CN109732178B - 一种焊接机器人系统数据采集和运动控制部分的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种焊接机器人系统数据采集和运动控制部分的设计方法，其中：工业控制计算机分别与图像采集卡和运动控制卡通过PC104总线相连，图像采集卡与视觉传感器通过信号线电性连接，运动控制卡与步进电机驱动器通过信号线电性连接，步进电机驱动器与步进电机通过信号线电性连接，旋转电弧传感器、超声波传感器、五个光电开关、四个防跌落开关、继电器的控制端分别与数据采集卡电性连接。本装置的优点在于：利用设计的数据采集系统，基于多传感信息融合技术识别出焊缝的准确位姿；利用设计的运动控制系统，控制机器人各关节协调运动，实现焊缝的跟踪焊接，有利于焊接自动化的实现，提高焊接的质量和效率。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种焊接机器人系统数据采集和运动控制部分的设计方法。
背景技术
焊接时的工作环境非常恶劣，许多传感器不能正常工作，目前，焊接的自动化程度还不高，主要是焊接机器人系统的数据采集系统不能可靠地识别出焊枪相对于焊缝的位姿，没有合理使用多传感信息融合技术，机器人系统对工厂恶劣环境的适应能力不强，因此，设计出一种焊接机器人系统数据采集部分，基于多传感信息融合技术实现焊缝位姿的准确识别，进而设计出一种运动控制部分，根据偏差信息，控制机器人各关节协调运动，最终可实现焊缝的精确跟踪，有利于提高焊接的质量和效率，降低焊接成本。
发明内容
(一)解决的技术问题
本发明的目的是克服现有技术的不足，本发明提供了一种焊接机器人系统数据采集和运动控制部分的设计方法，以实现焊缝位姿信息的采集及机器人各关节的协调运动，为复杂焊缝跟踪焊接奠定了基础，有利于减少焊接成本，提高焊接的质量和效率。
(二)技术方案
一种焊接机器人系统数据采集和运动控制部分的设计方法，包括步进电机、步进电机驱动器、图像采集卡、运动控制卡、工业控制计算机、数据采集卡、旋转电弧传感器、超声波传感器、光电开关1、光电开关2、光电开关3、光电开关4、光电开关5、四输入单输出的与门、防跌落开关1、防跌落开关2、防跌落开关3、防跌落开关4、继电器、旋转电弧传感焊枪、竖直钢板、角焊缝、水平钢板、焊接电源、视觉传感器、左轮、万向轮、机器人底盘、右轮、垂直滑块、水平滑块、霍尔传感器；其中：机器人底盘底部两侧分别固定设置有左轮和右轮，机器人底盘底部一侧固定设置有万向轮，机器人底盘一侧边设置有超声波传感器，机器人底盘四个角分别设置有防跌落开关1、防跌落开关2、防跌落开关3和防跌落开关4，机器人底盘中部固定设置有竖杆，竖杆上部设置有光电开关4，竖杆下部设置有光电开关5，竖杆外部套有垂直滑块，垂直滑块一侧水平固定连接横杆，横杆一侧设置有光电开关1，横杆另一侧设置有光电开关3，横杆中部设置有光电开关2，横杆表面套有水平滑块，水平滑块与旋转电弧传感焊枪固定连接，旋转电弧传感焊枪与继电器和数据采集卡电性连接，旋转电弧传感焊枪与焊接电源电性连接构成焊接系统，水平钢板与竖直钢板相交形成焊缝，数据采集卡与工业控制计算机通过PC104总线相连，工业控制计算机分别与图像采集卡和运动控制卡通过PC104总线相连，图像采集卡与视觉传感器通过信号线电性连接，步进电机与步进电机驱动器通过信号线电性连接，运动控制卡与步进电机驱动器通过信号线电性连接，旋转电弧传感器与数据采集卡电性连接，数据采集卡与机器人四角的四个防跌落开关通过四输入单输出的与门电性连接。
一种焊接机器人系统数据采集和运动控制部分的设计方法，其中：数据采集卡的DI1至DI5接口分别与五个光电开关电性连接。
一种焊接机器人系统数据采集和运动控制部分的设计方法，其特征在于：数据采集卡的DI6接口与四个防跌落开关通过四输入单输出的与门电性连接。
一种焊接机器人系统数据采集和运动控制部分的设计方法，其特征在于：数据采集卡DO3接口与继电器电性连接。
本发明所述一种焊接机器人系统数据采集和运动控制部分的设计方法，其工作原理如下：旋转电弧传感器采集焊接电流，并传送给数据采集卡的模拟信号输入端AI0，超声波传感器测量机器人前端与前方障碍物的距离，通过模拟量输入端AI1传送给数据采集卡。五个光电开关分别测量水平滑块和垂直滑块的位置，通过数字量输入端口将滑块的位置信息传送给数据采集卡。四个防跌落传感器分别安装在机器人的左前方、右前方、右后方和左后方，用于识别机器人底部的状态，通过一个四输入单输出的与门，将采集到的防跌落信号通过数字信号输入端DI6传送给数据采集卡。数据采集卡将采集到的各种信号通过PC104总线，传送给工业控制计算机。同时，图像采集卡通过视觉传感器采集焊缝图像，并将采集到的焊缝图像传送给工业控制计算机，工业控制计算机对所有的传感信号进行处理和分析，得出机器人当前的位姿，并与理论位姿相比较，计算出位姿偏差，通过运动控制卡和步进电机驱动器，控制步进电机转动，使机器人各关节协调运动，减小或消除位姿偏差。当按下起弧键后，工业控制计算机通过数据采集卡的数字信号输出端DO3输出高电平，继电器导通，使焊接电源接入焊接系统中，点燃电弧，开始焊接。当按下停止焊接按钮后，数字信号输出端DO3输出低电平，使继电器断开，进而使焊接电源不接入焊接系统，熄灭电弧，停止焊接。
(三)有益效果
本发明的优点在于：可以基于多传感信息采集系统实现焊缝位姿信息的采集及焊接机器人工作状态的检测，分析出焊接偏差，利用设计的运动控制系统，控制机器人各关节协调运动，实现焊缝的跟踪焊接，有利于焊接自动化的实现，提高焊接的质量和效率。
附图说明
图1为本发明所述一种焊接机器人的示意图。
图2为本发明所述数据采集系统和运动控制系统的示意图。
图3为本发明所述焊缝跟踪焊接的流程图。
图4为本发明所述旋转电弧传感器采集到的焊接电流经过滤波后的波形图。
图5为本发明所述视觉传感器采集到的膜式壁焊缝图像。
附图标记：1步进电机、2步进电机驱动器、3图像采集卡、4运动控制卡、5工业控制计算机、6数据采集卡、7旋转电弧传感器、8超声波传感器、9光电开关1、10光电开关2、11光电开关3、12光电开关4、13光电开关5、14四输入单输出的与门、15防跌落开关1、16防跌落开关2、17防跌落开关3、18防跌落开关4、19继电器、20旋转电弧传感焊枪、21竖直钢板、22角焊缝、23水平钢板、24焊接电源、25视觉传感器、26左轮、27万向轮、28机器人底盘、29右轮、30垂直滑块、31水平滑块、32霍尔传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明所述一种焊接机器人的示意图，使用旋转电弧传感器7采集焊接电流，视觉传感器25采集焊缝图像，超声波传感器8采集机器人前端离障碍物的距离，光电开关测量水平滑块31和垂直滑块30的位置，利用防跌落传感器测量机器人底部的状态，对这些传感信号进行处理和分析，得到机器人的位姿和工作状态。通过机器人两轮、水平滑块31、垂直滑块30和焊枪转动关节协调运动，使焊接点处的轨迹、焊枪的位姿、焊接速度满足约束条件，最终基于多传感信息融合技术实现多关节自主移动机器人对复杂焊缝的自主跟踪焊接。
图2为本发明所述数据采集系统和运动控制系统的示意图，旋转电弧传感器7采集焊接电流，并传送给数据采集卡6的模拟信号输入端AI0，超声波传感器8测量机器人前端与前方障碍物的距离，通过模拟量输入端AI1传送给数据采集卡6。五个光电开关分别测量水平滑块31和垂直滑块30的位置，通过数字量输入端口将滑块的位置信息传送给数据采集卡6。四个防跌落传感器分别安装在机器人的左前方、右前方、右后方和左后方，用于识别机器人底部的状态，通过一个四输入单输出的与门14，将采集到的防跌落信号通过数字信号输入端DI6传送给数据采集卡6。数据采集卡6将采集到的各种信号通过PC104总线，传送给工业控制计算机5。同时，图像采集卡3通过视觉传感器25采集焊缝图像，并将采集到的焊缝图像传送给工业控制计算机5，工业控制计算机5对所有的传感信号进行处理和分析，得出机器人当前的位姿，并与理论位姿相比较，计算出位姿偏差，通过运动控制卡4和步进电机驱动器2，控制步进电机1转动，使机器人各关节协调运动，减小或消除位姿偏差。当按下起弧键后，工业控制计算机5通过数据采集卡6的数字信号输出端DO3输出高电平，继电器19导通，使焊接电源24接入焊接系统中，点燃电弧，开始焊接。当按下停止焊接按钮后，数字信号输出端DO3输出低电平，使继电器19断开，进而使焊接电源24不接入焊接系统，熄灭电弧，停止焊接。
图3为本发明所述焊缝跟踪焊接的流程图，对参数进行初始化，使初始位置标志k赋值0。利用超声波传感器8测量机器人前端与前方障碍物的距离，避开障碍物。利用安装在不同位置上的五个光电开关，测量出水平滑块31和垂直滑块30当前的位置，防止滑块运动超过极限位置，损坏电机。利用安装在机器人四个角上的防跌落开关，探测机器人底部的状态，防止机器人跌落摔坏。判断是否找到焊枪初始位置，如果未找到，利用视觉传感器25采集焊缝图像，对焊缝图像进行处理、分析，识别出焊枪的初始位置，控制机器人各关节运动，并再次通过各传感器采集反映机器人位姿的各种信号。判断是否为焊枪初始位置，如果是初始位置，或初始位置标志k的值等于1时，点燃电弧，利用霍尔传感器32采集焊接电流，对采样电流进行滤波、偏差识别，识别出焊枪相对于焊缝的偏差，并使初始位置标志k赋值1。工业控制计算机5通过运动控制卡4、步进电机驱动器2，控制步进电机1运动，使机器人各关节协调运动，消除焊枪相对于焊缝的偏差。判断是否到达焊接结束点，如果未到达焊接终点，采集焊缝图像，对焊缝图像进行处理、分析，判断是否为焊接结束点，返回参数初始化的下一步处开始执行；如果是焊接终点，则停止焊接，使初始位置标志k赋值0，并结束程序。
图4为本发明所述旋转电弧传感器7采集到的焊接电流经过滤波后的波形图，电弧转动一圈，等间隔采集64个焊接电流，当电弧转动至点D1时，电弧长度最短，对应滤波后的焊接电流最大，其值为61.5A；当电弧依次转到点E时，对应第16个采样点，电弧长度依次变长，焊接电流依次变小；当电弧从点E转到点F时，电弧长度依次变长，点F对应第32个采样点，此时，电弧长度为最长，对应滤波后的焊接电流最小，为34.1A。同理，当电弧从点F依次转动至点G和点D2，电弧长度依次变短，焊接电流变大。图4中点D1和点D2是旋转电弧传感焊枪在点D处不同时刻的两个采样点，当电弧回到点D时，此时滤波后的焊接电流为61.7A。半圆弧GDE对应的焊接电流之和大于半圆弧EFG对应的焊接电流之和，此时，沿着焊接方向，焊枪向左偏离焊缝，电流之和的差值越大，偏差的绝对值也越大，实现焊接偏差的识别。
图5为本发明所述视觉传感器25采集到的膜式壁焊缝图像，通过阈值分割、边缘提取、中心取样、直线拟合和曲线拟合，最终求出焊接点在图像坐标系中的坐标，通过坐标变换，最终可实现在机器人坐标系下焊缝位姿的识别。
利用本发明所述的一种焊接机器人系统数据采集和运动控制部分的设计方法，可以基于多传感信息采集系统实现焊缝位姿信息的采集及焊接机器人工作状态的检测，分析出焊接偏差，利用设计的运动控制系统，控制机器人各关节协调运动，实现焊缝的跟踪焊接，有利于焊接自动化的实现，提高焊接的质量和效率，降低焊接成本，降低工人的劳动强度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种焊接机器人系统数据采集和运动控制部分的设计方法，包括步进电机(1)、步进电机驱动器(2)、图像采集卡(3)、运动控制卡(4)、工业控制计算机(5)、数据采集卡(6)、旋转电弧传感器(7)、超声波传感器(8)、光电开关1(9)、光电开关2(10)、光电开关3(11)、光电开关4(12)、光电开关5(13)、四输入单输出的与门 (14)、防跌落开关1(15)、防跌落开关2(16)、防跌落开关3(17)、防跌落开关4(18)、继电器(19)、旋转电弧传感焊枪(20)、竖直钢板(21)、角焊缝(22)、水平钢板(23)、焊接电源(24)、视觉传感器(25)、左轮(26)、万向轮(27)、机器人底盘(28)、右轮(29)、垂直滑块(30)、水平滑块(31)、霍尔传感器(32)；其特征在于：机器人底盘(28)底部两侧分别固定设置有左轮(26)和右轮(29)，机器人底盘(28)底部一侧固定设置有万向轮(27)，机器人底盘(28)一侧边设置有超声波传感器(8)，机器人底盘(28)四个角分别设置有防跌落开关1(15)、防跌落开关2(16)、防跌落开关3(17)和防跌落开关4(18)，机器人底盘(28)中部固定设置有竖杆，竖杆上部设置有光电开关4(12)，竖杆下部设置有光电开关5(13)，竖杆外部套有垂直滑块(30)，垂直滑块(30)一侧水平固定连接横杆，横杆一侧设置有光电开关1(9)，横杆另一侧设置有光电开关3(11)，横杆中部设置有光电开关2(10)，横杆表面套有水平滑块(31)，水平滑块(31)与旋转电弧传感焊枪(20)固定连接，旋转电弧传感焊枪(20)与继电器(19)和数据采集卡(6)电性连接，旋转电弧传感焊枪(20)与焊接电源(24)电性连接构成焊接系统，水平钢板(23)与竖直钢板(21)相交形成焊缝(22)，数据采集卡(6)与工业控制计算机(5)通过PC104总线相连，工业控制计算机(5)分别与图像采集卡(3)和运动控制卡(4)通过PC104总线相连，图像采集卡(3)与视觉传感器(25)通过信号线电性连接，步进电机(1)与步进电机驱动器(2)通过信号线电性连接，运动控制卡(4)与步进电机驱动器(2)通过信号线电性连接，旋转电弧传感器(7)与数据采集卡(6)电性连接，数据采集卡(6)与机器人四角的四个防跌落开关通过四输入单输出的与门(14)电性连接；
其中，所述视觉传感器（25）采集到的膜式壁焊缝图像，通过阈值分割、边缘提取、中心取样、直线拟合和曲线拟合，最终求出焊接点在图像坐标系中的坐标，通过坐标变换，实现在机器人坐标系下焊缝位姿的识别；
所述旋转电弧传感器（7）采集到的焊接电流经过滤波后的波形图，电弧转动一圈，等间隔采集64个焊接电流，当电弧转动至点D1时，电弧长度最短，对应滤波后的焊接电流最大；当电弧依次转到点E时，对应第16个采样点，电弧长度依次变长，焊接电流依次变小；当电弧从点E转到点F时，电弧长度依次变长，点F对应第32个采样点，此时，电弧长度为最长，对应滤波后的焊接电流最小，同理，当电弧从点F依次转动至点G和点D2，电弧长度依次变短，焊接电流变大，点D1和点D2是旋转电弧传感焊枪在点D处不同时刻的两个采样点，当电弧回到点D时，此时滤波后的焊接电流为61 .7A，半圆弧GDE对应的焊接电流之和大于半圆弧EFG对应的焊接电流之和，此时，沿着焊接方向，焊枪向左偏离焊缝，电流之和的差值越大，偏差的绝对值也越大，实现焊接偏差的识别；
通过视觉传感器（25）采集焊缝图像，对焊缝图像进行处理、分析，识别出焊枪的初始位置，控制机器人各关节运动，并再次通过各传感器采集反映机器人位姿的各种信号判断是否为焊枪初始位置，如果是初始位置，或初始位置标志k的值等于1时，点燃电弧，利用霍尔传感器（32）采集焊接电流，对采样电流进行滤波、偏差识别，识别出焊枪相对于焊缝的偏差，并使初始位置标志k赋值1，工业控制计算机（5）通过运动控制卡（4）、步进电机驱动器（2），控制步进电机（1）运动，使机器人各关节协调运动，消除焊枪相对于焊缝的偏差，判断是否到达焊接结束点，如果未到达焊接终点，采集焊缝图像，对焊缝图像进行处理、分析，判断是否为焊接结束点，返回参数初始化的下一步处开始执行；如果是焊接终点，则停止焊接，使初始位置标志k赋值0，并结束程序。
2.根据权利要求1所述的一种焊接机器人系统数据采集和运动控制部分的设计方法，其特征在于：数据采集卡(6)的DI1至DI5接口分别与五个光电开关电性连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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