CN107843644B - 一种车身焊点自动检测***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车身焊点自动检测***及其控制方法，包括控制器和机器手臂，所述机器手臂上夹持有视觉***和探头装置；所述视觉***包括相机，照明光源和图像采集处理装置，所述探头装置包括探头及其柔性夹持机构；所述探头装置正对车身焊点，所述相机与探头装置之间形成第一夹角，所述照明光源与相机之间形成第二夹角，所述相机和图像采集处理装置相连获取车身焊点位置，所述控制器根据车身焊点位置对机器手臂上的探头位置进行校正。本发明通过照明光源与相机形成机器人视觉引导的解决方案使测试每个焊点的时间大大缩短，提高焊点识别的准确率，大大缩小机构体积，并可以节省掉拍照时需要相机垂直于工件的工序。

Description

一种车身焊点自动检测***及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种车身制造检测***及方法，尤其涉及一种车身焊点自动检测***及其控制方法。

背景技术

冲压、焊装、涂装、总装是车身制造的四大工艺，其中焊装工艺对车身的刚度及安全性能、承载能力及舒适性起着决定性作用。目前，汽车生产中普遍采用点焊技术。点焊是一种高速、经济的连接方法,是车身大量金属板之间的主要连接方式。然而，焊接板材的原始参数如板厚、表面清洁度、是否扭曲等，焊接过程中工艺参数、工况状态的变化等都会影响焊点质量的好坏。因此对车身焊点质量进行检测是汽车生产中保证车身质量、提高汽车性能的一个重要环节。

目前，焊点质量检测方法主要包括有损检测和无损检测两种。有损检测是一种机械性破坏检测方法，需要对焊点进行机械性破坏。根据断裂面的材料特征进行缺陷检测。这种检测只能采取抽查式检测，人工检测耗时长而且具有破坏性。无损检测主要为超声波检测。超声波具有很强的穿透力，在上下界面边缘都会产生反射波，通过比较反射的波形的特点来判断焊点是否有缺陷，分析确定缺陷的性质、位置和大小来实现检测。但由于超声检测需要涂覆耦合剂。耦合剂的涂覆和清除工序复杂，很难实现机器人夹持探头进行自动检测。

由于车身焊点众多，通常焊点数在2000-4000之间。而现有的主流检测方式，过分依赖于人的主观判断，可信度不高，且大多都停留在人工或者离线检测状态。这远远落后于汽车生产的节奏。即使采用自动化检测方案时，每个批次的车身焊点总会有些位置误差。很难精确确认焊点的位置来实施自动化检测。效率低下的车身焊点质量检测方式已经制约了汽车产业的发展，因此研发车身焊点质量的高速自动化检测设备，实现车身焊点质量自动的在连续生产线上检测或离线的在单独工位上的检测是汽车生产领域中一项非常迫切的任务。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种车身焊点自动检测***及其控制方法，能够精确得出焊点中心点，并对该焊点的焊接质量进行检测，大大减小每个焊点的检测时间。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种车身焊点自动检测***，包括控制器和机器手臂，其中，所述机器手臂上夹持有视觉***和探头装置；所述视觉***包括相机，照明光源和图像采集处理装置，所述探头装置包括探头及其柔性夹持机构；所述探头装置正对车身焊点，所述相机与探头装置之间形成第一夹角，所述照明光源的数目为多个，所述多个照明光源沿着相机的周围分布，所述照明光源与相机之间形成第二夹角，所述相机和所述图像采集处理装置相连获取车身焊点位置，所述控制器和所述图像采集处理装置通过网络相连，所述控制器根据车身焊点位置对机器手臂上的探头位置进行校正。

上述的车身焊点自动检测***，其中，所述机器手臂上设有铝型框支座，所述铝型框支座通过法兰盘安装在机器手臂上，所述探头装置固定在第一L型支撑杆上，所述第一L型支撑杆和铝型框支座相垂直并锁紧相连；所述相机固定在第二L型支撑杆上，所述第二L型支撑杆通过楔形连接件和铝型框支座相连。

上述的车身焊点自动检测***，其中，所述第一夹角的范围为30°～60°，所述第二夹角的范围为15°～60°。

上述的车身焊点自动检测***，其中，所述照明光源为LED照明光源，所述多个LED照明光源围绕相机外圆周等弧度分布并通过反射镜进行打光，形成视觉***。

上述的车身焊点自动检测***，其中，所述探头装置包括涡流探头和气缸，所述涡流探头通过可旋转安装座和摆动连接件相连，所述气缸固定在架子上，所述气缸通过气动滑台和摆动连接件的可旋转安装座相连，所述摆动连接件和悬挂架的一端相连，所述悬挂架的另一端通过拉簧固定在架子上。

上述的车身焊点自动检测***，其中，所述涡流探头由励磁线圈与其下多个线性排列的涡流检测线圈组成。

本发明为解决上述技术问题还提供一种上述车身焊点自动检测***的控制方法，其中，包括如下步骤：S1：将机械臂上的探头装置对准车身焊点位置；S2：采用相机对车身焊点位置进行拍照，获得具有一定倾斜角度的图像；S3：然后通过图像采集处理装置对倾斜图像按正投影拍摄角度进行校正，获取实测焊接点位置，并计算出实测焊点位置与原先设定点的偏移量；S4：所述控制器根据车身焊点位置偏移量对机器手臂上的探头位置进行纠正；S5：控制探头装置对车身焊点质量进行检测。

上述的车身焊点自动检测控制方法，其中，所述步骤S1采用四个机器手臂分布在车身四周，每个机器手臂覆盖1/4的车身；利用控制器根据车身焊点位置对机械臂上的探头位置进行纠正。

上述的车身焊点自动检测控制方法，其中，所述步骤S2中，当焊点和背景没有明显灰度差别时，通过软件控制与相机成一定角度的多个照明光源从不同方向依次点亮打光，获得含有不同阴影方向的图像，通过将不同阴影方向的图像叠加计算得出具有凹凸变化的图形的中心点为焊点的中心位置。

上述的车身焊点自动检测控制方法，其中，还包括预设一系列图像识别参数库，每次新来车身后对相同位置焊点图像检测时，先用上次最优参数进行焊点中心识别；当无法识别焊点中心时，自动循环使用参数库中参数进行识别，直至识别出焊点中心，并将该参数作为新的最优参数。

上述的车身焊点自动检测控制方法，其中，所述探头装置为可伸缩的x,y,z全方向的柔性机构，采用移动滑台控制探头的伸缩，当相机拍照时探头向上缩回；当定位后进行检测时将探头伸出。

上述的车身焊点自动检测控制方法，其中，所述步骤S5中当焊点在临界点附近，，则在全波形上单独选取差别最大的一段波形作为判定位置。本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的车身焊点自动检测***及其控制方法，通过照明光源与相机形成机器人视觉引导的解决方案使测试每个焊点的时间大大缩短，一定角度的光源设计提高焊点识别的准确率，成一定角度的相机和探头设置可以节省掉拍照时需要相机垂直于工件的工序。此外，柔性的探头夹持装置可以使探头接触面始终垂直被测表面；同时多反射镜的光路设计大大的缩小了设备体积。

附图说明

图1为本发明车身焊点自动检测***架构示意图；

图2为本发明车身焊点自动检测***机器手臂上相机、探头装置和照明光源分布示意图；

图3为本发明由LED照明光源和反射镜形成的光路打光示意图；

图4为本发明具有伸缩摆动功能的探头装置结构示意图；

图5为图4中涡流探头的线圈分布及焊点检测示意图；

图6为本发明在全波形上选取差别最大的地方作为判定位置示意图；

图7为本发明车身焊点位置纠偏示意图。

图中：

1车身 2相机 3探头装置

4照明光源 5机器手臂 6机器手臂控制柜

7探头控制盒 8PLC控制器 9人机交互电脑

10图像采集处理装置 11相机电缆 12涡流探头电缆

13机器人电缆 14网线 15交换机

16铝型框支座 17法兰盘 18第一L型支撑杆

19第二L型支撑杆上 20楔形连接件 21反射镜

301气缸 302架子 303气动滑台

304拉簧 305悬挂架 306涡流探头

307摆动连接架 3061涡流励磁线圈 3062励磁磁力线

3063涡流检测线圈 3064焊点焊核区域

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明车身焊点自动检测***架构示意图。

请参见图1，本发明提供的车身焊点自动检测***，包括控制器和机器手臂5，其中，控制器可选用PLC控制器8，所述机器手臂5上夹持有相机2和探头3，所述相机2与探头3之间形成第一夹角，所述相机2的周围分布有多个照明光源4，所述照明光源4与相机2之间形成第二夹角，所述相机2和图像采集处理装置10相连获取车身焊点位置，所述PLC控制器8和图像采集处理装置10通过网络相连，所述PLC控制器8根据车身焊点位置对机器手臂5上的探头位置进行校正。所述第一夹角的范围为30°～60°，第二夹角的范围为15°～60°，考虑到安装空间的大小，第二夹角优选为20°。所述探头3为涡流探头，PLC控制器8也可以换成工控机或单片机。

图2为本发明车身焊点自动检测***机器手臂上相机、探头装置和照明光源分布示意图。

请参见图2，本发明提供的车身焊点自动检测***，其中，所述机器手臂5上设有铝型框支座16，所述铝型框支座16通过法兰盘17安装在机器手臂5上，所述探头3固定在第一L型支撑杆18上，所述第一L型支撑杆18和铝型框支座16相垂直并锁紧相连；所述相机2固定在第二L型支撑杆19上，所述第二L型支撑杆19通过楔形连接件20和铝型框支座16相连。

请继续参见图3，本发明的照明光源为LED照明光源，所述多个LED照明光源围绕相机外圆周等弧度分布并通过反射镜21进行打光。

如图4所示，所述探头装置包括涡流探头306和气缸301，所述涡流探头306通过可旋转安装座和摆动连接件307相连，所述气缸301固定在相机机构上，，所述气缸301通过气动滑台303和摆动连接件307的可旋转安装座相连，所述摆动连接件307和悬挂架305的一端相连，所述悬挂架305的另一端通过拉簧304固定在架子302上；所述摆动连接件307可前后、左右摆动，实现x,y,z三个自由度方向上的柔性连接机械结构。

如图5所示，本发明的涡流探头306由励磁线圈3061和多个线性排列其下的涡流检测线圈3063组成，涡流检测线圈3063均匀排列在涡流励磁线圈3061下方。，通过检测励磁磁力线3062测出焊点焊核区域3064。

图6所示，分别表示出励磁线圈3061的励磁曲线和单独每个检测线圈3063的自感电动势的记录曲线。每个线圈记录148个采样点。前10个采样点记录的为励磁线圈3061的励磁信号。其余的138个采样点记录的为检测线圈3063自感电动势信号。通常在进行点焊焊接后焊核的晶像组织发生了变化。所以它的自感电动势曲线与虚焊和没有焊接的材料的曲线是不同的。通过扫描比较这些依次排列的检测线圈。可以得出焊核的范围和尺寸。但有时用单独一个线圈全范围的曲线作为判定区域来检测焊点尺寸比较困难。本发明可以根据不同材料在焊接后有不同的敏感区域的特性，单独选取其中的一段特性变化最明显的区域作为判定区域。并对这段信号曲线进行放大后进行对比。例如本发明通常选取118点到128点的曲线作为镀锌板材焊点的判定区域。本发明可以根据材料特性的不同，在全范围曲线中选取前段，中段，后段或全部范围作为判定区域。

图7所示为视觉***的界面。显示出视觉***检测到的实际焊点与预设焊点的偏移值。发送这个偏移值给机器手臂，并引导机器人夹持探头进行焊点焊接质量检测。

由上可见，本发明提供的车身焊点自动检测***主要由机器人***、视觉识别***、涡流检测***和控制***组成。各部分的主要组成及功能如下：

1.机器人***：

机器人***包括机器手臂5和机器手臂控制柜6。在工作前机器人工程师根据实际客户需要测量的焊点对机器人编程和示教。使机器人动作覆盖到客户所有需要测量的焊点的位置。

2.视觉识别***：

当在线检测或离线检测时，每次新来的车身焊点位置和机器人示教的焊点位置总会有一些偏差。这就需要视觉***进行从新定位、计算偏差并引导机器人到实际位置。如图1和图2所示，视觉识别***包括一台工业相机、数个与相机成一定角度的光源、视觉机构同检测探头成一定角度的机械夹具机构和一台运行视觉识别软件的电脑。

通常模式下通过视觉***对焊点拍照进行焊点的识别。如果焊点和背景有明显的灰度差别。***可以很容易计算出焊点中心点并给出偏移值。

当焊点和背景没有明显灰度差别时。通过软件控制与相机成一定角度光源的依次点亮来获得含有不同阴影方向的图像。通过将不同阴影方向的图像叠加计算得出没有明显灰度变化但有凹凸变化的焊点的中心位置。同时多反射镜的光路和可伸缩的探头设计使测量***体积大大缩小。

通常情况下视觉测量是相机垂直于被测量表面。拍照完成后机构转动到探头垂直于工件表面进行测量。为了减少节拍时间，节省掉机械切换动作时间。本发明通过软件进行图像的角度校正，这样可以拍照完成后直接进行位置检测。

3.线性排列线圈的涡流检测***：

涡流检测***包括线性排列涡流检测线圈的涡流检测探头、涡流检测控制盒、涡流检测软件运行和存储结果的电脑。涡流检测在焊点焊接质量上的应用由于不同与超声检测过程中需要涂覆和清除耦合剂。大大简化操作工序。可实现机器人夹持探头代替人工进行测量。为了不遮挡拍照，本发明用气动滑台移动控制涡流测量机构的伸缩。当视觉拍照时涡流检测机构向上缩回，当定位后进行检测时将探头伸出。

本发明采用了线性排列的涡流检测线圈方法可以测出焊点的焊核直径。同时为保证探头在检测过程中能实时垂直于工件表面设计出3个自由度方向上的柔性连接机械结构。当焊点质量在临界点附近通过全波形范围很难判定好坏时，可以在全波形上单独选取差别最大的地方作为判定位置。例如使用前段波形，后端波形或全部波形，如图6所示只选取118点到128点之间的区域作为镀锌板材的焊点判定区域。

4.PLC控制***

PLC控制***包括西门子PLC、相关的电气硬件、电控柜、人机界面电脑一台和交换机。

PLC控制***负责协调机器人、视觉***、和涡流检测***的工作。同时它也负责和在线***的上下游控制器进行交互通讯。控制在线***车架的流入、流出、质量检测结果的存档和上层***的质量反馈结果。

本发明还提供一种车身焊点自动检测控制方法，包括如下步骤：

S1：将机械臂上的探头装置对准车身焊点位置；

S2：采用相机对车身焊点位置进行拍照，获得具有一定倾斜角度的图像；

S3：然后通过图像采集处理装置对倾斜图像按正投影拍摄角度进行校正，获取实测焊接点位置，并计算出实测焊接点位置与原先设定点的偏移量，如图7所示；

S4：所述PLC控制器根据车身焊点位置偏移量对机器手臂上的探头位置进行纠正；

S5：控制探头装置对车身焊点质量进行检测。

整个***的工作时序如下：首先由机器人工程师进行检测焊点的初步示教。使机器人记住所有检测焊点的大致位置。然后客户根据需要选取想要测量的焊点。点击自动运行。PLC根据客户所选位置，发命令给机器人开始移动。机械人运动到指定焊点上方后发送拍照指令给视觉***。视觉***进行拍照并形成图像。PLC根据焊点编号发送该图像识别的最优参数。如果识别不出当前焊点中心，PLC会按参数库中参数的排列顺序的依次发送新的图像识别参数。当检测出中心后同原有设定的机器人检测位置对比后，发送实际焊点中心的偏移值给机器人，并设定本次视觉识别参数为该焊点的最优参数供下次使用。机器人根据偏移值移动涡流检测探头到焊点位置进行焊接质量测量。并将结果保存到人机交互电脑中。然后进行下个焊点的检测。检测完所有焊点PLC通知下游设备流出车身。

上述是单个机器人***的测量方法。为满足覆盖所有车身全部焊点的要求，本发明设计出四机器人的***。控制方法与逻辑同前。离线***与在线***控制方法和逻辑相同，只是不参与在线***的上下游车身的交互。

本发明提供的车身焊点自动检测***及其控制方法，通过机器人视觉引导的解决方案使测试每个焊点的时间大大缩短，具体优点如下：1.机器人视觉引导的解决方案使测试每个焊点的时间大大缩短。由原来的几分钟到现在的5秒钟。2.四机器人解决方案使***能够覆盖车身全部焊点。3.采用机械视觉拍照后对图像进行算法处理，可以精确得出焊点中心点，偏差小于0.5mm。4.成一定角度的相机和探头设置可以节省掉拍照时需要相机垂直于工件的工序，节省了1秒的动作时间。5.一定角度的光源设计可以识别没有灰度变化但有凸凹变化的焊点的中心。6.多反射镜的光路设计大大缩小了视觉***的体积。7.自学***，垂直被测平面。11.分段设置的检测标准可以用来根据被测材质不同使用更精确的参数设置。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (9)

1.一种车身焊点自动检测控制方法,采用的车身焊点自动检测***包括控制器和机器手臂，其特征在于，所述机器手臂上夹持有视觉***和探头装置；所述视觉***包括相机，照明光源和图像采集处理装置，所述探头装置包括探头及其柔性夹持机构；所述探头装置正对车身焊点，所述相机与探头装置之间形成第一夹角，所述照明光源的数目为多个，多个所述照明光源沿着相机的周围分布，所述照明光源与相机之间形成第二夹角，所述相机和所述图像采集处理装置相连获取车身焊点位置，所述控制器和所述图像采集处理装置通过网络相连，所述控制器根据车身焊点位置对机器手臂上的探头位置进行校正；

所述第一夹角的范围为30°～60°，所述第二夹角的范围为15°～60°；

所述控制方法包括如下步骤：

S1：将机械臂上的探头装置对准车身焊点位置；

S2：采用相机对车身焊点位置进行拍照，获得具有一定倾斜角度的图像；

S3：然后通过图像采集处理装置对倾斜图像按正投影拍摄角度进行校正，获取实测焊接点位置，并计算出实测焊接点位置与原先设定点的偏移量；

S4：所述控制器根据车身焊点位置偏移量对机器手臂上的探头位置进行纠正；

S5：控制探头装置对车身焊点质量进行检测；

所述步骤S2中，当焊点和背景没有明显灰度差别时，通过软件控制与相机成一定角度的多个照明光源从不同方向依次点亮打光，获得含有不同阴影方向的图像，通过将不同阴影方向的图像叠加计算得出具有凹凸变化的图形的中心点为焊点的中心位置。

2.如权利要求1所述的车身焊点自动检测控制方法，其特征在于，所述机器手臂上设有铝型框支座，所述铝型框支座通过法兰盘安装在机器手臂上，所述探头装置固定在第一L型支撑杆上，所述第一L型支撑杆和铝型框支座相垂直并锁紧相连；所述相机固定在第二L型支撑杆上，所述第二L型支撑杆通过楔形连接件和铝型框支座相连。

3.如权利要求1所述的车身焊点自动检测控制方法，其特征在于，所述照明光源为LED照明光源，多个所述LED照明光源围绕相机外圆周等弧度分布并通过反射镜进行打光，形成视觉***。

4.如权利要求1所述的车身焊点自动检测控制方法，其特征在于，所述探头装置包括涡流探头和气缸，所述涡流探头通过可旋转安装座和摆动连接件相连，所述气缸固定在架子上，所述气缸通过气动滑台和摆动连接件的可旋转安装座相连，所述摆动连接件和悬挂架的一端相连，所述悬挂架的另一端通过拉簧固定在架子上。

5.如权利要求4所述的车身焊点自动检测控制方法，其特征在于，所述涡流探头由励磁线圈和在其下方的多个线性排列的涡流检测线圈组成。

6.如权利要求1所述的车身焊点自动检测控制方法，其特征在于，所述步骤S1采用四个机器手臂分布在车身四周，每个机器手臂覆盖1/4的车身；利用控制器根据车身焊点位置对机械臂上的探头位置进行纠正。

7.如权利要求1所述的车身焊点自动检测控制方法，其特征在于，还包括预设一系列图像识别参数库，每次新来车身后对相同位置焊点图像检测时，先用上次最优参数进行焊点中心识别；当无法识别焊点中心时，自动循环使用参数库中参数进行识别，直至识别出焊点中心，并将该参数作为新的最优参数。

8.如权利要求1所述的车身焊点自动检测控制方法，其特征在于，所述探头装置为可伸缩的x,y,z全方向的柔性机构，采用移动滑台控制探头的伸缩，当相机拍照时探头向上缩回；当定位后进行检测时将探头伸出。

9.如权利要求1所述的车身焊点自动检测控制方法，其特征在于，所述步骤S5中当焊点在临界点附近，则在全波形上单独选取差别最大的一段波形作为判定位置。

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