CN112223292A - 结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统，包括：六轴机器人；通过电机支架安装在所述六轴机器人的末端执行器上的打磨电机，在所述打磨电机的输出轴上固定有打磨轮；其还包括：通过相机支架安装在所述电机支架上的视觉装置以及变频器、控制柜和工控机，视觉装置包括激光线扫描装置和视觉测量单元；激光线扫描装置发出激光线扫描焊缝，视觉测量单元识别焊缝轮廓，提取焊缝高度特征点，打磨过程中视觉装置不断向六轴机器人发送焊缝特征点坐标，实现了打磨过程中轨迹和高度的实时调整。本发明实现了打磨过程中轨迹和高度的实时调整，克服了传统试教获取轨迹过程中的操作繁琐、耗时、耗力等问题方法，实现了真正意义上的智能磨抛。

Description

结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统
技术领域
本发明涉及一种工业机器人自动化在线打磨领域的技术，具体设计结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统。
背景技术
金属焊接成型技术以其连接性能好、强度高、用料少、工艺简单等优点，被广泛运用在各类结构件的成型过程中。而焊后焊接毛刺、凸痕、焊道不均匀等现象的出现大大降低了工件间的连接强度，其疲劳能力也随之下降。因此为改善其焊接后的性能，在焊接完成后对焊接区域进行磨抛处理显得尤其重要。
目前大都采用传统的手工磨抛，人工操作存在效率低、磨抛质量不稳定、成本高等问题，且磨抛环境下的粉尘还会危害身体，传统的机器人焊缝磨抛需要对每一个工件进行试教处理，过程繁琐、复杂，影响加工效率，且在实际的焊缝磨抛过程中常常因为存在焊缝变形、变错边以及工件加工装配误差等因素造成各焊缝位置和尺寸不一致，导致焊缝磨抛与机器人示教路径有偏差，使得磨抛质量难以保证，因此迫切需要对焊缝的智能磨抛的研究与实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于结构间传统的手工磨抛，人工操作存在效率低、磨抛质量不稳定、成本高等问题,而提供一种结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统。
本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：
结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统，包括：
六轴机器人；
通过电机支架安装在所述六轴机器人的末端执行器上的打磨电机，在所述打磨电机的输出轴上固定有打磨轮；其特征在于，还包括：
通过相机支架安装在所述电机支架上的视觉装置，所述视觉装置包括激光线扫描装置和视觉测量单元；所述激光线扫描装置发出激光线扫描焊缝，所述视觉测量单元识别焊缝轮廓，提取焊缝高度特征点，打磨过程中视觉装置不断向六轴机器人发送焊缝特征点坐标，实现了打磨过程中轨迹和高度的实时调整；
变频器，所述变频器与所述打磨电机控制连接，用于控制电机的转速；
控制柜，所述控制柜与所述变频器控制连接；
工控机，所述工控机通过交换机、阀岛与所述六轴机器人、视觉装置以及控制柜通讯连接；在所述工控机上设置有显示器并写入有机器人通讯软件包；所述阀岛集成了信号的输入/输出及信号的控制。
在本发明的一个优选实施例中，所述六轴机器人为KUKA六轴机器人，型号是KR210R2700EXTRA。
在本发明的一个优选实施例中，所述控制柜的型号KRC4。
在本发明的一个优选实施例中，所述阀岛的型号是VV5QC4106C10SD6F2N。
在本发明的一个优选实施例中，所述打磨电机的型号是AC motor DRE100M2/FL/LN，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，驱动所述打磨轮旋转运动。
在本发明的一个优选实施例中，所述的变频器型号是
Figure BDA0002735894510000021
-FCMTF11A022503-E21A-11/MTA11A-503-S623-D01-00,用于控制电机的转速。
在本发明的一个优选实施例中，所述视觉测量单元为3D视觉测量单元，包括LJ-G20测量头、LJ-GC10专用线缆、LG-G5001视觉控制器，所述LJ-G20测量头通过LJ-GC10专用线缆与LG-G5001视觉控制器连接，所述的LG-G5001视觉控制器通过交换机、阀岛与所述工控机通讯连接，所述的LG-G5001视觉控制器通过LGH1W接口软件控制LJ-G20测量头，用于提取焊缝轮廓和焊缝高度。
在本发明的一个优选实施例中，所述的交换机型号是Siemens SCALANCEX108PoE。
由于采用了如上的技术方案，本发明的结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统实现了打磨过程中轨迹和高度的实时调整，克服了传统试教获取轨迹过程中的操作繁琐、耗时、耗力等问题方法，实现了真正意义上的智能磨抛。
本发明结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统与现有技术相比，具有以下优点:
1)通过六轴机器人和视觉测量单元信号的实时交换，实现了磨抛轨迹和磨抛高度的在线调整，解决了焊缝磨抛过程中的自适应问题，能够适应不同环境和焊缝形状。
2)能够替代目前传统的试教磨抛焊缝的方式，克服了传统试教机器人磨抛耗时、耗力等问题。
3)用工控机代替高性能服务器，节约成本。
4)该方法解决了对工件高定位精度的要求，降低了打磨过程中的装夹误差。
附图说明
图1为本发明结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统的三维模型示意图。
图2为本发明结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统中的打磨电机、电机支架、相机支架、视觉装置的组装示意图。
图3为本发明结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统进行手眼标定方法的示意图。
图4为本发明结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统实时调整打磨轨迹流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式来进一步描述本发明。
参见图1和图2，图中所示的结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统，包括一六轴机器人1，该六轴机器人1为KUKA六轴机器人，型号是KR210R2700EXTRA。当然也局限于KUKA六轴机器人，其余的六轴机器人均可以。
在六轴机器人1的末端执行器1a上通过电机支架3安装有打磨电机2，打磨电机2和电机支架3构成打磨系统。
在打磨电机2的输出轴上固定有打磨轮4。打磨电机2的型号是AC motorDRE100M2/FL/LN，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，驱动打磨轮4旋转运动。
变频器(图中未示出)与打磨电机2控制连接，变频器型号是
Figure BDA0002735894510000041
-FCMTF11A022503-E21A-11/MTA11A-503-S623-D01-00,用于控制打磨电机2的转速。
变频器与控制柜(图中未示出)控制连接，控制柜的型号KRC4。
视觉装置7通过相机支架5安装在电机支架3上，视觉装置7包括激光线扫描装置和视觉测量单元；激光线扫描装置发出激光线6扫描结构件9上的焊缝8，视觉测量单元识别焊缝8轮廓，提取焊缝8高度特征点，打磨过程中视觉装置7不断向六轴机器人1发送焊缝特征点坐标，实现了打磨过程中轨迹和高度的实时调整。
视觉测量单元为3D视觉测量单元，包括LJ-G20测量头、LJ-GC10专用线缆、LG-G5001视觉控制器，所述LJ-G20测量头通过LJ-GC10专用线缆与LG-G5001视觉控制器连接，所述的LG-G5001视觉控制器通过交换机、阀岛与所述工控机通讯连接，所述的LG-G5001视觉控制器通过LGH1W接口软件控制LJ-G20测量头，用于提取焊缝轮廓和焊缝高度。
工控机通过交换机、阀岛与六轴机器人1、视觉装置7以及控制柜通讯连接；在工控机上设置有显示器并写入有机器人通讯软件包；阀岛的型号是VV5QC4106C10SD6F2N，集成了信号的输入/输出及信号的控制；交换机型号是Siemens SCALANCE X108PoE。
如图3和图4所示，本发明结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统的操作方法具体步骤如下:
步骤1:将视觉装置7、打磨系统安装于六轴机器人1本体上，通过手眼标定，确定六轴机器人1的坐标与视觉装置7的坐标转化关系。具体为：利用三点法确定打磨轮4的坐标，通过控制六轴机器人1末端执行器，使视觉装置7在不同位置，不同姿态扫描小球轮廓，得到视觉装置7的坐标和六轴机器人1的坐标的手眼变化矩阵。
所述的手眼标定矩阵为：利用视觉装置7固定在六轴机器人1末端执行器上，即视觉装置7坐标系与六轴机器人1末端执行器坐标系之间关系为一恒定值的原理来完成六轴机器人1基坐标系与视觉装置7坐标系之间的标定。
首先手动控制六轴机器人1以只平移不旋转的方式运动，使视觉装置7扫描陶瓷标准球并求取球心在视觉装置7坐标系下的空间坐标，根据球心坐标不变的约束条件可列方程组，对矩阵进行奇异值分解求取手眼矩阵中的旋转矩阵部分；然后六轴机器人1带动视觉装置7以任意位姿运动，同样用激光线扫描装置扫描标准球，然后利用最小二乘法求解出手眼矩阵的平移矩阵部分。
本发明中所求手眼关系矩阵为
Figure BDA0002735894510000051
其中Rc为旋转矩阵部分可采用一组单位四元数(Q0，Q1，Q2，Q3)来表示。
步骤2:在视觉装置7中进行焊缝模板注册、测量高度校准和零点标定。具体为：激光线扫描装置发出的激光扫面焊缝8表面，将得到的焊缝图像注册到视觉装置7中，在此基础上设定较大的搜索范围和跟踪范围，利用已知高度的物体，进行测量高度校准，并在打磨轮4接触的位置进行零点标定。
步骤3:通过Enthercat建立六轴机器人1、视觉装置7、工控机之间的通讯，分别在六轴机器人1和视觉装置7上创建接受、发送信号的端口。
所述的通讯实现程序为：
RET＝EKI_init(“XmlCallBack”)；RET＝EKI_Open(“XmlCallBack”)。
所述XmlCallBack为接收信号的端口名称。
步骤4:所述的信号传输通过工控机机控制实现。
步骤5:设置视觉装置7操作界面，基于C#语言和opencv视觉算法库，调用采集到点云数据的动态链接库，处理得到焊缝高度、宽度、中心点偏移量等特征信息。
所述的高度信息获取为：利用C#编写程序，调用激光线扫描装置采集焊缝8轮廓后生成的DLL文件，设置好焊缝8搜索区域和基准面搜索区域，分别计算各搜索区域的激光线高度差，获得焊缝8轮廓平均高度和峰值高度信息。
所述的宽度信息获取为：利用C#编写程序，调用激光线扫描装置采集焊缝8轮廓后生成的DLL文件，设置好焊缝8起始搜索区域和终止搜索区域，分别提取各区域内高低差突变的两点，并计算两点之间的距离，得到焊缝宽度信息。
所述的中心点坐标获取为：在求得上述焊缝8宽度和高度信息的基础上，得到整条焊缝8轮廓信息，调用OPencv算法库函数得到焊缝轮廓中心点坐标，进一步求得磨抛过程中焊缝中心点坐标相对于起始位置的偏移量。
步骤6:创建六轴机器人1运动起始点，并将打磨轮4移动到结构件8焊缝9磨抛的开始点。
步骤7:变频器调整打磨轮4转速，六轴机器人1慢慢靠近焊缝8起始点。
步骤8:激光线扫描装置的激光线扫描焊缝8，视觉装置7识别焊缝8轮廓，获得焊缝8轨迹特征点，等待六轴机器人1发送信号。
步骤9:六轴机器人1发送数值为1的信号，端口接收信号后，视觉装置7将此刻提取的特征点坐标反馈给六轴机器人1，将特征点数据设置为工具坐标系，机器人在此工具坐标系的坐标下进行运动。
所述的工具坐标系1设置程序为：
tool_data[1]＝tool_data[1]:valueframe；tool_data[1]＝tool_data[1]:{x0,y 0,z 0,a 0,b 0,c 0}。
所述valueframe为提取的焊缝8特征点坐标值
步骤10:下一时刻，六轴机器人1运动到视觉系统反馈的位置坐标，并继续向视觉装置7发送信号，重复上述步骤。
所述的六轴机器人1运动程序为：
LIN P4 Vel＝0.05m/s CPDAT Tool[1]Base[0]。
步骤11:机器人完成焊缝的磨抛作业，并清除工控机发送的数据，回到Home点。
所述的机器人清除数据程序为：
RET＝EKI_close(“XmCallBack”)；RET＝EKI_clear(“XmCallBack”)。
本发明实验对象是石油运输管焊缝，通过实际实验，视觉算法在Windows10操作系统环境下，采用c#语言编写实现，平均处理时间在10s，运行内存450MB。最终的焊缝厚度和位置识别精度在0.001mm之内。
与现有技术相比，本方法实现了打磨过程中在线调整轨迹和磨削深度。提高了处理速度和识别精度，能够适应不同焊缝形状和焊缝位置的磨抛，减少了人工的干涉，大大提高了生产效率。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统，其特征在于，包括：
六轴机器人；
通过电机支架安装在所述六轴机器人的末端执行器上的打磨电机，在所述打磨电机的输出轴上固定有打磨轮；其特征在于，还包括：
通过相机支架安装在所述电机支架上的视觉装置，所述视觉装置包括激光线扫描装置和视觉测量单元；所述激光线扫描装置发出激光线扫描焊缝，所述视觉测量单元识别焊缝轮廓，提取焊缝高度特征点，打磨过程中视觉装置不断向六轴机器人发送焊缝特征点坐标，实现了打磨过程中轨迹和高度的实时调整；
变频器，所述变频器与所述打磨电机控制连接，用于控制电机的转速；
控制柜，所述控制柜与所述变频器控制连接；
工控机，所述工控机通过交换机、阀岛与所述六轴机器人、视觉装置以及控制柜通讯连接；在所述工控机上设置有显示器并写入有机器人通讯软件包；所述阀岛集成了信号的输入/输出及信号的控制。
2.如权利要求1所述的结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统，其特征在于，所述六轴机器人为KUKA六轴机器人，型号是KR210R2700EXTRA。
3.如权利要求1所述的结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统，其特征在于，所述控制柜的型号KRC4。
4.如权利要求1所述的结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统，其特征在于，所述阀岛的型号是VV5QC4106C10SD6F2N。
5.如权利要求1所述的结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统，其特征在于，所述打磨电机的型号是AC motor DRE100M2/FL/LN，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，驱动所述打磨轮旋转运动。
6.如权利要求1所述的结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统，其特征在于，所述的变频器型号是：
Figure FDA0002735894500000011
-FCMTF11A022503-E21A-11/MTA11A-503-S623-D01-00,用于控制电机的转速。
7.如权利要求1所述的结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统，其特征在于，所述视觉测量单元为3D视觉测量单元，包括LJ-G20测量头、LJ-GC10专用线缆、LG-G5001视觉控制器，所述LJ-G20测量头通过LJ-GC10专用线缆与LG-G5001视觉控制器连接，所述的LG-G5001视觉控制器通过交换机、阀岛与所述工控机通讯连接，所述的LG-G5001视觉控制器通过LGH1W接口软件控制LJ-G20测量头，用于提取焊缝轮廓和焊缝高度。
8.如权利要求1所述的结构件焊缝智能磨抛机器人在线打磨系统，其特征在于，所述的交换机型号是Siemens SCALANCE X108PoE。
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