基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统，密封盒体前端盖与压紧盖配合，后端盖开有一个螺纹孔，与底座配合，在密封盒体外部一侧开有螺纹孔；挡弧板安装固定在焊炬和传感器之间，电缆外接密封接头与密封盒体连接，支撑结构设计为“T”型板，横板紧固在密封盒体后端盖上，CCD、舵机分别安装固定在立板两面，激光器安装在舵机上。本发明中，传感器密封良好，结构轻便。“T”型板的设计使内部结构紧凑，各器件拆装方便。电缆外接密封接头使密封的薄弱环节密封良好。挡弧板的设计使图像采集效果显著增强。舵机的安装使激光器的调节实现自动化，调节方便准确。
【专利说明】基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统
【技术领域】
[0001]本发明属于焊缝跟踪【技术领域】，尤其涉及一种基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统。
【背景技术】
[0002]随着海洋石油的开发利用和潜水技术的发展，海底输油输气管线以及海洋工程结构日益增多。水下焊接技术应用日益广泛。目前，我国的水下焊接技术基本上还停留在手工焊接的水平，长期以来，都是潜水员潜入水底进行水下焊接。由于人的生理极限的限制，人类利用普通混合气体潜水最大深度为100m。人工焊接方式的缺点是受到潜水深度的限制，对人员素质和安全问题要求特别高。
[0003]近年来，基于特定用途的机器人得到迅猛发展，水下焊接机器人被认为是未来水下焊接自动化的发展方向。水下焊接机器人可以使潜水焊工不必在危险的水域进行焊接，减少或去除手工焊接所需的生命维持系统及安全保障系统，极大地提高工作效率，满足人们深水焊接的需要。因此，焊接设备由手工向水下焊接自动化的方向发展已成为必然的趋势。水下焊缝信息识别及焊缝跟踪智能控制技术是实现水下焊接自动化的关键。焊缝跟踪系统因为传感器的不同分为电弧传感器、接触传感器、超声波传感器、视觉传感器，其中视觉传感器具有信息量大、灵敏度高、测量精度高、响应快、抗电磁场干扰能力强、适合于各种坡口形状等优点，得到了广泛的应用。
[0004]将视觉传感器应用于水下焊接机器人进行焊缝跟踪，会出现各种各样陆地焊接所未遇到的问题，其中包括可见度差，水对光的吸收、反射和折射等影响，使得光在水中传播时减弱得很快。另外，焊接时电弧周围产生气泡和烟雾，使水下电弧的可见度非常低。在淤泥的海底和夹带泥沙的海域中进行水下焊接，水中可见度会更差。因此需要设计专用的水下焊接焊缝跟踪视觉传感器，以适应水下焊接的要求。经检索发现，江西省机器人与焊接自动化重点实验室的学者在《焊接生产应用》上发表的水下焊接机器人视觉传感器设计一文中，介绍了水下焊接机器人视觉传感系统的组成，但其在壳体的密封、激光调节的自动化及内部器件布局等方面还存在很大改进的余地。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统，旨在实现深水防漏，最大限度地排除弧光、气泡、泥沙干扰，采集清晰图像，处理图像，获取有效跟踪信息，保证焊接质量。
[0006]本发明是这样实现的，一种基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统包括:密封盒、挡弧板、电缆外接密封接头、支撑结构、面阵CCD、激光器、舵机、供电控制和外部接口的电路。此系统安装固定在焊炬所在机械臂上。
[0007]所述的密封盒前端盖为凸台状钢化玻璃，与压紧盖配合，采用密封垫密封，后端盖和密封盒采用密封垫密封，并开有一个螺纹孔，与安装电缆密封接头的底座配合，采用“O”型圈密封，在盒体外部一侧开有方便安装固定的螺纹孔；所述的挡弧板通过固定片和螺丝安装固定在焊炬和传感器之间；所述的电缆外接密封接头与密封盒通过螺纹和“O”型圈密封连接，远端通过旋进压紧螺母纵向挤压电缆，使其发生横向变形，进而密封电缆出口，密封腔内有一颗航空插头；所述的支撑结构设计为“T”型板，横板通过螺丝紧固在密封盒后端盖上，CCD、舵机分别通过螺纹连接安装固定在立板两面；所述的激光器安装在舵机上；所述的传感器的电源线与信号线通过电缆密封接头内部的航空插头与外部连接，其中插座安装在电缆密封接头的底座上。
[0008]进一步，所述的密封盒具有水下密封和实现电源与信号与外部导通的功能；密封盒的材料必须为耐腐蚀，高强度材料，可以是铝合金、不锈钢、陶瓷、钢化玻璃或以上材料的组合。
[0009]进一步，挡弧板的材料必须为耐腐蚀，耐高温材料，可以是橡胶、碳纤维、塑料或者以上材料的组合；用于遮挡焊接时产生的弧光、飞溅、气泡，避免干扰图像采集；清扫焊缝上的泥沙，保证焊缝质量；使传感器免受高温飞溅的损坏。
[0010]进一步，所述的电缆密封接头用于实现密封盒和电缆的密封连接，它必须为耐腐蚀，高强度材料，可以是铝合金、不锈钢或以上材料的组合。
[0011]进一步，所述的支撑结构必须为轻质绝缘材料，可以是电木、塑料或者以上材料的组合，该设计结构紧凑，便于拆装，且避免在密封盒内部大量打孔，提高了密封性能。
[0012]进一步，所述的面阵CCD必须满足能在水中复杂环境下采集图像，满足条件的各种CCD均可，为了有效过滤焊接时的弧光，该传感器采用复合滤光，CCD镜头前方安装有与激光等波长的滤光片，与所采用的激光器结构光波长相符。
[0013]进一步，所述的基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统采用定长一字型激光器提供主动光源，功率在200mw及以上均可，可安装在舵机上，由舵机调节激光器角度；水对光的吸收较大，若激光功率过小则导致图像采集困难；激光器体积尽可能小，方便安装固定和角度调节。
[0014]进一步，所述的舵机采用较小体积舵机，实现激光中点与焊缝对准的自动调节。
[0015]进一步，所述的供电控制和外部接口的电路用于电源的供应和信号的传输，传感器的电源线与信号线通过电缆密封接头内部的九芯航空插头与外部连接，其中九芯插座安装在电缆密封接头的底座上。
[0016]本发明中，传感器密封良好，结构轻便。“T”型板的设计使，内部结构紧凑，各器件拆装方便。电缆外接密封接头则使密封的薄弱环节密封良好。挡弧板的设计使图像采集效果显著增强，对焊缝的清扫更是提高了焊接的质量。舵机的安装使激光器的调节实现自动化，调节方便准确。该传感器适用于基于主动视觉的水下湿法焊接焊缝跟踪。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统传感器装配示意图；
[0018]图2是与密封盒体后端盖相连的电缆密封接头组成示意图；
[0019]图3是基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统工作流程图；
[0020]图4是基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统跟踪折线，斜线等形状焊缝的流程图；[0021]图中:1、密封盒；2、挡弧板固定片；3、挡弧板；4、紧压盖；5、螺丝；6、后端盖；7、舵机；8、激光器；9、支撑结构；10、面阵CXD ;11、钢化玻璃；12、压紧螺母；13、密封橡胶圈；14、电缆密封接头壳体；15、九芯航空插座；16、九芯航空插头；17、电缆密封接头螺纹；18、防水电缆
【具体实施方式】
[0022]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0023]本发明是这样实现的，一种基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统包括:密封盒体1、挡弧板2、电缆外接密封接头14、支撑结构9、面阵CCD10、激光器8、舵机7、供电控制和外部接口的电路18。
[0024]如图1所示的是基于主动视觉的水下湿法焊接传感器。I为密封盒体，材料为铝合金。2为挡弧板固定片，材料为铝合金，用于实现挡弧板3和密封盒体I连接。3为挡弧板，材质为氟橡胶。4为紧压凸台玻璃的紧压盖，通过螺丝5与密封垫实现与密封盒体I的紧密连接。6为后端盖，后开有一个螺纹孔，实现和电缆密封接头的连接。8为定长一字型红外激光器，波长662nm。支撑结构9为“T”型支撑板，材料为电木。10为面阵CCD，前加有662nm的滤光片。
[0025]如图2所示的是与传感器后端盖相连的电缆密封接头。该接头为自主加工设计。12为压紧螺母。13为密封橡胶圈，压紧螺母12通过旋紧，压紧电缆和密封橡胶圈13，使达到紧密连接。14为电缆密封接头的壳体。15为九芯航空插座。16为九芯航空插头。17为电缆密封接头螺纹部分，它和后端盖6、电缆密封接头壳体14均通过压紧“O”型圈实现紧压。
[0026]传感器的安装顺序从右到左的如下:
[0027]将密封垫、凸台状钢化玻璃、密封垫、压紧盖4依次放入前端盖的凹槽内，通过8颗螺丝5将压紧盖4压紧钢化玻璃实现密封连接。
[0028]将挡弧板3通过螺丝5安装在密封盒体I上。
[0029]面阵CXDlO通过螺丝5安装固定在“T”型板一侧。激光器安装在舵机上，舵机固定在“ T ”型板上。
[0030]航空插头的插座固定在电缆外接密封接头底座上。支撑结构9 “ T ”型板通过螺丝5固定在后端盖6上。舵机的电源线、信号线，激光器8的电源线、面阵CCDlO的电线、信号线，与九芯航空插头16相连。
[0031]后端盖6通过螺丝5安装在密封盒体I上，用密封垫实现密封。将九芯航空插头16插在九芯航空插座15上。接着，将电缆外接密封接头腔体旋紧在底座上，用“O”型圈实现密封。
[0032]旋紧压紧螺母12纵向挤压“O”型密封垫圈，在压紧螺母12的压力下，与电缆紧密接触，实现密封。
[0033]进一步，所述的密封盒体I具有水下密封和实现电源与信号与外部导通的功能；密封盒体I的材料必须为耐腐蚀，高强度材料，可以是铝合金、不锈钢、陶瓷、钢化玻璃或以上材料的组合。
[0034]进一步，所述的挡弧板2的材料必须为耐腐蚀，耐高温材料，可以是橡胶、碳纤维、塑料或者以上材料的组合；用于遮挡焊接时产生的弧光、飞溅、气泡，避免干扰图像采集；清扫焊缝上的泥沙，保证焊缝质量；使传感器免受高温飞溅的损坏。
[0035]进一步，所述的电缆密封接头用于实现密封盒和电缆的密封连接，它必须为耐腐蚀，高强度材料，可以是铝合金、不锈钢或以上材料的组合。
[0036]进一步，所述的支撑结构9必须为轻质绝缘材料，可以是电木、塑料或者以上材料的组合，该设计结构紧凑，便于拆装，且避免在密封盒内部大量打孔，提高了密封性能。
[0037]进一步，所述的面阵CXDlO必须满足能在水中复杂环境下采集图像，满足条件的各种CCD均可，为了有效过滤焊接时的弧光，该传感器采用复合滤光，CCD镜头前方安装有与激光等波长的滤光片，与所采用的激光器结构光波长相符。
[0038]进一步，所述的基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统采用定长一字型激光器提供主动光源，功率在200mw及以上均可，可安装在舵机上，由舵机调节激光器角度；水对光的吸收较大，若激光功率过小则导致图像采集困难；激光器体积尽可能小，方便安装固定和角度调节。
[0039]进一步，所述的舵机采用较小体积舵机，实现激光中点与焊缝对准的自动调节。
[0040]进一步，所述的供电控制和外部接口的电路用于电源的供应和信号的传输，传感器的电源线与信号线通过电缆密封接头内部的九芯航空插头16与外部连接，其中九芯插座15安装在电缆密封接头的底座上。
[0041]将组装好的传感器安装在机械臂上或其他伺服机构上。
[0042]如图4所示，为基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统工作流程图。其中的图像处理，转弯处理等均包含在所编写的软件内。
[0043]焊枪对准焊缝。通过VC++编写的实验控制平台调节焊接参数。然后，开启图像采集模块，经过图像处理，计算激光中点与焊缝的偏移量，舵机执行偏移量，实现激光中点自动对中焊缝。
[0044]开始焊接过程。实时采集、处理图像，计算出当前焊枪位置，焊缝位置，从而得出偏移量。偏移量传回焊接控制上位机，上位机根据偏移量控制伺服电机运动跟踪焊缝。在没有遇到转弯时，一直进行斜线或直线焊接，不用进行特殊处理。当遇到转弯时，执行转弯处理。
[0045]焊接完成。
[0046]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统，其特征在于，所述的基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统包括:密封盒体、挡弧板、电缆外接密封接头、支撑结构、面阵CCD、激光器、舵机、供电控制和外部接口的电路。此系统安装固定在焊炬所在机械臂上； 所述的密封盒体前端盖为凸台状钢化玻璃，与压紧盖配合，采用密封垫密封，后端盖和密封盒采用密封垫密封，并开有一个螺纹孔，与安装电缆密封接头的底座配合，采用“O”型圈密封，在密封盒体外部一侧开有方便安装固定的螺纹孔；所述的挡弧板通过固定片和螺丝安装固定在焊炬和传感器之间；所述的电缆外接密封接头与密封盒通过螺纹和“O”型圈密封连接，远端通过旋进压紧螺母纵向挤压电缆，使其发生横向变形，进而密封电缆出口，密封腔内有一颗航空插头；所述的支撑结构设计为“T”型板，横板通过螺丝紧固在密封盒后端盖上，CCD、舵机分别通过螺纹连接安装固定在立板两面；所述的激光器安装在舵机上；所述的传感器的电源线与信号线通过电缆密封接头内部的航空插头与外部连接，其中插座安装在电缆密封接头的底座上。
2.如权利要求1所述的基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统，其特征在于，所述的密封盒体具有水下密封和实现电源与信号与外部导通的功能；密封盒的材料必须为耐腐蚀，高强度材料，可以是铝合金、不锈钢、陶瓷、钢化玻璃或以上材料的组合。
3.如权利要求1所述的基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统，其特征在于，所述的挡弧板的材料必须为耐腐蚀，耐高温材料，可以是橡胶、碳纤维、塑料或者以上材料的组合；用于遮挡焊接时产生的弧光、飞溅、气泡，避免干扰图像采集；清扫焊缝上的泥沙，保证焊缝质量；使传感器免受高温飞溅的损坏。
4.如权利要求1所述的基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统，其特征在于，所述的电缆密封接头用于实现密封盒和电缆的密封连接，它必须为耐腐蚀，高强度材料，可以是铝合金、不锈钢或以上材料的组合。
5.如权利要求1所述的基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统，其特征在于，所述的支撑结构必须为轻质绝缘材料，可以是电木、塑料或者以上材料的组合，该设计结构紧凑，便于拆装，且避免在密封盒内部大量打孔，提高了密封性能。
6.如权利要求1所述的基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统，其特征在于，所述的面阵CCD必须满足能在水中复杂环境下采集图像，满足条件的各种CCD均可，为了有效过滤焊接时的弧光，该传感器采用复合滤光，CCD镜头前方安装有与激光等波长的滤光片，与所采用的激光器结构光波长相符。
7.如权利要求1所述的基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统，其特征在于，所述的基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统采用定长一字型激光器提供主动光源，功率在200mw及以上均可，可安装在舵机上，由舵机调节激光器角度；水对光的吸收较大，若激光功率过小则导致图像采集困难；激光器体积尽可能小，方便安装固定和角度调节。
8.如权利要求1所述的基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统，其特征在于，所述的舵机采用较小体积舵机，实现激光中点与焊缝对准的自动调节。
9.如权利要求1所述的基于主动视觉的水下湿法焊接跟踪系统，其特征在于，所述的供电控制和外部接口的电路用于电源的供应和信号的传输，传感器的电源线与信号线通过电缆密封接头内部的九芯航空插头与外部连接，其中九芯插座安装在电缆密封接头的底座上。
【文档编号】B23K37/00GK103586565SQ201310534177
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月4日 优先权日:2013年11月4日
【发明者】陈波, 李准, 姜可可 申请人:哈尔滨工业大学（威海）