CN110434429A - 一种基于人机交互的机器人多层多道焊焊缝的跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于人机交互的机器人多层多道焊焊缝的跟踪方法，首先通过相机采集焊缝区图像，工控机接收到图像后判断焊枪偏移量。当偏移量超出允许范围后，通过位置调节按钮发送控制指令到可编程控制器PLC，PLC处理控制指令并将控制型号通过机器人的传感器接口发送到机器人控制器，机器人对传入信号处理后得到纠偏量，执行纠偏。本发明改善多层多道焊焊接过程中由于焊接变形导致焊枪偏离理想轨迹从而影响焊接质量的问题，实现多层多道焊焊接实时焊缝跟踪控制。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，更加具体地说，涉及利用人机交互机器人轨迹实时纠偏的方法，解决长直焊缝多层多道焊机器人焊缝跟踪的问题。
背景技术
厚壁结构在船舶、工程机械和高压容器等领域应用广泛，一般采用多层多道焊焊接方式。使用机器人焊接能够有效提高生产效率和焊接质量，目前常用焊接机器人多层多道焊的实现方法是通过示教打底焊焊道轨迹，后续焊缝相对第一道焊缝设置相应偏移量，开始焊接后机器人会自动完成多层多道焊焊接工作。由于多层多道焊热输入量较大，容易引起工件变形，需要调整机器人焊接轨迹保证焊接质量，而机器人自身的交互系统在机器人开始焊接后是无法修改轨迹的，只能通过传感器实现焊缝跟踪。现有的焊缝跟踪控制系统多限于单道焊缝跟踪，而多层多道焊跟踪多是基于坡口边缘特征点的调节，无法反应焊接过程中每道焊缝的焊缝成形，无法基于每一道焊缝进行轨迹调整。
发明内容
本发明的目的解决多层多道焊焊枪偏离焊接轨迹的问题，在于克服现有技术的不足，提供一种多层多道焊人机交互焊缝跟踪的方法，提出人机交互机器人轨迹实时控制的策略，实现多层多道焊焊接实时焊缝跟踪控制。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种基于人机交互的机器人多层多道焊焊缝的跟踪方法，采用人机交互控制系统对多层多道焊焊缝进行跟踪，所述人机交互控制系统由视频采集系统、人机交互系统、PLC控制系统和机器人控制器组成，其中：
视频采集系统，用于采集焊缝图像，如相机；
人机交互系统，负责采集视频信息，通过视频画面与窗口中的焊枪标志对比得出当前焊枪是否偏离焊接轨迹并确定偏差值，接受工作人员输入控制指令对焊接系统进行控制；
PLC控制系统，对工作人员输入控制指令进行处理，通过编程将控制指令转化为机器人控制器能够识别的控制信号，将控制信号传递给机器人控制器并监视机器人运行状态；
机器人控制器(KRC)，接受控制信号并处理，将纠偏量赋值给机器人调节量，实现机器人按照调节量对机器人末端位置进行调节，完成纠偏。
各个设备之间通过工业以太网通讯。PLC与KRC之间采用ProfiNet通讯协议，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。在PLC侧PN-IO接口创建ProfiNet通路，导入机器人控制器KRC4到ProfiNet通路上并进行组态，在KRC侧配置输入信号对应的数字通信量，即可实现PLC与KRC之间的通讯。交换机采用MOXA公司的EDS-205A。
在进行纠偏跟踪时，采用视频采集系统时时采集焊接系统的视频信息；人机交互系统负责采集视频信息，通过视频画面与窗口中的焊枪标志对比得出当前焊枪是否偏离焊接轨迹并确定偏差值，接受工作人员输入控制指令对焊接系统进行控制；PLC控制系统，对工作人员输入控制指令进行处理，通过编程将控制指令转化为机器人控制器能够识别的控制信号，将控制信号传递给机器人控制器并监视机器人运行状态；机器人控制器(KRC)，接受控制信号并处理，将纠偏量赋值给机器人调节量，实现机器人按照调节量对机器人末端位置进行调节，完成纠偏。
焊缝横向纠偏时，焊接过程中对比焊枪标志与实际焊缝中心位置距离，当偏移量超过预设值时，对焊枪位置进行调节。预设值为1mm。
焊枪纵向(焊枪高度)纠偏时，焊接过程中观察坡口边沿与两个滑块的相对位置，当坡口图像变大超过上方滑块宽度时，说明高度下降已经超过允许的范围，需要提升焊枪高度；坡口图像变小超过滑块宽度范围时，需要降低焊枪高度。
本发明的技术方案改善多层多道焊焊接过程中由于焊接变形导致焊枪偏离理想轨迹从而影响焊接质量的问题。跟踪控制系统首先通过相机采集焊缝区图像，工控机接收到图像后判断焊枪偏移量。当偏移量超出允许范围后，通过位置调节按钮发送控制指令到可编程控制器(PLC)，PLC处理控制指令并将控制型号通过机器人的传感器接口发送到机器人控制器，机器人对传入信号处理后得到纠偏量，执行纠偏。
附图说明
图1为本发明中控制系统的总体结构示意图。
图2为本发明中控制系统的人机交互界面示意图。
图3为本发明中焊枪横向偏移的监控图像示意图。
图4为本发明中横向纠偏焊接效果图。
图5为本发明中焊枪纵向偏移的监控图像示意图。
图6为本发明中纵向纠偏焊接效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
如附图1所示，人机交互控制系统整体方案，由视频采集系统、人机交互系统、PLC控制系统和机器人控制器组成，其中：
视频采集系统，用于采集焊缝图像，如相机，采用海康的工业相机MV-CA060-10GM/C，该相机为600W像素1/1.8"CMOS千兆以太网工业相机。镜头采用8mm短焦镜头，光圈F2.4。
人机交互系统，负责采集视频信息，通过视频画面与窗口中的焊枪标志对比得出当前焊枪是否偏离焊接轨迹并确定偏差值，接受工作人员输入控制指令对焊接系统进行控制；采用研华IDS31-190型工控机，显示器尺寸为19英寸，分辨率为1240*1080，采用工控机+控制面板的策略，工控机负责采集视频信息，通过视频画面与窗口中的焊枪标志对比得出当前焊枪是否偏离焊接轨迹并确定偏差值。工作人员通过控制面板输入指令对系统进行控制，系统的状态会通过面板上的指示灯显示。
PLC控制系统，对工作人员输入控制指令进行处理，通过编程将控制指令转化为机器人控制器能够识别的控制信号，将控制信号传递给机器人控制器并监视机器人运行状态。PLC采用西门子S7-300系列CPU，作为控制单元，负责发送移动信号和系统监测等工作。
机器人控制器(KRC)，接受控制信号并处理，将纠偏量赋值给机器人调节量，实现机器人按照调节量对机器人末端位置进行调节，完成纠偏。
各个设备之间通过工业以太网通讯。PLC与KRC之间采用ProfiNet通讯协议，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。在PLC侧PN-IO接口创建ProfiNet通路，导入机器人控制器KRC4到ProfiNet通路上并进行组态，在KRC侧配置输入信号对应的数字通信量，即可实现PLC与KRC之间的通讯。交换机采用MOXA公司的EDS-205A。
在进行纠偏跟踪时，采用视频采集系统时时采集焊接系统的视频信息；人机交互系统负责采集视频信息，通过视频画面与窗口中的焊枪标志对比得出当前焊枪是否偏离焊接轨迹并确定偏差值，接受工作人员输入控制指令对焊接系统进行控制；PLC控制系统，对工作人员输入控制指令进行处理，通过编程将控制指令转化为机器人控制器能够识别的控制信号，将控制信号传递给机器人控制器并监视机器人运行状态；机器人控制器(KRC)，接受控制信号并处理，将纠偏量赋值给机器人调节量，实现机器人按照调节量对机器人末端位置进行调节，完成纠偏。
实施例1焊缝横向纠偏主要实现步骤如下：
(1)首先移动焊枪到焊缝中心位置。
(2)在上位机软件中移动焊枪标志到焊缝中心，如图3(a)所示，焊接过程中不要移动焊枪标志位置。
(3)焊接过程中对比焊枪标志与实际焊缝中心位置距离，超过允许范围按下按钮调节。图3(b)为焊枪左偏时图像，3(c)为图像右偏时图像，当偏差超过1mm(本实施例中选取的阈值)时对焊枪位置进行调节。
(4)放置工件模拟焊枪横向偏移，焊接末端相对于焊缝偏移8mm。焊接过程中调节焊枪横向位置。当偏移量超过1mm时对焊枪位置进行调节，焊接时拍摄到的焊缝图像如图4所示。当开始焊接时，由于光强变化比较剧烈，相机自动调整曝光量和增益量需要少量时间，所以最初一段焊道有一定偏移。由于模拟件在一开始就有偏移这种情况在实际的焊接过程中是比较少见的，所以可以忽略不计。在相机调整结束后，得到清晰的图像并进行调节，焊枪很快调节到焊缝正上方，并且在之后的焊接过程中始终与坡口保持一致，调节过程中没有明显的调整的痕迹，过渡平滑，成型良好。
实施例2纵向纠偏主要实现步骤如下：
(1)移动焊枪到焊缝中心位置，并移动焊枪到焊接高度。
(2)移动视频上方两个滑块到坡口的两端，使滑块卡住坡口，如图5(a)所示。
(3)焊接过程中观察坡口边沿与两个滑块的相对位置，当坡口图像变大超过上方滑块宽度时，如图5(b)所示，说明高度下降已经超过允许的范围，需要提升焊枪高度。坡口图像变小超过滑块宽度范围时，如图5(c)所示，需要降低焊枪高度。
(4)工件一端垫高模拟焊枪高度偏移，示教时焊枪高度不变，在焊缝末端焊枪高度比起始位置高8mm，焊接过程中调节根据监控图像修正焊枪高度，焊接完成的焊缝成型如图6所示，可以看到成型良好，焊接稳定后成型较为一致。说明当前高度调节系统能够有效判别是否需要调整并根据调整需求进行有效调整。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于人机交互的机器人多层多道焊焊缝的跟踪方法，其特征在于，采用人机交互控制系统对多层多道焊焊缝进行跟踪，所述人机交互控制系统由视频采集系统、人机交互系统、PLC控制系统和机器人控制器组成，其中：
视频采集系统，用于采集焊缝图像，如相机；
人机交互系统，负责采集视频信息，通过视频画面与窗口中的焊枪标志对比得出当前焊枪是否偏离焊接轨迹并确定偏差值，接受工作人员输入控制指令对焊接系统进行控制；
PLC控制系统，对工作人员输入控制指令进行处理，通过编程将控制指令转化为机器人控制器能够识别的控制信号，将控制信号传递给机器人控制器并监视机器人运行状态；
机器人控制器，接受控制信号并处理，将纠偏量赋值给机器人调节量，实现机器人按照调节量对机器人末端位置进行调节，完成纠偏。
2.根据权利要求1所述的一种基于人机交互的机器人多层多道焊焊缝的跟踪方法，其特征在于，焊缝横向纠偏时，焊接过程中对比焊枪标志与实际焊缝中心位置距离，当偏移量超过预设值时，对焊枪位置进行调节。
3.根据权利要求2所述的一种基于人机交互的机器人多层多道焊焊缝的跟踪方法，其特征在于，预设值为1mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于人机交互的机器人多层多道焊焊缝的跟踪方法，其特征在于，焊枪纵向(焊枪高度)纠偏时，焊接过程中观察坡口边沿与两个滑块的相对位置，当坡口图像变大超过上方滑块宽度时，说明高度下降已经超过允许的范围，需要提升焊枪高度；坡口图像变小超过滑块宽度范围时，需要降低焊枪高度。
5.根据权利要求1所述的一种基于人机交互的机器人多层多道焊焊缝的跟踪方法，其特征在于，视频采集系统为相机，各个设备之间通过工业以太网通讯，PLC与KRC之间采用ProfiNet通讯协议。
6.人机交互控制系统，其特征在于，由视频采集系统、人机交互系统、PLC控制系统和机器人控制器组成，其中：
视频采集系统，用于采集焊缝图像；
人机交互系统，负责采集视频信息，通过视频画面与窗口中的焊枪标志对比得出当前焊枪是否偏离焊接轨迹并确定偏差值，接受工作人员输入控制指令对焊接系统进行控制；
PLC控制系统，对工作人员输入控制指令进行处理，通过编程将控制指令转化为机器人控制器能够识别的控制信号，将控制信号传递给机器人控制器并监视机器人运行状态；
机器人控制器，接受控制信号并处理，将纠偏量赋值给机器人调节量，实现机器人按照调节量对机器人末端位置进行调节，完成纠偏。
7.根据权利要求6所述的人机交互控制系统，其特征在于，视频采集系统为相机。
8.根据权利要求6所述的人机交互控制系统，其特征在于，人机交互系统采用研华IDS31-190型工控机。
9.根据权利要求6所述的人机交互控制系统，其特征在于，PLC控制系统采用西门子S7-300系列CPU。
10.根据权利要求6所述的人机交互控制系统，其特征在于，各个设备之间通过工业以太网通讯，PLC与KRC之间采用ProfiNet通讯协议，在PLC侧PN-IO接口创建ProfiNet通路，导入机器人控制器KRC4到ProfiNet通路上并进行组态，在KRC侧配置输入信号对应的数字通信量，即可实现PLC与KRC之间的通讯。
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