阅读说明：本技术 基于微型步进电机丝杆传动的机器人焊接双目视觉传感装置 (Robot welding binocular vision sensing device based on micro stepping motor lead screw transmission ) 是由 许燕玲 孙浩瀚 解晓童 刘尔彬 唐国宝 何艳兵 陈善本 陈小奇 陈华斌 吕娜 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：一种基于微型步进电机丝杆传动的机器人焊接双目视觉传感装置,包括：安装支架、传感器组件、底座、反射镜组件、减光滤光系统、丝杆传动系统和保护机构。传感器组件包括：系统外壳、激光器、摄像头和冷却机构；丝杆传动系统包括：微型步进电机、丝杆滑块机构和滑轨滑块机构；安装支架包括：梯形块、摄像支架、激光支架、燕尾槽和承载支架；减光滤光系统包括：减光托槽、滤光托槽、减光片和滤光片；保护机构包括：保护玻璃和遮光挡板；反射镜组件包括：反光镜、夹槽和无头螺柱。本发明通过模拟焊工穿戴焊工帽,实现焊前、焊中和焊后的自动加载和移除减光滤光系统,采用主被动视觉相结合的双目传感器方式,可以完成焊接环境识别、焊缝导引、焊缝跟踪和熔池监控等功能。(The utility model provides a binocular vision sensing device of robot welding based on miniature step motor lead screw transmission, includes: the device comprises a mounting bracket, a sensor assembly, a base, a reflector assembly, a light-reducing and filtering system, a screw rod transmission system and a protection mechanism. The sensor assembly includes: the system comprises a system shell, a laser, a camera and a cooling mechanism; the screw transmission system includes: the micro stepping motor, the screw rod sliding block mechanism and the sliding rail sliding block mechanism; the mounting bracket includes: the device comprises a trapezoidal block, a camera bracket, a laser bracket, a dovetail groove and a bearing bracket; the light-reducing filter system includes: the device comprises a light-reducing bracket, a light-filtering bracket, a light-reducing sheet and a light filter; the protection mechanism includes: protective glass and a light-shielding baffle; the mirror assembly includes: a reflector, a clamping groove and a headless stud. The invention realizes the automatic loading and light-reducing and light-filtering removal system before, during and after welding by simulating the wearing of the welding helmet by a welder, and can complete the functions of welding environment identification, welding seam guidance, welding seam tracking, molten pool monitoring and the like by adopting a binocular sensor mode of combining active vision and passive vision.)

基于微型步进电机丝杆传动的机器人焊接双目视觉传感装置

技术领域

本发明涉及的是一种机器人焊接领域的技术，具体是一种基于微型步进电机丝杆传动的机器人焊接双目视觉传感装置。

背景技术

视觉传感装置在机器人焊接智能化中发挥着重要作用，是焊接机器人的眼睛，但目前大多数使用的视觉传感装置是单目视觉传感器，其功能较为单一，或仅仅用在焊接起弧前的焊接环境识别和导引，或只能用在起弧后的焊接过程中的焊缝跟踪与熔池监控，无法像熟练焊工一样在焊接前脱下焊工帽，进行焊接环境识别、导引，焊接时戴上焊工帽，进行焊缝跟踪和熔池监控，实时调节焊接位置和焊接参数，在两种模式间灵活切换。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于微型步进电机丝杆传动的机器人焊接双目视觉传感装置，通过模拟焊工穿戴焊工帽，采用微型步进电机、丝杆传动装置，实现焊前、焊中和焊后的自动加载和移除减光滤光系统，采用主被动视觉相结合的双目传感器方式，可以实现机器人焊接环境识别、焊缝导引、焊缝跟踪和熔池监控等功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：安装支架、传感器组件、底座、反射镜组件、减光滤光系统、带有微型步进电机的丝杆传动系统和保护机构，其中：传感器组件通过安装支架设置于机器人末端，底座设置于传感器组件下，减光滤光系统设置于底座上，保护机构设置于底座上并设置于减光滤光系统下，丝杆传动系统设置于底座上，由丝杆传动系统中的微型步进电机进行驱动，反射镜组件与底座相连；起弧前，丝杆传动系统控制减光滤光系统移出工作区域以使得CCD摄像头获得更大的视场和更高的图像清晰度并进行焊接环境识别和初始位置导引；起弧后，丝杆传动系统控制减光滤光系统加载回位并协同保护机构减小弧光对摄像头采集图像的干扰、防止飞溅损坏传感器组件。

所述的传感器组件包括：系统外壳和设置于系统外壳内的激光器、摄像头和冷却机构，其中：冷却机构设置于系统外壳内壁，激光器和摄像头分别与安装支架相连，摄像头与减光滤光系统同轴设置。

所述的冷却机构包括：回形气道和遮板，其中：回形气道设置于系统外壳内壁面，遮板覆盖于回形气道上。

作为实现模拟焊工穿戴焊工帽功能的核心部件，所述的丝杆传动系统包括：微型步进电机、丝杆滑块机构和滑轨滑块机构，其中：微型步进电机设置于底座上表面底部，与丝杆滑块机构相连，滑轨滑块机构设置于底座上表面中部并与丝杆滑块机构轴线平行。

所述的微型步进电机具体设置于系统外壳下表面底部内凹槽中。

所述的丝杆滑块机构包括：丝杆和第一滑块，其中：丝杆与微型步进电机相连，第一滑块设置于丝杆上并与丝杆滑动连接。

所述的滑轨滑块机构包括：滑轨和第二滑块，其中：滑轨设置于系统外壳下底面上，第二滑块设置于滑轨内。

所述的安装支架包括：梯形块、摄像支架、激光支架、燕尾槽和承载支架，其中：梯形块设置于系统外壳外壁上，摄像支架与摄像头相连，激光支架设置于系统外壳内并与激光器相连，燕尾槽滑动设置于梯形块上，承载支架通过燕尾槽与系统外壳相连。

所述的减光滤光系统包括：减光片、滤光片、减光托槽和滤光托槽，其中：减光片设置于减光托槽内，滤光片设置于滤光托槽内，减光托槽与滤光托槽设置于底座上。

所述的保护机构包括：保护玻璃和遮光挡板，其中：保护玻璃设置于减光滤光系统下，遮光挡板设置于底座侧面。

所述的反射镜组件包括：反光镜、夹槽和无头螺柱，其中：夹槽设置于底座上，反光镜设置于夹槽内，无头螺柱与夹槽相配合，并与底座相连。

技术效果

与现有技术相比，本发明技术效果包括：

1、能够在焊前、焊中、焊后的不同时刻自动加载或移除减光滤光系统，仅通过信号开关即可完成焊缝导引与跟踪功能间的切换，大大增加了应用智能性和灵活性；

2、安装、拆卸、更换和维护等很方便，可较大程度减小装卸部件对整体的影响，增强了传感器的通用性和灵活性；

3、双目各自独立采用主、被动视觉传感，在各自视场观测激光条纹和熔池图像，使功能的独立性更强，进一步方便了图像处理和提高了工作效率。

4、满足了智能焊接机器人对传感器的需求，可以实现焊接环境的识别、初始焊缝的导引、焊缝跟踪和熔池观测的双目同步采集等多种功能。

附图说明

图1和图2为本发明结构示意图；

图3为本发明底座立体示意图；

图4为本发明系统外壳示意图；

图中：安装支架1、系统外壳2、底座3、激光器4、摄像头5、减光滤光系统6、保护机构7、冷却机构8、丝杆传动系统9、反射镜组件10、梯形块11、摄像支架12、激光支架13、燕尾槽14、承载支架15、减光片16、滤光片17、减光托槽18、滤光托槽19、保护玻璃20、遮光挡板21、回形气道22、微型步进电机23、丝杆滑块机构24、滑轨滑块机构25、反光镜26、夹槽27、无头螺柱28、传感器组件29、滑轨30、丝杆31、第一滑块32、第二滑块33。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种基于微型步进电机丝杆传动的机器人焊接双目视觉传感装置，其中包含：安装支架1、传感器组件29、底座3、反射镜组件10、减光滤光系统6、带有微型步进电机23的丝杆传动系统9和保护机构7，其中：传感器组件29通过安装支架1设置于机器人末端，底座3设置于传感器组件29下，减光滤光系统6设置于底座上，保护机构7设置于底座3上并设置于减光滤光系统6下，丝杆传动系统9设置于底座3上，由丝杆传动系统9中的微型步进电机23进行驱动，反射镜组件10与底座3相连。

所述的传感器组件29包括：系统外壳2和设置于系统外壳2内的激光器4、摄像头5和冷却机构8，其中：冷却机构8设置于系统外壳2内壁，激光器4和摄像头5分别与安装支架1相连，激光器4中心轴线与摄像头5轴线成17°，摄像头5的下方镜头与系统外壳2内底面的沉头孔相切，摄像头5与减光滤光系统6同轴设置。

所述的冷却机构8包括：回形气道22和遮板，其中：回形气道22设置于系统外壳2内壁面，遮板覆盖于回形气道22上，用于密封气道和传递热量。

所述的丝杆传动系统9包括：微型步进电机23、丝杆滑块机构24和滑轨滑块机构25，其中：微型步进电机23设置于系统外壳2下表面底部内凹槽中，并与丝杆滑块机构24相连，滑轨滑块机构25设置于底座3上表面中部并与丝杆滑块机构24轴线平行。

所述的丝杆滑块机构24包括：丝杆31和第一滑块32，其中：丝杆31与微型步进电机23相连，第一滑块32设置于丝杆31上并与丝杆31滑动连接。

所述的第一滑块32上设有用于和丝杆31相配合的横向螺纹通孔以及用于和底座3上的光孔相连接的两个纵向螺纹通孔，使得丝杆31的旋转运动转化为滑块32带动底座3的直线运动。

所述的滑轨滑块机构25包括：滑轨30和第二滑块33，其中：滑轨30设置于系统外壳2的下底面上，同时底座3挖有对应空槽，第二滑块33设置于滑轨30内。

所述的第二滑块33与固定在系统外壳2下底面的滑轨30相配合的同时通过四个纵向螺纹孔和底座3上的光孔相连接，使得底座3的直线运动阻力更小。

所述的丝杆传动系统9将微型步进电机23的齿轮旋转转化为第一滑块32的直线运动，进而带动和第一滑块32相连的底座3一起运动，通过丝杆传动系统9，不但能够实现减光滤光系统6自动加载和移除的功能，而且阻力较小，所需微型步进电机23功率也较小，并只占据传感器较小空间。

所述的安装支架1包括：梯形块11、摄像支架12、激光支架13、燕尾槽14和承载支架15，其中：梯形块11设置于系统外壳2外壁上，摄像支架12与摄像头5相连，激光支架13设置于系统外壳2内并与激光器4相连，燕尾槽14滑动设置于梯形块11上，承载支架15通过燕尾槽14与系统外壳2相连以调整传感器高度。

所述的减光滤光系统6包括：减光片16、滤光片17、减光托槽18和滤光托槽19、，其中：减光片16设置于减光托槽18内，滤光片17设置于滤光托槽19内，减光托槽18与滤光托槽19设置于底座3上。

所述的减光滤光系统6下设有用于与保护玻璃20相配合的空槽。

所述的保护机构7包括：保护玻璃20和遮光挡板21，保护玻璃20为透明树脂材料，其中：保护玻璃20设置于减光滤光系统6下，遮光挡板21设置于底座3侧面。

所述的反射镜组件10包括：反光镜26、夹槽27和无头螺柱28，其中：夹槽27设置于底座3上，反光镜设置于夹槽内，无头螺柱与夹槽相配合，并与底座相连，可以通过无头螺柱28调整倾角来找到最佳成像角度。

所述的安装支架1、系统外壳2和底座3均采用3D打印设计。

所述的摄像头5为焦距为8mm的CCD摄像头，用于对焊接场景、被焊工件以及焊接过程中焊缝和熔池图像的采集，CCD上部的通讯端口直接与计算机端口相连，通讯方式为串口，可满足同时观察激光条纹和熔池图像的需求。

本发明中首次采用丝杆传动系统实现模拟焊工穿戴焊工帽功能，仅通过信号开关控制焊前、焊中、焊后不同时刻减光滤光系统的加载和移除，实现焊缝导引与跟踪功能间的切换；采用了双目的主被动视觉独立处理方式，在两个视场中分别实现对激光条纹和熔池图像的观测，能够实现焊接环境的识别、初始焊缝的导引、焊缝跟踪和熔池观测的双目同步采集等多种功能；采用模块化设计，便于安装维护，并具有扩展性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。