本實用新型涉及自動化焊接領域，特別涉及需要使用垂直關節(jié)型六軸工業(yè)機器人，并且采用線激光焊縫檢測裝置的領域。

背景技術：

隨著自動化焊接技術的發(fā)展，六軸工業(yè)機器人在焊接領域的運用越來越廣泛，然而，目前焊接機器人的編程方式以“示教-再現(xiàn)”為主，這種方式在直線焊接時效率較高，但是由于焊接產(chǎn)生大量熱，導致工件變形，直接影響了焊接精度；而對于復雜焊縫，需要確定更多的示教點，工作效率低，并且更難保證精度，難以達到高度的自動化焊接。

為解決以上問題，就需要提高焊縫跟蹤技術。焊縫跟蹤常用的方法是利用傳感器實時檢測焊縫位置，生成坐標信息傳送到控制器，驅動焊槍運動到該坐標點。作為焊縫跟蹤的第一步，焊縫檢測精度和效率對此后的控制效果會產(chǎn)生很大的影響。常用的非接觸式焊縫檢測傳感器有電弧傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器等，相對于電弧傳感器和超聲波傳感器，激光傳感器的檢測效率和精度都更高。然而，由于焊接時會產(chǎn)生強烈的弧光噪聲，影響了工業(yè)攝像機采集的圖像質量，加大了焊縫特征提取的難度。激光條紋離熔池越近，激光傳感器所受的弧光影響越大，嚴重時甚至無法提取到焊縫特征。若增大激光條紋與熔池的距離，雖然弧光影響減少，但是會導致焊縫檢測實時性降低，從而影響焊縫跟蹤的精度，容易出現(xiàn)“焊偏”等現(xiàn)象。因此，如何降低焊縫檢測裝置所受的弧光干擾的同時保證焊縫檢測的實時性是一項重要的技術。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是提供一種適用于垂直關節(jié)型六軸工業(yè)機器人的線激光焊縫檢測裝置，旨在利用三角測量原理，快速、準確提取焊縫位置信息。并且保證焊接熔池和焊縫特征點檢測位置達到最優(yōu)，即在低噪聲情況下，測量距離最小。

本實用新型的目的通過以下方案來實現(xiàn)：

一種適用于垂直關節(jié)型六軸工業(yè)機器人的線激光焊縫檢測裝置，包括激光傳感器和傳感器安裝底座，所述激光傳感器通過傳感器安裝底座固定在焊槍前端，用于利用三角測量原理獲取焊縫信息；所述的傳感器安裝底座用于調整激光傳感器與焊槍之間的X、Y、Z向的三維空間相對位置及安裝角度，同時所述傳感器安裝底座具備絕緣功能，實現(xiàn)傳感器和焊槍之間的絕緣。

本方案的激光傳感器可跟隨焊槍運動，實現(xiàn)焊接過程中焊縫特征在線檢測，激光傳感器和焊槍的安裝角度可通過傳感器安裝底座進行調整，以保證焊接熔池和焊縫特征點檢測位置達到最優(yōu)。傳感器安裝底座具備絕緣功能，可實現(xiàn)傳感器和焊槍之間的絕緣，以避免焊接過程中的產(chǎn)生的300A左右的大電流對傳感器的損害。傳感器安裝底座可確保傳感器本體內部工業(yè)攝像機和條紋式激光發(fā)生器之間夾角最優(yōu)，實現(xiàn)三角測量原理。

進一步地，所述的傳感器安裝底座包括傳感器底座固定板、工業(yè)鉸鏈合頁、傳感器安裝側板、傳感器安裝基板、傳感器活動底板、傳感器底座左支承條、傳感器底座右支承條，所述傳感器安裝側板上沿X向設置有安裝激光傳感器的長圓孔，所述的傳感器安裝基板上沿Y向安裝所述傳感器安裝側板的長圓孔，所述的傳感器活動底板上沿Z向設置有安裝傳感器安裝基板的長圓孔，所述的傳感器底座固定板固定在焊槍上，所述傳感器活動底板通過工業(yè)鉸鏈合頁與所述傳感器底座固定板活動鉸接，所述傳感器活動底板的兩側分別鉸接有連接焊槍的傳感器底座左支承條和傳感器底座右支承條，所述傳感器底座左支承條和傳感器底座右支承條的連接焊槍的一端均設置有長圓孔，該長圓孔內設置有調節(jié)所述傳感器活動底板安裝角度的調節(jié)螺釘。

本方案為保證焊接熔池和焊縫特征點檢測位置達到最優(yōu)，即在低噪聲情況下，激光條紋與焊槍的距離最小，使激光傳感器通過傳感器安裝基板固定在傳感器活動底板上，傳感器活動底板通過工業(yè)鉸鏈和傳感器底座固定板連接，傳感器底座左支承條和傳感器底座右支承條連接傳感器活動底板和焊槍，通過傳感器底座左支承條和傳感器底座右支承條調整激光傳感器和焊槍的安裝角度。通過調節(jié)激光傳感器在傳感器安裝側板的位置實現(xiàn)激光傳感器沿X軸方向移動，通過調節(jié)傳感器安裝側板在傳感器安裝基板的位置實現(xiàn)激光傳感器沿Y軸方向移動，通過調節(jié)傳感器安裝基板在傳感器底座活動板的位置實現(xiàn)傳感器沿Z軸方向運動，通過調節(jié)激光傳感器和焊縫的相對位置，確保激光條紋與焊縫的交點被相機垂直捕捉到。

進一步地，所述激光傳感器包括激光傳感器本體、工業(yè)攝像機、條紋式激光發(fā)生器、激光發(fā)生器底座，所述的工業(yè)攝像機豎直固定在激光傳感器本體內，所述條紋式激光發(fā)生器通過激光發(fā)生器底座固定在激光傳感器本體內且軸線與工業(yè)攝像機的軸線呈一定夾角。

本方案中，為確保傳感器本體內部工業(yè)攝像機和條紋式激光發(fā)生器之間夾角最優(yōu)，實現(xiàn)三角測量原理。傳感器內部工業(yè)攝像機豎直安裝，條紋式激光發(fā)生器傾斜安裝，工業(yè)攝像機主軸和條紋式激光發(fā)生器主軸成一定夾角實現(xiàn)利用三角測量原理獲取焊縫信息。

進一步地，所述條紋式激光發(fā)生器的軸線與工業(yè)攝像機的軸線的夾角為20°。

進一步地，所述的工業(yè)攝像機采用CMOS相機，所述的CMOS相機高速采集攜帶焊縫信息的特征條紋圖像。

進一步地，所述的條紋式激光發(fā)生器為三線激光發(fā)生器，其波長為645～655nm，功率為30～35mW，三道線激光投射在焊縫表面形成表征焊縫輪廓特征的結構光條紋。

進一步地，所述的傳感器安裝底座4采用保證焊槍和激光傳感器絕緣性的POM材料，POM的電絕緣性較好，幾乎不受溫度和濕度的影響，POM的介電強度為85kv/mm，體積電阻>1015Ω/cm³,表面電阻>1013Ω，因此可以保證焊槍和激光傳感器絕緣。

本實用新型的工作原理是：激光傳感器通過傳感器底座安裝在YMENS-300R焊槍前端，隨焊槍一起運動。傳感器底座有工業(yè)鉸鏈連接，可以調整傳感器與焊槍的安裝角度，并且傳感器本體、傳感器底座的傳感器安裝側板、傳感器安裝基板的相對位置可以改變，使得傳感器可以在X、Y和Z三個方向移動，結合傳感器內部的工業(yè)攝像機和激光發(fā)生器構成的夾角，實現(xiàn)了利用三角測量原理獲取焊縫信息。

本實用新型相對于現(xiàn)有技術具有如下的優(yōu)點和效果：

(1)激光傳感器本體內部工業(yè)攝像機豎直安裝，激光發(fā)生器傾斜安裝，避免了由于工業(yè)攝像機傾斜安裝和激光發(fā)生器豎直安裝時導致的更多的噪聲干擾問題，降低了圖像處理的難度。

(2)工業(yè)攝像機主軸與激光發(fā)生器主軸成20度角。夾角過大，會導致傳感器本體體積過大，夾角過小，會導致激光條紋與焊縫的交點偏離相機主軸，相機需要上移，激光條紋特征不明顯,影響測量精度。通過實驗證明，這一角度最優(yōu)。

(3)傳感器底座與焊槍的安裝角度可以調整，傳感器相對焊槍的位置可以調整，從而可以改變激光條紋相對熔池的距離，使傳感器在低的噪聲干擾時，激光條紋與熔池距離最小，提高焊縫跟蹤精度，同時也保證了三角測量原理的有效應用。

附圖說明

圖1a是三角測量原理的成像坐標系示意圖。

圖1b是當測量平面位于參考平面時(Δh＝0)的三角測量原理。

圖1c是當測量平面位于參考平面之下(Δh>0)時的三角測量原理。

圖1d是當測量平面位于參考平面之上(Δh<0)時的三角測量原理。

圖2是小孔成像模型圖。

圖3是適用于垂直關節(jié)型六軸工業(yè)機器人的線激光焊縫檢測裝置示意圖。

圖4是激光傳感器本體內部圖。

圖5是傳感器安裝底座結構圖。

圖中所示為：1-工業(yè)機器人；2-焊槍；3-激光傳感器；31-激光傳感器本體；32-工業(yè)攝像機；33-條紋式激光發(fā)生器；34-激光發(fā)生器底座；4-傳感器安裝底座；41-傳感器底座固定板；42-工業(yè)鉸鏈合頁；43-傳感器安裝側板；44-傳感器安裝基板；45-傳感器活動底板；46-傳感器底座左支承條；47-傳感器底座右支承條。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步的詳細描述，但本實用新型的實施方式不限于此。

實施例

如圖3至圖5所示，一種適用于垂直關節(jié)型六軸工業(yè)機器人的線激光焊縫檢測裝置，包括激光傳感器3和傳感器安裝底座4，所述激光傳感器3通過傳感器安裝底座4固定在焊槍2前端，用于利用三角測量原理獲取焊縫信息；所述的傳感器安裝底座4用于調整激光傳感器與焊槍之間的X、Y、Z向的三維空間相對位置及安裝角度，同時所述傳感器安裝底座4具備絕緣功能，實現(xiàn)傳感器和焊接工件之間的絕緣。

具體地，所述的傳感器安裝底座4包括傳感器底座固定板41、工業(yè)鉸鏈合頁42、傳感器安裝側板43、傳感器安裝基板44、傳感器活動底板45、傳感器底座左支承條46、傳感器底座右支承條47，所述傳感器安裝側板43上沿X向設置有安裝激光傳感器3的長圓孔，所述的傳感器安裝基板44上沿Y向安裝所述傳感器安裝側板43的長圓孔，所述的傳感器活動底板45上沿Z向設置有安裝傳感器安裝基板44的長圓孔，所述的傳感器底座固定板41固定在焊槍2上，所述傳感器活動底板45通過工業(yè)鉸鏈合頁42與所述傳感器底座固定板41活動鉸接，所述傳感器活動底板45的兩側分別鉸接有連接焊槍2的傳感器底座左支承條46和傳感器底座右支承條47，所述傳感器底座左支承條46和傳感器底座右支承條47的連接焊槍2的一端均設置有長圓孔，該長圓孔內設置有調節(jié)所述傳感器活動底板45安裝角度的調節(jié)螺釘。

具體地，所述激光傳感器3包括激光傳感器本體31、工業(yè)攝像機32、條紋式激光發(fā)生器33、激光發(fā)生器底座34，所述的工業(yè)攝像機32豎直固定在激光傳感器本體31內，所述條紋式激光發(fā)生器33通過激光發(fā)生器底座34固定在激光傳感器本體31內且軸線與工業(yè)攝像機32的軸線呈20°夾角。

具體地，所述條紋式激光發(fā)生器33的軸線與工業(yè)攝像機32的軸線的夾角為20°。

具體地，所述的工業(yè)攝像機32采用CMOS相機，所述的CMOS相機高速采集攜帶焊縫信息的特征條紋圖像。

具體地，所述的條紋式激光發(fā)生器33為三線激光發(fā)生器，其波長為645～655nm，功率為30～35mW，三道線激光投射在焊縫表面形成表征焊縫輪廓特征的結構光條紋。

具體地，所述的傳感器安裝底座4采用保證焊槍和激光傳感器絕緣性的POM材料。

如圖3所示，本實施例的激光傳感器3通過傳感器安裝底座4安裝在YMENS-300R焊槍前端，焊槍2安裝在六軸工業(yè)機器人1上，激光傳感器3隨焊槍2一起運動。本實施例中BASLER-acA1600-60gc工業(yè)攝像機32直接豎直安裝在激光傳感器本體31中，NL-03L-660-100-30條紋式激光發(fā)生器33安裝在激光發(fā)生器底座34上，條紋式激光發(fā)生器33傾斜安裝在激光傳感器本體31中，工業(yè)攝像機32主軸與條紋式激光發(fā)生器33主軸為夾角為20度。

如圖4所示，本實施例中激光傳感器本體31安裝在傳感器安裝側板43上，使激光傳感器3相對焊槍2位置可以在X軸方向調整；傳感器安裝側板43安裝在傳感器安裝基板44上，使激光傳感器3相對焊槍2位置可以在Y軸方向調整；傳感器安裝基板44安裝在傳感器活動底板45上，使激光傳感器3相對焊槍2位置可以在Z軸方向調整；傳感器活動底板45通過1英寸工業(yè)鉸鏈合頁42與傳感器底座固定板41連接，激光傳感器本體31與焊槍2的安裝角度通過傳感器底座左支承條46和傳感器底座右支承條47調整，傳感底座固定板41直接安裝在焊槍2上。通過以上安裝方式，激光傳感器3的檢測高度和檢測距離都可以調整。

三角測量法的數(shù)學模型如圖1a-圖1d所示，攝像機光學平面與測量平面平行且距離為H+Δh。如附圖1b)所示，當測量平面位于參考平面時Δh＝0，此時激光平面、測量平面和光軸相交于點P，該點在成像平面的像P'與O₁重合。當被測平面上下移動時，Δh發(fā)生變化，P和P'的位置也相應地發(fā)生了規(guī)律性變化，如附圖1c)、1d)所示。利用幾何關系，可得z和u的關系為：

式中，H為參考平面高度，f為焦距，θ為光軸與激光平面的夾角。

攝像機的針孔模型如附圖2所示，以光心o₂為原點的坐標系o₂xyz稱為攝像機坐標系，以感光芯片中心o₁為原點的坐標o₁uv稱為成像坐標系。假設目標點P在o₂xyz坐標為(x,y,z)，像P'在o₁uv坐標的坐標為(u,v)，由相似三角形原理可以推導出v和y，u和x的投影關系為：

y＝-(z/f)v (2)

x＝-(z/f)u (3)

圖像采用像素坐標(c,r)，與成像坐標表示點的物理位置不同，像素坐標是離散的，代表像素點在CMOS陣列中的行數(shù)和列數(shù)。建立像素坐標與成像坐標的關系如下：

式中，S_x和S_y分別表示CMOS芯片上水平相鄰和垂直相鄰的兩個感光元的距離，(C_x,C_y)表示光軸和成像平面的交點的像素坐標。

聯(lián)立式(1)-(4)式可以得到:

式中，(S_x,S_y,f,C_x,C_y)統(tǒng)稱為攝像機的內部參數(shù)，H和θ為結構參數(shù)。

式(5)建立了圖像中激光條紋上一點的二維像素坐標(c,r)與該點在攝像機坐標系下的三維坐標(x,y,z)的映射關系。

本實施例所述的各零部件可選型如下，但選型不限于此：工業(yè)攝像機1：可選用其他類型的工業(yè)攝像機；條紋式激光發(fā)生器3：可選用其他型號激光發(fā)生器；1英寸工業(yè)鉸鏈合頁，可選用其他鉸鏈合頁；傳感器安裝側板43、傳感器安裝基板44、傳感器活動底板45可選用其他絕緣材料。

上述實施例為本方面較佳的實施方式，但本方明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何背離本實用新型的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內。