厚板机器人焊接系统及多层多道焊缝实时跟踪、规划方法
【专利摘要】本发明揭示了一种厚板机器人焊接系统及多层多道焊缝实时跟踪、规划方法。厚板机器人焊接系统包括：机器人，激光结构光传感器，焊接系统及控制系统；所述激光结构光传感器包括主体系统、光学系统、夹持系统和冷却系统，在焊接时能够实时获取包含焊缝坡口特征信息的图像，并传递至所述控制系统；而所述控制系统由所述图像获取坡口信息，控制所述机器人不断纠正焊接系统中焊枪的位置；同时所述控制系统调整焊道轨迹和焊接参数，实现多层多道的实时规划，能够提高劳动效率及生产质量。
【专利说明】厚板机器人焊接系统及多层多道焊缝实时跟踪、规划方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接机器人的智能控制【技术领域】，特别是涉及一种厚板机器人MAG焊接系统及多层多道焊缝实时跟踪、规划方法。
【背景技术】
[0002]随着道路交通、海洋工程、特种船舶等重型工业领域的快速发展，我国对大厚板焊接的需求也越来越大。在大厚板的焊接中，多层多道焊是常用的焊接方法之一。目前，实际应用中多采用人工焊接，劳动强度大、工作环境恶劣，因此急需一种可以用机器人替代人力的自动化智能化焊接方法。但是目前将机器人用于厚板多层多道焊的主要问题有:随着焊接层数的增加，坡口实际情况与理想状态相差的越来越大，而目前的焊接机器人无法对这种变化及时做出反馈。因此，开发一种可以对多层多道焊的坡口特征进行实时反馈，调整焊道规划和焊缝跟踪的智能化、自动化机器人焊接系统及方法十分重要。
[0003]近几年来，随着机器视觉、图像处理、模式识别、智能控制等技术的发展，已经提出来多种应用于机器人焊接的传感器。其中激光结构光传感器以其结构简单，信息量大、精度高及稳定性较好的特点，成为应用于厚板焊接智能控制领域的理想选择。激光传感器的基本原理是将条状激光投射到工件上，利用CXD采集工件上反射的激光条纹图像，再通过一系列的信号处理，最后得到需要的坡口特征信息。但是由于多层多道焊缝表面形貌复杂，特征不明显，普通激光视觉传感器很难正确识别坡口形貌特征。
[0004]中国专利“一种基于激光结构光的焊缝跟踪视觉传感器”(申请号为200410009931.4)，该传感器采用激光束通过柱状镜形成激光平面，投射到工件上产生激光条纹，视觉传感器采集焊缝激光图像，通过图像处理计算焊缝位置，并进行转换成模拟信号或无线通信输出，以达到控制焊接机器人的目的。该传感器针对不同的焊缝类型和工序开发了不同的焊缝图像处理模块，具有较高的适用性。但是该传感器不具有识别多层多道焊缝的能力，也无法进行厚板多层多道焊规划。
[0005]中国专利“基于扫描式激光视觉传感器的厚板窄间隙深坡口激光自动化多层焊焊接方法”(申请号201210213371.9)，该方法利用激光视觉传感器实现了多层单道焊接的离线焊道规划。但是该方法不能实现多层多道焊缝的在线规划，也无法实现实时焊缝跟踪。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，提供一种厚板机器人焊接系统及多层多道焊缝实时跟踪、规划方法，解决现有技术中不能够实现多层多道焊缝的跟踪和规划的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供一种厚板机器人焊接系统，包括:
[0008]机器人，激光结构光传感器，焊接系统及控制系统；所述激光结构光传感器包括主体系统、光学系统、夹持系统和冷却系统，能够实时获取包含焊缝坡口特征信息的图像，并传递至所述控制系统，所述控制系统由所述图像获取坡口信息，控制所述机器人不断纠正焊接系统中焊枪的位置；同时所述控制系统调整焊道轨迹和焊接参数，实现多层多道的实时规划。
[0009]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述主体系统上设置有用于与夹持系统、光学系统相连接的接口，所述冷却系统通过一燕尾槽与所述主体系统相连接。
[0010]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述夹持系统包括水平方向的第一部分和竖直方向的第二部分，所述主体系统可移动的设置于所述第一部分上，所述机器人包括焊枪，所述焊枪可移动的设置于所述第二部分上。
[0011]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述主体系统与第一部分的相对移动范围是O-lOOmm，所述焊枪与第二部分的相对移动范围是0_80mm。
[0012]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述主体系统包括:(XD传感器、镜头，半导体激光发生器及激光反光镜。
[0013]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述半导体激光器的中心波长为600-700nm，半峰宽为 0.5_3nm，功率为 150-200MW。
[0014]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述主体系统还包括一控制电路，通过控制供电进行开启和关闭主体的各个器件，并调节激光器的功率和冷却系统的制冷能力。
[0015]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述CCD传感器与焊枪平行放置，所述CCD传感器通过夹具高度可调节的固定于主体系统中，所述CCD传感器通过信号线连接至控制系统的一图像采集单元。
[0016]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述半导体激光发生器与所述CCD传感器平行放置，产生的激光的光束经过一柱状镜变成一字线结构光，通过所述激光反光镜后投射在工件上，投射角度在15° -45°。
[0017]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述光学系统包括主减光滤光系统、附加减光滤光系统和光学反光镜；投射在工件上的结构光的条纹和工件坡口依次经过光学反光镜、附加减光滤光系统和主减光滤光系统被CCD传感器接收。
[0018]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述主减光滤光系统和附加减光滤光系统皆包括减光片和滤光片，所述主减光滤光系统用以提取激光结构光，所述附加减光滤光系统用于去除超出设定规格的弧光。
[0019]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述主减光滤光系统的滤光片为中心波长670nm,带宽20nm的窄带干涉滤光片，所述主减光滤光系统的减光片的通过率为40% ;所述附加减光滤光系统的减光片的通过率为60%。
[0020]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述光学反光镜与水平方向的夹角为10° -25°，其中心位置相对于镜头的高度为5-20mm。
[0021]进一步的，对于所述的厚板机器人焊接系统，所述冷却系统为水冷系统。
[0022]利用如上所述的厚板机器人焊接系统，本发明提供进行多层多道焊缝实时跟踪的方法，包括:
[0023]步骤一，选定工件的坡口类型，通过控制系统的进行参数设置；
[0024]步骤二，开启激光结构光传感器，控制系统的图像采集单元接收工件坡口包含结构光的原始图像；
[0025]步骤三，对所述原始图像进行处理，得到激光条纹上的特征点，并记录所述特征点在原始图像中的位置；
[0026]步骤四，控制系统的焊缝位置提取单元根据标定矩阵，通过坐标转换，获得实际位置的三维坐标，进而获得所述特征点的实际位置；
[0027]步骤五，控制系统的焊缝跟踪单元将一机器人姿态获取单元得到的焊枪位置信息与所述特征点的实际位置相比较，计算出下一步机器人运动的坐标；
[0028]步骤六，控制系统的输入输出单元将所述坐标传递给机器人，利用所述坐标引导机器人向正确的位置移动，完成焊接过程中的焊缝实时跟踪。
[0029]进一步的，对于所述的多层多道焊缝实时跟踪的方法，所述工件的坡口类型为V形。
[0030]进一步的，对于所述的多层多道焊缝实时跟踪的方法，所述特征点为包括代表焊缝位置、焊道中心位置、坡口底部位置的点。
[0031]进一步的，对于所述的多层多道焊缝实时跟踪的方法，在步骤四中，所述坐标转换包括:
[0032]将所述特征点在原始图像中的二维坐标转化为实际平面上的二维坐标；
[0033]通过参照物和三角测量法，将获得的实际平面上的二维坐标转化为实际位置的三维坐标信息。
[0034]利用如上所述的厚板机器人焊接系统，本发明还提供进行多层多道焊缝实时规划的方法，包括:
[0035]步骤一，根据多层多道焊缝实时跟踪的方法中步骤四得到的所述特征点的位置信息，以及控制系统中焊接电源参数获取单元得到的焊接电源参数信息，利用控制系统的焊道规划单元计算焊道规划信息；
[0036]步骤二，控制系统的焊缝跟踪单元接受焊道规划单元计算出的焊道规划信息，计算出焊接参数；
[0037]步骤三，控制系统的输入输出单元将所述焊接参数实时传递给机器人，机器人接受所述焊接参数进行焊接，完成多层多道焊缝实时规划。
[0038]进一步的，对于所述的多层多道焊缝实时规划的方法，所述焊道规划信息包括:
[0039]焊枪中心位置的偏移距离Y、焊枪的摆幅W及焊接速度V2，其中，r =δ/2
【权利要求】
1.一种厚板机器人焊接系统，包括: 机器人，激光结构光传感器，焊接系统及控制系统；所述激光结构光传感器包括主体系统、光学系统、夹持系统和冷却系统，能够实时获取包含焊缝坡口特征信息的图像，并传递至所述控制系统，所述控制系统由所述图像获取坡口信息，控制所述机器人不断纠正焊接系统中焊枪的位置；同时所述控制系统调整焊道轨迹和焊接参数，实现多层多道的实时规划。
2.如权利要求1所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述主体系统上设置有用于与夹持系统、光学系统相连接的接口，所述冷却系统通过一燕尾槽与所述主体系统相连接。
3.如权利要求1所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述夹持系统包括水平方向的第一部分和竖直方向的第二部分，所述主体系统可移动的设置于所述第一部分上，所述机器人包括焊枪，所述焊枪可移动的设置于所述第二部分上。
4.如权利要求3所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述主体系统与第一部分的相对移动范围是0-lOOmm，所述焊枪与第二部分的相对移动范围是0_80mm。
5.如权利要求1所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述主体系统包括:CCD传感器、镜头，半导体激光发生器及激光反光镜。
6.如权利要求5所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述主体系统还包括一控制电路，通过控制供电进行开启和关闭主体的各个器件，并调节激光器的功率和冷却系统的制冷能力。
7.如权利要求5所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述CCD传感器与焊枪平行放置，所述CCD传感器通过夹具高度可调节的固定于主体系统中，所述CCD传感器通过信号线连接至控制系统的一图像采集单元。
8.如权利要求7所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述半导体激光发生器与所述CCD传感器平行放置，产生的激光的光束经过一柱状镜变成一字线结构光，通过所述激光反光镜后投射在工件上，投射角度在15° -45°。
9.如权利要求8所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述半导体激光器的中心波长为600-700nm，半峰宽为0.5_3nm，功率为150-200MW。
10.如权利要求8所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述光学系统包括主减光滤光系统、附加减光滤光系统和光学反光镜；投射在工件上的结构光的条纹和工件坡口依次经过光学反光镜、附加减光滤光系统和主减光滤光系统被CCD传感器接收。
11.如权利要求10所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述主减光滤光系统和附加减光滤光系统皆包括减光片和滤光片，所述主减光滤光系统用以提取激光结构光，所述附加减光滤光系统用于去除超出设定规格的弧光。
12.如权利要求11所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述主减光滤光系统的滤光片为中心波长670nm,带览20nm的窄带干涉滤光片，所述王减光滤光系统的减光片的通过率为40% ;所述附加减光滤光系统的减光片的通过率为60%。
13.如权利要求10所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述光学反光镜与水平方向的夹角为10° -25°，其中心位置相对于镜头的高度为5-20mm。
14.如权利要求1所述的厚板机器人焊接系统，其特征在于，所述冷却系统为水冷系统。
15.利用如权利要求1-14中任意一项所述的厚板机器人焊接系统进行多层多道焊缝实时跟踪的方法，包括: 步骤一，选定工件的坡口类型，通过控制系统的进行参数设置； 步骤二，开启激光结构光传感器，控制系统的图像采集单元接收工件坡口包含结构光的原始图像； 步骤三，对所述原始图像进行处理，得到激光条纹上的特征点，并记录所述特征点在原始图像中的位置； 步骤四，控制系统的焊缝位置提取单元根据标定矩阵，通过坐标转换，获得实际位置的三维坐标，进而获得所述特征点的实际位置； 步骤五，控制系统的焊缝跟踪单元将一机器人姿态获取单元得到的焊枪位置信息与所述特征点的实际位置相比较，计算出下一步机器人运动的坐标； 步骤六，控制系统的输入输出单元将所述坐标传递给机器人，利用所述坐标引导机器人向正确的位置移动，完成焊接过程中的焊缝实时跟踪。
16.如权利要求15所述的多层多道焊缝实时跟踪的方法，其特征在于，所述工件的坡口类型为V形。
17.如权利要求15所述的多层多道焊缝实时跟踪的方法，其特征在于，所述特征点为包括代表焊缝位置、焊道中心位置、坡口底部位置的点。
18.如权利要求15所述的多层多道焊缝实时跟踪的方法，其特征在于，在步骤四中，所述坐标转换包括: 将所述特征点在原始图像中的二维坐标转化为实际平面上的二维坐标； 通过参照物和三角测量法，将获得的实际平面上的二维坐标转化为实际位置的三维坐标信息。
19.利用如权利要求1-14中任意一项所述的厚板机器人焊接系统进行多层多道焊缝实时规划的方法，包括: 步骤一，根据如权利要求15中步骤四得到的所述特征点的位置信息，以及控制系统中焊接电源参数获取单元得到的焊接电源参数信息，利用控制系统的焊道规划单元计算焊道规划信息； 步骤二，控制系统的焊缝跟踪单元接受焊道规划单元计算出的焊道规划信息，计算出焊接参数； 步骤三，控制系统的输入输出单元将所述焊接参数实时传递给机器人，机器人接受所述焊接参数进行焊接，完成多层多道焊缝实时规划。
20.如权利要求19所述的多层多道焊缝实时规划的方法，其特征在于，所述焊道规划信息包括: 焊枪中心位置的偏移距离Y、焊枪的摆幅W及焊接速度V2,其中，Y=SL J
21.如权利要求19所述的多层多道焊缝实时规划的方法，其特征在于，所述焊接参数包括:机器人下一步运动的坐标和焊接工艺参数。
【文档编号】B23K37/00GK103934571SQ201410146344
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】张洵, 孔萌, 陈华斌, 林涛, 何银水, 陈玉喜, 陈善本, 金玉嵌 申请人:上海交通大学, 上海发那科机器人有限公司