机器人MIG焊双目视觉传感系统.pdf

一种自动化焊接设备技术领域的机器人MIG焊双目视觉传感系统，包括：两个焊枪固定套筒、两个传感器套筒连接块、熔池观测模块和焊缝跟踪模块，其中：熔池观测模块和焊缝跟踪模块分别固定于各自的焊枪固定套筒并分别与两个传感器套筒连接块相连接，传感器套筒连接块转动设置于焊枪固定套筒上，焊枪固定套筒与MIG焊枪固定连接。本发明通过调节传感器主体模块与焊枪之间的角度、反射镜组件与传感器主体模块之间的角度来获取清晰图像，并通过熔透控制保证焊接质量。

1、  一种机器人MIG焊双目视觉传感系统，其特征在于，包括：两个焊枪固定套筒、两个传感器套筒连接块、熔池观测模块和焊缝跟踪模块，其中：熔池观测模块和焊缝跟踪模块分别固定于各自的焊枪固定套筒并分别与两个传感器套筒连接块相连接，传感器套筒连接块转动设置于焊枪固定套筒上，焊枪固定套筒与MIG焊枪固定连接。

2、  根据权利要求1所述的机器人MIG焊双目视觉传感系统，其特征是，所述的熔池观测模块包括：第一CCD摄像机系统、第一减光滤光系统、扭转支架、反射镜组件、第一耐热防飞溅组件和熔池观测支架，其中：第一CCD摄像机系统、第一减光滤光系统和扭转支架分别固定设置于熔池观测支架上，反射镜组件设置于扭转支架内部，第一耐热防飞溅组件设置于扭转支架底部，熔池观测支架活动连接于第一传感器套筒连接块上。

3、  根据权利要求2所述的机器人MIG焊双目视觉传感系统，其特征是，所述的扭转支架包括：上扭转支架部分和下扭转支架部分，其中：上扭转支架部分的上端固定安装在熔池观测支架上，上扭转支架部分的下端成弧状，旁侧有匹配弧状挡板；下扭转支架部分由4块挡板组成，其中2块挡板的上端成弧状与上扭转支架部分匹配，可绕固定轴旋转37度以调整所需观测角度，另外2块挡板则起遮挡光线作用。两个部分配合绕固定轴转动调整观测角度。

4、  根据权利要求2所述的机器人MIG焊双目视觉传感系统，其特征是，所述的反射镜组件包括：反射镜承载板和反射镜，其中：反射镜承载板通过两侧螺钉压紧反光镜使反光镜固定，反射镜承载板安装于下扭转支架部分。

5、  根据权利要求1所述的机器人MIG焊双目视觉传感系统，其特征是，所述的焊缝跟踪模块包括：第二CCD摄像机系统、第二减光滤光系统、第二耐热防飞溅组件和焊缝跟踪支架，其中：第二CCD摄像机系统固定设置于焊缝跟踪支架上，第二减光滤光系统设置于焊缝跟踪支架上，第二耐热防飞溅组件设置于焊缝跟踪支架与第二减光滤光系统上，焊缝跟踪支架活动连接于第二传感器套筒连接块上。

6、  根据权利要求2或5所述的机器人MIG焊双目视觉传感系统，其特征是，所述的第一CCD摄像机系统和第二CCD摄像机系统均包括：CCD摄像机和镜头，其中：CCD摄像机的通讯串口与计算机上图像采集卡串口连接实现图像的采集传输，图像在采集卡内由模拟数据向数字数据转换，以便于图像处理程序的处理。

7、  根据权利要求2或5所述的机器人MIG焊双目视觉传感系统，其特征是，所述的第一减光滤光系统和第二减光滤光系统均包括：滤光片、减光片和减光滤光片承载板，其中：滤光片和减光片设置于承载板上，承载板的中部设有圆形阶梯状的镂空，用以承载减光片、滤光片。

8、  根据权利要求2或5所述的机器人MIG焊双目视觉传感系统，其特征是，所述的第一耐热防飞溅组件和第二耐热防飞溅组件均包括：耐热防飞溅玻璃和承载板，其中：承载板通过螺钉固定于下扭转支架部分并与其保持相对静止，耐热防飞溅玻璃通过承载板对其厚度方向压力固定。

9、  根据权利要求2所述的机器人MIG焊双目视觉传感系统，其特征是，所述的熔池观测支架上设有腰型开孔使其能与第一传感器套筒连接块相对滑动连接。

10、  根据权利要求5所述的机器人MIG焊双目视觉传感系统，其特征是，所述的焊缝观测支架上设有腰型开孔使其能与第二传感器套筒连接块相对滑动连接。

机器人MIG焊双目视觉传感系统
技术领域
本发明涉及的是一种焊接技术领域的装置，具体是一种机器人MIG焊双目视觉传感系统。
背景技术
现代生产过程中的自动化元素越来越多，自动化智能化焊接技术广泛应用于汽车以及造船等行业，传感器是机器人智能化焊接系统的重要器件，用于机器人焊接的传感方式很多，包括第一代接触式传感器，第二代由分立的信号接收元件组成的传感器，第三代采用高度集成的信号接收元件组成的传感器，其中，以CCD面阵为核心的被动视觉传感器具有结构简单、非接触、采集信息量大、快速、高精度等优点，能用于焊接初始位置导引、焊缝跟踪以及熔透控制。此外，由于MIG焊(惰性气体保护金属极电弧焊)具有电弧燃烧稳定和焊接质量好等特点，大量应用于低合金薄钢板的焊接，然而MIG焊过程中伴随着熔滴过渡和飞溅干扰等，使得很难实时完成焊缝跟踪以及采集到令人满意的熔池图像，所以设计合适的用于机器人MIG焊的被动视觉传感器对于焊接过程实时控制和保证焊接质量有着重要意义。
经过现有技术的文献检索发现，目前用于不同材料的TIG焊的多功能被动视觉传感系统的设计和研究较多，而用于MIG焊的被动视觉传感系统较少，例如，中国专利申请号：200410067328.1，名为“焊接机器人伺服双目视觉传感器”，它实现了CCD摄像机可绕焊枪作可控角度旋转以保持良好的取像方位以及自动加载或移开滤光片和减光片的功能，包括：伺服电机、同步带传动系统、两个CCD摄像机、气动系统、减光和滤光系统、内外两个空心轴、端盖及平板支架、槽钢形的支架及两个轴承，能够实时的采集到焊缝以及熔池的图像信息，但是CCD摄像机采用的是固定焦距的镜头，而且拍摄角度固定，无法灵活调节摄像机拍摄角度而获得更佳的图像。中国专利申请号：200710037890.3名为“焊接机器人多功能双目视觉传感器及其标定方法”的专利，它通过可变焦CCD摄像机、滤光系统、光路系统、气动系统，并能绕焊枪转动一定角度实现焊缝起始点导引、焊缝跟踪以及熔池图像实时获取工作，但该双目系统的前后两目相对位置依然固定，在焊接过程中同时实现焊缝跟踪和熔池图像获取的效果并不理想，给后续图像处理工作带来难度。而利用被动视觉传感进行MIG焊的熔池信息获取和实时控制的研究比较少，经过文献检索，名为“用于铝合金MIG焊的机器人熔池视觉传感系统”(石玗等，电焊机，2006年，27～29，第36卷)一文中提出了一套熔池视觉传感系统，组成包括摄像机、镜头、减光滤光系统、光路系统等，实现了MIG焊过程中的熔池图像采集任务，但未明确根据具体试验环境提出传感系统的具体机械结构。
经过进一步的技术文献检索，尚未见到有关应用于机器人MIG焊的视觉传感系统专利。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种机器人MIG焊双目视觉传感系统，根据MIG焊接过程的需要，提供焊缝识别以及熔池图像采集的功能，本发明采用多模块的一体设计，特点是可以通过调节传感器主体模块与焊枪之间的角度、反射镜组件与传感器主体模块之间的角度来获取清晰图像，并通过熔透控制保证焊接质量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：两个焊枪固定套筒、两个传感器套筒连接块、熔池观测模块和焊缝跟踪模块，其中：熔池观测模块和焊缝跟踪模块分别固定于各自的焊枪固定套筒并分别与两个传感器套筒连接块相连接，传感器套筒连接块转动设置于焊枪固定套筒上，焊枪固定套筒与MIG焊枪固定连接。
所述的传感器套筒连接块均为胶木制成。
所述的熔池观测模块包括：第一CCD摄像机系统、第一减光滤光系统、扭转支架、反射镜组件、第一耐热防飞溅组件和熔池观测支架，其中：第一CCD摄像机系统、第一减光滤光系统和扭转支架分别固定设置于熔池观测支架上，反射镜组件设置于扭转支架内部，第一耐热防飞溅组件设置于扭转支架底部，熔池观测支架活动连接于第一传感器套筒连接块上。
所述的熔池观测支架上设有腰型开孔使其能与第一传感器套筒连接块相对滑动连接。
所述的扭转支架包括：上扭转支架部分和下扭转支架部分，其中：上扭转支架部分的上端固定安装在熔池观测支架上，上扭转支架部分的下端成弧状，旁侧有匹配弧状挡板；下扭转支架部分由4块挡板组成，其中2块挡板的上端成弧状与上扭转支架部分匹配，可绕固定轴旋转37度以调整所需观测角度，另外2块挡板则起遮挡光线作用。两个部分配合绕固定轴转动调整观测角度。
所述的反射镜组件包括：反射镜承载板和反射镜，其中：反射镜承载板通过两侧螺钉压紧反光镜使反光镜固定，反射镜承载板安装于下扭转支架部分。
所述的反射镜的镜片采用前表面镀铝膜处理。
所述的焊缝跟踪模块包括：第二CCD摄像机系统、第二减光滤光系统、第二耐热防飞溅组件和焊缝跟踪支架，其中：第二CCD摄像机系统固定设置于焊缝跟踪支架上，第二减光滤光系统设置于焊缝跟踪支架上，第二耐热防飞溅组件设置于焊缝跟踪支架与第二减光滤光系统上，焊缝跟踪支架活动连接于第二传感器套筒连接块上。
所述的焊缝观测支架上设有腰型开孔使其能与第二传感器套筒连接块相对滑动连接。
所述的第一CCD摄像机系统和第二CCD摄像机系统均包括：CCD摄像机和镜头，其中：CCD摄像机的通讯串口与计算机上图像采集卡串口连接实现图像的采集传输，图像在采集卡内由模拟数据向数字数据转换，以便于图像处理程序的处理。
所述的第一减光滤光系统和第二减光滤光系统均包括：滤光片、减光片和减光滤光片承载板，其中：滤光片和减光片设置于承载板上，承载板的中部设有圆形阶梯状的镂空，用以承载减光片、滤光片。
所述的第一耐热防飞溅组件和第二耐热防飞溅组件均包括：耐热防飞溅玻璃和承载板，其中：承载板通过螺钉固定于下扭转支架部分并与其保持相对静止，耐热防飞溅玻璃通过承载板对其厚度方向压力固定。
本发明提出的机器人MIG焊视觉传感系统模块化设计，是专门针对MIG焊过程中的被动视觉观测，大体分为两个功能模块，分别是MIG焊过程的熔池观测模块和焊缝跟踪模块，两大模块相互独立，可以同时完成MIG焊接过程中的熔池观测，焊缝跟踪等多项工作，同时可根据机器人承载要求仅装配其中的一个功能模块。两大模块均可拆卸，并可依据不同MIG焊鹅颈焊枪的规格不同，连接于专为该焊枪设计的套筒和连接块。于是使得该传感系统用于MIG焊的通用性大大增强。另外，轻巧和小型的设计在满足观测范围的基础上，大大减轻了机器人的承载压力，并且能用于复杂的焊接环境，减少不必要碰撞。机器人MIG焊被动视觉传感器的使用使焊接过程更加智能化，能很好地用于薄钢板等焊接材料的MIG焊接过程的质量控制要求。
本发明提出的适用于MIG焊鹅颈焊枪的设计，在机器人本有的6自由度的基础上，并不完全保持传感系统和焊枪的相对静止，作为整体的熔池观测模块和焊缝跟踪模块可在实验或者生产之前，根据需要手动各自绕焊枪固定套筒旋转±5°，获得更好的观测角度；熔池观测支架和焊缝跟踪支架也可在焊枪轴线方向作一定移动以调整作为整体的熔池观测模块和焊缝跟踪模块的焊枪轴线方向距离；对位于鹅颈焊枪前端的熔池观测模块，设置于熔池观测支架上的扭转支架可以在鹅颈焊枪固有角度的基础上作37°的旋转，以选择焊缝方向上的熔池观测区域。增加的自由度使传感器更具柔性化，摄取到更佳的图像信息。
附图说明
图1为实施例整体结构示意图。
图2为局部剖面示意图；
其中：a为熔池观测模块下局部放大示意图；b为熔池观测模块上局部放大示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：第一焊枪固定套筒1、第二焊枪固定套筒2、第一传感器套筒连接块3、第二传感器套筒连接块4、熔池观测模块5和焊缝跟踪模块6，其中：熔池观测模块5和焊缝跟踪模块6分别固定于第一焊枪固定套筒1和第二焊枪固定套筒2内并分别与第一传感器套筒连接块3和第二传感器套筒连接块4相连接，第一传感器套筒连接块3和第二传感器套筒连接块4分别转动设置于第一焊枪固定套筒1和第二焊枪固定套筒2上，第一焊枪固定套筒1和第二焊枪固定套筒2连接并与MIG鹅颈焊枪7紧固，熔池观测模块5和焊缝跟踪模块6的输出端输出采集图像。
所述的第一焊枪固定套筒1和第二焊枪固定套筒2，连接作为焊枪固定套筒，如图1实施例整体结构示意图所示，套筒内侧圆弧与MIG鹅颈焊枪7直径同轴匹配，在本实施例中为Φ19mm，第一焊枪固定套筒1和第二焊枪固定套筒2通过螺钉连接紧固MIG鹅颈焊枪7，通过摩擦力保持使焊枪固定套筒与MIG鹅颈焊枪7保持相对静止。如图2所示的局部剖面示意图，从中可以看到第一焊枪固定套筒1整体形状为上下宽中间窄的工字型，与第一传感器套筒连接块3转动连接并咬合匹配。
所述的第一传感器套筒连接块3和第二传感器套筒连接块4均为胶木制成，分别用来连接第一焊枪固定套筒1与熔池观测模块5、第二焊枪固定套筒2与焊缝跟踪模块6。
所述的熔池观测模块5包括：第一CCD摄像机系统8、第一减光滤光系统9、扭转支架10、反射镜组件11、第一耐热防飞溅组件12和熔池观测支架13，其中：第一CCD摄像机系统8、第一减光滤光系统9和扭转支架10依次从上至下分别螺钉紧固设置于熔池观测支架13上，反射镜组件11通过扭转支架10的通孔穿插安装，调整到合适角度后螺钉紧固，第一耐热防飞溅组件12设置于扭转支架10底端，熔池观测支架13设置于第一传感器套筒连接块3上。
所述的扭转支架10包括：上扭转支架23和下扭转支架24，两者间通过螺杆转动连接。其中：上扭转支架23的上端固定安装在熔池观测支架13上，上扭转支架23的下端成弧状，旁侧有匹配弧状挡板29；下扭转支架24由4块挡板29组成，其中2块挡板29的上端成弧状与上扭转支架23匹配使得扭转支架10绕固定轴旋转以调整-18°～+18°以适应在焊缝方向的观测范围，另外2块挡板29则起遮挡光线作用。两个部分配合绕固定轴转动调整观测角度。如图2a所示。
所述的反射镜组件11包括：反射镜承载板25和反射镜26，其中，反射镜承载板25通过两侧螺钉压紧反射镜26使反射镜26固定，反射镜承载板25安装于下扭转支架24的通孔内，螺钉紧固连接。如图2a所示。
所述的反射镜26的镜片采用前表面镀铝膜处理。
所述的焊缝跟踪模块6包括：第二CCD摄像机系统14、第二减光滤光系统15、第二耐热防飞溅组件16、焊缝跟踪支架17，其中：第二CCD摄像机系统14和第二减光滤光系统15依次从上至下分别螺钉紧固设置于焊缝跟踪支架17上，第二耐热防飞溅组件16设置于焊缝跟踪支架17底端，焊缝跟踪支架17设置于第二传感器套筒连接块4上。
所述的第一CCD摄像机系统8和第二CCD摄像机系统14均包括：CCD摄像机18、镜头19和摄像机外挡板20，其中：前两者通过自身螺纹卡口连接，CCD摄像机18设置于摄像机外挡板20上，摄像机外挡板20连接在熔池观测支架13上。CCD摄像机的通讯串口与计算机上图像采集卡串口连接实现图像的采集传输，图像在采集卡内由模拟数据向数字数据转换，以便于图像处理程序的处理。如图2b所示。
所述的第一减光滤光系统9和第二减光滤光系统15均包括：减光片滤光片21、减光滤光片承载板22，其中：减光片滤光片21安放于减光滤光片承载板22内，减光滤光片承载板22连接在熔池观测支架13上。减光滤光片承载板22的中部设有圆形阶梯状的镂空，用以承载减光片滤光片21。如图2a所示。
所述的耐热防飞溅组件，包括装配于熔池观测模块2的耐热防飞溅承载板一11和装配于焊缝观测模块14的耐热防飞溅承载板二18，以及相应的耐热防飞溅玻璃。通过剖视图可以看出前者通过两侧螺钉紧固于下扭转支架侧挡板10上，耐热防飞溅玻璃通过压力固定于下扭转支架和耐热防飞溅承载板一11之间。后者则通过两侧螺钉紧固于第二侧板支架13和第二减光滤光片承载板17上。
所述的第一耐热防飞溅组件12和第二耐热防飞溅组件16均包括：耐热防飞溅玻璃27、耐热防飞溅玻璃承载板28，其中：耐热防飞溅玻璃承载板28与扭转支架10底端连接，耐热防飞溅玻璃27位于两者之间，靠厚度方向压力固定。
本实施例中，依据MIG鹅颈焊枪7的外形，以及MIG焊过程中MIG鹅颈焊枪7与垂直于工件方向成0°～10°的特点，设计的另外三个自由度的微小调整可以获得更好的熔池图像，包括两大整体观测模块均可绕焊枪固定套筒的转动，均可沿侧板支架方向上下调整传感器离工件的可视距离，而对于熔池观测模块5，依据MIG鹅颈焊枪7的形状，扭转支架10可以改变37°以适应在焊缝方向的观测范围。
本实施例简单易于装配、柔性好、观测范围大的特点非常适合与机器人结合进行智能化MIG焊枪，实现MIG焊过程中的焊缝跟踪，并实时调整MIG焊枪焊接质量。