一種全自動激光焊接方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種全自動激光焊接方法及裝置，方法分為準(zhǔn)備階段和焊接階段，準(zhǔn)備階段將待焊接的焊縫的軌跡信息存入計算機(jī)；在包含待焊接區(qū)域的攝像頭取像范圍內(nèi)的任意一個或多個位置做上標(biāo)記；以標(biāo)記為參考點(diǎn)，設(shè)置基于標(biāo)記的焊縫搜索區(qū)域；焊接階段包括采集圖像信息，搜索得到圖像中標(biāo)記的數(shù)量和位置信息，使用直線檢測獲得焊縫的位置和角度信息，最終生成焊縫實(shí)際的位置及輪廓軌跡。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)全自動激光焊接，不僅可以實(shí)現(xiàn)直線焊縫的自動焊接，也可以實(shí)現(xiàn)圓弧或曲線等任意焊縫軌跡的自動焊接。無需依靠夾具對待焊接工件進(jìn)行定位，可一次將多個工件隨意擺放在工作臺面上后實(shí)現(xiàn)自動化焊接，且焊接軌跡無需專門的機(jī)械部件來實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】一種全自動激光焊接方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自動生產(chǎn)和加工領(lǐng)域，特別是任意直線或曲線及其組合軌跡的全自動激光焊接領(lǐng)域，具體為一種全自動激光焊接方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]激光焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)電子、汽車制造和航空航天等領(lǐng)域，是一種高效、高精度、高可靠的連接方式。為了提高焊接效率和質(zhì)量一致性，一些全自動的激光焊接方法被開發(fā)出來。從檢索到的資料來看，全自動激光焊接方法利用的基本技術(shù)有兩種，第一種是基于圖像識別技術(shù)，第二種是基于自動夾具。
[0003]中國科學(xué)院沈陽自動化研究所與日本IHI公司共同合作開發(fā)了一條激光拼焊生產(chǎn)線。這條生產(chǎn)線只用來做兩塊鋼板的對接焊接，焊縫為一條直線(見文獻(xiàn)中國第I條全自動激光拼焊生產(chǎn)線問世.Science Brief, July 2008:61)。此外，長春一汽寶友鋼材加工配送中心，武漢蒂森克虜伯激光拼焊有限公司，上海寶鋼阿賽洛激光拼焊有限公司，廣州花都寶井激光拼焊板有限公司等都有類似的全自動激光焊接生產(chǎn)線(見文獻(xiàn)聞志波，劉培月，王長銘.激光拼焊生產(chǎn)線的組成及應(yīng)用.應(yīng)用激光.0(^(*6^008，￥01.28，如.5:379?382)。這種焊接方式的工作原理是通過攝像頭在線采集圖像，然后圖像識別尋找焊縫，進(jìn)而引導(dǎo)激光束進(jìn)行焊接。但是目前，其只能焊接直線焊縫，對于小半徑圓弧焊縫無法實(shí)現(xiàn)焊接。
[0004]文列龍等申請的“一種全自動激光焊接機(jī)”專利(中國，專利號201210039174.X和201220055927.1)，主要是從上下料的角度進(jìn)行的，其對方形工件可實(shí)現(xiàn)自動上下料，位置精度是由定位夾具通過機(jī)械的方式實(shí)現(xiàn)，對隨意擺放的工件無法實(shí)現(xiàn)焊接。
[0005]文列龍等申請的“全自動激光焊接機(jī)”專利(中國，專利號201310165935.0)，也是從全自動夾具的方面來保證焊接的全自動化的，對隨意擺放的工件無法實(shí)現(xiàn)焊接。
[0006]吳軒等申請的“一種全自動激光焊接機(jī)裝置及作業(yè)方法”專利(中國，專利號201210147237.3)是通過轉(zhuǎn)盤夾具和不同高度墊塊的使用方面保證批量產(chǎn)品的自動焊接的，其強(qiáng)調(diào)的是夾具的全自動化，對于隨意擺放的工件無法實(shí)現(xiàn)焊接，激光不會因?yàn)楣ぜ恢玫钠七M(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
[0007]李圣怡等申請的“光纖有源器件自動激光焊接裝置”專利(中國，專利號200510032570.X)是通過二維的角度傾斜臺和兩個正交放置結(jié)構(gòu)完全相同的微動平臺來調(diào)整光源位置實(shí)現(xiàn)全自動激光焊接的，僅適用于對接的結(jié)構(gòu)，對于任意直線或曲線及其組合軌跡無能為力。
[0008]山口勝申請的“自動激光焊接機(jī)”專利(中國，專利號201220551765.0)是利用固定在四軸聯(lián)動的導(dǎo)軌上的激光焊接頭并配合旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)空間任意點(diǎn)的激光焊接的，從結(jié)構(gòu)上能夠?qū)崿F(xiàn)激光達(dá)到空間任意點(diǎn)，但未涉及激光機(jī)對隨意擺放的工件的適應(yīng)性。
[0009]在電弧焊領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)環(huán)縫的自動化設(shè)備被開發(fā)出來(見文獻(xiàn)郗安民，劉穎，狄春良.密封殼體全自動焊接機(jī)的研究.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù).1999，4:27?29)，此設(shè)備專門針對冰箱壓縮機(jī)上下殼進(jìn)行焊接，其焊縫軌跡通過專門的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)的，對于不同品種產(chǎn)品的適應(yīng)性和柔性生產(chǎn)能力不足。
[0010]機(jī)器人已被成功應(yīng)用于焊接領(lǐng)域來實(shí)現(xiàn)全自動焊接，尤其是在點(diǎn)焊和弧焊方面應(yīng)用較為成熟。中航工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司的張兵憲等應(yīng)用弧焊機(jī)器人成功解決了飛機(jī)起落架的焊接問題(見文獻(xiàn)張兵憲，莊明祥.飛機(jī)起落架機(jī)器人焊接工藝研究.航空制造技術(shù).2012,13:156?159)。不過國內(nèi)弧焊機(jī)器人主要是屬于示教在線型和離線編程型，自動化程度較低，高級的智能型焊接機(jī)器人仍在研發(fā)當(dāng)中(見文獻(xiàn)王啟玉，陳志強(qiáng)，于青春.我國焊接機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀.現(xiàn)代零部件.2013，3:77?78 ;陳善本.智能化機(jī)器人焊接技術(shù)研究進(jìn)展.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2007，3:8?11)。
[0011]基于機(jī)器人的全自動激光焊接技術(shù)也在不斷發(fā)展。目前汽車工業(yè)中主要用此技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)焊來替代電阻焊。沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司的曹景興等人開發(fā)的基于動態(tài)仿真分析的激光焊接機(jī)器人可解決高精度自動激光焊接問題，為機(jī)器人激光焊接技術(shù)指明了一個發(fā)展方向，但此技術(shù)目前仍在研究當(dāng)中(見文獻(xiàn)曹景興，張健夫.基于動態(tài)仿真分析的激光焊接機(jī)器人應(yīng)用.現(xiàn)代零部件.2013，2:84?86)。
[0012]從目前激光焊接行業(yè)的自動化程度來看，采用圖像識別技術(shù)可實(shí)現(xiàn)直線焊縫或單獨(dú)焊點(diǎn)的自動焊接，對于曲率較大的曲線焊縫或密封環(huán)縫則無能為力。采用自動化夾具或焊接機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)各種形式焊縫的自動焊接，但只使用圖像識別技術(shù)而不使用自動化夾具實(shí)現(xiàn)任意環(huán)縫的自動激光焊接的，在行業(yè)內(nèi)還沒有看到成熟的技術(shù)出現(xiàn)。本發(fā)明正是在這種背景下針對實(shí)際激光焊接需求提出的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的就是為解決任意直線或曲線及其組合軌跡的全自動激光焊接問題，提出了一種全自動激光焊接方法及裝置。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0015]所述一種全自動激光焊接方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0016]步驟1:準(zhǔn)備階段:將待焊接的焊縫的軌跡信息存入計算機(jī)；在包含待焊接區(qū)域的攝像頭取像范圍內(nèi)的任意一個或多個位置做上標(biāo)記；以標(biāo)記為參考點(diǎn)，設(shè)置基于標(biāo)記的焊縫搜索區(qū)域；
[0017]步驟2:焊接階段:
[0018]步驟2.1:調(diào)整攝像頭物距，并利用攝像頭采集工作區(qū)域的圖像信息；
[0019]步驟2.2:在所得的圖像中使用圖像匹配搜索得到圖像中標(biāo)記的數(shù)量和位置信息；
[0020]步驟2.3:以標(biāo)記的位置作為基準(zhǔn)，在步驟2.2設(shè)定的區(qū)域內(nèi)使用直線檢測獲得焊縫的位置和角度信息；
[0021]步驟2.4:根據(jù)步驟2.3得到的焊縫的位置和角度信息，結(jié)合步驟I中預(yù)存的待焊接的焊縫的軌跡信息，生成焊縫實(shí)際的位置及輪廓軌跡；
[0022]步驟2.5:依據(jù)焊縫實(shí)際的位置及輪廓軌跡引導(dǎo)激光頭、運(yùn)動平臺及各軸聯(lián)動，完成自動激光焊接。
[0023]進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種全自動激光焊接方法，其特征在于:標(biāo)記采用正方形標(biāo)記，正方形的中心有十字架形狀；同一種工件中的標(biāo)記形狀統(tǒng)一，且標(biāo)記位置偏差不超過±0.1mm,標(biāo)記角度偏差不超過5°。
[0024]進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種全自動激光焊接方法，其特征在于:待焊接的焊縫的軌跡信息以G-code描述方式存入計算機(jī)。
[0025]所述一種全自動激光焊接，其特征在于:包括手套箱、XY運(yùn)動平臺、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、運(yùn)動控制器、工業(yè)相機(jī)、光源、光學(xué)平臺、計算機(jī)；手套箱提供激光焊接所需的環(huán)境，XY運(yùn)動平臺、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、運(yùn)動控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的精確運(yùn)動與控制，光學(xué)平臺用于放置工件，工業(yè)相機(jī)、光源用于圖像照明與采集，激光測距儀用于測量焊接面高度，XY運(yùn)動平臺、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、運(yùn)動控制器、工業(yè)相機(jī)連接計算機(jī)。
[0026]有益效果
[0027]與上述現(xiàn)有焊接方式相比，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)全自動激光焊接。不僅可以實(shí)現(xiàn)直線焊縫的自動焊接，也可以實(shí)現(xiàn)圓弧或曲線等任意焊縫軌跡的自動焊接。無需依靠夾具對待焊接工件進(jìn)行定位，可一次將多個工件隨意擺放在工作臺面上后實(shí)現(xiàn)自動化焊接，且焊接軌跡無需專門的機(jī)械部件來實(shí)現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1標(biāo)記示例圖；
[0029]圖2標(biāo)記與焊縫位置示意圖；
[0030]圖3焊縫實(shí)際起點(diǎn)坐標(biāo)計算示意圖；
[0031]圖4:焊縫起點(diǎn)與工件的位置示意圖；
[0032]圖5:工業(yè)相機(jī)的視野范圍示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本發(fā)明:
[0034]本發(fā)明采用的裝置包括:手套箱、XY運(yùn)動平臺、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、運(yùn)動控制器、工業(yè)相機(jī)、光源、光學(xué)平臺、計算機(jī)等。手套箱提供激光焊接所需的環(huán)境，XY運(yùn)動平臺、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、運(yùn)動控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的精確運(yùn)動與控制，光學(xué)平臺用于放置工件，工業(yè)相機(jī)、光源用于圖像照明與采集，激光測距儀用于測量焊接面高度，計算機(jī)用于軟件控制和軟硬件資源協(xié)調(diào)。
[0035]具體的實(shí)現(xiàn)步驟為:
[0036]步驟1:準(zhǔn)備階段:
[0037](I)編碼:根據(jù)將待焊接的焊縫的軌跡信息的具體形式(如AutoCAD文件)，轉(zhuǎn)換或編寫G-code (—種激光焊接機(jī)所用的數(shù)控加工軌跡描述語言)存入計算機(jī)，G-code描述的是焊縫軌跡的相對坐標(biāo)信息，但未包含焊縫的絕對位置信息。
[0038](2)制標(biāo):利用激光打標(biāo)機(jī)、印章或噴碼機(jī)等設(shè)備在工件待焊蓋板中的，包含待焊接區(qū)域的攝像頭取像范圍內(nèi)的任意一個或多個位置做上標(biāo)記；并以標(biāo)記為參考點(diǎn)，設(shè)置基于標(biāo)記的焊縫搜索區(qū)域。例如圖1所示的正方形標(biāo)記，內(nèi)部十字架位于正方形的中心。標(biāo)記的位置地印制位置是相對于焊縫的起點(diǎn)而言的，如圖4所示。
[0039]標(biāo)記與工件的的起點(diǎn)距離最近的左邊和底邊的距離分別為左邊距和下邊距。制作標(biāo)記時，同一種工件的標(biāo)記的形狀需統(tǒng)一且位置偏差不超過±0.1mm，角度偏差不超過
5° 0
[0040](3)調(diào)焦:移動工作臺，使有制作標(biāo)記地工件移動到攝像頭下方，調(diào)整工作臺地上下高度，即調(diào)整焦距，使工件表面的標(biāo)記在屏幕中最清晰，并將此時Z軸的高度即焦距H作為編程參數(shù)存入系統(tǒng)中，在焊接下一批次的同類產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整焦距。
[0041](4)識別建模:移動工作臺的X、Y方向，使蓋板上的如圖5所示的圓形區(qū)域清晰完整的出現(xiàn)在固定在Z軸上方的工業(yè)相機(jī)的視野范圍內(nèi)，通過軟件系統(tǒng)中的圖像模式識別工具將定位標(biāo)記圈定在模式識別框內(nèi)，調(diào)整好識別框的大小和識別閾值參數(shù)，對識別框內(nèi)的定位標(biāo)記圖像進(jìn)行建模，建好模型后存儲模型以作為后續(xù)的識別定位。再利用軟件中的直線識別工具對距離定位標(biāo)記最近的左邊和底邊進(jìn)行識別，即得到左邊和底邊的角度Theta和底邊和左邊距離定位標(biāo)記中心的距離即:D1左邊距和Db底邊距。
[0042](5)保存:將上述的數(shù)據(jù)即H (焦距)、Dl (左邊距)、Db (底邊距)、Theta (旋轉(zhuǎn)角度)及(I)中生成并導(dǎo)入的G-code共同生成一個工件的編程文件并保存。
[0043]步驟2:焊接階段:
[0044](I)上料:將改好蓋板的工件擺放在工作臺面上，所有的工件的擺放方向需要一致，即工件X軸方向與工作臺的X軸方向，工件的Y軸方向與Y軸的偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)該在+45度范圍內(nèi)。
[0045](2)調(diào)焦:調(diào)出步驟I已經(jīng)建立好的該種產(chǎn)品的編程文件，根據(jù)文件中的H(焦距)調(diào)焦。
[0046](3)掃描取相:由于出于識別精度的需要，工業(yè)相機(jī)的視場范圍遠(yuǎn)小于工作臺面的范圍，因此需要引導(dǎo)工作臺進(jìn)行來回步進(jìn)掃描，以便工作臺上面的所有工件圖像均可以被相機(jī)所捕獲。
[0047](4)識別:圖像識別和掃描取相是同步進(jìn)行的，即便掃描，邊取相，邊識別，根據(jù)已經(jīng)建立的定位標(biāo)記模板對取得的圖像進(jìn)行識別，掃描完成后，軟件會識別出工件在工作臺上面的擺放位置即定位標(biāo)記的坐標(biāo)Xi，Yi (1:為識別后工件的數(shù)量)，同時還能識別并測量出Dl (左邊距)、Db (底邊距)、Theta (旋轉(zhuǎn)角度)。
[0048](5)生成加工軌跡:程序會根據(jù)以上的識別出的每個工件的定位標(biāo)記的絕對坐標(biāo)Xi, Y1、Dl、Db、Theta自動生成工件的焊縫加工軌跡。
[0049](6)封焊:根據(jù)焊縫加工軌跡，程序自動控制激光開關(guān)及激光功率引導(dǎo)工作臺運(yùn)動逐一對工作臺的工件進(jìn)行焊接，直至工作臺上的最后一件工件焊接完成。程序自動停止。
【權(quán)利要求】
1.一種全自動激光焊接方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1:準(zhǔn)備階段:將待焊接的焊縫的軌跡信息存入計算機(jī)；在包含待焊接區(qū)域的攝像頭取像范圍內(nèi)的任意一個或多個位置做上標(biāo)記；以標(biāo)記為參考點(diǎn)，設(shè)置基于標(biāo)記的焊縫搜索區(qū)域； 步驟2:焊接階段: 步驟2.1:調(diào)整攝像頭物距，并利用攝像頭采集工作區(qū)域的圖像信息； 步驟2.2:在所得的圖像中使用圖像匹配搜索得到圖像中標(biāo)記的數(shù)量和位置信息； 步驟2.3:以標(biāo)記的位置作為基準(zhǔn)，在步驟2.2設(shè)定的區(qū)域內(nèi)使用直線檢測獲得焊縫的位置和角度信息； 步驟2.4:根據(jù)步驟2.3得到的焊縫的位置和角度信息，結(jié)合步驟I中預(yù)存的待焊接的焊縫的軌跡信息，生成焊縫實(shí)際的位置及輪廓軌跡； 步驟2.5:依據(jù)焊縫實(shí)際的位置及輪廓軌跡引導(dǎo)激光頭、運(yùn)動平臺及各軸聯(lián)動，完成自動激光焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種全自動激光焊接方法，其特征在于:標(biāo)記采用正方形標(biāo)記，正方形的中心有十字架形狀；同一種工件中的標(biāo)記形狀統(tǒng)一，且標(biāo)記位置偏差不超過±0.1mm,標(biāo)記角度偏差不超過5°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種全自動激光焊接方法，其特征在于:待焊接的焊縫的軌跡信息以G-code描述方式存入計算機(jī)。
4.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置其特征在于:包括手套箱、XY運(yùn)動平臺、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、運(yùn)動控制器、工業(yè)相機(jī)、光源、光學(xué)平臺、計算機(jī)；手套箱提供激光焊接所需的環(huán)境，XY運(yùn)動平臺、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、運(yùn)動控制器實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的精確運(yùn)動與控制，光學(xué)平臺用于放置工件，工業(yè)相機(jī)、光源用于圖像照明與采集，激光測距儀用于測量焊接面高度，XY運(yùn)動平臺、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、運(yùn)動控制器、工業(yè)相機(jī)連接計算機(jī)。
【文檔編號】B23K26/044GK104400217SQ201410555647
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】何文燦, 崔西會, 孫毅 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所