TWI795282B - 機器人焊接方法 - Google Patents

Abstract

本發明機器人焊接方法，其包括一拍攝步驟，一學習步驟，一機器人焊接操作步驟，一檢查步驟，及一回饋步驟；係利用一學習軟體針對該拍攝步驟中所拍攝有複數人工焊接過程之複數影片進行模仿並學習該等影片中的細節，以得出一學習結果，並由一機器人設備依該學習結果執行一焊接操作以形成至少一焊接處，再透過一視覺檢測軟體檢測焊接缺陷並修正該焊接缺陷而得出修正後焊接參數，之後該修正後焊接參數回饋至該機器人設備以調整該機器人設備之焊接操作；藉由上述軟體跟硬體配合，可促進焊接效果及焊接品質，亦有利降低焊接成本及焊接失敗率。

Description

機器人焊接方法

本發明是有關於一種焊接方法，特別是一種利用機器人設備學習人工焊接細節之機器人焊接方法。

焊接技術的好壞攸關整體產品的品質，特別是高壓和大型工程更需焊接工藝的良好執行，而人工焊接是一項需要大量練習才能掌握的技能，其中涉及很多因素如：電極架之握持方式、保持焊條與焊件間之角度、保持焊條與焊件間之距離即焊接電弧的長度、焊接者之眼、頭和握持雙手之同步作動、高難度的焊接位置、功率調整、個人防護措施等等因素，也因此在人工焊接過程易存在各種人為疏失，致使無法確保良好的焊接品質；再者，人工焊接之成本也居高不下，目前在台灣境內領有證照的高階焊接師父的焊接工資偏高，加上一些特殊工程如台灣綠能風力發電塔台的焊接失敗率也高，縱使考量採用國外焊接技術，但國外焊接技術轉移的費用亦相當昂貴，故焊接工藝仍有待加強。

現有專利文獻如CN103418942B、CN1056188983312、US6942139B2等是與焊接相關的技術，依序公開焊接機器人智能控制方法、智能焊縫方法、機器人圓柱焊接，惟該等專利雖應用機器人或智能方式進行焊接，但針對焊接缺陷則無明確的解決方案，加上機器人的焊接操作也不像人工焊接來得靈活，畢竟具高難度的人工焊接技巧大多來自資深焊接者所累積之無數實務經驗且變化多端，相較下機器人在焊接技巧的變化性可能較少，致使其焊接效果難免有限。

因此，本發明之目的，是在提供一種機器人焊接方法，係利用學習軟體從影片中學習到人工焊接動作及細節，更對機器人設備依學習結果所為之焊接操作做檢測並予修正焊接缺陷，不僅提升焊接實務的檢驗層面，也能回饋修正後結果以調整機器人設備之焊接操作，更增進該機器人設備之焊接效果及焊接品質，亦有利降低焊接成本及失敗率等功效。

於是，本發明機器人焊接方法包含有拍攝步驟、學習步驟、機器人焊接操作步驟、檢查步驟、及回饋步驟，其中，於該拍攝步驟中，備有一拍攝組件以針對複數人工焊接過程予以拍攝成複數影片，尤其該等人工焊接過程是可由一或多位領有證照的高階專業焊接師父來操作，更有利促進該學習步驟之學習軟體對資深人工焊接動作及細節的技巧學習；於該學習步驟中，備有前述學習軟體，該學習軟體包括一模仿學習單元，係利用該模仿學習單元針對該等影片進行學習以得出一學習結果，前述之學習是包括模仿及分析該人工焊接過程中所呈現之焊接者的動作細節，以及取得與該等動作細節相關之原始焊接數據，該原始焊接數據包括焊接角度之變化、該焊接者握持電極架時之移動速度等等，之後將所學得之該學習結果輸入至一機器人設備中以進行該機器人焊接操作步驟；於該機器人焊接操作步驟中，備具有前述機器人設備且該機器人設備包括一模擬單元及一操作單元，該操作單元具有相互連動之機械組件以執行一焊接操作並因該焊接操作而形成至少一焊接處，而在該機械組件執行該焊接操作之前，先由該模擬單元依該學習結果來模擬焊接之動作並得出一操作焊接參數，該操作焊接參數再輸入至該機械組件以執行該焊接操作，不僅有利增加該焊接操作執行之精準度，亦能降低成本支出；待執行該焊接操作後即進行該檢查步驟，於該檢查步驟中，備具有一視覺檢測軟體，該視覺檢測軟體包括一測試單元及一修正單元，係利用該測試單元檢查該焊接操作是否有焊接缺陷，藉此分析該至少一焊接處之內、外缺陷以得出一缺陷結果，再由該修正單元針對對應於該缺陷結果的原始焊接數據進行修正而得出一修正後焊接參數；於該回饋步驟中，係將該修正後焊接參數回饋至該機器人設備，以便該操作單元之機械組件依據該修正後焊接參數調整該焊接操作之執行。

據上，藉由該學習軟體來學習實際人工焊接的動作及相關細節，再交由該機器人設備依學習結果進行焊接操作，此讓焊接者之人工焊接技巧可改由該機器人設備來繼承並執行，不僅避免人力所為之人為疏失，亦能增進焊接效果且減少與焊接相關之生產成本，而針對執行該焊接操作後所產生的焊接處，也可利用具深度學習之該視覺檢測軟體來檢測、分析以識別焊接的好壞，如焊接處有焊接缺陷之產生則予以修正，藉此糾正該焊接操作中的缺失，不僅提升焊接實務的檢驗，更達焊接品質之穩定性且降低焊接失敗率，甚至上述機器人焊接操作步驟、檢查步驟、回饋步驟可反覆實施，直到沒有焊接缺陷之產生，以便讓機器人設備能達到更理想之焊接效果。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的明白。

參閱圖1及圖2，本發明機器人焊接方法3之一較佳實施例，其包含一拍攝步驟31，一學習步驟32，一機器人焊接操作步驟33，一檢查步驟34，及一回饋步驟35；其中，該拍攝步驟31中，其備具有一拍攝組件311，係利用該拍攝組件311針對複數即多次人工焊接過程予以拍攝成複數影片，於本實施例中，較佳是針對一位或多位領有證照的高階專業焊接師父P在進行實地焊接的過程進行拍攝，特別是拍攝焊接角度變化、電極架移動過程、針對高難度焊接位置如轉角處與曲線的焊接動作過程等等，如此藉由焊接師父P憑藉自身資深經歷所累積的各種基礎焊接技巧、專業焊接技巧，可透過該等影片傳承給機器人設備，以供作為該機器人設備於操作焊接時之動作變化的依據，也免除因人為疏失而影響焊接效果等問題之產生；當該拍攝組件311完成拍攝後，依所拍攝之影片即可執行該學習步驟32。

該學習步驟32中，其備具有一學習軟體321，該學習軟體321包括有一模仿學習單元3211，係利用該模仿學習單元3211針對該等影片進行學習以得出一學習結果，再將該學習結果輸入至一機器人設備331；前述學習係包括由該模仿學習單元3211來模仿及分析該影片中所呈現的影像細節，即模仿該人工焊接過程中所呈現之焊接者P（即前述高階專業焊接師父）的動作細節，以及取得與該等動作細節相關之原始焊接數據，換言之，該模仿學習單元3211適於分析、模仿並學習該影片中的焊接師父的動作細節如：焊接師父在焊接時的手臂動作變化、在高難度位置的動作姿勢等，也學習到與該等動作細節相關之焊接數據，例如：焊條與焊件間之焊接角度、焊條與焊件間之距離即焊接電弧的長度（弧長）、焊接師父握持電極架時的移動速度、焊接師父針對高難度焊接位置如轉角處與曲線的動作角度等等；當該學習軟體321完成學習後，依所學習得出之學習結果即可執行該機器人焊接操作步驟33。

該機器人焊接操作步驟33中，其備具有該機器人設備331，該步驟33係將該學習軟體321所學到的該學習結果輸入至該機器人設備331中，以便該機器人設備331依該學習結果來執行焊接動作；其中，該機器人設備331包括一模擬單元3311及一操作單元3312，該操作單元3312具有相互連動之機械組件33121，其適於依該學習結果執行一焊接操作即焊接動作的操作，而該機械組件33121可為機器手臂以依學習結果來模仿該焊接師父的焊接動作；當然，該機器手臂與焊接師父的手臂在角度、移動位置等難免可能有偏差，但偏差值仍在可允許範圍內例如相差不到1~2%或更低，亦或者也可調整其他參數如焊條之差距等，以利降低該焊接操作的偏差值，且不致影響焊接操作的執行；再者，於本實施例中，該操作單元3312較佳還可具有一記錄組件33122，用以記錄焊接執行的時間點，即該機械組件33121執行焊接過程的詳細時間可被記錄組件33122所記錄下來，以供後續檢查缺陷時之用。

前述機器人焊接操作步驟33之執行，具體為：係在該學習軟體321學習後先將該學習結果輸入至該模擬單元3311，例如可由該學習軟體321直接將該學習結果輸入至該模擬單元3311中，且該模擬單元3311可為一模擬器以依該學習結果模擬焊接，即模擬焊接師父P之焊接動作細節（如圖3所示之圖面模擬），該模擬單元3311亦可內建調整機制並於判斷有必要時亦可針對所模擬的控制參數做調整並待其穩定化，因而得出一操作焊接參數；而經模擬作業後，所得之該操作焊接參數再交由該機械組件33121來實際執行該焊接操作（如圖4所示），尤其此種先模擬再操作的作業有利促進參數之精準度以減少焊接動作之誤差，更有利降低焊接相關成本；而執行該焊接操作後也會形成至少一焊接處，即該焊接處可位處於一個或多個地方。

執行該焊接操作後即進行該檢查步驟34；於該檢查步驟34中，其備具有一視覺檢測軟體341，該視覺檢測軟體341包括一測試單元3411及一修正單元3412，故本步驟34係透過該測試單元3411針對前述焊接處做檢測即檢查、測試，所述檢測是為了確認該機器人設備331之焊接操作是否會有如圖5所示之焊接缺陷的產生，即該焊接處是否有如：氣孔、夾渣、裂紋、未焊透、未融合等等之內部缺陷，以及如焊縫尺寸不符合要求、咬邊、焊瘤、弧坑、飛濺、焊件（母材）表面電弧擦傷等等之外觀缺陷，其中，該內、外缺陷係經由適當儀器來掃瞄而出，例如該內部缺陷較佳可經由X射線掃瞄成圖像，而該外觀缺陷則可利用照相機拍攝成圖像，因此，該視覺檢測軟體341可具備深度學習之性能以識別焊接成果的好壞，即對該焊接處之內部缺陷、外觀缺陷做分析，如缺陷種類、缺陷狀態及程度、缺陷位置、缺陷處的量化等等，因以得出一缺陷結果（如圖6所示），如此不僅可達對焊接缺陷之準確分析，也更提升焊接實務的檢驗效率。

當該測試單元3411檢測有產生焊接缺陷時，該缺陷結果即被傳至該修正單元3412，以便該修正單元3412針對對應於該缺陷結果的原始焊接數據進行修正，即糾正該焊接操作中的缺失，而所述修正係可依軟體所預設之合理範圍（例如以一般常識來判斷缺陷的嚴重性後，可加入專家或焊接師父之經驗值做為執行修正之預設參考）來對該原始焊接數據做修訂，如此經修正後可得出一修正後焊接參數，之後即執行該回饋步驟35。

該回饋步驟35中，係將該修正單元3411所得之該修正後焊接參數回饋至該機器人設備331，例如可由該修正單元3411將該修正後焊接參數傳回該機器人設備331以達回饋作用，而所述回饋是指可回饋至該模擬單元3311以供其同樣做模擬且控制參數之調整及穩定化，再交由該操作單元3312之機械組件33121執行焊接，故該機器人設備331仍得以依據該修正後焊接參數以調整該焊接操作，藉此讓對應於焊接缺陷的原始焊接數據（即不佳的原始焊接數據）在經過修正後，該機器人設備331就不會再採取該不佳數據來操作焊接動作以避免重蹈覆轍，因而可讓該機器人設備331得到更理想之焊接效果並穩定焊接品質、提升焊接效果以降低焊接失敗率，也有利減少相關焊接成本。

如果該機器人設備331之焊接操作無產生焊接缺陷的話，後續則可視實際需求或焊接位置等來安排是否抽驗，例如若是高風險、高壓的設備在焊接困難的部位一般可百分之百做全部抽驗，若是平坦直線的部位則可定期或隨機做部分或全部抽驗，以確保該機器人設備331之良好焊接品質及穩定性。

再者，該學習軟體321、視覺檢測軟體334所學習或應用到的數據資料係可儲存至一系統資料庫（圖中未示），藉以在上述各步驟實施時即時提供給該等軟體來做使用或作為修正參考等；尤其上述機器人焊接操作步驟、檢查步驟、回饋步驟係可反覆實施直到沒有焊接缺陷之產生，以便讓機器人設備331能趨向更理想之焊接執行效果。

歸納前述，本發明機器人焊接方法，係於一拍攝步驟中將人工焊接過程拍攝成影片，接著於一學習步驟中，利用學習軟體對所拍攝的影片中所包括焊接者之動作及相關焊接數據的細節進行模仿學習，然後於一機器人焊接操作步驟中，藉由一機器人設備依該學習步驟中所得之學習結果來執行一焊接操作並形成焊接處，再於一檢查步驟中，透過一視覺檢測軟體來檢測、分析焊接處之內、外焊接缺陷以達深度學習且還針對該焊接缺陷予以修正，之後於一回饋步驟中，將修正後所得之修正後焊接參數回饋至該機器人設備以糾正該焊接操作之缺失，故利用前述軟體(如該學習軟體、視覺檢測軟體等)跟硬體(如該機器人設備的焊接操作用相關裝備等)之整體配合，可促進焊接效果及焊接品質之穩定性、提升焊接實務的檢驗、亦有利降低焊接成本及失敗率。

惟以上所述者，僅為說明本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明執行之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

（本發明） 3:機器人焊接方法 31:拍攝步驟 32:學習步驟 33:機器人焊接操作步驟 34:檢查步驟 35:回饋步驟 311:拍攝組件 321:學習軟體 331:機器人設備 341:視覺檢測軟體 3211:模仿學習單元 3311:模擬單元 3312:操作單元 3411:測試單元 3412:修正單元 33121:機械組件 33122:記錄組件 P:焊接者

圖1是本發明之一較佳實施例之步驟流程示意圖。 圖2是本發明之該較佳實施例之步驟的執行示意圖。 圖3是依圖2之步驟執行，其中模擬單元依學習結果所為之焊接模擬圖面。 圖4是依圖2之步驟執行，其中經由模仿學習焊接師父之人工焊接動作後，由機器人設備之機械組件（如機器手臂）進行焊接操作。 圖5是依圖2之步驟執行，其中經機器人設備操作焊接後，由視覺檢測軟體所檢測出之焊接缺陷即內部缺陷（左圖之方框處）、外觀缺陷（右圖之方框處）。 圖6是依圖2之步驟執行，其中由視覺檢測軟體針對焊接內部缺陷所為之深度分析。

3:機器人焊接方法

31:拍攝步驟

32:學習步驟

33:機器人焊接操作步驟

34:檢查步驟

35:回饋步驟

Claims (5)

1. 一種機器人焊接方法，其包含有： 一拍攝步驟，其備具一拍攝組件，係利用該拍攝組件針對複數人工焊接過程予以拍攝成複數影片； 一學習步驟，其備具一學習軟體，該學習軟體包括一模仿學習單元，係利用該模仿學習單元針對該等影片進行學習以得出一學習結果，再將該學習結果輸入至一機器人設備，其中，該模仿學習單元之學習包括模仿及分析該等人工焊接過程中所呈現之焊接者的動作細節，以及取得與該等動作細節相關之原始焊接數據，其中，該原始焊接數據至少包括焊接角度之變化、該焊接者握持電極架時之移動速度； 一機器人焊接操作步驟，其備具該機器人設備，該機器人設備包括一模擬單元及一操作單元，該操作單元具有相互連動之機械組件，係將該學習軟體所學習到之該學習結果輸入至該模擬單元，讓該模擬單元先依該學習結果模擬焊接之動作並得出一操作焊接參數，之後該操作焊接參數再輸入至該機械組件以執行一焊接操作，因而形成至少一焊接處； 一檢查步驟，其備具一視覺檢測軟體，該視覺檢測軟體包括一測試單元及一修正單元，係利用該測試單元針對該焊接操作檢查是否有焊接缺陷之產生，藉此檢測並分析該至少一焊接處之內部缺陷、外觀缺陷以得出一缺陷結果，而對應於該缺陷結果的原始焊接數據再經由該修正單元做修正而得出一修正後焊接參數；及 一回饋步驟，係將該修正後焊接參數回饋至該機器人設備，以便該機械組件依據該修正後焊接參數執行該焊接操作。
2. 根據請求項1所述機器人焊接方法，其中，該機器人焊接操作步驟、該檢查步驟、該回饋步驟係反覆實施，直到沒有該焊接缺陷之產生。
3. 根據請求項1或2所述機器人焊接方法，其中，該機器人焊接操作步驟中，該操作單元更具有一紀錄組件以紀錄該焊接操作執行的時間。
4. 根據請求項1或2所述機器人焊接方法，其中，該檢查步驟中，該焊接處之內部缺陷是經由X射線掃瞄成圖像而得出，而該外觀缺陷是經由照相機拍攝成圖像而得出。
5. 根據請求項1或2所述機器人焊接方法，其中，該焊接者是專業焊接師父。

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