CN114571154B - 一种管板焊方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接自动化领域，尤其是涉及一种管板焊方法及装置，装置包括第一焊头、第二焊头、装置本体及视觉系统，装置本体包括第一滑台、第二滑台、第三滑台、第四滑台、第五滑台、第六滑台，其中第一滑台、第五滑台、第六滑台及其驱动的第一焊头组成第一焊接通道，第二滑台、第三滑台、第四滑台及其驱动的第二焊头组成第二焊接通道。通过视觉引导焊接装置对管板进行焊接，实现双通道自动焊接管板等功能，提高了加工效率。本发明采用单目面阵相机可实现采集一次所有待焊接钢管图像，系统规划焊接路径，实现钢管连续焊接，且双通道可一次焊接两个钢管，大大提高了焊接效率。
Description
技术领域
本发明属于焊接自动化领域，尤其是涉及一种管板焊方法及装置。
背景技术
列管式冷却器作为化工生产、冶金化纤以及食品制药等工序的重要基础设备，具有非常重要的作用。列管式冷却器的钢管与管板之间的焊缝处是换热器的薄弱部分，非常容易发生失效。目前，在焊接工艺在自动化、智能化的研究上有了很大的进展。针对不同的材质的冷却器以及焊缝的失效形式，提出了不同的焊接工艺。当前基于视觉的管板自动化焊接设备在进行焊接时，需要对每一个待焊接钢管与钢板全部进行图像采集、图像处理等工序，且单次只能焊接单个钢管，整体焊接时间长。由于机械装置本身的精度误差，自动焊接装置在焊接大尺寸钢板-钢管件时，装置在钢板两端的自身位姿变化较大，原标定参数无法满足焊接要求，最终导致焊头-钢管测量误差变大，无法实现有效焊接。因此需要一种可以解决钢管-管板快速、可靠、高效焊接需求的装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于视觉的双通道管板焊方法及装置，解决了自动焊接效率低、大尺寸钢板-钢管焊接误差大的技术问题。
本发明第一方面是提供了一种管板焊装置，包括：
第一焊头；
第二焊头；
装置本体、所述装置本体包括第一滑台、第二滑台、第三滑台、第四滑台、第五滑台、第六滑台，所述第一滑台的滑块上固装第二滑台及第五滑台，所述第二滑台的滑块上固装第四滑台，所述第五滑台的滑块上固装第六滑台，所述第六滑台的滑块上通过焊头支架固装所述第一焊头，所述第四滑台的滑块上固装所述第三滑台；
视觉系统、所述视觉系统包括工业相机、环形光源及视觉系统固定件，所述视觉系统固定件安装在所述第三滑台的滑块上，所述工业相机与所述环形光源安装在所述视觉系统固定件上；
调整垫脚，所述调整垫脚安装在所述第一滑台的底面四角。
其中第一滑台、第五滑台、第六滑台及其驱动的第一焊头组成第一焊接通道，第二滑台、第三滑台、第四滑台及其驱动的第二焊头组成第二焊接通道。
本发明第二方面是提供了一种基于上述管板焊装置的管板焊方法，包括如下步骤：
步骤一、调节调整垫脚，使待焊接管板与第一滑台、第五滑台工作平面平行；
步骤二、设定目标钢管与视觉系统的工作距离为D，在工作距离D下进行工业相机内参标定；得到内参矩阵:
Min为内参矩阵，kx为X轴方向的放大系数，ky为Y轴方向的放大系数，u0、v0为光轴中心线在成像平面的交点的图像坐标；
步骤三、标定第一焊头与第二焊头的相对位置坐标：移动装置各滑台，使第一焊头与第二焊头指向同一个钢管，计算出两个焊头指向同一钢管时的相对位姿A1；将第二焊头的定位杆插入到一个钢管中，标定工业相机视野中心点与第二焊头的相对位姿A2；
步骤四、进行焊头与工业相机的手眼标定，得到工业相机相对于第二焊头的位置坐标；使用如下公式：
其中是工业相机坐标相对于焊头坐标的相对位姿关系，/>是工业相机坐标相对于标定板坐标的相对位姿关系，/>是标定板坐标相对于装置本体坐标的相对位姿关系，/>是装置本体坐标相对于焊头坐标的相对位姿关系；
步骤五、根据待焊接区域，通过A2计算视觉扫描区域，并根据工业相机视野规划扫描路径；
步骤六、使工业相机与管板之间距离为D，按照扫描路径进行管板扫描，并计算出钢管在工业相机坐标系下的坐标；
步骤七、结合手眼标定结果，计算钢管在装置坐标系下的坐标；
其中是钢管坐标系相对于装置本体坐标系的相对位姿关系，/>是钢管坐标系相对于工业相机坐标系的相对位姿关系，/>是工业相机坐标系相对于焊头坐标系的相对位姿关系，/>是焊头坐标系相对于装置本体坐标系的相对位姿关系；
步骤八、先首先移动第一焊接通道将第一焊头的定位杆插入到一个钢管孔中，第一焊头绕定位杆旋转进行焊接；再移动第二焊接通道将第二焊头的定位杆插入到该钢管孔中，第二焊头绕定位杆旋转进行焊接。
进一步地，相对位姿A1具体计算步骤为：
①第二焊头指向钢管中心位置时，根据以下公式计算在当前位置下该钢管的中心点在工业相机坐标系下的坐标P1；
(xc，yc，zc)表示钢管在相机坐标系OcXcYcZc中的坐标，(xw，yw，zw)表示钢管在世界坐标系OwXwYwZw中的坐标，p＝[px py pz]T为OwXwYwZw的坐标原点在相机坐标系OcXcYcZc中的位置，为Xw轴,Yw,轴，Zw轴在坐标系OcXcYcZc中的方向向量；
②同样的，计算出第一焊头指向该钢管同一位置时，该钢管的中心点坐标P2；
③将求出的两点坐标P1和P2相减得出两个焊头在指向同一钢管时的相对位姿A1。
进一步地，所述相对位姿A2具体计算步骤为：
①设工业相机视野中心点坐标在工业相机坐标系下坐标为P0(u0，v0)；
②计算第二焊头此时的坐标P3(u3，v3)；
③根据标出工业相机视野中心点与第二焊头的相对位姿A2；
P0(xw0，yw0)是P0在世界坐标系下的坐标，P3(xw3，yw3)是P3在世界坐标系下的坐标，kxd＝kx/D，kyd＝ky/D，是标定出的相机参数。
进一步地，所述手眼标定采用分段式手眼标定，步骤如下：
(1)使工业相机与管板之间距离为D；
(2)选定一个钢管，使其在工业相机视野的左上方，拍照并计算其工业相机坐标C1；
(3)使上述钢管移动到工业相机视野的左下方，拍照并计算其工业相机坐标C2；
(4)使上述钢管移动到工业相机视野的右下方，拍照并计算其工业相机坐标C3；
(5)使上述钢管移动到工业相机视野的右上方，拍照并计算其工业相机坐标C4；
(6)设步骤(2)的坐标C1为装置零点，则可计算出步骤(3)坐标C2、步骤(4)坐标C3、步骤(5)坐标C4的的机械坐标，结合步骤(2)～(5)的工业相机坐标，计算出当前水平坐标时的装置与工业相机的手眼标定矩阵；
(7)重复步骤(2)～(6)，计算出一系列的水平坐标所对应的手眼标定矩阵组，实际焊接过程中，使用与当前焊接水平坐标距离最近的标定矩阵。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明通过视觉引导焊接装置对管板进行焊接，实现双通道自动焊接管板等功能，提高了加工效率。
2、本发明装置通过视觉自动识别钢管位置，控制执行部件的定位杆插进待焊接钢管，焊头绕定位杆旋转完成焊接，可适用不同的钢管排列、分布方式。
3、本发明单目面阵相机采集一次所有待焊接钢管图像，系统规划焊接路径，实现钢管连续焊接，且双通道可一次焊接两个钢管，大大提高了焊接效率。
4、本发明提出分段式手眼标定方法，克服了在大尺寸钢板件的两端进行焊接时，机械装置本身变形导致的焊接误差大的问题，提升了整个系统的识别定位精度。
附图说明
图1为根据本发明实施例的基于视觉的双通道管板焊装置的系统总装立体结构示意图；
图2为根据本发明实施例的视觉系统立体结构示意图；
图3为根据本发明实施例的双通道管板焊装置的焊接示意图；
图4为根据本发明实施例的焊接效果图。
图中：1、第一滑台；2、第二滑台；3、第三滑台4、第四滑台；5、第五滑台；6、第六滑台；7、第一焊头；8、第二焊头；9、视觉系统；9-1、工业相机；9-2、环形光源；9-3、视觉系统固定件，10、调整垫脚，11、待焊接管板，12、目标钢管，D、工作距离。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明为解决自动焊接效率低、大尺寸钢板-钢管焊接误差大技术问题而提供一种基于视觉的双通道管板焊方法及装置。通过视觉引导装置本体对管板进行调平，并实现管板与装置本体之间的距离保持一定，即将三维空间降维至二维处理，采用图像预处理方法，针对钢管的特征进行识别，通过双通道的焊接方式大大提高焊接效率。
双通道是指一套装置的控制系统内，使用一套视觉系统检测，控制两套焊接装置同时进行焊接作业，两套焊接装置可以在控制系统协调下独立焊接。相当于一个传感器，两个执行装置协调、耦合运动，实现双通道焊接。本申请使用的是单目面阵相机，没有使用双目视觉传感器，原因是焊接钢板的水平度是固定的，通过调整装置的位姿，可以保证装置与待焊接钢板的相对平行关系，在测量距离固定(或变化很小)的情况下，使用二维面阵相机测量钢管(钢管内圆)位置，功能、精度足够，且效率(采集、通讯、数据处理等)比双目立体视觉高很多。
如图1所示，本发明装置包括装置本体及安装在所述装置本体上的第一焊头7、第二焊头8、视觉系统9、以及调整垫脚10。所述装置本体包括第一滑台1、第二滑台2、第三滑台3、第四滑台4、第五滑台5、第六滑台6。调整垫脚10安装在所述第一滑台1的底面四角。
第一滑台1的滑块上固装第二滑台2及第五滑台5，第二滑台2的工作面朝左，非工作面与第五滑台5的非工作面固装，所述第五滑台5工作面朝右。所述第二滑台2及第五滑台5与所述第一滑台1垂直。
第二滑台2的滑块上固装第四滑台4，所述第四滑台4与所述第二滑台2垂直，所述第五滑台5的滑块上固装第六滑台6，所述第六滑台6与所述第五滑台5垂直，所述第六滑台6与第四滑台4平行，所述第六滑台6的滑块上通过焊头支架固装第一焊头7，第一焊头7位于所述第六滑台6下方，所述第四滑台4的滑块上固装第三滑台3，所述第三滑台3与所述第四滑台4垂直，所述第三滑台3安装在第四滑台4下方，第三滑台3与第一滑台1平行。所述第三滑台3的滑块上固装视觉系统9。
视觉系统9包括工业相机9-1、环形光源9-2及视觉系统固定件9-3，所述视觉系统固定件9-3安装在所述第三滑台3的滑块上，所述工业相机9-1与所述环形光源9-2安装在所述视觉系统固定件9-3上，
应用上述装置的基于视觉的双通道管板焊装置的方法，采用以下步骤：
(1)调节调整垫脚10使待焊接管板11与第一滑台1、第五滑台5工作平面平行；
(2)设定目标钢管12与视觉系统9的工作距离为D，在工作距离D下进行工业相机内参标定；得到内参矩阵:
Min为内参矩阵，kx为X轴方向的放大系数，ky为Y轴方向的放大系数，u0、v0为光轴中心线在成像平面的交点的图像坐标。
(3)标定第一焊头7与第二焊头8的相对位置坐标：移动装置各滑台，使通道一(第一滑台1、第五滑台5、第六滑台6)的第一焊头7与通道二(第二滑台2、第三滑台3、第四滑台4)的第二焊头8指向同一个钢管，计算出两个焊头指向同一钢管时的相对位姿A1；具体计算方式如下：
①第二焊头8指向钢管中心位置时，根据以下公式计算在当前位置下该钢管的中心点在工业相机坐标系下的坐标P1；
(xc，yc，zc)表示钢管在相机坐标系OcXcYcZc中的坐标，(xw，yw，zw)表示钢管在世界坐标系OwXwYwZw中的坐标，p＝[px py pz]T为OwXwYwZw的坐标原点在相机坐标系OcXcYcZc中的位置，为Xw轴,Yw,轴，Zw轴在坐标系OcXcYcZc中的方向向量。
②同样的，计算出第一焊头7指向该钢管同一位置时，该钢管的中心点坐标P2；
③将求出的两点坐标P1和P2相减得出两个焊头在指向同一钢管时的相对位姿A1。
(4)将第二焊头8的定位杆插入到一个钢管中，标定工业相机9-1视野中心点与第二焊头8的相对位姿A2；
1)设工业相机9-1视野中心点坐标在工业相机坐标系下坐标为P0(u0，v0)；
2)根据上一步方法计算出第二焊头8此时的坐标P3(u3，v3)；
3)根据③标出工业相机9-1视野中心点与第二焊头8的相对位姿A2。
P0(xw0，yw0)是P0在世界坐标系下的坐标，P3(xw3，yw3)是P3在世界坐标系下的坐标，kxd＝kx/D,kyd＝ky/D，是标定出的相机参数。
(5)进行焊头与工业相机的手眼标定，得到工业相机9-1相对于第二焊头8的位置坐标；使用如下公式：
其中是工业相机坐标相对于焊头坐标的相对位姿关系，/>是工业相机坐标相对于标定板坐标的相对位姿关系，/>是标定板坐标相对于装置本体坐标的相对位姿关系，/>是装置本体坐标相对于焊头坐标的相对位姿关系。
(6)根据待焊接区域，通过A2计算视觉扫描区域，并根据工业相机视野规划扫描路径；
(7)移动第四滑台4使工业相机与管板之间距离为D，按照扫描路径进行管板扫描，并计算出钢管在工业相机坐标系下的坐标；计算方式同公式②；
(8)结合手眼标定结果，计算钢管在装置坐标系下的坐标；
其中是钢管坐标系相对于装置本体坐标系的相对位姿关系，/>是钢管坐标系相对于工业相机坐标系的相对位姿关系，/>是工业相机坐标系相对于焊头坐标系的相对位姿关系，/>是焊头坐标系相对于装置本体坐标系的相对位姿关系。
(9)通道一(第一滑台1、第五滑台5、第六滑台6)移动，将第一焊头7的定位杆插入到一个钢管孔中，第一焊头7绕定位杆旋转进行焊接；
(10)计算并选择第二通道范围内的焊接钢管，移动第二滑台2、第三滑台3、第四滑台4，将第二焊头8的定位杆插入到该钢管孔中，第二焊头8绕定位杆旋转进行焊接，若未找到相应第二通道范围内的焊接钢管，则第二通道不工作；
(11)第一焊头7与第二焊头8全部焊接完成，且第六滑台6与第四滑台4全部退出完毕后，系统记录已焊接钢管，重复步骤(9)、(10)，直至全部钢管焊接完成。
实际过程操作过程中，由于第一滑台行程较大，导致其在运动方向上发生较大的形变，严重影响了最终的手眼标定的结果，导致最终焊点定位精度较差。针对这一问题，本发明提出了分段式手眼标定的方法，通过分段标定的方法，可以将装置本体由于形变造成的误差转换到手眼标定的矩阵中。通过这一方法，可以快速定位焊点，提升整个系统的识别定位精度。
该分段式手眼标定的方法采用以下步骤：
(1)第四滑台4移动使工业相机与管板之间距离为D；
(2)选定一个钢管，使其在工业相机视野的左上方，拍照并计算其工业相机坐标C1；
(3)第二滑台2移动，使上述钢管移动到工业相机视野的左下方，拍照并计算其工业相机坐标C2；
(4)第三滑台3移动，使上述钢管移动到工业相机视野的右下方，拍照并计算其工业相机坐标C3；
(5)第二滑台2移动，使上述钢管移动到工业相机视野的右上方，拍照并计算其工业相机坐标C4；
(6)设步骤(2)的坐标C1为装置零点，则可计算出步骤(3)坐标C2、步骤(4)坐标C3、步骤(5)坐标C4的的机械坐标，结合步骤(2)～(5)的工业相机坐标，可以计算出当前水平坐标时的装置与工业相机的手眼标定矩阵；
具体计算方式如下，根据求得的四个工业相机坐标得出对应的机械坐标M1,M2，M3，M4,根据公式④变形得：
则可以得到如下等式：
将求得的四个点的坐标代入得：
求解AX＝XB方程，即为所需要的矩阵。
(7)第一滑台1依次等距离移动，重复步骤(2)～(6)，可以计算出一系列的水平坐标所对应的手眼标定矩阵组，实际焊接过程中，使用与当前焊接水平坐标距离最近的标定矩阵。
应用实施例
对某一型号冷却塔的底端面和冷却钢管进行焊接实验，在焊枪相同的前提下，分别使用人工和本发明专利方法进行焊接。焊接点位共295个，焊接时间和一次合格率对比如下表1
表1焊机方法试验结果对比
实验表明，本发明方法所需时间和一次合格率均优于人工焊接及单通道自动化焊接方法，综合焊接效率较高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (4)
1.一种管板焊装置的管板焊方法，
管板焊装置包括：
第一焊头(7)；
第二焊头(8)；
装置本体、所述装置本体包括第一滑台(1)、第二滑台(2)、第三滑台(3)、第四滑台(4)、第五滑台(5)、第六滑台(6)，所述第一滑台(1)的滑块上固装第二滑台(2)及第五滑台(5)，所述第二滑台(2)的滑块上固装第四滑台(4)，所述第五滑台(5)的滑块上固装第六滑台(6)，所述第六滑台(6)的滑块上通过焊头支架固装所述第一焊头(7)，所述第四滑台(4)的滑块上固装所述第三滑台(3)；
视觉系统(9)、所述视觉系统(9)包括工业相机(9-1)、环形光源(9-2)及视觉系统固定件(9-3)，所述视觉系统固定件(9-3)安装在所述第三滑台(3)的滑块上，所述工业相机(9-1)与所述环形光源(9-2)安装在所述视觉系统固定件(9-3)上；
调整垫脚(10)，所述调整垫脚10安装在所述第一滑台(1)的底面四角；其中第一滑台(1)、第五滑台(5)、第六滑台(6)及其驱动的第一焊头(7)组成第一焊接通道，第二滑台(2)、第三滑台(3)、第四滑台(4)及其驱动的第二焊头(8)组成第二焊接通道；
管板焊方法包括如下步骤：
步骤一、调节调整垫脚(10)使待焊接管板(11)与第一滑台(1)、第五滑台(5)工作平面平行；
步骤二、设定目标钢管(12)与视觉系统(9)的工作距离为D，在工作距离D下进行工业相机内参标定；得到内参矩阵:
Min为内参矩阵，kx为X轴方向的放大系数，ky为Y轴方向的放大系数，u0、v0为光轴中心线在成像平面的交点的图像坐标；
步骤三、标定第一焊头(7)与第二焊头(8)的相对位置坐标：移动装置各滑台，使第一焊头(7)与第二焊头(8)指向同一个钢管，计算出两个焊头指向同一钢管时的相对位姿A1；将第二焊头(8)的定位杆插入到一个钢管中，标定工业相机(9-1)视野中心点与第二焊头(8)的相对位姿A2；
步骤四、进行焊头与工业相机的手眼标定，得到工业相机(9-1)相对于第二焊头(8)的位置坐标；使用如下公式：
其中是工业相机坐标相对于焊头坐标的相对位姿关系，/>是工业相机坐标相对于标定板坐标的相对位姿关系，/>是标定板坐标相对于装置本体坐标的相对位姿关系，/>是装置本体坐标相对于焊头坐标的相对位姿关系；
步骤五、根据待焊接区域，通过A2计算视觉扫描区域，并根据工业相机视野规划扫描路径；
步骤六、使工业相机与管板之间距离为D，按照扫描路径进行管板扫描，并计算出钢管在工业相机坐标系下的坐标；
步骤七、结合手眼标定结果，计算钢管在装置坐标系下的坐标；
其中是钢管坐标系相对于装置本体坐标系的相对位姿关系，/>是钢管坐标系相对于工业相机坐标系的相对位姿关系，/>是工业相机坐标系相对于焊头坐标系的相对位姿关系，/>是焊头坐标系相对于装置本体坐标系的相对位姿关系；
步骤八、首先移动第一焊接通道将第一焊头(7)的定位杆插入到一个钢管孔中，第一焊头(7)绕定位杆旋转进行焊接；再移动第二焊接通道将第二焊头(8)的定位杆插入到该钢管孔中，第二焊头(8)绕定位杆旋转进行焊接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相对位姿A1具体计算步骤为：
①第二焊头(8)指向钢管中心位置时，根据以下公式计算在当前位置下该钢管的中心点在工业相机坐标系下的坐标P1；
(xc，yc，zc)表示钢管在相机坐标系OcXcYcZc中的坐标，(xw，yw，zw)表示钢管在世界坐标系OwXwYwZw中的坐标，p＝[px py pz]T为OwXwYwZw的坐标原点在相机坐标系OcXcYcZc中的位置，为Xw轴,Yw,轴，Zw轴在坐标系OcXcYcZc中的方向向量；
②同样的，计算出第一焊头(7)指向该钢管同一位置时，该钢管的中心点坐标P2；
③将求出的两点坐标P1和P2相减得出两个焊头在指向同一钢管时的相对位姿A1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相对位姿A2具体计算步骤为：
①设工业相机(9-1)视野中心点坐标在工业相机坐标系下坐标为P0(u0,v0)；
②计算第二焊头(8)此时的坐标P3(u3,v3)；
③根据标出工业相机(9-1)视野中心点与第二焊头(8)的相对位姿A2；
P0(xw0,yw0)是P0在世界坐标系下的坐标，P3(xw3,yw3)是P3在世界坐标系下的坐标，kxd＝kx/D，kyd＝ky/D，是标定出的相机参数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述手眼标定采用分段式手眼标定，步骤如下：
(1)使工业相机与管板之间距离为D；
(2)选定一个钢管，使其在工业相机视野的左上方，拍照并计算其工业相机坐标C1；
(3)使上述钢管移动到工业相机视野的左下方，拍照并计算其工业相机坐标C2；
(4)使上述钢管移动到工业相机视野的右下方，拍照并计算其工业相机坐标C3；
(5)使上述钢管移动到工业相机视野的右上方，拍照并计算其工业相机坐标C4；
(6)设步骤(2)的坐标C1为装置零点，则可计算出步骤(3)坐标C2、步骤(4)坐标C3、步骤(5)坐标C4的的机械坐标，结合步骤(2)～(5)的工业相机坐标，计算出当前水平坐标时的装置与工业相机的手眼标定矩阵；
(7)重复步骤(2)～(6)，计算出一系列的水平坐标所对应的手眼标定矩阵组，实际焊接过程中，使用与当前焊接水平坐标距离最近的标定矩阵。
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