一種凹凸形變角焊縫自適應跟蹤控制裝置及其控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種凹凸形變角焊縫自適應跟蹤控制裝置，具體是一種對于凹凸形變 角焊縫進行視覺識別并對其實現快速智能化示教及實時自適應跟蹤的裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著當今科技迅速發展，現代化焊接生產對產品質量和生產效率的要求越來越 高，焊接制造模式從傳統手工焊接形式向自動化無人焊接形式逐步升級。如何保證焊接質 量，提高焊接自動化水平成為擺在人們面前的一項重大課題。當下，我國海、陸運物流發展 迅速，由此導致了我國海、陸運集裝箱需求迅速加大。而集裝箱的側板、門板位置都由波紋 板構成，在其與集裝箱上下梁之間的焊接時，由于波紋板的焊縫長度較長，在加工波紋板的 過程中，經過沖壓成型波紋板焊縫的位置會隨機變化，這就導致了波紋板焊縫不存在一致 性。應對以上問題國內的焊接機器人一般采用兩種方式：1.手動示教的方式，對焊縫的位置 進行手動示教，但其焊接效率很低，并且廢品率高；2.接觸式機械測量方式，設計機械結構 控制焊槍來應對焊縫位置的變化。但這種方式機械結構復雜、精度不高、操作困難，并且很 難實現對于焊縫間隙隨機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 由于以上原因導致現在國內集裝箱波紋板焊接部分依然由傳統手工焊接完成。然而，結構 光視覺檢測方法具有大量程、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。利用視覺傳感器對凹凸形變角焊縫的三維位置進行視覺測量， 可以實現對目標焊縫的快速智能化示教，進而可由三自由度機器人控制焊槍完成對目標焊 縫三維位置的實時自適應精確定位。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是:提供一套以視覺檢測系統為核心的三自由度焊接設備。針對集 裝箱波紋板為代表的具有凹凸形變角的焊縫進行自動化焊接，在精確獲得焊縫三維位置信 息的基礎上，實現焊槍對于焊縫的高精度自適應跟蹤及擺動控制。
[0004] 本發明的技術方案是，提供一種凹凸形變角焊縫自適應跟蹤控制裝置，其特征是 所述裝置由三自由度機器人、視覺傳感器和控制系統組成；
[0005] 所述三自由度機器人包括底座與移動方向互相垂直的x軸方向移動模組、y軸方向 移動模組和z軸方向移動模組，所述移動模組均為采用步進電機驅動的滾珠絲杠式直線模 組，所述底座上表面為用于放置待焊接工件1的工作平臺，y軸和x軸平行于工作平臺的工作 平面;y軸方向移動模組的y軸方向導軌安裝在工作平臺一側，z軸方向移動模組安裝在y軸 方向移動模組的y軸滑臺上，x軸方向移動模組安裝在z軸方向移動模組的z軸滑臺上，所述x 軸方向移動模組的x軸滑臺用于安裝焊槍；
[0006] 所述視覺傳感器包括并排安裝并可沿y軸同步運動的攝像機和一字線激光器，以 焊槍在y軸上的運動軌跡的起始端和末端分別為前、后方，一字線激光器在y軸方向上位于 焊槍前方，位于一字線激光器發出的激光線可以照射在放置在工作平臺上的待焊接工件的 待焊縫上并由攝像機拍攝；
[0007] 所述控制系統包括上位機、下位機和電機驅動器，所述視覺傳感器中的攝像機與 上位機連接，上位機與下位機連接，下位機還與電機驅動器連接。
[0008] 所述的一種凹凸形變角焊縫自適應跟蹤控制裝置，其特征是所述放置在工作平臺 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（xy 平面)平行，立面為相對yz平面具有凹凸形變的曲面或折線面。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跟蹤控制裝置，其特征是所述上位機為工業平 板電腦、下位機為PLC，上位機、下位機和電機驅動器均安裝在一體式控制柜中，一體式控制 柜與y軸滑臺相對固定安裝，所述攝像機為工業CCD相機，上位機與視覺傳感器中的工業CCD 相機以USB接口線連接。
[0010] 本發明還提供了一種凹凸形變角焊縫自適應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上，以x、y、z軸建立機器人工具坐標系，并確定焊 槍的工作原點；
[0012] 2)視覺傳感器中的一字線激光器將激光線照射到待焊縫上，并由攝像機采集激光 線照射到待焊縫上形成的圖像，由上位機對采集的圖像進行處理，根據處理結果生產下位 機控制信號，由下位機控制電機驅動器驅動步進電機，操作機器人運動完成待焊縫掃描定 位和待焊縫實施自適應跟蹤。
[0013] 所述步驟2)具體包括
[0014] 2.1)將采集到的激光線照射到底面和立面上的圖像分別作為底面條紋線和立面 條紋線，對底面條紋線經自適應閾值處理提取中心線和hough變換擬合得到一條直線段作 為底面直線，以底面直線接近待焊縫的末端點作為第一特征A P1，其圖像坐標為以i,j彳）；對 立面條紋線經自適應閾值處理提取中心線和hough變換擬合得到一條直線段作為立面直 線，以立面直線接近待焊縫的末端點為第二特征點p 2,其圖像坐標以攝像機圖像坐 標系中三維坐標為(?，與-<)的點P3為焊縫特征點，將得到的攝像機圖像坐標系中的焊 縫特征點P3轉化為機器人工具坐標系下的位置坐標P4;
[0015] 2.2)待焊縫掃描定位，電機控制器控制步進電機驅動y軸滑臺以掃描速度H向前方 移動，在移動過程中，視覺傳感器掃描待焊縫并對采集到的圖像進行步驟2.1)的處理得到 任意焊縫特征點在機器人工具坐標系下的位置坐標；
[0016] 2.3)待焊縫實時自適應跟蹤：
[0017] 電機控制器控制步進電機驅動y軸滑臺以焊接速度V向前方移動，由于視覺傳感器 在機器人y軸方向上與焊槍的相對位置保持不變，且一字線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軸滑臺移動過程中當視覺傳感器掃描待焊縫并對采集 到的圖像進行步驟2.1)的處理，得到初始焊縫特征點在機器人工具坐標系下的位置坐標， 根據距離D推算此時焊槍的位置，并使焊槍向該坐標點重疊；當焊槍到達待焊縫初始特征點 后，將焊槍向視覺傳感器得到的下一個焊縫特征點的位置坐標重疊;依次進行，直到完成對 整個待焊縫的實時自適應跟蹤。
[0018] 本發明的有益效果是：
[0019] 本發明提供的一種凹凸形變角焊縫自適應跟蹤控制裝置采用視覺方法識別并測 量凹凸形變角焊縫，非接觸式無損測量。實現了兩大功能。功能1:通過快速掃描目標焊件， 可高效、精確、穩定的獲取目標焊縫在機器人坐標系下的三維空間位置信息。完全可代替低 效、粗糙、一致性差的手動示教過程。功能2:三自由度機器人在運動過程中可實時對目標焊 縫進行自適應跟蹤，顯著提高了焊接質量和焊接效率。具體的說包括以下幾點
[0020] (1)本發明設計視覺傳感器對焊縫進行視覺識別及測量，實現了對凹凸形變角焊 縫的三維位置信息精確獲取。
[0021] (2)本發明設計了三自由度機器人對凹凸形變角焊縫進行快速智能化掃描，實現 了對目標焊縫的高精度、高速度示教，實現了對焊縫三維位置信息的快速獲取，然后在位置 信息的基礎上可以實現高精度焊接。
[0022] (3)本發明設計了三自由度機器人對凹凸形變角焊縫實現了實時自適應三維位置 精確定位，可以在一個行走過程中同時完成焊縫三維信息獲取和焊接工作，提高了工作效 率。
[0023] (4)本發明一方面避免了一般焊接機器人手動示教、記憶式學習的繁瑣耗時過程 及笨重的機械結構對焊縫低效率的接觸式測量方法，另一方面增強了整個焊接機器人的可 靠性、穩定性、高效性。
[0024] 綜上，本發明提供的一種凹凸形變角焊縫自適應跟蹤控制裝置，采用視覺方法識 別凹凸形變角焊縫圖像位置信息，非接觸式無損測量，實現了對目標焊縫的快速智能化示 教，并在此基礎上實現了機器人對目標焊縫的實時自適應跟蹤，設備操作簡單，自動化程度 高。節省了人力資源，顯著提高了焊接質量和焊接效率。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明凹凸形變角焊縫自適應跟蹤控制裝置一種實施例的整體結構示意 圖；
[0026]圖2為本發明凹凸形變角焊縫自適應跟蹤控制裝置一種實施例的基本原理結構示 意圖；
[0027]圖中，1、待焊接工件；2、三自由度機器人，20、工作平臺，21、x軸方向移動模組， 211、x軸滑臺，22、y軸方向移動模組，221、y軸滑臺，23、z軸方向移動模組，231、z軸滑臺；3、 焊槍夾具;5、焊槍;7、視覺傳感器，71、攝像機，72、一字線激光器;8、一體式控制柜，81、上位 機，82、下位機。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合實施例及其附圖對本發明做進一步詳細說明。實施例是在以本發明技術 方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本申請權利要求的 保護范圍不限于下述的實施例。
[0029] 本發明提供的凹凸形變角焊縫自適應跟蹤控制裝置，其特征是所述裝置由三自由 度機器人2、視覺傳感器7和控制系統組成
[0030] 所述三自由度機器人包括底座與移動方向互相垂直的X軸方向移動模組21、y軸方 向移動模組22和z軸方向移動模組23,所述移動模組均為采用步進電機驅動的滾珠絲杠式 直線模組，所述底座上表面為用于放置待焊接工件1的工作平臺20，y軸和x軸平行于工作平 臺的工作平面;y軸方向移動模組的y軸方向導軌安裝在工作平臺一側，z軸方向移動模組安 裝在y軸方向移動模組的y軸滑臺上221，x軸方向移動模組安裝在z軸方向移動模組的z軸滑 臺231上，所述x軸方向移動模組的x軸滑臺211用于安裝焊槍5;
[0031]所述視覺傳感器包括并排安裝并可沿y軸同步運動的攝像機71和一字線激光器 72,以焊槍在y軸上的運動軌跡的起始端和末端分別為前、后方