基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統的製作方法
2023-11-11 19:29:22 3
基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統，密封盒體前端蓋與壓緊蓋配合，後端蓋開有一個螺紋孔，與底座配合，在密封盒體外部一側開有螺紋孔；擋弧板安裝固定在焊炬和傳感器之間，電纜外接密封接頭與密封盒體連接，支撐結構設計為「T」型板，橫板緊固在密封盒體後端蓋上，CCD、舵機分別安裝固定在立板兩面，雷射器安裝在舵機上。本發明中，傳感器密封良好，結構輕便。「T」型板的設計使內部結構緊湊，各器件拆裝方便。電纜外接密封接頭使密封的薄弱環節密封良好。擋弧板的設計使圖像採集效果顯著增強。舵機的安裝使雷射器的調節實現自動化，調節方便準確。
【專利說明】基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於焊縫跟蹤【技術領域】，尤其涉及一種基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統。
【背景技術】
[0002]隨著海洋石油的開發利用和潛水技術的發展，海底輸油輸氣管線以及海洋工程結構日益增多。水下焊接技術應用日益廣泛。目前，我國的水下焊接技術基本上還停留在手工焊接的水平，長期以來，都是潛水員潛入水底進行水下焊接。由於人的生理極限的限制，人類利用普通混合氣體潛水最大深度為100m。人工焊接方式的缺點是受到潛水深度的限制，對人員素質和安全問題要求特別高。
[0003]近年來，基於特定用途的機器人得到迅猛發展，水下焊接機器人被認為是未來水下焊接自動化的發展方向。水下焊接機器人可以使潛水焊工不必在危險的水域進行焊接，減少或去除手工焊接所需的生命維持系統及安全保障系統，極大地提高工作效率，滿足人們深水焊接的需要。因此，焊接設備由手工向水下焊接自動化的方向發展已成為必然的趨勢。水下焊縫信息識別及焊縫跟蹤智能控制技術是實現水下焊接自動化的關鍵。焊縫跟蹤系統因為傳感器的不同分為電弧傳感器、接觸傳感器、超聲波傳感器、視覺傳感器，其中視覺傳感器具有信息量大、靈敏度高、測量精度高、響應快、抗電磁場幹擾能力強、適合於各種坡口形狀等優點，得到了廣泛的應用。
[0004]將視覺傳感器應用於水下焊接機器人進行焊縫跟蹤，會出現各種各樣陸地焊接所未遇到的問題，其中包括可見度差，水對光的吸收、反射和折射等影響，使得光在水中傳播時減弱得很快。另外，焊接時電弧周圍產生氣泡和煙霧，使水下電弧的可見度非常低。在淤泥的海底和夾帶泥沙的海域中進行水下焊接，水中可見度會更差。因此需要設計專用的水下焊接焊縫跟蹤視覺傳感器，以適應水下焊接的要求。經檢索發現，江西省機器人與焊接自動化重點實驗室的學者在《焊接生產應用》上發表的水下焊接機器人視覺傳感器設計一文中，介紹了水下焊接機器人視覺傳感系統的組成，但其在殼體的密封、雷射調節的自動化及內部器件布局等方面還存在很大改進的餘地。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統，旨在實現深水防漏，最大限度地排除弧光、氣泡、泥沙幹擾，採集清晰圖像，處理圖像，獲取有效跟蹤信息，保證焊接質量。
[0006]本發明是這樣實現的，一種基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統包括:密封盒、擋弧板、電纜外接密封接頭、支撐結構、面陣CCD、雷射器、舵機、供電控制和外部接口的電路。此系統安裝固定在焊炬所在機械臂上。
[0007]所述的密封盒前端蓋為凸臺狀鋼化玻璃，與壓緊蓋配合，採用密封墊密封，後端蓋和密封盒採用密封墊密封，並開有一個螺紋孔，與安裝電纜密封接頭的底座配合，採用「O」型圈密封，在盒體外部一側開有方便安裝固定的螺紋孔；所述的擋弧板通過固定片和螺絲安裝固定在焊炬和傳感器之間；所述的電纜外接密封接頭與密封盒通過螺紋和「O」型圈密封連接，遠端通過旋進壓緊螺母縱向擠壓電纜，使其發生橫向變形，進而密封電纜出口，密封腔內有一顆航空插頭；所述的支撐結構設計為「T」型板，橫板通過螺絲緊固在密封盒後端蓋上，CCD、舵機分別通過螺紋連接安裝固定在立板兩面；所述的雷射器安裝在舵機上；所述的傳感器的電源線與信號線通過電纜密封接頭內部的航空插頭與外部連接，其中插座安裝在電纜密封接頭的底座上。
[0008]進一步，所述的密封盒具有水下密封和實現電源與信號與外部導通的功能；密封盒的材料必須為耐腐蝕，高強度材料，可以是鋁合金、不鏽鋼、陶瓷、鋼化玻璃或以上材料的組合。
[0009]進一步，擋弧板的材料必須為耐腐蝕，耐高溫材料，可以是橡膠、碳纖維、塑料或者以上材料的組合；用於遮擋焊接時產生的弧光、飛濺、氣泡，避免幹擾圖像採集；清掃焊縫上的泥沙，保證焊縫質量；使傳感器免受高溫飛濺的損壞。
[0010]進一步，所述的電纜密封接頭用於實現密封盒和電纜的密封連接，它必須為耐腐蝕，高強度材料，可以是鋁合金、不鏽鋼或以上材料的組合。
[0011]進一步，所述的支撐結構必須為輕質絕緣材料，可以是電木、塑料或者以上材料的組合，該設計結構緊湊，便於拆裝，且避免在密封盒內部大量打孔，提高了密封性能。
[0012]進一步，所述的面陣CCD必須滿足能在水中複雜環境下採集圖像，滿足條件的各種CCD均可，為了有效過濾焊接時的弧光，該傳感器採用複合濾光，CCD鏡頭前方安裝有與雷射等波長的濾光片，與所採用的雷射器結構光波長相符。
[0013]進一步，所述的基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統採用定長一字型雷射器提供主動光源，功率在200mw及以上均可，可安裝在舵機上，由舵機調節雷射器角度；水對光的吸收較大，若雷射功率過小則導致圖像採集困難；雷射器體積儘可能小，方便安裝固定和角度調節。
[0014]進一步，所述的舵機採用較小體積舵機，實現雷射中點與焊縫對準的自動調節。
[0015]進一步，所述的供電控制和外部接口的電路用於電源的供應和信號的傳輸，傳感器的電源線與信號線通過電纜密封接頭內部的九芯航空插頭與外部連接，其中九芯插座安裝在電纜密封接頭的底座上。
[0016]本發明中，傳感器密封良好，結構輕便。「T」型板的設計使，內部結構緊湊，各器件拆裝方便。電纜外接密封接頭則使密封的薄弱環節密封良好。擋弧板的設計使圖像採集效果顯著增強，對焊縫的清掃更是提高了焊接的質量。舵機的安裝使雷射器的調節實現自動化，調節方便準確。該傳感器適用於基於主動視覺的水下溼法焊接焊縫跟蹤。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統傳感器裝配示意圖；
[0018]圖2是與密封盒體後端蓋相連的電纜密封接頭組成示意圖；
[0019]圖3是基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統工作流程圖；
[0020]圖4是基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統跟蹤折線，斜線等形狀焊縫的流程圖；[0021]圖中:1、密封盒；2、擋弧板固定片；3、擋弧板；4、緊壓蓋；5、螺絲；6、後端蓋；7、舵機；8、雷射器；9、支撐結構；10、面陣CXD ;11、鋼化玻璃；12、壓緊螺母；13、密封橡膠圈；14、電纜密封接頭殼體；15、九芯航空插座；16、九芯航空插頭；17、電纜密封接頭螺紋；18、防水電纜
【具體實施方式】
[0022]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0023]本發明是這樣實現的，一種基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統包括:密封盒體1、擋弧板2、電纜外接密封接頭14、支撐結構9、面陣CCD10、雷射器8、舵機7、供電控制和外部接口的電路18。
[0024]如圖1所示的是基於主動視覺的水下溼法焊接傳感器。I為密封盒體，材料為鋁合金。2為擋弧板固定片，材料為鋁合金，用於實現擋弧板3和密封盒體I連接。3為擋弧板，材質為氟橡膠。4為緊壓凸臺玻璃的緊壓蓋，通過螺絲5與密封墊實現與密封盒體I的緊密連接。6為後端蓋，後開有一個螺紋孔，實現和電纜密封接頭的連接。8為定長一字型紅外雷射器，波長662nm。支撐結構9為「T」型支撐板，材料為電木。10為面陣CCD，前加有662nm的濾光片。
[0025]如圖2所示的是與傳感器後端蓋相連的電纜密封接頭。該接頭為自主加工設計。12為壓緊螺母。13為密封橡膠圈，壓緊螺母12通過旋緊，壓緊電纜和密封橡膠圈13，使達到緊密連接。14為電纜密封接頭的殼體。15為九芯航空插座。16為九芯航空插頭。17為電纜密封接頭螺紋部分，它和後端蓋6、電纜密封接頭殼體14均通過壓緊「O」型圈實現緊壓。
[0026]傳感器的安裝順序從右到左的如下:
[0027]將密封墊、凸臺狀鋼化玻璃、密封墊、壓緊蓋4依次放入前端蓋的凹槽內，通過8顆螺絲5將壓緊蓋4壓緊鋼化玻璃實現密封連接。
[0028]將擋弧板3通過螺絲5安裝在密封盒體I上。
[0029]面陣CXDlO通過螺絲5安裝固定在「T」型板一側。雷射器安裝在舵機上，舵機固定在「 T 」型板上。
[0030]航空插頭的插座固定在電纜外接密封接頭底座上。支撐結構9 「 T 」型板通過螺絲5固定在後端蓋6上。舵機的電源線、信號線，雷射器8的電源線、面陣CCDlO的電線、信號線，與九芯航空插頭16相連。
[0031]後端蓋6通過螺絲5安裝在密封盒體I上，用密封墊實現密封。將九芯航空插頭16插在九芯航空插座15上。接著，將電纜外接密封接頭腔體旋緊在底座上，用「O」型圈實現密封。
[0032]旋緊壓緊螺母12縱向擠壓「O」型密封墊圈，在壓緊螺母12的壓力下，與電纜緊密接觸，實現密封。
[0033]進一步，所述的密封盒體I具有水下密封和實現電源與信號與外部導通的功能；密封盒體I的材料必須為耐腐蝕，高強度材料，可以是鋁合金、不鏽鋼、陶瓷、鋼化玻璃或以上材料的組合。
[0034]進一步，所述的擋弧板2的材料必須為耐腐蝕，耐高溫材料，可以是橡膠、碳纖維、塑料或者以上材料的組合；用於遮擋焊接時產生的弧光、飛濺、氣泡，避免幹擾圖像採集；清掃焊縫上的泥沙，保證焊縫質量；使傳感器免受高溫飛濺的損壞。
[0035]進一步，所述的電纜密封接頭用於實現密封盒和電纜的密封連接，它必須為耐腐蝕，高強度材料，可以是鋁合金、不鏽鋼或以上材料的組合。
[0036]進一步，所述的支撐結構9必須為輕質絕緣材料，可以是電木、塑料或者以上材料的組合，該設計結構緊湊，便於拆裝，且避免在密封盒內部大量打孔，提高了密封性能。
[0037]進一步，所述的面陣CXDlO必須滿足能在水中複雜環境下採集圖像，滿足條件的各種CCD均可，為了有效過濾焊接時的弧光，該傳感器採用複合濾光，CCD鏡頭前方安裝有與雷射等波長的濾光片，與所採用的雷射器結構光波長相符。
[0038]進一步，所述的基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統採用定長一字型雷射器提供主動光源，功率在200mw及以上均可，可安裝在舵機上，由舵機調節雷射器角度；水對光的吸收較大，若雷射功率過小則導致圖像採集困難；雷射器體積儘可能小，方便安裝固定和角度調節。
[0039]進一步，所述的舵機採用較小體積舵機，實現雷射中點與焊縫對準的自動調節。
[0040]進一步，所述的供電控制和外部接口的電路用於電源的供應和信號的傳輸，傳感器的電源線與信號線通過電纜密封接頭內部的九芯航空插頭16與外部連接，其中九芯插座15安裝在電纜密封接頭的底座上。
[0041]將組裝好的傳感器安裝在機械臂上或其他伺服機構上。
[0042]如圖4所示，為基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統工作流程圖。其中的圖像處理，轉彎處理等均包含在所編寫的軟體內。
[0043]焊槍對準焊縫。通過VC++編寫的實驗控制平臺調節焊接參數。然後，開啟圖像採集模塊，經過圖像處理，計算雷射中點與焊縫的偏移量，舵機執行偏移量，實現雷射中點自動對中焊縫。
[0044]開始焊接過程。實時採集、處理圖像，計算出當前焊槍位置，焊縫位置，從而得出偏移量。偏移量傳回焊接控制上位機，上位機根據偏移量控制伺服電機運動跟蹤焊縫。在沒有遇到轉彎時，一直進行斜線或直線焊接，不用進行特殊處理。當遇到轉彎時，執行轉彎處理。
[0045]焊接完成。
[0046]上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性的勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統，其特徵在於，所述的基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統包括:密封盒體、擋弧板、電纜外接密封接頭、支撐結構、面陣CCD、雷射器、舵機、供電控制和外部接口的電路。此系統安裝固定在焊炬所在機械臂上； 所述的密封盒體前端蓋為凸臺狀鋼化玻璃，與壓緊蓋配合，採用密封墊密封，後端蓋和密封盒採用密封墊密封，並開有一個螺紋孔，與安裝電纜密封接頭的底座配合，採用「O」型圈密封，在密封盒體外部一側開有方便安裝固定的螺紋孔；所述的擋弧板通過固定片和螺絲安裝固定在焊炬和傳感器之間；所述的電纜外接密封接頭與密封盒通過螺紋和「O」型圈密封連接，遠端通過旋進壓緊螺母縱向擠壓電纜，使其發生橫向變形，進而密封電纜出口，密封腔內有一顆航空插頭；所述的支撐結構設計為「T」型板，橫板通過螺絲緊固在密封盒後端蓋上，CCD、舵機分別通過螺紋連接安裝固定在立板兩面；所述的雷射器安裝在舵機上；所述的傳感器的電源線與信號線通過電纜密封接頭內部的航空插頭與外部連接，其中插座安裝在電纜密封接頭的底座上。
2.如權利要求1所述的基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統，其特徵在於，所述的密封盒體具有水下密封和實現電源與信號與外部導通的功能；密封盒的材料必須為耐腐蝕，高強度材料，可以是鋁合金、不鏽鋼、陶瓷、鋼化玻璃或以上材料的組合。
3.如權利要求1所述的基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統，其特徵在於，所述的擋弧板的材料必須為耐腐蝕，耐高溫材料，可以是橡膠、碳纖維、塑料或者以上材料的組合；用於遮擋焊接時產生的弧光、飛濺、氣泡，避免幹擾圖像採集；清掃焊縫上的泥沙，保證焊縫質量；使傳感器免受高溫飛濺的損壞。
4.如權利要求1所述的基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統，其特徵在於，所述的電纜密封接頭用於實現密封盒和電纜的密封連接，它必須為耐腐蝕，高強度材料，可以是鋁合金、不鏽鋼或以上材料的組合。
5.如權利要求1所述的基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統，其特徵在於，所述的支撐結構必須為輕質絕緣材料，可以是電木、塑料或者以上材料的組合，該設計結構緊湊，便於拆裝，且避免在密封盒內部大量打孔，提高了密封性能。
6.如權利要求1所述的基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統，其特徵在於，所述的面陣CCD必須滿足能在水中複雜環境下採集圖像，滿足條件的各種CCD均可，為了有效過濾焊接時的弧光，該傳感器採用複合濾光，CCD鏡頭前方安裝有與雷射等波長的濾光片，與所採用的雷射器結構光波長相符。
7.如權利要求1所述的基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統，其特徵在於，所述的基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統採用定長一字型雷射器提供主動光源，功率在200mw及以上均可，可安裝在舵機上，由舵機調節雷射器角度；水對光的吸收較大，若雷射功率過小則導致圖像採集困難；雷射器體積儘可能小，方便安裝固定和角度調節。
8.如權利要求1所述的基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統，其特徵在於，所述的舵機採用較小體積舵機，實現雷射中點與焊縫對準的自動調節。
9.如權利要求1所述的基於主動視覺的水下溼法焊接跟蹤系統，其特徵在於，所述的供電控制和外部接口的電路用於電源的供應和信號的傳輸，傳感器的電源線與信號線通過電纜密封接頭內部的九芯航空插頭與外部連接，其中九芯插座安裝在電纜密封接頭的底座上。
【文檔編號】B23K37/00GK103586565SQ201310534177
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月4日 優先權日:2013年11月4日
【發明者】陳波, 李準, 姜可可 申請人:哈爾濱工業大學（威海）