CN115609113A - 一种应用于整流器的tig焊视觉、接触双传感融合传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及公开了一种应用于整流器的TIG焊视觉、接触双传感融合传感器，该传感器主要由单目视觉传感器、接触式传感器、风冷调温机构等结构构成，通过单目视觉传感器可以获取整流器焊缝表面的平面模型，结合接触式传感器可以获取焊缝位置相对于基座标的三维坐标值，根据焊缝处坐标可以实现整流器的自动化焊接，该传感器具有结构简单，实用性高，使用稳定，寿命长等特点。
Description
技术领域
本发明属于一种自动化焊接设备，具体涉及一种应用于整流器的TIG焊视觉、接触双传感融合传感器。
背景技术
TIG焊是现在一种非常常见的焊接方法，其广泛用于焊接容易氧化的有色金属铝、镁等及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金，还有难熔的活性金属(如钼、能、错等)，其可以有效的较少高压容器中的气孔，整流器是由高温合金构成，其主要焊接要求是实现是主体内框外框与页片之间的连接，因其特殊的结构和特殊的应用场景，其对焊接工艺和焊接方式要求较高，现在普遍使用TIG焊来对相关工件进行加工，但整流器的焊缝是空间异形焊缝，且焊缝处的焊接空间很小，现在常用的焊接传感器有视觉传感器、磁控传感器等，视觉传感器中，单目视觉传感器很难提取出准确的焊缝深度信息，所以常应用于平面焊缝，对于空间异型焊缝的检测难度很大，现在，针对于整流器的空间异型焊缝，提出一种TIG焊视觉、接触双传感融合传感器，可以有效的提取出焊缝处的焊缝信息。
综上所述，国内外在TIG焊焊接方面主要集中于使用磁控传感器和视觉传感器进行焊缝跟踪，暂时还没有相关TIG焊视觉、接触双传感融合传感器出现。
发明内容
本发明的目的是实现整流器的自动化焊接，针对整流器的特殊材质和焊缝特殊结构，提出一种TIG焊视觉、接触双传感融合传感器，结合执行机构，可以实现整流器的自动化焊接。
本发明的目的是通过如下方式的技术方案实现的，如图1所示，该传感器主要由单目视觉传感器、TIG焊焊接电源、风冷调节机构、A/D数据转换模块、执行机构、控制端、送丝机构等部分组成；一种应用于整流器的TIG焊视觉、接触双传感融合传感器，单目视觉传感器通过u型槽(30)和安装孔(32)安装于焊枪的两侧，通过调整u型槽的螺钉安装位置可以调整视觉的安装角度，确保单目视觉传感器拍摄到清晰的图像，在焊接之前，单目觉传感器拍摄焊缝处的图片，图片信息通过A/D转换模块传递至控制端，控制端对图像进行处理，可以获取焊缝处的水平位置信息。
焊接过程中，传感器位置温度较高，容易引起视觉传感器的灵敏度下降，为此在焊缝跟踪传感器上布置了风冷调节机构，实时检测视觉传感器表面的温度，所述的风冷调节机构的结构示意图如图2所示，风冷机构主要由气管接头(12)、气管、电磁阀、激光温度传感器(11)，其中气管接头共有四个，其上带有螺纹，安装于传感器的前后，前面为进气口，后面为出气口，气管接头正对着视觉传感器表面，激光温度传感器前端有螺纹，其安装在气管接头上方，其激光束照在视觉传感器上，实际工作时，激光温度传感器实时接收视觉传感器表面的温度，将检测温度值通过A/D转换模块传递至控制端，控制端控制电磁阀向视觉传感器表面输送冷空气，实时控制其表面温度。
所述的接触式传感器的结构示意图如图2、图3、图4和图5所示，送丝管(33) 通过螺钉(14)固定在接触式传感器外壳(16)上，送丝轮(24)与电机(23) 连接，电机(23)通过螺钉安装于接触式传感器外壳(16)后壁上，通过两个送丝轮同时同向转动可以控制焊丝伸长和抽丝，压力传感器(25)安装于接触式传感器末端，焊丝从其中间通过，当焊丝触碰到焊缝中心时，压力值会突变，压力传感器(25)检测压力信号，并通过A/D转换传递至控制端，透明导丝管(19) 控制焊丝向指定方向移动，导丝管末端建立有焊枪坐标系，光电开关(18)和光电开关(19)平行放置于透明导丝管两侧，当有焊丝通过，其将信息传递至控制端，通过记录光电开关信号到压力传感器信号之间的时间间隔T1和电机转速可以求出焊丝伸出导丝管的长度，通过控制端计算，可以获取焊缝中心位置的深度信息，并在起焊点位置建立工件坐标系(31)。
所述的工件处的焊缝三维信息的提取方法如图7，上述焊丝传感器在焊接之前指向焊接的起始点位，通过获得焊丝的长度，在起焊点建立工件坐标系，在导丝管末端建立焊枪坐标系，通过获得焊丝的长度，获取两者之间的坐标变换关系，并通过d-h坐标变换转移至机器人基座标系中，通过焊丝的实时长度，可以计算出焊缝中心的深度信息，结合上述视觉传感器获取焊缝中心的水平坐标信息，可以获得焊缝在工件坐标系(31)中的三维坐标，并通过d-h坐标变换将焊缝信息传递至基座标，其d-h变化过程通过如下公式完成：
其中bp表示整流器焊缝在工件坐标系中的三维坐标，
表示工件坐标系相对于焊枪坐标系的坐标变化，
表示机器人关节之间的坐标变换，bp表示焊缝在工件坐标系中的三维坐标，其各关节之间的连杆参数如下表所示，通过获取上述的焊缝坐标值实现机器人实时跟踪，并根据焊缝信息，实时调控焊枪姿态，实现整流器的自动化焊接。
| 1j | ai-1 | ɑi-1 | bi | θi |
| 1 | a0 | ɑ0 | b1 | θ1 |
| 2 | a1 | ɑ1 | b2 | θ2 |
| 3 | a2 | ɑ2 | b3 | θ3 |
| 4 | a3 | ɑ3 | b4 | θ4 |
| 5 | a4 | ɑ4 | b5 | θ5 |
| 6 | a5 | ɑ5 | b6 | θ6 |
附图说明
图1为本发明的工作原理示意图
图2为本发明TIG焊视觉接触式双传感融合传感器的正方向外观图
图3为本发明TIG焊视觉接触式双传感融合传感器的底部外观图
图4为本发明接触传感器的内部结构示意图
图5送丝轮的安装结构示意图
图6为本发明整流器的自动化焊接示意图
图7为本发明整流器焊接过程示意图
图中：1-机器人，2-TIG焊枪，3-TIG焊视觉接触式双传感融合传感器，4-整流器夹具 5-整流器，6-双轴变位机，7-焊缝，8-焊枪前端，9-数据传输线，11-激光温度传感器，12-气管接头，13-螺钉1，14-螺钉2，16-接触式传感器外壳，17-机器人基坐标系，18-光电开关1，19-光电开关2，20-透明导丝管，22-焊嘴，23-电机， 24-送丝轮，25-压力传感器，27-焊枪坐标系，29-主动视觉传感器、30-u型槽， 31-工件坐标系，32-安装孔，33-送丝管
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明进行作出进一步的描述。
实施例1，参见图1，该传感器主要由单目视觉传感器(29)、TIG焊焊接电源、风冷调节机构、A/D数据转换模块、执行机构、控制端、送丝机构等部分组成。风冷调节机构的结构参见图2，所述的风冷调节机构的结构示意图如图2所示，风冷机构主要由气管接头(12)、气管、电磁阀、激光温度传感器(11)，其中气管接头(12)共有四个，其上带有螺纹，安装于传感器的前后，前面为进气口，后面为出气口，气管接头正对着视觉传感器表面，激光温度传感器前端有螺纹，其安装在气管接头上方，其激光束照在视觉传感器上，实际工作时，激光温度传感器实时接收视觉传感器表面的温度，将检测温度值通过A/D转换模块传递至控制端，控制端控制电磁阀向视觉传感器表面输送冷空气，实时控制其表面温度。
实施例2，接触式传感器结构参见图2图3和图4，送丝管(15)将焊丝引导至接触式传感器中，其通过螺钉(14)固定在接触式传感器外壳(16)上，送丝轮(24)与电机(23)连接，电机(24)通过螺钉安装于接触式传感器外壳(16) 后壁上，通过两个送丝轮同时同向转动可以控制焊丝伸长和回抽丝，压力传感器安装于接触式传感器末端，焊丝从其中间通过，当焊丝触碰到工件时，压力值会突变，压力传感器检测压力信号，并通过A/D转换传递至控制端，透明导丝管(19) 控制焊丝向指定方向移动，导丝管末端建立有焊枪坐标系，光电开关平行放置于透明导丝管两侧，当有焊丝通过，其将信息传递至控制端，通过记录光电开关信号到压力传感器信号之间的时间间隔T1和电机转速可以求出焊丝的长度，通过控制端计算，可以求出焊缝中心的深度信息。
所述的压力传感器的其工作流程如下，电机(24)控制焊丝移动，当焊丝通过光电开关，控制端获得信号，开始记录时间，当工件接触到起焊点时，压力传感器接收到信号，计时结束，通过计算电机的转速和时间，可以得到焊丝的长度，控制端在工件起焊点建立工件坐标系,起焊点为坐标原点，通过焊丝长度结合焊枪尾部姿态，在透明导丝管末端建立焊枪坐标系，透明导丝管(20)末端中心为坐标系原点。
实施例3，参见图3，单目视觉传感器(29)通过u型槽(30)和安装孔(32) 安装于焊枪的一侧，通过调整u型槽的螺钉安装位置可以调整视觉的安装角度，确保视觉传感器拍摄到清晰的焊缝图片，，图片信息通过A/D转换模块传递至控制端，控制端提取处焊缝中心的平面位置信息。
所述的整流器三维焊缝的信息提取过程如下，参见上述接触式传感器的三维坐标系的建立过程，焊接之前，机器人先进行位置示教，单目觉传感器获取焊缝中心处的平面位置信息，触觉传感器(16)控制焊丝接触焊缝的起焊点，获取起焊点的深度信息，结合视觉传感器，获取起焊点相对于基坐标(17)的三维坐标，在起焊点建立工件坐标系(31)，起焊点为坐标原点，随后控制机器人向焊接方向移动，视觉传感器与触觉传感器实时记录焊缝中心在工件坐标系中的三维坐标，控制端拟合出焊缝位置的三维模型以及三维坐标，后通过d-h坐标变换转换至基座标系，机器人控制焊枪实时更换姿态，确保焊枪实时对准焊缝中心。
实施例4，参见图7航空发动机整流器的自动化焊接过程如下，参见上述实施例 2的接触式传感器和实施例3的视觉传感器，控制端首先控制机器人移动到起焊点附近，单目视觉传感器开始获取焊缝起焊点的平面位置信息，随后，触觉传感器开始工作，焊丝尖端触碰到起焊点，通过上述触觉传感器方法获取起焊点的深度信息，随后机器人开始示教，机器人控制焊枪向焊接方向移动，伴随着视觉传感器与触觉传感器的配合，机器人实时获取整流器空间异形焊缝的三维坐标信息，并获取焊缝中心相对于工件坐标系中的三维坐标，根据d-h坐标变换，控制端得到焊枪对准焊缝中心时所需的实时位姿信息，控制焊枪实时改变姿态，直到示教结束，随后控制机器人完成焊缝处的焊接，配合变位机的水平旋转和上下翻转，实现对整个航空发动机外圈和内圈的自动化焊接过程。
Claims (3)
1.一种应用于整流器的TIG焊视觉、接触双传感融合传感器，其特征是:该传感器主要由主动视觉传感器、TIG焊焊接电源、风冷调节机构、A/D数据转换模块、执行机构、控制端、送丝机构等部分组成。
2.根据权利要求1所述的一种应用于整流器的TIG焊视觉、接触双传感融合传感器，其特征是该传感器安装于TIG焊焊枪上，其上安装有单目视觉传感器和焊丝接触式传感器；所述主动视觉传感器放置于焊枪一侧，通过u型槽(30)可以改变视觉传感器的摆放角度；风冷调节机构由气管接头、激光温度传感器、电磁阀、气管组成，气管接头安装在焊缝跟踪传感器主体前后位置，冷空气从前面进入，后面流出，激光温度传感器安装在气管接头的上方，激光束照射在视觉传感器上。
3.根据权利要求1所述的一种应用于整流器的TIG焊视觉接触式双传感融合传感器，其特征是所述焊丝接触式传感器，其安装于TIG焊枪焊丝端，TIG焊枪送丝管通过螺钉固定于接触式传感器上，接触式传感器内部安装有送丝轮，送丝轮与电机连接，电机通过螺钉安装于接触式传感器的侧面外壁上，可调控焊丝伸长长度，接触式传感器末端安装有压力传感器，焊丝穿过接触式传感器内部，流向透明导丝管中，压力传感器接收焊丝触碰工件时的反馈力，透明导丝管安装在触觉传感器末端，控制焊丝的移动方向，在透明导丝管的两端安装有对射式光电开关，检测焊丝通过。
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