薄鋼板搭接焊縫小特征點四機頭串行視覺檢測跟蹤裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型為一種薄鋼板搭接焊縫小特征點四機頭串行視覺檢測跟蹤裝置,該裝置的組成包括龍門架構、工業電腦、PLC電氣控制柜,其中,龍門架構的橫梁上承載四個焊槍,每個焊槍的一側分別剛性連接有一個視覺傳感器,焊槍另一側分別剛性連接有一個焊接控制器,四個焊槍中,龍門構架橫梁的左右兩端各有一個焊槍,另外兩個焊槍分別位于龍門架構橫梁的左側起1/4和1/2位置處,視覺傳感器固定在焊槍行進方向的前端,與焊槍一同行進移動。本實用新型開發了薄鋼板四焊機搭接焊接視覺裝置,該裝置可代替人力進行工作,每臺機器四個焊槍同時進行焊接,大大縮短了每個長搭接鋼板的焊接時間,節省人力資源。
【專利說明】薄鋼板搭接焊縫小特征點四機頭串行視覺檢測跟蹤裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型的技術方案涉及視覺焊接領域,具體地說是用于相機代替人眼在焊接過程中識別出焊接特征點并控制焊槍移動完成焊接的裝置。
【背景技術】
[0002]為了滿足日益復雜的焊接生產的需求,把視覺引入到焊接領域中是一個重要的應用,在焊接過程中,視覺可以代替人眼識別焊接特征,并把特征信息傳遞給可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,簡稱PLC),進而依據偏差信息控制焊槍進行移動焊接。但其應用仍然受到很多因素的制約,工作的協調性、實時性和魯棒性還遠遠沒有達到像人那樣手眼如一的程度。如何準確得到焊接特征點一直是棘手的問題,也是決定視覺焊接裝置質量的關鍵。
[0003]視覺檢測方法具有非接觸、大視場和系統柔性好等優點,近年在工業環境尤其是焊接領域得到廣泛的應用。視覺檢測借助于一字型線激光器實現,一字型線激光器與相機封裝在視覺保護盒內,相機采集到的圖像傳送到工業電腦,工業電腦應用視覺提取程序實現視覺特征提取并與將特征點位置通信給PLC,PLC控制焊槍對中焊縫,完成實時焊接過程。
[0004]在焊接【技術領域】,傳統的焊接方法是依靠人力實現的,通過人眼確定焊接特征點控制焊槍進行焊接或者通過示教過程控制焊槍移動軌跡,但是這種方法效率較低,不具有靈活性,需要依據不同薄鋼板特征分別示教進行焊接。將視覺引入焊接,可以實現特征點實時檢測,從而控制焊槍實時跟蹤,節省了示教時間,提高了生產效率,也減少了人力投入,具有社會效益與經濟效益。
[0005]CN102139487A公開了“焊接機器人遠距離示教用視覺傳感器”,傳感器可以實現精確現場示教,引導機械臂實現精確跟蹤。這種方法只適合于小批量,模塊化生產,不適合大批量生產,對焊接中焊板等形變偏移不能實時監控。
[0006]CN103480991A披露了“一種薄鋼板窄焊縫在線視覺檢測與控制裝置”,通過并行四路八個視覺傳感器進行薄鋼板焊接,這種系統為并行機構,適用于多生產線同時開工,對于如較長焊板焊接效率相對不高,且不適用于搭接焊接工藝。
[0007]CN101973032A報道了 “一種焊接機器人線結構光視覺傳感器離線編程系統和方法”,需要編寫大量離線信息庫進行焊接,對焊接軌跡進行路徑規劃與運動編程,焊接過程只是執行預先計算好的軌跡,對于焊接過程中出現的現場誤差不能及時實時進行處理,對現場穩定性要求較高。
[0008]本實用新型針對以上不足,提出了實時焊接視覺監控系統,能夠適應不同高度的搭接焊板,能夠完全代替人工進行焊接,靈活度高,適應現場出現的誤差,實時性好,可靠性高。系統安裝有四套傳感焊接裝置,能夠同時進行焊接,提高了焊接效率。
實用新型內容
[0009]針對以上問題,本實用新型所要解決的技術問題是:采用串行四路視覺傳感器和焊機,四套視覺傳感器獨立進行特征檢測,每套系統裝有限位開關,協同完成焊接過程。關鍵的裝置為視覺傳感器,內部封裝有分離式激光器和USB工業相機。能夠同時對較長搭接焊板進行焊接,四路串行焊接協同工作,完成長搭接焊板焊接任務,比單傳感器系統節省時間。實現在焊接過程中實時提取焊接特征點,將偏差數據傳送給PLC進而進一步控制焊槍移動實現實時焊接,不受現場環境改變及焊接工件形變等影響,實現智能化焊接。
[0010]本實用新型的技術方案為:
[0011]一種薄鋼板搭接焊縫小特征點四機頭串行視覺檢測跟蹤裝置,該裝置的組成包括龍門架構、工業電腦、PLC電氣控制柜,
[0012]其中,龍門架構的橫梁上承載四個焊槍,每個焊槍的一側分別剛性連接有一個視覺傳感器,焊槍另一側分別剛性連接有一個焊接控制器,四個焊槍中,龍門構架橫梁的左右兩端各有一個焊槍,另外兩個焊槍分別位于龍門架構橫梁的左側起1/4和1/2位置處,視覺傳感器固定在焊槍行進方向的前端,與焊槍一同行進移動,焊接過程中,左側的三個焊槍行進方向一致,為自左至右行進,右側焊槍的焊接方向與左側三個焊槍焊接方向相反,從右到左行進;工業電腦位于橫梁的一端;PLC電氣控制柜位于龍門架構側部;
[0013]所述的視覺傳感器內部封裝有工業相機和激光器,安裝在視覺傳感器內壁的頂部,激光器安裝視覺傳感器內部的側壁上,與工業相機呈角度安裝,角度調節范圍20°?70°,激光器中心與工業相機光軸中心在同一平面上,視覺傳感器背部有U形槽;
[0014]每個視覺傳感器內部的相機信號線與激光器電源線均由頂部引出并穿過各自的鉸鏈內部分別與工業電腦相連接,四個鉸鏈位于龍門架構一側凸臺上,橫梁下方;搭接待焊接鋼板位于龍門架構平臺表面上,上面壓有壓腳;
[0015]所述的焊槍頂部剛性連接有垂直方向偏差調節伺服電機,垂直方向手動搖桿剛性連接在垂直方向偏差調節伺服電機上,焊槍還與第一連接塊剛性連接,氣缸安裝在第一連接塊上,氣缸與水平偏差調節伺服電機剛性連接,水平偏差調節伺服電機頂部剛性連接有縱向偏差調節伺服電機,水平方向手動搖桿剛性連接在水平方向偏差調節伺服電機上,縱向手動搖桿剛性連接在縱向偏差調節伺服電機上;垂直方向手動搖桿剛性連接在垂直方向偏差調節伺服電機上;氣缸通過第二連接塊視覺傳感器剛性連接,
[0016]第三滑塊與龍門架構橫梁側部的滑道連接,通過縱向偏差調節伺服電機帶動第三滑塊與焊槍一起沿焊接方向滑動,
[0017]所述的工業電腦通過工業總線與PLC電氣控制柜中的PLC相連,PLC分別與垂直方向偏差調節伺服電機、水平方向偏差調節伺服電機和縱向偏差調節伺服電機相連。
[0018]所述的PLC電氣控制柜包括PLC、控制開關和指示燈,控制開關通過接線與PLC和指示燈連接。
[0019]本實用新型的有益效果是:
[0020]本實用新型開發了薄鋼板搭接焊縫小特征點四機頭串行視覺檢測跟蹤裝置,該裝置可代替人力進行工作,每臺機器四個焊槍同時進行焊接,大大縮短了每個長搭接鋼板的焊接時間,節省人力資源,有效節省焊接時間,系統四焊機可以同時或單獨工作,可以實現全天二十四小時持續工作,避免工人由于疲憊等引起的焊接誤差,提高焊接質量;系統結構簡單靈活,可以依據安裝高度進行角度調整,采用分離式激光器,縮小了傳感器的體積;適用于現場多變因素的影響,智能視覺焊接能夠依據焊接過程中焊板由于機器振動等因素引起的偏移實時檢測出當前特征點位置,由實施效果數據可以看出,相鄰幀間最大偏差在5個像素之內,焊槍位置偏差在0.5_之內,提高了精度與準確度;把工人從勞動環境惡劣的環境中解放出來,實現一個工人同時監控多臺焊接的效果,能有效節約工廠生產系統空間和成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0022]圖1為系統框架示意圖。
[0023]11為龍門架構12為焊板的壓腳131、132、133、134為焊槍141、142、143、144為視覺傳感器
[0024]151、152、153、154為保護接線鉸鏈,內布走線16為工業電腦17為搭接焊板18為PLC電氣柜191為焊接控制器
[0025]圖2為封裝視覺傳感器內部示意圖。
[0026]144為視覺傳感器111為工業相機110為一字型激光器
[0027]圖3為本實用新型系統結構圖。
[0028]圖4為本實用新型實施處理流程。
[0029]圖5為工業電腦監控界面。
[0030]50為原始圖像顯示區域,51為重建三維圖像顯示區域,52為焊接狀態監控,53為焊接速度顯示框,54為橫向坐標顯示框,55為縱向坐標顯示框,56為垂直偏差顯示框,57為程序退出按鈕,58為設置按鈕,可以設置PID控制參數等信息,59為啟動焊接按鈕,510為起始點搜索按鈕,511為壓腳升降按鈕,512為四個傳感器顯示界面之間切換按鈕。
[0031]圖6為焊接控制器界面
[0032]61為焊接過程手動/自動切換按鈕62為焊接啟動按鈕63為手動狀態下焊槍左行右行按鈕64為焊接停止按鈕
[0033]圖7為視覺傳感器裝置圖。
[0034]71為擋板,72為垂直偏差調節伺服電機,73為垂直方向手動搖桿,74為氣缸,75為橫向偏差調節伺服電機,76為縱向手動搖桿,77為縱向偏差調節伺服電機,78為橫向手動搖桿,79為氣缸與視覺傳感器之間的連接塊,710為焊槍與氣缸之間的連接塊,711為視覺傳感器裝置與龍門架構連接塊。
[0035]圖8為視覺傳感器141對焊縫位置提取曲線圖;其中,圖8a為焊縫焊接特征點橫向坐標曲線圖,圖8b為焊縫焊接特征點縱向坐標曲線圖,圖Sc為焊縫焊接特征點垂直偏差曲線圖;
[0036]圖9為視覺傳感器142對焊縫位置提取曲線圖;其中,圖9a為焊縫焊接特征點橫向坐標曲線圖,圖9b為焊縫焊接特征點縱向坐標曲線圖,圖9c為焊縫焊接特征點垂直偏差曲線圖;
[0037]圖10為視覺傳感器143對焊縫位置提取曲線圖;其中,圖1Oa為焊縫焊接特征點橫向坐標曲線圖,圖1Ob為焊縫焊接特征點縱向坐標曲線圖,圖1Oc為焊縫焊接特征點垂直偏差曲線圖;
[0038]圖11為視覺傳感器144對焊縫位置提取曲線圖;其中,圖1la為焊縫焊接特征點橫向坐標曲線圖,圖1lb為焊縫焊接特征點縱向坐標曲線圖,圖1lC為焊縫焊接特征點垂直偏差曲線圖。
【具體實施方式】
[0039]下面對本實用新型的實施例作詳細說明,但并不能以此來限定本實用新型的范圍。任何對本實用新型的機制作本【技術領域】內熟知的部件的替換、組合、分立,以及對本實用新型實施步驟作本【技術領域】內熟知的等同改變或替換均不超出本實用新型的揭露以及保護范圍。
[0040]圖1為整個系統結構圖。
[0041]一種薄鋼板搭接焊縫小特征點四機頭串行視覺檢測跟蹤裝置,該裝置的組成包括龍門架構11、工業電腦16、PLC電氣控制柜18,
[0042]其中,龍門架構11的橫梁上承載四個焊槍131、132、133、134,焊槍131、132、133、134的一側分別剛性連接有視覺傳感器141、142、143、144,焊槍131、132、133、134另一側分別剛性連接有一個焊接控制器,焊接控制器和視覺傳感器跟隨焊槍一起運動,焊接控制器191可以實現控制焊槍134焊接手動、自動進行切換,便于調試。其中,焊槍131、134分別位于龍門構架11橫梁的左右兩端,焊槍132、133分別位于龍門架構橫梁的左側起1/4和1/2位置處,視覺傳感器141、142、143、144通過連接塊固定在焊槍131、132、133、134行進方向的前端,分別與焊槍131、132、133、134—同行進移動,起到視覺檢測特征點并引導焊接的作用,焊接過程中,焊槍131、132、133行進方向一致,為自左至右行進,焊槍134焊接方向與焊槍131、132、133焊接方向相反,從右到左行進;工業電腦16位于橫梁的一端;PLC電氣控制柜18位于龍門架構側部;龍門架構11的橫梁側部有滑道,供焊槍131、132、133、134以及連接塊沿焊接方向進行移動;
[0043]其中,以視覺傳感器144為例,其內部封裝有工業相機111和一字型激光器110,工業相機111為大恒公司的DH-HV1351UM相機,安裝在視覺傳感器144內壁的頂部,一字型激光器110 (為公知器件,可發出一字型結構光條紋)安裝視覺傳感器144側壁上,與工業相機111呈角度安裝,角度以一字型激光器110發射出的結構光在工業相機111成像平面在中間部位為適宜角度,且其角度可以調節,調節范圍20°?70°,一字型激光器中心110與工業相機111光軸中心在同一平面上,視覺傳感器144背部有U形槽,可以進行水冷。四個視覺傳感器141、142、143、144內部的工業相機信號線與激光器電源線均由頂部引出并穿過鉸鏈151、152、153、154內部與工業電腦16相連接,鉸鏈151、152、153、154位于龍門架構一側凸臺上,橫梁下方,內部有偏差調節電機72、75、77與PLC連接線、視覺傳感器141、142、143、144與工業電腦16連接線,用于保護線路穩定不纏繞。17為搭接待焊接鋼板,在龍門架構平臺表面上,并由壓腳12進行固定防止在焊接過程中由于各種外在因素引起鋼板的移動錯位進而造成焊接質量問題,壓腳12位于龍門架構表面一側,可以由工業電腦16通過外接氣泵提供推動力控制壓腳12的升降,進而壓緊待焊搭接鋼板17。
[0044]焊槍134頂部剛性連接有垂直方向偏差調節伺服電機72,帶動氣缸74,焊槍134可以沿豎直方向上下移動,上下移動的極限位置由氣缸74確定,氣缸74安裝在連接塊710上與焊槍134剛性連接;氣缸74與水平偏差調節伺服電機75剛性連接,垂直方向手動搖桿73剛性連接在垂直方向偏差調節伺服電機72上,水平方向手動搖桿78剛性連接在水平方向偏差調節伺服電機75上,縱向手動搖桿76剛性連接在縱向偏差調節伺服電機77上,縱向偏差調節伺服電機77安裝在水平方向偏差調節伺服電機75頂部,在手動狀態下,通過垂直方向手動搖桿73、水平方向手動搖桿78、縱向手動搖桿76,可以實現手動在垂直方向、水平方向、縱向焊槍134位置調節。氣缸74通過連接塊79與視覺傳感器144剛性連接,視覺傳感器144內部封裝有工業相機111與激光器110。其中,系統內涉及的的連接均為剛性連接。711滑塊與龍門架構橫梁側部的滑道連接,通過縱向偏差調節伺服電機77帶動滑塊711與焊槍134 —起沿焊接方向滑動,支撐視覺傳感器144與焊槍134結構,視覺系統144與焊槍134均垂直安裝于焊板17上方,中心對準焊縫區域,焊槍134中心與工業相機111光軸所組成的平面垂直于焊件17 ;視覺系統144位于焊槍134行進方向的正前方。
[0045]視覺傳感器144內封裝有工業相機111和一字型激光器110,工業相機111與工業電腦16之間用USB線進行連接與數據的傳送。工業電腦16得到傳送來的圖像信息,經過圖像濾波、骨架提取、特征提取等一系列過程,將提取到的特征點的位置偏差信息經由串口通信傳送給PLC電氣控制柜18中的PLC,PLC將橫向、縱向、垂直偏差量分別傳遞給橫向偏差調節電機75、縱向偏差調節電機77、垂直偏差調節電機72,偏差調節電機75、77、72依據偏差信息進而控制焊槍134進行移動從而對中焊縫進行實時焊接。
[0046]通過起始點搜索510,工業電腦16得到焊接初始點,工業電腦16將焊接初始點位置信息,經由串口通信傳送給PLC電氣控制柜18中的PLC,PLC將焊接初始點位置信息分別傳遞給橫向偏差調節電機75、縱向偏差調節電機77、垂直偏差調節電機72,偏差調節電機75、77、72依據焊接初始點信息控制焊槍134移動到焊接初始點位置。其中,串口通信為雙向通訊模式。與此同時,工業電腦16顯示屏不僅可以顯示圖像實時處理信息,還可顯示焊接特征點位置以及偏差信息;操作人員可以通過顯示屏對過程進行速度、控制的PID參數設置等,實現對焊接過程的實時監控。
[0047]所述的PLC電氣控制柜18的主要組成是PLC、控制開關、指示燈以及接線等,控制開關通過接線與PLC和指示燈連接,以完成并顯示PLC上電情況;
[0048]圖4為本實用新型實施處理流程,首先壓緊壓腳12,進行起始點搜索,使焊槍131、132、133、134移動到焊接初始點,進而開始焊接過程,工業相機采集到的圖像經過圖像濾波、主直線提取、特征點提取進而得到橫向、縱向、垂直偏差,偏差信息傳遞給PLC控制器,PLC控制器分別控制偏差調節電機帶動焊槍進行偏差調節實現對中焊縫的焊接。
[0049]圖5為工業電腦監控界面,以其中一個視覺傳感器144處理過程為例,50能夠實時顯示圖像處理信息,51能夠依據提取的數據信息進行三維重建并顯示,52為焊接狀態監控狀態,工業相機111與工業電腦16、PLC電氣控制柜18之間能夠正常通訊時,狀態框為綠色顯示,否則為灰色顯示,這時候就需要進行故障檢查。53為焊接速度顯示框,可以通過屏幕設置好焊槍速度并通訊給PLC。通過點擊“設置”58按鈕,可以對控制器實現PID參數的傳遞以及壓腳寬度等的設置。點擊“壓緊壓腳”511按鈕,就可以完成將壓腳12緊密壓緊在焊板17上方,防止焊接過程中出現的擾動引起焊板位置偏移。進而繼續點擊“起始點搜索”510,此時,焊槍會自動尋找焊接起點。按下“開始焊接”59按鈕,此時,焊接啟動,54、55、56分別顯示工業電腦中專用搭接焊接處理軟件識別出的特征點的橫向坐標、縱向坐標、垂直偏差,并將這三個偏差連續不斷傳送給PLC,控制焊槍在橫向、縱向、垂直方向依據偏差數值進行移動對中焊縫,完成連續焊接。按鈕512則可以在四個傳感器之間進行切換,分別對四個傳感器進行監控。按鈕57即可以保證程序安全退出。
[0050]以其中一個視覺傳感器144處理過程為例,如果需要手動進行焊接,需要將按下焊接控制器191的手動/自動按鈕61,切換到手動狀態進行焊接。按下焊接啟動62,即可以進行手動焊接,按下焊槍左行右行63按鈕,即可以控制焊槍134左右移動進行焊接,按下焊接停止64,即可以停止焊接。
[0051]本實用新型中工業電腦中涉及的存儲、操控以及信號處理等方法為公知技術,本領域普通人員技術人員完全可以根據上述步驟的描述通過常用軟件VC編寫相關程序來實現。
[0052]本實施的應用證明,本實用新型實施方便,能夠實現搭接焊接的監控與自動跟蹤,可以滿足生產線的需要。
[0053]本實施例的焊接特征檢測數據結果如圖8、圖9、圖10、圖11所示。針對長度12米的2毫米厚度的搭接焊板進行測試焊接,焊接速度為lm/s,在圖8、圖9、圖10、圖11中,我們可以看到相鄰幀間最大檢測誤差小于5個像素,即相對應焊槍調節偏差范圍誤差在0.5mm之內。
[0054]本實用新型未盡事宜為公知技術。
【權利要求】
1.一種薄鋼板搭接焊縫小特征點四機頭串行視覺檢測跟蹤裝置,其特征為該裝置的組成包括龍門架構、工業電腦、PLC電氣控制柜, 其中,龍門架構的橫梁上承載四個焊槍,每個焊槍的一側分別剛性連接有一個視覺傳感器,焊槍另一側分別剛性連接有一個焊接控制器,四個焊槍中,龍門構架橫梁的左右兩端各有一個焊槍,另外兩個焊槍分別位于龍門架構橫梁的左側起1/4和1/2位置處,視覺傳感器固定在焊槍行進方向的前端,與焊槍一同行進移動,焊接過程中,左側的三個焊槍行進方向一致,為自左至右行進,右側焊槍的焊接方向與左側三個焊槍焊接方向相反,從右到左行進;工業電腦位于橫梁的一端;PLC電氣控制柜位于龍門架構側部; 所述的視覺傳感器內部封裝有工業相機和激光器,安裝在視覺傳感器內壁的頂部,激光器安裝視覺傳感器內部的側壁上,與工業相機呈角度安裝,角度調節范圍20°?70°,激光器中心與工業相機光軸中心在同一平面上,視覺傳感器背部有U形槽; 每個視覺傳感器內部的相機信號線與激光器電源線均由頂部引出并穿過各自的鉸鏈內部分別與工業電腦相連接,四個鉸鏈位于龍門架構一側凸臺上,橫梁下方;搭接待焊接鋼板位于龍門架構平臺表面上,上面壓有壓腳; 所述的工業電腦通過工業總線與PLC電氣控制柜中的PLC相連,PLC分別與垂直方向偏差調節伺服電機、水平方向偏差調節伺服電機和縱向偏差調節伺服電機相連; 所述的PLC電氣控制柜包括PLC、控制開關和指示燈,控制開關通過接線與PLC和指示燈連接。
2.如權利要求1所述的薄鋼板搭接焊縫小特征點四機頭串行視覺檢測跟蹤裝置,其特征為所述的焊槍頂部剛性連接有垂直方向偏差調節伺服電機,垂直方向手動搖桿剛性連接在垂直方向偏差調節伺服電機上,焊槍還與第一連接塊剛性連接,氣缸安裝在第一連接塊上,氣缸與水平偏差調節伺服電機剛性連接,水平偏差調節伺服電機頂部剛性連接有垂直方向偏差調節電機,水平方向手動搖桿剛性連接在水平方向偏差調節伺服電機上,垂直方向手動搖桿剛性連接在垂直方向偏差調節伺服電機上;垂直方向手動搖桿剛性連接在垂直方向偏差調節伺服電機上;氣缸通過第二連接塊視覺傳感器剛性連接, 第三滑塊與龍門架構橫梁側部的滑道連接。
【文檔編號】B23K37/00GK204053279SQ201420451524
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2014年8月12日
【發明者】陳海永, 杜曉琳, 孫鶴旭 申請人:河北工業大學