CN2522214Y - 焊缝自动跟踪用线阵电荷耦合器件视觉传感器 - Google Patents

Abstract

一种焊缝自动跟踪用线阵电荷耦合器件视觉传感器，属焊接工艺及设备自动化领域。本传感器由光源发射部分，光源接收部分，支撑部分，执行机构四部分组成。支撑部分为一个支撑块，光源发射部分为两个发射镜筒，内装激光发生管，柱面透镜，两个发射镜筒安置在支撑块的两边，光源接收部分为一个接收镜筒，内装线阵CCD器件，圆透镜、滤光片、挡灰片，光源接收镜筒安装在两个光源发射镜筒之间。执行机构是一个丝杆、滑块机构，由水平导轨、垂直导轨、水平滑块、垂直滑块、丝杆所组成，水平导轨、水平滑块、丝杆、垂直导轨、垂直滑块、丝杆各组成一对运动付。本传感器可用于钢板及坡口在各种不同表面状况下的焊接。

Description

焊缝自动跟踪用线阵电荷耦合器件视觉传感器

技术领域

本实用新型涉及焊接时自动跟踪焊缝的传感器，属焊接工艺及设备自动化领域。

背景技术

在焊接过程中使焊炬始终与焊缝对中是保证焊接质量的重要前提。埋弧焊工艺由于焊接电弧埋在焊剂层下而不可见，在焊接过程中焊丝与焊缝偏离更是经常出现的问题。这一问题显然严重的影响了焊接质量、生产效率及经济效益。通过焊缝自动跟踪系统使焊炬在焊接全过程中始终与焊缝对中，显然是保证埋弧焊焊接质量的关键。

国内外对用于埋弧焊的自动跟踪系统进行了大量的研究，产生了几代跟踪用的传感器。第一代焊接跟踪用的传感器是触杆式传感器，其工作原理基本是机械式的。第二代焊接跟踪用的传感器是用分立元件组成的光电传感器，其信号接收屏是由分立的光敏元件构成的矩阵。而第三代焊接跟踪用的传感器对光电信号的接收使用了高度集成的电荷耦合器件(以下简称CCD)，又分为面阵CCD(即摄象机)和线阵CCD。面阵CCD视觉跟踪系统其信息量大，通过对信号的处理，容易获得三维信息，不但可以实现焊缝的自动跟踪，而且还可以对焊接过程实现智能化控制。但是其信号处理时间较长，且设备费用较高，使系统的成本提高。而线阵CCD视觉跟踪系统虽然只有一维信息，但是对于在一个方向上的跟踪(如左右方向)则完全够用。而其价格低廉，信息处理的时间短，因此实时性强。总体来说线阵视觉跟踪系统具有较高的性能价格比。

对于第一代传感器，因为是机械式的，一般是用于长直焊缝的焊接跟踪。而且当遇到如点固焊道或焊缝过窄时，就会失去跟踪基准。对于第二代传感器，由于其信号接收屏是由分立元件组成，因此信息量少，跟踪精度较低。对于第三代传感器，当使用线阵CCD做接收器件时，其光路原理都是利用入射角等于反射角的原理。在光学系统的设计上，采用圆形平行光束照射焊缝，利用坡口与工件表面对光线的反射角度不同造成反射光在CCD上成像的光强度不同。在这种光学系统中，在CCD上收到的光的强弱主要受反射角度的影响，CCD上反映的是焊缝坡口的斜度信息。因为反射光强度受反射面的光洁度的影响较大，在这种方法中，当焊缝为旧钢板上新开的坡口时，坡口内部的反射光强可能超过工件表面的反射光强，因而不能提供有效的坡口位置信息。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种可用于钢板及坡口在各种不同表面状况下的传感器。

本实用新型的传感器由光源发射部分、光源接收部分、支撑部分、执行机构等四部份组成，支撑部分为一个支撑块。光源发射部分为两个发射镜筒，内装激光发生管，柱面透镜。两个发射镜筒安置在支撑块的二边。光源接收部分为一个接收镜筒，内装线阵CCD器件、圆透镜、滤光片、挡灰片，光源接收镜筒安装在两个光源发射镜筒的后面，并位于支撑块的中心线上。光源发射镜筒在支撑块上呈一定的角度安置，与ZOX平面呈α角，α＝4°，与ZOY平面呈β角，β＝22.4°(见图5、图6)。光源发射镜筒内的激光发生管为半导体红光激光管。执行机构是一个丝杆滑块机构，由水平导轨、垂直导轨、水平滑块、垂直滑块、丝杆所组成。水平导轨、水平滑块、丝杆，垂直导轨、垂直滑块、丝杆各组成一运动付。

说明附图如下：

图1：为本实用新型传感器及与焊机连接部分的结构示意图

图2：为图1的A向视图

图3：为图1的B-B剖视图

图4：为本实用新型传感器光路工作原理图

图5：为ZOX平面视图

图6：为ZOY平面视图

具体实施方式

结合附图说明实施例及工作过程为下：

图1、图2、图3中3为支撑块，在支撑块3上安装两个发射镜筒4，在两个发射镜筒4之间安装接收镜筒5，在发射镜筒4内安装激光二极管1及柱面透镜2，在接收镜筒5内部安装线阵CCD器件8、圆透镜7、滤光片6及挡灰片9。支撑块3通过连接板11与执行机构相连，执行机构是一个可以上、下、左、右运动的丝杆、滑块机构，连接板11与垂直滑块14相连，垂直滑块14的一端呈燕尾形并楔入垂直导轨18上的燕尾槽中，在垂直滑块14的燕尾部分可带入垂直丝杆15。垂直丝杆15由电机(图中未示出)带动后可使垂直滑块14作上、下垂直运动。垂直导轨18与焊机机架相连。在垂直滑块14上安装水平导轨12，在水平导轨12上有一燕尾槽，在该燕尾槽中放置水平滑块13，在水平滑块13上可带入水平丝杆16，水平丝杆16由电机(图中未示出)带动后可使水平滑块13作水平运动。图4为本实用新型光路工作原理图，其工作原理为下：

本传感器采用了激光结构光从前方倾斜入射；线阵CCD在垂直方向接收信号的工作方式。激光从激光二极管发出，经过柱面透镜后，在工件表面汇聚成厚度很窄的光带，叫结构光。该光平面以一定角度入射在工件上，在工件上产生反射和散射。线阵CCD器件在垂直方向上只接收散射光，选择适当的入射角使得垂直方向的散射光强度最大。这时，可以把工件表面上的散射光带看成光源物体，经过圆透镜成像在线阵CCD器件上。当圆透镜的焦距足够大时，该光学系统的景深也相应较长。采用这种光路原理，只要激光光强足够大，不管工件表面光洁度怎样，其成像光强使线阵CCD的相应部分总能达到光饱和，这使得传感器从光路原理上可以在较大程度上抑制工件表面光洁度的影响。

传感器的发射部分发出的结构光带，随着坡口处位置高低的变化，在工件表面和坡口内部将形成一条空间曲线ABCDE，该曲线在垂直方向的投影如图4所示。该投影图象也为一个空间曲线，形状与工件上的光带对应成比例关系。当圆透镜的焦距足够大时，该光学系统的景深也相应较长，可认为成像在一个平面(像平面)上，即认为像曲线为一平面曲线abcde。将线阵CCD放置在像平面上，使其感光部分与像曲线的直线部分ab和de重合，这样，来自工件表面的光能落在线阵CCD上并使其感光，而坡口处的光带BC和CD所成的像bc和cd落在线阵CCD的感光部分之外，不能使线阵CCD对应的位置感光，由此可以提取焊缝坡口位置信息。焊缝坡口内的部分与工件表面高度差别越大的点所成的像离线阵CCD相应的感光部分越远，CCD所能接收到的光也就越少，甚至接收不到光。

在焊接开始之前，首先使焊炬10的中心与工件上焊缝的中心线对中，然后将传感器调整到合适的位置后，再将两者紧固刚性连接。如图1中所示，此时即可获取到工件坡口两侧棱边上的B点和D点在线阵CCD器件上成像点即b点和d点的位置，由此可以求出焊缝中心点在线阵CCD器件上的成像点的位置。而这点的位置即是跟踪的基准。在焊接进行过程中，传感器不断的采集坡口信号，计算出实时的焊缝中心在线阵CCD器件上成像点的位置。如果这个实时成像点的位置与跟踪基准点的位置偏离，说明焊炬10与焊缝中心线发生了偏离，即需要进行调整，也就是进行跟踪。通过驱动电机转动，最终使两个成像点的位置重合时，调整结束，完成了跟踪过程。

本实用新型传感器可用于钢板及坡口在各种不同表面状况下的焊接。

Claims (4)

1.一种焊缝自动跟踪用线阵电荷耦合器件视觉传感器，其特征是由光源发射部分、光源接收部分、支撑部分及执行机构四部份组成，支撑部分为一个支撑块，光源发射部分为两个发射镜筒，内装激光发生管，柱面透镜，两个发射镜筒安置在支撑块的二边，光源接收部分为一个接收镜筒，内装线阵CCD器件，圆透镜，滤光片，挡灰片，光源接收镜筒安装在两个光源发射镜筒的后面，并位于支撑块的中心线上，光源发射镜筒在支撑块上呈一定的角度安置，与ZOX平面呈α角，与ZOY平面呈β角，执行机构是一个丝杆滑块机构，由水平导轨，垂直导轨，水平滑块，垂直滑块，丝杆所组成，水平导轨，水平滑块，丝杆，垂直导轨，垂直滑块，丝杆各组成一对运动付。

2.根据权利要求1所述的电荷耦合器件视觉传感器，其特征是所述的激光发生管为半导体红光激光管。

3.根据权利要求1所述的电荷耦合器件视觉传感器，其特征是所述的激光发生管其光源发射镜筒与ZOX平面呈α角，α＝4°。

4.根据权利要求1所述的电荷耦合器件视觉传感器，其特征是所述的激光发生管其光源发射镜筒与ZOY平面呈β角，β＝22.4°。

Images