CN106382888B - 适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置，包括激光传感器和传感器安装底座，所述激光传感器通过传感器安装底座固定在焊枪前端，用于利用三角测量原理获取焊缝信息；所述的传感器安装底座用于调整激光传感器与焊枪之间的X、Y、Z向的三维空间相对位置及安装角度，同时所述传感器安装底座具备绝缘功能，实现传感器和焊枪之间的绝缘。本发明的传感器底座可调整，可改变传感器与焊枪的相对位置，确保传感器本体内部工业摄像机和条纹式激光发生器之间夹角最优，实现三角测量原理。通过该发明，可以有效扩展激光传感器的检测范围，提高检测精度。

Description

适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置
技术领域
本发明涉及自动化焊接领域，特别涉及需要使用垂直关节型六轴工业机器人，并且采用线激光焊缝检测装置的领域。
背景技术
随着自动化焊接技术的发展，六轴工业机器人在焊接领域的运用越来越广泛，然而，目前焊接机器人的编程方式以“示教-再现”为主，这种方式在直线焊接时效率较高，但是由于焊接产生大量热，导致工件变形，直接影响了焊接精度；而对于复杂焊缝，需要确定更多的示教点，工作效率低，并且更难保证精度，难以达到高度的自动化焊接。
为解决以上问题，就需要提高焊缝跟踪技术。焊缝跟踪常用的方法是利用传感器实时检测焊缝位置，生成坐标信息传送到控制器，驱动焊枪运动到该坐标点。作为焊缝跟踪的第一步，焊缝检测精度和效率对此后的控制效果会产生很大的影响。常用的非接触式焊缝检测传感器有电弧传感器、超声波传感器、激光传感器等，相对于电弧传感器和超声波传感器，激光传感器的检测效率和精度都更高。然而，由于焊接时会产生强烈的弧光噪声，影响了工业摄像机采集的图像质量，加大了焊缝特征提取的难度。激光条纹离熔池越近，激光传感器所受的弧光影响越大，严重时甚至无法提取到焊缝特征。若增大激光条纹与熔池的距离，虽然弧光影响减少，但是会导致焊缝检测实时性降低，从而影响焊缝跟踪的精度，容易出现“焊偏”等现象。因此，如何降低焊缝检测装置所受的弧光干扰的同时保证焊缝检测的实时性是一项重要的技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置，旨在利用三角测量原理，快速、准确提取焊缝位置信息。并且保证焊接熔池和焊缝特征点检测位置达到最优，即在低噪声情况下，测量距离最小。
本发明的目的通过以下方案来实现：
一种适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置，包括激光传感器和传感器安装底座，所述激光传感器通过传感器安装底座固定在焊枪前端，用于利用三角测量原理获取焊缝信息；所述的传感器安装底座用于调整激光传感器与焊枪之间的X、Y、Z向的三维空间相对位置及安装角度，同时所述传感器安装底座具备绝缘功能，实现传感器和焊枪之间的绝缘。
本方案的激光传感器可跟随焊枪运动，实现焊接过程中焊缝特征在线检测，激光传感器和焊枪的安装角度可通过传感器安装底座进行调整，以保证焊接熔池和焊缝特征点检测位置达到最优。传感器安装底座具备绝缘功能，可实现传感器和焊枪之间的绝缘，以避免焊接过程中的产生的300A左右的大电流对传感器的损害。传感器安装底座可确保传感器本体内部工业摄像机和条纹式激光发生器之间夹角最优，实现三角测量原理。
进一步地，所述的传感器安装底座包括传感器底座固定板、工业铰链合页、传感器安装侧板、传感器安装基板、传感器活动底板、传感器底座左支承条、传感器底座右支承条，所述传感器安装侧板上沿X向设置有安装激光传感器的长圆孔，所述的传感器安装基板上沿Y向安装所述传感器安装侧板的长圆孔，所述的传感器活动底板上沿Z向设置有安装传感器安装基板的长圆孔，所述的传感器底座固定板固定在焊枪上，所述传感器活动底板通过工业铰链合页与所述传感器底座固定板活动铰接，所述传感器活动底板的两侧分别铰接有连接焊枪的传感器底座左支承条和传感器底座右支承条，所述传感器底座左支承条和传感器底座右支承条的连接焊枪的一端均设置有长圆孔，该长圆孔内设置有调节所述传感器活动底板安装角度的调节螺钉。
本方案为保证焊接熔池和焊缝特征点检测位置达到最优，即在低噪声情况下，激光条纹与焊枪的距离最小，使激光传感器通过传感器安装基板固定在传感器活动底板上，传感器活动底板通过工业铰链和传感器底座固定板连接，传感器底座左支承条和传感器底座右支承条连接传感器活动底板和焊枪，通过传感器底座左支承条和传感器底座右支承条调整激光传感器和焊枪的安装角度。通过调节激光传感器在传感器安装侧板的位置实现激光传感器沿X轴方向移动，通过调节传感器安装侧板在传感器安装基板的位置实现激光传感器沿Y轴方向移动，通过调节传感器安装基板在传感器底座活动板的位置实现传感器沿Z轴方向运动，通过调节激光传感器和焊缝的相对位置，确保激光条纹与焊缝的交点被相机垂直捕捉到。
进一步地，所述激光传感器包括激光传感器本体、工业摄像机、条纹式激光发生器、激光发生器底座，所述的工业摄像机竖直固定在激光传感器本体内，所述条纹式激光发生器通过激光发生器底座固定在激光传感器本体内且轴线与工业摄像机的轴线呈一定夹角。
本方案中，为确保传感器本体内部工业摄像机和条纹式激光发生器之间夹角最优，实现三角测量原理。传感器内部工业摄像机竖直安装，条纹式激光发生器倾斜安装，工业摄像机主轴和条纹式激光发生器主轴成一定夹角实现利用三角测量原理获取焊缝信息。
进一步地，所述条纹式激光发生器的轴线与工业摄像机的轴线的夹角为20o。
进一步地，所述的工业摄像机采用CMOS相机，所述的CMOS相机高速采集携带焊缝信息的特征条纹图像。
进一步地，所述的条纹式激光发生器为三线激光发生器，其波长为645～655nm，功率为30～35mW，三道线激光投射在焊缝表面形成表征焊缝轮廓特征的结构光条纹。
进一步地，所述的传感器安装底座4采用保证焊枪和激光传感器绝缘性的POM材料，POM的电绝缘性较好，几乎不受温度和湿度的影响，POM的介电强度为85kv/mm，体积电阻>1015Ω/cm3,表面电阻>1013Ω，因此可以保证焊枪和激光传感器绝缘。
本发明的工作原理是：激光传感器通过传感器底座安装在YMENS-300R焊枪前端，随焊枪一起运动。传感器底座有工业铰链连接，可以调整传感器与焊枪的安装角度，并且传感器本体、传感器底座的传感器安装侧板、传感器安装基板的相对位置可以改变，使得传感器可以在X、Y和Z三个方向移动，结合传感器内部的工业摄像机和激光发生器构成的夹角，实现了利用三角测量原理获取焊缝信息。
本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：
(1)激光传感器本体内部工业摄像机竖直安装，激光发生器倾斜安装，避免了由于工业摄像机倾斜安装和激光发生器竖直安装时导致的更多的噪声干扰问题，降低了图像处理的难度。
(2)工业摄像机主轴与激光发生器主轴成20度角。夹角过大，会导致传感器本体体积过大，夹角过小，会导致激光条纹与焊缝的交点偏离相机主轴，相机需要上移，激光条纹特征不明显,影响测量精度。通过实验证明，这一角度最优。
(3)传感器底座与焊枪的安装角度可以调整，传感器相对焊枪的位置可以调整，从而可以改变激光条纹相对熔池的距离，使传感器在低的噪声干扰时，激光条纹与熔池距离最小，提高焊缝跟踪精度，同时也保证了三角测量原理的有效应用。
附图说明
图1a是三角测量原理的成像坐标系示意图。
图1b是当测量平面位于参考平面时(Δh＝0)的三角测量原理。
图1c是当测量平面位于参考平面之下(Δh>0)时的三角测量原理。
图1d是当测量平面位于参考平面之上(Δh<0)时的三角测量原理。
图2是小孔成像模型图。
图3是适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置示意图。
图4是激光传感器本体内部图。
图5是传感器安装底座结构图。
图中所示为：1-工业机器人；2-焊枪；3-激光传感器；31-激光传感器本体；32-工业摄像机；33-条纹式激光发生器；34-激光发生器底座；4-传感器安装底座；41-传感器底座固定板；42-工业铰链合页；43-传感器安装侧板；44-传感器安装基板；45-传感器活动底板；46-传感器底座左支承条；47-传感器底座右支承条。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图3至图5所示，一种适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置，包括激光传感器3和传感器安装底座4，所述激光传感器3通过传感器安装底座4固定在焊枪2前端，用于利用三角测量原理获取焊缝信息；所述的传感器安装底座4用于调整激光传感器与焊枪之间的X、Y、Z向的三维空间相对位置及安装角度，同时所述传感器安装底座4具备绝缘功能，实现传感器和焊接工件之间的绝缘。
具体地，所述的传感器安装底座4包括传感器底座固定板41、工业铰链合页42、传感器安装侧板43、传感器安装基板44、传感器活动底板45、传感器底座左支承条46、传感器底座右支承条47，所述传感器安装侧板43上沿X向设置有安装激光传感器3的长圆孔，所述的传感器安装基板44上沿Y向安装所述传感器安装侧板43的长圆孔，所述的传感器活动底板45上沿Z向设置有安装传感器安装基板44的长圆孔，所述的传感器底座固定板41固定在焊枪2上，所述传感器活动底板45通过工业铰链合页42与所述传感器底座固定板41活动铰接，所述传感器活动底板45的两侧分别铰接有连接焊枪2的传感器底座左支承条46和传感器底座右支承条47，所述传感器底座左支承条46和传感器底座右支承条47的连接焊枪2的一端均设置有长圆孔，该长圆孔内设置有调节所述传感器活动底板45安装角度的调节螺钉。
具体地，所述激光传感器3包括激光传感器本体31、工业摄像机32、条纹式激光发生器33、激光发生器底座34，所述的工业摄像机32竖直固定在激光传感器本体31内，所述条纹式激光发生器33通过激光发生器底座34固定在激光传感器本体31内且轴线与工业摄像机32的轴线呈20o夹角。
具体地，所述条纹式激光发生器33的轴线与工业摄像机32的轴线的夹角为20o。
具体地，所述的工业摄像机32采用CMOS相机，所述的CMOS相机高速采集携带焊缝信息的特征条纹图像。
具体地，所述的条纹式激光发生器33为三线激光发生器，其波长为645～655nm，功率为30～35mW，三道线激光投射在焊缝表面形成表征焊缝轮廓特征的结构光条纹。
具体地，所述的传感器安装底座4采用保证焊枪和激光传感器绝缘性的POM材料。
如图3所示，本实施例的激光传感器3通过传感器安装底座4安装在YMENS-300R焊枪前端，焊枪2安装在六轴工业机器人1上，激光传感器3随焊枪2一起运动。本实施例中BASLER-acA1600-60gc工业摄像机32直接竖直安装在激光传感器本体31中，NL-03L-660-100-30条纹式激光发生器33安装在激光发生器底座34上，条纹式激光发生器33倾斜安装在激光传感器本体31中，工业摄像机32主轴与条纹式激光发生器33主轴为夹角为20度。
如图4所示，本实施例中激光传感器本体31安装在传感器安装侧板43上，使激光传感器3相对焊枪2位置可以在X轴方向调整；传感器安装侧板43安装在传感器安装基板44上，使激光传感器3相对焊枪2位置可以在Y轴方向调整；传感器安装基板44安装在传感器活动底板45上，使激光传感器3相对焊枪2位置可以在Z轴方向调整；传感器活动底板45通过1英寸工业铰链合页42与传感器底座固定板41连接，激光传感器本体31与焊枪2的安装角度通过传感器底座左支承条46和传感器底座右支承条47调整，传感底座固定板41直接安装在焊枪2上。通过以上安装方式，激光传感器3的检测高度和检测距离都可以调整。
三角测量法的数学模型如图1a-图1d所示，摄像机光学平面与测量平面平行且距离为H+Δh。如附图1b)所示，当测量平面位于参考平面时Δh＝0，此时激光平面、测量平面和光轴相交于点P，该点在成像平面的像P'与O1重合。当被测平面上下移动时，Δh发生变化，P和P'的位置也相应地发生了规律性变化，如附图1c)、1d)所示。利用几何关系，可得z和u的关系为：
式中，H为参考平面高度，f为焦距，θ为光轴与激光平面的夹角。
摄像机的针孔模型如附图2所示，以光心o2为原点的坐标系o2xyz称为摄像机坐标系，以感光芯片中心o1为原点的坐标o1uv称为成像坐标系。假设目标点P在o2xyz坐标为(x,y,z)，像P'在o1uv坐标的坐标为(u,v)，由相似三角形原理可以推导出v和y，u和x的投影关系为：
y＝-(z/f)v (2)
x＝-(z/f)u (3)
图像采用像素坐标(c,r)，与成像坐标表示点的物理位置不同，像素坐标是离散的，代表像素点在CMOS阵列中的行数和列数。建立像素坐标与成像坐标的关系如下：
式中，Sx和Sy分别表示CMOS芯片上水平相邻和垂直相邻的两个感光元的距离，(Cx,Cy)表示光轴和成像平面的交点的像素坐标。
联立式(1)-(4)式可以得到:
式中，(Sx,Sy,f,Cx,Cy)统称为摄像机的内部参数，H和θ为结构参数。
式(5)建立了图像中激光条纹上一点的二维像素坐标(c,r)与该点在摄像机坐标系下的三维坐标(x,y,z)的映射关系。
本实施例所述的各零部件可选型如下，但选型不限于此：工业摄像机1：可选用其他类型的工业摄像机；条纹式激光发生器3：可选用其他型号激光发生器；1英寸工业铰链合页，可选用其他铰链合页；传感器安装侧板43、传感器安装基板44、传感器活动底板45可选用其他绝缘材料。
上述实施例为本方面较佳的实施方式，但本方明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置，其特征在于：包括激光传感器(3)和传感器安装底座(4)，所述激光传感器(3)通过传感器安装底座(4)固定在焊枪(2)前端，用于利用三角测量原理获取焊缝信息；所述的传感器安装底座(4)用于调整激光传感器与焊枪之间的X、Y、Z向的三维空间相对位置及安装角度，同时所述传感器安装底座(4)具备绝缘功能，实现传感器和焊枪之间的绝缘；
所述的传感器安装底座(4)包括传感器底座固定板(41)、工业铰链合页(42)、传感器安装侧板(43)、传感器安装基板(44)、传感器活动底板(45)、传感器底座左支承条(46)、传感器底座右支承条(47)，所述传感器安装侧板(43)上沿X向设置有安装激光传感器(3)的长圆孔，所述的传感器安装基板(44)上沿Y向安装所述传感器安装侧板(43)的长圆孔，所述的传感器活动底板(45)上沿Z向设置有安装传感器安装基板(44)的长圆孔，所述的传感器底座固定板(41)固定在焊枪(2)上，所述传感器活动底板(45)通过工业铰链合页(42)与所述传感器底座固定板(41)活动铰接，所述传感器活动底板(45)的两侧分别铰接有连接焊枪(2)的传感器底座左支承条(46)和传感器底座右支承条(47)，所述传感器底座左支承条(46)和传感器底座右支承条(47)的连接焊枪(2)的一端均设置有长圆孔，该长圆孔内设置有调节所述传感器活动底板(45)安装角度的调节螺钉。
2.根据权利要求1所述的适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置，其特征在于：所述激光传感器(3)包括激光传感器本体(31)、工业摄像机(32)、条纹式激光发生器(33)、激光发生器底座(34)，所述的工业摄像机(32)竖直固定在激光传感器本体(31)内，所述条纹式激光发生器(33)通过激光发生器底座(34)固定在激光传感器本体(31)内且轴线与工业摄像机(32)的轴线呈一定夹角。
3.根据权利要求2所述的适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置，其特征在于：所述条纹式激光发生器(33)的轴线与工业摄像机(32)的轴线的夹角为20o。
4.根据权利要求2所述的适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置，其特征在于：所述的工业摄像机(32)采用CMOS相机，所述的CMOS相机高速采集携带焊缝信息的特征条纹图像。
5.根据权利要求2所述的适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置，其特征在于：所述的条纹式激光发生器(33)为三线激光发生器，其波长为645~655nm，功率为30~35mW，三道线激光投射在焊缝表面形成表征焊缝轮廓特征的结构光条纹。
6.根据权利要求1所述的适用于垂直关节型六轴工业机器人的线激光焊缝检测装置，其特征在于：所述的传感器安装底座(4)采用保证焊枪和激光传感器绝缘性的POM材料。
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