适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器装置的制作方法

本发明涉及机器人智能焊接技术领域，特别是一种适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器装置。

背景技术：

机器人焊接自动化是焊接技术发展的一个趋势。随着生产的发展，对产品的焊接质量要求越来越高，同时又需要改善工人的劳动强度，目前，国内外大量应用的焊接机器人总的来说是第一代或准二代的“示教-再现”型机器人。这种类型的机器人对于焊接环境的一致性要求异常严格，其焊接路径和相关工艺参数都是需要预先设置的。但是在实际的焊接中常常因为存在变形、变散热、变间隙、变错边、工件加工误差和装配误差等因素造成焊缝位置和尺寸的变化，导致焊缝和示教轨迹有偏差，由于“示教-再现”型机器人对示教轨迹偏差没有适应性，不具备焊缝实时跟踪控制功能，从而最终影响焊缝成形的质量，难以满足企业对焊接制造高质量、高效率的要求，因此限制了它在很多领域的应用。为了克服焊接过程中这些不确定性因素对焊接件质量的影响，迫切需要设计一款焊缝识别与跟踪传感器，采用焊缝跟踪技术提高现行焊接机器人的适应性和智能化水平，实现机器人焊接过程的智能化控制。

国内有一部分人针对焊缝识别与跟踪传感器进行了研究并取得了一定的成果，但绝大多数仍处于实验室阶段，没有实际用于焊接现场，其主要存在问题总结如下：其设计的传感器体积大，重量沉，置于焊枪前端时影响机器人运动范围并增大机器人负载；无吹屑及散热设计，难以长时间工作在焊接高温及恶劣环境中；图像采集及处理算法简单，无法适应多种类型坡口及反光材质。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器装置，在机器人焊接行业中提升智能化程度，并提高生产效率及焊接质量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器装置，包括夹持机构、外壳吹屑及散热机构、光学器件及固定支架、减光滤光机构、防护器件及机构，其中，所述夹持机构包括握枪装置、角度调节装置、滑块；所述外壳吹屑及散热机构包括带有吹屑气路槽及散热气路槽的外壳机构、散热进气接头、吹屑进气接头、散热出气接头、航空插头；所述光学器件及固定支架包括线激光器、可调节该线激光器角度的锁紧机构、工业CCD相机的固定支架、工业CCD相机、镜头；所述减光滤光机构包括减光滤光片的放置机构、镜头防护玻璃、减光片固定圈、减光片、滤光片固定圈、滤光片；所述防护器件及机构包括线激光器的防护玻璃、用于更换防护玻璃板的滑台机构、能够透光又能挡住外界灰尘的有机防护玻璃板、能够遮挡焊接时飞溅及弧光的挡板。

进一步地，所述夹持机构中，握枪装置由两个半圆形夹持块通过螺丝连接而成，该两个半圆形夹持块内部均设有绝缘防滑胶皮；所述握枪装置与角度调节装置采用一端螺丝固定、另一端螺丝在弧形滑槽固定的方式连接，以调节传感器安装角度；夹持机构角度调节装置与滑块通过燕尾槽固定的方式进行连接，以调节传感器上下安装位置。

进一步地，所述外壳吹屑及散热机构中，带有吹屑气路槽及散热气路槽的外壳机构分别与散热进气接头、吹屑进气接头、散热出气接头螺纹连接，且外壳机构与航空插头螺丝连接；在高温焊接环境中，一路压缩气体通过吹屑进气接头进入外壳机构，经过吹屑气路槽由外壳机构底部流出，吹走焊接过程中产生的飞溅，使工业CCD相机采集的图像不受飞溅干扰；另一路压缩气体通过散热进气接头进入外壳机构，经过散热气路槽由散热出气接头流出，将焊接过程中产生的热量带走。

进一步地，所述夹持机构通过滑块与带有吹屑气路槽及散热气路槽的外壳机构通过螺丝连接在一起。

进一步地，所述光学器件及固定支架中，工业CCD相机的固定支架、可调节线激光器角度的锁紧机构通过螺丝固定在外壳机构上，工业CCD相机通过螺丝安装于固定支架上，工业CCD相机与镜头配套连接，线激光器通过锁紧螺丝固定于锁紧机构，线激光器在锁紧机构中能够进行角度调整。

进一步地，所述镜头防护玻璃、减光片固定圈、减光片、滤光片固定圈、滤光片顺次设置于放置机构中，放置机构通过螺丝固定于外壳机构的底部。

进一步地，所述有机防护玻璃板置于滑台机构中，滑台机构通过外壳机构底部的滑槽滑入，挡板通过螺丝固定在滑台机构上。

一种适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器装置的工作方法，步骤如下：

步骤1，根据焊接要求进行工业CCD相机及镜头、线激光器、减光片及滤光片的选型；

步骤2，对装置中各机构零件进行布局及安装，工业CCD相机垂直安装，线激光器倾斜安装；

步骤3，采用工业CCD相机进行图像采集，对采集到的图像进行处理，获取焊缝特征与信息。

进一步地，步骤1所述根据焊接要求进行工业CCD相机及镜头、线激光器、减光片及滤光片的选型，具体如下：

(1.1)根据焊接精度及性能要求，选择相应体积、质量的工业CCD相机及镜头、线激光器、减光片及滤光片；

(1.2)根据焊接精度以及图像处理速度，选择分辨率在200万至500万像素的黑白工业CCD相机及配套的镜头；

(1.3)选择波长为600～680nm，激光等级为IIIb的线激光器；

(1.4)根据(1.3)所选择线激光器的波长参数确定滤光片的参数，选择中心波长与线激光器波长相同的滤光片；

(1.5)根据距离焊接弧光远近，不观察熔池时选择减光率为40～60％的滤光片，需观察熔池时选择减光率为70～90％的滤光片。

进一步地，步骤2所述对装置中各机构零件进行布局及安装，工业CCD相机垂直安装，线激光器倾斜安装，具体如下：

(2.1)工业CCD相机的固定支架通过螺丝垂直固定在外壳机构上，调节线激光器角度的锁紧机构通过螺丝固定在外壳机构上，锁紧机构与工业CCD相机的光轴倾斜14°倾角，且锁紧机构中心轴线与工业CCD相机的光轴在同一平面内，工业CCD相机通过螺丝安装于固定支架上，工业CCD相机与镜头配套连接；线激光器通过锁紧螺丝固定于锁紧机构，线激光器能够在锁紧机构中进行角度调整；

(2.2)镜头防护玻璃、减光片固定圈、减光片、滤光片固定圈、滤光片按照顺序依次放入放置机构中，放置机构通过螺丝固定在外壳机构底部；

(2.3)能够透光又能挡住外界灰尘的有机防护玻璃板置于滑台机构中，滑台机构通过外壳机构底部的滑槽滑入，挡板通过螺丝固定在滑台机构上。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)体积小、重量轻、抗弧光飞溅；(2)外壳机构有吹屑及散热设计，对于焊接高温及恶劣环境适应性更好；(3)图像采集及处理算法功能丰富，且可移植性强、支持二次开发。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器装置结构图。

图2是本发明适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器装置结构爆炸图。

图3是本发明适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器装置吹屑示意图。

图4是本发明适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器装置气路槽布局及吹屑散热气体流向图。

图5是本发明适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器装置工作方法的图像采集及处理算法流程图。

图6是本发明实施例1中图像采集及处理算法实验效果图。

图7是本发明实施例1中清晰激光条纹中心线及提取特征点实验效果图。

图2中标号：1为握枪装置，2为角度调节装置，3为滑块，4为外壳机构，5为散热进气接头，6为吹屑进气接头，7为散热出气接头，8为航空插头，9为线激光器，10为锁紧机构，11为固定支架，12为工业CCD相机，13为镜头，14为防护玻璃，15为滑台机构，16为有机防护玻璃板，17为挡板，18为放置机构，19为镜头防护玻璃，20为减光片固定圈，21为减光片，22为滤光片固定圈，23为滤光片。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1～2，本发明适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器装置，包括夹持机构、外壳吹屑及散热机构、光学器件及固定支架、减光滤光机构、防护器件及机构。其中，夹持机构包括夹持机构握枪装置1、夹持机构角度调节装置2、夹持机构滑块3；外壳吹屑及散热机构包括带有吹屑气路槽及散热气路槽的外壳机构4、散热进气接头5、吹屑进气接头6、散热出气接头7、航空插头8；光学器件及固定支架包括线激光器9、可调节线激光器角度的锁紧机构10、工业CCD相机固定支架11、工业CCD相机12、镜头13；减光滤光机构包括减光滤光片放置机构18、镜头防护玻璃19、减光片固定圈20、减光片21、滤光片固定圈22、滤光片23；防护器件及机构包括线激光器防护玻璃14、便于更换防护玻璃板的滑台机构15、能够透光又能挡住外界灰尘的有机防护玻璃板16、能够遮挡焊接时飞溅及弧光的挡板17。

所述夹持机构中，夹持机构握枪装置1由左右两个半圆形夹持块通过螺丝连接而成，便于安装于焊枪上，左右半圆形夹持块内都设有绝缘防滑胶皮，可以将传感器与焊枪隔开，避免焊接时的高电压、电流破坏传感器内部器件。夹持机构握枪装置1与夹持机构角度调节装置2采用一端螺丝固定、另一端螺丝在弧形滑槽固定的方式连接，可以调节传感器安装角度。夹持机构角度调节装置2与夹持机构滑块3通过燕尾槽固定的方式进行连接，可以调节传感器上下安装位置。

所述外壳吹屑及散热机构中，带有吹屑气路槽及散热气路槽的外壳机构4分别与散热进气接头5、吹屑进气接头6、散热出气接头7螺纹连接，且外壳机构4与航空插头8螺丝连接。在高温焊接环境中，一路压缩气体通过吹屑进气接头6进入外壳机构4，经过吹屑气路槽由外壳机构4底部流出，吹走焊接过程中产生的飞溅，确保工业CCD相机12采集的图像不受飞溅干扰；另一路压缩气体通过散热进气接头5进入外壳机构4，经过散热气路槽由散热出气接头7流出，将焊接过程中产生的热量带走，使温度保持在一个合理的范围内，确保器件正常工作。其吹屑示意图见图3，其气路槽布局及吹屑散热气体流向图见图4。

所述夹持机构通过夹持机构滑块3与带有吹屑气路槽及散热气路槽的外壳机构4螺丝连接在一起。

所述光学器件及固定支架中，工业CCD相机固定支架11、可调节线激光器角度的锁紧机构10通过螺丝固定在外壳机构4上，工业CCD相机12通过螺丝安装于工业CCD相机固定支架11上，工业CCD相机12与镜头13配套连接。线激光器9通过锁紧螺丝固定于锁紧机构10，线激光器9在锁紧机构10中可以在一定的范围内进行角度调整。

所述镜头防护玻璃19、减光片固定圈20、减光片21、滤光片固定圈22、滤光片23按照顺序依次放入减光滤光片放置机构18中，减光滤光片放置机构18通过螺丝固定在外壳机构4底部上。

能够透光又能挡住外界灰尘的有机防护玻璃板16放入便于更换防护玻璃板的滑台机构15中，滑台机构15通过外壳机构4底部的滑槽滑入，挡板17通过螺丝固定在滑台机构15上，可以在焊接过程中遮挡飞溅及弧光，确保工业CCD相机12采集到清晰的激光条纹图像。

本发明适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器装置的工作方法，具体步骤如下：

步骤1，根据焊接要求进行工业CCD相机12及镜头13、线激光器9、减光片21及滤光片23的选型；具体为：

(1.1)在满足焊接精度及性能要求下选择体积小、质量轻的工业CCD相机12及镜头13、线激光器9、减光片21及滤光片23；

(1.2)根据焊接精度，考虑质量体积、图像处理速度等因素，选择一款分辨率在200万至500万像素的黑白工业CCD相机12及与之配套的镜头13。

(1.3)根据焊接过程中产生的弧光辐射光谱在600nm以上波长的强度相对较低这一理论，考虑激光强度及对人眼伤害等因素，选择波长为600～680nm，激光等级为IIIb的线激光器9。

(1.4)根据(1.3)所选择线激光器9的波长参数确定滤光片的参数，选择中心波长与线激光器9波长相同的滤光片23。

(1.5)根据距离焊接弧光远近，在一般情况(不观察熔池)下选择减光率为40～60％的滤光片，如需观察熔池，选择减光率为70～90％的滤光片。

步骤2，对装置中各机构零件进行布局及安装，工业CCD相机12垂直安装，线激光器9倾斜安装，具体为；

(2.1)工业CCD相机固定支架11通过螺丝垂直固定在外壳机构4上，可调节线激光器角度的锁紧机构10通过螺丝固定在外壳机构4上，与工业CCD相机12的光轴倾斜14°倾角，且其中心轴线与工业CCD相机12的光轴在同一平面内，工业CCD相机12通过螺丝安装于工业CCD相机固定支架11上，工业CCD相机12与镜头13配套连接。线激光器9通过锁紧螺丝固定于锁紧机构10，线激光器9在锁紧机构10中可以在一定的范围内进行角度调整。

(2.2)镜头防护玻璃19，减光片固定圈20，减光片21，滤光片固定圈22，滤光片23按照顺序依次放入减光滤光片放置机构18中，减光滤光片放置机构18通过螺丝固定在外壳机构4底部上。

(2.3)能够透光又能挡住外界灰尘的有机防护玻璃板16放入便于更换防护玻璃板的滑台机构15中，滑台机构15通过外壳机构4底部的滑槽滑入，挡板17通过螺丝固定在滑台机构15上，可以在焊接过程中遮挡飞溅及弧光，确保工业CCD相机12采集到清晰的激光条纹图像。

步骤3，采用工业CCD相机12进行图像采集，对采集到的图像进行处理，获取焊缝特征与信息，具体为：

采用ROI区域提取、中值滤波、膨胀处理、腐蚀处理、二值化处理、水平投影法、中心线提取、特征点提取等图像采集及处理算法，见图5，得到清晰的激光条纹中心线并提取出特征点，从而获取焊缝特征与信息。

实施例1

在待焊接区域放置对接焊缝的钢板，利用本适用于高热焊接环境的焊缝识别与跟踪传感器的设计方法完成焊缝的识别，其具体步骤如下：

步骤1，根据焊接要求进行工业CCD相机及镜头、线激光器、减光片及滤光片的选型，具体为：

(1.1)在满足焊接精度及性能要求下选择体积小、质量轻的工业CCD相机及镜头、线激光器、减光片及滤光片；

(1.2)根据焊接精度，考虑质量体积、图像处理速度等因素，选择大恒公司的分辨率为200万像素的型号为MER-200-14GM/GC黑白工业CCD相机及型号为M0814-MP2的镜头。

(1.3)根据焊接过程中产生的弧光辐射光谱在600nm以上波长的强度相对较低这一理论，考虑激光强度及对人眼伤害等因素，选择波长为650nm，激光功率为200mW的线激光器。

(1.4)根据(1.3)所选择线激光器的波长参数确定滤光片的参数，选择中心波长为650nm的滤光片。

(1.5)根据距离焊接弧光远近，选择减光率为50％的滤光片。

步骤2，装置各机构零件的合理布局及安装，工业CCD相机垂直安装，线激光器倾斜安装，具体为；

(2.1)工业CCD相机固定支架11通过螺丝垂直固定在外壳机构4上，可调节线激光器角度的锁紧机构10通过螺丝固定在外壳机构4上，与工业CCD相机12的光轴倾斜14°倾角，且其中心轴线与工业CCD相机12的光轴在同一平面内，工业CCD相机12通过螺丝安装于工业CCD相机固定支架11上，工业CCD相机12与镜头13配套连接。线激光器9通过锁紧螺丝固定于锁紧机构10，线激光器9在锁紧机构10中可以在一定的范围内进行角度调整。

(2.2)镜头防护玻璃19，减光片固定圈20，减光片21，滤光片固定圈22，滤光片23按照顺序依次放入减光滤光片放置机构18中，减光滤光片放置机构18通过螺丝固定在外壳机构4底部上。

(2.3)能够透光又能挡住外界灰尘的有机防护玻璃板16放入便于更换防护玻璃板的滑台机构15中，滑台机构15通过外壳机构4底部的滑槽滑入，挡板17通过螺丝固定在滑台机构15上，可以在焊接过程中遮挡飞溅及弧光，确保工业CCD相机12采集到清晰的激光条纹图像。

步骤3，装置图像采集及处理，获取焊缝特征与信息，具体为：

(3.1)采用ROI区域提取、中值滤波、膨胀处理、腐蚀处理、二值化处理、水平投影法、中心线提取、特征点提取等图像采集及处理算法，见图5，得到清晰的激光条纹中心线并提取出特征点，见图6～7，从而获取焊缝特征与信息。