接高溫及惡劣環境適應性更好；(3)圖像採集及處理算法功能豐富，且可移植性強、支持二次開發。
下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
附圖說明
圖1是本發明適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器裝置結構圖。
圖2是本發明適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器裝置結構爆炸圖。
圖3是本發明適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器裝置吹屑示意圖。
圖4是本發明適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器裝置氣路槽布局及吹屑散熱氣體流向圖。
圖5是本發明適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器裝置工作方法的圖像採集及處理算法流程圖。
圖6是本發明實施例1中圖像採集及處理算法實驗效果圖。
圖7是本發明實施例1中清晰雷射條紋中心線及提取特徵點實驗效果圖。
圖2中標號：1為握槍裝置，2為角度調節裝置，3為滑塊，4為外殼機構，5為散熱進氣接頭，6為吹屑進氣接頭，7為散熱出氣接頭，8為航空插頭，9為線雷射器，10為鎖緊機構，11為固定支架，12為工業CCD相機，13為鏡頭，14為防護玻璃，15為滑臺機構，16為有機防護玻璃板，17為擋板，18為放置機構，19為鏡頭防護玻璃，20為減光片固定圈，21為減光片，22為濾光片固定圈，23為濾光片。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
結合圖1～2，本發明適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器裝置，包括夾持機構、外殼吹屑及散熱機構、光學器件及固定支架、減光濾光機構、防護器件及機構。其中，夾持機構包括夾持機構握槍裝置1、夾持機構角度調節裝置2、夾持機構滑塊3；外殼吹屑及散熱機構包括帶有吹屑氣路槽及散熱氣路槽的外殼機構4、散熱進氣接頭5、吹屑進氣接頭6、散熱出氣接頭7、航空插頭8；光學器件及固定支架包括線雷射器9、可調節線雷射器角度的鎖緊機構10、工業CCD相機固定支架11、工業CCD相機12、鏡頭13；減光濾光機構包括減光濾光片放置機構18、鏡頭防護玻璃19、減光片固定圈20、減光片21、濾光片固定圈22、濾光片23；防護器件及機構包括線雷射器防護玻璃14、便於更換防護玻璃板的滑臺機構15、能夠透光又能擋住外界灰塵的有機防護玻璃板16、能夠遮擋焊接時飛濺及弧光的擋板17。
所述夾持機構中，夾持機構握槍裝置1由左右兩個半圓形夾持塊通過螺絲連接而成，便於安裝於焊槍上，左右半圓形夾持塊內都設有絕緣防滑膠皮，可以將傳感器與焊槍隔開，避免焊接時的高電壓、電流破壞傳感器內部器件。夾持機構握槍裝置1與夾持機構角度調節裝置2採用一端螺絲固定、另一端螺絲在弧形滑槽固定的方式連接，可以調節傳感器安裝角度。夾持機構角度調節裝置2與夾持機構滑塊3通過燕尾槽固定的方式進行連接，可以調節傳感器上下安裝位置。
所述外殼吹屑及散熱機構中，帶有吹屑氣路槽及散熱氣路槽的外殼機構4分別與散熱進氣接頭5、吹屑進氣接頭6、散熱出氣接頭7螺紋連接，且外殼機構4與航空插頭8螺絲連接。在高溫焊接環境中，一路壓縮氣體通過吹屑進氣接頭6進入外殼機構4，經過吹屑氣路槽由外殼機構4底部流出，吹走焊接過程中產生的飛濺，確保工業CCD相機12採集的圖像不受飛濺幹擾；另一路壓縮氣體通過散熱進氣接頭5進入外殼機構4，經過散熱氣路槽由散熱出氣接頭7流出，將焊接過程中產生的熱量帶走，使溫度保持在一個合理的範圍內，確保器件正常工作。其吹屑示意圖見圖3，其氣路槽布局及吹屑散熱氣體流向圖見圖4。
所述夾持機構通過夾持機構滑塊3與帶有吹屑氣路槽及散熱氣路槽的外殼機構4螺絲連接在一起。
所述光學器件及固定支架中，工業CCD相機固定支架11、可調節線雷射器角度的鎖緊機構10通過螺絲固定在外殼機構4上，工業CCD相機12通過螺絲安裝於工業CCD相機固定支架11上，工業CCD相機12與鏡頭13配套連接。線雷射器9通過鎖緊螺絲固定於鎖緊機構10，線雷射器9在鎖緊機構10中可以在一定的範圍內進行角度調整。
所述鏡頭防護玻璃19、減光片固定圈20、減光片21、濾光片固定圈22、濾光片23按照順序依次放入減光濾光片放置機構18中，減光濾光片放置機構18通過螺絲固定在外殼機構4底部上。
能夠透光又能擋住外界灰塵的有機防護玻璃板16放入便於更換防護玻璃板的滑臺機構15中，滑臺機構15通過外殼機構4底部的滑槽滑入，擋板17通過螺絲固定在滑臺機構15上，可以在焊接過程中遮擋飛濺及弧光，確保工業CCD相機12採集到清晰的雷射條紋圖像。
本發明適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器裝置的工作方法，具體步驟如下：
步驟1，根據焊接要求進行工業CCD相機12及鏡頭13、線雷射器9、減光片21及濾光片23的選型；具體為：
(1.1)在滿足焊接精度及性能要求下選擇體積小、質量輕的工業CCD相機12及鏡頭13、線雷射器9、減光片21及濾光片23；
(1.2)根據焊接精度，考慮質量體積、圖像處理速度等因素，選擇一款解析度在200萬至500萬像素的黑白工業CCD相機12及與之配套的鏡頭13。
(1.3)根據焊接過程中產生的弧光輻射光譜在600nm以上波長的強度相對較低這一理論，考慮雷射強度及對人眼傷害等因素，選擇波長為600～680nm，雷射等級為IIIb的線雷射器9。
(1.4)根據(1.3)所選擇線雷射器9的波長參數確定濾光片的參數，選擇中心波長與線雷射器9波長相同的濾光片23。
(1.5)根據距離焊接弧光遠近，在一般情況(不觀察熔池)下選擇減光率為40～60％的濾光片，如需觀察熔池，選擇減光率為70～90％的濾光片。
步驟2，對裝置中各機構零件進行布局及安裝，工業CCD相機12垂直安裝，線雷射器9傾斜安裝，具體為；
(2.1)工業CCD相機固定支架11通過螺絲垂直固定在外殼機構4上，可調節線雷射器角度的鎖緊機構10通過螺絲固定在外殼機構4上，與工業CCD相機12的光軸傾斜14°傾角，且其中心軸線與工業CCD相機12的光軸在同一平面內，工業CCD相機12通過螺絲安裝於工業CCD相機固定支架11上，工業CCD相機12與鏡頭13配套連接。線雷射器9通過鎖緊螺絲固定於鎖緊機構10，線雷射器9在鎖緊機構10中可以在一定的範圍內進行角度調整。
(2.2)鏡頭防護玻璃19，減光片固定圈20，減光片21，濾光片固定圈22，濾光片23按照順序依次放入減光濾光片放置機構18中，減光濾光片放置機構18通過螺絲固定在外殼機構4底部上。
(2.3)能夠透光又能擋住外界灰塵的有機防護玻璃板16放入便於更換防護玻璃板的滑臺機構15中，滑臺機構15通過外殼機構4底部的滑槽滑入，擋板17通過螺絲固定在滑臺機構15上，可以在焊接過程中遮擋飛濺及弧光，確保工業CCD相機12採集到清晰的雷射條紋圖像。
步驟3，採用工業CCD相機12進行圖像採集，對採集到的圖像進行處理，獲取焊縫特徵與信息，具體為：
採用ROI區域提取、中值濾波、膨脹處理、腐蝕處理、二值化處理、水平投影法、中心線提取、特徵點提取等圖像採集及處理算法，見圖5，得到清晰的雷射條紋中心線並提取出特徵點，從而獲取焊縫特徵與信息。
實施例1
在待焊接區域放置對接焊縫的鋼板，利用本適用於高熱焊接環境的焊縫識別與跟蹤傳感器的設計方法完成焊縫的識別，其具體步驟如下：
步驟1，根據焊接要求進行工業CCD相機及鏡頭、線雷射器、減光片及濾光片的選型，具體為：
(1.1)在滿足焊接精度及性能要求下選擇體積小、質量輕的工業CCD相機及鏡頭、線雷射器、減光片及濾光片；
(1.2)根據焊接精度，考慮質量體積、圖像處理速度等因素，選擇大恆公司的解析度為200萬像素的型號為MER-200-14GM/GC黑白工業CCD相機及型號為M0814-MP2的鏡頭。
(1.3)根據焊接過程中產生的弧光輻射光譜在600nm以上波長的強度相對較低這一理論，考慮雷射強度及對人眼傷害等因素，選擇波長為650nm，雷射功率為200mW的線雷射器。
(1.4)根據(1.3)所選擇線雷射器的波長參數確定濾光片的參數，選擇中心波長為650nm的濾光片。
(1.5)根據距離焊接弧光遠近，選擇減光率為50％的濾光片。
步驟2，裝置各機構零件的合理布局及安裝，工業CCD相機垂直安裝，線雷射器傾斜安裝，具體為；
(2.1)工業CCD相機固定支架11通過螺絲垂直固定在外殼機構4上，可調節線雷射器角度的鎖緊機構10通過螺絲固定在外殼機構4上，與工業CCD相機12的光軸傾斜14°傾角，且其中心軸線與工業CCD相機12的光軸在同一平面內，工業CCD相機12通過螺絲安裝於工業CCD相機固定支架11上，工業CCD相機12與鏡頭13配套連接。線雷射器9通過鎖緊螺絲固定於鎖緊機構10，線雷射器9在鎖緊機構10中可以在一定的範圍內進行角度調整。
(2.2)鏡頭防護玻璃19，減光片固定圈20，減光片21，濾光片固定圈22，濾光片23按照順序依次放入減光濾光片放置機構18中，減光濾光片放置機構18通過螺絲固定在外殼機構4底部上。
(2.3)能夠透光又能擋住外界灰塵的有機防護玻璃板16放入便於更換防護玻璃板的滑臺機構15中，滑臺機構15通過外殼機構4底部的滑槽滑入，擋板17通過螺絲固定在滑臺機構15上，可以在焊接過程中遮擋飛濺及弧光，確保工業CCD相機12採集到清晰的雷射條紋圖像。
步驟3，裝置圖像採集及處理，獲取焊縫特徵與信息，具體為：
(3.1)採用ROI區域提取、中值濾波、膨脹處理、腐蝕處理、二值化處理、水平投影法、中心線提取、特徵點提取等圖像採集及處理算法，見圖5，得到清晰的雷射條紋中心線並提取出特徵點，見圖6～7，從而獲取焊縫特徵與信息。