CN110508988B - 一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置及方法，该装置包括控制器、变位机、焊接机械臂和激光传感器，包括控制器、变位机、焊接机械臂和激光传感器，所述变位机包括焊接台、两支撑板和两变位盘，所述焊接台固定设置在两所述变位盘之间，所述变位盘连接一变位电机，焊接机械臂端部设有一焊枪和所述激光传感器，本发明的有益效果是：采用可变位的焊接台固定待焊接工件，能焊接多个面上的焊缝；采用激光传感器扫描待焊接工件的位置信息；通过关键点提取算法，将复杂焊缝分割为多个直线或弧线短焊缝实现对不规则焊件焊接，实现对不规则焊缝的自动焊接，提高生产效率。

Description

一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置及方法

技术领域

本发明涉及集装箱制造领域，尤其涉及一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置及方法。

背景技术

集装箱运输具有方便、简捷、安全等特点，在货物运输业中占有重要地位。集装箱制造过程中需要将角件和角柱焊接到一起，由于角件和角柱连接处许焊接的焊缝一般不在同一平面上，且焊缝线复杂；传统的自动焊接技术通过对焊接机械臂采用示教再现或离线编程的方法,只能够满足固定位置的焊接，难以解决需要多面复杂焊缝的焊接。目前，集装箱制造过程中，角件和角柱的焊接工作大多通过人工手动焊接，造成角件和角柱的焊接劳动强度大、焊接成本高的现象。

发明内容

为解决集装箱制造过程中角件和角柱焊接无法自动焊接的问题，本发明的实施例提出一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置及方法。

一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置，包括控制器、变位机、焊接机械臂和激光传感器，所述变位机包括焊接台、两支撑板和两变位盘，两所述变位盘分别可转动设置于两所述支撑板上，所述焊接台固定设置在两所述变位盘之间，所述焊接台用于安装待焊接角件和角柱，所述变位盘连接一变位电机，所述变位电机用于驱动所述变位盘转动变换工位，所述焊接机械臂与所述变位机相邻设置，焊接机械臂端部设有一焊枪，用于焊接工件，所述激光传感器固定在所述焊接机械臂端部，所述激光传感器用于扫描所述角件与所述角柱的N条连接缝，获得N组连接缝数据，N为大于1的整数，所述控制器用于将N组连接缝数据拼接成一焊接曲线，将焊接曲线分隔成多条焊缝段，并区分每一焊缝段为直线焊缝段还是曲线焊缝段，对直线焊缝段提取直线关键点，对曲线焊缝段提取曲线关键点，所述焊接机械臂用于控制所述焊枪按照所述直线关键点的数据直线焊接所述角件和所述角柱并根据所述曲线关键点的数据曲线焊接所述角件和所述角柱。

进一步地，所述焊接台上设有两角件夹具，两所述角件夹具分别设置于所述焊接台的两端，用于装夹所述待焊接的角件和角柱。

进一步地，所述焊接台上固定设有多个限位块，用于将待焊接的角柱限位于多个所述限位块中间。

进一步地，所述焊接机械臂端部设有焊接夹具，所述焊枪和所述激光传感器固定夹持在所述焊接夹具上。

一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接方法，包括以下步骤：

步骤S1：装夹待焊接的角件和角柱；

步骤S2：通过激光传感器对角件和角柱的连接缝进行扫描，获得N条连接缝数据，N为大于1的整数；

步骤S3：控制器对每组连接缝数据进行中值滤波均获得一组有效数据点，提取每组有效数据点中的点焊点数据，将每组有效数据点中的所有点焊点连接形成一直线焊缝段；

步骤S4：将N组连接缝数据中的有效数据点连接形成焊接曲线，对所述焊接曲线去除步骤S3中所有直线焊缝段，通过曲率法将剩下的焊接曲线分隔成多个焊缝段；

步骤S5：将步骤S4分隔出的焊缝段通过曲率法判断其为直线焊缝段或曲线焊缝段，并对步骤S3和步骤S4中的所有直线焊缝段提取直线关键点，以及对步骤S4中的所有曲线焊缝段提取曲线关键点；

步骤S6：焊接机械臂获取所有直线关键点数据和所有曲线关键点数据，并控制焊枪根据每组直线焊缝段的直线关键点数据直线焊接所述角件和所述角柱，或根据每组曲线焊缝段的曲线关键点数据曲线焊接所述角件和所述角柱。

进一步地，所述步骤S2中激光传感器扫描角件和角柱一个面上的连接缝得到一组连接缝数据，角件和角柱旋转90°，激光传感器扫描下一个面上连接缝，直至获得N条连接缝数据。

进一步地，上述步骤5和步骤6中直线关键点为直线焊接段的起点和终点，所述曲线关键点为曲线焊接段的起点、中点和终点。

进一步地，所述步骤S3中将N组连接缝数据连接形成焊接曲线的方法是：提取N组连接缝数据中，同时存在两组数据中的点为连接点，通过连接点将N组连接缝数据连接成焊接曲线。

本发明的有益效果是：采用可变位的焊接台固定待焊接工件，能焊接多个面上的焊缝；采用激光传感器扫描待焊接的焊接位置，通过焊接关键点提取算法，将复杂焊缝分割为多个直线或弧线短焊缝实现对不规则焊件焊接，实现集装箱制造过程中对角件和角柱的自动焊接，提高集装箱制造过程中自动化过程、降低集装箱制造成本。

附图说明

图1是本发明待焊接的角件3和角柱7的结构示意图。

图2是本发明角件3和角柱7待焊接的连接缝11的结构示意图。

图3是本发明一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置结构示意图。

图4是图3中变位机15的结构示意图。

图5是本发明一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置中控制器12连接关系示意图。

图6是焊接关键点提取算法流程图。

图7是图2中连接缝11上的两组连接缝数据点。

图8是本发明一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接方法流程图。

1-变位盘，2-角件夹具，3-角件，4-激光束，5-激光传感器，6-焊枪，7-角柱，8-焊接台，9-焊接机械臂，10-定位块，11-连接缝，12-控制器，13-变位电机，14-避位孔，15-变位机，16-支撑板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

如图1和图2所示，本实施例中，需要将两角件3与角柱7焊接在一起，所述角柱3为矩形块，设置于所示角柱7的两端，所述角柱7的端部为开口状，并部分包围所述角件3，形成四条需要焊接的连接缝11，四条连接缝11中一组对边上分别设有两个点焊点，所述点焊点事先由人工点焊形成，从而使所述角件3和所述角柱7固定在一起，本发明在一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置在本实施例中需要实现的功能是自动焊接四条所述连接缝11，使其形成一条完整的焊缝。

如图3和图4所示，一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置，包括控制器12、变位机15、焊接机械臂9和激光传感器5，所述变位机15包括焊接台8、两支撑板14和两变位盘1，所述支撑板16用于支撑所述变位机15，两所述变位盘4分别可转动设置于两所述支撑板16上，所述焊接台8固定设置在两所述变位盘1之间，所述焊接台8两端设有两避位孔14，两所述变位盘1连接一变位电机13，所述变位电机13连接所述控制器12，所述焊接台8上设有两角件夹具5和多个定位块13，所述定位块10用于定位所述角柱7，两所述角件夹具2分别设置在所述焊接台8两端，用于夹紧所述角件3，且所述角件3与所述角住7的连接缝11位于所述避位孔14的正上方，使所述角件3与所述角柱7底面的连接缝11露出，所述变位盘1可在所述变位电机13带动下转动，从而带动所述焊接台8旋转，并使待焊接的角件3和角柱7旋转变换工位。

所述焊接机械臂9与所述变位机15相邻设置，焊接机械臂9端部设有一焊接夹具（图中未画出），所述焊接夹具上设有一焊枪6，用于焊接所述连接缝11，所述激光传感器5固定在所述焊接夹具上并与所述焊枪6有一定的距离，防止焊接时产生的高温烫伤所述激光传感器5，所述激光传感器5用于发出激光束4扫描待焊接的连接缝11，并将扫描结果传输至所述控制器12。

如图5所示，所述控制器12连接所述变位电机13、所述控制器12和焊接机械臂9，所述控制器12用于控制所述换位电机13转动，并读取其位置信息，控制所述激光传感器5发射所述激光束4，并读取扫描信息，控制所述接焊接机械臂运动、焊接工件，并读取所述接焊接机械臂9的运行信息。

所述控制器12内设有扫描数据模块、拟合焊缝模块和焊接运行模块，所述扫描数据模块用于读取所述激光传感器5的扫描数据，得到扫描工件焊缝的形态位置信息，并进行数据保存；所述拟合焊缝模块用于对扫描数据进行数据处理，通过关键点提取算法，提取关键点；所述焊接运行模块用于将关键点以直线形式（关键点为起点和终点）或圆弧形式（关键点为起点、终点和中间点）传输给所述焊接机械臂9。

一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置自动焊接的具体过程为：

1.激光传感器5发射激光束4扫描角件3和角柱7一个面上的连接缝11，控制器12控制变位机15变位旋转90°，激光传感器5发射激光束4扫描角件3和角柱7上的另一面上连接缝11，直至得到四组连接缝数据，所述扫描数据模块读取所述激光传感器5得到的四组连接缝数据，每组连接缝数据为多个点坐标数据（即数据点），并将其保存至拟合焊缝模块。

2.拟合焊缝模块通过关键点提取算法，提取关键点，如图6所示，所述焊接运行模块焊接关键点提取算法提取焊接点过程为：采用中值滤波的原理剔除连接缝数据点中无效数据点得到有效数据点，然后分别判断有效数据点中是否存在点焊点，其中点焊点的判定方法：点焊点的高度较连接缝11其他有效数据点高度要高出许多，激光传感器扫描到点焊点时，高度差一定会出现较大的阶跃现象，所以通过监测这个高度差的变化可以判断是否出现了点焊点，高度差数据波动比较平缓则无点焊点。判断完成之后，针对有点焊点的情况，并将点焊点和点焊点之间的有效数据点直接连接为直线焊缝段；然后对提取点焊点之后的有效数据点进行轨迹拼接，将四个面的四条连接缝11上的四组有效数据点拼接成在一起，此时在两平面的连接处存在一部分有效数据点重叠，通过边缘提取重叠的有效数据点作为连接点，通过连接点将不同面上的每组有效数据点连接形成一条完整的焊缝曲线，最后通过区域分割将焊缝曲线分割成直线焊缝段和圆弧焊缝段，直线焊缝段提取直线焊缝段的起点和终点作为直线关键点，圆弧焊缝段则提取圆弧焊接段的起点、终点和中间点作为曲线关键点，区域分割的方法和判断的方法采用的是曲率法：计算焊缝曲线每一有效数据点的法失和曲率，当法失和曲率的突变的有效数据点即为一个焊缝段与另一焊缝段的分界点。

具体地，如图7所示，四个面上连接缝11的其中两个面上的扫描到的两组连接缝数据分别为数据点a、b、c、d、e和d、e、f、g、h、i、j、k，其中a和c为点焊点，拟合焊缝模块得到上述扫描数据点，采用中值滤波的方法去除数据点中与h点相邻过近的无效数据点i，得到分布相对均匀的其他点为有效数据点；其中点a和c为点焊点，其高度高于其他有效数据点，拟合焊缝模块连接点焊点a、c之间的连接缝得到直线焊缝段ac；以上数据点中e、d同时出现在两组连接缝数据中，拟合焊缝模块将e、d作为连接点，将连接缝数据拼接在一起，形成一条焊缝曲线，拟合焊缝模块计算个有效数据点处焊缝的法矢和曲率，焊缝曲线在c点和f点出的法矢和曲率有突变，拟合焊缝模块判断c点和f点为分界点，其中ac段点已经通点焊点a、c分隔出直线焊缝段，剩下的焊缝曲线段ck段被分隔cf段和fk段；最后拟合焊缝模块计算cf段和fk段的曲率大小，fk段为直线焊缝段，按顺序提取直线焊缝段ac的端点a、c点为一组直线关键点（a为起点，c为终点），直线焊缝段fk的端点f、k为一组直线关键点（f为起点，k为终点），判断cf段为曲线焊缝段，提取c、f点和两点之间的中点e为一组曲线关键点（c为起点，f为终点，e为中点）。

3.焊接运行模块将每一焊缝段的一组关键点依次传输给所述焊接机械臂9，所述焊接机械臂9根据每一焊缝段的关键点数量判断该焊缝段是直线焊缝段还是曲线焊缝段，并根据关键点的坐标，依次焊接每一焊缝段，从而形成一完整的焊缝。

如图8所示，本发明还提供一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：装夹待焊接的角件和角柱；

步骤S2：通过激光传感器对角件和角柱的连接缝进行扫描，获得N条连接缝数据；

步骤S3：控制器对每组连接缝数据进行中值滤波均获得一组有效数据点，提取每组有效数据点中的点焊点数据，将点焊点之间的连接缝作通过点焊点分隔为一焊缝段；

步骤S4：将N组连接缝数据中的有效数据点连接形成焊接曲线，通过曲率法将去除步骤S3中焊缝段剩下的焊接曲线分隔成多个焊缝段；

步骤S5：将步骤S3和步骤S4分隔出的焊缝段通过曲率法判断其为直线焊缝段或曲线焊缝段，并对所述直线焊缝段提取直线关键点对曲线焊缝段提取曲线关键点；

步骤S6：焊接机械臂获取所有直线关键点数据和所有曲线关键点数据，并控制所述焊枪根据每组连接缝的直线关键点直线焊接所述角件和所述角柱，或根据每组连接缝的曲线关键点数据曲线焊接所述角件和所述角柱。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置，其特征在于：包括控制器、变位机、焊接机械臂和激光传感器，所述变位机包括焊接台、两支撑板和两变位盘，两所述变位盘分别可转动设置于两所述支撑板上，所述焊接台固定设置于两所述变位盘之间，所述焊接台用于安装待焊接角件和角柱，两所述变位盘分别连接变位电机，所述变位电机用于驱动所述变位盘转动变换工位，所述焊接机械臂与所述变位机相邻设置，焊接机械臂端部设有一焊枪，用于焊接工件，所述激光传感器固定在所述焊接机械臂端部，所述激光传感器用于扫描所述角件与所述角柱的N条连接缝，获得N组连接缝数据，N为大于1的整数，所述控制器用于将N组连接缝数据拼接成一焊接曲线，将焊接曲线分隔成多条焊缝段，并区分每一焊缝段为直线焊缝段还是曲线焊缝段，对直线焊缝段提取直线关键点，对曲线焊缝段提取曲线关键点，所述焊接机械臂用于控制所述焊枪按照所述直线关键点的数据直线焊接所述角件和所述角柱并根据所述曲线关键点的数据曲线焊接所述角件和所述角柱。

2.根据权利要求1所述的一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置，其特征在于：所述焊接台上设有两角件夹具，两所述角件夹具分别设置于所述焊接台的两端，用于装夹所述待焊接的角件和角柱。

3.根据权利要求1所述的一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置，其特征在于：所述焊接台上固定设有多个限位块，用于将待焊接的角柱限位于多个所述限位块中间。

4.根据权利要求1所述的一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接装置，其特征在于：所述焊接机械臂端部设有焊接夹具，所述焊枪和所述激光传感器固定夹持在所述焊接夹具上。

5.一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接方法，其特征在于:包括以下步骤：

步骤S1：装夹待焊接的角件和角柱；

步骤S2：通过激光传感器对角件和角柱的连接缝进行扫描，获得N条连接缝数据，N为大于1的整数；

步骤S3：控制器对每组连接缝数据进行中值滤波均获得一组有效数据点，提取每组有效数据点中的点焊点数据，将每组有效数据点中的所有点焊点连接形成一直线焊缝段；

步骤S4：将N组连接缝数据中的有效数据点连接形成焊接曲线，对所述焊接曲线去除步骤S3中所有直线焊缝段，通过曲率法将剩下的焊接曲线分隔成多个焊缝段；

步骤S5：将步骤S4分隔出的焊缝段通过曲率法判断其为直线焊缝段或曲线焊缝段，并对步骤S3和步骤S4中的所有直线焊缝段提取直线关键点，以及对步骤S4中的所有曲线焊缝段提取曲线关键点；

步骤S6：焊接机械臂获取所有直线关键点数据和所有曲线关键点数据，并控制焊枪根据每组直线焊缝段的直线关键点数据直线焊接所述角件和所述角柱，或根据每组曲线焊缝段的曲线关键点数据曲线焊接所述角件和所述角柱。

6.根据权利要求5所述的一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接方法，其特征在于:所述步骤S2中激光传感器扫描角件和角柱一个面上的连接缝得到一组连接缝数据，角件和角柱旋转90°，激光传感器扫描下一个面上连接缝，直至获得N条连接缝数据。

7.根据权利要求5所述的一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接方法，其特征在于:所述步骤S 5和步骤S 6中直线关键点为直线焊接段的起点和终点，所述曲线关键点为曲线焊接段的起点、中点和终点。

8.根据权利要求6所述的一种基于线激光扫描的集装箱角柱焊接方法，其特征在于:所述步骤S4中将N组连接缝数据连接形成焊接曲线的方法是：提取N组连接缝数据中，同时存在于两组数据中的点为连接点，通过连接点将N组连接缝数据连接成焊接曲线。

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