CN104175031B - 一种具有自主纠偏能力的焊接机器人系统进行焊接的方法 - Google Patents

一种具有自主纠偏能力的焊接机器人系统进行焊接的方法 Download PDF

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Abstract

一种具有自主纠偏能力的机器人焊接系统及方法，属于焊接领域。本发明中工业计算机分别与机器人控制器和工业相机连接，机器人控制器与机器人和焊接电源连接，焊接电源与焊枪连接，工业相机和焊枪固定于机器人手臂末端，相机摄像平面与焊枪方向保持垂直，工作平台对应设置；方法方案：启动机器人对模板工件示教，并在两处特征区域拍照确定工件空间位置，工业相机将工件特征区域图像传输给工业计算机，通过图像处理技术和软件算法，机器人自主纠正原示教路径的偏差。本发明操作简单、适用范围广，在批量焊接作业中运用该系统，可以有效避免重复示教，提高工作效率。

Description

一种具有自主纠偏能力的焊接机器人系统进行焊接的方法
技术领域
本发明涉及一种具有自主纠偏能力的焊接机器人系统及方法，适用于机器人焊接领域。
背景技术
焊接是工业生产中重要的一环，焊接过程会产生强光、辐射、烟尘等污染，对人体危害较大，以自动化设备代替人工是焊接行业的发展趋势。机器人是自动化设备的一种，其灵活性强、精度高，运用于焊接领域能有效提高工作效率，降低工人劳动强度。目前工业中使用较多的是示教再现型机器人，这种机器人与智能化机器人相比，成本较低。其工作过程大致如下：首先在工作平台上放置工件；然后使用示教器操作机器人，在示教模式下，对焊接位置、路径进行示教；最后切换至再现模式，机器人自动再现示教路径，并起弧焊接。对于批量工件的焊接，机器人多次再现示教路径即可。
然而在实际生产中，尤其针对较大型工件，工件的定位精度很难保障，焊接中工件的装配误差会导致焊枪偏离焊缝，采用焊缝跟踪技术可以解决长焊缝的“焊不准”问题，但是在大量短焊缝和一些不适合焊缝跟踪技术的场合，尚无好的自动化解决方案。工件装配产生的小范围偏差，往往导致原示教路径无法准确对应后续工件，为了准确完成后续焊接，往往需要重新示教，严重影响工作效率。另一方面，附带高精度传感器的智能型机器人虽能实时扫描坡口等信息，但其成本高，价格昂贵，且适用范围有限。因此，亟需一种新方法，解决上述问题，兼顾工作效率与设备成本，实现对普通机器人的合理改造。
为了实现普通机器人的智能化，需要为其加入传感器。视觉在所有感官中蕴含信息量最大、最直观，将视觉引入机器人系统，可以初步实现机器人的智能化。作为机器的“眼睛”，常用的工业相机分为CCD和CMOS两种，其成像原理大致相同。结合像素点数、焦距、工件尺寸等参数，即可得到图像信息与实际尺寸的对应关系。
基于以上背景，本发明将机器视觉引入机器人系统，利用工业计算机的稳定运算能力编写软件，搭建焊接机器人系统，并提出一种新的方法，解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有自主纠偏能力的焊接机器人系统及方法，以解决焊接件批量焊接工作中由于前后位置的偏差造成的重复示教问题，提高工作效率，并兼顾设备成本。
本发明采用了如下技术方案：
一种具有自主纠偏能力的焊接机器人系统，该系统由工业计算机、手持示教器、焊接电源、机器人控制器、机器人、焊枪、工业相机、焊接平台构成，所述工业计算机的运动数据输入输出端与机器人控制器的运动数据输出输入端连接，所述手持示教器的控制数据输入输出端与机器人控制器的控制数据输出输入端连接，所述机器人控制器的电源控制输出端与焊接电源的控制输入端连接，机器人控制器的运动控制信号输出端与机器人的运动信号输入端连接，所述焊接电源的电源输出端与焊枪的电源输入端连接，所述工业相机图像输出端与工业计算机图像输入端连接，所述焊枪和工业相机固定于机器人手臂末端且焊枪伸出方向与工业相机成像平面垂直，所述工作平台与焊枪对应设置，焊枪对放置于工作平台上的工件工作；所述方法由以下步骤完成：
步骤一：批量焊接工作前，首个工件装配在工作平台上构成焊接环境，机器人手臂末端固定有工业相机和焊枪，启动工业计算机，进行系统通信设定和测试，工业相机采集二维图像并传给工业计算机，工业计算机向机器人控制器发送串口通信测试数组和校验码，并接收串口通信返回数组和校验码，工业计算机的显示器显示系统通信状态及工业相机采集的图像；
步骤二：启动手持示教器，调至“示教模式”，向机器人控制器发送控制数据，机器人控制器接收数据并向机器人发送运动控制信号控制机器人运动，在“示教模式”下引导焊枪完成焊接起始点、焊接路径和焊枪位姿的示教，并通过示教器记录示教信息，机器人控制器将示教信息传给工业计算机保存为“原始示教文件”；
步骤三：通过示教器按照步骤二所述方式控制机器人运动，引导工业相机在与工作平台平行的平面上移动，所述平面到焊接平台平面的距离是经过测量的固定值，寻找工件特征区域，所述特征区域指工件的俯视上表面中具有角度或圆弧信息的区域，工业计算机的显示器显示工业相机的实时成像，在特征区域成像清晰的位置，通过工业计算机向工业相机发送拍照指令，工业计算机将工业相机传回照片保存为“第一个特征区域模板照片”，同时接收机器人控制器传来的机器人末端此时的位置矩阵并保存为“第一个特征区域拍照位置”，通过与上述相同的过程，保存“第二个特征区域模板照片”及“第二个特征区域拍照位置”，工业相机采集的图像为数字图像，工业计算机将两组模板照片提取到图像处理软件中处理，完成后保存两组特征点对应的像素点位置为“模板特征点”；
步骤四：示教器调至“再现模式”并向机器人控制器发送再现焊接数据，机器人控制器依照焊接数据向机器人发送运动控制指令，并向焊接电源发送电源输出指令，进而引导焊枪对工件焊接；
步骤五：首个工件焊接完成并取下后，固定第二个工件，通过工业计算机选择“重复焊接”，工业计算机向机器人控制器发送“第一次拍照位置”的位置矩阵，机器人控制器接收并驱动机器人移动至对应位置后向工业计算机发送到达信号，工业计算机接收到达信号后向工业相机发送拍照信号，触发工业相机拍照并传回工业计算机，工业计算机将照片保存为“后续第一特征区域照片”并向机器人控制器发送“第二个特征区域拍摄位置”位置矩阵，机器人控制器接收并驱动机器人移动至对应位置后向工业计算机发送到达信号，工业计算机接收到达信号后向工业相机发送拍照信号，触发工业相机拍照并传回工业计算机，工业计算机将照片保存为“后续第二特征区域照片”，保存完成后通过步骤三所述图像处理方法对后续特征图像进行处理，并保存后续两组特征点对应的像素点位置，完成后，工业计算机软件调用步骤三所述“模板特征点”像素信息，并与后续保存的两组特征点像素信息对比，得出后两个特征点的像素点较模板像素点的偏差距离与角度，以此为依据调整步骤二所述“原始示教文件”，并将校正后的示教文件按机器人串口协议发送至机器人控制器，进而驱动机器人调整焊接位置及焊枪位姿，完成后通过工业计算机发送起弧焊接指令至机器人控制器，机器人开始后续焊接工作。
本发明有以下有益效果：1.本系统可以有效解决批量焊接作业中由于装配误差导致的重复示教问题，尤其适合短焊缝较多的中大型工件，有效提高生产效率、降低工人劳动强度；2.本系统为示教型机器人加入机器视觉实现机器人初步智能化，为机器人的低成本改造和自动化焊接提供了参考；4.本系统操作简单，方法易懂，有利于使用者快速掌握，且适合多种焊接任务，通用性高。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本系统的主要数据传输示意图。
图3为本方法工作原理示意图。
图中：1、工业计算机，2、手持示教器，3、焊接电源，4、机器人控制器，5、机器人，6、焊枪，7、工业相机，8、焊接平台。
具体实施方式
结合附图说明本实施方式，本实施方式系统由工业计算机1、手持示教器2、焊接电源3、机器人控制器4、机器人5、焊枪6、工业相机7、焊接平台8构成，所述工业计算机1的运动数据输入输出端与机器人控制器4的运动数据输出输入端连接，所述手持示教器2的控制数据输入输出端与机器人控制器4的控制数据输出输入端连接，所述机器人控制器4的电源控制输出端与焊接电源3的控制输入端连接，机器人控制器4的运动控制信号输出端与机器人5的运动信号输入端连接，所述焊接电源3的电源输出端与焊枪6的电源输入端连接，所述工业相机7图像输出端与工业计算机1图像输入端连接，所述焊枪6和工业相机7固定于机器人5手臂末端且焊枪6伸出方向与工业相机7成像口所对方向平行，所述工作平台8与焊枪对应设置，焊枪对放置于工作平台8上的工件9工作；
其中，机器人5为六自由度示教型机器人，工业相机7为CMOS型低照度黑白相机，也可选用CCD型，现场光线不稳定时，加装环形光源环绕固定于镜头外边缘，为防止焊接飞溅影响镜头，在相机镜头外加装UV镜以保护镜头；
本实施方式方法由以下步骤完成：
步骤一：批量焊接工作前，将首个工件10装配在工作平台8上构成焊接环境，机器人5手臂末端固定有工业相机7和焊枪6，启动工业计算机1，进行系统通信设定和测试，工业相机7采集二维图像并传给工业计算机1，工业计算机1向机器人控制器4发送串口通信测试数组和校验码，并接收串口通信返回数组和校验码，工业计算机1的显示器显示系统通信状态及工业相机7采集的图像；
步骤二：启动手持示教器2，调至“示教模式”，向机器人控制器4发送控制数据，机器人控制器2接收数据并向机器人5发送运动控制信号控制机器人运动，在“示教模式”下引导焊6枪完成焊接起始点、焊接路径和焊枪位姿的示教，并通过示教器2记录示教信息，机器人控制器4将示教信息传给工业计算机1保存为“原始示教文件”；
步骤三：运行示教器2按照步骤二所述方式控制机器人运动，引导工业相机在与工作平台平行的平面上移动，所述平面到焊接平台平面的距离是经过测量的固定值，寻找工件特征区域，所述特征区域指工件的俯视上表面中具有角度或圆弧信息的区域，工业计算机1的显示器显示工业相机7的实时成像，在特征区域成像清晰的位置，通过工业计算机2向工业相机7发送拍照指令，工业计算机1将工业相机7传回照片保存为“第一个特征区域模板照片”，同时接收机器人控制器4传来的机器人末端此时的位置矩阵并保存为“第一个特征区域拍照位置”，通过与上述相同的过程，保存“第二个特征区域模板照片”及“第二个特征区域拍照位置”，工业相机7采集的图像为数字图像，工业计算机1将两组模板照片提取到图像处理软件中处理，完成后保存两组特征点对应的像素点位置为“模板特征点”A1、B1；
步骤四：示教器2调至“再现模式”并向机器人控制器4发送再现焊接数据，机器人控制器4依照焊接数据向机器人5发送运动控制指令，并向焊接电源3发送电源输出指令，进而引导焊枪6对工件焊接；
步骤五：首个工件10焊接完成并取下后，固定第二个工件11，通过工业计算机1选择“重复焊接”，工业计算机1向机器人控制器4发送“第一次拍照位置”的位置矩阵，机器人控制器4接收并驱动机器人5移动至对应位置后向工业计算机1发送到达信号，工业计算机1接收到达信号后向工业相机7发送拍照信号，触发工业相机拍照并传回工业计算机1，工业计算机1将照片保存为“后续第一特征区域照片”并向机器人控制器4发送“第二个特征区域拍摄位置”位置矩阵，机器人控制器4接收并驱动机器人5移动至对应位置后向工业计算机1发送到达信号，工业计算机1接收到达信号后向工业相机7发送拍照信号，触发工业相机7拍照并传回工业计算机1，工业计算机1将照片保存为“后续第二特征区域照片”，保存完成后通过步骤三所述图像处理方法对后续特征图像进行处理，并保存后续两组特征点对应的像素点A2、B2位置，完成后，工业计算机软件调用步骤三所述“模板特征点”A1、B1像素信息，并与后续保存的两组特征点A2、B2像素信息对比，原特征点所构成的直线A1B1和后续特征点构成的直线A2B2之间的夹角即为工件偏移角度，焊接起始点与特征直线的关系始终固定，以此为依据，软件纠偏运算部分自动调整步骤二所述“原始示教文件”中各示教点的坐标和位姿，生成新的运动控制数据包并发送至机器人控制器4，进而驱动机器人5调整焊接位置及焊枪6位姿，完成后通过工业计算机1发送起弧焊接指令至机器人控制器4，驱动机器人5开始后续焊接工作；
本系统遇到采集图像无法匹配的问题后，工业计算机1的显示器显示错误提示，根据提示采取调整装配位置、重新选取特征区域、改变光线照射等措施排除错误后，按照所述方法重新运行。

Claims (2)

1.一种具有自主纠偏能力的焊接机器人系统进行焊接的方法，其特征在于：所述方法由以下步骤完成：
步骤一：批量焊接工作前，将首个工件(10)装配在工作平台(8)上构成焊接环境，机器人(5)手臂末端固定有工业相机(7)和焊枪(6)，启动工业计算机(1)，进行系统通信设定和测试，工业相机(7)采集二维图像并传给工业计算机(1)，工业计算机(1)向机器人控制器(4)发送串口通信测试数组和校验码，并接收串口通信返回数组和校验码，工业计算机(1)的显示器显示系统通信状态及工业相机(7)采集的图像；
步骤二：启动示教器(2)，调至“示教模式”，向机器人控制器(4)发送控制数据，机器人控制示教器(2)接收数据并向机器人(5)发送运动控制信号控制机器人运动，在“示教模式”下引导焊枪(6)完成焊接起始点、焊接路径和焊枪位姿的示教，并通过示教器(2)记录示教信息，机器人控制器(4)将示教信息传给工业计算机(1)保存为“原始示教文件”；
步骤三：运行示教器(2)按照步骤二所述方式控制机器人运动，引导工业相机在与工作平台平行的平面上移动，所述平面到焊接平台平面的距离是经过测量的固定值，寻找工件特征区域，所述特征区域指工件的俯视上表面中具有角度或圆弧信息的区域，工业计算机(1)的显示器显示工业相机(7)的实时成像，在特征区域成像清晰的位置，通过工业计算机向工业相机(7)发送拍照指令，工业计算机(1)将工业相机(7)传回照片保存为“第一个特征区域模板照片”，同时接收机器人控制器(4)传来的机器人末端此时的位置矩阵并保存为“第一个特征区域拍照位置”，通过与上述相同的过程，保存“第二个特征区域模板照片”及“第二个特征区域拍照位置”，工业相机(7)采集的图像为数字图像，工业计算机(1)将两组模板照片提取到图像处理软件中处理，完成后保存两组特征点对应的像素点位置为“模板特征点”(A1、B1)；
步骤四：示教器(2)调至“再现模式”并向机器人控制器(4)发送再现焊接数据，机器人控制器(4)依照焊接数据向机器人(5)发送运动控制指令，并向焊接电源(3)发送电源输出指令，进而引导焊枪(6)对工件焊接；
步骤五：首个工件(10)焊接完成并取下后，固定第二个工件(11)，通过工业计算机(1)选择“重复焊接”，工业计算机(1)向机器人控制器(4)发送“第一次拍照位置”的位置矩阵，机器人控制器(4)接收并驱动机器人(5)移动至对应位置后向工业计算机(1)发送到达信号，工业计算机(1)接收到达信号后向工业相机(7)发送拍照信号，触发工业相机拍照并传回工业计算机(1)，工业计算机(1)将照片保存为“后续第一特征区域照片”并向机器人控制器(4)发送“第二个特征区域拍摄位置”位置矩阵，机器人控制器(4)接收并驱动机器人(5)移动至对应位置后向工业计算机(1)发送到达信号，工业计算机(1)接收到达信号后向工业相机(7)发送拍照信号，触发工业相机(7)拍照并传回工业计算机(1)，工业计算机(1)将照片保存为“后续第二特征区域照片”，保存完成后通过步骤三所述图像处理方法对后续特征图像进行处理，并保存后续两组特征点对应的像素点(A2、B2)位置，完成后，工业计算机软件调用步骤三所述“模板特征点”(A1、B1)像素信息，并与后续保存的两组特征点(A2、B2)像素信息对比，原特征点所构成的直线A1B1和后续特征点构成的直线A2B2之间的夹角即为工件偏移角度，焊接起始点与特征直线的关系始终固定，以此为依据，软件纠偏运算部分自动调整步骤二所述“原始示教文件”中各示教点的坐标和位姿，生成新的运动控制数据包并发送至机器人控制器(4)，进而驱动机器人(5)调整焊接位置及焊枪(6)位姿，完成后通过工业计算机(1)发送起弧焊接指令至机器人控制器(4)，驱动机器人(5)开始后续焊接工作。
2.根据权利要求1所述一种利用具有自主纠偏能力的焊接机器人系统进行焊接的方法，其特征在于：所述步骤三中所述图像处理依次包括以下过程：首先是图像增强，强化工件图像，弱化背景和干扰，其次是边缘检测，提取工件边缘线信息，然后是闭运算，处理边缘检测的缺陷，进行边缘模糊融合并剔除背景，生成特征区域二值图，之后是二次边缘检测，将二值图变为特征区域轮廓线图，最后是Hough变换，检测轮廓线所能拟合的抽象几何图形，并提取特征点所对应的像素点；经由以上过程将数字图像转换成抽象的特征点坐标信息。
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