厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)及多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤、規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)及多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤、規(guī)劃方法。厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)包括：機(jī)器人，激光結(jié)構(gòu)光傳感器，焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)；所述激光結(jié)構(gòu)光傳感器包括主體系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、夾持系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，在焊接時(shí)能夠?qū)崟r(shí)獲取包含焊縫坡口特征信息的圖像，并傳遞至所述控制系統(tǒng)；而所述控制系統(tǒng)由所述圖像獲取坡口信息，控制所述機(jī)器人不斷糾正焊接系統(tǒng)中焊槍的位置；同時(shí)所述控制系統(tǒng)調(diào)整焊道軌跡和焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多層多道的實(shí)時(shí)規(guī)劃，能夠提高勞動(dòng)效率及生產(chǎn)質(zhì)量。
【專利說明】厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)及多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤、規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及焊接機(jī)器人的智能控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種厚板機(jī)器人MAG焊接系統(tǒng)及多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤、規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著道路交通、海洋工程、特種船舶等重型工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，我國對(duì)大厚板焊接的需求也越來越大。在大厚板的焊接中，多層多道焊是常用的焊接方法之一。目前，實(shí)際應(yīng)用中多采用人工焊接，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣，因此急需一種可以用機(jī)器人替代人力的自動(dòng)化智能化焊接方法。但是目前將機(jī)器人用于厚板多層多道焊的主要問題有:隨著焊接層數(shù)的增加，坡口實(shí)際情況與理想狀態(tài)相差的越來越大，而目前的焊接機(jī)器人無法對(duì)這種變化及時(shí)做出反饋。因此，開發(fā)一種可以對(duì)多層多道焊的坡口特征進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，調(diào)整焊道規(guī)劃和焊縫跟蹤的智能化、自動(dòng)化機(jī)器人焊接系統(tǒng)及方法十分重要。
[0003]近幾年來，隨著機(jī)器視覺、圖像處理、模式識(shí)別、智能控制等技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)提出來多種應(yīng)用于機(jī)器人焊接的傳感器。其中激光結(jié)構(gòu)光傳感器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信息量大、精度高及穩(wěn)定性較好的特點(diǎn)，成為應(yīng)用于厚板焊接智能控制領(lǐng)域的理想選擇。激光傳感器的基本原理是將條狀激光投射到工件上，利用CXD采集工件上反射的激光條紋圖像，再通過一系列的信號(hào)處理，最后得到需要的坡口特征信息。但是由于多層多道焊縫表面形貌復(fù)雜，特征不明顯，普通激光視覺傳感器很難正確識(shí)別坡口形貌特征。
[0004]中國專利“一種基于激光結(jié)構(gòu)光的焊縫跟蹤視覺傳感器”(申請(qǐng)?zhí)枮?00410009931.4)，該傳感器采用激光束通過柱狀鏡形成激光平面，投射到工件上產(chǎn)生激光條紋，視覺傳感器采集焊縫激光圖像，通過圖像處理計(jì)算焊縫位置，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或無線通信輸出，以達(dá)到控制焊接機(jī)器人的目的。該傳感器針對(duì)不同的焊縫類型和工序開發(fā)了不同的焊縫圖像處理模塊，具有較高的適用性。但是該傳感器不具有識(shí)別多層多道焊縫的能力，也無法進(jìn)行厚板多層多道焊規(guī)劃。
[0005]中國專利“基于掃描式激光視覺傳感器的厚板窄間隙深坡口激光自動(dòng)化多層焊焊接方法”(申請(qǐng)?zhí)?01210213371.9)，該方法利用激光視覺傳感器實(shí)現(xiàn)了多層單道焊接的離線焊道規(guī)劃。但是該方法不能實(shí)現(xiàn)多層多道焊縫的在線規(guī)劃，也無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)焊縫跟蹤。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，提供一種厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)及多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤、規(guī)劃方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中不能夠?qū)崿F(xiàn)多層多道焊縫的跟蹤和規(guī)劃的問題。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，包括:
[0008]機(jī)器人，激光結(jié)構(gòu)光傳感器，焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)；所述激光結(jié)構(gòu)光傳感器包括主體系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、夾持系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)獲取包含焊縫坡口特征信息的圖像，并傳遞至所述控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)由所述圖像獲取坡口信息，控制所述機(jī)器人不斷糾正焊接系統(tǒng)中焊槍的位置；同時(shí)所述控制系統(tǒng)調(diào)整焊道軌跡和焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多層多道的實(shí)時(shí)規(guī)劃。
[0009]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述主體系統(tǒng)上設(shè)置有用于與夾持系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)相連接的接口，所述冷卻系統(tǒng)通過一燕尾槽與所述主體系統(tǒng)相連接。
[0010]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述夾持系統(tǒng)包括水平方向的第一部分和豎直方向的第二部分，所述主體系統(tǒng)可移動(dòng)的設(shè)置于所述第一部分上，所述機(jī)器人包括焊槍，所述焊槍可移動(dòng)的設(shè)置于所述第二部分上。
[0011]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述主體系統(tǒng)與第一部分的相對(duì)移動(dòng)范圍是O-lOOmm，所述焊槍與第二部分的相對(duì)移動(dòng)范圍是0_80mm。
[0012]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述主體系統(tǒng)包括:(XD傳感器、鏡頭，半導(dǎo)體激光發(fā)生器及激光反光鏡。
[0013]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光器的中心波長(zhǎng)為600-700nm，半峰寬為 0.5_3nm，功率為 150-200MW。
[0014]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述主體系統(tǒng)還包括一控制電路，通過控制供電進(jìn)行開啟和關(guān)閉主體的各個(gè)器件，并調(diào)節(jié)激光器的功率和冷卻系統(tǒng)的制冷能力。
[0015]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述CCD傳感器與焊槍平行放置，所述CCD傳感器通過夾具高度可調(diào)節(jié)的固定于主體系統(tǒng)中，所述CCD傳感器通過信號(hào)線連接至控制系統(tǒng)的一圖像采集單元。
[0016]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光發(fā)生器與所述CCD傳感器平行放置，產(chǎn)生的激光的光束經(jīng)過一柱狀鏡變成一字線結(jié)構(gòu)光，通過所述激光反光鏡后投射在工件上，投射角度在15° -45°。
[0017]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)包括主減光濾光系統(tǒng)、附加減光濾光系統(tǒng)和光學(xué)反光鏡；投射在工件上的結(jié)構(gòu)光的條紋和工件坡口依次經(jīng)過光學(xué)反光鏡、附加減光濾光系統(tǒng)和主減光濾光系統(tǒng)被CCD傳感器接收。
[0018]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述主減光濾光系統(tǒng)和附加減光濾光系統(tǒng)皆包括減光片和濾光片，所述主減光濾光系統(tǒng)用以提取激光結(jié)構(gòu)光，所述附加減光濾光系統(tǒng)用于去除超出設(shè)定規(guī)格的弧光。
[0019]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述主減光濾光系統(tǒng)的濾光片為中心波長(zhǎng)670nm,帶寬20nm的窄帶干涉濾光片，所述主減光濾光系統(tǒng)的減光片的通過率為40% ;所述附加減光濾光系統(tǒng)的減光片的通過率為60%。
[0020]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述光學(xué)反光鏡與水平方向的夾角為10° -25°，其中心位置相對(duì)于鏡頭的高度為5-20mm。
[0021]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)為水冷系統(tǒng)。
[0022]利用如上所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，本發(fā)明提供進(jìn)行多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤的方法，包括:
[0023]步驟一，選定工件的坡口類型，通過控制系統(tǒng)的進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；
[0024]步驟二，開啟激光結(jié)構(gòu)光傳感器，控制系統(tǒng)的圖像采集單元接收工件坡口包含結(jié)構(gòu)光的原始圖像；
[0025]步驟三，對(duì)所述原始圖像進(jìn)行處理，得到激光條紋上的特征點(diǎn)，并記錄所述特征點(diǎn)在原始圖像中的位置；
[0026]步驟四，控制系統(tǒng)的焊縫位置提取單元根據(jù)標(biāo)定矩陣，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得實(shí)際位置的三維坐標(biāo)，進(jìn)而獲得所述特征點(diǎn)的實(shí)際位置；
[0027]步驟五，控制系統(tǒng)的焊縫跟蹤單元將一機(jī)器人姿態(tài)獲取單元得到的焊槍位置信息與所述特征點(diǎn)的實(shí)際位置相比較，計(jì)算出下一步機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)；
[0028]步驟六，控制系統(tǒng)的輸入輸出單元將所述坐標(biāo)傳遞給機(jī)器人，利用所述坐標(biāo)引導(dǎo)機(jī)器人向正確的位置移動(dòng)，完成焊接過程中的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤。
[0029]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤的方法，所述工件的坡口類型為V形。
[0030]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤的方法，所述特征點(diǎn)為包括代表焊縫位置、焊道中心位置、坡口底部位置的點(diǎn)。
[0031]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤的方法，在步驟四中，所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包括:
[0032]將所述特征點(diǎn)在原始圖像中的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際平面上的二維坐標(biāo)；
[0033]通過參照物和三角測(cè)量法，將獲得的實(shí)際平面上的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際位置的三維坐標(biāo)信息。
[0034]利用如上所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，本發(fā)明還提供進(jìn)行多層多道焊縫實(shí)時(shí)規(guī)劃的方法，包括:
[0035]步驟一，根據(jù)多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤的方法中步驟四得到的所述特征點(diǎn)的位置信息，以及控制系統(tǒng)中焊接電源參數(shù)獲取單元得到的焊接電源參數(shù)信息，利用控制系統(tǒng)的焊道規(guī)劃單元計(jì)算焊道規(guī)劃信息；
[0036]步驟二，控制系統(tǒng)的焊縫跟蹤單元接受焊道規(guī)劃單元計(jì)算出的焊道規(guī)劃信息，計(jì)算出焊接參數(shù)；
[0037]步驟三，控制系統(tǒng)的輸入輸出單元將所述焊接參數(shù)實(shí)時(shí)傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人接受所述焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，完成多層多道焊縫實(shí)時(shí)規(guī)劃。
[0038]進(jìn)一步的，對(duì)于所述的多層多道焊縫實(shí)時(shí)規(guī)劃的方法，所述焊道規(guī)劃信息包括:
[0039]焊槍中心位置的偏移距離Y、焊槍的擺幅W及焊接速度V2，其中，r =δ/2
【權(quán)利要求】
1.一種厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，包括: 機(jī)器人，激光結(jié)構(gòu)光傳感器，焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)；所述激光結(jié)構(gòu)光傳感器包括主體系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、夾持系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)獲取包含焊縫坡口特征信息的圖像，并傳遞至所述控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)由所述圖像獲取坡口信息，控制所述機(jī)器人不斷糾正焊接系統(tǒng)中焊槍的位置；同時(shí)所述控制系統(tǒng)調(diào)整焊道軌跡和焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多層多道的實(shí)時(shí)規(guī)劃。
2.如權(quán)利要求1所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述主體系統(tǒng)上設(shè)置有用于與夾持系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)相連接的接口，所述冷卻系統(tǒng)通過一燕尾槽與所述主體系統(tǒng)相連接。
3.如權(quán)利要求1所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述夾持系統(tǒng)包括水平方向的第一部分和豎直方向的第二部分，所述主體系統(tǒng)可移動(dòng)的設(shè)置于所述第一部分上，所述機(jī)器人包括焊槍，所述焊槍可移動(dòng)的設(shè)置于所述第二部分上。
4.如權(quán)利要求3所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述主體系統(tǒng)與第一部分的相對(duì)移動(dòng)范圍是0-lOOmm，所述焊槍與第二部分的相對(duì)移動(dòng)范圍是0_80mm。
5.如權(quán)利要求1所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述主體系統(tǒng)包括:CCD傳感器、鏡頭，半導(dǎo)體激光發(fā)生器及激光反光鏡。
6.如權(quán)利要求5所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述主體系統(tǒng)還包括一控制電路，通過控制供電進(jìn)行開啟和關(guān)閉主體的各個(gè)器件，并調(diào)節(jié)激光器的功率和冷卻系統(tǒng)的制冷能力。
7.如權(quán)利要求5所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述CCD傳感器與焊槍平行放置，所述CCD傳感器通過夾具高度可調(diào)節(jié)的固定于主體系統(tǒng)中，所述CCD傳感器通過信號(hào)線連接至控制系統(tǒng)的一圖像采集單元。
8.如權(quán)利要求7所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光發(fā)生器與所述CCD傳感器平行放置，產(chǎn)生的激光的光束經(jīng)過一柱狀鏡變成一字線結(jié)構(gòu)光，通過所述激光反光鏡后投射在工件上，投射角度在15° -45°。
9.如權(quán)利要求8所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光器的中心波長(zhǎng)為600-700nm，半峰寬為0.5_3nm，功率為150-200MW。
10.如權(quán)利要求8所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)包括主減光濾光系統(tǒng)、附加減光濾光系統(tǒng)和光學(xué)反光鏡；投射在工件上的結(jié)構(gòu)光的條紋和工件坡口依次經(jīng)過光學(xué)反光鏡、附加減光濾光系統(tǒng)和主減光濾光系統(tǒng)被CCD傳感器接收。
11.如權(quán)利要求10所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述主減光濾光系統(tǒng)和附加減光濾光系統(tǒng)皆包括減光片和濾光片，所述主減光濾光系統(tǒng)用以提取激光結(jié)構(gòu)光，所述附加減光濾光系統(tǒng)用于去除超出設(shè)定規(guī)格的弧光。
12.如權(quán)利要求11所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述主減光濾光系統(tǒng)的濾光片為中心波長(zhǎng)670nm,帶覽20nm的窄帶干涉濾光片，所述王減光濾光系統(tǒng)的減光片的通過率為40% ;所述附加減光濾光系統(tǒng)的減光片的通過率為60%。
13.如權(quán)利要求10所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)反光鏡與水平方向的夾角為10° -25°，其中心位置相對(duì)于鏡頭的高度為5-20mm。
14.如權(quán)利要求1所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)為水冷系統(tǒng)。
15.利用如權(quán)利要求1-14中任意一項(xiàng)所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)進(jìn)行多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤的方法，包括: 步驟一，選定工件的坡口類型，通過控制系統(tǒng)的進(jìn)行參數(shù)設(shè)置； 步驟二，開啟激光結(jié)構(gòu)光傳感器，控制系統(tǒng)的圖像采集單元接收工件坡口包含結(jié)構(gòu)光的原始圖像； 步驟三，對(duì)所述原始圖像進(jìn)行處理，得到激光條紋上的特征點(diǎn)，并記錄所述特征點(diǎn)在原始圖像中的位置； 步驟四，控制系統(tǒng)的焊縫位置提取單元根據(jù)標(biāo)定矩陣，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲得實(shí)際位置的三維坐標(biāo)，進(jìn)而獲得所述特征點(diǎn)的實(shí)際位置； 步驟五，控制系統(tǒng)的焊縫跟蹤單元將一機(jī)器人姿態(tài)獲取單元得到的焊槍位置信息與所述特征點(diǎn)的實(shí)際位置相比較，計(jì)算出下一步機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)； 步驟六，控制系統(tǒng)的輸入輸出單元將所述坐標(biāo)傳遞給機(jī)器人，利用所述坐標(biāo)引導(dǎo)機(jī)器人向正確的位置移動(dòng)，完成焊接過程中的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤。
16.如權(quán)利要求15所述的多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤的方法，其特征在于，所述工件的坡口類型為V形。
17.如權(quán)利要求15所述的多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤的方法，其特征在于，所述特征點(diǎn)為包括代表焊縫位置、焊道中心位置、坡口底部位置的點(diǎn)。
18.如權(quán)利要求15所述的多層多道焊縫實(shí)時(shí)跟蹤的方法，其特征在于，在步驟四中，所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包括: 將所述特征點(diǎn)在原始圖像中的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際平面上的二維坐標(biāo)； 通過參照物和三角測(cè)量法，將獲得的實(shí)際平面上的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際位置的三維坐標(biāo)信息。
19.利用如權(quán)利要求1-14中任意一項(xiàng)所述的厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)進(jìn)行多層多道焊縫實(shí)時(shí)規(guī)劃的方法，包括: 步驟一，根據(jù)如權(quán)利要求15中步驟四得到的所述特征點(diǎn)的位置信息，以及控制系統(tǒng)中焊接電源參數(shù)獲取單元得到的焊接電源參數(shù)信息，利用控制系統(tǒng)的焊道規(guī)劃單元計(jì)算焊道規(guī)劃信息； 步驟二，控制系統(tǒng)的焊縫跟蹤單元接受焊道規(guī)劃單元計(jì)算出的焊道規(guī)劃信息，計(jì)算出焊接參數(shù)； 步驟三，控制系統(tǒng)的輸入輸出單元將所述焊接參數(shù)實(shí)時(shí)傳遞給機(jī)器人，機(jī)器人接受所述焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，完成多層多道焊縫實(shí)時(shí)規(guī)劃。
20.如權(quán)利要求19所述的多層多道焊縫實(shí)時(shí)規(guī)劃的方法，其特征在于，所述焊道規(guī)劃信息包括: 焊槍中心位置的偏移距離Y、焊槍的擺幅W及焊接速度V2,其中，Y=SL J
21.如權(quán)利要求19所述的多層多道焊縫實(shí)時(shí)規(guī)劃的方法，其特征在于，所述焊接參數(shù)包括:機(jī)器人下一步運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)和焊接工藝參數(shù)。
【文檔編號(hào)】B23K37/00GK103934571SQ201410146344
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】張洵, 孔萌, 陳華斌, 林濤, 何銀水, 陳玉喜, 陳善本, 金玉嵌 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué), 上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司