CN108817613A - 一种弧焊机器人焊缝纠偏***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弧焊机器人焊缝纠偏***，用于弧焊机器人焊接***，所述的弧焊机器人焊接***包括上位机、弧焊机器人***、安装在所述弧焊机器人***上的视觉传感器，所述视觉传感器包括相机、镜头、激光器、反射镜、滤镜，所述弧焊机器人***包括焊接机器人、机器人控制器、焊接电源及焊接***设备，所述弧焊机器人***、视觉传感器通过以太网与上位机信号连接，包括：通信模块、标定模块、图像处理模块、离线纠偏模块、在线纠偏模块，本发明同时具有离线纠偏和在线纠偏功能，可应对不同的焊缝类型及工件的纠偏任务，提高了机器人焊接的柔性、生产效益，功能完善，适用性高。

Description

一种弧焊机器人焊缝纠偏***及方法

技术领域

本发明属于机器人自动化焊接领域，涉及一种弧焊机器人焊缝纠偏***及方法。

背景技术

焊接机器人在进行自动化焊接过程中，往往由于工件制造精度低，或者是定位精度低而造成焊接质量不一致，焊接效果较差的现象。对于工件尺寸偏差较大，形状较复杂，定位精度无法保证的问题，依赖于传统的示教在线方式的弧焊机器人将无法满足实际的生产要求。同时，在实际焊接过程中，工件受热产生焊缝热变形的现象也时常出现，这就需要焊接机器人能够应对焊缝的变化。将传感器技术与焊接机器人结合是目前机器人焊接的发展趋势。

传感器应用于焊接领域的主要分为接触式传感和非接触式传感，接触式传感器由于检测的精度低，检测速度慢等缺点，应用范围较小。非接触式传感器中，主要采用视觉传感器，视觉传感器类似人的眼睛，能够通过视觉感知焊缝的位置，应用较为广泛。其中，结构光视觉传感器由于其检测速度快，检测精度较高的优点，在焊缝轨迹检测、焊缝跟踪、焊缝质量检测等场合中应用最为广泛。

目前常见的机器人焊缝跟踪***，应用场景较为单一，主要针对单一类型的工件及焊缝结构，对于不同的焊缝结构形式，往往需要不同的视觉传感器。而且，焊缝跟踪***受限于传感器的工作频率，无法实现较快速度的跟踪焊接。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种弧焊机器人焊缝纠偏***及方法，目的在于提高视觉***的应用范围，使得视觉***能够在多种类型的工件及焊缝结构上进行使用；同时，能够结合实际的生产需求，合理的选择机器人焊缝纠偏的工作模式，使得机器人焊缝纠偏更加高效。

本发明采用如下方案实现：

一种弧焊机器人焊缝纠偏***，用于弧焊机器人焊接***，所述的弧焊机器人焊接***包括上位机、弧焊机器人***、安装在所述弧焊机器人***上的视觉传感器，所述视觉传感器包括相机、镜头、激光器、反射镜、滤镜，所述弧焊机器人***包括焊接机器人、机器人控制器、焊接电源及焊接***设备，所述弧焊机器人***、视觉传感器通过以太网与上位机信号连接，包括：

通信模块：用于将相机采集的图像信息传输到上位机、将机器人的状态信息传输到上位机，以及，将上位机的IO控制信号、焊缝点位置信息及纠偏量信息传输到机器人控制器；

标定模块：用于完成弧焊机器人焊接***的视觉传感器标定和手眼标定；

图像处理模块：用于通过图像滤波、图像分割、激光中心线提取、焊缝类型识别及焊缝点提取完成焊缝位置计算；

离线纠偏模块：用于将检测的焊缝点作为新的示教点，更新机器人的示教程序，完成工件的焊缝纠偏；

在线纠偏模块：用于使上位机通过检测的焊缝点位置计算机器人焊枪位置实时的纠偏量并输入机器人控制器控制机器人末端焊枪的运动，实现焊缝的实时纠偏。

进一步地，所述的标定模块具体包括

视觉传感器标定模块，用于视觉传感器在多个位置下，同时采集标定板图像和激光线图像，采用交比不变性原理实现激光平面的标定：

手眼标定模块，用于视觉传感器在不同位置和姿态下采集标定板图像，同时上位机记录机器人末端位置信息，通过两步法完成视觉传感器于机器人末端工具坐标系的变换关系，即手眼关系。

进一步地，所述的图像处理模块具体用于：对采集的激光图像进行处理，包括图像滤波，从而消除图像中的部分噪声；图像分割，从而将激光线区域分割出来；激光中心线提取，将激光线区域骨架化并转换为连续曲线；焊缝类型识别及焊缝点提取，通过线性分割及斜率提取计算焊缝点位置。

进一步地，所述的离线纠偏模块具体用于：

使传感器跟随机器人运动，在指定位置对焊缝进行检测，保存检测的焊缝点位置，将检测的焊缝点与初始焊缝示教点进行匹配，获得检测点与示教点的对应关系，将检测点发送到机器人控制器，所述机器人控制器将示教程序中示教点的位置修改为对应的检测点位置，实现机器人示教程序的跟新，完成工件的焊缝纠偏。

进一步地，所述的通信模块采用以太网进行信息传输。

一种基于如所述***的弧焊机器人焊缝纠偏方法，包括步骤：

步骤1、***初始化，视觉传感器与上位机通过通信模块建立连接，设置相机的曝光时间，检查激光器的状态，同时上位机与机器人控制器通过通信模块建立连接，将机器人状态发送给上位机，检查机器人IO状态及运行状态；

步骤2、加载***标定信息，若视觉传感器位置变动或焊枪位置发生变换时，通过标定模块对***进行重新标定，获得激光平面参数及相机与机器人工具坐标系的位置变换关系，标定完成后，重新加载***标定信息；

步骤3、根据焊缝的结构特点，选择相应的焊缝纠偏模式，完成焊缝轨迹的离线或在线纠偏，所述焊缝纠偏模式包括离线纠偏模式或者在线纠偏模式；

步骤4、焊接结束，重复步骤3，完成批量工件的焊接纠偏任务。

进一步地，步骤2中，所述的对***进行重新标定的过程具体包括：

步骤21、首先对传感器与机器人焊枪工具坐标系进行标定：传感器跟随机器人运动在多个位置下对标定板进行图像采集，同时上位机记录下每个位置机器人末端的位置信息，采集完成后，提取每幅图像中标定板的位置，结合对应的机器人末端位置，采用两步法求解传感器与机器人焊枪工具坐标系的变换关系；

步骤22、对视觉传感器进行标定，即标定激光平面的参数：采集多个位置下标定板图像及对应的激光线图像，利用交比不变形提取激光线与标定板上每列标定点的交点位置，将每个位置下的交点坐标采用最小二乘法拟合激光平面方程：

ax+by+cz+1＝0

得到激光平面参数a，b，c，完成视觉传感器标定。

进一步地，所述步骤21中，采集的标定板图像数量为10-20幅，使标定板图像基本覆盖图像的整个区域。

进一步地，步骤3中，所述的焊缝轨迹的离线纠偏过程具体包括步骤：

步骤301、安装初始工件，机器人示教，获得工件的示教点信息，同时设定机器人视觉检测位置，使视觉检测的焊缝位置个数及分布与示教点相同；

步骤302、视觉传感器跟随机器人到达设定的检测位置，检测每个机器人位置下焊缝点的位置并输出给上位机；

步骤303、上位机将检测的焊缝点位置与初始的示教点位置信息进行匹配，获得每个示教点对应的检测的焊缝点位置；

步骤304、将检测的焊缝点信息通过通信模块传输到机器人控制器中，机器人控制器接受焊缝点信息并依次修改示教程序中对应示教点的位置；

步骤305、修改完毕后运行修改后的机器人示教程序，完成焊缝轨迹的离线纠偏；

步骤306、焊接完成后，安装新的工件，重复步骤301至305，实现批量产品的离线纠偏任务。

进一步地，步骤3中，所述的焊缝轨迹的在线纠偏过程具体包括步骤：

步骤311、安装初始工件，机器人示教，获得初始工件的示教轨迹；

步骤312、运行机器人示教程序，同时视觉传感器开始检测焊缝的位置，并将焊缝的位置存储在一个队列中，新检测的焊缝点依次添加到队列的尾端；

步骤313、计算当前机器人焊枪的位置与焊缝存储队列中首端的位置关系，当首端焊缝点位置位于焊枪位置后端时，删除焊缝队列的首个位置，重新计算删除后机器人焊枪位置与首端焊缝点的位置关系；

步骤314、当队列首端焊缝点位置位于焊枪前端时，计算首端焊缝点与机器人焊枪当前位置的距离d，为保证纠偏速度一致，即每个插补周期的机器人运动量V₀相同，则每个插补周期的纠偏量为：

δ＝Vd₀；

步骤315、上位机将计算的纠偏量发送给机器人控制器，机器人控制器控制机器人的焊枪按照纠偏量进行插补运动，实时纠正焊枪的运动轨迹，完成焊缝轨迹的在线纠偏；

步骤316、焊接完成后，安装新的工件，重复步骤311至315，重复上述纠偏过程，实现批量产品的在线纠偏任务。

与现有机器人焊缝纠偏***相比，本发明的采用的***及方法具有以下优点和效果：

(1)本发明采用的离线纠偏方式，可以快速的定位工件的位置，且焊接时没有视觉***的参与，可以对工件进行高速焊接；

(2)本发明同时具有离线纠偏和在线纠偏功能，提高了机器人的应用范围，同时可以根据实际的生产情况，选择合适的纠偏方式，能够应对不同的焊缝类型及工件的纠偏任务，提高机器人焊接的柔性，提高生产效益，功能完善，适用性高。

附图说明

图1为弧焊机器人焊接***的框架图。

图2为弧焊机器人焊缝纠偏***功能模块图。

图3为弧焊机器人焊缝纠偏***操作流程图。

图4为离线纠偏模式流程图。

图5为在线纠偏模式流程图。

图6为圆形焊缝离线纠偏实例示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。

一种弧焊机器人焊缝纠偏***，用于弧焊机器人焊接***，如图1所示，所述的弧焊机器人焊接***包括上位机、弧焊机器人***、安装在所述弧焊机器人***上的视觉传感器，所述视觉传感器包括相机、镜头、激光器、反射镜、滤镜，所述弧焊机器人***包括焊接机器人、机器人控制器、焊接电源及焊接***设备，所述视觉传感器固定于焊接机器人末端的焊枪上，焊接时跟随机器人运动；所述视觉传感器的检测视场位于焊缝前方，所述弧焊机器人***、视觉传感器通过以太网与上位机信号连接，如图2所述，所述弧焊机器人焊缝纠偏***包括：

通信模块：通过以太网传输信息，用于将相机采集的图像信息传输到上位机、将机器人的状态信息传输到上位机，以及，将上位机的IO控制信号、焊缝点位置信息及纠偏量信息传输到机器人控制器，机器人的状态信息包括伺服状态，机器人当前位置和姿态等信息；

标定模块：用于完成弧焊机器人焊接***的视觉传感器标定和手眼标定；

图像处理模块：用于通过图像滤波、图像分割、激光中心线提取、焊缝类型识别及焊缝点提取完成焊缝位置计算；

离线纠偏模块：用于将检测的焊缝点作为新的示教点，更新机器人的示教程序，完成工件的焊缝纠偏；

在线纠偏模块：用于使上位机通过检测的焊缝点位置计算机器人焊枪位置实时的纠偏量并输入机器人控制器控制机器人末端焊枪的运动，实现焊缝的实时纠偏。

具体而言，所述的标定模块具体包括

视觉传感器标定模块，用于视觉传感器在多个位置下，同时采集标定板图像和激光线图像，采用交比不变性原理实现激光平面的标定：

手眼标定模块，用于视觉传感器在不同位置和姿态下采集标定板图像，同时上位机记录机器人末端位置信息，通过两步法完成视觉传感器于机器人末端工具坐标系的变换关系，即手眼关系。

具体而言，所述的图像处理模块具体用于：对采集的激光图像进行处理，包括图像滤波，从而消除图像中的部分噪声；图像分割，从而将激光线区域分割出来；激光中心线提取，将激光线区域骨架化并转换为连续曲线；焊缝类型识别及焊缝点提取，通过线性分割及斜率提取计算焊缝点位置。

具体而言，所述的离线纠偏模块具体用于：

使传感器跟随机器人运动，在指定位置对焊缝进行检测，保存检测的焊缝点位置，将检测的焊缝点与初始焊缝示教点进行匹配，获得检测点与示教点的对应关系，将检测点发送到机器人控制器，所述机器人控制器将示教程序中示教点的位置修改为对应的检测点位置，实现机器人示教程序的跟新，完成工件的焊缝纠偏。

如图3所示，一种基于如所述***的弧焊机器人焊缝纠偏方法，包括步骤：

步骤1、***初始化，视觉传感器与上位机通过通信模块建立连接，设置相机的曝光时间，检查激光器的状态，同时上位机与机器人控制器通过通信模块建立连接，将机器人状态发送给上位机，检查机器人IO状态及运行状态；

步骤2、加载***标定信息，若视觉传感器位置变动或焊枪位置发生变换时，通过标定模块对***进行重新标定，获得激光平面参数及相机与机器人工具坐标系的位置变换关系，标定完成后，重新加载***标定信息；

步骤3、根据焊缝的结构特点，选择相应的焊缝纠偏模式，完成焊缝轨迹的离线或在线纠偏，所述焊缝纠偏模式包括离线纠偏模式或者在线纠偏模式；

步骤4、焊接结束，重复步骤3，完成批量工件的焊接纠偏任务。

具体而言，步骤2中，所述的对***进行重新标定的过程具体包括：

步骤21、首先对传感器与机器人焊枪工具坐标系进行标定：传感器跟随机器人运动在多个位置下对标定板进行图像采集，采集的标定板图像数量为10-20幅，使标定板图像基本覆盖图像的整个区域，同时上位机记录下每个位置机器人末端的位置信息，采集完成后，提取每幅图像中标定板的位置，结合对应的机器人末端位置，采用两步法求解传感器与机器人焊枪工具坐标系的变换关系；

步骤22、对视觉传感器进行标定，即标定激光平面的参数：采集多个位置下标定板图像及对应的激光线图像，利用交比不变形提取激光线与标定板上每列标定点的交点位置，将每个位置下的交点坐标采用最小二乘法拟合激光平面方程：

ax+by+cz+1＝0

得到激光平面参数a，b，c，完成视觉传感器标定后，***重新加载标定信息。

如图4所示，步骤3中，所述的离线纠偏模式采用“先检测，后焊接”的方式，焊接时没有视觉纠偏，可以实现焊缝的高速的焊接，所述焊缝轨迹的离线纠偏过程具体包括步骤：

步骤301、安装初始工件，以圆形焊缝为例，首先机器人对圆形焊缝进行示教，获得焊缝的示教点信息T_i，同时设定机器人视觉检测位置，使视觉检测的焊缝位置个数及分布与示教点相同，本实例设定示教点个数为4个；

步骤302、运行焊缝检测程序，视觉传感器跟随机器人到达设定的检测位置，检测每个机器人位置下焊缝点的位置P_i并输出给上位机；

步骤303、检测完毕后，上位机将检测的焊缝点位置与初始的示教点位置信息进行匹配，获得每个示教点对应的检测的焊缝点位置；

步骤304、然后上位机将检测的每个焊缝点信息通过通信模块依次传输到机器人控制器中，机器人控制器接受焊缝点信息并依次修改示教程序中对应示教点的位置；

步骤305、如图4所示的圆形焊缝离线纠偏示意图，修改完毕后运行修改后的机器人示教程序，完成焊缝轨迹的离线纠偏；

步骤306、焊接完成后，安装新的工件，重复步骤301至305，实现批量产品的离线纠偏任务。

如图5所示，步骤3中，所述在线纠偏模式采用“边检测，边焊接”的方式，在机器人焊接时，视觉传感器处于工作模式，可以应对薄板工件焊接热变形的现象，所述的焊缝轨迹的在线纠偏过程具体包括步骤：

步骤311、安装初始工件，机器人示教，获得初始工件的示教轨迹；

步骤312、运行机器人示教程序，同时视觉传感器开始检测焊缝的位置，并将焊缝的位置存储在一个队列中，新检测的焊缝点依次添加到队列的尾端；

步骤313、计算当前机器人焊枪的位置与焊缝存储队列中首端的位置关系，当首端焊缝点位置位于焊枪位置后端时，删除焊缝队列的首个位置，重新计算删除后机器人焊枪位置与首端焊缝点的位置关系；

步骤314、当队列首端焊缝点位置位于焊枪前端时，计算首端焊缝点与机器人焊枪当前位置的距离d，为保证纠偏速度一致，即每个插补周期的机器人运动量V₀相同，则每个插补周期的纠偏量为：

步骤315、上位机将计算的纠偏量发送给机器人控制器，机器人控制器控制机器人的焊枪按照纠偏量进行插补运动，实时纠正焊枪的运动轨迹，完成焊缝轨迹的在线纠偏；

步骤316、焊接完成后，安装新的工件，重复步骤311至315，重复上述纠偏过程，实现批量产品的在线纠偏任务。

上述实施例仅为本发明的较佳的实例而已，并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，凡在本发明的精神和原则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权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弧焊机器人焊缝纠偏***，用于弧焊机器人焊接***，所述的弧焊机器人焊接***包括上位机、弧焊机器人***、安装在所述弧焊机器人***上的视觉传感器，所述视觉传感器包括相机、镜头、激光器、反射镜、滤镜，所述弧焊机器人***包括焊接机器人、机器人控制器、焊接电源及焊接***设备，所述弧焊机器人***、视觉传感器通过以太网与上位机信号连接，其特征在于，包括：

通信模块：用于将相机采集的图像信息传输到上位机、将机器人的状态信息传输到上位机，以及，将上位机的IO控制信号、焊缝点位置信息及纠偏量信息传输到机器人控制器；

标定模块：用于完成弧焊机器人焊接***的视觉传感器标定和手眼标定；

图像处理模块：用于通过图像滤波、图像分割、激光中心线提取、焊缝类型识别及焊缝点提取完成焊缝位置计算；

离线纠偏模块：用于将检测的焊缝点作为新的示教点，更新机器人的示教程序，完成工件的焊缝纠偏；

在线纠偏模块：用于使上位机通过检测的焊缝点位置计算机器人焊枪位置实时的纠偏量并输入机器人控制器控制机器人末端焊枪的运动，实现焊缝的实时纠偏。

2.根据权利要求1所述的弧焊机器人焊缝纠偏***，其特征在于：所述的标定模块具体包括

视觉传感器标定模块，用于视觉传感器在多个位置下，同时采集标定板图像和激光线图像，采用交比不变性原理实现激光平面的标定：

手眼标定模块，用于视觉传感器在不同位置和姿态下采集标定板图像，同时上位机记录机器人末端位置信息，通过两步法完成视觉传感器于机器人末端工具坐标系的变换关系，即手眼关系。

3.根据权利要求1所述的弧焊机器人焊缝纠偏***，其特征在于：所述的图像处理模块具体用于：对采集的激光图像进行处理，包括图像滤波，从而消除图像中的部分噪声；图像分割，从而将激光线区域分割出来；激光中心线提取，将激光线区域骨架化并转换为连续曲线；焊缝类型识别及焊缝点提取，通过线性分割及斜率提取计算焊缝点位置。

4.根据权利要求1所述的弧焊机器人焊缝纠偏***，其特征在于：所述的离线纠偏模块具体用于：

使传感器跟随机器人运动，在指定位置对焊缝进行检测，保存检测的焊缝点位置，将检测的焊缝点与初始焊缝示教点进行匹配，获得检测点与示教点的对应关系，将检测点发送到机器人控制器，所述机器人控制器将示教程序中示教点的位置修改为对应的检测点位置，实现机器人示教程序的跟新，完成工件的焊缝纠偏。

5.根据权利要求1所述的弧焊机器人焊缝纠偏***，其特征在于：所述的通信模块采用以太网进行信息传输。

6.一种基于如权利要求1至5中任一项所述***的弧焊机器人焊缝纠偏方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1、***初始化，视觉传感器与上位机通过通信模块建立连接，设置相机的曝光时间，检查激光器的状态，同时上位机与机器人控制器通过通信模块建立连接，将机器人状态发送给上位机，检查机器人IO状态及运行状态；

步骤2、加载***标定信息，若视觉传感器位置变动或焊枪位置发生变换时，通过标定模块对***进行重新标定，获得激光平面参数及相机与机器人工具坐标系的位置变换关系，标定完成后，重新加载***标定信息；

步骤3、根据焊缝的结构特点，选择相应的焊缝纠偏模式，完成焊缝轨迹的离线或在线纠偏，所述焊缝纠偏模式包括离线纠偏模式或者在线纠偏模式；

步骤4、焊接结束，重复步骤3，完成批量工件的焊接纠偏任务。

7.根据权利要求6所述的弧焊机器人焊缝纠偏方法，其特征在于，步骤2中，所述的对***进行重新标定的过程具体包括：

步骤21、首先对传感器与机器人焊枪工具坐标系进行标定：传感器跟随机器人运动在多个位置下对标定板进行图像采集，同时上位机记录下每个位置机器人末端的位置信息，采集完成后，提取每幅图像中标定板的位置，结合对应的机器人末端位置，采用两步法求解传感器与机器人焊枪工具坐标系的变换关系；

步骤22、对视觉传感器进行标定，即标定激光平面的参数：采集多个位置下标定板图像及对应的激光线图像，利用交比不变形提取激光线与标定板上每列标定点的交点位置，将每个位置下的交点坐标采用最小二乘法拟合激光平面方程：

ax+by+cz+1＝0

得到激光平面参数a，b，c，完成视觉传感器标定。

8.根据权利要求6所述的弧焊机器人焊缝纠偏方法，其特征在于，所述步骤21中，采集的标定板图像数量为10-20幅，使标定板图像基本覆盖图像的整个区域。

9.根据权利要求6所述的弧焊机器人焊缝纠偏方法，其特征在于，步骤3中，所述的焊缝轨迹的离线纠偏过程具体包括步骤：

步骤301、安装初始工件，机器人示教，获得工件的示教点信息，同时设定机器人视觉检测位置，使视觉检测的焊缝位置个数及分布与示教点相同；

步骤302、视觉传感器跟随机器人到达设定的检测位置，检测每个机器人位置下焊缝点的位置并输出给上位机；

步骤303、上位机将检测的焊缝点位置与初始的示教点位置信息进行匹配，获得每个示教点对应的检测的焊缝点位置；

步骤304、将检测的焊缝点信息通过通信模块传输到机器人控制器中，机器人控制器接受焊缝点信息并依次修改示教程序中对应示教点的位置；

步骤305、修改完毕后运行修改后的机器人示教程序，完成焊缝轨迹的离线纠偏；

步骤306、焊接完成后，安装新的工件，重复步骤301至305，实现批量产品的离线纠偏任务。

10.根据权利要求6所述的弧焊机器人焊缝纠偏方法，其特征在于，步骤3中，所述的焊缝轨迹的在线纠偏过程具体包括步骤：

步骤311、安装初始工件，机器人示教，获得初始工件的示教轨迹；

步骤312、运行机器人示教程序，同时视觉传感器开始检测焊缝的位置，并将焊缝的位置存储在一个队列中，新检测的焊缝点依次添加到队列的尾端；

步骤313、计算当前机器人焊枪的位置与焊缝存储队列中首端的位置关系，当首端焊缝点位置位于焊枪位置后端时，删除焊缝队列的首个位置，重新计算删除后机器人焊枪位置与首端焊缝点的位置关系；

步骤314、当队列首端焊缝点位置位于焊枪前端时，计算首端焊缝点与机器人焊枪当前位置的距离d，为保证纠偏速度一致，即每个插补周期的机器人运动量V₀相同，则每个插补周期的纠偏量为：

步骤315、上位机将计算的纠偏量发送给机器人控制器，机器人控制器控制机器人的焊枪按照纠偏量进行插补运动，实时纠正焊枪的运动轨迹，完成焊缝轨迹的在线纠偏；

步骤316、焊接完成后，安装新的工件，重复步骤311至315，重复上述纠偏过程，实现批量产品的在线纠偏任务。