CN111774775A - 用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉***及控制方法，该***包括三维视觉装置、移动装置、控制与电源装置以及龙门式机器人焊接***；三维视觉装置用于实现对于大型结构件表面信息的采集和成像；移动装置用于带动三维视觉装置实现对不同形状和尺寸的大型结构件表面信息的连续采集和成像；控制与电源装置用于实现三维视觉装置采集数据的分析处理与龙门式机器人焊接***的相互通信以及供电；龙门式机器人焊接***用于执行控制与电源装置所给出的指令与程序。本发明通过采用三维视觉***及控制方法改变现有人工焊接和机器人示教焊接的弊端，提升大型结构件焊接的智能化程度，同时提高焊接效率及质量。
Description
技术领域
本发明涉及自动化焊接技术领域，具体涉及一种用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉***及控制方法。
背景技术
传统的大型结构件的焊接以其加工难度大、自动化程度极低、耗时长、成本高、作业危险等特点，通常是船舶、桥梁、石化等领域制造过程的难点。以大型柱状容器的焊接为典型，焊接过程需要多名焊接人员借助升降机升高到指定高度进行不间断的人工焊接和检验。在焊接过程中由于大型结构件具有不同的平面焊缝和空间焊缝，对焊接人员的操作经验要求较高，且需要多名操作人员相互配合才能完成。随着企业对于焊接质量要求的提高，当前出现采用龙门架搭载焊接机器人进行示教焊接的实际应用方式，该方式一定程度上降低了人工劳动强度和对人工经验的依赖，但是依然存在示教操作耗时耗力，操作人员素质要求高，生产效率没有明显提高等问题。因此，该种方式未能从根本上解决大型结构件生产焊接过程中的瓶颈问题。
为了解决现有大型结构件人工焊接和示教焊接的问题，需要设计一款具备感知能力的自动化焊接***来完成大型结构件的焊接问题。由于激光具有精度高、非接触、成本低等优点，配合三维视觉传感器形成的三维视觉装置及相应的控制方法可以满足焊接的自动化，故具有三维视觉装置的机器人焊接***可以解决大型结构件焊接过程的中的瓶颈问题，缩短加工时间，提高产品焊接效率与焊接质量，为完全替代人工或者示教焊接提供了一种有效的解决方案。
国内有一部分人针对大型结构件的自动化焊接***进行了研究并取得了一定的成果，但绝大多数仍处于需要人工示教和理想工件阶段，没有完全解决实际大型结构件自动化焊接的痛点，其主要存在以下问题：(1)无法适用于多品种、小批量、非标准的大型结构件焊接任务；(2)焊接效率低下；(3)使用维护成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉***及控制方法，改变现有的人工焊接和机器人示教焊接的弊端，提升大型结构件焊接的智能化程度，同时提高焊接效率及质量。
实现本发明目的的技术方案为：一种用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉***，包括三维视觉装置、移动装置、控制与电源装置以及龙门式机器人焊接***；
所述三维视觉装置用于大型结构件表面信息的采集和成像；
所述移动装置用于带动三维视觉装置实现对不同形状和尺寸的大型结构件表面信息的连续采集和成像；
所述控制与电源装置用于实现三维视觉装置采集数据的分析处理与龙门式机器人焊接***的相互通信以及供电；
所述龙门式机器人焊接***用于执行控制与电源装置所给出的指令与程序，对识别出的焊缝进行焊接作业。
进一步地，所述三维视觉装置包括第一一字型线激光装置和第二一字型线激光装置，第一三维视觉传感器和第二三维视觉传感器，第一一字型线激光装置和第二一字型线激光装置发射出的一字激光线相互平行且布置在第一三维视觉传感器和第二三维视觉传感器的两边，第一三维视觉传感器和第二三维视觉传感器布置在第一一字型线激光装置和第二一字型线激光装置中间用于采集同侧的一字激光线图像，其中，第一三维视觉传感器上镜头的光轴与第一一字型线激光装置夹角为45度，第二三维视觉传感器上镜头的光轴与第二一字型线激光装置夹角也为45度。
进一步地，所述移动装置上搭载的设备为三维视觉装置，所述龙门式焊接***的轨道位于移动装置的下方，两者互不干涉。
一种用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉***控制方法，包括以下步骤：
步骤1，移动装置复位到焊接***一侧初始位置，等待大型结构件到达焊接工位后，控制与电源装置发出启动指令给移动装置和三维视觉装置，视觉装置上电，第一一字型线激光装置打出一字激光线，第一三维视觉传感器等待采集命令；
步骤2，控制与电源装置发出开始运动指令给移动装置，同时，发出开始采集指令给第一三维视觉传感器，移动装置开始匀速正向移动，第一三维视觉传感器开始采集一字激光线图像；
步骤3，移动装置匀速运动到末端位置并停止，此时，第一三维视觉传感器也同步完成一字激光线图像的采集，并将采集到的图像数据传输到控制与电源装置中的图像工作站中；
步骤4，图形工作站通过对接收到的图像数据进行点云处理，识别出待焊接的焊缝位置，并转换为龙门式机器人焊接***对应格式的焊缝空间坐标，发送给龙门式焊接机器人***，驱动其对识别出的焊缝进行焊接作业；
步骤5，龙门式焊接机器人***完成焊接作业后运动到移动装置一侧并停止，大型结构件5旋转或者翻转到位，控制与电源装置发出启动指令给移动装置和三维视觉装置，三维视觉装置上电，第二一字型线激光装置打出一字激光线，第二三维视觉传感器等待采集命令；
步骤6，控制与电源装置发出开始运动指令给移动装置，同时，发出开始采集指令给第二三维视觉传感器，移动装置开始匀速反方向移动，第二三维视觉传感器开始采集一字激光线图像；
步骤7，移动装置匀速运动到起始位置并停止，此时，第二三维视觉传感器也同步完成一字激光线图像的采集，并将采集到的图像数据传输到控制与电源装置中的图像工作站中；
步骤8，图形工作站通过对接收到的图像数据进行点云处理，识别出待焊接的焊缝位置，并转换为龙门式机器人焊接***对应格式的焊缝空间坐标，发送给龙门式焊接机器人***，驱动其对识别出的焊缝进行焊接作业，重复以上步骤，直到大型结构件焊接完成。
进一步地，所述步骤4具体包括：
步骤4.1，根据步骤3得到的图像数据，首先利用K邻域搜索算法去除点云数据中孤立的噪声点或者点云；
步骤4.2，利用点云精简算法对点云进行精简，减少点云密度；
步骤4.3，采用曲面拟合算法拟合局部点云数据，根据曲面的曲率性质计算曲面的主曲率及主方向，设置合适的阈值，当曲率值大于阈值时，该点即为特征点；
步骤4.4，采用特征点邻域计算曲率的算法得到特征点条状聚集的区域；
步骤4.5，采用特征拟合算法得到点云中存在的所有的特征线，并根据实际焊缝的特征限制条件对点云特征线进行遴选，去除非实际焊缝的特征线；
步骤4.6，对步骤4.5得到的特征线进行矩阵变换，转换为焊接机器人***相匹配的数据格式并发送给焊接机器人***。
进一步地，所述实际焊缝的特征限制条件包括长度、间距条件。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)解决多品种、小批量、非标准的大型结构件的自动化焊接问题，真正实现无人化焊接作业，自动化焊接能力得到大幅提高；
(2)解决现有人工焊接和机器人示教焊接耗时耗力、效率低下的问题，利用三维视觉装置对大型结构件的非接触扫描和数据处理，直接生成焊接路径，引导焊接机器人***进行焊接。不仅如此，通过采用两组对称的一字型线激光装置和三维视觉传感器，保证三维视觉装置在正向和反向移动皆是工作行程，工作效率得到进一步提高；
(3)降低大型结构件焊接定制工装夹具成本，本发明通过采用激光+视觉的方式简易集成到龙门架上，***组成简单，适用范围多样，并可通过更换不同视野范围的相机实现大型结构件的全覆盖，使得焊接成本显著降低。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉***布局图。
图2是本发明三维视觉装置示意图。
图3是本发明控制方法流程图。
图中：三维视觉装置1，移动装置2，控制与电源装置3，龙门式焊接机器人***4，大型结构件5，第一一字型线激光装置11，第二一字型线激光装置12，第一三维视觉传感器13，第二三维视觉传感器14。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉***，包括三维视觉装置1、移动装置2、控制与电源装置3以及龙门式机器人焊接***4。
三维视觉装置1负责采集目标大型结构件5上的表面特征信息，其主要包括一字型线激光装置11和12共两个，分别对称布置在三维视觉传感器13和14的两侧，其发射的一字激光线相互平行，主要作用是其发射的一字激光线为三维视觉装置13和14提供目标信息；三维视觉装置13和14共两个，布置在一字型线激光装置11和12中间，主要作用为采集同侧一字激光图像。三维视觉传感器13上镜头的光轴与一字型线激光装置11夹角为45度，三维视觉传感器14上镜头的光轴与一字型线激光装置12夹角也为45度，主要目的为保证X、Y方向分辨率的前提下提高Z方向分辨率；
所述移动装置2用于搭载三维视觉装置1实现三维视觉装置对大型结构件5的扫描，移动装置2位于龙门式机器人焊接***的上方，在移动过程中不受龙门架的干涉；
所述控制与电源装置3包括，用于给三维视觉装置1、移动装置2供电的电源，用于控制一字型线激光装置11和12的开闭，三维视觉装置13和14的采集和传输，用于控制移动装置2的运行距离和运行速度，用于各设备之间数据的收发和通信；
所述龙门式机器人焊接***4负责执行对大型结构件的自动化焊接作业，三维视觉装置1扫描得到大型结构件表面数据经过控制与电源装置3的数据处理，发给龙门式机器人焊接***4中的控制单元41，控制单元控制焊接机器人42对目标焊缝进行自动化焊接，在完成控制与电源装置3发送的单次全部焊接命令后，龙门架43停在终止点等待下一次焊接命令，之后龙门式机器人焊接***4中的变位机44带动大型结构件转动到指定位置，控制与电源装置3控制三维视觉装置1和移动装置2完成上述的重复指令和动作，龙门式机器人焊接***4完成本次的全部焊接命令，龙门架43停在起始点等待下一次焊接命令。
结合图3，一种用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉***控制方法，包括以下步骤：
步骤1，移动装置复位到焊接***一侧初始位置，等待大型结构件到达焊接工位后，控制与电源装置发出启动指令给移动装置和三维视觉装置，视觉装置上电，第一一字型线激光装置打出一字激光线，第一三维视觉传感器等待采集命令；
步骤2，控制与电源装置发出开始运动指令给移动装置，同时，发出开始采集指令给第一三维视觉传感器，移动装置开始匀速往前移动，第一三维视觉传感器开始采集一字激光线图像；
步骤3，移动装置匀速运动到焊接***另一侧末端位置并停止，此时，第一三维视觉传感器也同步完成一字激光线图像的采集，并将采集到的图像数据传输到控制与电源装置中的图像工作站中；
步骤4，图形工作站通过对接收到的图像数据进行点云处理，识别出待焊接的焊缝位置，并转换为龙门式机器人焊接***对应格式的焊缝空间坐标，发送给龙门式焊接机器人***，驱动其对识别出的焊缝进行焊接作业；
步骤5，龙门式焊接机器人***完成焊接作业后运动到移动装置一侧并停止，大型结构件旋转或者翻转到位，控制与电源装置发出启动指令给移动装置和三维视觉装置，三维视觉装置上电，第二一字型线激光装置打出一字激光线，第二三维视觉传感器等待采集命令；
步骤6，控制与电源装置发出开始运动指令给移动装置，同时，发出开始采集指令给第二三维视觉传感器，移动装置开始匀速反方向移动，第二三维视觉传感器开始采集一字激光线图像；
步骤7，移动装置匀速运动到焊接***起始端位置并停止，此时，第二三维视觉传感器也同步完成一字激光线图像的采集，并将采集到的图像数据传输到控制与电源装置中的图像工作站中；
步骤8，图形工作站通过对接收到的图像数据进行点云处理，识别出待焊接的焊缝位置，并转换为龙门式机器人焊接***对应格式的焊缝空间坐标，发送给龙门式焊接机器人***，驱动其对识别出的焊缝进行焊接作业，重复以上步骤，直到大型结构件焊接完成。
进一步的，步骤4对得到的点云数据进行有针对性处理，具体为：
(4.1)根据步骤3得到的图像数据，首先利用K邻域搜索算法去除点云数据中孤立的噪声点或者点云；
(4.2)利用点云精简算法对点云进行精简，减少点云密度；
(4.3)采用曲面拟合算法拟合局部点云数据，根据曲面的曲率性质计算曲面的主曲率及主方向，设置合适的阈值，当曲率值大于阈值时，该点即为特征点；
(4.4)采用特征点邻域计算曲率的算法得到特征点条状聚集的区域；
(4.5)采用特征拟合算法得到点云中存在的所有的特征线，并根据实际焊缝的特征限制条件对拟合的点云特征线进行遴选，去除非实际焊缝的特征线；特征限制条件包括长度、间距条件；
(4.6)对(4.5)得到的特征线进行矩阵变换，转换为焊接机器人***相匹配的数据格式并发送给焊接机器人***。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉***，其特征在于，包括三维视觉装置(1)、移动装置(2)、控制与电源装置(3)以及龙门式机器人焊接***(4)；
所述三维视觉装置(1)用于大型结构件(5)表面信息的采集和成像；
所述移动装置(2)用于带动三维视觉装置(1)实现对不同尺寸的大型结构件(5)表面信息的连续采集和成像；
所述控制与电源装置(3)用于实现三维视觉装置(1)采集数据的分析处理，与龙门式机器人焊接***(4)的通信以及供电；
所述龙门式机器人焊接***(4)用于执行控制与电源装置(3)所给出的指令，对识别出的焊缝进行焊接作业。
2.根据权利要求1所述的用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉***，其特征在于，所述三维视觉装置(1)包括第一一字型线激光装置(11)、第二一字型线激光装置(12)、第一三维视觉传感器(13)和第二三维视觉传感器(14)，两个一字型线激光装置发射出的一字激光线相互平行且布置在两个三维视觉传感器的两边，第一三维视觉传感器(13)和第二三维视觉传感器(14)布置在第一一字型线激光装置(11)和第二一字型线激光装置(12)中间，用于采集同侧的一字激光线图像；其中，第一三维视觉传感器(13)上镜头的光轴与第一一字型线激光装置(11)夹角为45度，第二三维视觉传感器(14)上镜头的光轴与第二一字型线激光装置(12)夹角为45度。
3.根据权利要求1所述的用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉装置，其特征在于，所述移动装置(2)搭载三维视觉装置(1)，所述龙门式焊接***(4)的轨道位于移动装置(2)的下方。
4.一种如权利要求1-3任一项所述用于大型结构件龙门式机器人焊接的三维视觉***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，移动装置(2)复位到焊接***一侧初始位置，等待大型结构件(5)到达焊接工位后，控制与电源装置(3)发出启动指令给移动装置(2)和三维视觉装置(1)，三维视觉装置(1)上电，第一一字型线激光装置(11)打出一字激光线，第一三维视觉传感器(13)等待采集命令；
步骤2，控制与电源装置(3)发出开始运动指令给移动装置(2)，同时，发出开始采集指令给第一三维视觉传感器(13)，移动装置(2)开始匀速正方向移动，第一三维视觉传感器(13)开始采集一字激光线图像；
步骤3，移动装置(2)匀速运动到末端位置并停止，此时第一三维视觉传感器(13)也同步完成一字激光线图像的采集，并将采集到的图像数据传输至控制与电源装置(3)中的图像工作站中；
步骤4，图形工作站通过对接收到的图像数据进行点云处理，识别出待焊接的焊缝位置，并转换为龙门式机器人焊接***(4)对应格式的焊缝空间坐标，发送给龙门式焊接机器人***(4)，驱动其对识别出的焊缝进行焊接作业；
步骤5，龙门式焊接机器人***(4)完成焊接作业后运动到移动装置(2)一侧并停止，大型结构件旋转或者翻转到位，控制与电源装置(3)发出启动指令给移动装置(2)和三维视觉装置(1)，三维视觉装置(1)上电，第二一字型线激光装置(12)打出一字激光线，三维视觉传感器(14)等待采集命令；
步骤6，控制与电源装置(3)发出开始运动指令给移动装置(2)，同时，发出开始采集指令给第二三维视觉传感器(14)，移动装置(2)开始匀速反方向移动，第二三维视觉传感器(14)开始采集一字激光线图像；
步骤7，移动装置(2)匀速运动到始端位置并停止，此时，第二三维视觉传感器(14)也同步完成一字激光线图像的采集，并将采集到的图像数据传输至控制与电源装置(3)中的图像工作站中；
步骤8，图形工作站通过对接收到的图像数据进行点云处理，识别出待焊接的焊缝位置，并转换为龙门式机器人焊接***(4)对应格式的焊缝空间坐标，发送给龙门式焊接机器人***(4)，驱动其对识别出的焊缝进行焊接作业；重复以上步骤，直到大型结构件焊接完成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：
步骤4.1，根据步骤3得到的图像数据，首先利用K邻域搜索算法去除点云数据中孤立的噪声点或者点云；
步骤4.2，利用点云精简算法对点云进行精简，减少点云密度；
步骤4.3，采用曲面拟合算法拟合局部点云数据，根据曲面的曲率性质计算曲面的主曲率及主方向，设置阈值，当曲率值大于阈值时，该点即为特征点；
步骤4.4，采用特征点邻域计算曲率的算法得到特征点条状聚集的区域；
步骤4.5，采用特征拟合算法得到点云中存在的所有的特征线，并根据实际焊缝的特征限制条件对点云特征线进行遴选，去除非实际焊缝的特征线；
步骤4.6，对步骤4.5得到的特征线进行矩阵变换，转换为焊接机器人***(4)相匹配的数据格式并发送给焊接机器人***(4)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤4.5中所述实际焊缝的特征限制条件包括长度、间距条件。
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