CN109719368A - 一种机器人焊接过程多信息采集监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，包括：机器人控制柜、焊接视觉传感单元、焊接电流电压传感单元、无线数据采集单元、无线路由器、带有无线网卡的主控计算机、带有无线网卡的从计算机、脉冲MAG焊接电源。与现有技术相比，本发明通过无线方式采集焊接电压电流数据，监控集成视觉传感系统提取熔长熔宽数据，通过开发的配套软件系统实时采集处理存储焊接过程多传感数据，实时诊断及预测焊接质量并可通过建立的无线局域网远程无线访问焊接过程数据。适用于多种类型的焊接机器人系统和焊接电源，对较大规模多机器人焊接制造生产线实现无线网络的远程监测与实时控制，进而提高制造焊接质量与生产效率具有重要的技术进步意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业机器人监控系统，尤其是涉及一种机器人焊接过程多信息采集监控系统及方法。
背景技术
在工业机器人在末端轴加装焊枪作业，同时在焊接系统中添加视觉传感器，电流电压传感器等多种传感感知，用机器人代替人从事焊接工作可以将焊接工人从恶劣的工作环境下解放出来，并且稳定、高效地进行焊接作业，提高焊接质量，降低生产成本。因此机器人焊接相关技术在机械加工、船舶制造、电子生产等领域有着广泛地应用。目前国内外焊接制造企业对生产线的监督管理主要局限在现场车间控制一级，众多机器人焊接状态、参数、报警信息等都必须在现场才能得到，这就大大降低了生产制造企业的生产效率，降低了管理的实时性、可靠性，同时目前焊接制造企业的传统监控系统缺乏诸如焊接过程中实时图像信息等对于焊接质量直观重要的信息监控，对于焊接质量控缺乏有效的的实时把控。
经对现有技术文献的检索发现，周灿丰等人在《焊接》(2018(07)：1-6+65)上发表的“遥操作焊接机器人焊接信息采集系统研究”中介绍的机器人焊接信息采集系统具有一定的代表性，该套机器人系统包括焊接机器人、主控计算机和数据采集模块，解决机器人焊接电压、电流的采集问题，以Qt作为开发工具，使用C++语言完成了机器人焊接过程焊接电压电流信息系统软件开发。但是，由于该套系统不能实现焊接过程的远程多信息无线监控，同时存在无法实时获取熔池动态信息的问题，进而存在无法实现焊接参数的在线调整和焊接质量的实时控制。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种机器人焊接过程多信息采集监控系统及方法，通过电流电压传感单元，视觉传感单元实时监控焊接过程多信息，并通过路由器建立无线局域网，实现机器人焊接过程的无线网络监控。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，包括：
机器人控制柜，用于向机器人发出行走及焊接指令，并将机器人焊枪实时位姿信息和焊接起弧信号发送给主控计算机；
焊接视觉传感单元，用于机器人焊接动态过程的熔池图像实时采集；
焊接电流电压传感单元，用于机器人焊接动态过程的焊接电流电压实时采集和传输；
无线数据采集单元，分别与焊接视觉传感单元和焊接电流电压传感单元连接，用于传输熔池图像信号和焊接电流电压信号；
无线路由器，用于搭建无线监控局域网；
带有无线网卡的主控计算机，与无线数据采集单元连接，所述的主控计算机内安装有服务器端集成软件和WEB端集成软件；
带有无线网卡的从计算机，通过无线监控局域网访问主控计算机中的焊接实时监控信息；
脉冲MAG焊接电源，包括焊接状态检测端口、焊接电流及送丝控制端口，用于将焊接起弧信号发送给机器人控制柜，并接受主控计算机通过机器人控制柜发出的电流控制信号和送丝控制端口的电压值调整信号。
所述的焊接视觉传感单元包括CCD镜头、透光范围为630～680nm的窄带滤光镜片和透光率为20％和50％的组合减光镜片，其中透过率为20％的减光镜片置于靠近弧光一侧，透过率为50％的减光镜片置于靠近CCD镜头一侧，窄带滤光镜片位于组合减光镜片中间。
所述的窄带滤光镜片和减光镜片的直径为35mm。
所述的焊接电流电压传感单元包括霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、模拟电路放大电路、模拟滤波电路和供电模块，焊接过程中的大电流大电压信号经过电磁感应转换为0-5V的电压及对应电流，经过模拟电路放大电路和模拟滤波电路后由接线端子输出给无线数据采集单元的模拟输入口。
所述的服务器端集成软件包括焊接熔池图像信息的采集模块、焊接熔池图像信息的处理模块、基于TCP/IP协议的焊接电压电流信息采集模块、焊接电压电流信息特征提取模块、机器人信息读写模块和焊接信息实时存储数据库模块；所述的WEB端集成软件包括前端界面单元、后端功能单元和数据库系统单元，前端界面单元包括登录界面、登录人员管理界面、工作站实时监控界面和历史查询界面，WEB端集成软件系统将实时采集的焊接信息从焊接信息实时存储数据库模块中读出并显示。
所述的服务器端集成软件的数据处理分析采用多线程，主线程为数据实时存储、显示和参数设置，子线程包括焊接熔池图像采集、焊接熔池图像处理、无线读取电压电流信息和机器人信息的读写。
所述的WEB端集成软件的后端功能单元采用Python Flask框架开发，框架依赖于Jinja2模板引擎和Werkzeug WSGI工具集两个外部库。
所述的服务器端集成软件中的焊接信息实时存储数据库模块具有以下功能：将焊接动态过程的实时监控信息以及焊接质量结果信息实时存入SQL Server数据库。
所述的服务器端集成软件实时存入SQL Server数据库的信息包括：焊接工位信息、焊接机器人末端的焊枪姿态信息、焊接机器人末端的焊枪位置信息、焊接电流信息、焊接电压信息、焊接熔池熔宽信息、焊接熔池熔长信息、焊接电压电流是否超限报警信息和焊接质量结果信息。
所述的WEB端集成软件从SQL Server数据库读取信息并开启网络服务，无线局域网内的从计算机通过输入主控计算机服务器开放的网址访问监控数据信息。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明具有开放的结构体系，适用于多种类型的焊接机器人系统和焊接电源，对较大规模多机器人焊接制造生产线实现无线网络的远程监测与实时控制，提高焊接产品质量和可靠性，优化生产线管理，进而提高制造焊接质量与生产效率具有重要的技术进步意义，尤其适用于MAG焊焊接领域。
(2)熔池图像信号和焊接电流电压信号通过无线数据采集单元进行传输，并通过无线路由器搭建无线监控局域网，可方便随时加入局域网，不受场地限制。
(3)焊接视觉传感单元包括CCD镜头、透光范围为630～680nm的窄带滤光镜片和透光率为20％和50％的组合减光镜片，其中透过率为20％的减光镜片置于靠近弧光一侧，透过率为50％的减光镜片置于靠近CCD镜头一侧。透过率为20％的减光镜片位于靠近弧光一侧可以滤除大部分弧光，初步降低大部分弧光强度。中间窄带滤光镜片进一步滤除弧光强度集中的630～680nm以外波长波段的光，最后透过率为50％的减光镜进一步降低弧光强度以利于取像，通过焊接视觉传感单元可采集到清晰的熔池图像。
(4)焊接动态过程的实时监控信息以及焊接质量结果信息实时存入SQLServer数据库，监控信息可追溯。
(5)服务器端集成软件的数据处理分析采用多线程，主线程为数据实时存储、显示和参数设置，子线程包括焊接熔池图像采集、焊接熔池图像处理、无线读取电压电流信息和机器人信息的读写，熔池图像的实时处理方法，可在线实时得到熔池熔宽熔长等特征信息.
(6)服务器端集成软件可实时处理焊接过程多信息，提取特征，实时诊断质量信息，预测质量信息。
(7)具备通过网页无线远程监控设备点焊接实时过程功能，网址开放，便于监控。
附图说明
图1为本实施例机器人焊接过程多信息采集监控系统和方法总体框图；
图2为本实施例无线数据采集单元结构示意图；
图3为本实施例无线数据接收电压电流数据软件流程示意图；
图4为本实施例焊接熔池图像处理算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，包括：
机器人控制柜1，用于向机器人9发出行走及焊接指令，并将机器人焊枪实时位姿信息和焊接起弧信号发送给主控计算机6；
焊接视觉传感单元2，用于机器人焊接动态过程的熔池图像实时采集，电弧光经过焊接电弧的减光滤光系统的减光镜滤光镜投射到视觉传感系统的CCD感光芯片上，感光芯片经过光电转换变为电信号，电信号经过信号处理成为图像信号，系统采集的熔池图像清晰，熔池边缘相对易于提取；
焊接电流电压传感单元3，用于机器人焊接动态过程的焊接电流电压实时采集和传输，将采集到的模拟数据送入无线数据采集单元4，无线采集数据单元4经过A/D转换将数字信号通过WIFI通信传送到主控计算机6中；
无线数据采集单元4，分别与焊接视觉传感单元2和焊接电流电压传感单元3连接，用于传输熔池图像信号和焊接电流电压信号，电压采集接口及电流采集接口将焊接电流电压传感单元3采集到的实时焊接电压电流信息传输到信号调理模块，信号调理模块经过A/D转换和滤波将处理过的信号传输给中央处理单元，中央处理单元对于信号进行数据的高速采集，并转发数据给WIFI模块，WIFI模块将中央处理单元传来的数据通过天线发出；
无线路由器5，用于搭建无线监控局域网，局域网内，从计算机7可通过WEB方式访问主控计算机6中的焊接实时监控信息；
带有无线网卡的主控计算机6，与无线数据采集单元4连接，主控计算机6内安装有服务器端集成软件和WEB端集成软件；
带有无线网卡的从计算机7，通过无线监控局域网访问主控计算机6中的焊接实时监控信息；
脉冲MAG焊接电源8，包括焊接状态检测端口、焊接电流及送丝控制端口，用于将焊接起弧信号发送给机器人控制柜1，并接受主控计算机6通过机器人控制柜1发出的电流控制信号和送丝控制端口的电压值调整信号。
焊接视觉传感单元2包括CCD镜头、透光范围为630～680nm的窄带滤光镜片和透光率为20％和50％的组合减光镜片，其中透过率为20％的减光镜片置于靠近弧光一侧，透过率为50％的减光镜片置于靠近CCD镜头一侧，20％和50％的组合减光镜片中间夹着的是透光范围为630～680nm的窄带滤光镜片。
窄带滤光镜片和减光镜片的直径为35mm。
焊接电流电压传感单元3包括霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、模拟电路放大电路、模拟滤波电路和供电模块，焊接过程中的大电流大电压信号经过电磁感应转换为0-5V的电压及对应电流，经过模拟电路放大电路和模拟滤波电路后由接线端子输出给无线数据采集单元4的模拟输入口。
服务器端集成软件包括焊接熔池图像信息的采集模块、焊接熔池图像信息的处理模块、基于TCP/IP协议的焊接电压电流信息采集模块、焊接电压电流信息特征提取模块、机器人信息读写模块和焊接信息实时存储数据库模块；WEB端集成软件包括前端界面单元、后端功能单元和数据库系统单元，前端界面单元包括登录界面、登录人员管理界面、工作站实时监控界面和历史查询界面，WEB端集成软件系统将实时采集的焊接信息从焊接信息实时存储数据库模块中读出并显示。
服务器端集成软件的数据处理分析采用多线程，主线程为数据实时存储、显示和参数设置，子线程包括焊接熔池图像采集、焊接熔池图像处理、无线读取电压电流信息和机器人信息的读写。
WEB端集成软件的后端功能单元采用Python Flask框架开发，框架依赖于Jinja2模板引擎和Werkzeug WSGI工具集两个外部库。
服务器端集成软件中的焊接信息实时存储数据库模块具有以下功能：将焊接动态过程的实时监控信息以及焊接质量结果信息实时存入SQL Server数据库。
服务器端集成软件实时存入SQL Server数据库的信息包括：焊接工位信息、焊接机器人末端的焊枪姿态信息、焊接机器人末端的焊枪位置信息、焊接电流信息、焊接电压信息、焊接熔池熔宽信息、焊接熔池熔长信息、焊接电压电流是否超限报警信息和焊接质量结果信息。
WEB端集成软件从SQL Server数据库读取信息并开启网络服务，无线局域网内的从计算机7通过输入主控计算机6服务器开放的网址访问监控数据信息。
如图1所示，本发明的机器人焊接过程多信息采集监控系统和方法，数据采集层主要包括：焊接电流信息的去噪、焊接电压信息的去噪、焊接熔池图像信息的实时去噪及熔池熔长熔宽特征提取、焊接过程信息的实时存储、机器人末端焊枪姿态位置信息、焊接电流电压及焊接图像信息的信息融合，所采集的多源焊接过程信息实时存入数据库，实现信息的可追溯、焊接质量实时诊断及焊接质量预测。
如图1所示，焊接视觉传感单元2负责焊接动态过程的熔池图像实时采集，系统采集的熔池图像清晰，采用系统配套的熔池图像熔宽熔长特征实时提取处理方法提取焊接过程的熔池视觉特征信息。
如图4所示，焊接熔池图像信息经以下步骤完成熔长熔宽的提取并实时将合格图像存入数据库。
步骤一：读取图像后进行ROI感兴趣区域提取，提取焊接图像中的熔池区域。
步骤二：对于步骤一处理过的图像进行高斯滤波滤除图像高斯噪声。
步骤三：对于步骤二处理过的图像进行模板卷积边缘检测。
步骤四：对于步骤三处理过的图像进行图像的膨胀，图像的腐蚀处理。
步骤五：对于步骤四处理过的图像进行图像的骨干检测，进而进行主骨干提取，提取熔池边缘信息。
步骤六：对于步骤五处理过的图像提取熔长熔宽数据。
步骤七：将合格的熔长熔宽数据存入数据库。
如图2所示，无线数据采集单元4主要包括：天线、WIFI模块、信号调理模块、供电及保护模块、中央处理单元以及电压采集接口和电流采集接口。其中：电压采集接口及电流采集接口将焊接电流电压传感系统采集到的实时焊接电压电流信息传输到信号调理模块，信号调理模块经过A/D转换和滤波将处理过的信号传输给中央处理单元，中央处理单元对于信号进行数据的高速采集，并转发数据给WIFI模块，WIFI模块将中央处理单元传来的数据通过天线发出。
如图3所示，无线数据采集单元4和主控计算机6的网络通信问题采用Socket应用编程接口，建立WinSock描述字Socket，完成网络底层沟通，利用TCP/IP协议在无线网络上建立数据通信，接收到的数据实时存入数据库中。
如图1所示，整体无线监控网络建立方案是利用无线路由器5、主控计算机6及从计算机构,7，是一个基于服务器的数据采集模式，通过无线网络将数据统一采集到远程主控计算机6(服务器)，利用主控计算机6的强大的资源和数据处理能力对整个焊接自动化生产线进行数据存储、处理，可建立焊接专家系统软件来分析和评价焊接质量，并设计智能算法对未来时刻焊接质量进行预测。为了实现众多从计算机7能实时远程无线查看焊接过程数据，采用无线路由器5来进行网络的协调和控制，无线路由器5的主要设置包括无线网络的名称、加密方式和密钥、设置路由器的IP地址、自动分配客户端IP地址功能及IP地址范围。另外主控计算机6还需要设置它的IP地址，从而把主控计算机6加入到无线网络中，建立主控服务器。当从计算机进入到无线网络信号范围内，无线路由器5会自动分配一个IP地址给从计算机7，同时通过无线路由器5连接到主控计算机6(服务器)，实现和从计算机(客户端)的通信。
如图1所示，在主控计算机6上运行开发的焊接监控系统服务器端集成软件及焊接监控系统WEB端集成软件。焊接监控系统服务器端集成软件实时存入SQLServer数据库的信息包括：焊接工位信息、焊接机器人末端的焊枪姿态信息、焊接机器人末端的焊枪位置信息、焊接电流信息、焊接电压信息、焊接熔池熔宽信息、焊接熔池熔长信息、焊接电压电流是否超限报警信息和焊接质量结果信息。焊接监控系统WEB端集成软件系统从SQL Server数据库读取信息并开启网络服务，无线局域网内的从计算机7可通过输入主控计算机6服务器开放的网址访问监控数据信息。
Claims (10)
1.一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，其特征在于，包括：
机器人控制柜(1)，用于向机器人发出行走及焊接指令，并将机器人焊枪实时位姿信息和焊接起弧信号发送给主控计算机(6)；
焊接视觉传感单元(2)，用于机器人焊接动态过程的熔池图像实时采集；
焊接电流电压传感单元(3)，用于机器人焊接动态过程的焊接电流电压实时采集和传输；
无线数据采集单元(4)，分别与焊接视觉传感单元(2)和焊接电流电压传感单元(3)连接，用于传输熔池图像信号和焊接电流电压信号；
无线路由器(5)，用于搭建无线监控局域网；
带有无线网卡的主控计算机(6)，与无线数据采集单元(4)连接，所述的主控计算机(6)内安装有服务器端集成软件和WEB端集成软件；
带有无线网卡的从计算机(7)，通过无线监控局域网访问主控计算机(6)中的焊接实时监控信息；
脉冲MAG焊接电源(8)，包括焊接状态检测端口、焊接电流及送丝控制端口，用于将焊接起弧信号发送给机器人控制柜(1)，并接受主控计算机(6)通过机器人控制柜(1)发出的电流控制信号和送丝控制端口的电压值调整信号。
2.根据权利要求1所述的一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，其特征在于，所述的焊接视觉传感单元(2)包括CCD镜头、透光范围为630～680nm的窄带滤光镜片和透光率为20％和50％的组合减光镜片，其中透过率为20％的减光镜片置于靠近弧光一侧，透过率为50％的减光镜片置于靠近CCD镜头一侧，窄带滤光镜片位于组合减光镜片中间。
3.根据权利要求2所述的一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，其特征在于，所述的窄带滤光镜片和减光镜片的直径为35mm。
4.根据权利要求1所述的一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，其特征在于，所述的焊接电流电压传感单元(3)包括霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、模拟电路放大电路、模拟滤波电路和供电模块，焊接过程中的大电流大电压信号经过电磁感应转换为0-5V的电压及对应电流，经过模拟电路放大电路和模拟滤波电路后由接线端子输出给无线数据采集单元(4)的模拟输入口。
5.根据权利要求1所述的一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，其特征在于，所述的服务器端集成软件包括焊接熔池图像信息的采集模块、焊接熔池图像信息的处理模块、基于TCP/IP协议的焊接电压电流信息采集模块、焊接电压电流信息特征提取模块、机器人信息读写模块和焊接信息实时存储数据库模块；所述的WEB端集成软件包括前端界面单元、后端功能单元和数据库系统单元，前端界面单元包括登录界面、登录人员管理界面、工作站实时监控界面和历史查询界面，WEB端集成软件系统将实时采集的焊接信息从焊接信息实时存储数据库模块中读出并显示。
6.根据权利要求5所述的一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，其特征在于，所述的服务器端集成软件的数据处理分析采用多线程，主线程为数据实时存储、显示和参数设置，子线程包括焊接熔池图像采集、焊接熔池图像处理、无线读取电压电流信息和机器人信息的读写。
7.根据权利要求5所述的一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，其特征在于，所述的WEB端集成软件的后端功能单元采用Python Flask框架开发，框架依赖于Jinja2模板引擎和Werkzeug WSGI工具集两个外部库。
8.根据权利要求5所述的一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，其特征在于，所述的服务器端集成软件中的焊接信息实时存储数据库模块具有以下功能：将焊接动态过程的实时监控信息以及焊接质量结果信息实时存入SQL Server数据库。
9.根据权利要求8所述的一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，其特征在于，所述的服务器端集成软件实时存入SQL Server数据库的信息包括：焊接工位信息、焊接机器人末端的焊枪姿态信息、焊接机器人末端的焊枪位置信息、焊接电流信息、焊接电压信息、焊接熔池熔宽信息、焊接熔池熔长信息、焊接电压电流是否超限报警信息和焊接质量结果信息。
10.根据权利要求8所述的一种机器人焊接过程多信息采集监控系统，其特征在于，所述的WEB端集成软件从SQL Server数据库读取信息并开启网络服务，无线局域网内的从计算机(7)通过输入主控计算机(6)服务器开放的网址访问监控数据信息。
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