CN110340492B - 深波陡坡焊缝双激光视觉跟踪焊接装置和焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深波陡坡焊缝双激光视觉跟踪焊接装置和焊接方法。焊接装置包括视觉跟踪组件、焊接组件与控制器；视觉跟踪组件包括相机和两个激光头，两个激光头位于相机的两侧，激光头产生的结构光平面用于照射待焊接件的焊缝表面，相机采集焊缝的图像；控制器电连接视觉跟踪组件，控制器根据图像确定待焊接件的实际焊缝位置，控制器控制焊接组件的焊枪在实际焊缝位置焊接待焊接件。由此，当其中一个激光头的结构光平面被遮挡时，仍有另一个激光头的结构光平面照射焊缝表面，这样，视觉跟踪组件可无死角的扫描焊缝表面，当任意一个激光头的结构光平面被待焊件的结构遮挡时，无需调整激光头的角度，节省调整激光头的角度时间，提高焊接效率。

Description

深波陡坡焊缝双激光视觉跟踪焊接装置和焊接方法

技术领域

本发明总地涉及机器人领域，且更具体地涉及一种深波陡坡焊缝双激光视觉跟踪焊接装置和焊接方法。

背景技术

随着各种先进制造技术的蓬勃发展，焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。在自动化焊接技术中，引导和跟踪是实现自动化的关键。其中自动跟踪识别焊接系统的技术难点主要在于焊缝的识别和跟踪的技术，以及运动控制技术，把识别焊缝的路径转化成可控的轨迹，从而实现精确焊接。目前国内外较前沿的焊缝识别技术都是通过激光头和相机或CCD摄像机组成的视觉跟踪组件(例如视觉传感器)，利用三角测量原理实现对焊缝轨迹的有效采集，并获得焊缝宽度值，并利用控制技术和曲线平滑算法可对焊缝宽度值处理。

现今，一些集装箱采用深波陡坡(波纹板的坡深H尺寸大，波纹板坡口角度α的角度尺寸小)的波纹板。这样，在将波纹板焊接至集装箱的前墙板框架的型钢制成的顶横梁和底横梁上时，通过视觉跟踪组件采集波纹板和上述顶横梁之间的角焊缝时的图像时，或采集波纹板和底横梁之间的角焊缝时的图像时，视觉传感器的光发射器(激光头)发出的结构光平面可能被遮挡，此时需要调整激光头的姿态，进而改变激光头的角度，以使激光头发出的结构光平面可以照射焊缝表面。这样，需要增加调整激光头的姿态的动作，整个焊接时间增加，焊缝采集的精准性和可靠性低，焊接效率低。

因此，需要提供一种深波陡坡焊缝双激光视觉跟踪焊接装置和焊接方法，以至少部分地解决上面提到的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施例部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种深波陡坡焊缝双激光视觉跟踪焊接装置，包括：视觉跟踪组件，视觉跟踪组件包括相机和两个激光头，两个激光头位于相机的两侧，激光头产生的结构光平面用于照射待焊接件的焊缝表面，相机采集焊缝的图像；焊接组件，用于焊接待焊接件；控制器，控制器电连接视觉跟踪组件，控制器根据图像确定待焊接件的实际焊缝位置，控制器控制焊接组件的焊枪在实际焊缝位置焊接待焊接件；六轴机器人、六轴机器人和控制器电连接，六轴机器人和焊枪连接，控制器通过六轴机器人控制焊枪焊接待焊接件；直线马达，直线马达沿预设焊缝的延伸方向延伸，直线马达和六轴机器人连接，以驱动六轴机器人沿直线马达的延伸方向移动；其中，视觉跟踪组件设置在六轴机器人上，沿焊枪的焊接方向，视觉跟踪组件位于焊枪前方的预设距离处。

根据本发明的焊接装置，两个激光头设置在相机的两侧，这样从相机的两侧，两个激光头的结构光平面共同照射焊缝表面，当波纹板深波陡坡(波纹板的坡深H尺寸大，坡口角度α的角度尺寸小)，以使其中一个激光头的结构光平面被遮挡时，仍有另一个激光头的结构光平面照射焊缝表面，这样，视觉跟踪组件可无死角的扫描焊缝表面，当任意一个激光头的结构光平面被待焊件的结构遮挡时，无需调整激光头的角度，节省调整激光头的角度时间，提高焊接效率。

可选地，控制器根据图像确定实际焊缝的宽度，控制器根据实际焊缝的宽度控制焊枪焊接待焊接件。

可选地，控制器根据图像确定焊接起点，以控制焊枪从焊接起点沿实际焊缝焊接。

可选地，焊接装置用于焊接波纹板或瓦楞板。

可选地，波纹板或瓦楞板的坡口角度为20°至90°

本发明还提供了一种深波陡坡焊缝双激光视觉跟踪焊接方法，焊接方法用于控制前述的焊接装置，焊接方法包括：通过视觉跟踪组件获取图像；根据图像确定实际焊接位置；控制焊接组件在实际焊接位置焊接待焊接件。

根据本发明的焊接方法，焊接方法用于控制前述的焊接装置，两个激光头设置在相机的两侧，这样从相机的两侧，两个激光头的结构光平面共同照射焊缝表面，当波纹板深波陡坡(波纹板的坡深H尺寸大，坡口角度α的角度尺寸小)，以使其中一个激光头的结构光平面被遮挡时，仍有另一个激光头的结构光平面照射焊缝表面，这样，视觉跟踪组件可无死角的扫描焊缝表面，当任意一个激光头的结构光平面被待焊件的结构遮挡时，无需调整激光头的角度，节省调整激光头的角度时间，提高焊接效率。

可选地，在通过视觉跟踪组件获取图像的步骤之后，焊接方法还包括：

根据图像确定实际焊缝的宽度；

根据实际焊缝的宽度控制焊枪焊接待焊接件。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本发明。

图1为根据本发明的第一个优选实施方式的焊接装置的结构框图；

图2为图1的焊接装置的视觉跟踪组件扫描波纹板的示意图；以及

图3为图1的焊接装置的控制方法的原理图。

附图标记说明：

110：视觉跟踪组件 111：激光头

112：相机 120：焊接组件

130：控制器 140：六轴机器人

150：直线马达 160：波纹板

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供了一种深波陡坡焊缝双激光视觉跟踪焊接装置。焊接装置可以用于自动焊接波纹板160和瓦楞板，以及用于自动焊接大型罐箱的外环缝、纵缝、角焊缝等。例如将波纹板160焊接至集装箱的端墙框架。本实施方式以通过焊接装置将波纹板160焊接至端墙框架的顶横梁和底横梁为例进行说明。即待焊接的波纹板160和端墙框架的焊缝沿集装箱的横梁的宽度方向延伸。

本实施方式中，如图1所示，焊接装置包括翻转组件和控制器130。翻转组件用于夹持、翻转并定位待焊接波纹板160。翻转组件和控制器130电连接。这样控制器130可以通过控制翻转组件夹持待焊接的波纹板160，并将待焊接的波纹板160转动至预设角度(例如90°)，以方便焊接装置的焊接作业。

本实施方式中，焊接装置还包括直线马达150和六轴机器人140。直线马达150和六轴机器人140均电连接控制器130。直线马达150可以沿集装箱的横梁的延伸方向延伸。直线马达150和六轴机器人140连接。这样控制器130控制直线马达150的工作，以驱动六轴机器人140沿直线马达150的延伸方向移动。这样，直线马达150可以通过驱动六轴机器人140，进而驱动后文将详细描述的设置在六轴机器人140上的焊接组件120和视觉跟踪组件110沿集装箱的横梁的延伸方向移动，以实现焊接。

本实施方式中，焊接装置还包括焊接组件120。焊接组件120包括焊接电源和焊枪，焊接电源和焊枪连接以为焊枪提供电能。焊接电源和控制器130电连接，这样控制器130即可控制焊枪的焊接工作。焊枪设置在六轴机器人140的焊接臂上。控制器130控制六轴机器人140的焊接臂的动作，以驱动焊枪的移动，进而调整焊枪的焊接位置。这样，控制器130可以控制焊枪沿后文的焊缝实际位置焊接待焊接的波纹板160。

优选地，焊接组件120包括IGBT逆变焊机。焊接组件120配置有剪丝清枪装置。焊接电源为麦格米特智能焊接电源。六轴机器人140为ABB通用弧焊机器人。六轴机器人140的负载≥5KG。

本实施方式中，焊接组件120还包括用于向焊枪送丝的送丝机构、用于清理焊枪的清枪站，以及剪丝清枪装置等辅助设备。控制器130电连接送丝机构、用于清理焊枪的清枪站，以及剪丝清枪装置以控制其工作。

焊接装置还包括视觉跟踪组件110。视觉跟踪组件110和控制器130电连接。如图2所示，视觉跟踪组件110包括两个激光头111与相机112。激光头111产生的结构光平面照射到待焊接工件的焊缝表面(待焊接工件的焊缝所在的表面)，这样焊缝形成焊缝特征激光条纹。相机112采集焊接表面的图像，并将图像发送至控制器130。控制器130可以通过上述图像确定实际焊缝位置和实际焊缝的宽度。进而控制焊枪的焊接轨迹和焊接工艺参数，以提高焊接质量和效率。在未给出的实施方式中，视觉跟踪组件110包括两个激光头111与CCD摄像机。

本实施方式中，两个激光头111设置在相机112的两侧。两个激光头111发射端朝向相机112的方向倾斜。这样从相机112的两侧，两个激光头111的结构光平面共同照射焊缝表面。当波纹板160深波陡坡(波纹板160的坡深H尺寸大，坡口角度α的角度尺寸小)，以使其中一个激光头111的结构光平面被遮挡时，仍有另一个激光头111的结构光平面照射焊缝表面；这样，视觉跟踪组件110可无死角的扫描焊缝表面。当任意一个激光头111的结构光平面被待焊件的结构遮挡时，无需调整激光头111的角度，节省调整激光头111的角度时间，提高焊接效率。这样，焊接装置适用于焊接深波陡坡的波纹板160或瓦楞板(如集装箱前墙板、专用车护栏瓦楞板等)。

可以理解，焊接装置适用于各种有坡口、无坡口的薄板、厚板和间隙多变的结构件的焊接。

本实施方式中，焊缝在每个激光头111的结构光平面的照射下分别生成各自的焊缝特征激光条纹，此时相机112采集的图像包含两个焊缝特征激光条纹，此时可以通过预设在控制器130内的图像处理软件(例如PS等)对相机112采集的图像进行处理，以通过上述图像中的两个焊缝激光条纹确定实际焊缝位置。例如以两个焊缝特征激光条纹的中心位置为焊缝的实际位置。由此，提高控制器130确定的实际焊缝位置的精确度，进而提高焊接质量。

本实施方式中，视觉跟踪组件110设置在六轴机器人140的视觉跟踪组件110安装轴上。在六轴机器人140上，焊接组件120和视觉跟踪组件110相对于彼此固定。这样，当直线马达150驱动六轴机器人140沿直线马达150延伸方向移动时，焊接组件120和视觉跟踪组件110随六轴机器人140一起移动。

本实施方式中，在直线马达150延伸方向上，视觉跟踪组件110位于焊枪的前方。在开始焊接时，控制器130控制视觉跟踪组件110采集焊缝表面的图像(在开始焊接时，视觉跟踪组件110位于可以获取焊缝起点图像的位置，例如待焊接波纹板160的边角处，或者焊缝中的任意一处位置)。控制器130根据焊缝表面的图像确定焊接起点。

控制器130控制直线马达150驱动六轴机器人140沿直线马达150延伸方向移动，在视觉跟踪组件110和焊枪随六轴机器人140一起移动的过程中，视觉跟踪组件110以预设速度(例如每秒30帧的速度)采集焊缝表面图像，并实时将采集的图像传输至控制器130。控制器130根据图像确定实际焊缝的偏差，进而确定实际焊缝位置和实际焊缝的宽度。同时控制器130控制六轴机器人140驱动焊枪移动至其焊接起点的位置，并控制焊枪从其确定的焊接起点的位置开始焊接。在六轴机器人140沿直线马达150的延伸方向移动的过程中，控制器130根据其确定的实际焊缝位置，控制焊接组件120的焊枪沿实际焊接位置焊接待焊接的波纹板160。并根据实际焊缝宽度实时调整焊接的工艺参数，以提高焊接质量。

控制器130还可以根据其确定的焊缝实际位置确定焊接终点。并在焊枪移动至该焊接终点时，控制焊枪停止焊接工作，实现自动识别焊缝，进而自动完成波纹板160的焊接。

本实施方式中，焊接装置可以用于焊接坡口α的角度为20°至90°的波纹板160或瓦楞板。

本实施方式中，对于同种规格尺寸的波纹板160的焊接。只需设置一次焊接路径，既可对重复焊接。适用于对同一批生产的相同规格的波纹板160进行焊接。

本实施方式中，焊接装置还包括和控制器130电连接的显示屏。显示屏可以显示焊接参数。工作人员还可以通过显示屏对焊接装置进行设置，以及设置焊接参数，对焊枪和视觉跟踪组件110的位置进行标定，控制焊接过程，例如控制翻转组件工作、控制六轴机器人140的焊接臂的动作，以及控制直线马达150的工作等。

本实施方式中，控制器130可以通过以太网分别和视觉跟踪组件110、六轴机器人140，以及直线马达150交换数据。

本实施方式中，在直线马达150上可以设置多个六轴机器人140(例如三个六轴机器人140)，每个六轴机器人140和一个视觉跟踪组件110构成一个焊接单元。这样可以由多个焊接单元同时进行焊接，例如同时焊接多处焊缝。

本实施方式中，在焊接角焊缝的过程中，控制器130可以根据上述图像确定角焊缝的两个焊接表面的实际位置，进而实时控制六轴机器人140以调整焊枪姿态，使焊枪的中心线始终和任意一个焊接表面成45度角，以保证焊缝质量。

本实施方式中，焊接装置的制造和使用成本低，耗能低，安全性好。焊接装置的使用过程中无需消耗中间介质，可以使焊接工艺参数最佳化，耗能少、光、气、声排放量最小化。

具体地，如图3所示，焊接装置可以包括硬件部分和软件部分。硬件部分包括控制柜、控制器、显示屏、焊接组件120、视觉跟踪组件110、六轴机器人140、翻转组件，以及辅助装置。控制器130设置在控制柜内。显示屏可以设置在控制柜上。软件部分包括人机交互与智能规划模块、运动规划模块、运动控制器130模块以及伺服控制模块。

具体地，运动规划模块配置为自动地或受控地根据视觉跟踪组件110的设置的图像而规划焊接装置的操作。运动控制器130模块配置为根据运动规划模块的规划结果而直接或间接地控制焊接装置的操作，并反馈六轴机器人140的实际的位置信息。伺服控制模块配置为从运动控制器130模块处接收给定信号而控制焊接装置的操作，并反馈实际工况参数。

更具体地，人机交互与智能规划模块(即人机交互与智能层)实现人机交互、基本参数输入等功能，为六轴机器人140的控制提供决策信息，给出框架式的期望轨迹。运动规划模块(即运动规划层)根据人机交互与智能层给出的期望轨迹和视觉跟踪组件110所反馈的焊接过程中所获取的焊缝信息(实际焊缝的宽度、实际焊缝位置等)，进行在线运动规划、逆运动学求解等，产生六轴机器人140的运动控制信号。运动控制器130模块(即运动控制层)根据给定的控制信号，输出速度信号，优选地还可以反馈测量到的六轴机器人140的实际位置。伺服控制模块(即伺服控制层)以运动控制层的速度信号作为给定信息，由伺服驱动器实现速度伺服控制，并反馈测量到的六轴机器人140的实际速度。

本发明还提供了一种深波陡坡焊缝双激光视觉跟踪焊接方法。焊接方法用于控制前述的焊接装置。焊接方法包括：

通过视觉跟踪组件110获取图像；

根据图像确定实际焊接位置；

控制焊接组件120在实际焊接位置焊接待焊接件。

本实施方式中，焊接方法用于控制前述的焊接装置，两个激光头111设置在相机112的两侧，这样从相机112的两侧，两个激光头111的结构光平面共同照射焊缝表面，当波纹板深波陡坡(波纹板的坡深H尺寸大，坡口角度α的角度尺寸小)，以使其中一个激光头111的结构光平面被遮挡时，仍有另一个激光头111的结构光平面照射焊缝表面，这样，视觉跟踪组件110可无死角的扫描焊缝表面，当任意一个激光头111的结构光平面被待焊件的结构遮挡时，无需调整激光头111的角度，节省调整激光头111的角度时间，提高焊接效率。

本实施方式中，在通过视觉跟踪组件获取图像的步骤之后，焊接方法还包括：

根据图像确定实际焊缝的宽度；

根据实际焊缝的宽度控制焊枪焊接待焊接件。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“部件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (5)

1.一种深波陡坡焊缝双激光视觉跟踪焊接装置，其特征在于，包括：

视觉跟踪组件，所述视觉跟踪组件包括相机和两个激光头，两个所述激光头位于所述相机的两侧，两个所述激光头产生的结构光平面从所述相机的两侧照射待焊接件的焊缝表面，以在两个所述激光头中的一个被遮挡时，另一个的结构光平面能够照射所述待焊接件的所述焊缝表面，所述相机采集所述焊缝的图像；

焊接组件，用于焊接待焊接件；

控制器，所述控制器电连接所述视觉跟踪组件，所述控制器根据所述图像确定所述待焊接件的实际焊缝位置，所述控制器控制所述焊接组件的焊枪在所述实际焊缝位置焊接所述待焊接件；

六轴机器人，所述六轴机器人和所述控制器电连接，所述六轴机器人和所述焊枪连接，所述控制器通过所述六轴机器人控制所述焊枪焊接所述待焊接件；

直线马达，所述直线马达沿预设焊缝的延伸方向延伸，所述直线马达和所述六轴机器人连接，以驱动所述六轴机器人沿所述直线马达的延伸方向移动；

显示屏，所述显示屏和所述控制器电连接，所述显示屏用于对焊接装置进行设置、设置焊接参数、对焊枪和视觉跟踪组件的位置进行标定，以及显示所述焊接参数；

其中，所述视觉跟踪组件设置在所述六轴机器人上，沿所述焊枪的焊接方向，所述视觉跟踪组件位于所述焊枪前方的预设距离处；

所述焊接装置用于将波纹板或瓦楞板焊接至集装箱的框架；

所述波纹板或所述瓦楞板的坡口角度α为20°至90°；

在焊接角焊缝的过程中，所述控制器根据所述图像确定所述角焊缝的两个焊接表面的实际位置，进而实时控制所述六轴机器人以调整所述焊枪姿态，使所述焊枪的中心线始终和任意一个所述焊接表面成45度角。

2.根据权利要求1所述的焊接装置，其特征在于，所述控制器根据所述图像确定所述实际焊缝的宽度，所述控制器根据所述实际焊缝的宽度控制所述焊枪焊接所述待焊接件。

3.根据权利要求1所述的焊接装置，其特征在于，所述控制器根据所述图像确定焊接起点，以控制所述焊枪从所述焊接起点沿所述实际焊缝焊接。

4.一种深波陡坡焊缝双激光视觉跟踪焊接方法，其特征在于，所述焊接方法用于控制权利要求1至3中任一项所述的焊接装置，所述焊接方法包括：

通过所述视觉跟踪组件获取所述图像；

根据所述图像确定实际焊接位置；

控制所述焊接组件在所述实际焊接位置焊接所述待焊接件。

5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，在所述通过所述视觉跟踪组件获取所述图像的步骤之后，所述焊接方法还包括：

根据所述图像确定所述实际焊缝的宽度；

根据所述实际焊缝的宽度控制所述焊枪焊接所述待焊接件。