CN111687515A - 大型钢构智能焊接引导系统 - Google Patents

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魏源
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Abstract

本发明公开了一种大型钢构智能焊接引导系统，包括：龙门行走单元携带焊接设备和定位设备进行移动；机器人焊接单元可在焊接枪头运行至精确位置后执行焊接命令；视觉定位单元由工业摄像机和图像采集电路组成，其作用为焊缝捕捉、焊缝位置粗定位与引导；激光引导单元含有一个线阵激光传感器，其作用为在每条焊缝起始位置进行精确定位，并引导焊枪进行精确的焊缝跟踪和焊接；处理单元进行整个系统的逻辑处理、数据处理、数据存储、运动控制，并负责指导整套系统有序工作；工作台单元用于放置待焊接工件，实现对不同种类焊接工件的快速装夹。本发明不仅能够实现自动化焊接，还提高焊接效率和柔性化程度。

Description

大型钢构智能焊接引导系统
技术领域
本发明涉及自动化生产技术领域，尤其涉及一种大型钢构智能焊接引导系统。
背景技术
大型钢构框架广泛应用于各类建筑中，作为主体框架，需求量极大。大型钢构件需要在型材基础上焊接不同的固定件，或拼接钢板板材。对于生产企业，同一批次钢构件数量少，难以标准化作业。然而大型钢构件焊缝长，焊接时间长，因此人力焊接工作繁重，且难以保证焊接稳定性。实现大型钢构件的自动焊接是亟待解决的问题。本发明专利提供了一套系统解决方案，解决钢构框架组装前的大型钢构件焊接问题。
现有的机器人焊接系统以示教为主，虽然加入了激光焊缝跟踪系统，但仍存在以下问题：单纯使用激光焊缝跟踪，需要不断示教；对于大型工件，焊缝寻找困难、偏差大；同批次钢构件数量较少，示教成本过高。
本发明采用视觉引导技术，设计了结构简单且可靠的引导系统和引导方法，不仅能够实现自动化焊接，还提高焊接效率和柔性化程度。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种大型钢构智能焊接引导系统及其焊接方法，该系统具有高度柔性、智能化、高效率、高品质的特点。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明提供了一种大型钢构智能焊接引导系统，包括龙门行走单元、机器人焊接单元、视觉定位单元、激光引导单元、处理单元、工作台单元。其中：
龙门行走单元，固定着机器人焊接单元和视觉定位单元、激光引导单元，能够进行水平方向的移动；
机器人焊接单元，实现机器人和焊接设备一体化，可精确执行焊接命令，在焊接枪头运行至精确位置后开始焊接；
视觉定位单元，由工业摄像机和图像采集电路组成，其作用为焊缝捕捉、焊缝位置粗定位与引导，视觉定位单元的定位精度设计为1cm；
激光引导单元，含有一个线阵激光传感器，在进行焊缝位置粗定位后，将焊接枪头和激光引导单元指引至焊缝起始位置，然后激光引导单元进行精确定位，并引导焊枪进行精确的焊缝跟踪和焊接；
处理单元，进行整个系统的逻辑处理、数据处理、数据存储、运动控制，并负责指导整套系统有序工作；
工作台单元，用于放置待焊接工件，实现对不同种类焊接工件的快速装夹。
所述机器人焊接单元包括机器人和焊枪设备，机器人前端固定有视觉定位单元、激光引导单元和焊枪。
优选的，所述基于视觉定位单元当前位置的工件相对位置坐标数据为包含笛卡尔坐标系和四元数空间位置坐标的相对位置坐标数据。
优选的，所述机器人焊接单元设有碰撞避让与碰撞检测的空间位置关系。
优选的，所述处理单元包括人机交互工作台、图像处理控制机和机器人控制箱，所述人机交互工作台分别连接图像处理控制机和机器人控制箱，机器人控制箱连焊接机器人。
优选的，所述工作台单元包括多功能焊接工作台和夹紧工装，待焊接工件放置在多功能焊接工作台台面上，所述夹紧工装夹紧在待焊接工件的预置夹紧位。
本发明进而提供了一种大型钢构智能焊接引导方法，包括如下步骤：
步骤1，将待焊接工件通过夹紧工装固定在多功能焊接工作台上，启动人机交互工作台并通过人机交互工作台定义焊接的粗略位置，进行人工确认。
步骤2，视觉定位单元对待焊接工件进行识别，并判断该类待焊接工件是否存在定位测量路径(即是否是第一次焊接该类工件)，如果存在，执行步骤3，如果不存在，执行步骤4。
步骤3，视觉定位单元识别待焊接工件生成关键特征点，并自动校正生成实际定位测量路径。
步骤4，视觉定位单元检测焊缝位置，进行粗定位，生成机器人行走轨迹。该步骤的定位精度在cm级。机器人焊接单元接收测量指令，使得视觉定位单元按照实际定位测量路径进行自动扫描测量，并输出三维点云信息，最终通过坐标转换解算出各关键特征点空间坐标值。
步骤5，根据步骤4生成的粗定位路径，移动龙门行走单元，使得焊枪和末端的线阵激光传感器到每条焊缝的初始位置。
步骤6，根据步骤4生成的定位路径，处理单元通过实际特征测量坐标并根据线阵激光传感器实际测量的结果进行理论焊接路径校正，最终形成实际的焊接规划路径，在人机交互工作台处支持人工通过模拟焊接路径判断焊接任务是否正确无误，进而执行实际焊接任务。该步骤的定位精度在um级。
本发明的有益效果是：1、通过视觉定位单元粗定位、激光引导单元精确定位，减小焊缝捕捉、焊缝位置定位的误差，实现自动化焊接；2、提高系统的柔性化程度，对不同批次钢构件进行自动化焊接。3、减少操作人员的工作量，降低劳动成本和节省开支。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的焊接方法流程示意图；
图中标记为：1、龙门行走单元；2、机器人焊接单元；3、视觉定位单元；4、激光引导单元；5、处理单元；6、工作台单元。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明一种大型钢构智能焊接引导系统包括：龙门行走单元、机器人焊接单元、视觉定位单元、激光引导单元、处理单元、工作台单元；其中，
机器人焊接单元，实现机器人和焊接设备一体化，焊接机器人通过接收处理单元下发的指令进行运动，在焊接枪头运行至精确位置后开始焊接；机器人前端固定有视觉定位单元、激光引导单元和焊枪，视觉定位单元进行精度为1cm的粗定位，激光引导单元对每条焊缝进行精度为1um的精确定位；视觉定位单元，由工业摄像机和图像采集电路组成；激光引导单元，含有一个线阵激光传感器；
龙门行走单元上固定着机器人焊接单元、视觉定位单元、激光引导单元，整体进行水平方向的移动；龙门行走单元下方设有焊接工作台，焊接工作台上设有夹紧工装夹紧的待焊接工件。
处理单元包括人机交互工作台、图像处理控制柜、焊接机器人控制箱，其中，图像处理控制柜和人机交互工作台放置在一侧，机器人控制箱放置在焊机的一侧，人机交互工作台用于人工手动操作处理三维模型或者实测标准模型信息导入、定义相关焊接特征、确认状态及异常状况的操作，图像处理控制柜用于处理图像数据，生成三维点云及坐标，焊接机器人控制箱用于进行数据通信及控制焊接和检测机器人的运动。
工作台单元包括多功能焊接工作台，多功能焊接工作台可适应各类不同焊接工件的夹持焊接，待焊接工件放置在多功能焊接工作台台面上，夹紧工装配合工作台面上标准间隔的快速定位孔将待焊接工件夹紧在多功能焊接工作台上。
如图2所示，本发明进而提供了一种大型钢构智能焊接引导系统的焊接方法，包括如下步骤：
步骤1，将待焊接工件通过夹紧工装固定在多功能焊接工作台上，启动人机交互工作台并通过人机交互工作台定义焊接的粗略位置，进行人工确认.
步骤2，视觉定位单元对待焊接工件进行识别，并判断该待焊接工件是否存在三维模型或者实测标准模型，如果存在，执行步骤3，如果不存在，执行步骤4。
步骤3，视觉定位单元识别工件生成关键特征点，并自动校正生成实际定位测量路径，具体操作步骤如下：
(1)根据视觉定位单元识别工件的ROI提取出工件的关键特征，通过三角交汇测量解算出关键特征的三维坐标；
(2)根据视觉定位单元的测量结果，进行坐标转换，将提取的特征点坐标转换成定位测量路径。
步骤4，视觉定位单元检测焊缝位置，进行粗定位，生成机器人行走轨迹。该步骤的定位精度在cm级。机器人焊接单元接收测量指令，使得视觉单元按照实际定位测量路径进行自动扫描测量，并输出三维点云信息，最终通过坐标转换解算出各关键特征点空间坐标值。
其中，视觉定位单元自动扫描测量并解算关键特征点空间坐标值的算法，具体操作步骤如下：
(1)根据定位测量路径，控制机器人焊接单元引导视觉定位单元工作；
(2)控制视觉定位单元，采集待焊接工件的图像信息；
(3)对采集的图像信息进行处理，利用视差图获得待测工件的三维点云数据；
(4)对三维点云进行处理，利用深度学习卷积神经网络的算法，提取点云中的焊缝特征；
(5)对焊缝特征进行拟合处理，获取焊缝的起始点和终止点坐标；
(6)坐标转换，将焊接的起始点和终止点坐标转换到焊接机器人坐标系下。
步骤5，根据步骤4生成的粗定位路径，移动龙门行走单元，使得焊枪和末端的线阵激光传感器到每条焊缝的初始位置。
步骤6，根据步骤4生成的定位路径，处理单元通过实际特征测量坐标并根据线阵激光传感器实际测量的结果进行理论焊接路径校正，最终形成实际的焊接规划路径，在人机交互工作台处支持人工通过模拟焊接路径判断焊接任务是否正确无误，进而执行实际焊接任务。该步骤的定位精度在um级。具体操作步骤如下：
(1)将线阵激光传感器测量的结果对步骤4定义的焊接作业路径进行校正，生成实际的焊接作业路径及焊接质量检测路径；
(2)将处理的结果通过交互界面显示给用户进行确认；
(3)用户可以通过模拟焊接操作验证测量结果的准确性；
(4)如果步骤(3)正确，用户通过实际焊接操作启动焊接机器人工作；
(5)控制焊接机器人沿校正后的实际焊接路径进行运动，引导机器人运动到焊缝的起始点进行起弧，根据电流反馈判断起弧是否成功；如果起弧成功执行步骤(6)，如果起弧识别报警提醒用户检修；
(6)起弧成功后，控制柔性焊接机器人沿实际焊接接路径运动，到焊缝终止点进行灭弧，完成焊接作业。

Claims (6)

1.一种大型钢构智能焊接引导系统，其特征在于，包括：
龙门行走单元，用于固定和移动机器人焊接单元和视觉定位单元、激光引导单元，能够进行水平方向的移动；
机器人焊接单元，包括机器人和焊接设备，能精确执行焊接命令，在焊接枪头运行至精确位置后开始焊接；
视觉定位单元，包括工业摄像机和图像采集电路，其作用焊缝捕捉、焊缝位置粗定位与引导；
激光引导单元，含有一个线阵激光传感器，能进行精确定位并引导焊枪进行焊接；
处理单元，进行整个系统的逻辑处理、数据处理、数据存储、运动控制，负责指导整套系统有序工作；
工作台单元，用于放置待焊接工件。
2.根据权利要求1所述的引导系统，其特征在于，视觉定位单元的定位精度为1厘米，激光引导单元的定位精度为1微米。
3.根据权利要求1所述的引导系统，其特征在于，在视觉定位单元进行焊缝位置粗定位后，龙门行走单元将焊接枪头和激光引导单元指引至焊缝起始位置，然后激光引导单元进行精确定位，并引导焊枪进行精确的焊缝跟踪和焊接。
4.根据权利要求1所述的引导系统，其特征在于，机器人焊接单元设有碰撞避让与碰撞检测的空间位置关系，避免与待焊工件等部件相撞。
5.根据权利要求1所述的引导系统，其特征在于，视觉定位单元在每一个待焊接工件放置完成之后，对工件进行识别，并判断该焊接工件是否存在定位测量路径；该操作使得系统在焊接同类工件时减少工作量、提高焊接效率。
6.根据权利要求1所述的引导系统，其特征在于，工作台单元包括多功能焊接工作台，可以对不同种类焊接工件进行夹持焊接。
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