一种平面环形多极阵列电容焊缝跟踪传感器的制作方法

本发明属于焊接机器人自动化技术领域，具体涉及一种平面环形多极阵列电容焊缝跟踪传感器。

背景技术

在现代制造业中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产业，并且自动化焊接机器人、以及智能化焊接技术已经成为焊接技术发展的主要趋势。

随着科技水平的进步，越来越多的行业采用了自动化、智能化的焊接设备，人们对焊接质量和技术的要求也越来越高。而焊缝的识别精度是影响焊接质量最为关键的因素。针对焊缝的识别，以往的焊缝识别系统中通常采用ccd视觉传感器、旋转电弧传感器、和磁控电弧传感器等识别焊缝，而焊接过程中产生的高温、弧光、烟尘、飞溅、电磁力、磁偏吹等不良因素会严重干扰上述传统传感器的识别精度和稳定性，所以上述传统传感器很难准确识别焊缝，故而严重影响焊接质量。

电容传感器将位移量转化为电容值变化量，不仅结构简单，价格低廉，而且焊接过程中产生的不良因素对其信号采集影响较小，抗干扰能力强，灵敏度高。然而，目前在焊缝识别领域，利用电容传感器对焊缝进行识别的研究并不多见。

针对以上问题，亟待一种抗干扰能力强、灵敏度高、稳定性好的电容传感器用于焊缝的识别。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种平面环形多极阵列电容焊缝跟踪传感器，该传感器结构简单、抗干扰能力强、灵敏度高、稳定性好。

为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

该平面环形多极阵列电容焊缝跟踪传感器主要由端盖、拼装外壳、步进电机驱动器、驱动电机、360°旋转滑环、电极底衬及电容极板组成。步进电机驱动器位于驱动电机的上方，360°旋转滑环位于驱动电机的下方，并由旋转螺钉将360°旋转滑环与电机旋转轴固定，电极底衬位于360°旋转滑环下方，电容极板嵌入电极底衬，并由十字定位塞将电容极板与电机旋转轴固定。拼装外壳分为上外壳与下外壳，安装时先将驱动电机、步进电机驱动器依次置于上外壳，然后将360°旋转滑环、电极底衬及电容极板依次套入电机旋转轴，最后安装下外壳，拆卸时操作顺序反之即可。

该传感器较传统一体外壳电容传感器有明显的结构优势，如公开号为2016102450666的“一种旋转边缘电容焊缝跟踪传感器”专利，安装传感器过程中，将旋转编码器、电容极板等零件套入电机旋转轴时，由于零件与外壳间隙过小，操作不慎便会使其破损，甚至失效，拆卸时更是需要镊子将零件慢慢拆卸以免零件与外壳产生摩擦而损坏，不能够重复利用；由于旋转编码器的存在，电机旋转角度过大时，会使内部导线缠绕，传感器仅能实现往复旋转扫描，故而降低了传感器扫描范围。而本发明中的传感器采用拼装外壳，装拆电容极板等重要零件时并未安装下外壳，故而不会受到外壳限制，有效避免了传统一体外壳传感器装拆时对零部件的损伤，且360°旋转滑环避免了导线缠绕，使电容极板能随驱动电机同步无限旋转，传感器扫描范围更大，可采集更多的电容值信号。

该平面环形多极阵列电容焊缝跟踪传感器的电容极板由1个圆柱形激励电极与24个半环形接收电极及6个环形电极绝缘层组成，其中半环形接收电极每6个为一列分为4个方向放置，每个方向间隔为90度，共计6圈接收电极，每圈中的4个接收电极大小和形状均相同；半环形接收电极与环形电极绝缘层位置交替，圆柱形激励电极位于半环形接收电极与环形电极绝缘层中心处，即24个接收电极共用1个激励电极；激励电极与每个接收电极均会产生电容值信号，电容极板旋转一圈，就会产生6组电容值信号，激励电极与每一圈中的4个接收电极产生的电容值信号为1组；假设电机旋转频率为a，经过时间t后,共产生6*(4*at)个电容值信号波形图，当a足够大时，波形图会提供足够的电容值信号点，越有利于数据的后续处理。

采用该传感器对工件表面进行旋转扫描，采集传感器所有极板输出的电容值信号，得到6组连续的电容值信号波形图，与传感器电容极板距离最远处电容值最大，则对应波形图的最高处，最近处电容值最小，则对应波形图的最低处。因此，波形图上每个电容值均对应一个高度,利用反演算法可逆推出每一个波形图电容值对应的全部高度数据,进而可还原电容值信号点对应的空间坐标位置。在利用反演算法处理电容值信号之前，需利用该传感器相同的电容极板做电容值信号与待测物高度的关系实验，并记录足够多的不同待测物高度与所对应的电容值信号，录入实验数据库，利用反演算法对数据库进行数据处理得到电容值信号与待测物高度关系的训练模型，将电容值信号与待测物高度设定为反演算法的输入参数与输出参数，因此，仅需将电容值信号数据输入到反演算法中即可输出电容值信号点对应的高度数据。

针对电容值信号的反演处理，经查阅相关文献，如发表于机械制造文摘的“一种用于薄板对接的电容式焊缝跟踪传感器”论文中，利用ansoft仿真仿真软件并结合实验平台验证了电容值信号与待测物距离存在非线性关系，但是国内目前尚未开展过对电容值信号与待测物距离关系数学模型的探究，因而尚未出现采用电容值信号逆解待测物距离的研究成果；如果采用传统回归分析方法拟合出二者关系的数学方程，在实际应用中往往误差较大，故而本发明采用非线性映射能力较好的反演算法如：支持向量机算法、神经网络算法等对二者数据进行处理，即不需要利用数据拟合出二者关系的数学方程，仅需足够的数据信息即可寻找出二者的相关性即电容值信号与待测物高度关系的训练模型。本发明采用反演算法实现了对电容值信号的反演计算，并成功还原了被测点的三维空间坐标。

该平面环形多极阵列电容传感器的工作原理为：激励电极与接收电极下端面对应工件表面，通电后，由于电压差,激励电极与接收电极产生边缘效应电场，当电机在步进电机驱动器控制下以一定转速旋转时，电容极板随之同频率旋转，因此边缘效应电场对工件表面进行扫描，连续采集所有传感器极板输出的电容值信号，利用反演算法对所有电容值信号进行逆推，还原电容值信号点对应的空间坐标位置，随后利用传统数学拟合方法对电容值信号点的空间坐标进行三维拟合，便可得出扫描区域的形貌,最后利用图像分割即可准确得出焊缝轨迹。

本发明有益效果是:该平面环形多极阵列电容焊缝跟踪传感器相比现有的用于焊缝跟踪的同类型传感器，不仅结构简单、识别精度高且通用性更强，现有的焊缝跟踪传感器一般只能识别与其功能相对应的单一焊缝类型，而该传感器用于还原扫描区域三维形貌，故可识别多种坡口类型的焊缝，甚至可用于自由曲面焊缝的识别。

附图说明

图1是传感器的结构示意图；

图中：1-端盖，2-步进电机驱动器，3-驱动器挡板，4-驱动电机，5-电机挡板，6-360°旋转滑环,7-电极底衬，8-电极绝缘层，9-上外壳，10-驱动器卡座，11-电机卡座，12-电机旋转轴，13-下外壳，14-十字定位塞，15-激励电极，16-接收电极；

图2是电容极板的平面结构示意图；

图3是传感器的电场效果图；

图4是边缘效应电场扫描轨迹图；

图5是扫描平直焊缝采集的单个电容值信号波形图；

图6是扫描自由曲面焊缝的传感器位姿图；

图7是高度数据角度换算图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施案例来进一步说明本发明的技术方案。

图1是传感器的结构示意图，如图1所示，360°旋转滑环6及电容极板与电机旋转轴12固定，360°旋转滑环6的应用，使电容极板能随驱动电机4同步无限旋转。

图2是电容极板的平面结构示意图，如图2所示，激励电极与每个接收电极均会产生电容值信号，电容极板旋转一圈，就会产生6组电容值信号。

图3是传感器的电场效果图，如图3所示，通电后，中心处的激励电极15与接收电极16产生边缘电场线，电容极板旋转时，边缘效应电场能够对工件表面进行扫描。

图4是边缘效应电场扫描轨迹图，如图4所示,由于工件表面存在焊缝坡口，所以将产生不规则的电容值信号。

实施案例1：对平直焊缝的识别。

参见图3、图4、图5，针对平直焊缝，焊接前可人工调整传感器角度，使传感器与工件表面垂直，便于焊缝跟踪。图5是扫描平直焊缝采集的单个电容值信号波形图，如图5所示,当传感器旋转360度时，波形图中有两处凸起部分，即接收电极两次扫描过焊缝区域,凸起部分对应着焊缝区域部分。发明内容已述，将电容值信号数据作为输入参数输入到反演算法中即可输出电容值信号点对应的高度数据，进而可还原每一个电容值信号点对应的空间坐标位置，随后利用传统数学拟合方法对电容值信号点的空间坐标进行三维拟合，便可得出扫描区域的形貌,最后利用图像分割即可准确得出平直焊缝的轨迹。

实施案例2：对自由曲面焊缝的识别。

参见图3、图4、图6、图7，针对自由曲面焊缝，由于工件表面不平整，焊接前不能通过人工调整传感器角度，使传感器与工件表面垂直，且焊接时传感器将随焊枪角度变化而变化，故而需要对逆解出的高度数据进行角度换算。如图6所示，在焊接过程中，因焊枪时刻处于焊缝坡口的角平分线处，故以焊枪与焊缝接触点为圆心o建立坐标系，传感器轴线与焊缝坡口的角平分线重合，α是传感器倾斜角度，β是传感器轴线与水平方向的夹角，α+β＝90°。

图7是高度数据角度换算图，如图7所示,a点是传感器，b点是电容值信号点，α与β的定义与图6一致，h1是逆解出的高度数据，h2是电容值信号点与传感器在垂直方向上的距离，由图可知，h2＝h1*cosα，故识别自由曲面焊缝时，输出电容值信号的同时焊接系统需记录传感器的角度，便于换算h2，此处的h2同案例1中逆解出的高度数据含义一致，进而可还原电容值信号点对应的空间坐标位置，随后仍利用同案例1相同的焊缝识别方法实现自由曲面焊缝轨迹的识别。

以上结合具体实施案例描述了本发明的技术原理。应当指出，凡在本发明基础之上所做的任何修改等均处于本发明的保护范围之内。