CN203636184U - 集装箱波纹板焊接机器人及其视觉伺服控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种集装箱波纹板焊接机器人及其视觉伺服控制系统，所述视觉伺服控制系统包括工控机、视觉采样机构和运动控制机构；视觉采样机构包括面激光发生器、网络摄像头和设置于网络摄像头前的滤光片；网络摄像头网络通讯连接工控机；运动控制机构包括与工控机相连接的控制卡、与该控制卡双向通讯连接的五个伺服驱动器、由该五个伺服驱动器一一对应驱动的五个伺服电机，以及与控制卡相连接的限位/零点传感器；五个伺服电机分别对应驱动焊枪和视觉采样机构的运动，限位/零点传感器分别相应于五个伺服电机所控制的五个运动方向设置；控制卡还连接网络摄像头。本实用新型基于视觉伺服进行控制，能准确进行焊缝跟踪焊接，焊接效率高，焊接质量好。
Description
技术领域
本实用新型涉及焊接控制领域，尤其涉及一种用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统和采用该视觉伺服控制系统的集装箱波纹板焊接机器人。
背景技术
集装箱是近年来出现的模块化运输设备，自出现以来，已快速地占领货运市场，中国生产的标准干货集装箱占世界产量的95%以上，一直保持世界第一。集装箱系全世界通用，尺寸及外形均是标准的，由于需求量大，所以其生产性质一般属于大批量产业线生产，各工序相互衔接，其生产的关键工序是侧壁波纹板与箱顶、箱底的焊接，即侧壁波纹板的焊接。由于集装箱波纹板自下料冲压开始，经波纹板间的对接焊，到底板与波纹板间的角焊，每个环节都存在一定的误差，使得装配间隙轨迹存在一定的无规律波动，且间隙大小也在变化，另一方面焊接过程中的热影响使得待焊装配缝隙存在一定的变形，使得装配缝隙不一致，因此需要对装配焊缝进行实时监测跟踪。集装箱采用的波纹板，焊接时易焊破，故要求焊接技术高，由于人工焊接时，焊缝长500mm后就需移动脚尖而停顿，再继续焊接时就产生焊接接头，而焊接接头出容易漏水、漏光，焊道接头突出上侧梁外缘，需进行人工研磨，这些人工焊的缺点一般均无法克服，而且人工焊接工人劳动强度大，焊接环境比较恶劣，特别是夏季高温阶段，很容易引起中暑，同事培养一批高级熟练焊工也不容易。为了解决以上问题，国内外科研院所和企业进行了多项尝试，取得了一定成果，但是，目前集装箱的生产现状是集装箱的生产还没有完全实现自动化，尤其是作为侧壁的波纹板和上、下侧梁的焊接，仍然使用普通焊条电弧焊和仿形焊接，不利于提高生产效率、稳定产品质量，而且波纹板本身还存在制造误差，焊接过程中的焊接变形等也会影响焊接精度。
实用新型内容
为了适应焊接过程的恶劣环境、保证焊接时刻对准装配缝隙匹配合适工艺参数、提高焊接自动化水平，弥补现有集装箱波纹板焊接技术的不足，本实用新型提出了一种用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统。
为解决上述技术问题，本实用新型提出一种用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统，包括工控机、视觉采样机构和运动控制机构；视觉采样机构包括用以投射面激光至焊缝处的面激光发生器、用以根据所述面激光的反射光线获取焊缝图像信息的网络摄像头和设置于网络摄像头前用于滤光的滤光片；所述网络摄像头网络通讯连接所述工控机；运动控制机构包括与所述工控机相连接的控制卡、与该控制卡双向通讯连接的五个伺服驱动器、由该五个伺服驱动器一一对应驱动的五个伺服电机，以及与控制卡相连接的限位/零点传感器；其中该五个伺服电机分别为用于控制焊枪和所述视觉采样机构在沿波纹板长焊缝方向的同步运动的X轴伺服电机、用于控制焊枪在垂直于波纹板平面方向上的运动的Y轴伺服电机、用于控制焊枪在平行于波纹板平面方向上的升降运动的Z轴伺服电机、用于控制视觉采样机构在垂直于波纹板平面方向上的运动的Y1轴伺服电机、用于控制视觉采样机构在平行于波纹板方向上的升降运动的Z1轴伺服电机；所述限位/零点传感器分别相应于所述五个伺服电机所控制的五个运动方向设置；所述控制卡还连接所述网络摄像头以控制网络摄像头的开闭。
其中，所述网络摄像头主光轴位于与波纹板平面垂直的第一平面内，并与波纹板平面呈25°~75°夹角，且该第一平面垂直于波纹板长焊缝方向；所述面激光发生器的数量为一个，其发出的面激光为一束，该面激光与所述第一平面之间的夹角为25°~75°，且所述面激光器的中心轴与网络摄像头主光轴在同一平面上。
其中，所述伺服电机为交流伺服电机，其上带有光电编码器，所述光电编码器的输出端连接所述伺服驱动器。
其中，所述运动控制机构还包括端子板，所述控制卡通过所述端子板分别连接所述五个伺服驱动器和所述网络摄像头；所述控制卡设有I/O接口，所述端子板连接所述I/O接口而构成所述控制卡的扩展板卡。
其中，所述控制卡通过串行通信接口与所述端子板进行连接通讯。
其中，所述工控机设有PCI插槽和以太网口，所述控制卡通过所述PCI插槽与工控机连接，所述网络摄像头通过所述以太网口与工控机通讯。
其中，所述工控机还设有人机接口模块、图像采集处理模块、运算处理模块；所述图像采样处理连接所述以太网口；所述运算处理模块连接人机接口模块、图像采集处理模块和PCI插槽。
其中，所述人机接口模块为触摸显示屏。
本实用新型还提供一种集装箱波纹板焊接机器人，包括焊枪和如上所述的视觉伺服控制系统，所述焊枪连接并受控于所述视觉伺服控制系统。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型的视觉伺服控制系统用于集装箱波纹板的焊接，其基于视觉伺服进行控制，能够自动识别焊接轨迹与焊缝宽度，焊接效率高、焊接质量好、智能化程度高；对焊枪和视觉采样机构的位置调整由不同的伺服电机来控制，该柔性化的操作机制不但能够较好的达到焊缝的各个位置，保证焊枪准确地进行焊缝跟踪焊接，而且可以能够削弱焊接弧光、飞溅对焊缝视觉采集的影响，适应性、鲁棒性强。
附图说明
图1为本实用新型视觉伺服控制系统的原理框图。
图2为本实用新型网络摄像头和面激光发生器安装示意图。
图3为本实用新型集装箱波纹板焊接机器人的结构示意图。
图4为本实用新型图3中A处另一方向局部放大图。
其中，附图标记说明如下：1、焊机；2、视觉采样机构；21、面激光发生器；22、千兆网摄像头；3、运动控制机构；31、控制卡；32、端子板；331、X轴伺服驱动器；332、Y轴伺服驱动器；333、Z轴伺服驱动器；334、Y1轴伺服驱动器；335、Z1轴伺服驱动器；341、X轴伺服电机；342、Y轴伺服电机；343、Z轴伺服电机；344、Y1轴伺服电机；345、Z1轴伺服电机；35、限位/零点传感器；4、工控机；41、显示屏；5、电源；10、焊枪；20、导轨；40、波纹板。
具体实施方式
为了进一步说明本实用新型的原理和结构，现结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细说明。
参阅图1，本实用新型提供一种用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统，该视觉伺服控制系统主要用来进行波纹板焊接的焊缝识别与跟踪控制，大致由焊机1、视觉采样机构2、运动控制机构3、工控机4和电源5五部分构成。
焊机1包括用以给焊枪提供焊接电流和电压的焊接电源、用以将焊丝送至焊缝处的送丝机和用以提供焊接保护气体的保护气源；当需要进行焊接作业时，焊机1以设定的焊接参数工作从而确保焊枪的焊接作业，该焊接参数包括焊接电流、电压、送丝速度、保护气体的开关状态。
视觉采样机构2包括用以投射面激光至焊缝处的面激光发生器21、用以根据该面激光获取焊缝图像信息的千兆网摄像头22，以及设置于千兆网摄像头22前用于滤光的滤光片23；该千兆网摄像头22为网络摄像头，其与工控机4网络通讯连接，可通过千兆以太网传输方式将焊缝图像信息传输给工控机4。视觉采样机构2与焊枪在沿波纹板长焊缝方向上为间隔设置且同步受控运动。参阅图2，千兆网摄像头22主光轴位于与波纹板平面P0垂直的第一平面P1内，并与波纹板平面P0的夹角α为25°~75°，且该第一平面P1垂直于波纹板40长焊缝方向；面激光发生器21的数量为一个，其发出的面激光为一束，图2中面激光所在平面为P2平面，该面激光与第一平面P1之间的夹角β为25°~75°，较优地，为45°；面激光发生器21中心轴与千兆网摄像头22主光轴在同一平面即图2中的P3平面上，则面激光发生器21中心轴与千兆网摄像头22主光轴之间的夹角即为β。千兆网摄像头22和面激光发生器21安装好后固定在一起，没有相对位移，若有相对位移相应角度参数要适当改变。通过该结构的布置，能最优化地实现焊缝图像的采集，以便于焊接轨迹的设计控制。
运动控制机构3包括与工控机4相连接的控制卡31，与该控制卡31双向通讯连接的五个伺服驱动器331~335、由该五个伺服驱动器331~335一一对应驱动的五个伺服电机341~345。
同时参阅图1、图3和图4，五个伺服电机分别为X轴伺服电机341、Y轴伺服电机342、Z轴伺服电机343、Y1轴伺服电机344和Z1轴伺服电机345。X轴伺服电机341控制整个焊接机构沿图示的导轨20运动，以图4中的坐标轴来看，该方向即为X轴方向，其中，该导轨20的设置对应于波纹板长焊缝方向，即在X轴伺服电机341的驱动下，焊枪10、视觉采样机构2、焊机1、其他四个伺服电机342~345均一起沿波纹板长焊缝方向运动；Y轴伺服电机342和Z轴伺服电机343分别用于控制焊枪10在Y轴和Z轴方向的运动，Y1轴伺服电机344和Z1轴伺服电机345分别用于控制视觉采样机构2在Y1轴和Z1轴的方向，其中，Y轴和Y1轴方向的运动均为垂直于波纹板平面方向靠近或远离波纹板平面的运动，Z轴和Z1轴方向的运动为平行于波纹板平面方向的升降运动。对应于这五个轴方向的运动，所述运动控制机构3还包括各轴限位/零点传感器35，即五个轴方向上均设置有相应的限位/零点传感器35，各轴限位/零点传感器35连接控制卡31用于进行回参考点和过限报警操作。
这五个伺服电机为交流伺服电机，其上带有光电编码器，光电编码器的输出端连接对应的伺服驱动器以反馈位置信息。与伺服电机相应地，五个伺服驱动器分别为X轴伺服驱动器331、Y轴伺服驱动器332、Z轴伺服驱动器333、Y1轴伺服驱动器334、Z1轴伺服驱动器335，各伺服驱动器331~335与控制卡31双向通讯连接，一方面，伺服驱动器331~335接受控制卡31的控制信息以驱动伺服电机341~345的运动；另一方面，伺服驱动器331~335又将伺服电机341~345反馈的位置信息传送给控制卡31。
控制卡31还双向通讯连接焊机1，一方面控制焊机1的焊接参数，另一方面又采集焊机1的实时焊接参数，该焊接参数即为上述的焊接电流、电压、送丝速度、保护气体的开关状态。
另外，控制卡31还连接千兆网摄像头22以控制千兆网摄像头22的打开和关闭。
工控机4设有PCI插槽和以太网口，控制卡31通过PCI插槽与工控机4连接，千兆网摄像头22通过以太网口与工控机4网络通讯连接。工控机4主要用于根据千兆网摄像头22采集的焊缝图像信息以及限位/零点传感器35的限位/零点信号计算出待焊轨迹和焊接参数并传送给控制卡31。控制卡31再根据工控机4的上述待焊轨迹和焊接参数的计算结果进行逻辑运算、运动控制和逻辑控制输出，通过五个伺服驱动器331~335对应控制五个伺服电机341~345的运动，以及控制焊机1的焊接参数。另外，工控机4还提供人机交互功能与操作者交互。
具体地，工控机4包括人机接口模块、图像采集处理模块和运算处理模块；人机接口模块可通过触摸屏、按键、显示屏等结构构成，接收操作者的操作命令，如图3所示，以工控机显示屏41为人机接口模块，该显示屏41可为触摸显示屏，同时具有接收指令和显示的功能。图像采集处理模块连接以太网口获取并显示由千兆网摄像头22采集的焊缝图像信息，计算出焊缝特征点坐标和缝宽信息；运算处理模块连接人机接口模块、图像采集处理模块和PCI插槽，根据人机接口信号控制千兆网摄像头22的开闭以及根据图像采集处理模块得到的焊缝信息计算出待焊轨迹以通过控制卡31控制各伺服电机341~345的运动和焊接参数从而控制焊枪10和视觉采样机构2的工作。运算处理模块输出的各控制信号经由PCI插槽发送给控制卡31，再由控制卡31进行逻辑运算、运动控制和逻辑控制输出，控制相应的机构工作。图像采集处理模块可主要由图像处理芯片构成，运算处理模块可由数据运算器和处理器等构建，另外还可配合相应的软件实现控制。
本实施例中，运动控制机构3还包括端子板32，控制卡31通过端子板32分别连接五个伺服驱动器331~335、焊机1、千兆网摄像头22和各轴限位/零点传感器35；控制卡31设有I/O接口，端子板32连接I/O接口而构成控制卡31的扩展板卡，两者通过串行通信接口进行连接通讯。
电源5连接工控机4和面激光发生器21以提供工作电源。
本实用新型还提供一种采用了上述视觉伺服控制系统的集装箱波纹板焊接机器人，该焊接机器人中，焊枪连接并受控于视觉伺服控制系统。该焊接机器人的结构如图3和图4所示，在上文中已结合视觉伺服控制系统进行了介绍，此处不再重复。
对于该焊接机器人，在调试过程中，调试人员把工控机显示屏41作为人机接口进行参数修改、状态查询、设置千兆网摄像头22与焊枪10机械坐标偏差；操作过程中，操作人员把工控机显示屏41作为人机接口进行焊接起停、历史状态查询等操作。完整作业过程如下：操作人员打开电源5，面激光发生器21打面状激光到波纹板上面，操作人员打开工控机4以及相应的上位机操作软件，发信号给控制板31，并通过I/O接口上的端子板32控制打开千兆网摄像头22，此时千兆网摄像头22采集经滤光片过滤后的波纹板焊缝信息，工控机4经过图像处理算法实时显示该焊缝图像信息，并计算出焊缝特征点坐标和缝宽信息；当操作人员选择开始焊接以后，控制卡31根据各轴限位/零点传感器35提供的信号控制各轴进行回参考原点操作，回参考原点结束后，控制卡31打开焊机1的保护气体送气阀门，千兆网摄像头22开始沿待焊接波纹板X轴方向采集焊缝信息，并经工控机4计算待焊轨迹、焊接电流、焊接电压及送丝速度，待焊枪10走完机械坐标偏差，控制卡31打开焊机1，给定焊接电压、焊接电流和送丝速度；Y轴和Z轴伺服电机342、343控制焊枪10对准焊缝，X轴伺服电机341一方面带动焊枪10沿焊缝走动，另一方面使千兆网摄像头22继续采集焊缝，Y1和Z1轴伺服电机344、345进行驱动千兆网摄像头22对中心操作，所述对中心操作是指使焊缝特征点与千兆网摄像机22图像的中心轴在一条直线上面。
本实用新型的视觉伺服控制系统用于集装箱波纹板的焊接，其基于视觉伺服进行控制，能够自动识别焊接轨迹与焊缝宽度，焊接效率高、焊接质量好、智能化程度高；对焊枪和视觉采样机构的位置调整由不同的伺服电机来控制，该柔性化的操作机制不但能够较好的达到焊缝的各个位置，保证焊枪准确地进行焊缝跟踪焊接，而且可以能够削弱焊接弧光、飞溅对焊缝视觉采集的影响，适应性、鲁棒性强。
以上仅为本实用新型的较佳可行实施例，并非限制本实用新型的保护范围，凡运用本实用新型说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统，其特征在于，包括：
工控机；
视觉采样机构，包括用以投射面激光至焊缝处的面激光发生器、用以根据所述面激光的反射光线获取焊缝图像信息的网络摄像头和设置于网络摄像头前用于滤光的滤光片；所述网络摄像头网络通讯连接所述工控机；
运动控制机构，包括与所述工控机相连接的控制卡、与该控制卡双向通讯连接的五个伺服驱动器、由该五个伺服驱动器一一对应驱动的五个伺服电机，以及与控制卡相连接的限位/零点传感器；其中该五个伺服电机分别为用于控制焊枪和所述视觉采样机构在沿波纹板长焊缝方向的同步运动的X轴伺服电机、用于控制焊枪在垂直于波纹板平面方向上的运动的Y轴伺服电机、用于控制焊枪在平行于波纹板平面方向上的升降运动的Z轴伺服电机、用于控制视觉采样机构在垂直于波纹板平面方向上的运动的Y1轴伺服电机、用于控制视觉采样机构在平行于波纹板方向上的升降运动的Z1轴伺服电机；所述限位/零点传感器分别相应于所述五个伺服电机所控制的五个运动方向设置；所述控制卡还连接所述网络摄像头以控制网络摄像头的开闭。
2.根据权利要求1所述的用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统，其特征在于：所述网络摄像头主光轴位于与波纹板平面垂直的第一平面内，并与波纹板平面呈25°~75°夹角，且该第一平面垂直于波纹板长焊缝方向；所述面激光发生器的数量为一个，其发出的面激光为一束，该面激光与所述第一平面之间的夹角为25°~75°，且所述面激光器的中心轴与网络摄像头主光轴在同一平面上。
3.根据权利要求1所述的用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统，其特征在于：所述伺服电机为交流伺服电机，其上带有光电编码器，所述光电编码器的输出端连接所述伺服驱动器。
4.根据权利要求1所述的用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统，其特征在于：所述运动控制机构还包括端子板，所述控制卡通过所述端子板分别连接所述五个伺服驱动器和所述网络摄像头；所述控制卡设有I/O接口，所述端子板连接所述I/O接口而构成所述控制卡的扩展板卡。
5.根据权利要求4所述的用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统，其特征在于：所述控制卡通过串行通信接口与所述端子板进行连接通讯。
6.根据权利要求1所述的用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统，其特征在于：所述工控机设有PCI插槽和以太网口，所述控制卡通过所述PCI插槽与工控机连接，所述网络摄像头通过所述以太网口与工控机通讯。
7.根据权利要求6所述的用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统，其特征在于：所述工控机还设有人机接口模块、图像采集处理模块、运算处理模块；所述图像采样处理连接所述以太网口；所述运算处理模块连接人机接口模块、图像采集处理模块和PCI插槽。
8.根据权利要求7所述的用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统，其特征在于：所述人机接口模块为触摸显示屏。
9.一种集装箱波纹板焊接机器人，包括焊枪，其特征在于，还包括如权利要求1-8任一项所述的视觉伺服控制系统，所述焊枪连接并受控于所述视觉伺服控制系统。
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