一種具有自主糾偏能力的焊接機器人系統及方法
2023-11-01 00:21:12
一種具有自主糾偏能力的焊接機器人系統及方法
【專利摘要】一種具有自主糾偏能力的機器人焊接系統及方法，屬於焊接領域。本發明中工業計算機分別與機器人控制器和工業相機連接，機器人控制器與機器人和焊接電源連接，焊接電源與焊槍連接，工業相機和焊槍固定於機器人手臂末端，相機攝像平面與焊槍方向保持垂直，工作平臺對應設置；方法方案：啟動機器人對模板工件示教，並在兩處特徵區域拍照確定工件空間位置，工業相機將工件特徵區域圖像傳輸給工業計算機，通過圖像處理技術和軟體算法，機器人自主糾正原示教路徑的偏差。本發明操作簡單、適用範圍廣，在批量焊接作業中運用該系統，可以有效避免重複示教，提高工作效率。
【專利說明】一種具有自主糾偏能力的焊接機器人系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有自主糾偏能力的焊接機器人系統及方法，適用於機器人焊接領域。
【背景技術】
[0002]焊接是工業生產中重要的一環，焊接過程會產生強光、輻射、煙塵等汙染，對人體危害較大，以自動化設備代替人工是焊接行業的發展趨勢。機器人是自動化設備的一種，其靈活性強、精度高，運用於焊接領域能有效提高工作效率，降低工人勞動強度。目前工業中使用較多的是示教再現型機器人，這種機器人與智能化機器人相比，成本較低。其工作過程大致如下:首先在工作平臺上放置工件；然後使用示教器操作機器人，在示教模式下，對焊接位置、路徑進行示教；最後切換至再現模式，機器人自動再現示教路徑，並起弧焊接。對於批量工件的焊接，機器人多次再現示教路徑即可。
[0003]然而在實際生產中，尤其針對較大型工件，工件的定位精度很難保障，焊接中工件的裝配誤差會導致焊槍偏離焊縫，採用焊縫跟蹤技術可以解決長焊縫的「焊不準」問題，但是在大量短焊縫和一些不適合焊縫跟蹤技術的場合，尚無好的自動化解決方案。工件裝配產生的小範圍偏差，往往導致原示教路徑無法準確對應後續工件，為了準確完成後續焊接，往往需要重新示教，嚴重影響工作效率。另一方面，附帶高精度傳感器的智能型機器人雖能實時掃描坡口等信息，但其成本高，價格昂貴，且適用範圍有限。因此，亟需一種新方法，解決上述問題，兼顧工作效率與設備成本，實現對普通機器人的合理改造。
[0004]為了實現普通機器人的智能化，需要為其加入傳感器。視覺在所有感官中蘊含信息量最大、最直觀，將視覺引入機器人系統，可以初步實現機器人的智能化。作為機器的「眼睛」，常用的工業相機分為CXD和CMOS兩種，其成像原理大致相同。結合像素點數、焦距、工件尺寸等參數，即可得到圖像信息與實際尺寸的對應關係。
[0005]基於以上背景，本發明將機器視覺引入機器人系統，利用工業計算機的穩定運算能力編寫軟體，搭建焊接機器人系統，並提出一種新的方法，解決上述問題。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種具有自主糾偏能力的焊接機器人系統及方法，以解決焊接件批量焊接工作中由於前後位置的偏差造成的重複示教問題，提高工作效率，併兼顧設備成本。
[0007]本發明採用了如下技術方案:
[0008]一種具有自主糾偏能力的焊接機器人系統，該系統由工業計算機、手持示教器、焊接電源、機器人控制器、機器人、焊槍、工業相機、焊接平臺構成，所述工業計算機的運動數據輸入輸出端與機器人控制器的運動數據輸出輸入端連接，所述手持示教器的控制數據輸入輸出端與機器人控制器的控制數據輸出輸入端連接，所述機器人控制器的電源控制輸出端與焊接電源的控制輸入端連接，機器人控制器的運動控制信號輸出端與機器人的運動信號輸入端連接，所述焊接電源的電源輸出端與焊槍的電源輸入端連接，所述工業相機圖像輸出端與工業計算機圖像輸入端連接，所述焊槍和工業相機固定於機器人手臂末端且焊槍伸出方向與工業相機成像平面垂直，所述工作平臺與焊槍對應設置，焊槍對放置於工作平臺上的工件工作；所述方法由以下步驟完成:
[0009]步驟一:批量焊接工作前，首個工件裝配在工作平臺上構成焊接環境，機器人手臂末端固定有工業相機和焊槍，啟動工業計算機，進行系統通信設定和測試，工業相機採集二維圖像並傳給工業計算機，工業計算機向機器人控制器發送串口通信測試數組和校驗碼，並接收串口通信返回數組和校驗碼，工業計算機的顯示器顯示系統通信狀態及工業相機採集的圖像；
[0010]步驟二:啟動手持示教器，調至「示教模式」，向機器人控制器發送控制數據，機器人控制器接收數據並向機器人發送運動控制信號控制機器人運動，在「示教模式」下引導焊槍完成焊接起始點、焊接路徑和焊槍位姿的示教，並通過示教器記錄示教信息，機器人控制器將示教信息傳給工業計算機保存為「原始示教文件」;
[0011]步驟三:通過示教器按照步驟二所述方式控制機器人運動，引導工業相機在與工作平臺平行的平面上移動，所述平面到焊接平臺平面的距離是經過測量的固定值，尋找工件特徵區域，所述特徵區域指工件的俯視上表面中具有角度或圓弧信息的區域，工業計算機的顯示器顯示工業相機的實時成像，在特徵區域成像清晰的位置，通過工業計算機向工業相機發送拍照指令，工業計算機將工業相機傳回照片保存為「第一個特徵區域模板照片」，同時接收機器人控制器傳來的機器人末端此時的位置矩陣並保存為「第一個特徵區域拍照位置」，通過與上述相同的過程，保存「第二個特徵區域模板照片」及「第二個特徵區域拍照位置」，工業相機採集的圖像為數字圖像，工業計算機將兩組模板照片提取到圖像處理軟體中處理，完成後保存兩組特徵點對應的像素點位置為「模板特徵點」；
[0012]步驟四:示教器調至「再現模式」並向機器人控制器發送再現焊接數據，機器人控制器依照焊接數據向機器人發送運動控制指令，並向焊接電源發送電源輸出指令，進而引導焊槍對工件焊接；
[0013]步驟五:首個工件焊接完成並取下後，固定第二個工件，通過工業計算機選擇「重複焊接」，工業計算機向機器人控制器發送「第一次拍照位置」的位置矩陣，機器人控制器接收並驅動機器人移動至對應位置後向工業計算機發送到達信號，工業計算機接收到達信號後向工業相機發送拍照信號，觸發工業相機拍照並傳回工業計算機，工業計算機將照片保存為「後續第一特徵區域照片」並向機器人控制器發送「第二個特徵區域拍攝位置」位置矩陣，機器人控制器接收並驅動機器人移動至對應位置後向工業計算機發送到達信號，工業計算機接收到達信號後向工業相機發送拍照信號，觸發工業相機拍照並傳回工業計算機，工業計算機將照片保存為「後續第二特徵區域照片」，保存完成後通過步驟三所述圖像處理方法對後續特徵圖像進行處理，並保存後續兩組特徵點對應的像素點位置，完成後，工業計算機軟體調用步驟三所述「模板特徵點」像素信息，並與後續保存的兩組特徵點像素信息對t匕，得出後兩個特徵點的像素點較模板像素點的偏差距離與角度，以此為依據調整步驟二所述「原始示教文件」，並將校正後的示教文件按機器人串口協議發送至機器人控制器，進而驅動機器人調整焊接位置及焊槍位姿，完成後通過工業計算機發送起弧焊接指令至機器人控制器，機器人開始後續焊接工作。
[0014]本發明有以下有益效果:1.本系統可以有效解決批量焊接作業中由於裝配誤差導致的重複示教問題，尤其適合短焊縫較多的中大型工件，有效提高生產效率、降低工人勞動強度；2.本系統為示教型機器人加入機器視覺實現機器人初步智能化，為機器人的低成本改造和自動化焊接提供了參考；4.本系統操作簡單，方法易懂，有利於使用者快速掌握，且適合多種焊接任務，通用性高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的系統結構示意圖。
[0016]圖2為本系統的主要數據傳輸示意圖。
[0017]圖3為本方法工作原理示意圖。
[0018]圖中:1、工業計算機，2、手持示教器，3、焊接電源，4、機器人控制器，5、機器人，6、焊槍，7、工業相機，8、焊接平臺。
【具體實施方式】
[0019]結合【專利附圖】
【附圖說明】本實施方式，本實施方式系統由工業計算機1、手持示教器2、焊接電源3、機器人控制器4、機器人5、焊槍6、工業相機7、焊接平臺8構成，所述工業計算機I的運動數據輸入輸出端與機器人控制器4的運動數據輸出輸入端連接，所述手持示教器2的控制數據輸入輸出端與機器人控制器4的控制數據輸出輸入端連接，所述機器人控制器4的電源控制輸出端與焊接電源3的控制輸入端連接，機器人控制器4的運動控制信號輸出端與機器人5的運動信號輸入端連接，所述焊接電源3的電源輸出端與焊槍6的電源輸入端連接，所述工業相機7圖像輸出端與工業計算機I圖像輸入端連接，所述焊槍6和工業相機7固定於機器人5手臂末端且焊槍6伸出方向與工業相機7成像口所對方向平行，所述工作平臺8與焊槍對應設置，焊槍對放置於工作平臺8上的工件9工作；
[0020]其中，機器人5為六自由度示教型機器人，工業相機7為CMOS型低照度黑白相機，也可選用CCD型，現場光線不穩定時，加裝環形光源環繞固定於鏡頭外邊緣，為防止焊接飛濺影響鏡頭，在相機鏡頭外加裝UV鏡以保護鏡頭；
[0021]本實施方式方法由以下步驟完成:
[0022]步驟一:批量焊接工作前，將首個工件10裝配在工作平臺8上構成焊接環境，機器人5手臂末端固定有工業相機7和焊槍6，啟動工業計算機1，進行系統通信設定和測試，工業相機7採集二維圖像並傳給工業計算機1，工業計算機I向機器人控制器4發送串口通信測試數組和校驗碼，並接收串口通信返回數組和校驗碼，工業計算機I的顯示器顯示系統通信狀態及工業相機7採集的圖像；
[0023]步驟二:啟動手持示教器2，調至「示教模式」，向機器人控制器4發送控制數據，機器人控制器2接收數據並向機器人5發送運動控制信號控制機器人運動，在「示教模式」下引導焊6槍完成焊接起始點、焊接路徑和焊槍位姿的示教，並通過示教器2記錄示教信息，機器人控制器4將示教信息傳給工業計算機I保存為「原始示教文件」；
[0024]步驟三:運行示教器2按照步驟二所述方式控制機器人運動，引導工業相機在與工作平臺平行的平面上移動，所述平面到焊接平臺平面的距離是經過測量的固定值，尋找工件特徵區域，所述特徵區域指工件的俯視上表面中具有角度或圓弧信息的區域，工業計算機I的顯示器顯示工業相機7的實時成像，在特徵區域成像清晰的位置，通過工業計算機2向工業相機7發送拍照指令，工業計算機I將工業相機7傳回照片保存為「第一個特徵區域模板照片」，同時接收機器人控制器4傳來的機器人末端此時的位置矩陣並保存為「第一個特徵區域拍照位置」，通過與上述相同的過程，保存「第二個特徵區域模板照片」及「第二個特徵區域拍照位置」，工業相機7採集的圖像為數字圖像，工業計算機I將兩組模板照片提取到圖像處理軟體中處理，完成後保存兩組特徵點對應的像素點位置為「模板特徵點」 Al、BI ；
[0025]步驟四:示教器2調至「再現模式」並向機器人控制器4發送再現焊接數據，機器人控制器4依照焊接數據向機器人5發送運動控制指令，並向焊接電源3發送電源輸出指令，進而引導焊槍6對工件焊接；
[0026]步驟五:首個工件10焊接完成並取下後，固定第二個工件11，通過工業計算機I選擇「重複焊接」，工業計算機I向機器人控制器4發送「第一次拍照位置」的位置矩陣，機器人控制器4接收並驅動機器人5移動至對應位置後向工業計算機I發送到達信號，工業計算機I接收到達信號後向工業相機7發送拍照信號，觸發工業相機拍照並傳回工業計算機1，工業計算機I將照片保存為「後續第一特徵區域照片」並向機器人控制器4發送「第二個特徵區域拍攝位置」位置矩陣，機器人控制器4接收並驅動機器人5移動至對應位置後向工業計算機I發送到達信號，工業計算機I接收到達信號後向工業相機7發送拍照信號，觸發工業相機7拍照並傳回工業計算機1，工業計算機I將照片保存為「後續第二特徵區域照片」，保存完成後通過步驟三所述圖像處理方法對後續特徵圖像進行處理，並保存後續兩組特徵點對應的像素點A2、B2位置，完成後，工業計算機軟體調用步驟三所述「模板特徵點」 Al、BI像素信息，並與後續保存的兩組特徵點A2、B2像素信息對比，原特徵點所構成的直線AlBl和後續特徵點構成的直線A2B2之間的夾角即為工件偏移角度，焊接起始點與特徵直線的關係始終固定，以此為依據，軟體糾偏運算部分自動調整步驟二所述「原始示教文件」中各示教點的坐標和位姿，生成新的運動控制數據包並發送至機器人控制器4，進而驅動機器人5調整焊接位置及焊槍6位姿，完成後通過工業計算機I發送起弧焊接指令至機器人控制器4，驅動機器人5開始後續焊接工作；
[0027]本系統遇到採集圖像無法匹配的問題後，工業計算機I的顯示器顯示錯誤提示，根據提示採取調整裝配位置、重新選取特徵區域、改變光線照射等措施排除錯誤後，按照所述方法重新運行。
【權利要求】
1.一種具有自主糾偏能力的焊接機器人系統，其包括工業計算機(I)、手持示教器(2)、焊接電源(3)、機器人控制器(4)、機器人(5)、焊槍￠)、工業相機(7)、焊接平臺(8)；所述工業計算機(I)的運動數據輸入輸出端與機器人控制器(4)的運動數據輸出輸入端連接，所述手持示教器(2)的控制數據輸入輸出端與機器人控制器(4)的控制數據輸出輸入端連接，所述機器人控制器(4)的電源控制輸出端與焊接電源(3)的控制輸入端連接，機器人控制器(4)的運動控制信號輸出端與機器人(5)的運動信號輸入端連接，所述焊接電源(3)的電源輸出端與焊槍(6)的電源輸入端連接，所述工業相機(7)圖像輸出端與工業計算機(I)圖像輸入端連接，所述焊槍(6)和工業相機(7)固定於機器人(5)手臂末端且焊槍(6)伸出方向與工業相機(7)成像口所對方向平行，所述工作平臺(8)與焊槍對應設置，焊槍對放置於工作平臺(8)上的工件(9)工作。
2.根據權利要求1所述一種具有自主糾偏能力的焊接機器人系統，其特徵在於:機器人(5)為六自由度示教型機器人，工業相機(7)為CMOS型低照度黑白相機，或選用CCD型，現場光線不穩定時，加裝環形光源環繞固定於鏡頭外邊緣，為防止焊接飛濺影響鏡頭，在相機鏡頭外加裝UV鏡以保護鏡頭。
3.一種利用權利要求1或2所述具有自主糾偏能力的焊接機器人系統進行焊接的方法，其特徵在於:所述方法由以下步驟完成: 步驟一:批量焊接工作前，將首個工件(10)裝配在工作平臺(8)上構成焊接環境，機器人(5)手臂末端固定有工業相機(7)和焊槍￠)，啟動工業計算機(I)，進行系統通信設定和測試，工業相機(7)採集二維圖像並傳給工業計算機(I)，工業計算機⑴向機器人控制器(4)發送串口通信測試數組和校驗碼，並接收串口通信返回數組和校驗碼，工業計算機(I)的顯示器顯示系統通信狀態及工業相機(7)採集的圖像； 步驟二:啟動手持示教器(2)，調至「示教模式」，向機器人控制器(4)發送控制數據，機器人控制器(2)接收數據並向機器人(5)發送運動控制信號控制機器人運動，在「示教模式」下引導焊(6)槍完成焊接起始點、焊接路徑和焊槍位姿的示教，並通過示教器(2)記錄示教信息，機器人控制器(4)將示教信息傳給工業計算機(I)保存為「原始示教文件」；步驟三:運行示教器(2)按照步驟二所述方式控制機器人運動，引導工業相機在與工作平臺平行的平面上移動，所述平面到焊接平臺平面的距離是經過測量的固定值，尋找工件特徵區域，所述特徵區域指工件的俯視上表面中具有角度或圓弧信息的區域，工業計算機(I)的顯示器顯示工業相機(7)的實時成像，在特徵區域成像清晰的位置，通過工業計算機(2)向工業相機(7)發送拍照指令，工業計算機⑴將工業相機(7)傳回照片保存為「第一個特徵區域模板照片」，同時接收機器人控制器(4)傳來的機器人末端此時的位置矩陣並保存為「第一個特徵區域拍照位置」，通過與上述相同的過程，保存「第二個特徵區域模板照片」及「第二個特徵區域拍照位置」，工業相機(7)採集的圖像為數字圖像，工業計算機(I)將兩組模板照片提取到圖像處理軟體中處理，完成後保存兩組特徵點對應的像素點位置為「模板特徵點」(A1、B1)； 步驟四:示教器(2)調至「再現模式」並向機器人控制器(4)發送再現焊接數據，機器人控制器(4)依照焊接數據向機器人(5)發送運動控制指令，並向焊接電源(3)發送電源輸出指令，進而引導焊槍(6)對工件焊接； 步驟五:首個工件(10)焊接完成並取下後，固定第二個工件(11)，通過工業計算機(I)選擇「重複焊接」，工業計算機(I)向機器人控制器(4)發送「第一次拍照位置」的位置矩陣，機器人控制器(4)接收並驅動機器人(5)移動至對應位置後向工業計算機(I)發送到達信號，工業計算機(I)接收到達信號後向工業相機(7)發送拍照信號，觸發工業相機拍照並傳回工業計算機(I)，工業計算機(I)將照片保存為「後續第一特徵區域照片」並向機器人控制器(4)發送「第二個特徵區域拍攝位置」位置矩陣，機器人控制器(4)接收並驅動機器人(5)移動至對應位置後向工業計算機(I)發送到達信號，工業計算機(I)接收到達信號後向工業相機(7)發送拍照信號，觸發工業相機(7)拍照並傳回工業計算機(1)，工業計算機(I)將照片保存為「後續第二特徵區域照片」，保存完成後通過步驟三所述圖像處理方法對後續特徵圖像進行處理，並保存後續兩組特徵點對應的像素點(A2、B2)位置，完成後，工業計算機軟體調用步驟三所述「模板特徵點」(A1、B1)像素信息，並與後續保存的兩組特徵點(A2、B2)像素信息對比，原特徵點所構成的直線AlBl和後續特徵點構成的直線A2B2之間的夾角即為工件偏移角度，焊接起始點與特徵直線的關係始終固定，以此為依據，軟體糾偏運算部分自動調整步驟二所述「原始示教文件」中各示教點的坐標和位姿，生成新的運動控制數據包並發送至機器人控制器(4)，進而驅動機器人(5)調整焊接位置及焊槍(6)位姿，完成後通過工業計算機(I)發送起弧焊接指令至機器人控制器(4)，驅動機器人(5)開始後續焊接工作。
4.根據權利要求3所述一種利用具有自主糾偏能力的焊接機器人系統進行焊接的方法，其特徵在於:所述步驟三中所述圖像處理依次包括以下過程:首先是圖像增強，強化工件圖像，弱化背景和幹擾，其次是邊緣檢測，提取工件邊緣線信息，然後是閉運算，處理邊緣檢測的缺陷，進行邊緣模糊融合併剔除背景，生成特徵區域二值圖，之後是二次邊緣檢測，將二值圖變為特徵區域輪廓線圖，最後是Hough變換，檢測輪廓線所能擬合的抽象幾何圖形，並提取特徵點所對應的像素點；經由以上過程將數字圖像轉換成抽象的特徵點坐標信肩、O
【文檔編號】B23K37/00GK104175031SQ201410412562
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月20日 優先權日:2014年8月20日
【發明者】張軍, 張文輝, 盧振洋, 高吉軍, 馮陸洋, 孫騰, 白立來 申請人:北京工業大學