一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器

1.本发明涉及一种视觉传感器，尤其是涉及一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器。


背景技术：

2.机器人焊接广泛应用于船舶制造、汽车生产以及航空航天等大型工业生产领域。随着工业机器人技术，传感器融合技术以及计算机视觉技术的发展，机器人焊接自动化与智能化程度日益提高。由于视觉传感器具有丰富的特征信息且便于提取等优点逐渐成为智能化焊接不可或缺的一部分。目前，视觉传感器被广泛地应用于焊前缝隙识别，焊中缝隙追踪以及焊后质量监督和控制。其中焊前缝隙识别是整个机器人自动化焊接工艺流程的基础，识别的精度和应用场景对于后续的焊接质量有着非常重要的影响。
3.经过检索，申请公布号cn114043081a公开了一种激光焊接的多焊缝类型特征点识别方法及系统，具体公开了：一种激光焊接的多焊缝类型特征点识别方法包括以下步骤：s1、调整焊枪和传感器姿态，从各个角度拍摄原始焊缝图像；s2、提取原始焊缝图像中每一帧中所有数据点的横坐标和纵坐标作为原始数据；s3、对每一帧数据进行预处理，得到当前帧的数据点；s4、根据数据点以及设置的阈值条件来判断焊缝类型；s5、根据不同的焊缝类型来判断其特征点；s6、根据每帧图像记录的特征点来实现多帧之间的特征点校正。该发明通过单线激光条纹在缝隙处的特征突变来提取多焊缝类型特征点，并通过不同焊缝类型来判断特征点进行缝隙类型识别，但是该方法仅通过少量的特征点作为判别依据容易受到噪声干扰，特征的稳定性不足。
4.目前在焊接机器人中使用的视觉传感器设计中，大都是基于激光条纹映射用来提取缝隙特征，用激光条纹提取焊缝特征存在一定的特征突变的可能性和应用的局限性，能够获取更稳定缝隙特征的视觉传感器成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.根据本发明的一个方面，提供了一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，包括焊接视觉传感器本体、激光发射控制器、滤光组件和相机，所述焊接视觉传感器还包括系统安装构件、激光光斑发射器和冷却单元，所述激光光斑发射器和冷却单元通过系统安装构件连接于焊接视觉传感器本体上，所述激光光斑发射器发出光斑，映射在焊缝上，所述相机通过滤光组件获得焊缝图像。
8.作为优选的技术方案，所述的光斑为圆形，其半径大小根据焊缝宽度调整。
9.作为优选的技术方案，所述的系统安装构件包括底部安装板、相机安装板和锁止合页。
10.作为优选的技术方案，所述的底部安装板上设有安装滤光组件的圆槽。
11.作为优选的技术方案，所述的相机安装板内部固定相机，其上设有用于调整相机高度的槽。
12.作为优选的技术方案，所述的锁止合页调节激光光斑发射器发射光斑时的光路与水平面间的夹角。
13.作为优选的技术方案，所述的激光光斑发射器发射光斑时的光路与水平面间的夹角设置范围为45
°
～60
°
。
14.作为优选的技术方案，所述的激光光斑发射器通过激光发射控制器进行供电和控制。
15.作为优选的技术方案，所述的冷却单元包括连接块和通过连接块连接的快速接头进气口和消声器。
16.作为优选的技术方案，所述的快速接头进气口设置在传感器的顶部，使空气从外部气管流入传感器内部；所述消声器用于降低进气噪声。
17.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
18.1)本发明提供了一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，与激光条纹映射相比，激光光斑映射有着更大的映射区域；
19.2)本发明获得的特征信息具有鲁棒性，一些用于表征缝隙类型的关键缝隙参数信息，如焊缝宽度以及工件倾斜度都可以基于此更稳定且鲁棒性强的光斑映射特征信息提取；
20.3)本发明激光光斑发射器发射光斑时的光路与水平面间的夹角设置能够让光斑处于在焊缝上的变形特征更加明显的位置，相机高度可调可以在相机或者镜头的型号需要更换时避免干涉；
21.4)本发明具有结构简单、可以适应多场景、通用性高、稳定性强等特点，一定程度上提高了焊接的智能化水平。
附图说明
22.图1为本发明基于激光光斑映射的焊接视觉传感器的结构示意图；
23.图2为本发明激光光斑发射器和锁止合页结构示意图；
24.图3为本发明冷却单元结构示意图；
25.图1中标号所示：
26.1、激光发射控制器，2、滤光组件，3、相机，4、激光光斑发射器，5、冷却单元，6、底部安装板，7、相机安装板，8、锁止合页；
27.图3中标号所示：
28.50、连接块，51、快速接头进气口，52、消声器。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实
施例，都应属于本发明保护的范围。
30.本发明克服已有技术的不足，提供了一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，与现有的单线激光条纹映射相比，激光光斑映射有着更大的焊缝映射区域，获得的特征信息具有鲁棒性，克服了激光条纹仅通过少量的特征点作为判别依据容易受到噪声干扰，特征的稳定性不足的问题。
31.下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
32.如图1所示，一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，包括激光发射控制器1、滤光组件2和相机3、系统安装构件、激光光斑发射器4和冷却单元5，激光光斑发射器4发出光斑，映射在焊缝上，相机3通过滤光组件2获得焊缝图像。系统安装构件用来连接和固定各个关键组件，形成视觉传感器整体，包括底部安装板6、锁止合页8和相机安装板7。底部连接板上设计了用于安装滤光片的圆槽；锁止合页8能够实现一定范围激光发射器的角度调节，以调整激光发射平面的角度；相机安装板7在内部固定相机3，板上开有长槽，能够实现一定的相机3高度调整，当相机的型号或者镜头的型号需要更换时，相机和镜头高度或者宽度上变化可能会造成内部干涉，高度可调可以避免干涉。
33.如图2所示，激光光斑发射器4能够发出较大面积的圆形光斑，与激光条纹映射相比，激光光斑映射有着更大的焊缝映射区域，获得的特征信息具有鲁棒性，一些用于表征缝隙类型的关键缝隙参数信息如焊缝宽度以及工件倾斜度都可以基于此更稳定且鲁棒性强的光斑映射特征信息提取。例如在z形和i形对接焊缝之间的映射图像中，激光条纹映射焊缝特征会显著不同，不太稳定；但激光光斑映射焊缝特征不会发生显著变化。激光光斑发射器4波长为650
±
10nm，该波长区间焊接弧光成分相对较低。所述激光光斑发射器4发射光斑时的光路与水平面夹角范围为45～60
°
，该范围设置可以使光斑处于图像中适合的位置，该位置能够让光斑在焊缝上的变形特征更加明显，便于图像处理提取特征；激光光斑发射器4能够调整发射光斑半径大小，使光斑覆盖整个焊缝宽度。
34.如图3所示，冷却单元5包括：快速接头进气口51、连接块50、消声器52。快速接头进气口51设置在传感器的顶部，使低温干燥空气从外部气管流入传感器内部，能够防止工业焊接烟尘、蒸汽等进入传感器，有效降低焊接高温环境下传感器内部的内部关键组件的工作温度；连接块50用于连接快速接头进气口51和消声器52；消声器52用于降低进气噪声。
35.基于激光条纹提取焊缝特征存在一定的特征突变的可能性和应用的局限性，本发明与激光条纹映射相比，激光光斑映射有着更大的焊缝映射区域，获得的特征信息具有鲁棒性。本发明具有结构简单、可以适应多场景、通用性高和稳定性强等特点，一定程度上提高了焊接的智能化水平。
36.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，包括焊接视觉传感器本体、激光发射控制器(1)、滤光组件(2)和相机(3)，其特征在于，所述焊接视觉传感器还包括系统安装构件、激光光斑发射器(4)和冷却单元(5)，所述激光光斑发射器(4)和冷却单元(5)通过系统安装构件连接于焊接视觉传感器本体上，所述激光光斑发射器(4)发出光斑，映射在焊缝上，所述相机(3)通过滤光组件(2)获得焊缝图像。2.根据权利要求1所述的一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，其特征在于，所述的光斑为圆形，其半径大小根据焊缝宽度调整。3.根据权利要求1所述的一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，其特征在于，所述的系统安装构件包括底部安装板(6)、相机安装板(7)和锁止合页(8)。4.根据权利要求3所述的一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，其特征在于，所述的底部安装板(6)上设有安装滤光组件(2)的圆槽。5.根据权利要求3所述的一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，其特征在于，所述的相机安装板(7)内部固定相机(3)，其上设有用于调整相机(3)高度的槽。6.根据权利要求3所述的一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，其特征在于，所述的锁止合页(8)调节激光光斑发射器(4)发射光斑时的光路与水平面间的夹角。7.根据权利要求1所述的一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，其特征在于，所述的激光光斑发射器(4)发射光斑时的光路与水平面间的夹角设置范围为45
°
～60
°
。8.根据权利要求1所述的一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，其特征在于，所述的激光光斑发射器(4)通过激光发射控制器(1)进行供电和控制。9.根据权利要求1所述的一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，其特征在于，所述的冷却单元(5)包括连接块(50)和通过连接块(50)连接的快速接头进气口(51)和消声器(52)。10.根据权利要求9所述的一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，其特征在于，所述的快速接头进气口(51)设置在传感器的顶部，使空气从外部气管流入传感器内部；所述消声器(52)用于降低进气噪声。

技术总结
本发明涉及一种基于激光光斑映射的焊接视觉传感器，包括激光发射控制器(1)、滤光组件(2)、相机(3)、系统安装构件、激光光斑发射器(4)和冷却单元(5)，激光光斑发射器(4)和冷却单元(5)通过系统安装构件连接于视觉传感器上，激光光斑发射器(4)发出光斑，映射在焊缝上，相机(3)通过滤光组件(2)获得焊缝图像。与现有技术相比，本发明具有映射区域更大；通过对光斑映射特征的提取，用于表征缝隙类型的映射特征能够更加稳定，一些关键的缝隙参数信息都可以基于此更稳定的光斑映射特征提取；结构简单、适应多场景、通用性高、稳定性强等特点，一定程度上提高了焊接的智能化水平等优点。一定程度上提高了焊接的智能化水平等优点。一定程度上提高了焊接的智能化水平等优点。


技术研发人员：田应仲 叶冰波 刘洪飞 王洁羽 李龙 金滔 林杨乔 张泉 冯杰才 章易镰
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/11