基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統的制作方法
【專利摘要】一種基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統，包括：焊縫視覺檢測系統，用于焊縫識別、位置檢測、進程監視以及向通信與控制系統進行圖像傳輸；焊接執行系統，用于執行焊接動作，包括六自動度工業機器人、焊接機及焊槍；通信與控制系統，用于實現通信及過程控制，以工控機為主控制設備，完成焊接過程顯示、圖像處理、數據運算、指令發送功能；機器人控制器接收來自工控機的指令信號，控制六自動度工業機器人的關節運動以調節焊槍的位姿；焊機控制器接受來自工控機的指令信號，控制焊接電流、送絲速度等焊接參數；本實用新型可準確檢測識別焊縫類型、位置及形狀等特征，穩定提高非標件焊接加工質量，大幅提高勞動生產率。
【專利說明】
基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統
技術領域
[0001 ]本發明屬于自動化焊接技術領域，涉及一種自動化焊接加工集成設備，特別涉及一種基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統。
【背景技術】
[0002]目前，現代企業生產制造中除標準件之外，還存在大量的的非標準件，特別是鋼結構產品的生產中，非標準件較多，非標件的制造加工精度和質量直接影響著最終產品的質量。
[0003]鋼結構非標準件加工中，為保障構件強度，各部件之間多采用焊接連接方式，焊接加工在鋼結構制造中具有重要的地位。由于鋼結構構件具有厚度大、結構復雜，非標準件多的特點，對焊接加工的強度、精度和工藝性要求很高，加工難度較大，對工人的技術要求較高。目前，大型鋼結構加工仍以人工焊接為主，輔之以一定的專用焊接設備加工，自動化程度較低。人工焊接存在著工人勞動強度大、工作環境艱苦、生產效率低、人工成本高等諸多不足;而專用焊接機設備昂貴，只能加工固定位置的焊縫，位置調節困難，遠不能滿足實際加工的需要。
[0004]為了解決目前存在的問題，國內很多汽車、船舶、工程機械等生產企業借鑒現代制造業的生產加工方法，在生產線中引入焊接機器人系統，極大地提高了焊接質量、降低焊接成本。然而目前大多數焊接機器人仍采用示教在線編程方式，雖然在線示教在點焊、搬運和噴漆等簡單無路徑要求的任務上得到廣泛應用。但這些編程技術存在以下兩方面的問題:
(I)示教精度不穩定，影響焊接質量;(2)編程時間長，焊接效率低。在非標件的加工中，由于焊接位置的不確定，示教編程的劣勢更加明顯，為了保證軌跡的精度，操作人員需要示教很多點以保證焊接機器人運行平滑，總焊接時間長，且無法確保精度的穩定性。
[0005]因此，針對非標件的特點，建立起符合工業現場需求，滿足非標件加工的自動化焊接系統成為需要迫切解決的問題。
【發明內容】
[0006]為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統，解決了現有非標件焊接加工中焊縫示教精度不穩定、焊接效率低的問題。
[0007]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是:
[0008]—種基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統，包括:
[0009]焊縫視覺檢測系統，用于焊縫識別、位置檢測、進程監視以及向通信與控制系統進行圖像傳輸；
[0010]焊接執行系統，用于執行焊接動作，包括六自動度工業機器人1、安裝在六自動度工業機器人I主驅動臂端部的焊接機6及安裝在六自動度工業機器人I末端執行器上的焊槍8，六自動度工業機器人I帶動焊槍8作空間位置和姿態調整，焊接機6通過焊槍8對非標工件14進行焊接加工;焊接電源為焊接機6和非標工件14供電；
[0011 ] 通信與控制系統，用于實現通信及過程控制，包括工控機11、機器人控制器2、焊機控制器7和通信線纜9，其中，工控機11為主控制設備，用于完成焊接過程顯示、圖像處理、數據運算、指令發送功能;機器人控制器2與六自動度工業機器人I本體、工控機11通過通信線纜二9-2連接，接收來自工控機11的指令信號，控制六自動度工業機器人I的關節運動以調節焊槍8的位姿;焊機控制器7與焊接機6、工控機11通過通信線纜三9-3連接，接受來自工控機11的指令信號，控制焊接電流、送絲速度等焊接參數。
[0012]所述焊縫視覺檢測系統包括線結構光傳感器3、監控CCD攝像機4和圖像采集卡5，其中線結構光傳感器3固定安裝在工業機器人I的末端執行器上且與焊槍8保持相對固定位置不變，構成機器人手眼，用于焊縫識別和位置檢測；監控CCD攝像機4用于監視焊接加工進程及熔池，圖像采集卡5安裝在工控機11的主板上，通過通信線纜一 9-1實現監控CXD攝像機4和線結構光視覺傳感器3與工控機11之間的圖像傳輸與通信。
[0013]所述線結構光傳感器3包括激光二級管投射器3-1、光闌3-2、CCD攝像機3-3、透鏡3-4以及過濾片3-5，其中激光二級管投射器I用于向焊縫15及非標工件14投射線結構光，形成反映焊縫表面輪廓的激光條紋16，光闌2用于調節控制光束的強弱，CCD攝像機3-3用于采集帶有激光條紋16的焊縫圖像，在CXD攝像機3-3前加裝透鏡3-4和過濾片3-5，透鏡3-4用于圖像聚焦，在CCD像面上形成清晰圖像，過濾片3-5用于過濾焊接過程中產生的大量弧光、飛濺、煙塵進入鏡頭，降低圖像噪聲。
[0014]所述非標工件14由非標件工裝夾具裝置10夾裝固定，所述非標件工裝夾具裝置10由3個柔性多伸縮桿夾持器10-2和I套可快速釋放夾緊作動器10-1，所述可快速釋放夾緊作動器10-1安裝在其中一個柔性多伸縮桿夾持器10-2上，用于非標工件14的夾緊，另外兩個柔性多伸縮桿夾持器10-2用于非標工件14的定位。可快速釋放夾緊作動器10-1可選用兩自由度變位機，用于支持柔性多伸縮桿夾持器10-2，調整非標工件14的整體位置和姿態。
[0015]所述工控機11中設置視覺信息處理系統12和離線編程系統13，其中，所述視覺信息處理系統12包括:
[0016]視覺系統標定模塊，用于完成所述焊縫視覺檢測系統的參數測定標定，包括CCD攝像機參數標定、結構光傳感器參數標定和機器人手眼參數標定；
[0017]焊縫圖像處理模塊，以焊縫視覺檢測系統采集的結構光焊縫圖像為輸入，進行焊縫圖像預處理和焊縫條紋提取；
[0018]焊縫識別定位模塊，以視覺系統標定模塊和焊縫圖像處理模塊獲得的數據結果為輸入，進行焊縫類型識別和焊縫三維重建；
[0019]所述離線編程系統13包括:
[0020]CAD建模模塊，以所述焊縫識別定位模塊的結果和六自動度工業機器人I參數作為輸入，進行機器人三維建模和焊接環境三維建模，實現系統設計和布置；
[0021 ]編程模塊，用于機器人路徑規劃和編制任務程序；
[0022]圖形仿真模塊，接受編程模塊編制的任務程序，在CAD建模模塊的三維模型上進行動態模擬圖形仿真，檢驗任務程序的正確性；
[0023]后置處理模塊，將編程模塊編制的任務程序編譯為工業機器人目標程序及焊接指令，并發送給機器人控制器2和焊機控制器7，以控制焊接操作，同時將采集到的現場信息進行信息存儲，以備后序分析。
[0024]所述焊縫圖像預處理包括圖像濾波和閾值分割，之后進行焊縫激光條紋線細化及特征提取；
[0025]所述焊縫識別類型包括對接、搭接、角接等形成的直線型焊縫，及圓柱體之間或圓柱與球體之間相貫形成的曲線型焊縫。
[0026]所述焊縫三維重建采用線結構光主動視覺法，利用圖像處理獲取焊縫在圖像上的像素坐標，通過攝像機內參數模型及線結構光平面方程將像素坐標轉換為攝像機坐標，再進一步通過機器人運動學方程及手眼標定關系，轉換到機器人基坐標系，實現焊縫的三維重建；
[0027]所述編制的任務程序包括焊縫圖像處理程序、攝像機內參數標定程序、線結構光平面方程標定程序、機器人運動學方程解算程序、機器人手眼標定程序。
[0028]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0029]I)可準確檢測識別焊縫類型、位置及形狀等特征，穩定提高非標件焊接加工質量；
[0030]2)實時監控焊接加工過程，實現加工過程的可視化管理；
[0031]3)大幅度節省加工時間、提高勞動生產率；
[0032]4)改善工人勞動強度和工作環境。
【附圖說明】
[0033]圖1是本實用新型所述基于結構光視覺的機器人自動化焊接加工系統結構圖。
[0034]圖2是結構光視覺傳感器系統結構圖。
[0035]圖3是非標件工裝夾具裝置結構圖。
[0036]圖4是視覺信息處理模塊原理框圖。
[0037]圖5是離線編程模塊原理框圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖和實施例詳細說明本發明的實施方式。
[0039]本實用新型一種基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統，包括焊縫視覺檢測系統、焊接執行系統和通信與控制系統。
[0040]焊縫視覺檢測系統用于焊縫識別、位置檢測、進程監視以及向通信與控制系統進行圖像傳輸;如圖1所示，其包括線結構光傳感器3、監控CCD攝像機4和圖像采集卡5，其中線結構光傳感器3固定安裝在工業機器人I的末端執行器上且與焊槍8保持相對固定位置不變，構成機器人手眼，用于焊縫識別和位置檢測；監控CCD攝像機4獨立固定安裝，用于監視焊接加工進程及熔池，圖像采集卡5安裝在工控機11的主板上，通過通信線纜一 9-1實現監控CCD攝像機4和結構光視覺傳感器3與工控機11之間的圖像傳輸與通信。
[0041]焊接執行系統用于執行焊接動作，如圖1所示，其包括六自動度工業機器人1、安裝在六自動度工業機器人I主驅動臂端部的焊接機6及安裝在六自動度工業機器人I末端執行器上的焊槍8，六自動度工業機器人I帶動焊槍8作空間位置和姿態調整，焊接機6通過焊槍8對非標工件14進行焊接加工;焊接電源為焊接機6和非標工件14供電。
[0042]通信與控制系統，用于實現通信及過程控制，如圖1所示，其包括工控機11、機器人控制器2、焊機控制器7和通信線纜9，其中，工控機11為主控制設備，用于完成焊接過程顯示、圖像處理、數據運算、指令發送功能;機器人控制器2與六自動度工業機器人I本體、工控機11通過通信線纜二9-2連接，接收來自工控機11的指令信號，控制六自動度工業機器人I的關節運動以調節焊槍8的位姿;焊機控制器7與焊接機6、工控機11通過通信線纜三9-3連接，接受來自工控機11的指令信號，控制焊接電流、送絲速度等焊接參數。
[0043]其中，線結構光傳感器3如圖2所示，包括激光二級管投射器3-1、光闌3_2、(XD攝像機3-3、透鏡3-4以及過濾片3-5，其中激光二級管投射器3-1用于向焊縫15及非標工件14投射線結構光，形成反映焊縫表面輪廓的激光條紋16，光闌2用于調節控制光束的強弱，CCD攝像機3-3用于采集帶有激光條紋16的焊縫圖像，在CCD攝像機3-3前加裝透鏡3-4和過濾片3-5，透鏡3-4用于圖像聚焦，在CCD像面上形成清晰圖像，過濾片3-5用于過濾焊接過程中產生的大量弧光、飛濺、煙塵進入鏡頭，降低圖像噪聲。
[0044]非標工件14由非標件工裝夾具裝置10夾裝固定，所述非標件工裝夾具裝置10如圖3所示，由3個柔性多伸縮桿夾持器10-2和I套可快速釋放夾緊作動器10-1，所述可快速釋放夾緊作動器10-1安裝在其中一個柔性多伸縮桿夾持器10-2上，用于非標工件14的夾緊，另外兩個柔性多伸縮桿夾持器10-2用于非標工件14的定位。可快速釋放夾緊作動器10-1可選用兩自由度變位機，用于支持柔性多伸縮桿夾持器10-2，調整非標工件14的整體位置和姿
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[0045]所有系統都由可計算機控制，各模塊伸縮桿首先被驅動到確定位置已固定的非標工件14表面，再啟動可快速釋放夾緊作動器10-1安全夾緊非標工件14，當非標工件14中有任何變化時，通過改變伸縮桿的位置，組合夾具實現自動重構。
[0046]柔性多伸縮桿夾持器10-2包括電機和一個四伸縮桿機構，所述四伸縮桿機構由四個結構相同的單伸縮桿機構組成，每個單伸縮桿機構均包括伸縮桿、運動機構和動力傳輸機構，所述四個單伸縮桿機構呈兩行兩列分布，其中一列的兩個單伸縮桿機構中的伸縮桿與電機連接由電機直接驅動，另一列的兩個單伸縮桿機構中的伸縮桿由電機通過動力傳送圓軸驅動，使得各伸縮桿能夠沿各自的Χ、Υ軸方向獨立運動，共控個不同運動。
[0047]運動機構由兩部分組成，一部分由一根螺紋軸控制伸縮桿沿Y軸方向運動，另一部分由一根方軸連同一套蝸輪裝置控制伸縮桿沿X方向運動。具體地，伸縮桿安裝在一個由螺紋軸驅動的支撐板上，伸縮桿上有外螺紋，與蝸輪軸上的內螺紋相嚙合，蝸輪軸緊密配合在蝸輪上，蝸輪由安裝在方軸上的蝸桿驅動，蝸輪軸上安裝推力軸承用于抵抗夾持時的反作用力，方軸和螺紋軸均由電機通過動力傳輸機構獨立驅動。
[0048]動力傳輸機構包括動力傳遞系統、軸變換系統和離合系統，具體地，動力傳遞系統包括一個主動輪、一個惰輪和六個面輪，電機軸通過軸套延伸，主動輪固定安裝在軸套上，面輪三固定在惰輪軸上，面輪四、面輪五、面輪六、面輪七、面輪八分別安裝在該列伸縮桿的四根驅動軸和動力傳送圓軸上，當面輪三與面輪四、面輪五、面輪六、面輪七、面輪八中的一個相嚙合時，電機的動力將傳輸到相嚙合面輪所對應的軸;軸變換系統包括兩個面輪、一個惰輪臂和一個球頭銷，其中面輪一安裝在軸套上，面輪二安裝在惰輪臂的一端，當面輪一和面輪二相嚙合時，惰輪臂旋轉運動到被選軸的位置，由球頭銷限定惰輪臂繼續運動;離合系統由一個離合臂和兩個電磁閥開關組成，電磁開關A用于驅動離合臂以推動惰輪臂施加力使面輪一和面輪二相嚙合，電磁開關B用于驅動離合臂以推動惰輪臂施加力使面輪三和被選軸所在面輪相嚙合。
[0049]柔性多伸縮桿夾持器10-2可由可計算機控制，各模塊伸縮桿首先被驅動到確定位置已固定工件表面，再啟動作動器安全夾緊工件，當工件中有任何變化時，通過改變伸縮桿的位置，組合夾具實現自動重構。
[0050]以上所述焊縫視覺檢測系統、焊接執行系統、通信與控制系統、非標件工裝夾具裝置構成了結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統的硬件設備部分，除硬件設備外，系統還需要軟件部分，工控機11中設置視覺信息處理系統12和離線編程系統13，作為整個焊接系統的軟件部分，其中，如圖4所示，視覺信息處理系統12包括:
[0051]視覺系統標定模塊，用于完成所述焊縫視覺檢測系統的參數測定標定，包括CCD攝像機參數標定、結構光傳感器參數標定和機器人手眼參數標定；
[0052]焊縫圖像處理模塊，以焊縫視覺檢測系統采集的結構光焊縫圖像為輸入，進行焊縫圖像預處理和焊縫條紋提取；
[0053]焊縫識別定位模塊，以視覺系統標定模塊和焊縫圖像處理模塊獲得的數據結果為輸入，進行焊縫類型識別和焊縫三維重建；
[0054]如圖5所示，離線編程系統13包括:
[0055]CAD建模模塊，以所述焊縫識別定位模塊的結果和六自動度工業機器人I參數作為輸入，進行機器人三維建模和焊接環境三維建模，實現系統設計和布置；
[0056]編程模塊，用于機器人路徑規劃和編制任務程序；
[0057]圖形仿真模塊，接受編程模塊編制的任務程序，在CAD建模模塊的三維模型上進行動態模擬圖形仿真，檢驗任務程序的正確性；
[0058]后置處理模塊，將編程模塊編制的任務程序編譯為工業機器人目標程序及焊接指令，并發送給機器人控制器2和焊機控制器7，以控制焊接操作，同時將采集到的現場信息進行信息存儲，以備后序分析。
【主權項】
1.一種基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統，其特征在于，包括: 焊縫視覺檢測系統，用于焊縫識別、位置檢測、進程監視以及向通信與控制系統進行圖像傳輸； 焊接執行系統，用于執行焊接動作，包括六自動度工業機器人(I )、安裝在六自動度工業機器人(I)主驅動臂端部的焊接機(6)及安裝在六自動度工業機器人(I)末端執行器上的焊槍(8)，六自動度工業機器人(I)帶動焊槍(8)作空間位置和姿態調整，焊接機(6)通過焊槍(8)對非標工件(14)進行焊接加工； 通信與控制系統，用于實現通信及過程控制，包括工控機(11)、機器人控制器(2)、焊機控制器(7)和通信線纜(9)，其中，工控機(11)為主控制設備，用于完成焊接過程顯示、圖像處理、數據運算、指令發送功能;機器人控制器(2)與六自動度工業機器人(I)本體、工控機(11)通過通信線纜二 (9-2)連接，接收來自工控機(11)的指令信號，控制六自動度工業機器人(I)的關節運動以調節焊槍(8)的位姿;焊機控制器(7)與焊接機(6)、工控機(11)通過通信線纜三(9-3)連接，接受來自工控機(11)的指令信號，控制焊接參數。2.根據權利要求1所述基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統，其特征在于，所述焊縫視覺檢測系統包括線結構光傳感器(3)、監控CCD攝像機(4)和圖像采集卡(5)，其中線結構光傳感器(3)固定安裝在工業機器人(I)的末端執行器上且與焊槍(8)保持相對固定位置不變，構成機器人手眼，用于焊縫識別和位置檢測；監控CCD攝像機(4)用于監視焊接加工進程，圖像采集卡(5)安裝在工控機(11)的主板上，通過通信線纜一 (9-1)實現監控CCD攝像機(4)和結構光視覺傳感器(3)與工控機(11)之間的圖像傳輸與通信。3.根據權利要求2所述基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統，其特征在于，所述線結構光傳感器(3)包括激光二級管投射器(3-1)、光闌(3-2)、CCD攝像機(3-3)、透鏡(3-4)以及過濾片(3-5)，其中激光二級管投射器(I)用于向焊縫(15)投射線結構光，形成反映焊縫表面輪廓的激光條紋(16)，光闌(2)用于調節控制光束的強弱，CCD攝像機(3-3)用于采集帶有激光條紋(16)的焊縫圖像，在CCD攝像機(3-3)前加裝透鏡(3-4)和過濾片(3-5)，透鏡(3-4)用于圖像聚焦，在CCD像面上形成清晰圖像，過濾片(3-5)用于過濾焊接過程中產生的大量弧光、飛濺、煙塵進入鏡頭，降低圖像噪聲。4.根據權利要求1所述基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統，其特征在于，所述非標工件(14)由非標件工裝夾具裝置(10)夾裝固定，所述非標件工裝夾具裝置(10)由3個柔性多伸縮桿夾持器(10-2)和I套可快速釋放夾緊作動器(10-1)，所述可快速釋放夾緊作動器(10-1)安裝在其中一個柔性多伸縮桿夾持器(10-2)上，用于非標工件(14)的夾緊，另外兩個柔性多伸縮桿夾持器(10-2)用于非標工件(14)的定位。5.根據權利要求4所述基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統，其特征在于，所述柔性多伸縮桿夾持器(10-2)包括電機和一個四伸縮桿機構，所述四伸縮桿機構由四個結構相同的單伸縮桿機構組成，每個單伸縮桿機構均包括伸縮桿、運動機構和動力傳輸機構，所述四個單伸縮桿機構呈兩行兩列分布，其中一列的兩個單伸縮桿機構中的伸縮桿與電機連接由電機直接驅動，另一列的兩個單伸縮桿機構中的伸縮桿由電機通過動力傳送圓軸驅動，使得各伸縮桿能夠沿各自的X、Y軸方向獨立運動，共控個不同運動。6.根據權利要求5所述基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統，其特征在于，所述運動機構由兩部分組成，一部分由一根螺紋軸控制伸縮桿沿Y軸方向運動，另一部分由一根方軸連同一套蝸輪裝置控制伸縮桿沿X方向運動。7.根據權利要求5所述基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統，其特征在于，所述伸縮桿安裝在一個由螺紋軸驅動的支撐板上，伸縮桿上有外螺紋，與蝸輪軸上的內螺紋相嚙合，所述蝸輪軸緊密配合在蝸輪上，蝸輪由安裝在方軸上的蝸桿驅動，所述蝸輪軸上安裝推力軸承用于抵抗夾持時的反作用力，所述方軸和螺紋軸均由電機通過動力傳輸機構獨立驅動。8.根據權利要求7所述基于結構光視覺的非標件自動化焊接加工系統，其特征在于，所述動力傳輸機構包括動力傳遞系統、軸變換系統和離合系統，所述動力傳遞系統包括一個主動輪、一個惰輪和六個面輪，電機軸通過軸套延伸，主動輪固定安裝在軸套上，面輪三固定在惰輪軸上，面輪四、面輪五、面輪六、面輪七、面輪八分別安裝在該列伸縮桿的四根驅動軸和動力傳送圓軸上，當面輪三與面輪四、面輪五、面輪六、面輪七、面輪八中的一個相嚙合時，電機的動力將傳輸到相嚙合面輪所對應的軸;所述軸變換系統包括兩個面輪、一個惰輪臂和一個球頭銷，其中面輪一安裝在軸套上，面輪二安裝在惰輪臂的一端，當面輪一和面輪二相嚙合時，惰輪臂旋轉運動到被選軸的位置，由球頭銷限定惰輪臂繼續運動;所述離合系統由一個離合臂和兩個電磁閥開關組成，電磁開關A用于驅動離合臂以推動惰輪臂施加力使面輪一和面輪二相嚙合，電磁開關B用于驅動離合臂以推動惰輪臂施加力使面輪三和被選軸所在面輪相嚙合。
【文檔編號】B23K37/00GK205650975SQ201620133154
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年2月23日 公開號201620133154.2, CN 201620133154, CN 205650975 U, CN 205650975U, CN-U-205650975, CN201620133154, CN201620133154.2, CN205650975 U, CN205650975U
【發明人】田啟良, 洪磊, 嵇保健, 朱美玉, 樊云博, 蔡剛洪
【申請人】南京中建化工設備制造有限公司, 中國建筑股份有限公司, 中建安裝工程有限公司, 南京工業大學