CN113119122B

CN113119122B - 一种机器人焊接系统的混合离线编程方法

Info

Publication number: CN113119122B
Application number: CN202110388393.8A
Authority: CN
Inventors: 郑晨; 吴浩宇
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2021-04-10
Filing date: 2021-04-10
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2041-04-10
Also published as: CN113119122A

Abstract

本发明公开了一种机器人焊接系统的混合离线编程方法，首先标定机器人焊接系统的坐标系，生成相应的标定文件；接下来通过基于视觉的活动，进行工件定位，获得工件点云；然后通过基于CAD的活动，采集工件的几何特征，生成焊接路径；最后通过视觉与CAD的交互活动，构建工件点云与几何特征之间的映射关系，检测实际焊缝与模型焊缝的偏差，利用偏差检测结果，对焊接路径进行补偿，生成最终的焊接程序。本发明方法可以显著提高机器人焊接系统的效率、精度和灵活性。

Description

一种机器人焊接系统的混合离线编程方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种混合离线编程方法。

背景技术

机器人焊接系统以其较高的生产效率、较好的焊接质量和较长的工作时间在造船企业中发挥着越来越重要的作用。然而，很长一段时间以来，机器人焊接系统的编程一直被认为是一项具有挑战性的任务，因为它需要特定的工程专业知识。为了克服这一挑战，目前大多数机器人焊接系统都开发并实现了在线和离线两种编程模式，实现了自动编程。在线编程通常采用教学编程方法来实现。这样的教学编程方法总是很耗时，因为机器人系统需要由操作员手动控制来实现一系列所需的动作。此外，如果加工一个新的工件，应该编写一个全新的程序。因此，在线编程模式已不适合当前的造船工业，因为船舶的工件种类繁多，批量小，可能会严重降低编程效率。

离线编程是通过软件在虚拟三维场景中仿真与调整机器人运动轨迹，最终生成程序传输给机器人。离线编程一方面可实现远程编程，便于修改机器人程序，避免一些危险事故，另一方面能够完成机器人性能及轨迹的优化。因此，采用离线编程的方式可大幅提高工作效率与质量。离线编程是一种直观、自动的编程生成技术，无需使用真正的机器人系统，从而大大减少了系统编程所需的停机时间，为用户节省了大量成本。目前，离线编程在机器人焊接系统中得到了广泛的应用，该技术一般分为两种类型，基于CAD的离线编程方法和基于视觉的离线编程方法。

基于CAD的机器人焊接离线编程的关键步骤包括：CAD模型创建、工艺定义、工艺规划、轨迹规划、标定和后处理。然而，考虑船舶工业的应用场景，金属工件的预装配过程往往会存在装配误差。这种误差有时是可以允许的，因为船舶装配过程不需要很高的精度。然而，它会导致工件焊缝与CAD模型焊缝之间的偏差。基于CAD的离线编程方法采用工件的CAD模型直接确定机器人的运动，不考虑上述偏差。因此，机器人很难在工件上期望的起点引弧，这可能会对船舶造成严重的质量缺陷。

基于视觉的离线编程方法利用不同类型的视觉传感器捕获工件的几何特征并生成程序。在焊接领域，研究人员提出了多种确定机器人运动的焊缝识别技术，其中主动激光视觉被认为是最有效的方法。与基于CAD的离线编程方法相比，基于视觉的离线编程方法节省了创建工件CAD模型的时间。然而，该方法的性能对焊接部件的图像处理质量和复杂程度高度敏感。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种机器人焊接系统的混合离线编程方法，首先标定机器人焊接系统的坐标系，生成相应的标定文件；接下来通过基于视觉的活动，进行工件定位，获得工件点云；然后通过基于CAD的活动，采集工件的几何特征，生成焊接路径；最后通过视觉与CAD的交互活动，构建工件点云与几何特征之间的映射关系，检测实际焊缝与模型焊缝的偏差，利用偏差检测结果，对焊接路径进行补偿，生成最终的焊接程序。本发明方法可以显著提高机器人焊接系统的效率、精度和灵活性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：标定机器人焊接系统的坐标系，包括世界坐标系、焊枪坐标系、CCD视觉坐标系、机架坐标系、法兰坐标系、龙门坐标系、工件坐标系和不动点坐标系；得到上述坐标系之间的变换矩阵，生成标定文件；

步骤2：在基于视觉的活动中，进行工件定位，获得工件点云；

通过CCD捕捉工件几何特征，并基于步骤1得到的包含CCD坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵的标定文件实现工件定位；

采用主动激光视觉捕捉工件的几何特征，通过CCD捕获主动激光视觉投射到工件表面的线激光，得到线激光生成图像，从而提取工件几何特征，得到工件点云；

步骤3：在基于CAD的活动中，根据工件的CAD模型规划焊接路径；

通过CAD软件导出格式为DXF、SPF和CSV的三种文件；DXF文件存储工件的CAD数据，SPF文件存储焊缝参数，CSV文件存储拼接形成焊缝的工件信息；DXF、SPF和CSV三种文件构成工件的CAD模型，根据CAD模型，机器人焊接系统自动生成焊接路径；

步骤4：实现基于视觉和基于CAD的离线编程方法之间的交互，完成焊接路径补偿；

步骤4-1：构建工件点云与工件CAD模型之间的映射关系；

步骤4-2：将工件CAD模型离散成三维网格，创建样本点；

步骤4-3：将样本点对应特征存储在哈希表中并建立索引；

步骤4-4：通过访问哈希表的键对工件CAD模型和工件点云进行匹配，识别出需要焊接的工件，并检测工件实际焊缝与CAD模型焊缝之间的偏差；

步骤4-5：根据工件实际焊缝与CAD模型焊缝之间的偏差对焊接路径进行补偿，生成最终的焊接程序。

优选地，所述工件几何特征包括焊缝长度、宽度和位置。

本发明的有益效果如下：

本发明系统地结合了基于CAD和基于视觉的离线编程方法，帮助用户克服了传统程序自动生成方法的局限性，该方法可以显著提高机器人焊接系统的焊接效率、精度和灵活性，通过实验验证了该方法的有效性。

附图说明

图1为本发明提出的混合离线编程方法框架图。

图2为本发明基于视觉活动中的工件定位过程示意图。

图3为本发明基于CAD的交互活动过程框架图。

图4为本发明基于视觉和基于CAD的交互活动过程框架图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提出了一种将基于CAD和基于视觉的离线编程方法系统地结合起来的混合离线编程方法。一方面，模糊焊缝的几何特征是视觉传感器无法检测到的，可以通过CAD模型进行补充。另一方面，由于装配误差引起的工件与CAD模型之间的偏差可以通过视觉传感器检测出来。混合离线编程方法克服了目前机器人焊接系统程序自动生成方法的局限性。

本发明方法包括三种类型的活动，即基于视觉的活动、基于CAD的活动和视觉与CAD交互的活动。基于视觉的活动可以利用视觉传感器捕捉到的工件图像来获取工件的位置，基于CAD的活动可以根据工件的CAD模型规划焊接路径。基于视觉与CAD交互活动实现了两种离线编程方法之间的交互，该活动能识别需要焊接的工件，检测装配误差引起的偏差，并利用偏差检测结果，最终实现对焊接路径的补偿。

如图1所示，一种机器人焊接系统的混合离线编程方法，包括以下步骤：

通过CCD捕捉工件几何特征，并基于步骤1得到的包含CCD坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵的标定文件实现工件定位，如图2所示；

采用主动激光视觉捕捉工件的几何特征，通过CCD捕获主动激光视觉投射到工件表面的线激光，得到线激光生成图像，从而提取工件的焊缝长度、宽度和位置等几何特征，得到工件点云；

步骤3：如图3所示，在基于CAD的活动中，根据工件的CAD模型规划焊接路径；

通过CAD软件导出格式为DXF、SPF和CSV的三种文件；DXF文件存储工件的CAD数据，SPF文件存储焊缝参数，CSV文件存储拼接形成焊缝的工件信息；DXF、SPF和CSV三种文件构成工件的CAD模型，基于CAD模型规划焊接路径；

步骤4-1：构建工件点云与工件CAD模型之间的映射关系，两者之间的交互活动过程如图4；

步骤4-2：将工件CAD模型离散成三维网格，创建样本点，以减小点云的大小，提高计算效率；

步骤4-3：将样本点对应特征存储在哈希表中并建立索引；

将本发明的编程方法集成到一个分装配焊接机器人系统中，验证了该方法的有效性，实验结果表明，本发明方法可以显著提高机器人焊接系统的焊接效率、精度和灵活性。

Claims

1.一种机器人焊接系统的混合离线编程方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤4-1：构建工件点云与工件CAD模型之间的映射关系；

步骤4-2：将工件CAD模型离散成三维网格，创建样本点；

步骤4-3：将样本点对应特征存储在哈希表中并建立索引；

2.根据权利要求1所述的一种机器人焊接系统的混合离线编程方法，其特征在于，所述工件几何特征包括焊缝长度、宽度和位置。