CN108896658B - 一种基于plc的超声波自动化检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PLC的超声波自动化检测方法，白车身进入待检工位，示教器对机器人示教后；机器人根据示教好的程序，运动至第m台车第n(n≥1)个焊点的激光测距点，测量深度偏差值使机器人运动至标准高度，二维视觉装置拍照获得焊点图像，工控机对焊点图像进行处理获得平面偏差值，机器人根据平面偏差值移动到平面标准位置，驱动超声波探头至恰好覆盖整个焊点的位置；超声波探头分别绕X轴、Y轴方向转动±5°，一旦出现合格波形，工控机将其冻结，生成该焊点数据报表；若一直未出现合格波形，工控机报警，生成该缺陷焊点的数据报表；依次检测第n(n＝2,3…)个焊点，完成检测。本发明实现了生产线批量自动检测，提高了检测效率。

Description

一种基于PLC的超声波自动化检测方法

技术领域

本发明涉及一种焊点自动化检测方法，尤其涉及一种基于PLC的超声波自动化检测方法。

背景技术

目前在使用超声波探伤仪检测汽车焊点时，只能以人工方式检测，需要手持超声波探头对准焊点位置，且需保证与焊点表面垂直，然后才能进行焊点质量检测。此方法依赖于人工检测，无法实现自动化，检测效率低下，准确性和稳定性差；且人工检测只能抽检一部分焊点，不能保证所有关键焊点的质量，而且检测质量严重依赖检测者的经验，人为因素对焊点质量干扰较大；人工检测方式批量检测成本较高，集成度、实用性低下，无法批量应用于生产线；焊接过程中对焊点的质量不能实时反馈，致使检测迟滞性严重，无法及时对焊接过程起到指导作用，无法提高车身生产工艺的稳定性。

发明内容

针对上述汽车焊点检测中存在的问题，本发明提供了一种基于PLC的超声波自动化检测方法。该检测方法适用于自动化生产线，实现高效率、低成本的自动化检测，保证所有关键焊点的质量。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种基于PLC的超声波自动化检测方法，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：

S1、通电之后，检测系统初始化完成，电控装置中的安全门确认检测现场是否处于安全状态；

S2、检测现场处于安全状态时，白车身进入待检工位，电控装置获得白车身到位信息，启动机器人；

S3、示教器对机器人示教，确定机器人检测第1台白车身每个关键焊点的运动轨迹，激光测距点、拍照点以及末端执行器的姿态；

S4、机器人根据示教好的程序，运动至第m台车第n个焊点的激光测距点，m>1，n≥1，开始自动化检测；

S5、上位机中的工控机控制激光测距仪工作，测量出焊点深度方向相对于第1台车第1个焊点深度方向的偏差值，并传输到工控机中；

S6、将偏差值由工控机传输至机器人控制柜的内部寄存器中，根据纠正的偏差值，机器人运动至标准高度；

S7、二维视觉装置的相机对当前焊点进行拍照，获得焊点图像，并将焊点图像传输至工控机；工控机对焊点图像进行处理获得焊点中心坐标的偏差值，并将焊点中心偏差值输出到机器人控制柜内部寄存器；

S8、机器人根据平面偏差值移动到平面标准位置，驱动超声波探头至恰好覆盖整个焊点的位置；

S9、机器人在工具坐标系下使超声波探头分别绕X轴、Y轴方向转动±5°，消除示教的姿态与当前焊点姿态不同导致超声波探头不能与焊点表面垂直而无法检测出理想的超声波信号的问题；

S10、超声波探头检测时，工控机实时检测超声波信号的变化，一旦出现合格波形，将其冻结，生成该焊点数据报表；若超声波探头转动过程中一直未出现合格波形，即认为焊点有缺陷，工控机发出报警，同时生成该缺陷焊点的数据报表；

S11、重复上述S4至S10，依次检测第n个焊点，n＝2,3…。

进一步地，所述检测方法还包括如下步骤：

S12、将一整台车的所有关键焊点报表整合成一个文件，同时分析缺陷类型焊点的分布；

S13、将S12生成的整车焊点文件发送至上位机，方便操作者查看；同时操作者可根据缺陷焊点的分布，调整焊接过程中的参数，降低废品率。

进一步地，在所述S3中，示教过程是：机器人按示教程序运动至第1个焊点的的测距点，工控机控制激光测距仪获取焊点深度方向偏差值，将深度偏差值通过工业以太网传输到机器人控制柜的内部寄存器中，控制机器人移动到标准高度；然后控制二维视觉装置中的工业相机拍照，工控机对焊点图像处理，获取焊点在平面方向的偏差值，将平面偏差值通过工业以太网传输到机器人控制柜的内部寄存器中，控制机器人精确移动到焊点表面，此时超声波探头以近似垂直的姿态处于焊点表面，通过机器人编程，在工具坐标系下使超声波探头分别绕X轴、Y轴方向转动±5°，消除示教的姿态与当前焊点姿态不同导致超声波探头不能与焊点表面垂直而无法检测出理想的超声波信号的问题。

进一步地，在工控机中安装有超声波检测软件，具有自动冻结合格波形的功能。

进一步地，在S7中，工控机通过对焊点图像进行预处理、灰度化、边缘检测、轮廓拟合以及焊点中心坐标的提取，将当前焊点中心坐标与标定的模板点中心坐标对比，获得焊点中心坐标的偏差值，通过标定，将所述焊点中心坐标的偏差值转换成焊点中心偏差值输出到寄存器中。

进一步地，在S7中，二维视觉装置经过数据采集卡将焊点图像转化成数字信号，将数字信号传输至工控机。

进一步地，所述机器人端部设有末端执行器，所述超声波探头、所述二维视觉装置、所述激光测距仪安装在所述末端执行器上，并分别与所述工控机相连。

进一步地，所述示教器安装在所述机器人控制柜中，并分别与所述机器人和所述机器人控制柜内部的寄存器相连；所述工控机与所述寄存器相连。

进一步地，所述电控装置包括所述安全门、HMI和PLC，所述PLC分别与所述示教器、所述安全门和所述HMI相连，所述PLC通过所述示教器与所述机器人数据相连；所述安全门用于保护所述检测系统安全运行和操作人员的人身安全；所述HMI用于实时显示所述检测系统的工位信息；所述PLC实时监控所述安全门，并控制所述机器人的动作、所述安全门的报警和所述HMI的显示情况。

进一步地，在所述S2中，在运行过程中出现违规进入检测系统的状态，PLC通过工业以太网通知安全门，使其报警，待检工位的检测系统切换至安全模式。

本发明的有益效果：

本发明具有操作简单、速度快、精度高、检测率高等优点，通过激光测距仪测量焊点深度信息，二维视觉装置测量焊点平面信息，示教器示教末端执行器的姿态且模拟手动检测的过程，能够使超声波探头自动对准待检测焊点，实现了对焊点质量的在线自动检测，解决了现有人工检测效率低，受人为因素干扰大，焊点检测的准确性和稳定性难以保障等问题，也大大降低对人工检测的依赖；且本发明与焊接过程相配合，当检测到缺陷焊点成批出现时，能够进行实时反馈，操作者可及时更改焊接参数或修整电极帽，提高了车身生产工艺的稳定性。

本发明通过对多通道数据采集与群机器人的控制，可以实现关键焊点检测的全覆盖，可以提高焊点检测的效率，也解决了批量检测成本较高的问题，保证所投入市场的汽车质量。

本发明通过一台工控机控制多台机器人，系统集成度、实用性高，同时本发明与PLC结合，使得超声波检测可以实现生产线批量自动检测，大大提高了检测效率，提高了车间的自动化水平，大大降低了批量焊点检测的成本。

附图说明

图1为实现本发明基于PLC的超声波自动化检测方法的系统示意图；

图2为实现本发明基于PLC的超声波自动化检测方法的系统组成框图；

图3为本发明基于PLC的超声波自动化检测方法流程图。

图中：1-白车身，2-超声波探头，3-二维视觉装置，4-激光测距仪，5-传感器管线包，6-显示器，7-工控机，8-机器人，9-机器人控制柜，10-工业以太网线，11-示教器，12-动力线缆，13-滚床，14-安全门，15-HMI，16-PLC。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明中，术语“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例记载了一种基于PLC的超声波自动化检测方法，该检测方法通过激光测距仪测量深度信息，二维视觉装置测量平面信息，示教器示教末端执行器的姿态且编程模拟超声波探头手动检测的过程，通过平面偏差值和深度偏差值引导超声波探头自动对准待检测焊点，实现对焊点质量的在线自动检测。

本实施例的检测方法通过图1和图2示出的系统实现。待检的白车身1置于滚床13上，超声波探头2、二维视觉装置3和激光测距仪4组成传感器，用于检测焊点，传感器装夹在机器人8本体的末端执行器上，并通过传感器管线包5与工控机7相连，传感器末端还设有底层硬件装置，通过底层硬件装置传感器将焊点检测信息传输至工控机7。底层硬件装置由多通道超声波信号激励与接收板卡和多通道数据采集卡组成。

超声波探头2通过超声波信号激励与接收板卡与数据采集卡相连，超声波探头2通过超声波信号激励与接收板卡产生超声波脉冲信号，对焊点质量进行检测，并接收超声波检测信息，将其传送给数据采集卡。二维视觉装置3和激光测距仪4分别与数据采集卡相连，二维视觉装置3检测焊点在平面方向的偏差值，其包括工业相机、镜头和光源，可通过工业相机和镜头对焊点进行拍照，通过光源照射可使拍摄的焊点部位图像更加清晰，通过拍摄的焊点图像可检测焊点在平面方向的偏差值。激光测距仪4检测白车身1焊点深度方向的偏差值，保证二维视觉装置3在同一高度进行拍照。数据采集卡与工控机7相连，数据采集卡采集传感器对焊点的检测信息，并将检测信息传输到工控机7。

显示器6和工控机7组成上位机，显示器6连接在工控机7上，显示器6为工控机7的操作界面，用于显示操作信息和结果；工控机7接收传感器采集的焊点图像信息获得焊点偏差值，工控机7还通过工业以太网线10与机器人控制柜9内的寄存器相接，并将焊点偏差值经工业以太网传输至寄存器中。

工控机7对二维视觉装置3反馈的焊点图像进行处理，获得平面偏差值，并通过激光测距仪4获得焊点深度偏差值；将平面偏差值和深度偏差值通过以太网传输至机器人控制柜9的寄存器中，根据偏差值示教器11引导装夹在末端执行器上的超声波探头2恰好覆盖住焊点表面，并对反馈的超声波信息进行处理，显示出焊点的质量类型并生成报表，统计焊点缺陷类型分布，并指导焊接过程。

机器人8、机器人控制柜9、示教器11组成执行机构。机器人8端部安装有末端执行器，传感器装夹在末端执行器上。机器人控制柜9中设有寄存器，用于储存工控机7传输的检测信息。示教器11安装在机器人控制柜9中，与寄存器相连，并通过动力线缆12与机器人8相连，示教器11用于机器人8的末端执行器运动轨迹和姿态的示教，保证超声波探头2以近似垂直于焊点表面的姿态运动至焊点附近，为焊点精确定位提供前提。超声波探头2运动至焊点表面时，通过机器人8编程模拟手持超声波探头2检测的动作，根据焊点的偏差值消除由于超声波探头2不垂直焊点表面造成的误检问题。

该执行机构可包括多个机器人8，构成群机器人，群机器人分别安装有传感器，同时对白车身1上不同的焊点进行检测，可加快检测效率。群机器人由多个机器人控制柜9控制，机器人8分别与机器人控制柜9中的示教器11相连。

安全门14、HMI 15和PLC16组成电控装置，PLC16通过工业以太网线10分别与示教器11、安全门14和HMI 15相连。安全门14用于保护系统安全运行和操作者的人身安全；HMI15用于实时显示该检测系统的工作状况；PLC16与执行机构中的群机器人通过示教器11数据相连，利用工业以太网实现数据交互。PLC16通过工业以太网反馈回来的信息(例如安全门14的安全信息、HMI15的状态控制信息，生产线上的白车身1到位信息)，来控制群机器人的动作、安全门14的声光报警和HMI15的显示，确保整个检测处于安全可控的运行状态。电控装置能够确保在安全状态下进行自动化检测，电控装置的核心PLC16通过工业以太网来实时监控安全门14，同时将信息显示在HMI15上便于操作者查看，同时也会根据这些信息对机器人8进行相应的控制，保证了机器人8的运行安全。

如图3所示，本实施例的检测方法包括如下步骤：

1.通电之后，检测系统初始化完成，安全门14确认检测现场是否处于安全状态。

2.检测现场处于安全状态时，白车身1进入待检工位，电控装置获得白车身1到位信息后，启动机器人8。

PLC16获得安全门14通过工业以太网传送的现场系统处于安全状态的信息后，由滚床13将待检白车身1输送到待检工位上，PLC16确定待检白车身1安全到达后，PLC16通过工业以太网通知群机器人运行。在运行过程中一旦有违规进入检测系统的状态，PLC16通过工业以太网通知安全门14，使其报警，如启动声光报警器，同时通过工业以太网通知白车身1的生产线，将本待检工位的检测系统切换至安全模式。

3.在焊点自动化检测之前，利用示教器11对机器人8示教，确定机器人8检测第1台白车身1每个关键焊点的运动轨迹，激光测距点、拍照点以及末端执行器的姿态。

以后同车型的第m(m>1)台白车身1相对应焊点检测过程中，仍然使用示教好的第1台白车身1的运动轨迹、激光测距点、拍照点、末端执行器的姿态，只是测量焊点平面和深度方向上的偏差值。这样大大减小了系统的复杂性且满足定位要求。

示教过程是：机器人8按示教程序运动至第1个焊点的测距点，末端执行器上超声波探头2的姿态与焊点看做近似垂直(利用第1台车第1个焊点的检测姿态与焊点垂直，由于车身定位较大，所以检查姿势相对焊点角度差别不大)，工控机7控制激光测距仪4获取焊点深度方向偏差值，将深度偏差值通过工业以太网传输到机器人控制柜9的内部寄存器中，控制机器人8移动到标准高度；然后控制二维视觉装置3中的工业相机拍照，工控机7对焊点图像处理，获取焊点在平面方向的偏差值，将平面偏差值通过工业以太网传输到机器人控制柜9的内部寄存器中，控制机器人8精确移动到焊点表面，此时超声波探头2以近似垂直的姿态处于焊点表面，通过机器人8编程，在工具坐标系下使超声波探头2分别绕X轴、Y轴方向转动±5°，消除示教的姿态与当前焊点姿态不同导致超声波探头2不能与焊点表面垂直而无法检测出理想的超声波信号的问题(实验统计发现，示教得姿态与当前姿态的差值在±5°内，超声波探头2对角度变化不是特别敏感)。

在工控机7中安装有超声波检测软件，具有自动冻结合格波形的功能，在超声波探头2转头的过程中，一旦出现合格的波形，超声波检测软件自动冻结合格波形，生成报表，完成焊点的检测；若超声波探头2转动的过程中，未出现合格波形，即认为该焊点有缺陷，发出报警，生成报表。按照上述步骤，依次检测第n(n＝2,3…)个焊点，完成示教。

4.机器人8根据示教好的程序，运动至第m(m>1)台车第n(n≥1)个焊点的激光测距点，开始自动化检测。

5.工控机7控制激光测距仪4工作，测量出焊点深度方向相对于第1台车第1个焊点深度方向的偏差值，并传输到工控机7中。

6.将偏差值通过工业以太网由工控机7传输至机器人控制柜9的内部寄存器中，根据纠正的偏差值，机器人8运动至标准高度(即拍照点，激光测距仪4保证相机在同一高度拍照)。

7.二维视觉装置3的相机对当前焊点进行拍照，获得焊点图像，并经过数据采集卡将焊点图像转化成数字信号，将数字信号传输至工控机7。工控机7通过对焊点图像进行预处理、灰度化、边缘检测、轮廓拟合以及焊点中心坐标的提取，将当前焊点中心坐标与标定的模板点中心坐标对比，获得焊点中心坐标的偏差值。此时的偏差值是像素坐标的偏差值，通过标定，可以将像素坐标转换到机器人8坐标系中，这样工控机7输出到机器人控制柜9内部寄存器的值即为机器人8坐标系下的焊点中心偏差值。

8.机器人8根据平面偏差值移动到平面标准位置，然后根据末端执行器的数模尺寸，将坐标转换到超声波探头2所在的坐标系，驱动超声波探头2至恰好覆盖整个焊点的位置。

9.机器人8编程，在工具坐标系下使超声波探头2分别绕X轴、Y轴方向转动±5°，消除示教的姿态与当前焊点姿态不同导致超声波探头2不能与焊点表面垂直而无法检测出理想的超声波信号的问题。另外，有时焊核(焊核处于焊点内部，不可见)与焊点表面由于焊接电极压力的变化导致两者中心不重合，只以焊点表面(即焊点外观)来定位，容易造成误检。通过机器人8编程模拟手动检测动作，可以在一定范围内搜索焊核的位置，提高检出率。

10.超声波探头2检测时，工控机7实时检测超声波信号的变化，一旦出现合格波形，超声波检测软件自动将其冻结，生成该焊点数据报表；若超声波探头2转动过程中一直未出现合格波形，即认为焊点有缺陷，工控机7发出报警，同时生成该缺陷焊点的数据报表。

11.重复上述步骤4至步骤10，依次检测第n(n＝2,3…)个焊点。

12.将一整台车的所有关键焊点报表整合成一个文件，同时分析缺陷类型焊点的分布。

13.将上一步生成的整车焊点文件发送至车间上位机，方便操作者查看；同时操作者可根据缺陷焊点的分布，调整焊接过程中的参数，降低废品率。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于PLC的超声波自动化检测方法，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：

S1、通电之后，检测系统初始化完成，电控装置中的安全门(14)确认检测现场是否处于安全状态；

S2、检测现场处于安全状态时，白车身(1)进入待检工位，电控装置获得白车身(1)到位信息，启动机器人(8)；

S3、示教器(11)对机器人(8)示教，确定机器人(8)检测第1台白车身(1)每个关键焊点的运动轨迹，激光测距点、拍照点以及末端执行器的姿态；

示教过程是：机器人(8)按示教程序运动至第1个焊点的测距点，工控机(7)控制激光测距仪(4)获取焊点深度方向偏差值，将深度偏差值通过工业以太网传输到机器人控制柜(9)的内部寄存器中，控制机器人(8)移动到标准高度；然后控制二维视觉装置(3)中的工业相机拍照，工控机(7)对焊点图像处理，获取焊点在平面方向的偏差值，将平面偏差值通过工业以太网传输到机器人控制柜(9)的内部寄存器中，控制机器人(8)精确移动到焊点表面，此时超声波探头(2)以近似垂直的姿态处于焊点表面，通过机器人(8)编程，在工具坐标系下使超声波探头(2)分别绕X轴、Y轴方向转动±5°，消除示教的姿态与当前焊点姿态不同导致超声波探头(2)不能与焊点表面垂直而无法检测出理想的超声波信号的问题；

S4、机器人(8)根据示教好的程序，运动至第m台车第n个焊点的激光测距点，m>1，n≥1，开始自动化检测；

S5、上位机中的工控机(7)控制激光测距仪(4)工作，测量出焊点深度方向相对于第1台车第1个焊点深度方向的偏差值，并传输到工控机(7)中；

S6、将偏差值由工控机(7)传输至机器人控制柜(9)的内部寄存器中，根据纠正的偏差值，机器人(8)运动至标准高度；

S7、二维视觉装置(3)的相机对当前焊点进行拍照，获得焊点图像，并将焊点图像传输至工控机(7)；工控机(7)对焊点图像进行处理获得焊点中心坐标的偏差值，并将焊点中心偏差值输出到机器人控制柜(9)内部寄存器；

S8、机器人(8)根据平面偏差值移动到平面标准位置，驱动超声波探头(2)至恰好覆盖整个焊点的位置；

S9、机器人(8)在工具坐标系下使超声波探头(2)分别绕X轴、Y轴方向转动±5°，消除示教的姿态与当前焊点姿态不同导致超声波探头(2)不能与焊点表面垂直而无法检测出理想的超声波信号的问题；

S10、超声波探头(2)检测时，工控机(7)实时检测超声波信号的变化，一旦出现合格波形，将其冻结，生成该焊点数据报表；若超声波探头(2)转动过程中一直未出现合格波形，即认为焊点有缺陷，工控机(7)发出报警，同时生成该缺陷焊点的数据报表；

S11、重复上述S4至S10，依次检测第n个焊点，n＝2,3…。

2.根据权利要求1所述的基于PLC的超声波自动化检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括如下步骤：

S12、将一整台车的所有关键焊点报表整合成一个文件，同时分析缺陷类型焊点的分布；

S13、将S12生成的整车焊点文件发送至上位机，方便操作者查看；同时操作者可根据缺陷焊点的分布，调整焊接过程中的参数，降低废品率。

3.根据权利要求1所述的基于PLC的超声波自动化检测方法，其特征在于，在工控机(7)中安装有超声波检测软件，具有自动冻结合格波形的功能。

4.根据权利要求1所述的基于PLC的超声波自动化检测方法，其特征在于，在S7中，工控机(7)通过对焊点图像进行预处理、灰度化、边缘检测、轮廓拟合以及焊点中心坐标的提取，将当前焊点中心坐标与标定的模板点中心坐标对比，获得焊点中心坐标的偏差值，通过标定，将所述焊点中心坐标的偏差值转换成焊点中心偏差值输出到寄存器中。

5.根据权利要求1所述的基于PLC的超声波自动化检测方法，其特征在于，在S7中，二维视觉装置(3)经过数据采集卡将焊点图像转化成数字信号，将数字信号传输至工控机(7)。

6.根据权利要求1所述的基于PLC的超声波自动化检测方法，其特征在于，所述机器人(8)端部设有末端执行器，所述超声波探头(2)、所述二维视觉装置(3)、所述激光测距仪(4)安装在所述末端执行器上，并分别与所述工控机(7)相连。

7.根据权利要求1所述的基于PLC的超声波自动化检测方法，其特征在于，所述示教器(11)安装在所述机器人控制柜(9)中，并分别与所述机器人(8)和所述机器人控制柜(9)内部的寄存器相连；所述工控机(7)与所述寄存器相连。

8.根据权利要求1所述的基于PLC的超声波自动化检测方法，其特征在于，所述电控装置包括所述安全门(14)、HMI(15)和PLC(16)，所述PLC(16)分别与所述示教器(11)、所述安全门(14)和所述HMI(15)相连，所述PLC(16)通过所述示教器(11)与所述机器人(8)数据相连；所述安全门(14)用于保护所述检测系统安全运行和操作人员的人身安全；所述HMI(15)用于实时显示所述检测系统的工位信息；所述PLC(16)实时监控所述安全门(14)，并控制所述机器人(8)的动作、所述安全门(14)的报警和所述HMI(15)的显示情况。

9.根据权利要求8所述的基于PLC的超声波自动化检测方法，其特征在于，在所述S2中，在运行过程中出现违规进入检测系统的状态，PLC(16)通过工业以太网通知安全门(14)，使其报警，待检工位的检测系统切换至安全模式。

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