CN113385869A - 基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备及焊缝定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人焊接领域，开发了一种大型方格子构件机器人焊接装备及焊缝定位的方法。所述方法包括：龙门架棋盘式运动采集并处理方格子构件局部图像，最终拼接出构件整体图像，实现图像坐标系与龙门架坐标系的转换。采用三点法在方格子的角点建立机器人的工件坐标系，记录三种典型焊缝的示教轨迹和焊枪姿态，完成机器人焊接系统的标定工作。在上位机读取构件图像并进行图像处理，求出方格子中心在龙门架坐标系下的坐标，为龙门架定位格子中心提供准确的位置信息。同时，调用前述示教的焊缝轨迹与焊枪姿态，计算方格子中目标焊缝与示教焊缝的偏移量和偏移方向，自主生成目标焊缝的运动轨迹，避免机器人对焊缝的遍历示教，实现机器人数字化焊接。

Description

基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备及焊缝定位 方法
技术领域
本发明属于机器人焊接技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备及焊缝定位方法。
背景技术
大型方格子构件是船舶、列车和工程机械等大型装备核心部件的重要组成部分，其焊接质量直接决定大型装备的服役性能和使用寿命。方格子构件内部遍布纵横交错、尺寸不一、类型多样的空间角焊缝，同时，受焊件下料误差和点焊拼装误差等因素的影响，空间角焊缝轨迹复杂多变，焊接难度大，常规机器人示教-在线的焊接方法日益难以满足大型方格子构件机器人自动化焊接的制造需求。
有鉴于此，本发明专利开发了一种针对大型方格子构件的龙门机器人焊接装备，研究基于机器视觉的图像拼接及特征提取方法，计算方格子中心坐标；记录枪缝空间关系的焊枪姿态，计算目标焊缝相对示教焊缝的偏移，实现空间角焊缝的少示教定位。改变大型方格子构件机器人逐条示教逐条焊接的加工方式，解决生产效率低、焊接质量低、劳动强度大等共性问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备及定位方法。为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备，包括工控机、机器人、动梁式龙门架、CCD相机和焊机，所述机器人底座固定在所述动梁式龙门架上，CCD相机安装于所述机器人侧面，所述动梁式龙门架可分别带动所述机器人横向和纵向运动，焊机的焊枪与所述机器人连接；
所述工控机通过以太网与机器人通讯，工控机将轨迹参数发送给机器人，并接收机器人的位姿参数，工控机通过以太网与动梁式龙门架通讯，工控机将G代码发送到动梁式龙门架的控制系统，并接收动梁式龙门架的寄存器指令，机器人通过以太网与焊机通讯，机器人将焊接参数下发到焊机，并了解焊机的状态。
一种基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备的焊接定位方法，其具体步骤如下：
S1.通过机器人焊接装备实现系统标定，建立龙门架坐标系，在龙门架坐标系下采用棋盘式运动采集并拼接出方格子构件图像，建立方格子构件图像坐标系；
S2.在大型构件中任选一方格子，在所选方格子的角点建立机器人的工件坐标系；
S3.在机器人的工件坐标系下，对方格子横缝、纵缝和立缝分别示教，记录三种典型焊缝的示教轨迹和焊枪姿态；
S4.在上位机中选择目标方格子，求出所选方格子在图像坐标系下中心坐标，通过坐标转换，计算该方格子中心在龙门架坐标系下的坐标，动梁式龙门架定位目标方格子中心位置；
S5.上位机选择目标方格子的焊缝，确定焊缝类型；计算目标焊缝的起点和终点相对示教焊缝终点的偏移量和偏移方向，生成目标焊缝的运动轨迹，实现机器人对该焊缝的定位。
进一步，所述步骤S1中，其具体步骤包括：建立龙门架的坐标系为OL-XLYL，CCD相机沿着龙门架的X轴和Y轴扫描运动，间歇移动1次局部拍照1次，直至龙门架的工作幅面全部拍照完成，获得方格子构件的所有局部图像，对当前局部图像和上个局部图像进行图像预处理，并分别作为参考图像和目标图像，在参考图像中截取与目标图像的近似区域，将该区域作为模板图像，计算目标图像与模板图像的匹配结果，设定匹配阈值，若匹配结果小于阈值，则在参考图像重新截取近似区域并再次完成匹配；若匹配结果大于等于阈值，则表明匹配合理，目标图像与模板图像存在近似区域，在两幅图像中标记重合区域，实现图像融合与边界平滑，最终拼接出新的图像，建立方格子构件图像坐标系，坐标原点为图像的左下角点，图像坐标系的x轴与龙门架坐标系的X轴平行，图像坐标系的y轴与龙门架坐标系的Y轴平行。
进一步，所述步骤S2中，具体步骤包括：在方格子构件中任选一个方格子，在所选方格子的3条典型焊缝即横缝、纵缝和立缝的交点选择1个角点，调整机器人的姿态并让焊丝恰好触碰该点，即为第1示教点，亦为机器人的工件坐标系原点O；示教机器人沿横缝方向移动一段距离到第2示教点，则第1和第2示教点连线方向为机器人的工作坐标系X轴正向；示教机器人沿纵缝方向移动一段距离到第3示教点，则第1和第3示教点连线方向为机器人的工作坐标系Y轴正向；根据右手法则，可求出Z轴正向，由此，在方格子的角点建立机器人的工件坐标系。
进一步，所述步骤S3中，具体步骤包括：根据横缝与焊枪的空间关系，调整适应横缝起点的焊枪姿态，并让焊枪沿着机器人的工作坐标系X轴正向运动，运动过程中逐渐调整焊枪姿态，直至运动到横缝终点时，焊枪姿态调整完毕，记录焊枪对横缝示教的运动轨迹s0；根据纵缝与焊枪的空间关系，调整适应纵缝起点的焊枪姿态，并让焊枪沿着机器人的工作坐标系Y轴正向运动，直至运动到纵缝终点,记录焊枪对纵缝示教的运动轨迹s1；根据立缝与焊枪的空间关系，调整适应立缝起点的焊枪姿态，并让焊枪沿着机器人的工作坐标系Z轴正向运动，直至运动到立缝终点，记录焊枪对立缝示教的运动轨迹s2。
进一步，所述步骤S4中，具体步骤包括：上位机读取方格子构件拼接图像，在拼接图像中选择目标方格子，由图像处理算法求出目标方格子的4个角点坐标，进一步地，由4个角点坐标求出目标方格子中心坐标，此坐标为图像坐标系下的坐标，通过坐标变换，计算目标方格子中心在龙门架坐标系下的坐标，为龙门架定位格子中心提供准确的位置信息。
进一步，所述步骤S5中，具体步骤包括：在上位机选择当前格子的焊缝，确定焊缝类型，调用前述示教的与之相同焊缝类型的焊缝轨迹与焊枪姿态，计算目标焊缝的起点相对示教焊缝起点的偏移量和偏移方向，计算目标焊缝的终点相对示教焊缝终点的偏移量和偏移方向，调节机器人的焊枪姿态，生成目标焊缝的运动轨迹，实现机器人对该焊缝的准确定位。
附图说明
图1为大型方格子构件机器人焊接装备组成图
图2为龙门架棋盘式扫描运动示意图
图3为龙门架棋盘式扫描运动流程图
图4为拼接图像示意图
图5为图像拼接技术流程图
图6为三点法建立机器人的工件坐标系
图7为机器人对三种典型焊缝的焊枪姿态
图8为焊缝定位工作原理图。
图中，1-动梁式龙门架，2-方格子构件，3-机器人，4-CCD相机，5-焊枪。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案和具体实施方式进行清楚和完整地描述。
图1为大型方格子构件机器人焊接装备原理图，包括由工控机、动梁式龙门架1、机器人3、焊机。工控机通过以太网与动梁式龙门架1通讯，能发送G代码到龙门架的运动控制系统，且能读取该控制系统的寄存器指令，动梁式龙门架1运行G代码定位构件的方格子。工控机通过以太网与机器人3通讯，能读取机器人3的位姿参数(各轴角度)，且将轨迹参数(焊缝端点偏移量和偏移方向)发送到机器人3控制器，根据方格子构件2角焊缝的类型(横缝、纵缝和立缝)，调节机器人3的焊枪姿态且定位焊缝。同时，机器人3通过以太网与焊机通讯，将焊接参数发送到焊机且能读取焊机的焊接状态。
图2和图3分别为龙门架棋盘式扫描运动的示意图和流程图，龙门架的坐标系为OL-XLYL，沿X向和Y向分别扫描运动，利用CCD相机4对大型方格子构件2局部拍照成像。其具体实施步骤为：龙门架携相机和机器人3沿X轴正向间歇式移动，每次移动距离均为1个固定步长，且每移动1次均局部拍照1次，直至X轴第1行拍照完成。进一步地，龙门架携相机和机器人3沿Y轴正向移动1个固定步长，开始对X轴第2行局部拍照，沿X轴反向间歇式移动固定步长，且每移动1次均局部拍照1次，直至X轴第2行拍照完成，以此类推，对X轴最末行拍照完成。
图4和图5分别为拼接图像示意图和图像拼接技术流程图，在前述龙门架棋盘式扫描运动过程中，每拍照1次获得1张局部图像，则整个大型方格子构件2的图片由若干个局部图像组成。图像拼接技术的流程为，首先分别对当前局部图像和上个局部图像进行预处理(包括中值滤波、对比度调节和二值化处理等)，将其分别作为参考图像和目标图像；然后从参考图像中截取出与目标图像近似的区域，并将该区域作为模板图像，采用归一化互相关的模板匹配方法，让模板图像在目标图像中以像素原点为起点，从左到右，从上到下的平移滑动，每滑动1次，计算模板图像与目标图像子图(模板图像在目标图像中盖住的部分)的匹配结果；设定归一化互相关系数阈值，若匹配结果大于等于阈值，则表明两幅图像在该区域有较大的重合，标记出两幅图像的重合区域；若匹配结果小于阈值，则需要在参考图像中重新截取近似区域，然后再完成匹配。进一步地，采用图像融合算法，将两幅图像进行融合，删除冗余的像素，完成图像拼接形成新的图像。
图6为采用三点法建立机器人的工件坐标系，其具体实施步骤为，任意选择如图所示方格子的角点O作为机器人3的第1示教点，在该方格子的横缝上选择机器人3的第2示教点，同时，在该方格子的侧面上选择机器人3的第3示教点，经过机器人控制器的计算，自动生成机器人3的工件坐标系O-X工件Y工件Z工件。该机器人工件坐标系的3个坐标轴分别与方格子横缝、纵缝和立缝重合，可确保机器人3焊接其他方格子时，无需过多调整机器人3的姿态。
图7为机器人对三种焊缝焊枪姿态，其具体实施步骤为：在机器人的工件坐标系下，根据横缝s0与焊枪5的空间关系，调整适应横缝起点a0的焊枪姿态(焊丝指向a0点且焊枪朝向右侧板)，然后焊枪5沿着坐标轴OX工件直线运动，运动过程中逐渐调整焊枪姿态以避免焊枪5碰撞到侧壁，焊枪5运动到横缝终点b0时，焊枪姿态调整完毕(焊丝指向b0点且焊枪5朝向左侧板)，记录焊枪5对横缝s0示教的运动轨迹；在机器人的工件坐标系下，根据纵缝s1与焊枪5的空间关系，调整适应纵缝起点a1的焊枪姿态(焊丝指向a1点且焊枪5朝外)，然后焊枪5沿着坐标轴OY工件直线运动，运动到纵缝终点b1时，记录焊枪5对纵缝s1示教的运动轨迹；在机器人的工件坐标系下，根据立缝s2与焊枪5的空间关系，调整适应立缝起点a2的焊枪5姿态(焊丝指向a2点且焊枪5朝外)，然后焊枪5沿着坐标轴OZ工件直线运动，运动到立缝终点b2时，记录焊枪5对纵缝s1示教的运动轨迹。
图8为焊缝定位工作原理图，其具体实施步骤为，首先完成系统标定工作，包括构建龙门架机器人系统，龙门架对方格子构件2棋盘式扫描运动并拍照，拼接方格子构件2的整幅图像，三点法在方格子中建立机器人3的工件坐标系，该坐标系可随着龙门架定位不同的方格子时自动平移，从而每种方格子都建立一个相同的机器人3的工件坐标系。建立工件坐标系后，在工件坐标系下记录示教的焊缝轨迹和焊枪5姿态。建立机器人工件坐标系的目的是为了确保示教的运动轨迹和焊枪5姿态能在每个方格子的焊缝定位中重复使用，避免遍历示教。。然后是系统定位工作的流程，包括上位机读取拼接图像，在拼接图像选择方格子，由图像处理算法求出方格子的4个角点在图像坐标系下的坐标，进一步地，由4个角点坐标求出方格子中心在图像坐标系下的坐标，图像坐标系与龙门架坐标系存在比例变换关系，即图像的单个像素大小在实际物理尺寸大小(mm/pixel)，通过坐标变换，当计算格子中心在龙门架坐标系OL-XLYL下的坐标后，龙门架定位格子中心位置。在上位机选择当前格子的焊缝，确定目标焊缝类型(如横缝)，调用前述示教横缝的焊缝轨迹(起点和终点)和焊枪5姿态，目标横缝与示教横缝的焊枪5姿态一致，计算目标横缝的起点相对示教横缝起点的偏移量和偏移方向，计算目标横缝的终点相对示教横缝终点的偏移量和偏移方向，相关计算参数可通过测量焊件图纸中焊缝位置所得，最终生成目标横缝的运动轨迹和焊枪5姿态，实现机器人3对该横缝的定位。纵缝和立缝与之类似。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备，其特征在于：包括工控机、机器人、动梁式龙门架、CCD相机和焊机，所述机器人底座固定在所述动梁式龙门架上，CCD相机安装于所述机器人侧面，所述动梁式龙门架可分别带动所述机器人横向和纵向运动，焊机的焊枪与所述机器人连接；
所述工控机通过以太网与机器人通讯，工控机将轨迹参数发送给机器人，并接收机器人的位姿参数，工控机通过以太网与动梁式龙门架通讯，工控机将G代码发送到动梁式龙门架的控制系统，并接收动梁式龙门架的寄存器指令，机器人通过以太网与焊机通讯，机器人将焊接参数下发到焊机，并了解焊机的状态。
2.一种基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备的焊缝定位方法，其特征在于：包括权利要求1所述的焊接装备，其具体步骤如下：
S1.通过机器人焊接装备实现系统标定，建立龙门架坐标系，在龙门架坐标系下采用棋盘式运动采集并拼接出方格子构件图像，建立方格子构件图像坐标系；
S2.在大型构件中任选一方格子，在所选方格子的角点建立机器人的工件坐标系；
S3.在机器人的工件坐标系下，对方格子横缝、纵缝和立缝分别示教，记录三种典型焊缝的示教轨迹和焊枪姿态；
S4.在上位机中选择目标方格子，求出所选方格子在图像坐标系下中心坐标，通过坐标转换，计算该方格子中心在龙门架坐标系下的坐标，龙门架定位目标方格子中心位置；
S5.上位机选择目标方格子的焊缝，确定焊缝类型，计算目标焊缝的起点和终点相对示教焊缝起点和终点的偏移量和偏移方向，生成目标焊缝的运动轨迹，实现机器人对该焊缝的定位。
3.如权利要求2所述的一种基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备的焊缝定位方法，其特征在于，所述步骤S1中，其具体步骤包括：建立龙门架的坐标系为OL-XLYL，CCD相机沿着龙门架的X轴和Y轴扫描运动，间歇移动1次局部拍照1次，直至龙门架的工作幅面全部拍照完成，获得方格子构件的所有局部图像，对当前局部图像和上个局部图像进行图像预处理，并分别作为参考图像和目标图像，在参考图像中截取与目标图像的近似区域，将该区域作为模板图像，计算目标图像与模板图像的匹配结果，设定匹配阈值，若匹配结果小于阈值，则在参考图像重新截取近似区域并再次完成匹配；若匹配结果大于等于阈值，则表明匹配合理，目标图像与模板图像存在近似区域，在两幅图像中标记重合区域，实现图像融合与边界平滑，最终拼接出新的图像，建立方格子构件图像坐标系，坐标原点为图像的左下角点，图像坐标系的x轴与龙门架坐标系的X轴平行，图像坐标系的y轴与龙门架坐标系的Y轴平行。
4.如权利要求2所述的一种基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备的焊缝定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，具体步骤包括：在方格子构件中任选一个方格子，在所选方格子的3条典型焊缝的交点选择1个角点，调整机器人的姿态并让焊丝恰好触碰该点，即为第1示教点，亦为机器人的工件坐标系原点O；示教机器人沿横缝方向移动一段距离到第2示教点，则第1和第2示教点连线方向为机器人的工作坐标系X轴正向；示教机器人沿纵缝方向移动一段距离到第3示教点，则第1和第3示教点连线方向为机器人的工作坐标系Y轴正向；根据右手法则，可求出Z轴正向，由此，在方格子的角点建立机器人的工件坐标系。
5.如权利要求2所述的一种基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备的焊缝定位方法，其特征在于，所述步骤S3中，具体步骤包括：根据横缝与焊枪的空间关系，调整适应横缝起点的焊枪姿态，并让焊枪沿着机器人的工作坐标系X轴正向运动，运动过程中逐渐调整焊枪姿态，直至运动到横缝终点时，焊枪姿态调整完毕，记录焊枪对横缝示教的运动轨迹s0；根据纵缝与焊枪的空间关系，调整适应纵缝起点的焊枪姿态，并让焊枪沿着机器人的工作坐标系Y轴正向运动，直至运动到纵缝终点,记录焊枪对纵缝示教的运动轨迹s1；根据立缝与焊枪的空间关系，调整适应立缝起点的焊枪姿态，并让焊枪沿着机器人的工作坐标系Z轴正向运动，直至运动到立缝终点，记录焊枪对立缝示教的运动轨迹s2。
6.如权利要求2所述的一种基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备的焊缝定位方法，其特征在于，所述步骤S4中，具体步骤包括：上位机读取方格子构件拼接图像，在拼接图像中选择目标方格子，由图像处理算法求出目标方格子的4个角点坐标，进一步地，由4个角点坐标求出目标方格子中心坐标，此坐标为图像坐标系下的坐标，通过坐标变换，计算目标方格子中心在龙门架坐标系下的坐标，为龙门架定位格子中心提供准确的位置信息。
7.如权利要求2所述的一种基于机器视觉的大型方格子构件机器人焊接装备的焊缝定位方法，其特征在于，所述步骤S5中，具体步骤包括：在上位机选择当前格子的焊缝，确定焊缝类型，调用前述示教的与之相同焊缝类型的焊缝轨迹与焊枪姿态，计算目标焊缝的起点相对示教焊缝起点的偏移量和偏移方向，计算目标焊缝的终点相对示教焊缝终点的偏移量和偏移方向，调节机器人的焊枪姿态，生成目标焊缝的运动轨迹，实现机器人对该焊缝的准确定位。
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