一種凹凸形變角焊縫自適應(yīng)跟蹤控制裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種凹凸形變角焊縫自適應(yīng)跟蹤控制裝置，具體是一種對(duì)于凹凸形變 角焊縫進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別并對(duì)其實(shí)現(xiàn)快速智能化示教及實(shí)時(shí)自適應(yīng)跟蹤的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著當(dāng)今科技迅速發(fā)展，現(xiàn)代化焊接生產(chǎn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求越來(lái)越 高，焊接制造模式從傳統(tǒng)手工焊接形式向自動(dòng)化無(wú)人焊接形式逐步升級(jí)。如何保證焊接質(zhì) 量，提高焊接自動(dòng)化水平成為擺在人們面前的一項(xiàng)重大課題。當(dāng)下，我國(guó)海、陸運(yùn)物流發(fā)展 迅速，由此導(dǎo)致了我國(guó)海、陸運(yùn)集裝箱需求迅速加大。而集裝箱的側(cè)板、門(mén)板位置都由波紋 板構(gòu)成，在其與集裝箱上下梁之間的焊接時(shí)，由于波紋板的焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在加工波紋板的 過(guò)程中，經(jīng)過(guò)沖壓成型波紋板焊縫的位置會(huì)隨機(jī)變化，這就導(dǎo)致了波紋板焊縫不存在一致 性。應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題國(guó)內(nèi)的焊接機(jī)器人一般采用兩種方式：1.手動(dòng)示教的方式，對(duì)焊縫的位置 進(jìn)行手動(dòng)示教，但其焊接效率很低，并且廢品率高；2.接觸式機(jī)械測(cè)量方式，設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu) 控制焊槍來(lái)應(yīng)對(duì)焊縫位置的變化。但這種方式機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度不高、操作困難，并且很 難實(shí)現(xiàn)對(duì)于焊縫間隙隨機(jī)變化情況下的有效焊槍控制。因此，即便集裝箱需求不斷加大，但 由于以上原因?qū)е卢F(xiàn)在國(guó)內(nèi)集裝箱波紋板焊接部分依然由傳統(tǒng)手工焊接完成。然而，結(jié)構(gòu) 光視覺(jué)檢測(cè)方法具有大量程、非接觸、大視場(chǎng)和系統(tǒng)柔性好等優(yōu)點(diǎn)，近年在工業(yè)環(huán)境尤其是 焊接領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。利用視覺(jué)傳感器對(duì)凹凸形變角焊縫的三維位置進(jìn)行視覺(jué)測(cè)量， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)焊縫的快速智能化示教，進(jìn)而可由三自由度機(jī)器人控制焊槍完成對(duì)目標(biāo)焊 縫三維位置的實(shí)時(shí)自適應(yīng)精確定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是:提供一套以視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)為核心的三自由度焊接設(shè)備。針對(duì)集 裝箱波紋板為代表的具有凹凸形變角的焊縫進(jìn)行自動(dòng)化焊接，在精確獲得焊縫三維位置信 息的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)焊槍對(duì)于焊縫的高精度自適應(yīng)跟蹤及擺動(dòng)控制。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是，提供一種凹凸形變角焊縫自適應(yīng)跟蹤控制裝置，其特征是 所述裝置由三自由度機(jī)器人、視覺(jué)傳感器和控制系統(tǒng)組成；
[0005] 所述三自由度機(jī)器人包括底座與移動(dòng)方向互相垂直的x軸方向移動(dòng)模組、y軸方向 移動(dòng)模組和z軸方向移動(dòng)模組，所述移動(dòng)模組均為采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠式直線(xiàn)模 組，所述底座上表面為用于放置待焊接工件1的工作平臺(tái)，y軸和x軸平行于工作平臺(tái)的工作 平面;y軸方向移動(dòng)模組的y軸方向?qū)к壈惭b在工作平臺(tái)一側(cè)，z軸方向移動(dòng)模組安裝在y軸 方向移動(dòng)模組的y軸滑臺(tái)上，x軸方向移動(dòng)模組安裝在z軸方向移動(dòng)模組的z軸滑臺(tái)上，所述x 軸方向移動(dòng)模組的x軸滑臺(tái)用于安裝焊槍?zhuān)?br>[0006] 所述視覺(jué)傳感器包括并排安裝并可沿y軸同步運(yùn)動(dòng)的攝像機(jī)和一字線(xiàn)激光器，以 焊槍在y軸上的運(yùn)動(dòng)軌跡的起始端和末端分別為前、后方，一字線(xiàn)激光器在y軸方向上位于 焊槍前方，位于一字線(xiàn)激光器發(fā)出的激光線(xiàn)可以照射在放置在工作平臺(tái)上的待焊接工件的 待焊縫上并由攝像機(jī)拍攝；
[0007] 所述控制系統(tǒng)包括上位機(jī)、下位機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所述視覺(jué)傳感器中的攝像機(jī)與 上位機(jī)連接，上位機(jī)與下位機(jī)連接，下位機(jī)還與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接。
[0008] 所述的一種凹凸形變角焊縫自適應(yīng)跟蹤控制裝置，其特征是所述放置在工作平臺(tái) 上的待焊接工件的待焊縫為底面和立面相交形成的凹凸形變角焊縫，底面與工作平臺(tái)（xy 平面)平行，立面為相對(duì)yz平面具有凹凸形變的曲面或折線(xiàn)面。所述凹凸形變角為100°~ 120〇
[0009] 所述的一種凹凸形變角焊縫自適應(yīng)跟蹤控制裝置，其特征是所述上位機(jī)為工業(yè)平 板電腦、下位機(jī)為PLC，上位機(jī)、下位機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均安裝在一體式控制柜中，一體式控制 柜與y軸滑臺(tái)相對(duì)固定安裝，所述攝像機(jī)為工業(yè)CCD相機(jī)，上位機(jī)與視覺(jué)傳感器中的工業(yè)CCD 相機(jī)以USB接口線(xiàn)連接。
[0010] 本發(fā)明還提供了一種凹凸形變角焊縫自適應(yīng)跟蹤控制裝置的控制方法，其特征在 于包括以下步驟
[0011] 1)將待焊接工件固定在工作平臺(tái)上，以x、y、z軸建立機(jī)器人工具坐標(biāo)系，并確定焊 槍的工作原點(diǎn)；
[0012] 2)視覺(jué)傳感器中的一字線(xiàn)激光器將激光線(xiàn)照射到待焊縫上，并由攝像機(jī)采集激光 線(xiàn)照射到待焊縫上形成的圖像，由上位機(jī)對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，根據(jù)處理結(jié)果生產(chǎn)下位 機(jī)控制信號(hào)，由下位機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)完成待焊縫掃描定 位和待焊縫實(shí)施自適應(yīng)跟蹤。
[0013] 所述步驟2)具體包括
[0014] 2.1)將采集到的激光線(xiàn)照射到底面和立面上的圖像分別作為底面條紋線(xiàn)和立面 條紋線(xiàn)，對(duì)底面條紋線(xiàn)經(jīng)自適應(yīng)閾值處理提取中心線(xiàn)和hough變換擬合得到一條直線(xiàn)段作 為底面直線(xiàn)，以底面直線(xiàn)接近待焊縫的末端點(diǎn)作為第一特征A P1，其圖像坐標(biāo)為以i,j彳）；對(duì) 立面條紋線(xiàn)經(jīng)自適應(yīng)閾值處理提取中心線(xiàn)和hough變換擬合得到一條直線(xiàn)段作為立面直 線(xiàn)，以立面直線(xiàn)接近待焊縫的末端點(diǎn)為第二特征點(diǎn)p 2,其圖像坐標(biāo)以攝像機(jī)圖像坐 標(biāo)系中三維坐標(biāo)為(?，與-<)的點(diǎn)P3為焊縫特征點(diǎn)，將得到的攝像機(jī)圖像坐標(biāo)系中的焊 縫特征點(diǎn)P3轉(zhuǎn)化為機(jī)器人工具坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)P4;
[0015] 2.2)待焊縫掃描定位，電機(jī)控制器控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)y軸滑臺(tái)以?huà)呙杷俣菻向前方 移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中，視覺(jué)傳感器掃描待焊縫并對(duì)采集到的圖像進(jìn)行步驟2.1)的處理得到 任意焊縫特征點(diǎn)在機(jī)器人工具坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)；
[0016] 2.3)待焊縫實(shí)時(shí)自適應(yīng)跟蹤：
[0017] 電機(jī)控制器控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)y軸滑臺(tái)以焊接速度V向前方移動(dòng)，由于視覺(jué)傳感器 在機(jī)器人y軸方向上與焊槍的相對(duì)位置保持不變，且一字線(xiàn)激光器在工件上形成的激光條 紋在y方向上到焊槍的距離為D，在y軸滑臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中當(dāng)視覺(jué)傳感器掃描待焊縫并對(duì)采集 到的圖像進(jìn)行步驟2.1)的處理，得到初始焊縫特征點(diǎn)在機(jī)器人工具坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)， 根據(jù)距離D推算此時(shí)焊槍的位置，并使焊槍向該坐標(biāo)點(diǎn)重疊；當(dāng)焊槍到達(dá)待焊縫初始特征點(diǎn) 后，將焊槍向視覺(jué)傳感器得到的下一個(gè)焊縫特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)重疊;依次進(jìn)行，直到完成對(duì) 整個(gè)待焊縫的實(shí)時(shí)自適應(yīng)跟蹤。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：
[0019] 本發(fā)明提供的一種凹凸形變角焊縫自適應(yīng)跟蹤控制裝置采用視覺(jué)方法識(shí)別并測(cè) 量凹凸形變角焊縫，非接觸式無(wú)損測(cè)量。實(shí)現(xiàn)了兩大功能。功能1:通過(guò)快速掃描目標(biāo)焊件， 可高效、精確、穩(wěn)定的獲取目標(biāo)焊縫在機(jī)器人坐標(biāo)系下的三維空間位置信息。完全可代替低 效、粗糙、一致性差的手動(dòng)示教過(guò)程。功能2:三自由度機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可實(shí)時(shí)對(duì)目標(biāo)焊 縫進(jìn)行自適應(yīng)跟蹤，顯著提高了焊接質(zhì)量和焊接效率。具體的說(shuō)包括以下幾點(diǎn)
[0020] (1)本發(fā)明設(shè)計(jì)視覺(jué)傳感器對(duì)焊縫進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別及測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)凹凸形變角焊 縫的三維位置信息精確獲取。
[0021] (2)本發(fā)明設(shè)計(jì)了三自由度機(jī)器人對(duì)凹凸形變角焊縫進(jìn)行快速智能化掃描，實(shí)現(xiàn) 了對(duì)目標(biāo)焊縫的高精度、高速度示教，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊縫三維位置信息的快速獲取，然后在位置 信息的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)高精度焊接。
[0022] (3)本發(fā)明設(shè)計(jì)了三自由度機(jī)器人對(duì)凹凸形變角焊縫實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)自適應(yīng)三維位置 精確定位，可以在一個(gè)行走過(guò)程中同時(shí)完成焊縫三維信息獲取和焊接工作，提高了工作效 率。
[0023] (4)本發(fā)明一方面避免了一般焊接機(jī)器人手動(dòng)示教、記憶式學(xué)習(xí)的繁瑣耗時(shí)過(guò)程 及笨重的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)焊縫低效率的接觸式測(cè)量方法，另一方面增強(qiáng)了整個(gè)焊接機(jī)器人的可 靠性、穩(wěn)定性、高效性。
[0024] 綜上，本發(fā)明提供的一種凹凸形變角焊縫自適應(yīng)跟蹤控制裝置，采用視覺(jué)方法識(shí) 別凹凸形變角焊縫圖像位置信息，非接觸式無(wú)損測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)焊縫的快速智能化示 教，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人對(duì)目標(biāo)焊縫的實(shí)時(shí)自適應(yīng)跟蹤，設(shè)備操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度 高。節(jié)省了人力資源，顯著提高了焊接質(zhì)量和焊接效率。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本發(fā)明凹凸形變角焊縫自適應(yīng)跟蹤控制裝置一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0026]圖2為本發(fā)明凹凸形變角焊縫自適應(yīng)跟蹤控制裝置一種實(shí)施例的基本原理結(jié)構(gòu)示 意圖；
[0027]圖中，1、待焊接工件；2、三自由度機(jī)器人，20、工作平臺(tái)，21、x軸方向移動(dòng)模組， 211、x軸滑臺(tái)，22、y軸方向移動(dòng)模組，221、y軸滑臺(tái)，23、z軸方向移動(dòng)模組，231、z軸滑臺(tái)；3、 焊槍夾具;5、焊槍;7、視覺(jué)傳感器，71、攝像機(jī)，72、一字線(xiàn)激光器;8、一體式控制柜，81、上位 機(jī)，82、下位機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例是在以本發(fā)明技術(shù) 方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本申請(qǐng)權(quán)利要求的 保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0029] 本發(fā)明提供的凹凸形變角焊縫自適應(yīng)跟蹤控制裝置，其特征是所述裝置由三自由 度機(jī)器人2、視覺(jué)傳感器7和控制系統(tǒng)組成
[0030] 所述三自由度機(jī)器人包括底座與移動(dòng)方向互相垂直的X軸方向移動(dòng)模組21、y軸方 向移動(dòng)模組22和z軸方向移動(dòng)模組23,所述移動(dòng)模組均為采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠式 直線(xiàn)模組，所述底座上表面為用于放置待焊接工件1的工作平臺(tái)20，y軸和x軸平行于工作平 臺(tái)的工作平面;y軸方向移動(dòng)模組的y軸方向?qū)к壈惭b在工作平臺(tái)一側(cè)，z軸方向移動(dòng)模組安 裝在y軸方向移動(dòng)模組的y軸滑臺(tái)上221，x軸方向移動(dòng)模組安裝在z軸方向移動(dòng)模組的z軸滑 臺(tái)231上，所述x軸方向移動(dòng)模組的x軸滑臺(tái)211用于安裝焊槍5;
[0031]所述視覺(jué)傳感器包括并排安裝并可沿y軸同步運(yùn)動(dòng)的攝像機(jī)71和一字線(xiàn)激光器 72,以焊槍在y軸上的運(yùn)動(dòng)軌跡的起始端和末端分別為前、后方