CN103600155B - 焊接机器人焊接过程的实时监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焊接机器人焊接过程的实时监测装置，包括焊枪、图像采集机构、激光发射机构以及温度采集机构，图像采集机构与激光发射机构固设于焊枪上，图像采集机构包括U形架与CCD摄像机，CCD摄像机的机身外设有铝套筒，铝套筒的内侧壁上涂有铜箔；镜头外设有铜制套筒，镜头与铜制套筒之间设有塑料填充物；激光发射机构包括铝柱与端盖，激光二极管设于铝柱内；温度采集机构包括若干个均匀间隔排列的热电偶以及数据采集模块，数据采集模块以及所述CCD摄像机分别通过各自的USB传输线共同接到一台工控机上。通过激光二极管发出的激光束以及CCD摄像机，可以实现主动视觉传感，通过工控机来完成温度与主观视觉二者采集数据的融合处理与监控。

Description

焊接机器人焊接过程的实时监测装置
技术领域
本发明涉及焊接机器人邻域，更具体地说是涉及一种焊接机器人焊接过程的实时监测装置。
背景技术
机器人与传感技术的融合是一门快速发展中的应用技术，其自身的发展与其在各领域内的应用是密不可分的，它自身的发展必将拓展其应用的深度，同时各应用领域内提出的需求也必将大大促进机器人与传感技术的发展，而对于不同传感技术的融合将成为未来发展的方向。由于焊接机器人具有通用性强、工作可靠的优点，但是无法自主获取工件定位信息、焊缝空间位置信息、焊缝熔透信息等，当焊接对象改变时需要重新示教而造成工作效率低下，因而在焊接过程中，实现焊接的自动化、智能化，实现焊缝信息识别、定位与跟踪，是焊接机器人的发展趋势。而焊接的智能化就是使机器人对外界具有一定的感知能力，从而使其可以自主适应环境，并根据环境变化，对自身下一步操作自主调整，而机器人与相应的传感技术的融合就可以实现这些功能。基于视觉传感的机器人，可以获取焊接过程的三维路径信息，实现焊接过程的自动化、智能化。基于机器人的温度采集系统的建立，可以实现焊缝温度的采集与监控，进而实现对焊接温度场温度变化的研究控制，研究温度对于熔池周围微观组织的的生长与变化的影响情况。总之，基于视觉传感与温度传感的数据融合技术，在保证焊接质量的前提下，可以提高焊接生产自动化水平和自动焊接的灵活性，达到为科学的组织、跟踪、监督、控制生产过程提供信息平台。
目前在焊接工业生产应用的控制方法中，一般是人工控制或是机器人离线编程的，基于焊接自动化智能化发展方向的需求，就要求我们了解并清楚地知道焊接实时在线的一些具体情况。高精度高灵活性的视觉传感装置进行图像的采集、传输与处理，高灵敏高性能的温度采集系统实现对温度的采集与处理。较之前的专利相比，主动视觉传感装置具有更大的灵活性与适用性，对于需要调整摄像机位置的多层多道焊或者焊枪位置变化较多的复杂焊件的焊接有较大的适用空间。将视觉传感与温度采集系统进行数据融合，这是之前所不曾出现过的，也是未来焊接领域自动化智能化发展所必不可少的。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种焊接机器人焊接过程的实时监测装置。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种焊接机器人焊接过程的实时监测装置，包括焊枪，还包括图像采集机构、激光发射机构以及温度采集机构，所述图像采集机构以及激光发射机构均固设于焊枪上，
所述图像采集机构包括U形架以及CCD摄像机，所述U形架的一端通过连接杆与焊枪固定连接，U形架的另一端通过方位调节机构与CCD摄像机相连，所述CCD摄像机的镜头对焦于焊枪的喷嘴上；所述CCD摄像机的机身外设有铝套筒，所述铝套筒的内侧壁上涂有铜箔；所述CCD摄像机的镜头外设有铜制套筒，所述镜头与铜制套筒之间设有塑料填充物；
所述激光发射机构包括铝柱与端盖，所述铝柱内开设有与激光二极管的直径相匹配的管孔，铝柱的下端面与管孔之间开设有透光孔，所述透光孔的直径小于管孔的直径；所述铝柱的上端面与端盖活动相连，所述端盖上设有与管孔位置相对应的盖孔，盖孔的直径小于管孔的直径；所述激光二极管发出的激光束射在焊件之间的焊缝上；
所述温度采集机构包括若干个间隔排列的热电偶以及数据采集模块，所述热电偶的前端与焊件相连，热电偶的后端分别与数据采集模块的输入端口相连；
所述数据采集模块以及所述CCD摄像机分别通过各自的USB传输线共同接到一台工控机上。
还包括透光玻璃，所述透光玻璃设于CCD摄像机的镜头上。
还包括滤光片，所述滤光片设于透光玻璃以及镜头之间。
与现有技术相比，采用本发明的一种焊接机器人焊接过程的实时监测装置，通过激光二极管发出的激光束以及CCD摄像机，可以实现主动视觉传感；通过热电偶以及数据采集模块进行温度采集，并且CCD摄像机的传输线与数据采集模块的传输线共同接到一台工控机上，用该工控机来完成二者采集数据的融合处理与监控。整个设备装置在实现焊接过程高质量(实现摄像机的角度和位置调整，来满足不同方位、不同高度以及不同距离的焊接，以实现焊接过程中的焊缝定位、焊件形状测量与焊缝跟踪等，设备简单，使用方便)图像采集的基础上，同时可以获取焊接过程中的温度信息，对焊接温度进行有效的分析与控制。
总之，本发明具有实际性的应用和显著的优势，它运用简单的装置可以实现图像采集系统和温度采集系统二者的数据融合技术。主动视觉传感有其一定的优势，和以前摄像机位置固定或是被动视觉的实现等相比，具有显著的进步和优势，同时由于构造简单方便，易于使用，结构灵活，能够满足多方位的调节需求，能够方便准确地获知焊接中的多种信息，如焊件形状测量，焊缝定位以及焊缝跟踪等，同时对于焊缝、焊件的深宽的测量也有一定的帮助。同时基于三角测量原理，也可以获取焊接熔池的三维信息，这样既可以对焊枪姿态控制进行研究，也可以建立视觉误差分析模型来提高跟踪的精度。该数据融合技术可以对焊接过程进行实时图像与温度的采集、处理与监控，对于焊接自动化智能化的发展具有重大意义，数据融合技术在焊接领域的应用也将会越来越受到重视。
附图说明
图1是本发明的一种焊接机器人焊接过程的实时监测装置的结构示意图；
图2是本发明的图像采集机构的外观结构俯视图；
图3是图2中的图像采集机构的外观结构主视图；
图4是本发明的铝套筒的结构示意图；
图5是本发明的铜制套筒的结构示意图；
图6是本发明的激光发射机构的剖视图；
图7是本发明的激光发射机构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
请参阅图1、图2、图3、图4、图5所示的一种焊接机器人焊接过程的实时监测装置，包括焊枪1、图像采集机构3、激光发射机构以及温度采集机构，图像采集机构3以及激光发射机构固设于焊枪上，这样可以使图像采集机构以及激光发射机构随着焊枪的移动而同步移动，图像采集机构包括U形架21以及CCD摄像机4，U形架21的一端通过连接杆2与焊枪1固定连接，U形架21的另一端通过方位调节机构与CCD摄像机相连，
在U形架21的两个壁上打有对称的两排孔101，孔101的大小刚好与连接杆2上的孔的大小相配合，根据所安装孔的位置不同可以实现U形架21臂长和角度的调节。
方位调节机构包括控制摄像机水平位置的水平调节旋转固定架201以及控制摄像机竖直位置的竖直调节旋转固定架202，可以满足CCD摄像机上下左右各180°的旋转。
CCD摄像机4的镜头对焦于焊枪的喷嘴上；CCD摄像机的机身外设有铝套筒23，铝套筒23的内侧壁上附有一层热导性极好的铜箔32(其热导性为386W/(m×k)，仅次于银)来解决散热问题。
基于镜头41的安装位置距熔池较近，需要考虑熔池的飞溅对镜头的损害，同时装置的散热问题也不能忽视，因而镜头的套筒是由铜制品制成以保证具有高的散热效果，同时在铜套筒24的内部装有适量的塑料42，它具有减震作用，也可以防止磨损与破坏，最主要的是可以减少以致避免实验中的电磁对于图像采集的干扰，以获取高质量的图像。
同时在铜套筒24前方装有透明玻璃6，具有阻挡飞溅，保护光线和镜头的作用。基于熔池周围弧光较为强烈的原因，会在镜头与透明玻璃之间会装有滤光片5，它可以据实验的需要选择合适的波长段来降低熔池弧光的干扰，以获取较为清晰的图像。
铝套筒23与铜套筒24之间用2个螺钉34即可完成了固定，两个螺钉31刚好是与摄像机底部的螺孔配合的，保证CCD摄像机位置的精准度。
可见，整个图像采集机构在保证获得高质量的图像之外，还可以实现灵活多变的调节，满足多种需求。如镜头与焊枪的距离远近可以由U形架来完成，以满足不同的实验需求，它是通过固定U形架上不同远近不同位置的孔来实现的。镜头与焊枪的角度位置变换是由方位调节机构来完成的，它可以使摄像机上下左右进行各180°的旋转。
再请参见图6、图7所示的激光发射机构7包括圆柱形的实心铝柱71与端盖72，铝柱71内开设有与激光二极管的直径相匹配的管孔73，铝柱的下端面与管孔之间开设有约2mm高度的透光孔74，透光孔74的直径小于管孔的直径，使激光二极管在装入之时不至下落。铝柱的上端面与端盖用螺纹实现连接，端盖72上设有与管孔73位置相对应的盖孔75，盖孔75的直径小于管孔的直径，这样是为了防止在工作中出现激光二极管上下移动而影响实验的精确度。端盖72所用材料为铜，这也是考虑了二极管的散热问题。激光二极管发出的激光束9射在焊件8之间的焊缝上。
温度采集机构包括若干个间隔排列的(型号为TJ120-CAXL-18U-6的K型热电偶10以及数据采集模块11，热电偶的前端与焊件相连，热电偶的后端分别与数据采集模块的输入端口相连，热电偶的排列方式依据实际所需位置的温度来排列。数据采集模块以及所述CCD摄像机分别通过各自的USB传输线共同接到一台工控机12上。这样，整个系统数据融合技术的实现是由一台工控机来完成的，图像采集和温度获取分别由各自的USB线进行传输，连接到同一台工控机上，使用VC软件进行编程可以在该工控机的同一控制面板上实现二者的数据融合。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种焊接机器人焊接过程的实时监测装置，包括焊枪，其特征在于，
还包括图像采集机构、激光发射机构以及温度采集机构，所述图像采集机构以及激光发射机构均固设于焊枪上，
所述图像采集机构包括U形架以及CCD摄像机，所述U形架的一端通过连接杆与焊枪固定连接，U形架的另一端通过方位调节机构与CCD摄像机相连，所述CCD摄像机的镜头对焦于焊枪的喷嘴上；所述CCD摄像机的机身外设有铝套筒，所述铝套筒的内侧壁上涂有铜箔；所述CCD摄像机的镜头外设有铜制套筒，所述镜头与铜制套筒之间设有塑料填充物；
所述激光发射机构包括铝柱与端盖，所述铝柱内开设有与激光二极管的直径相匹配的管孔，铝柱的下端面与管孔之间开设有透光孔，所述透光孔的直径小于管孔的直径；所述铝柱的上端面与端盖活动相连，所述端盖上设有与管孔位置相对应的盖孔，盖孔的直径小于管孔的直径；所述激光二极管发出的激光束射在焊件之间的焊缝上；
所述温度采集机构包括若干个间隔排列的热电偶以及数据采集模块，所述热电偶的前端与焊件相连，热电偶的后端分别与数据采集模块的输入端口相连；
所述数据采集模块以及所述CCD摄像机分别通过各自的USB传输线共同接到一台工控机上。
2.根据权利要求1所述的实时监测装置，其特征在于：
还包括透光玻璃，所述透光玻璃设于CCD摄像机的镜头上。
3.根据权利要求2所述的实时监测装置，其特征在于：
还包括滤光片，所述滤光片设于透光玻璃与镜头之间。
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