CN105149825A - 基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统及方法，其中系统包括视觉采样轴；视觉采样模块，用以沿着视觉采样轴运动并采集待焊接的缝隙处的位置数据信息；焊接轴，焊接轴和视觉采样轴共用一X轴；焊接模块，用以沿着所述的焊接轴运动并对待焊接的缝隙进行焊接；电气控制柜，用以根据所述的视觉采样模块的位置数据信息来分析待焊接的缝隙的状态并控制所述的焊接模块的动作。采用该种结构的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统及方法，可以实现缝隙自动化焊接，解放人力，提高生产效率，通过高帧率的拍摄图片，每幅图片均可通过折线计算出缝隙的机械坐标位置和缝隙的宽度，提高焊接精度，具有更广泛的应用范围。

Description

基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统及方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及自动化焊接技术领域，具体是指一种基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统及方法。

背景技术

近20年来，随着数字化，自动化，计算机，机械设计技术的发展，以及对焊接质量的高度重视，自动焊接已发展成为一种先进的制造技术，自动焊接设备在各工业的应用中所发挥的作用越来越大，应用范围正在迅速扩大。在现代工业生产中，焊接生产过程的机械化和自动化是焊接机构制造工业现代化发展的必然趋势。

焊接技术就是高温或高压条件下，使用焊接材料(焊条或焊丝)将两块或两块以上的母材(待焊接的工件)连接成一个整体的操作方法。焊接是通过加热、加压，或两者并用，使同性或异性两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。

大量的手工焊接工序与企业提高产品质量、降低生产成本的诉求形成了主要矛盾。这也是本发明实施自动化焊接的初衷所在。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现自动化焊接缝隙、解放人力、提高生产效率、具有更广泛应用范围的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统及方法。

为了实现上述目的，本发明的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统及方法具有如下构成：

该基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统，其主要特点是，所述的系统包括：

视觉采样轴；

视觉采样模块，用以沿着所述的视觉采样轴运动并采集待焊接的缝隙处的位置数据信息；

焊接轴，所述的焊接轴和所述的视觉采样轴共用一X轴；

焊接模块，用以沿着所述的焊接轴运动并对待焊接的缝隙进行焊接；

电气控制柜，用以根据所述的视觉采样模块的位置数据信息来分析待焊接的缝隙的状态并控制所述的焊接模块的动作。

较佳地，所述的视觉采样模块为设置于所述的视觉采样轴上的视觉传感器。

更佳地，所述的视觉传感器包括摄像单元和缝隙位置数据信息分析单元，所述的缝隙位置数据信息分析单元用以根据所述的摄像单元拍摄的图片计算缝隙的机械位置坐标和缝隙的宽度。

更进一步地，所述的电气控制柜，用以根据所述的缝隙的机械位置坐标和缝隙的宽度的数据点计算得到缝隙的实际物理走势特征并控制所述的焊接模块的动作。

较佳地，所述的焊接模块包括送丝机和设置于所述的焊接轴上的焊枪。

本发明还涉及一种通过所述的系统基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的电气控制柜启动；

(2)所述的视觉采样模块进行寻定中心动作；

(3)所述的视觉采样模块执行X轴方向运动且所述的焊接模块运动至焊接起始点；

(4)所述的视觉采样模块采集待焊接的缝隙处的位置数据信息并发送至所述的电气控制柜；

(5)所述的电气控制柜分析待焊接的缝隙的状态并控制所述的焊接模块的动作。

较佳地，所述的视觉传感器包括摄像单元和缝隙位置数据信息分析单元，所述的视觉采样模块采集待焊接的缝隙处的位置数据信息，具体为：

所述的缝隙位置数据信息分析单元用以根据所述的摄像单元拍摄的图片计算缝隙的机械位置坐标和缝隙的宽度。

更佳地，所述的电气控制柜分析待焊接的缝隙的状态，具体为：

所述的电气控制柜根据所述的缝隙的机械位置坐标和缝隙的宽度的数据点计算得到缝隙的实际物理走势特征。

更进一步地，所述的控制所述的焊接模块的动作，具体为：

所述的电气控制柜根据缝隙走势特征中缝隙的坐标控制所述的焊接模块运动的方向以及根据缝隙的宽度控制焊接模块的电压、电流和速度。

采用了该发明中的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统及方法，可以实现缝隙自动化焊接，解放人力，提高生产效率；采用的是五轴共臂技术，独立设计研发应用于非标准化工件的焊接，焊枪和视觉器二者共用同一X轴，如此保证焊枪与视觉器在X速度一致，保证位置数据信息传递不会出错，能够让视觉跟踪与焊接同步进行，减少被焊物件形变造成对焊接质量的影响；通过视觉器内的折线特征走势，实时调整视觉装置位置，保证折线一直在视野最佳位置，降低镜头畸变等各种不利因素对识别精度的影响；视觉器在调整过程中，不影响视觉器对物体的识别，通过高帧率的拍摄图片，每幅图片均可通过折线计算出缝隙的机械坐标位置和缝隙的宽度，提高焊接精度，具有更广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统的接线图。

图2为本发明的待焊接的波纹板的结构示意图。

图3为本发明的实施例中的自动焊机的结构示意图。

附图标记：

1板卡

2PC主机

3PCI插槽

4网口

5送丝机

6焊丝

7网线

8端子板

9九芯线

10焊接轴

11采样轴

12波纹板

13横梁

14侧板

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明是应用于不同形状的折形波板焊接。主要以集装箱侧板，正弦波纹腹板、长直钢管的焊接为主，其中涉及到视觉识别、轨迹矫正、缝隙识别、焊接工艺等方面的技术。提出了一种利用机械视觉导引技术识别缝隙进行焊接的全新方案。

本焊接方案的目的是代替一些特殊场合下人工焊接，因为目前大部焊接工作都是人工操作的。以弧焊为主，弧焊作业比较集中的工位周围充斥着大量烟尘、强光和噪声。

如图1～3所示，为了实现上述的目的，本发明方案采用了各种综合技术实现对不规则形状铁板进行焊接。方案组成包括机械硬件部分，工控电气部分、软件控制技术、图像识别技术，三维坐标转换等核心技术，本方案最大的特点：将视觉识别、运动控制、焊接工艺、机械结构做了一系列的整合，从而实现提高识别和焊接质量：

1.机械硬件部分：此部分采用的是五轴共臂技术，独立设计研发应用于非标准化工件的焊接，其中X\Y\Z应用于焊枪的控制，X\Y1\Z1应用于视觉器的自动轨迹跟踪，二者共用同一X轴，如此保证焊枪与视觉器在X速度一致，保证位置数据信息传递不会出错，使用该方案的优势：能够让视觉跟踪与焊接同步进行，减少被焊物件形变造成对焊接质量的影响。

2.工控电器部分：主要是电气控制柜，由工控机、伺服系统组成，此部分要保证机械结构每到一个位置都能准确的把视觉器的位置同步回馈到软件控制系统。

3.软件控制技术：

(1)因视觉识别技术都有视野局限性，可以通过视觉器内的折线特征走势，实时调整视觉装置位置。保证折线一直在视野最佳位置，降低镜头畸变等各种不利因素对识别精度的影响。

(2)视觉图像识别技术：视觉器在调整过程中，不影响视觉器对物体的识别。通过高帧率的拍摄图片，每幅图片均可通过折线计算出缝隙的机械坐标位置和缝隙的宽度。

(3)控制系统将所得的大量缝隙宽度和缝隙位置数据密集化，及噪点去除(根据被测物体的实际物理特征去除严重不符实际的噪点，并根据特征插入一些更合乎实际的点作为补充)即得到被测缝隙的实际物理走势特征。实际宽度：其处理方式基本同于缝隙位置的处理方式，其实际参考的物理特征基本为一段直线，只是根据计算出的缝隙值做各种有利于焊接工艺的操作：如，速度、电压、焊接角度等的控制。

(3)实际缝隙的物理轨迹由共臂的焊接轴10执行。(焊接轴与视觉器轴的位置如附图所示)。根据识别的缝隙宽度值调整熔池的电压值和电流值。同时调整焊接轴10的执行速度。调整规则：缝隙宽度、电流值、电压值、执行速度通过表格预设好其对应关系。例如：当缝隙宽度为零，电流值为300A，焊枪执行速度为1200mm/min。当识别到缝隙宽度为1.5MM，电流值自动调为350A，同时焊枪执行速度为1500mm/min。

因此，如图1所示，本发明的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统包括：

视觉采样轴；

视觉采样模块，用以沿着所述的视觉采样轴运动并采集待焊接的缝隙处的位置数据信息；

所述的视觉采样模块为设置于所述的视觉采样轴上的视觉传感器；

所述的视觉传感器包括摄像单元和缝隙位置数据信息分析单元，所述的缝隙位置数据信息分析单元用以根据所述的摄像单元拍摄的图片计算缝隙的机械位置坐标和缝隙的宽度；

焊接轴10，所述的焊接轴10和所述的视觉采样轴共用一X轴；所述的焊接模块包括送丝机5和设置于所述的焊接轴10上的焊枪；

焊接模块，用以沿着所述的焊接轴10运动并对待焊接的缝隙进行焊接；

电气控制柜，用以根据所述的缝隙的机械位置坐标和缝隙的宽度的数据点计算得到缝隙的实际物理走势特征并控制所述的焊接模块的动作。

为了能够更清楚地理解本发明的内容，特举以下实施详细说明。

1.打开软件，点击“开始焊接”；

2.机械硬件带动“视觉器”执行寻定中心动作，动作完成后，马上执行X轴方向运动，同时焊枪也会运动，运动到焊接起始点；

3.焊枪开始焊接，一直焊接运行到结束位置；

4.“焊枪”与“视觉器”回到安全位置，并回到焊接初始点，同时，箱体沿流水线进入下一个工艺流程，同时新的箱体进入焊接工位。

采用了该发明中的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统及方法，可以实现缝隙自动化焊接，解放人力，提高生产效率；采用的是五轴共臂技术，独立设计研发应用于非标准化工件的焊接，焊枪和视觉器二者共用同一X轴，如此保证焊枪与视觉器在X速度一致，保证位置数据信息传递不会出错，能够让视觉跟踪与焊接同步进行，减少被焊物件形变造成对焊接质量的影响；通过视觉器内的折线特征走势，实时调整视觉装置位置，保证折线一直在视野最佳位置，降低镜头畸变等各种不利因素对识别精度的影响；视觉器在调整过程中，不影响视觉器对物体的识别，通过高帧率的拍摄图片，每幅图片均可通过折线计算出缝隙的机械坐标位置和缝隙的宽度，提高焊接精度，具有更广泛的应用范围。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统，其特征在于，所述的系统包括：

视觉采样轴；

视觉采样模块，用以沿着所述的视觉采样轴运动并采集待焊接的缝隙处的位置数据信息；

焊接轴，所述的焊接轴和所述的视觉采样轴共用一X轴；

焊接模块，用以沿着所述的焊接轴运动并对待焊接的缝隙进行焊接；

电气控制柜，用以根据所述的视觉采样模块的位置数据信息来分析待焊接的缝隙的状态并控制所述的焊接模块的动作。

2.根据权利要求1所述的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统，其特征在于，所述的视觉采样模块为设置于所述的视觉采样轴上的视觉传感器。

3.根据权利要求2所述的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统，其特征在于，所述的视觉传感器包括摄像单元和缝隙位置数据信息分析单元，所述的缝隙位置数据信息分析单元用以根据所述的摄像单元拍摄的图片计算缝隙的机械位置坐标和缝隙的宽度。

4.根据权利要求3所述的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统，其特征在于，所述的电气控制柜，用以根据所述的缝隙的机械位置坐标和缝隙的宽度的数据点计算得到缝隙的实际物理走势特征并控制所述的焊接模块的动作。

5.根据权利要求1所述的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的系统，其特征在于，所述的焊接模块包括送丝机和设置于所述的焊接轴上的焊枪。

6.一种通过权利要求1所述的系统基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的电气控制柜启动；

(2)所述的视觉采样模块进行寻定中心动作；

(3)所述的视觉采样模块执行X轴方向运动且所述的焊接模块运动至焊接起始点；

(4)所述的视觉采样模块采集待焊接的缝隙处的位置数据信息并发送至所述的电气控制柜；

(5)所述的电气控制柜分析待焊接的缝隙的状态并控制所述的焊接模块的动作。

7.根据权利要求6所述的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的方法，其特征在于，所述的视觉传感器包括摄像单元和缝隙位置数据信息分析单元，所述的视觉采样模块采集待焊接的缝隙处的位置数据信息，具体为：

所述的缝隙位置数据信息分析单元用以根据所述的摄像单元拍摄的图片计算缝隙的机械位置坐标和缝隙的宽度。

8.根据权利要求7所述的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的方法，其特征在于，所述的电气控制柜分析待焊接的缝隙的状态，具体为：

所述的电气控制柜根据所述的缝隙的机械位置坐标和缝隙的宽度的数据点计算得到缝隙的实际物理走势特征。

9.根据权利要求8所述的基于机械视觉导引实现自动化缝隙焊接的方法，其特征在于，所述的控制所述的焊接模块的动作，具体为：

所述的电气控制柜根据缝隙走势特征中缝隙的坐标控制所述的焊接模块运动的方向以及根据缝隙的宽度控制焊接模块的电压、电流和速度。