CN109865919A - 一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，它包括底座、三轴直角运动模组、数字焊机、控制柜、上位机、送丝机、焊枪、线激光视觉传感器，防撞装置，底座安装在三轴直角运动模组的X轴上，三轴直角运动模组的Zw轴上安装有焊枪，Zc轴上设置有线激光视觉传感器，数字焊机设置在三轴直角运动模组一侧的地面上，底座上设置有控制柜、上位机、送丝机，上位机通过数据线和电源线分别连接线激光视觉传感器和控制柜，控制柜通过数据线和电源线分别连接三轴直角运动模组、数字焊机、送丝机，数字焊机通过电源线连接焊枪。本发明能控制焊枪自动跟踪焊缝实施焊接，实现自动“跳枪”收弧，自动化、智能化焊接。

Description

一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统

技术领域

本发明涉及工业焊接领域，尤其涉及一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统。

背景技术

焊接机器人在许多工业领域都有非常重要的应用，可以在恶劣的工作环境中使用，具有焊接质量稳定、成型美观、工作效率高等优点。然而，传统的焊接机器人都是使用“示教器”，通过操作机器人末端焊枪尖到达焊缝上一个个的示教点，然后编程定义各个示教点之间的运动方式，保存程序之后，机器人按照提前编好的程序运动，完成焊接。这种示教的方式在面对形状不规则或定位误差大的焊接物时，就需要每次提前进行示教，工作量大、耗时长、效率低，且很难保证焊接质量；面对焊接过程中焊缝位置和宽度发生变化的情况则无法工作。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，实现了焊接的自动化、智能化。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。

一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，它包括底座、三轴直角运动模组、数字焊机、控制柜、上位机、送丝机、焊枪、线激光视觉传感器，防撞装置，所述底座安装在三轴直角运动模组的X轴上，所述三轴直角运动模组的Yc轴、Yw轴相互平行的安装在底座上且与X轴垂直，所述三轴直角运动模组的Zc轴、Zw轴分别安装在Yc轴、Yw轴的顶端且与水平面垂直，所述Zw轴上安装有焊枪，所述Zc轴上设置有线激光视觉传感器，所述数字焊机设置在三轴直角运动模组一侧的地面上，所述底座上设置有控制柜、上位机、送丝机，所述上位机通过数据线和电源线分别连接线激光视觉传感器和控制柜，所述控制柜通过数据线和电源线分别连接三轴直角运动模组、数字焊机、送丝机，所述数字焊机通过电源线连接焊枪。

进一步的，所述线激光视觉传感器包括线激光发生器、工业相机、滤光片、安装底座和外壳，所述安装底座安装在Zc轴上，所述外壳安装在安装底座上，激光发生器、工业相机安装在外壳的内部，所述滤光片安装在工业相机上。

进一步的，所述焊枪与Zw轴之间设置有防撞装置。

进一步的，所述所述防撞装置包括正向防撞板、反向防撞板、第一接近开关、第二接近开关、防尘罩、旋转盘、锁紧手轮，所述正向防撞板垂直的安装在反向防撞板的侧边，所述锁紧手轮将焊枪安装在正向防撞板上，所述正向防撞板靠近焊枪的焊接端的一侧设置有第一接近开关，所述第一接近开关上设置有防尘罩，所述第二接近开关设置在反向防撞板上且与正向防撞板的位置相对，所述旋转盘安装在正向防撞板、反向防撞板之间且分别与正向防撞板、反向防撞板相互垂直，所述旋转盘通过螺栓安装在Z轴上，所述第一接近开关、第二接近开关通过数据线和电源线连接上位机。

进一步的，所述三轴直角运动模组的Yc轴、Yw轴、Zc轴、Zw轴的单轴长度范围为100-500mm且承重大于或等于30公斤，所述X轴长度范围为1-20m且承重大于或等于100公斤，所述三轴直角运动模组的X轴、Yc轴、Yw轴、Zc轴、Zw轴的运行速度为0-500mm/s。

进一步的，所述送丝机为1.2mm或1.6mm双压式送丝机。

进一步的，所述线激光发生器为半导体激光器，所述线激光发生器输出光束的波长为0.36-1微米，输出光束为扇形，输出光斑为直线，输出光功率大于或等于5mW。

进一步的，所述工业相机的分辨率大于或等于640x480像素，帧率大于或等于30帧/秒。

本发明能实时测量出焊缝的空间位置及宽度，并控制焊枪自动跟踪焊缝实施焊接，当焊缝宽度大于机器人能焊接的宽度时，实现自动“跳枪”收弧，由人工进行补焊，实现自动化、智能化焊接。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的焊缝位置示意图；

图3为本发明的焊接时焊缝位置示意图；

图4为本发明的焊缝位置三维坐标示意图；

图5为本发明的焊枪尖与焊缝位置三维示意图；

图6为本发明的三轴直角运动模组的结构示意图；

图7为本发明的防撞装置的结构示意图；

图中：1、底座；2、三轴直角运动模组；3、数字焊机；4、控制柜；5、上位机；6、送丝机；7、焊枪；8、线激光视觉传感器；21、X轴；22、Yc轴；23、Yw轴；24、Zc轴；25、Zw轴；81、激光发生器；82、工业相机；83、滤光片；84、安装底座；85、外壳；9、防撞装置；91、正向防撞板；92、反向防撞板；93、第一接近开关；94、第二接近开关；95、防尘罩；96、旋转盘；97、锁紧手轮。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不局限于说明书上的内容。

如图所示：一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，它包括底座1、三轴直角运动模组2、数字焊机3、控制柜4、上位机5、送丝机6、焊枪7、线激光视觉传感器8、防撞装置9。

底座1可滑动的安装在三轴直角运动模组2的X轴21上，三轴直角运动模组2的两个Y轴(Yc轴22、Yw轴23)相互平行的安装在底座1上且与X轴21垂直，两个Y轴位于底座1的两侧，三轴直角运动模组2的两个Z轴(Zc轴24和Zw轴25)分别安装在对应的Yc轴22和Yw轴23的顶端且与水平面垂直，Zw轴上安装有焊枪7，Zc轴上设置有线激光视觉传感器8，数字焊机3安放在地面上，底座1上设置有控制柜4、上位机5、送丝机6。上位机5通过数据线和电源线分别连接线激光视觉传感器8和控制柜4，控制柜4通过数据线和电源线分别连接三轴直角运动模组2、数字焊机3、送丝机6、防撞装置9，数字焊机3通过电源线连接焊枪7。

三轴直角运动模组2为现有的直角坐标机器人，基于空间XYZ直角坐标系编程、有三轴及以上自由度，能够实现自动控制、可重复编程反复应用，适合不同任务的自动化设备。Y、Z单轴长度范围在100-500mm内可选，X轴长度范围在1-20m内可选，速度范围0-500mm/s，Y、Z轴承重不小于30公斤，X轴承重不小于100公斤。

数字焊机3为现有技术，能够通过编程控制焊接,例如松下数字焊机YD-500GR或同类其他焊机。

控制柜4为本系统的控制设备，为现有技术的系统总控制单元，分别连接三轴直角运动模组2、数字焊机3、送丝机6、防撞装置9，具有多机联动控制、引导控制三轴直角运动模组带动焊枪运动、系统开/关机、显示、急停功能。

上位机5是指可以直接发出操控命令的计算机，为现有技术，通过数据线和电源线连接线激光视觉传感器8，可处理线激光视觉传感器8的图像信息，得到焊缝坐标、存储并发送指令给控制柜4，以便控制本系统的各设备。

送丝机6为现有设备，为1.2mm或1.6mm双压式送丝机，可为焊接设备提供各种焊接料。

焊枪7连接数字焊机3，受数字焊机3控制、工作。焊枪7与Zw轴之间设置有防撞装置9,在出现碰撞时，触发断电信号，使三轴直角运动模组2停止运动、焊枪7停止焊接。

防撞装置9包括正向防撞板91、反向防撞板92、第一接近开关93、第二接近开关94、防尘罩95、旋转盘96、锁紧手轮97，正向防撞板91垂直的安装在反向防撞板92的侧边，焊枪7通过锁紧手轮97安装在正向防撞板91上，正向防撞板91靠近焊枪7的枪头(焊接端)的一侧设置有第一接近开关93，第一接近开关93上设置有防尘罩95，第二接近开关94设置在反向防撞板92上，且与正向防撞板91相对。旋转盘96安装在正向防撞板91、反向防撞板92之间且与正向防撞板91、反向防撞板92相互垂直，其通过螺栓安装在Zw轴上，可以通过旋转旋转盘96人工控制焊枪7的焊接点位。第一接近开关93、第二接近开关94通过数据线和电源线连接上位机5。

实际使用时，通过锁紧手轮将焊枪固定在防撞装置上，转动旋转盘调整好焊枪的焊接点位，防撞装置对外部左右两侧的外力做出响应，焊枪受双向任一外力时，正/反向防撞板上的接近开关给出信号触发系统停止焊接，人工处理完后手动恢复机构位置，恢复焊接。

线激光视觉传感器8包括线激光发生器81、工业相机82、滤光片83、安装底座84和外壳85，线激光发生器81和工业相机82之间存在一定的夹角，安装底座84安装在Zc轴上，外壳85安装在安装底座84上，激光发生器81、工业相机82安装在外壳85的内部，滤光片83安装在工业相机82上。激光发生器81、工业相机82通过数据线和电源线连接上位机5，激光发生器81可发出激光照射在将要焊接的区域，工业相机82采集激光光斑图像，经由上位机5计算得到焊缝与焊枪7之间的距离，工业相机82可以实时获取焊缝的图像，并传输至上位机5，便于上位机5处理。

线激光发生器81为半导体激光器，激光器输出波长范围在0.36-1微米内可选，输出扇形光束，光斑为直线状，输出光功率不小于5mW；工业相机82为工业CMOS相机，分辨率不低于640x480像素，帧率不低于30帧/秒，光谱响应波段覆盖所选的激光器输出波长。

本发明的使用原理：

上位机给三轴直角运动模组的运动系统发送命令，X轴开始运动，线激光视觉传感器将扫描的焊缝图像发送给上位机，上位机通过图像处理，提取出线激光的成像区域；由于线激光成像截面上的光强度服从高斯分布：

其中：μ为数学期望，σ为均方差。

高斯曲线上光强度最高的点即为激光中心点，因此利用激光截面上的点的灰度值，拟合得到高斯二次曲线，计算得到高斯二次曲线的最大值点即为激光线的中心点，该中心点位置精度可达到亚像素级别。

对计算得到的激光中心点云按照直线度进行分割，分割之后拟合直线方程，由于焊接过程中会有焊渣飞溅干扰激光成像，会有一部分离群值，所以采用改进后的最小二乘法直线拟合算法：

其中w_i为权重。

两条直线方程求交点，即可得到焊缝的位置，如图2所示，十字交叉处即为焊缝位置。

如图3：焊接物定位不准时，焊缝就会出现缝隙，受焊接工艺的限制，当焊缝宽度大于某一阈值后，焊接效果将会达不到要求，因此要测量出焊缝的宽度，上位机根据预先设定的阈值控制运动系统进行自动“跳枪”收弧。焊缝的宽度即为图中十字交叉点(焊缝位置)到相邻直线端点的距离。

线激光视觉传感器需要提前标定好三角数学模型，将标定参数传入到上位机中，上位机根据之前计算的焊缝位置的像素值，计算得到焊缝基于线激光视觉传感器的三维坐标和焊缝宽度的物理距离。

三轴直角运动系统的坐标是基于工具坐标系的，因此需要计算得到线激光视觉传感器的世界坐标系和工具坐标系的转换关系，即“手眼标定”。如图4：计算、保存当前图像中的焊缝点三维坐标，并在焊接物上做标记，控制运动系统移动焊枪尖到达标记的位置处，如图5，保存当前焊枪尖所在的工具坐标系中的坐标，结合焊缝点的三维坐标，即可计算出世界坐标系到工具坐标的转换关系，即“手眼标定”矩阵。

上位机结合“手眼标定”矩阵，将世界坐标的焊缝三维点和焊缝宽度转换到工具坐标，发送到运动系统，运动系统通过直线插补的方式连接各个坐标点，控制焊枪运动焊接，并根据焊缝宽度，自动“跳枪”收弧，实现自动化、智能化焊接。

上述线激光视觉传感器标定只需要在第一次组装线激光发生器和工业相机的时候进行，在后续使用中只要线激光发生器和工业相机位置没有改变，就不需要再次标定；上述“手眼标定”只需要第一次安装线激光视觉传感器和焊枪时进行标定，在后续的使用中只要线激光视觉传感器和焊枪位置没有改变，就不需要再次标定。

本发明的一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，不但能够解决现在示教焊接机器人存在的不足，还能实时测量出焊缝的宽度，当焊缝宽度大于机器人能焊接的宽度时，实现自动“跳枪”收弧，由下道工序人工进行补焊，实现自动化、智能化焊接。

显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，其特征在于：它包括底座(1)、三轴直角运动模组(2)、数字焊机(3)、控制柜(4)、上位机(5)、送丝机(6)、焊枪(7)、线激光视觉传感器(8)，防撞装置(9)，所述底座(1)安装在三轴直角运动模组(2)的X轴(21)上，所述三轴直角运动模组(2)的Yc轴(22)、Yw轴(23)相互平行的安装在底座(1)上且与X轴(21)垂直，所述三轴直角运动模组(2)的Zc轴(24)、Zw轴(25)分别安装在Yc轴(22)、Yw轴(23)的顶端且与水平面垂直，所述Zw轴(25)上安装有焊枪(7)，所述Zc轴(24)上设置有线激光视觉传感器(8)，所述数字焊机(3)设置在三轴直角运动模组(2)一侧的地面上，所述底座(1)上设置有控制柜(4)、上位机(5)、送丝机(6)，所述上位机(5)通过数据线和电源线分别连接线激光视觉传感器(8)和控制柜(4)，所述控制柜(4)通过数据线和电源线分别连接三轴直角运动模组(2)、数字焊机(3)、送丝机(6)，所述数字焊机(3)通过电源线连接焊枪(7)。

2.根据权利要求1所述的一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，其特征在于：所述线激光视觉传感器(8)包括线激光发生器(81)、工业相机(82)、滤光片(83)、安装底座(84)和外壳(85)，所述安装底座(84)安装在Zc轴(24)上，所述外壳(85)安装在安装底座(84)上，激光发生器(81)、工业相机(82)安装在外壳(85)的内部，所述滤光片(83)安装在工业相机(82)上。

3.根据权利要求1所述的一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，其特征在于：所述焊枪(7)与Zw轴(25)之间设置有防撞装置(9)。

4.根据权利要求3所述的一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，其特征在于：所述所述防撞装置(9)包括正向防撞板(91)、反向防撞板(92)、第一接近开关(93)、第二接近开关(94)、防尘罩(95)、旋转盘(96)、锁紧手轮(97)，所述正向防撞板(91)垂直的安装在反向防撞板(92)的侧边，所述锁紧手轮(97)将焊枪(7)安装在正向防撞板(91)上，所述正向防撞板(91)靠近焊枪(7)的焊接端的一侧设置有第一接近开关(93)，所述第一接近开关(93)上设置有防尘罩(95)，所述第二接近开关(94)设置在反向防撞板(92)上且与正向防撞板(91)的位置相对，所述旋转盘(96)安装在正向防撞板(91)、反向防撞板(92)之间且分别与正向防撞板(91)、反向防撞板(92)相互垂直，所述旋转盘(96)通过螺栓安装在Z轴上，所述第一接近开关(93)、第二接近开关(94)通过数据线和电源线连接上位机(5)。

5.根据权利要求1所述的一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，其特征在于：所述三轴直角运动模组(2)的Yc轴(22)、Yw轴(23)、Zc轴(24)、Zw轴(25)的单轴长度范围为100-500mm且承重大于或等于30公斤，所述X轴(21)长度范围为1-20m且承重大于或等于100公斤，所述三轴直角运动模组(2)的X轴(21)、Yc轴(22)、Yw轴(23)、Zc轴(24)、Zw轴(25)的运行速度为0-500mm/s。

6.根据权利要求1所述的一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，其特征在于：所述送丝机(6)为1.2mm或1.6mm双压式送丝机。

7.根据权利要求2所述的一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，其特征在于：所述线激光发生器(81)为半导体激光器，所述线激光发生器(81)输出光束的波长为0.36-1微米，输出光束为扇形，输出光斑为直线，输出光功率大于或等于5mW。

8.根据权利要求2所述的一种直角焊接机器人线激光实时焊缝追踪系统，其特征在于：所述工业相机(82)的分辨率大于或等于640x480像素，帧率大于或等于30帧/秒。