CN111215800B - 一种用于焊接维修机器人的维修量检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于焊接维修机器人的维修量检测装置及检测方法，装置包括多级光路检测模块、微型处理器和将多级光路检测模块安装在焊接维修机器人前端机械臂上的让位连接机构，多级光路检测模块包括隔热外壳和安装在隔热外壳上的激光发射组件及激光接收组件，所述激光接收组件用于接收检测区域反射的激光并将数据传递给微型处理器；所述激光发射组件通过角度调整装置安装在隔热外壳上，通过角度调整装置可以调整多级光路检测模块的检测高度。本发明利用焊接维修机器人携带维修量检测装置对待检测工件进行激光扫描。然后利用数据处理进行维修量检测建模，指导焊接维修机器进行焊接维修加工。本发明结构简单，检测效率高，成本低廉。

Description

一种用于焊接维修机器人的维修量检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于检测技术领域，涉及一种工件表面检测技术，特别是涉及一种用于焊接维修机器人的维修量检测装置及检测方法。

背景技术

堆焊技术将金属填充到缺损部分的工艺其本质依旧为焊接技术，但却是一种先进修复技术理念。利用此技术不仅可以保证装备的使用可靠性，而且可以使用可溶性材料进行表面或部分区域强化处理。在要求工业自动化、智能化的今天，依靠劳动密集型作业的手工焊接方法已不能满足现代工厂制造的要求，并且高级焊接技师也越来越少。焊接生产的自动化和智能化也可以保证焊接质量，降低生产成本，提高生产效率，改善劳动条件。因此利用机器人代替工人符合我国打造工业强国的发展趋势。

采用人工和接触测量对待修复区域进行检测的方法不能和高效率的焊接机器人相匹配，且非接触测量技术更加成熟。依靠机器视觉的检测方法能够在恶劣环境中依旧保持检测的高精度，并且其效率和机器人属于同一频道。近年来基于激光三角测量原理的线激光三维扫描方法发展迅速，具有非接触、高效、信息量大的优点，能够保证焊接检测工作的高质量完成。在此背景下，发明一种应用于六轴全关节型焊接机器人的检测装置，为焊接机器人提供待焊接区域坡口和截面参数。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于焊接维修机器人的维修量检测装置及检测方法，解决现有技术中检测装置无法与焊接机器人匹配的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种用于焊接维修机器人的维修量检测装置，其特征在于：包括多级光路检测模块、微型处理器和将多级光路检测模块安装在焊接维修机器人前端机械臂上的让位连接机构，通过让位连接机构驱动多级光路检测模块处于检测区域进行检测或者远离检测区域；所述多级光路检测模块包括隔热外壳和安装在隔热外壳上的激光发射组件及激光接收组件，所述激光发射组件用于发射检测激光，所述激光接收组件用于接收检测区域反射的激光并将数据传递给微型处理器；所述激光发射组件通过角度调整装置安装在隔热外壳上，通过角度调整装置可以调整激光发射组件和激光接收组件之间的夹角，从而调整多级光路检测模块的检测高度。

作为改进，所述让位连接机构包括太阳轮、内齿圈、驱动电机和多个行星小齿轮，所述太阳轮同轴固定在焊接维修机器人的机械臂上，所述内齿圈同轴套设在太阳轮上，多个行星小齿轮啮合安装在内齿圈与太阳轮之间，其中一个行星小齿轮与驱动电机动力传动相连，所述隔热外壳固定安装在内齿圈上。

作为改进，所述激光发射组件包括激光发射器和透镜组，通过透镜组激光发射器发射的激光束转化成线激光；所述激光接收组件包括感光矩阵、镜片组和滤光片，工件待测表面反射的激光经过滤光片处理后，再由镜片组变焦，最后在感光矩阵上将光信号转换为数字信号。

作为改进，所述角度调整装置包括齿盘、直齿条、滑块、导轨、复位弹簧、角度调整电机和异形凸轮，所述齿盘通过转动副安装在隔热外壳上，所述激光发射组件固定安装在齿盘上，直齿条与齿盘外圈的齿啮合相连，直齿条另一端固定在滑块，所述导轨固定安装在隔热外壳上，所述滑块配合安装在导轨上，所述异形凸轮和复位弹簧分别安装在滑块两侧，其中复位弹簧一端与隔热外壳相连，另一端与滑块相连，所述异形凸轮通过角度调整电机驱动旋转，所述异形凸轮上设有至少两个不同轴心距的接触面，利用不同轴心距的接触面与滑块接触配合复位弹簧，使得直齿条处于不同的位置，从而驱动齿盘处于多个旋转角度，从而完成激光发射组件的角度调整。

作为改进，所述导轨有两个，两个导轨与直齿条平行安装，所述滑块两端分别安装在两个导轨上。

作为改进，所述异形凸轮上设有三个接触面，其中一个接触面为圆形边，另外两个接触面为不同圆心距的切边。

作为改进，所述隔热外壳采用聚苯硫醚材料制成。

作为改进，所述的维修量检测装置还包括PC端数据处理系统，所述微型处理器通过无线或者有线与PC端数据处理系统进行数据交换，利用PC端数据处理系统处理维修量检测装置获取的数据和控制视觉焊接维修机器的动作。

一种上述维修量检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，安装设备，检测通电状况，利用让位连接机构将多级光路检测模块调至扫描方向，根据实际工况的高度利用角度调整装置调整多级光路检测模块的级别，使激光接收组件采集状态达到最佳状态，并调用对应不同级别的标定关系；

步骤2，标定完成后将设备移至工件待修复区域的边界处，在焊接维修机器人控制面板处设置以一定移动速度对待检测区域扫描；

步骤3，焊接维修机器人扫描待加工区域，获得数据并经过微型处理器后传输至PC端数据处理系统；

步骤4，初始信号为点云数据，由于在检测时会有干扰和误差，点云数据存在错误点和干扰点，采用基于PCL的滤波器去噪；

步骤5，对去噪处理后的点云数据进行简化处理，采用给定最小距离点云采样法形成新的点云图；

步骤6，将点云图相邻两点进行连接，由点成面，采用Delaunay三角剖分方法将连接面和相机标定得到的几何关系三维重构得到实际待加工区域三维模型；

步骤7，提取待焊接加工区域的工艺参数，并发送至焊接维修机器人控制中心形成焊接轨迹和工艺参数；

步骤8，启动驱动电机带动让位连接机构将多级光路检测模块转向远离待焊接区域的方向，避免在焊接过程中维修量检测装置和焊接加工表面或者工件发生碰撞。

作为改进，所述步骤4中，滤波器去噪具体方式如下：

用户指定在点云数据中距离每个点一定范围内周围至少要有足够多的邻近点，否则就将该点删除，如果指定至少要有1个邻近点则A点被删除，如果指定至少要有2个邻近点则A、 B两点被删除，如果指定至少要有3个点，A、B、C点同时被删除。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.将维修量检测装置安装在焊接维修机器人的第五轴上，利用焊接维修机器人进行扫描作业，不需另外搭建检测平台。

2.将维修量检测装置利用让位连接机构安装于第五轴能有效地避免碰撞的发生，避免焊接作业出现事故，即利用了焊接机器人作为检测平台，又不对焊接机器人的焊接作业造成干扰，一举两得。

3.采用隔热外壳保护维修量检测装置，一方面避免了焊接作业产生的光和热不会影响检测，另一方面美观并且有效保护精密元件不受灰尘影响。

附图说明

图1为维修量检测装置安装在焊接维修机器人上整体结构图；

图2为维修量检测装置整体结构图；

图3为让位连接组件整体结构图；

图4为第五轴整体结构图；

图5为本发明实施例中点云数据去噪原理示意图；

图6为本发明实施例中改进的最小二乘法原理示意图。

1-激光发射组件，11-激光发射器，12-透镜组，2-激光接收组件，21-感光矩阵，22-镜片组，23-滤光片，3-隔热外壳，4-微型处理器，5-让位连接机构，51-太阳轮，52-内齿圈，53- 驱动电机，54-行星小齿轮，6-角度调整装置，61-齿盘，62-直齿条，63-滑块，64-导轨，65- 复位弹簧，66-异形凸轮，7-供电组件，8-PC端数据处理系统，9-焊接维修机器人，91-第五轴。

具体实施方式

本发明提供一种基于机器焊接维修机器人维修量检测装置。

下面结合实施例及附图1至图3对本发明作进一步说明。

本发明提供一种基于机器视觉的维修量检测装置，用于安装在焊接维修机器人9上，利用焊接维修机器人9携带用于对待焊接加工表面的检测。维修量检测装置的结构如图1所示：包括多级光路检测模块、微型处理器4、供电组件7、PC端数据处理系统8和将多级光路检测模块安装在焊接维修机器人9前端机械臂上的让位连接机构5，通过让位连接机构5驱动多级光路检测模块处于检测区域进行检测或者远离检测区域；所述多级光路检测模块包括隔热外壳3和安装在隔热外壳3上的激光发射组件1及激光接收组件2，所述激光发射组件1 用于发射检测激光，所述激光接收组件2用于接收检测区域反射的激光并将数据传递给微型处理器4；所述激光发射组件1通过角度调整装置6安装在隔热外壳3上，通过角度调整装置6可以调整激光发射组件1和激光接收组件2之间的夹角，从而调整多级光路检测模块的检测高度。

所述激光发射组件1和激光接收组件2于工件待检测表面上方一定距离使镜片聚焦达到最佳状态，激光发射组件1和激光接收组件2两装置位置相对固定并呈一定角度，并且该角度通过角度调整装置6可调，由激光发射组件1、激光接收组件2以及隔热外壳3组成的多级光路检测模块可随让位连接机构5进行转动，让位连接机构5固定在六轴焊接维修机器人的第五轴91上，激光接收组件2和微型处理器4通过数据线相连，微型处理器4利用WIFI将数据传递到PC端数据处理系统8，整体结构转动利用驱动电机53和供电组件7驱动。

如图2所示，激光接收组件2由感光矩阵21、镜片组22和滤光片23组成，工件待测表面反射的激光经过滤光片23处理，再由镜片组22变焦，最后在感光矩阵21上将光信号转换为数字信号。

如图2所示，激光发射组件1由激光发射器11和透镜组12组成，将激光发射器11发射的激光束转化成线激光。

如图2所示，隔热外壳3采用PPS(聚苯硫醚)材料制成，所述角度调整装置6包括齿盘61、直齿条62、滑块63、导轨64、复位弹簧65、角度调整电机(图2中未画出)和异形凸轮66，所述齿盘61通过转动副安装在隔热外壳3上，所述激光发射组件1固定安装在齿盘61上，直齿条62与齿盘61外圈的齿啮合相连，直齿条62另一端固定在滑块63，所述导轨64固定安装在隔热外壳3上，所述滑块63配合安装在导轨64上，所述异形凸轮66和复位弹簧65分别安装在滑块63两侧，其中复位弹簧65一端与隔热外壳3相连，另一端与滑块 63相连，所述异形凸轮66通过角度调整电机驱动旋转，所述异形凸轮66上设有至少两个不同轴心距的接触面，利用不同轴心距的接触面与滑块63接触配合复位弹簧65，使得直齿条 62处于不同的位置，从而驱动齿盘61处于多个旋转角度，从而完成激光发射组件1的角度调整。所述异形凸轮66上设有三个接触面，其中一个接触面为圆形边，另外两个接触面为不同圆心距的切边。利用角度调整装置6可以改变激光发射组件1和激光接收组件2之间的角度以改变激光接收组件2的测量高度，其中角度分为1、2、3种级别，分别对应异形凸轮66上的三个接触面与滑块63接触。

如图3所示，所述让位连接机构5包括太阳轮51、内齿圈52、驱动电机53和三个行星小齿轮54，让位连接机构5的太阳轮51和焊接维修机器人9的第五轴91同心固定，所述内齿圈52同轴套设在太阳轮51上，三个行星小齿轮54啮合安装在内齿圈52与太阳轮51之间，其中一个行星小齿轮54与驱动电机53动力传动相连，所述隔热外壳3固定安装在内齿圈52 的外侧上，其中行星小齿轮54数量不限于三个，可以根据需要选择多个。比如3-6个。

如图4所示，驱动电机53采用小型直流电机，驱动电机53固定在第五轴91外侧并和让位连接机构5的某一行星小齿轮54轴连接相连。

下面以某一轧辊零件焊接为例，对本发明进行详细阐述。

启动焊接维修机器人9和维修量检测装，首先对焊接维修机器人9进行调试，检查维修量检测装是否正常工作。

根据实际工况采用不同高度使相机(多级光路检测模)采集状态达到最佳状态，调用对应不同级别的标定关系，得到关于实际和检测模型的几何关系。根据焊接方案确定待焊接修复加工表面，划分扫描区域。

在焊接维修机器人9控制面板上根据工艺要求设定扫描速度，通过微型处理器4的控制面板将维修量检测装置于待扫描方向，操控焊接维修机器人9沿待检测表面方向移动。

扫面检测数据通过WIFI传递至PC端数据处理系统8，首先对点云数据进行去噪处理，使得三维重构得到的模型更加接近于原型。采用基于PCL的滤波器进行去噪。例如RadiusOutlierRemoval滤波器，其基本原理：用户指定在点云数据中距离每个点一定范围内周围至少要有足够多的邻近点，否则就将该点删除。如果指定至少要有1个邻近点则A点被删除，如果指定至少要有2个邻近点则A、B两点被删除，如果指定至少要有3个点，A、B、C点同时被删除，如图5所示。

对去噪处理后的点云数据进行简化处理，在实际的应用中，过多的点云数据也会影响后续处理、存储以及点云重建的算法效率，增加处理时间。因而有时候根据实际需求，会对点云数据进行有效采样，去除冗余数据点，减少点云个数，再进行三维重建。采用给定最小距离点云采样法形成新的点云图，采样的步骤如下：

第一步：规定一个采样简化之后的点云之间的最小距离为d_min，Delete[i]＝FALSE， i＝1,2,3,4,…n。

第二步：沿着线激光扫描的方向依次比较相邻两点之间的距离d，如果d<d_min，令Delete[i]＝TRUE，删除该点并把后面的点记录下来。若不满足，就保留该点，并将其作为下一步比较的基准点，计算其与下一个点的点间距离，再将其与d_min,进行比较。依次类推遍历判断扫描线上所有的扫描点，直到所有点完成距离的比较。

采用Delaunay三角剖分方法将点成面得到待修复表面的轮廓，其原理：对于两个共边的三角形，任意一个三角形的外接圆中都不能包含有另一个三角形的顶点，这种形式的剖分产生的最小角最大。结合相机标定时几何关系将模型按比例还原成实际大小。

由于缺陷部分一般呈现为规则形状，所以在一定长度方向上缺陷的截面形状和尺寸相同，所以只需要得到任意一截面的参数和缺陷的长度就可以知道到这一段距离缺陷的体积。下面的方法是对一个截面上的修复参数的提取。

采用改进的最小二乘法对修复参数提取，改进的最小二乘法的主要步骤如下：

(1)依次对点云数据进行编号，从点云数据一端按顺序读取n(5-10)组数据组并保存，使用最小二乘法计算拟合线y₁＝k₁×x+b₁，x，y分别为截面内二维坐标的横纵坐标，b₁位常数，k₁位系数。计算数据C₁中每个点的截距M_i(i＝1,2,3…n)，并找出最大截距M_max；

(2)读取第n+1个数据，并计算其截距M_n+1与最大截距M_max的比值F。如果F＜F_m(F_m＝ρ·M_max,ρ＞1.5)，将第x_n+1个点添加到数据C₁。然后拟合线y₁由于加入了新的点 x_n+1而改变。如果F＞F_m，则第x_n+1个点被储存进数据C_e中；

(3)如果n个连续的点中没有点被储存进数据C_e里，则清空数据C_e；当数据C_e中连续2n 组数据里有2n-p(自定义的)个点并且这些点都在行y_i(i＝1,2,3,…,n)的一侧时，将第x_n+i个点作为转折点。该点作为新的行的起点，并且存储最后一行方程。之后再从步骤(1)重复进行，如图6所示。

提取待焊接区域参数，导入焊接维修机器人9形成焊接轨迹和工艺参数，检测工作完成。通过微型处理器4的控制面板将维修量检测装置置于远离焊接方向，防止在焊接过程中发生碰撞。

Claims (10)

1.一种用于焊接维修机器人的维修量检测装置，其特征在于：包括多级光路检测模块、微型处理器和将多级光路检测模块安装在焊接维修机器人前端机械臂上的让位连接机构，通过让位连接机构驱动多级光路检测模块处于检测区域进行检测或者远离检测区域；所述多级光路检测模块包括隔热外壳和安装在隔热外壳上的激光发射组件及激光接收组件，所述激光发射组件用于发射检测激光，所述激光接收组件用于接收检测区域反射的激光并将数据传递给微型处理器；所述激光发射组件通过角度调整装置安装在隔热外壳上，通过角度调整装置可以调整激光发射组件和激光接收组件之间的夹角，从而调整多级光路检测模块的检测高度。

2.如权利要求1所述的维修量检测装置，其特征在于：所述让位连接机构包括太阳轮、内齿圈、驱动电机和多个行星小齿轮，所述太阳轮同轴固定在焊接维修机器人的机械臂上，所述内齿圈同轴套设在太阳轮上，多个行星小齿轮啮合安装在内齿圈与太阳轮之间，其中一个行星小齿轮与驱动电机动力传动相连，所述隔热外壳固定安装在内齿圈上。

3.如权利要求2所述的维修量检测装置，其特征在于：所述激光发射组件包括激光发射器和透镜组，通过透镜组激光发射器发射的激光束转化成线激光；所述激光接收组件包括感光矩阵、镜片组和滤光片，工件待测表面反射的激光经过滤光片处理后，再由镜片组变焦，最后在感光矩阵上将光信号转换为数字信号。

4.如权利要求2所述的维修量检测装置，其特征在于：所述角度调整装置包括齿盘、直齿条、滑块、导轨、复位弹簧、角度调整电机和异形凸轮，所述齿盘通过转动副安装在隔热外壳上，所述激光发射组件固定安装在齿盘上，直齿条与齿盘外圈的齿啮合相连，直齿条另一端固定在滑块，所述导轨固定安装在隔热外壳上，所述滑块配合安装在导轨上，所述异形凸轮和复位弹簧分别安装在滑块两侧，其中复位弹簧一端与隔热外壳相连，另一端与滑块相连，所述异形凸轮通过角度调整电机驱动旋转，所述异形凸轮上设有至少两个不同轴心距的接触面，利用不同轴心距的接触面与滑块接触配合复位弹簧，使得直齿条处于不同的位置，从而驱动齿盘处于多个旋转角度，从而完成激光发射组件的角度调整。

5.如权利要求4所述的维修量检测装置，其特征在于：所述导轨有两个，两个导轨与直齿条平行安装，所述滑块两端分别安装在两个导轨上。

6.如权利要求4所述的维修量检测装置，其特征在于：所述异形凸轮上设有三个接触面，其中一个接触面为圆形边，另外两个接触面为不同圆心距的切边。

7.如权利要求1所述的维修量检测装置，其特征在于：所述隔热外壳采用聚苯硫醚材料制成。

8.如权利要求2-7任意一项所述的维修量检测装置，其特征在于：还包括PC端数据处理系统，所述微型处理器通过无线或者有线与PC端数据处理系统进行数据交换，利用PC端数据处理系统处理维修量检测装置获取的数据和控制视觉焊接维修机器的动作。

9.一种权利要求8所述的维修量检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，安装设备，检测通电状况，利用让位连接机构将多级光路检测模块调至扫描方向，根据实际工况的高度利用角度调整装置调整多级光路检测模块的级别，使激光接收组件采集状态达到最佳状态，并调用对应不同级别的标定关系；

步骤2，标定完成后将设备移至工件待修复区域的边界处，在焊接维修机器人控制面板处设置以一定移动速度对待检测区域扫描；

步骤3，焊接维修机器人扫描待加工区域，获得数据并经过微型处理器后传输至PC端数据处理系统；

步骤4，初始信号为点云数据，由于在检测时会有干扰和误差，点云数据存在错误点和干扰点，采用基于PCL的滤波器去噪；

步骤5，对去噪处理后的点云数据进行简化处理，采用给定最小距离点云采样法形成新的点云图；

步骤6，将点云图相邻两点进行连接，由点成面，采用Delaunay三角剖分方法将连接面和相机标定得到的几何关系三维重构得到实际待加工区域三维模型；

步骤7，提取待焊接加工区域的工艺参数，并发送至焊接维修机器人控制中心形成焊接轨迹和工艺参数；

步骤8，启动驱动电机带动让位连接机构将多级光路检测模块转向远离待焊接区域的方向，避免在焊接过程中维修量检测装置和焊接加工表面或者工件发生碰撞。

10.如权利要求9所述的检测方法，其特征在于：所述步骤4中，滤波器去噪具体方式如下：

用户指定在点云数据中距离每个点一定范围内周围至少要有足够多的邻近点，否则就将该点删除，所述邻近点的数量根据需要指定。

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