CN116275411A - 基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法及系统，导入工件实体信息设计图纸，构建实体数字模型；基于实体数字模型，获取关键信息并生成焊接点位，计算工件偏移并修复焊接姿态；基于焊接点位集合规划焊接路径，焊接时基于焊接路径与焊接姿态执行焊接作业。与现有技术相比，本发明的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法及系统可以实现免人工测量，自动获取工件的焊接位置，减少示教次数，降低操作复杂度；使用机器视觉定位，保证了螺柱位置准确性；通过调整焊接姿态，实现焊接方向与焊接点所在平面垂直，能保证每一个螺柱焊接在工件面板上时保持垂直结构，增加个体稳定性。

Description

基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法及系统

【技术领域】

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法及系统。

【背景技术】

螺柱焊是将螺柱一端与板件或管件的表面接触，通电引弧，待接触面熔化后，给螺柱一定压力完成焊接的方法。螺柱焊接方法包括手动焊接、加盖模具和激光定位等。手动焊接通过人为测量出焊接点位，由人工按点位进行焊接。加盖模具是在对应规格的面板表面，对需要焊接的点位进行开孔，将开好孔的模具加盖到工件表面，焊枪对准孔位进行焊接。激光定位是事先示教好所有需要焊接的点位，再通过激光定位，计算出每个点的偏移位置，最后引导机器人进行焊接。这几种方法都存在弊端。手动焊接太依赖人力；加盖模具随着工件种类的变化，需要加开更多的模具，同时需要模具与工件匹配，增加了自动化的复杂度；激光定位工件焊接点需要人工示教出来，在添加新工件时，过多的示教点位适配费时费力。因此，研究一种能够快速、准确的自动螺柱焊接方法具有重要意义。

【发明内容】

为了克服上述问题，本发明提出一种可有效解决上述问题的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法及系统。

本发明解决上述技术问题提供的一种技术方案是：提供一种基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法及系统，包括如下步骤：

步骤S1，导入工件实体信息设计图纸，基于所述工件实体信息设计图纸构建实体数字模型；

步骤S2，基于所述实体数字模型，获取关键信息并生成焊接点位，计算工件偏移并修复焊接姿态；

步骤S3，基于焊接点位集合规划焊接路径，焊接时基于焊接路径与焊接姿态执行焊接作业。

优选地，所述步骤S2中，包括如下步骤：

步骤A2，基于所述实体数字模型，获取焊接点集合A＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_i，y_i)，关键点集合K＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_i，y_i)}；

步骤A3，设置初始焊接姿态r，使焊接枪头所在直线方向与焊接区域所在平面垂直；

步骤A4，基于上述关键点集合K，利用三维视觉设备获取大地坐标系中对应实体的实体空间点集合E＝{(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，...，(x_i，y_i，z_i)}；

步骤A5，构建图纸坐标系，设定关键点集合K中任意一点(x_i，y_i)，令其z＝0，使得实体关键点集合K`＝{(x₁，y₁，0)，(x₂，y₂，0)，...，(x_i，y_i，0)}；

步骤A6，已知实体关键点集合K`与实体空间点集合E对应关系，设

分别表示集合K`和集合E的质心，N表示集合大小，令/>

令/>

利用SVD分解计算图纸坐标系与大地坐标系的转换矩阵H＝U∑V^T，其中旋转关系R＝VU^T，平移关系/>

步骤A7，基于上述步骤A5，构建图纸坐标系下的焊接点集合A`＝{(x<sub>1</sub>，y<sub>1</sub>，0)，(x<sub>2</sub>，y<sub>2</sub>，0)，...，(x<sub>i</sub>，y<sub>i</sub>，0)}，结合上述步骤A6得到的转换矩阵H，得到大地坐标系下焊接点集合Z＝H*A`。

优选地，所述步骤A4中，包括如下步骤：

步骤A41，利用高精度三维视觉传感器对工件进行数据采集；

步骤A42，针对采集到的数据进行分析、提取，兼容多种特征类型。

优选地，所述步骤S2中，计算工件偏移并修复焊接姿态包括如下步骤：

步骤S21，工件实体位置发生变化时，上述具体步骤A4获取对应空间点集为E`，前后两次工件偏移可表示为E`＝h*E，利用上述步骤A6求解得前后实体位置的变化关系h1；

步骤S22，当存在局部偏移时，可控制机器人对工件局部进行数据采集，利用上述步骤A6求解h2，h2表示前后实体局部位置的变化关系；

步骤S23，利用变化关系h＝h1除以h2，结合上述步骤A3，生成新的焊接姿态r`＝h*r。

基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊系统，包括装置和控制单元；

所述装置包括：高精度三维视觉传感器、机器人、螺柱焊枪、螺柱焊机、变位机和上位机；

所述控制单元包括：用于调配系统初次安装时参数的预处理模块；用于与机器人系统进行数据交互的通信模块；利用三维视觉传感器获取工件实体关键点空间信息的视觉定位模块；用于生成工件的实体数字模型的模型生成模块；用于控制整体焊接流程的流程控制模块。

优选地，所述预处理模块包括机器人工具末标定和手眼参数标定。

优选地，所述通信模块使用TCP或IP进行通信。

优选地，所述流程控制模块能自定义焊接作业入口，且能对任意焊接点进行操作。

与现有技术相比，本发明的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法及系统通过导入工件实体的设计图纸，实现免人工测量，自动获取工件的焊接位置，减少示教次数，降低操作复杂度；使用机器视觉定位，保证了螺柱位置准确性；通过调整焊接姿态，实现焊接方向与焊接点所在平面垂直，能保证每一个螺柱焊接在工件面板上时保持垂直结构，增加个体稳定性。

【附图说明】

图1为本发明基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法的步骤流程图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后......)仅限于指定视图上的相对位置，而非绝对位置。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，本发明的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法，包括如下步骤：

步骤S1，导入工件实体信息设计图纸，基于所述工件实体信息设计图纸构建实体数字模型。所述实体数字模型指工件的实体数字模型。

步骤S2，基于所述实体数字模型，获取关键信息并生成焊接点位，计算工件偏移并修复焊接姿态。

步骤S3，基于焊接点位集合规划焊接路径，焊接时基于焊接路径与焊接姿态执行焊接作业。

本发明的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法，具体包括如下步骤：

步骤A1，导入基于工件实体信息设计的图纸，基于所述工件实体信息设计图纸构建实体数字模型。

步骤A2，基于所述实体数字模型，获取焊接点集合A＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_i，y_i)，关键点集合K＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_i，y_i)}。

步骤A3，设置初始焊接姿态r，使焊接枪头所在直线方向与焊接区域所在平面垂直。

步骤A4，基于上述关键点集合K，利用三维视觉设备获取大地坐标系中对应实体的实体空间点集合E＝{(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，...，(x_i，y_i，z_i)}。

步骤A5，构建图纸坐标系，设定关键点集合K中任意一点(x_i，y_i)，令其z＝0，使得实体关键点集合K`＝{(x₁，y₁，0)，(x₂，y₂，0)，...，(x_i，y_i，0)}。

步骤A6，已知实体关键点集合K`与实体空间点集合E对应关系，设

分别表示集合K`和集合E的质心，N表示集合大小，令/>

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利用SVD分解计算图纸坐标系与大地坐标系的转换矩阵H＝U∑V^T，其中旋转关系R＝VU^T，平移关系/>

步骤A7，基于上述步骤A5，构建图纸坐标系下的焊接点集合A`＝{(x<sub>1</sub>，y<sub>1</sub>，0)，(x<sub>2</sub>，y<sub>2</sub>，0)，...，(x<sub>i</sub>，y<sub>i</sub>，0)}，结合上述步骤A6得到的转换矩阵H，得到大地坐标系下焊接点集合z＝H*A`。

步骤A8，将焊接点集合z中的点按最优路径排序，焊接时结合焊接点位p(p∈Z)与上述步骤A3中焊接姿态r进行螺柱焊接，按照最优路径执行焊接作业。

所述步骤A4中，包括如下步骤：

步骤A41，利用高精度三维视觉传感器对工件进行数据采集，提高定位精度。

步骤A42，针对采集到的数据进行分析、提取，兼容多种特征类型。

所述步骤S2中，计算工件偏移并修复焊接姿态包括如下步骤：

步骤S21，工件实体位置发生变化时，上述具体步骤A4获取对应空间点集为E`，前后两次工件偏移可表示为E`＝h*E。利用上述步骤A6求解得前后实体位置的变化关系h1。

步骤S22，当存在局部偏移时，可控制机器人对工件局部进行数据采集，利用上述步骤A6求解h2，h2表示前后实体局部位置的变化关系。

步骤S23，利用变化关系h＝h1/h2(h1除以h2)，结合上述步骤A3，生成新的焊接姿态r`＝h*r。

所述步骤S1中，包括步骤A1。

所述步骤S2中，包括步骤A2至步骤A7。

所述步骤S3中，包括步骤A8。

本发明的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊系统，包括装置和控制单元。其中所述装置包括：高精度三维视觉传感器、机器人、螺柱焊枪、螺柱焊机、变位机和上位机。

所述控制单元包括：预处理模块：用于调配系统初次安装时的参数；通信模块：用于与机器人系统进行数据交互；视觉定位模块：用于利用三维视觉传感器获取工件实体关键点空间信息；模型生成模块：用于生成工件的实体数字模型；流程控制模块：用于控制整体焊接流程。

所述预处理模块包括机器人工具末标定和手眼参数标定。

所述通信模块其特征表现为：使用TCP或IP进行通信。

所述流程控制模块其特征表现为：能自定义焊接作业入口，且能对任意焊接点进行操作。

本发明的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊系统的具体执行工作流程如下：

1.硬件设备准备就绪，工件上料完成。

2.在控制单元选择工件类型，发送开始执行任务事件。

3.机器人接收控制命令运动至指定位置，高精度三维视觉传感器进行数据采集。上述流程在不同位置重复3次及以上。

4.视觉定位模块获取高精度三维视觉传感器采集的数据，对其进行分析，提取。求解出转换矩阵，同时计算出工件偏移并修复焊接姿态。

5.进一步的，利用转换矩阵生成螺柱焊机点位，提取出点位集合中最优路径生成焊接顺序。

6.控制单元发送螺柱焊接指令，螺柱焊机响应指令进行吹钉。

7.螺柱焊枪中传感器感应螺柱到位后，机器人调整焊接姿态使得焊接枪头所在直线方向与焊接区域所在平面垂直，运动到螺柱焊接点位。

8.机器人抵达焊接点位后，触发焊接信号，螺柱焊机响应指令进行焊接。

9.焊接完成后，机器人按照焊接枪头所在直线方向抬高，减少焊枪在抬起过程中与螺柱的磨损，延长焊枪使用寿命。

10.按焊接顺序走完全部焊接点位后结束作业。

当焊接过程中出现意外终止，重新启动后，控制单元中流程控制模块检测当前状态，处理异常并恢复执行。其主要特征在于：

机器人、工件等主要结构、位置未发送变化时，控制单元缓存有当前工件的焊接点位，通过流程控制模块选择继续执行后续流程。

机器人、工件等主要结构、位置发送变化时，控制单元中流程控制模块可选择工件快速定位，控制单元控制设备对工件进行快速定位，生成新的焊接点位，选择继续执行后续流程。

与现有技术相比，本发明的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法及系统通过导入工件实体的设计图纸，实现免人工测量，自动获取工件的焊接位置，减少示教次数，降低操作复杂度；使用机器视觉定位，保证了螺柱位置准确性；通过调整焊接姿态，实现焊接方向与焊接点所在平面垂直，能保证每一个螺柱焊接在工件面板上时保持垂直结构，增加个体稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，导入工件实体信息设计图纸，基于所述工件实体信息设计图纸构建实体数字模型；

步骤S2，基于所述实体数字模型，获取关键信息并生成焊接点位，计算工件偏移并修复焊接姿态；

步骤S3，基于焊接点位集合规划焊接路径，焊接时基于焊接路径与焊接姿态执行焊接作业。

2.如权利要求1所述的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法，其特征在于，所述步骤S2中，包括如下步骤：

步骤A2，基于所述实体数字模型，获取焊接点集合A＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_i，y_i)，关键点集合K＝((x₁，y₁)，(x₂，y₂)，...，(x_i，y_i)}；

步骤A3，设置初始焊接姿态r，使焊接枪头所在直线方向与焊接区域所在平面垂直；

步骤A4，基于上述关键点集合K，利用三维视觉设备获取大地坐标系中对应实体的实体空间点集合E＝{(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，...，(x_i，y_i，z_i)}；

步骤A5，构建图纸坐标系，设定关键点集合K中任意一点(x_i，y_i)，令其z＝0，使得实体关键点集合K`＝{(x₁，y₁，0)，(x₂，y₂，0)，...，(x_i，y_i，0)}；

步骤A6，已知实体关键点集合K`与实体空间点集合E对应关系，设

分别表示集合K`和集合E的质心，N表示集合大小，令/>

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利用SVD分解计算图纸坐标系与大地坐标系的转换矩阵H＝U∑V^T，其中旋转关系R＝VU^T，平移关系/>

步骤A7，基于上述步骤A5，构建图纸坐标系下的焊接点集合A`＝{(x<sub>1</sub>，y<sub>1</sub>，0)，(x<sub>2</sub>，y<sub>2</sub>，0)，...，(x<sub>i</sub>，y<sub>i</sub>，0)}，结合上述步骤A6得到的转换矩阵H，得到大地坐标系下焊接点集合Z＝H*A`。

3.如权利要求2所述的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法，其特征在于，所述步骤A4中，包括如下步骤：

步骤A41，利用高精度三维视觉传感器对工件进行数据采集；

步骤A42，针对采集到的数据进行分析、提取，兼容多种特征类型。

4.如权利要求2所述的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊方法，其特征在于，所述步骤S2中，计算工件偏移并修复焊接姿态包括如下步骤：

步骤S21，工件实体位置发生变化时，上述具体步骤A4获取对应空间点集为E`，前后两次工件偏移可表示为E`＝h*E，利用上述步骤A6求解得前后实体位置的变化关系h1；

步骤S22，当存在局部偏移时，可控制机器人对工件局部进行数据采集，利用上述步骤A6求解h2，h2表示前后实体局部位置的变化关系；

步骤S23，利用变化关系h＝h1除以h2，结合上述步骤A3，生成新的焊接姿态r`＝h*r。

5.基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊系统，其特征在于，包括装置和控制单元；

所述装置包括：高精度三维视觉传感器、机器人、螺柱焊枪、螺柱焊机、变位机和上位机；

所述控制单元包括：用于调配系统初次安装时参数的预处理模块；用于与机器人系统进行数据交互的通信模块；利用三维视觉传感器获取工件实体关键点空间信息的视觉定位模块；用于生成工件的实体数字模型的模型生成模块；用于控制整体焊接流程的流程控制模块。

6.如权利要求5所述的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊系统，其特征在于，所述预处理模块包括机器人工具末标定和手眼参数标定。

7.如权利要求5所述的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊系统，其特征在于，所述通信模块使用TCP或IP进行通信。

8.如权利要求5所述的基于图纸导入和视觉引导机器人的自动螺柱焊系统，其特征在于，所述流程控制模块能自定义焊接作业入口，且能对任意焊接点进行操作。

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