[發(fā)明專利]基于復(fù)合激光結(jié)構(gòu)光的多功能視覺傳感器裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711060054.7
• 申請日: 2017-11-01
• 公開（公告）號: CN108015455B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱志明;郭吉昌;孫博文;于英飛;符平坡;馬國銳;湯瑩瑩;劉博
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: B23K37/00
• 分類號: B23K37/00;G01B11/00;G01B11/02
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 黃德海

本發(fā)明公開了一種用于機(jī)器人焊接的基于復(fù)合激光結(jié)構(gòu)光的多功能視覺傳感器裝置及其檢測算法。所述視覺傳感器裝置由工業(yè)CCD相機(jī)、鏡頭、輔助相機(jī)、十字線激光器、一字線激光器、減光和濾光系統(tǒng)及機(jī)械安裝機(jī)構(gòu)等組成。其中焊槍的中心軸線、工業(yè)CCD相機(jī)中心軸線、十字線和一字線激光器中心軸線共面；工業(yè)CCD相機(jī)中心軸線與焊槍的中心軸線平行，兩個激光器中心軸線與焊槍的中心軸線夾角為α(如30°)。通過圖像處理和基于三角測量原理的相關(guān)檢測算法，該裝置可以實(shí)現(xiàn)焊槍高度檢測、焊接坡口截面尺寸檢測、焊縫導(dǎo)引與跟蹤、焊接過程實(shí)時監(jiān)控等功能。具有體積小、綜合成本低、檢測功能豐富等優(yōu)勢，可以輔助焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動化和智能化焊接。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及焊接機(jī)器人設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體是機(jī)器人焊接過程中實(shí)時視覺檢測技術(shù)，尤其是基于激光結(jié)構(gòu)光的視覺檢測裝置。

背景技術(shù)

機(jī)器人與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得焊接制造的自動化和智能化程度日益提高。其中焊接速度控制、焊接路徑規(guī)劃、工件位置信息和坡口尺寸參數(shù)檢測是影響焊接質(zhì)量和效率的重要因素。焊接過程自動化和智能化的發(fā)展需要焊槍高度檢測、焊接坡口截面尺寸檢測、焊槍和焊接坡口偏差識別、焊槍定位與焊縫跟蹤技術(shù)的相應(yīng)發(fā)展。高精度、小型化、功能豐富的傳感器技術(shù)是提高焊接機(jī)器人智能化程度的重要技術(shù)手段。

為了實(shí)現(xiàn)焊接自動化和智能化，已經(jīng)開發(fā)出了實(shí)時自動地獲取焊接坡口尺寸參數(shù)、焊槍與焊接坡口相對位置信息的各種傳感器技術(shù)，如電弧傳感器、機(jī)械接觸式傳感器和視覺傳感器等，其中視覺傳感器由于其非接觸性、反應(yīng)快速、檢測精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。視覺傳感技術(shù)分為主動視覺和被動視覺兩大類，主動視覺傳感技術(shù)由于其抗干擾能力強(qiáng)，圖像處理相對容易而廣泛應(yīng)用。主動視覺傳感技術(shù)主要利用激光結(jié)構(gòu)光法或激光掃描方法對焊接工件進(jìn)行照射，并通過圖像處理和三角測量原理獲得相應(yīng)的焊接坡口和工件特征參數(shù)信息。常用的激光結(jié)構(gòu)光有點(diǎn)狀激光、單線條激光、雙線條激光、環(huán)形激光、激光條紋等。

現(xiàn)有技術(shù)公開了一種基于旁軸CCD的激光焊接質(zhì)量在線監(jiān)測裝置、一種激光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)及一種激光視覺傳感器的設(shè)計方法及其裝置，在此三個專利中的激光視覺傳感器皆使用單線條激光。基于單線條的激光視覺傳感器存在檢測信息量少，僅能實(shí)現(xiàn)一維或二維方向上的焊縫定位或跟蹤功能。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，毛志偉在2015年2月第36卷第2期的《焊接學(xué)報》上刊登的“雙線激光傳感焊槍定位與焊縫走向識別”一文，文中探討了使用雙線條激光器進(jìn)行焊槍定位與焊縫走向識別技術(shù)。其傳感器設(shè)計中的兩個條形激光器對稱布置在CCD兩側(cè)，當(dāng)焊槍高度變動時，會對焊接坡口尺寸信息的檢測和焊縫跟蹤功能有一定影響，當(dāng)兩條激光在工件表面重合時，檢測信息量會明顯減少，且此空間布局形式會大大增加傳感器體積，給傳感器的小型化帶來問題。現(xiàn)有技術(shù)公開了一種基于環(huán)形激光視覺傳感的焊縫自動定位方法。該方法使用環(huán)形激光器，根據(jù)激光錐體坐標(biāo)系與機(jī)器人本體坐標(biāo)系的矩陣變換實(shí)現(xiàn)對焊縫的定位。但是該方法在對焊接坡口尺寸參數(shù)檢測和焊槍高度信息監(jiān)測上的功能較弱。

通過對相關(guān)技術(shù)的檢索可知，目前在焊接機(jī)器人中使用的基于激光結(jié)構(gòu)光的視覺傳感器設(shè)計中，并沒有使用十字激光和一字激光組合的設(shè)計方案，且檢測功能相對較單一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明提出一種基于復(fù)合激光結(jié)構(gòu)光的多功能視覺傳感器裝置，所述多功能視覺傳感器裝置集成程度高，檢測功能豐富。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于復(fù)合激光結(jié)構(gòu)光的多功能視覺傳感器裝置，所述多功能視覺傳感器裝置包括：固定座，所述固定座適于與焊槍相連；工業(yè)CCD相機(jī)，所述工業(yè)CCD相機(jī)與所述固定座相連以拍攝焊槍實(shí)施焊接過程的焊接坡口或形成的焊縫；工業(yè)鏡頭，所述工業(yè)鏡頭設(shè)在所述工業(yè)CCD相機(jī)的鏡頭前端以調(diào)節(jié)所述工業(yè)CCD相機(jī)的光學(xué)參數(shù)；輔助相機(jī)，所述輔助相機(jī)與所述固定座相連以輔助拍攝實(shí)施焊接過程的電弧及熔池臨近區(qū)域；激光器，所述激光器設(shè)在所述固定座上以向所述焊槍實(shí)施焊接過程的焊接坡口或形成的焊縫投射激光線，所述激光器包括十字線激光器和一字線激光器，所述十字線激光器的中心軸線與所述一字線激光器的中心軸線相平行。