CN113770497A - 一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置及方法，属于焊接技术领域，包括：检测总成和控制***，所述检测总成包括设置在点焊电极两侧的摄像头总成和背景总成，所述摄像头总成和背景总成分别与控制***电连接。本发明提供一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置及方法，检测效率高、检测结果直观、能够全自动检测，能够在不使用试片或使用试片的情况下获得机器人点焊过程中实际加压位置与时间关系的曲线，进而根据该曲线分析和评估点焊电极磨损补偿功能以及点焊钳弹性变形补偿功能自身以及它们的组合是否正常和点焊机器人编程和示教人员能力，从而使用试片时无耗材，使用成本低。

Description

一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置及方法

技术领域

本发明公开了一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置及方法，属于焊接技术领域。

背景技术

电阻点焊是电阻焊的一种，是通过点焊电极对工件施加电极压力并通电，利用电阻热进行焊接的方法，广泛应用于航天、汽车、家电制造等领域。从操作上分，电阻点焊操作主要有机器人点焊和人工点焊两种，其中由机器人拿持焊钳或工件进行点焊的应用和比重程逐年上升趋势。

但在实际生产中，经常出现由于示教质量低、点焊电极磨损补偿(或修正)不良、点焊钳弹性变形补偿(或修正)不良等因素导致的实际加压位置相对目标加压位置有较大波动的现象，进而导致点焊时施加在工件上的实际电极压力与目标值不一致、焊钳与零件间相互掰扯，严重时造成零件非正常变形、机器人抖动、设备磨损加剧和焊接质量下降等问题。但目前还未见能够测量或评估点焊过程中实际加压位置的技术。

发明内容

本发明的目的在于解决现有电阻点焊示教质量低、点焊电极磨损补偿不良、点焊钳弹性变形补偿不良等因素导致的实际加压位置相对目标加压位置有较大波动造成零件非正常变形、机器人抖动、设备磨损加剧和焊接质量下降的问题，提出一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置及方法。

本发明所要解决的问题是由以下技术方案实现的：

一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置，包括：检测总成和控制***，所述检测总成包括设置在点焊电极两侧的摄像头总成和背景总成，所述摄像头总成和背景总成分别与控制***电连接。

优选的是，所述摄像头总成包括：摄像头和镜头保护盖，所述镜头保护盖设置在摄像头上。

优选的是，还包括试片夹持机构，所述试片夹持机构与点焊电极相邻，所述试片夹持机构上设置有点焊试片，所述点焊试片设置在点焊电极的动电极和静电极之间。

一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法，包括：

步骤S10，获取示教焊点位置数据和初始电极图像数据；

步骤S20，通过所述示教焊点位置数据得到点焊命令数据，执行所述点焊命令数据获取点焊总过程图像数据和点焊总过程图像时间；

步骤S30，通过所述点焊总过程图像数据和初始电极图像数据得到总电极位置数据和总电极前部图像数据，通过所述总电极位置数据得到总目标加压位置，所述总目标加压位置为总点焊接头位置；

步骤S40，通过所述总电极位置数据和总电极前部图像数据得到每帧电极顶点位置数据和每帧图像拍摄时间数据；

步骤S50，通过所述每帧电极顶点位置数据得到每帧实际加压位置，通过所述每帧实际加压位置和每帧图像拍摄时间数据得到实际加压位置相对时间曲线数据。

优选的是，所述总电极位置数据包括：总动电极端面顶点位置、总动电极轴线、总静电极端面顶点位置和总静电极轴线。

优选的是，所述总电极前部图像数据包括：总动电极前部图像数据和总静电极前部图像数据，

优选的是，所述每帧电极顶点位置数据包括：每帧动电极顶点位置数据和每帧静电极顶点位置数据。

优选的是，所述通过总电极位置数据得到总目标加压位置，包括：

当无点焊试片时，所述总静电极端面顶点位置作为总目标加压位置；

当有点焊试片时，所述总动电极端面顶点位置与总静电极端面顶点位置连线与点焊试片的上下两侧交点的中点位置为总目标加压位置。

优选的是，所述通过每帧电极顶点位置数据得到每帧实际加压位置，包括：

当无点焊试片时，通过所述每帧动电极顶点位置数据和每帧静电极顶点位置数据得到每帧顶点距离数据，通过顶点距离数据得到无点焊试片每帧实际加压位置；

优选的是，所述通过每帧电极顶点位置数据得到每帧实际加压位置，还包括：

当有点焊试片时，通过所述每帧动电极顶点位置数据、每帧静电极顶点位置数据和点焊试片分别得到每帧动电极顶点位置与点焊试片上侧距离和每帧静电极顶点位置与点焊试片上侧距离，通过每帧动电极顶点位置与点焊试片上侧距离和每帧静电极顶点位置与点焊试片上侧距离得到有点焊试片每帧实际加压位置。

本发明的有益效果：

本发明提供一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置及方法，检测效率高、检测结果直观、能够全自动检测，能够在不使用试片或使用试片的情况下获得机器人点焊过程中实际加压位置与时间关系的曲线，进而根据该曲线分析和评估点焊电极磨损补偿功能以及点焊钳弹性变形补偿功能自身以及它们的组合是否正常和点焊机器人编程和示教人员能力，从而使用试片时无耗材，使用成本低。

附图说明

图1为本发明一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置的结构示意图。

图2为本发明一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置的A方向的结构示意图。

图3为本发明一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法流程图。

图4为本发明一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法处理图像原始图。

图5为本发明一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法处理图像中间图。

图6为本发明一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法处理图像中间图。

图7为本发明一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法处理图像中间图。

图8为本发明一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法处理图像中间图。

图9为本发明一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法处理图像中间图。

图10为本发明一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法处理图像中间图。

图11为本发明一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法处理图像中间图。

图12为本发明一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法处理图像最终图。

其中：

100-点焊电极，110-动电极，111-动电极端面，112-动电极端面顶点， 113-动电极侧面，114-动电极轴线，120-静电极，121-静电极端面，122-静电极端面顶点，123-静电极侧面，124-静电极轴线，200-检测总成，201-试片夹持机构，202-摄像头，203-背景总成，204-镜头保护盖，300-控制***， 400-点焊试片。

具体实施方式

以下根据附图1-12对本发明做进一步说明：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-2所示，本专利第一实施例在现有技术的基础上提供了一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置，其特征在于，包括：检测总成200和控制***300，检测总成200包括安装在点焊电极100两侧的摄像头总成和背景总成203，背景总成203为摄像头202提供背景。背景总成203 可以是提供普通背景的总成，也可以是能在外部信号控制下点亮和熄灭的背景总成。当背景总成203是能在外部信号控制下发光的背景灯总成时，背景总成203与控制***300信号连接，所述控制***201发送控制信号，以控背景总成203工作。

摄像头总成包括：摄像头202和镜头保护盖204，镜头保护盖204设置在摄像头202上，摄像头202用于拍摄点焊区域，控制***300发送控制信号，以控制摄像头202工作。摄像头202将采集到的点焊区域内的点焊电极图像发送至控制***300内，控制***300与点焊机器人***通信，此实施例中控制***与点焊机器人控制柜通信。

试片夹持机构201，点焊试片400距离摄像头总成的距离为定值，试片夹持机构201与点焊电极100相邻，试片夹持机构201上夹持有点焊试片400，点焊试片400安装在点焊电极100的动电极110和静电极120之间。

4、一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法，其特征在于，包括：

步骤S10，获取示教焊点位置数据和初始电极图像数据，初始电极图像数据包括：有点焊试片初始电极图像数据和无点焊试片初始电极图像数据，下面将详细介绍此步骤的具体过程：

使用钢板尺等标尺，校准摄像头总成拍摄图像中每像素代表的实际尺寸。按照点焊机器人的要求，修磨点焊电极，并完成其它示教准备工作(例如：调整点焊电极对中性，以及某些品牌机器人可能要求使用全新电极示教，因此示教前可能需要检查电极状态和更换新点焊电极)。摄像头总成拍摄一张图像并传输给控制***300。在控制***300中输入电极直径，本实施例电极直径为16mm。

当有点焊试片400时具体步骤如下：

步骤1，在试片夹持机构201上点焊试片400，点焊试片400可以使用单层试片或双层试片。在控制***201中输入点焊试片400的厚度T，本实施例厚度T＝1.0mm。

步骤2，如图2所示，操作点焊机器人，保持静电极轴线124垂直于点焊试片400表面，将动电极端面111和静电极端面121挪动到试片上焊点两侧较近的距离，并使摄像头拍摄的图像中动电极110、静电极120和点焊试片400没有相互重叠的部分，在机器人程序中***移动到此姿态的命令。

步骤3，摄像头202拍摄一张包含静电极120、动电极110和点焊试片 400的图像为有点焊试片初始电极图像数据，并将拍摄的图像传输给控制***300。保持静电极轴线124垂直于点焊试片400，在试片上示教一个焊点，并保证焊点处于拍摄图像的中心附近。

当无点焊试片400时步骤如下：

步骤1，操作点焊机器人，将静电极端面121挪动至摄像头图像中心附近，保持静电极120三维位置和姿态，仅调整动电极110，使动电极端面 111与静电极端面121相距一小段距离；

步骤2，摄像头202拍摄一张包含静电极120和动电极110的图像为无点焊试片初始电极图像数据并将拍摄的图像传输给控制***300。

步骤3，以静电极120的三维位置为基准在机器人程序中录入焊点位置，如果涉及机器人程序中需要输入点焊接头厚度T，那么按照点焊接头厚度T为0mm或机器人***能够接受的最小值录入。

步骤S20，通过示教焊点位置数据得到点焊命令数据，执行点焊命令数据获取点焊总过程图像数据和点焊总过程图像时间，下面将详细介绍此步骤的具体过程：

控制***300持续检测机器人控制柜或点焊控制器发来的点焊命令启动和加压结束信号，并记录接收到信号的时间。

根据测试目的，在以下方式中选取方式1、方式2，或同时使用方式1 和方式2。

1)改变电极压力等参数；

2)更换或等待点焊电极磨损一定长度。此时需要修磨点焊电极，并且根据机器人点焊电极长度补偿策略，运行如打板等电极长度探测程序。

持续拍摄从点焊命令启动到点焊电极加压完毕的图像，并将当有点焊试片400时和无有点焊试片400时拍摄到的图像和图像拍摄的时间分别得到点焊总过程图像数据和点焊总过程图像时间并传输给控制***300，点焊总过程图像数据包括有点焊试片点焊总过程图像数据和无有点焊试片点焊总过程图像数据，点焊总过程图像时间包括有点焊试片点焊总过程图像时间和无有点焊试片点焊总过程图像时间。

步骤S30，通过点焊总过程图像数据和初始电极图像数据得到总电极位置数据和总电极前部图像数据，通过总电极位置数据得到总目标加压位置，所述总目标加压位置为总点焊接头位置，下面将详细介绍此步骤的具体过程：

结合初始电极图像数据和点焊总过程图像数据，得到只剩下动电极 110、静电极120和试片300(当有点焊试片时)，得到的图像如图4所示，将去除背景的点焊总过程图像数据二值化，得到的图像如图6所示，将上述图像进行边缘提取，得到的图像如图6所示。通过图6得到动电极110 的总动电极轴线114和静电极120的总静电极轴线124，并将总静电极轴线 124的方向作为焊点处垂直于工件表面的方向以及得到总动电极轴线114 与动电极110的交点就是总动电极端面顶点112，由此得到动电极端面顶点 112位置；得到静电极轴线124与静电极120的交点就是总静电极端面顶点122，由此得到静电极端面顶点122位置。

有上述得到：

无点焊试片时：将总静电极端面顶点122的位置作为无点焊试片总目标加压位置和无点焊试片总点焊接头位置。

有点焊试片时：

得到总动电极端面顶点112与总静电极端面顶点122连线与点焊试片 400的两个交点，可得到此位置作为有点焊试片总目标加压位置和有点焊试片总点焊接头位置。

如图7所示，记录总动电极前部区域A10内轮廓线、总动电极端面顶点112和总动电极轴线114的坐标，作为动电极几何形状、尺寸特征数据；记录总静电极前部区域A20内轮廓线、总静电极端面顶点122和总静电极轴线124的坐标，作为静电极几何形状、尺寸特征数据。

如图8所示，为了避免后续形状匹配时点焊电极上的特征形状和尺寸被遮挡或与其他轮廓线重合，

选择总动电极前部区域A10中除靠近动电极端面111部分轮廓线以外的数据，得到总动电极区域A10’，其包括的动电极侧面113的轮廓线、总动电极轴线114和总动电极端面顶点112的坐标；

选择总静电极前部区域A20中除靠近动电极端面121部分轮廓线以外的数据，得到总静电极区域A20’，其包括的总静电极侧面123的轮廓线、总动电极轴线124和总动电极端面顶点122的坐标。

步骤S40，通过总电极位置数据和总电极前部图像数据得到每帧电极顶点位置数据和每帧图像拍摄时间数据，每帧电极顶点位置数据包括：每帧动电极顶点位置数据和每帧静电极顶点位置数据，具体步骤如下：

逐帧图像分析总电极位置数据和总电极前部图像数据，得到每帧图像中动电极端面顶点112和静电极端面顶点122位置。过程如下：

假设拍摄的某一帧图像如图9所示，将图9二值化和边缘提取后的图像如图10所示。不论是否有工件，将如图10中所示的Y轴方向上图像中间两侧一定范围内的图像删除，得到如图11所示。求得静电极轴线114和动电极轴线124的方程；如图12所示，将总动电极区域A10’中的图形作为一个可以整体移动和旋转的图像块“复制”到图11中，进行形状匹配：在保证总动电极区域A10’中的动电极轴线与图11动电极轴线重合的情况下，沿着动电极轴线逐步移动总动电极区域A10’中的图形的位置，并计算图12动电极上Y轴坐标与总动电极区域A10’相同部分图形点距的和。当点距的和得到最小值时认为总动电极区域A10’中的动电极形状完全与图12中动电极的某一部分匹配，并将此时总动电极区域A10’中动电极端面顶点112在图12中的位置作为图12中动电极端面顶点112的位置。同理，得到静电极端面顶点122在图11中的坐标。

步骤S50，通过每帧电极顶点位置数据得到每帧实际加压位置，每帧实际加压位置和每帧图像拍摄时间数据得到实际加压位置相对时间曲线数据，具体步骤如下：

当无点焊试片时：

逐帧计算动电极端面顶点112与静电极端面顶点122的距离，当距离小于0.2mm时，认为电极与电极开始接触，控制***300将检测到机器人控制柜或点焊控制器发来的加压结束信号的时间作为加压完毕时间。将电极与工件开始接触到加压完毕间静电极端面顶点122的位置作为实际加压位置的位置，由此得到实际加压位置相对于时间的曲线。

当有点焊试片时：

逐帧计算动电极端面顶点112与点焊试片400顶部的距离，当距离小于0.2mm时，认为动电极与工件开始接触；逐帧计算静电极端面顶点122 与点焊试片400底部的距离，当距离小于0.2mm时，认为静电极与工件开始接触；控制***300将检测到机器人控制柜或点焊控制器发来的加压结束信号的时间作为加压完毕时间。按照如下规则逐帧图像计算电极与工件开始接触到加压完毕间实际加压位置的位置：当两个点焊电极都与工件接触时，实际加压位置为动电极端面顶点112与静电极端面顶点122连线上中点；当只有1个电极与工件接触时，实际加压位置为与工件接触电极的电极端面顶点向点焊接头内部偏移0.5T，本实施例为0.5mm的位置。

另外，当背景总成203是能在外部信号控制下发光的背景灯总成时，每次拍摄前可以打开背景灯、拍摄后可以关闭背景灯。在控制***300中输入电极直径可以作为校准参考：控制***300用从图像上测量的电极帽直径与使用钢板尺等标尺校准摄像头总成202拍摄图像中每像素代表的实际尺寸比对，进而对测量得到的实际加压位置进行修正。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置，其特征在于，包括：检测总成(200)和控制***(300)，所述检测总成(200)包括设置在点焊电极(100)两侧的摄像头总成和背景总成(203)，所述摄像头总成和背景总成(203)分别与控制***(300)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置，其特征在于，所述摄像头总成包括：摄像头(202)和镜头保护盖(204)，所述镜头保护盖(204)设置在摄像头(202)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测装置，其特征在于，还包括试片夹持机构(201)，所述试片夹持机构(201)与点焊电极(100)相邻，所述试片夹持机构(201)上设置有点焊试片(400)，所述点焊试片(400)设置在点焊电极(100)的动电极(110)和静电极(120)之间。

4.一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法，其特征在于，包括：

步骤S10，获取示教焊点位置数据和初始电极图像数据；

步骤S20，通过所述示教焊点位置数据得到点焊命令数据，执行所述点焊命令数据获取点焊总过程图像数据和点焊总过程图像时间；

步骤S30，通过所述点焊总过程图像数据和初始电极图像数据得到总电极位置数据和总电极前部图像数据，通过所述总电极位置数据得到总目标加压位置，所述总目标加压位置为总点焊接头位置；

步骤S40，通过所述总电极位置数据和总电极前部图像数据得到每帧电极顶点位置数据和每帧图像拍摄时间数据；

步骤S50，通过所述每帧电极顶点位置数据得到每帧实际加压位置，通过所述每帧实际加压位置和每帧图像拍摄时间数据得到实际加压位置相对时间曲线数据。

5.根据权利要求4所述的一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法，其特征在于，所述总电极位置数据包括：总动电极端面顶点位置、总动电极轴线、总静电极端面顶点位置和总静电极轴线。

6.根据权利要求5所述的一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法，其特征在于，所述总电极前部图像数据包括：总动电极前部图像数据和总静电极前部图像数据。

7.根据权利要求6所述的一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法，其特征在于，所述每帧电极顶点位置数据包括：每帧动电极顶点位置数据和每帧静电极顶点位置数据。

8.根据权利要求7所述的一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法，其特征在于，所述通过总电极位置数据得到总目标加压位置，包括：

当无点焊试片时，所述总静电极端面顶点位置作为总目标加压位置；

当有点焊试片时，所述总动电极端面顶点位置与总静电极端面顶点位置连线与点焊试片的上下两侧交点的中点位置为总目标加压位置。

9.根据权利要求8所述的一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法，其特征在于，所述通过每帧电极顶点位置数据得到每帧实际加压位置，包括：

当无点焊试片时，通过所述每帧动电极顶点位置数据和每帧静电极顶点位置数据得到每帧顶点距离数据，通过顶点距离数据得到无点焊试片每帧实际加压位置。

10.根据权利要求9所述的一种机器人点焊过程中实际加压位置的检测方法，其特征在于，所述通过每帧电极顶点位置数据得到每帧实际加压位置，还包括：

当有点焊试片时，通过所述每帧动电极顶点位置数据、每帧静电极顶点位置数据和点焊试片分别得到每帧动电极顶点位置与点焊试片上侧距离和每帧静电极顶点位置与点焊试片上侧距离，通过每帧动电极顶点位置与点焊试片上侧距离和每帧静电极顶点位置与点焊试片上侧距离得到有点焊试片每帧实际加压位置。

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