CN108857191B - 一种基于视觉定位的焊接机及自动焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于视觉定位的焊接机，包括，底座，安装在底座上的运动机构，与运动机构连接的焊枪模块，视觉定位模块，所述视觉定位模块包括，图像获取模块，与焊枪模块固定连接，用于获取待焊工件的图像信息；照明模块，与图像获取模块配合，用于照亮待焊工件；具有确定坐标值的参照物，设置在待焊工件与图像获取模块之间，并位于图像获取模块的拍摄范围内；图像处理装置，与图像获取模块连接，并配置为识别获取图像中的特征图案，并与参照物坐标值对比，计算出特征图案的有效坐标值，并传递至运动机构。本发明还涉及一种利用如上述的基于视觉定位的焊接机的自动焊接方法，可以实现自动定位和焊接。

Description

一种基于视觉定位的焊接机及自动焊接方法

技术领域

本发明涉及自动焊接领域，尤其是一种基于视觉定位的焊接机及自动焊接方法。

背景技术

目前，换热器焊接大多是人工焊接，传统焊接产生的辐射和烟雾对工人身体伤害较大。已有的换热器焊接机采用接触式焊接，即穿好管后，需要在每个管上人工焊接一下，然后用带锥度的定位柱插进管中，做好定位，画圆焊接，其中，立焊采用的大多是氩弧焊，平焊大多是二保焊。这种焊接方式自动化程度低，需要人工定位，省不了人工，也降低不了对人体的危害。

换热器自动焊接最大的难点在于定位，由于前段工序的人工划线、台钻钻孔，不可避免的产生误差，导致孔与孔之间的左右上下距离不定，这就给自动定位带来了非常大的困难。定位不准确极易造成虚焊、漏焊等，根本达不到生产要求。

鉴于此提出本发明。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于视觉定位的焊接机，能够对待焊工件进行准确自动定位，避免因定位不准确造成的焊接缺陷。

本发明的另一个目的在于提供一种利用上述基于视觉定位的焊接机的自动焊接方法，以替代现有的人工焊接。

为了实现第一发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于视觉定位的焊接机，包括，底座，安装在底座上的运动机构，与运动机构连接的焊枪模块，所述运动机构配置为驱动焊枪模块移动，还包括，视觉定位模块，所述视觉定位模块包括，

图像获取模块，与焊枪模块固定连接，用于获取待焊工件的图像信息；

照明模块，与图像获取模块配合，用于照亮待焊工件；

具有确定坐标值的参照物，设置在待焊工件与图像获取模块之间，并位于图像获取模块的拍摄范围内；

图像处理装置，与图像获取模块连接，并配置为识别获取图像中的特征图案，并与参照物坐标值对比，计算出特征图案的有效坐标值，并传递至运动机构。

进一步，所述特征图案为圆形图案，所述有效坐标值包括圆形图案的圆心坐标值和圆形轮廓上某一点的坐标值。

进一步，所述运动机构包括，

相对底座在左右方向上移动的第一运动机构；

与第一运动机构连接，并相对底座在前后方向上移动的第二运动机构；

与第二运动机构连接，并相对底座在上下方向上移动的第三运动机构；

以及与第一运动机构、第二运动机构和第三运动机构连接的控制装置；

所述焊枪模块与第三运动机构连接，在第三运动机构上还设有一安装座，并分别与图像获取模块、照明模块连接；所述图像处理装置与控制装置通过线缆连接。

进一步，所述图像获取模块包括，相机和挡板机构；所述挡板机构包括，安装在安装座上的第一推杆电机，与第一推杆电机连接的挡光板，所述挡光板位于相机前侧，在相机拍照时，所述第一推杆电机驱动挡光板向远离相机方向移动。

进一步，所述照明模块为LED照明灯，并设置在相机的两侧，LED照明灯的照明范围至少覆盖相机的取景范围。

进一步，所述参照物为具有圆形通孔的折板，且圆形通孔的圆心坐标值为参照物的坐标值；所述折板的一端与安装在安装座上的第二推杆电机连接，所述第二推杆电机的伸缩方向与相机的取景方向平行，所述折板的另一端向下弯曲，并形成与相机取景方向垂直的平面，所述圆形通孔设置在该平面上，在相机拍照时，所述第二推杆电机驱动折板移动到一固定位置，使圆形通孔位于相机的取景范围内，且该位置相对焊枪模块的位置为一固定值。

进一步，所述控制装置为PLC系统，所述图像处理装置为具有图像处理软件的计算机。

为了实现第二发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用如上述的基于视觉定位的焊接机的自动焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、获取待焊工件的静态图像，并将所述静态图像进行二值化处理；

步骤二，对二值化处理后的图像进行识别，获得感兴趣区域，然后通过拟合圆形函数搜索目标圆形，并采取从内向外的搜索方式，

步骤三，以参照物的坐标值为基准，计算识别出的各个圆形图案的坐标值和半径值；

步骤四，根据得到的圆形图案的坐标值和半径值，生成与圆形图案相匹配的焊接轨迹，并按照该焊接轨迹进行自动焊接。

采用本发明所述的技术方案后，带来以下有益效果：

本发明采用了视觉联动技术，利用图像识别技术，对焊接工件进行定位，能够实现无人看守的自动焊接。尤其是在换热器焊接领域，即管板穿好管后，不需要人工在每个管上焊接一次，也不需要人工手持定位，更不需要人在焊枪旁边近距离观察焊接，完全实现了自动定位和自动焊接，在焊接领域进一步解放了劳动力，释放双手，降低焊接对人体带来的危害。同时，进一步提高焊接质量和效率，降低了企业生产成本。

附图说明

图1：本发明的整体结构图；

图2：本发明的主视图；

图3：本发明的视觉定位模块拆下挡光板后的结构图；

图4：本发明的视觉定位模块去掉挡光板和折板后的结构图；

图5：本发明确定待测圆圆心坐标的示意图；

其中：1、底座2、焊枪模块3、视觉定位模块4、第一运动机构5、第二运动机构6、第三运动机构7、控制装置8、伺服电机9、丝杠10、滑块31、图像获取模块32、照明模块33、折板35、第二推杆电机31a、相机31b、第一推杆电机31c、挡光板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1和图2所示，一种基于视觉定位的焊接机，包括，底座1、运动机构、焊枪模块2和视觉定位模块3。所述底座1用于支撑其他部件，运动机构安装在底座1上，并与焊枪模块2连接，用于带动焊枪模块2在前后、左右和上下方向上移动。

结合图3和图4所示，所述视觉定位模块3包括，图像获取模块31、照明模块32、参照物和图像处理装置；所述图像获取模块31与焊枪模块2固定连接，用于获取待焊工件的图像信息；所述照明模块32与图像获取模块31配合，用于照亮待焊工件，使图像获取模块31获得清晰的工件图像；所述参照物具有可以被确定的坐标值，且参照物设置在待焊工件与图像获取模块31之间，并位于图像获取模块31的拍摄范围内；所述图像处理装置与图像获取模块31连接，并配置为识别获取图像中的特征图案，并与参照物坐标值对比，计算出特征图案的有效坐标值，并传递至运动机构，根据该特征图案的坐标值可以对工件进行准确定位，以便于运动机构带动焊枪模块2进行焊接作业。

具体地，所述特征图案为圆形图案，所述有效坐标值包括圆形图案的圆心坐标值和圆形轮廓上某一点的坐标值，根据圆心坐标值和圆上某一点坐标值，可以确定圆形图案的位置和半径，并生成焊接轨迹。

具体地，所述运动机构包括，相对底座1在左右方向上移动的第一运动机构4；与第一运动机构4连接，并相对底座1在前后方向上移动的第二运动机构5；与第二运动机构5连接，并相对底座1在上下方向上移动的第三运动机构6；以及与第一运动机构4、第二运动机构5和第三运动机构6连接的控制装置7。所述第一运动机构4、第二运动机构5和第三运动机构6分别由伺服电机8和丝杠传动机构组成，所述丝杠传动机构包括与伺服电机8连接的丝杠9和安装在丝杠9上的滑块10；所述焊枪模块2固定安装在第三运动机构6的滑块10上。在第三运动机构6的滑块10上还设有一安装座，并分别与图像获取模块31、照明模块32连接；所述图像处理装置与控制装置7通过线缆连接。

具体地，所述图像获取模块31包括，相机31a和挡板机构；所述挡板机构包括，安装在安装座上的第一推杆电机31b，与第一推杆电机31b连接的挡光板31c，所述挡光板31c位于相机31a前侧，在相机31a拍照时，所述第一推杆电机31b驱动挡光板31c向远离相机31a方向移动，挡光板31c可以起到保护相机31a的作用。

优选地，所述照明模块32为LED照明灯，并设置在相机31a的两侧，LED照明灯的照明范围至少覆盖相机31a的取景范围。

具体地，所述参照物为具有圆形通孔的折板33，且定义圆形通孔的圆心坐标值为参照物的坐标值；所述折板33的一端与安装在安装座上的第二推杆电机35连接，所述第二推杆电机35的伸缩方向与相机31a的取景方向(即相机31a的中轴线方向)平行，所述折板33的另一端向下弯曲，并形成与相机31a取景方向垂直的平面，所述圆形通孔设置在该平面上，在相机31a拍照时，所述第二推杆电机35驱动折板33移动到一固定位置，使圆形通孔位于相机31a的取景范围内，且该位置相对焊枪模块2的位置为一固定值。在对焊接工件进行定位时，需保证焊接工件的焊接表面与相机31a的取景方向垂直，并与圆形通孔相接触或尽量保证与圆形通孔在同一平面上，以提高识别的精度。

具体地，所述控制装置7为PLC系统，所述图像处理装置为具有图像处理软件的计算机。

本发明还涉及一种利用上述的基于视觉定位的焊接机的自动焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、获取待焊工件的静态图像，并将所述静态图像进行二值化处理；

步骤二，对二值化处理后的图像进行识别，获得感兴趣区域，然后通过拟合圆形函数搜索目标圆形，并采取从内向外的搜索方式，

步骤三，以参照物的坐标值为基准，计算识别出的各个圆形图案的坐标值和半径值；

步骤四，根据得到的圆形图案的坐标值和半径值，生成与圆形图案相匹配的焊接轨迹，并按照该焊接轨迹进行自动焊接。

具体地，在步骤一中，先调节相机31a的焦距，物距调整至400mm到600mm之间，然后调节照明模块32的亮度，使得无论白天黑夜、阴天晴天得到的照片亮度基本恒定，下一步第二推杆电机35将折板33向前推进，第一推杆电机31b驱动挡光板下放，离开相机31a，并触发相机31a拍照，然后第一推杆电机31b和第二推杆电机35复位，完成一次拍摄，拍摄出稳定、高清、对比度明显的照片。

结合图5所示，具体地，在步骤三中，计算圆形图案的坐标的方法为：先得到圆形通孔圆心A与待测圆圆心B的相对坐标，然后计算得到待测圆圆心B到圆形通孔圆心A的距离(dx，dy)，由于圆形通孔与焊枪模块2中心的距离是固定值，所以就可以得出待测圆圆心B与焊枪模块2当前位置的距离。

具体地，在步骤四中，PLC系统通过浮点运算，将坐标值转换成脉冲数量，PLC系统将脉冲数量发送给伺服电机8，伺服电机8带动丝杠传动机构做直线插补运动，实现精确定位，在定位结束后，PLC系统控制伺服电机8带动丝杠传动机构做圆弧插补，画圆焊接，在一次焊接结束后，焊枪模块2向远离工件方向后退5mm，这样能防止管板阻挡焊丝，使下一次定位移动更顺畅。

以上所述为本发明的实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理前提下，还可以做出多种变形和改进，这也应该视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于视觉定位的焊接机，包括，底座，安装在底座上的运动机构，与运动机构连接的焊枪模块，所述运动机构配置为驱动焊枪模块移动，其特征在于：还包括，视觉定位模块，所述视觉定位模块包括，

图像获取模块，与焊枪模块相对固定设置，用于获取待焊工件的图像信息；

照明模块，与图像获取模块配合，用于照亮待焊工件；

具有确定坐标值的参照物，设置在待焊工件与图像获取模块之间，并位于图像获取模块的拍摄范围内；

图像处理装置，与图像获取模块连接，并配置为识别获取图像中的特征图案，并与参照物坐标值对比，计算出特征图案的有效坐标值，并传递至运动机构；

所述运动机构包括，

相对底座在左右方向上移动的第一运动机构；

与第一运动机构连接，并相对底座在前后方向上移动的第二运动机构；

与第二运动机构连接，并相对底座在上下方向上移动的第三运动机构；

以及与第一运动机构、第二运动机构和第三运动机构连接的控制装置；

所述焊枪模块与第三运动机构连接，在第三运动机构上还设有一安装座，并分别与图像获取模块、照明模块连接；所述图像处理装置与控制装置通过线缆连接；

所述图像获取模块包括，相机和挡板机构；所述挡板机构包括，安装在安装座上的第一推杆电机，与第一推杆电机连接的挡光板，所述挡光板位于相机前侧，在相机拍照时，所述第一推杆电机驱动挡光板向远离相机方向移动；

所述参照物为具有圆形通孔的折板，且圆形通孔的圆心坐标值为参照物的坐标值；所述折板的一端与安装在安装座上的第二推杆电机连接，所述第二推杆电机的伸缩方向与相机的取景方向平行，所述折板的另一端向下弯曲，并形成与相机取景方向垂直的平面，所述圆形通孔设置在该平面上，在相机拍照时，所述第二推杆电机驱动折板移动到一固定位置，使圆形通孔位于相机的取景范围内，且该位置相对焊枪模块的位置为一固定值。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉定位的焊接机，其特征在于：所述特征图案为圆形图案，所述有效坐标值包括圆形图案的圆心坐标值和圆形轮廓上某一点的坐标值。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉定位的焊接机，其特征在于：所述照明模块为LED照明灯，并设置在相机的两侧，LED照明灯的照明范围至少覆盖相机的取景范围。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉定位的焊接机，其特征在于：所述控制装置为PLC系统，所述图像处理装置为具有图像处理软件的计算机。

5.一种利用如权利要求1-4任一项所述的基于视觉定位的焊接机的自动焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取待焊工件的静态图像，并将所述静态图像进行二值化处理；

步骤二，对二值化处理后的图像进行识别，获得感兴趣区域，然后通过拟合圆形函数搜索目标圆形，并采取从内向外的搜索方式，

步骤三，以参照物的坐标值为基准，计算识别出的各个圆形图案的坐标值和半径值；

步骤四，根据得到的圆形图案的坐标值和半径值，生成与圆形图案相匹配的焊接轨迹，并按照该焊接轨迹进行自动焊接。

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