CN114683283A - 一种焊接机器人免示教焊接方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种焊接机器人免示教焊接方法及装置，其中，焊接机器人免示教焊接方法包括：获取工件的数字模型；根据数字模型，确定工件上的第一焊缝；匹配焊接模板库与第一焊缝，确定第一焊缝的第一焊接模板；修正焊接模板相对第一焊缝的偏移量，确定第一焊缝的第二焊接模板；根据第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程。本方法各步骤均可自动化实现，并通过设置焊接模板库，以及通过将第一焊缝从焊接模板库中匹配最适配的第一焊接模板，并通过修正第一焊接模板得到完全与第一焊缝相适配的第二焊接模板，以用于后续的焊接过程，进一步提升了采用本方法的焊接机器人的焊接自动化程度、焊接效率及适用性。

Description

一种焊接机器人免示教焊接方法及装置

技术领域

本发明涉及焊接机器人领域，具体而言，涉及一种焊接机器人免示教焊接方法及装置。

背景技术

目前，焊接机器人主要采取人工示教和离线编程两种方式，其中，对于人工示教，技术人员需要人为地针对不同的工件在现场操纵机器人确定每个焊接位置，存在效率低、自动化程度低、技术人员工作强度大且工作环境艰苦等缺陷；而对于离线编程，其可结合导入的工件三维模型实现机器人一定程度的自动化，但是在工件实际焊缝位置和模型存在较大区别时无法正常焊接，适用范围有限。

发明内容

本发明解决的问题是：如何提升焊接机器人的焊接自动化程度、效率及适用性。

为解决上述问题，本发明提供一种焊接机器人免示教焊接方法，包括：

获取工件的数字模型；

根据所述数字模型，确定所述工件上的第一焊缝；

匹配焊接模板库与所述第一焊缝，确定所述第一焊缝的第一焊接模板；

修正所述焊接模板相对所述第一焊缝的偏移量，确定所述第一焊缝的第二焊接模板；

根据所述第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程。

可选地，所述获取工件的数字模型包括：

获取所述工件的设计图纸或通过3D扫描装置获取所述工件的所述数字模型。

可选地，所述获取工件的数字模型之前，所述焊接机器人免示教焊接方法还包括：

仿真分析多个工件，得到多种类型的焊缝；

制作每种类型的所述焊缝的焊接模板，构建关于所述焊接模板的焊接模板库。

可选地，所述匹配焊接模板库与所述第一焊缝，确定所述第一焊缝的第一焊接模板包括：

匹配所述焊接模板库与所述第一焊缝，确定所述焊接模板库中与所述第一焊缝最适配的所述焊接模板为所述第一焊接模板。

可选地，所述修正所述焊接模板相对所述第一焊缝的偏移量，确定所述第一焊缝的第二焊接模板包括：

获取所述第一焊接模板相对所述第一焊缝的偏移量；

根据所述偏移量对所述第一焊接模板进行修正，得到所述第二焊接模板。

可选地，所述根据所述第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程包括：

根据所述第一焊缝，规划所述焊接机器人的焊接路径；

根据所述焊接路径和所述第二焊接模板，控制所述焊接机器人进行所述焊接过程。

可选地，当焊接机器人设有多个时，所述根据所述第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程为：

根据所述第一焊缝，规划每个所述焊接机器人的所述焊接路径。

可选地，所述根据所述第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程包括：

根据所述第一焊缝和所述焊接机器人的焊枪，确定所述焊枪与所述工件在所述第一焊缝处的干涉区；

去除所有所述第一焊缝中位于所述干涉区的所述第一焊缝，规划关于其余所述第一焊缝的所述焊接路径；和/或，分割所有所述第一焊缝中位于所述干涉区的所述第一焊缝为第二焊缝，规划关于所有所述第一焊缝和所有所述第二焊缝的所述焊接路径。

为解决上述问题，本发明还提供一种焊接机器人免示教焊接装置，包括：

获取单元，用于获取工件的数字模型；

计算识别单元，用于根据所述数字模型，确定所述工件上的第一焊缝；用于匹配焊接模板库与所述第一焊缝，确定所述第一焊缝的第一焊接模板；用于修正所述焊接模板相对所述第一焊缝的偏移量，确定所述第一焊缝的第二焊接模板；以及用于根据所述第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程。

为解决上述问题，本发明还提供一种焊接机器人免示教焊接装置，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，当所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上所述的焊接机器人免示教焊接方法。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：本方法各步骤均可自动化实现，无需技术人员现场操纵机器人人为地确定每条焊接位置，即无需人工示教，提升了采用本方法的焊接机器人的焊接自动化程度及焊接效率。且本方法通过设置焊接模板库，提升了本方法的适用性；通过将第一焊缝从焊接模板库中匹配最适配的第一焊接模板，并通过修正第一焊接模板相对第一焊缝的偏移量，得到完全与第一焊缝相适配的第二焊接模板，以用于后续焊接机器人对工件的焊接过程，提升了焊接机器人焊接的准确性，且使得本方法还适用于多种与焊接模板库中的焊接模板存在一定区别的工件，进一步提升了采用本方法的焊接机器人的焊接自动化程度、焊接效率及适用范围(适用性)。而且，本方法根据工件的数字模型来确定工件的第一焊缝，在提升了焊接自动化的同时，还提升了第一焊缝识别、提取的准确性、完整性，且提升了后续步骤中第一焊缝与焊接模板库中第一焊接模板匹配的便捷性。

附图说明

图1为本发明实施例中焊接机器人免示教焊接方法的流程图；

图2为本发明另一实施例中焊接机器人免示教焊接方法的部分流程图；

图3为本发明实施例中步骤600的子流程图；

图4为本发明实施例中步骤700的子流程图；

图5为本发明实施例中步骤710的子流程图；

图6为本发明实施例中焊接机器人免示教焊接装置的结构示意图。

附图标记说明：

10-获取单元；20-计算识别单元。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

结合图1所示，本发明实施例提供一种焊接机器人免示教焊接方法，包括以下步骤：

步骤300、获取工件的数字模型；

步骤400、根据数字模型，确定工件上的第一焊缝；

步骤500、匹配焊接模板库与第一焊缝，确定第一焊缝的第一焊接模板；

步骤600、修正第一焊接模板相对第一焊缝的偏移量，确定第一焊缝的第二焊接模板；

步骤700、根据第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程。

本实施例中，焊接机器人免示教焊接方法应用于焊接机器人或相应焊接装置。具体地，本方法先通过步骤300获取待进行焊接过程的工件的设计图纸等数字模型，以准确、完整地反映工件的形状、结构等信息。再通过步骤400，根据工件的数字模型进行分析处理，识别并提取工件上待焊接的焊缝(记为第一焊缝)，例如通过相应的识别算法识别并提取工件上的第一焊缝，保证能够准确、完整地得到工件上的第一焊缝。其后，通过步骤500，将步骤400得到的第一焊缝与焊接模板库中的所有焊接模板进行匹配，以得到焊接模板库中与第一焊缝最适配的焊接模板(记为第一焊接模板)；其中，焊接模板为根据相应类型焊缝制作的具备该焊缝的焊缝形式(用于与第一焊缝相匹配)、用于该焊缝进行焊接的焊接工艺及焊接动作参数(作为相应输入参数用于焊接机器人)等的模板。再后，由于工件的第一焊缝不一定能够在焊接模板库中匹配到完全相同的焊接模板，即使与第一焊缝最适配的第一焊接模板也可能会与第一焊缝存在一定区别(位置偏移等)，通过步骤600，确定第一焊接模板相对第一焊缝的偏移量，即确定第一焊接模板中相应类型焊缝与第一焊缝的实际偏移量，并对第一焊接模板相对第一焊缝的偏移量进行修正，从而得到完全与第一焊缝相适配的第二焊接模板；例如，根据相应偏移量，修改第一焊接模板中焊接工艺及焊接动作参数(其包括运动指令的位置参数、逻辑指令中的工艺参数等)，以得到适应具体第一焊缝的第二焊接模板。最后，通过步骤700，即可控制焊接机器人根据工件上所有第一焊缝对应的第二焊接模板进行工件上所有第一焊缝的焊接，以准确且高效率地进行所有第一焊缝的焊接过程，完成工件焊接需求。

这样，本方法各步骤均可自动化实现，无需技术人员现场操纵机器人人为地确定每条焊接位置，即无需人工示教，提升了采用本方法的焊接机器人的焊接自动化程度及焊接效率。且本方法通过设置焊接模板库，提升了本方法的适用性；通过将第一焊缝从焊接模板库中匹配最适配的第一焊接模板，并通过修正第一焊接模板相对第一焊缝的偏移量，得到完全与第一焊缝相适配的第二焊接模板，以用于后续焊接机器人对工件的焊接过程，提升了焊接机器人焊接的准确性，且使得本方法还适用于多种与焊接模板库中的焊接模板存在一定区别的工件，进一步提升了采用本方法的焊接机器人的焊接自动化程度、焊接效率及适用范围(适用性)。而且，本方法根据工件的数字模型来确定工件的第一焊缝，在提升了焊接自动化的同时，还提升了第一焊缝识别、提取的准确性、完整性，且提升了后续步骤中第一焊缝与焊接模板库中第一焊接模板匹配的便捷性。

可选地，本方法还包括将第二焊接模板存入焊接模板库。

可选地，步骤300包括：

获取工件的设计图纸或通过3D扫描装置获取工件的数字模型。

具体地，工件的数字模型包括设计图纸、点云数据(或根据点云数据逆向建模得到的三维模型)等。在具备工件的设计图纸时，步骤400可以是直接根据步骤300得到的设计图纸来确定工件的第一焊缝；在不具备工件的设计图纸、工件相对设计图纸有所变动或需要工件实时的三维模型时，步骤300可通过3D扫描装置实时获取工件的数字模型(点云数据等)。如此，以准确、完整地反映工件的形状、结构等信息，即准确、完整地反映工件上的焊缝信息。

可选地，步骤300之前，焊接机器人免示教焊接方法还包括：

步骤100、仿真分析多个工件，得到多种类型的焊缝；

步骤200、制作每种类型的焊缝的焊接模板，构建关于焊接模板的焊接模板库。

具体地，为构建具备大量焊接模板的焊接模板库，先通过步骤100，仿真分析多个工件(例如通过相应软件进行仿真分析)，以得到所有工件上的焊缝，并根据焊缝形式对这些焊缝进行分类，从而得到多种不同类型的焊缝；其后，通过步骤200，为每种类型的焊缝制作焊接模板，从而构建具有多种类型焊缝的焊接模板的焊接模板库。在一些实施例中，步骤100中，直接分析大量工件的设计图纸，总结焊缝形式和焊接动作特征，并根据焊缝形式及焊接动作特征进行分类，得到多种类型的焊缝；步骤200中，针对每种类型的焊缝的焊接动作特征制作出合适的焊接模板，从而构建具有多种类型焊缝的焊接模板的焊接模板库。

可选地，步骤100中用于仿真分析的多个工件优选为与待焊接的工件为同一类型。例如本方法用于进行桥梁的钢箱梁板单元焊接的焊接机器人时，待焊接的工件为钢箱梁板单元，用于仿真分析的多个工件也均为钢箱梁板单元。这样，一方面，由于相同类型工件上焊缝类型较为接近，采用同类型工件构建焊接模板库能够得到与待焊接的工件上的第一焊缝更为接近的第一焊接模板；另一方面，能够减少仿真分析的运算量。

可选地，步骤500包括：

匹配焊接模板库与第一焊缝，确定焊接模板库中与第一焊缝最适配的焊接模板为第一焊接模板。

具体地，将步骤400得到的第一焊缝与焊接模板库中的所有焊接模板进行匹配，以得到焊接模板库中与第一焊缝最适配的焊接模板(记为第一焊接模板)，也就是说，从焊接模板库中筛选出焊缝形式等与第一焊缝最为接近的焊接模板作为第一焊接模板，以便于后续步骤微调(或简单调节、修改)第一焊接模板即可得到第二焊接模板。在一些实施例中，使用3D视觉提取焊缝信息并判断焊缝类型，结合工件的数字模型建立相应三维坐标系，根据第一焊缝位置将所有第一焊缝位置区分为X方向一二象限、X方向三四象限、Y方向一四象限、Y方向二三象限和Z方向在各象限的直线焊缝，另外再加上平面上的圆弧焊缝；不同类型第一焊缝可匹配到不同的第一焊接模板。

可选地，步骤600具体包括以下步骤：

步骤610、获取第一焊接模板相对第一焊缝的偏移量；

步骤620、根据偏移量对第一焊接模板进行修正，得到第二焊接模板。

具体地，先通过步骤610，通过例如识别技术或机械定位的方式来获取(确定)第一焊接模板相对第一焊缝的偏移量；再通过步骤620，根据步骤610得到的偏移量，对第一焊接模板进行修正，从而得到修改后完全与第一焊缝相适配的焊接模板(记为第二焊接模板)；例如，根据相应偏移量，修改第一焊接模板中焊接动作参数(其包括运动指令的位置参数、逻辑指令中的工艺参数等)，以得到适应具体第一焊缝的第二焊接模板。

可选地，步骤700包括：

步骤710、根据第一焊缝，规划焊接机器人的焊接路径。

具体地，在通过步骤600得到所有第一焊缝的第二焊接模板之后，通过步骤710，规划关于工件所有第一焊缝的焊接路径，也就是说，规划的焊接路径需涉及到所有第一焊缝，以保证焊接机器人焊接过程中不会漏掉任一条第一焊缝。在一些实施例中，可通过规划算法自动分析工件上设有的第一焊缝，规划各第一焊缝的焊接顺序等，生成相应的焊接路径。

步骤720、根据焊接路径和第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程。

具体地，根据规划好的焊接路径以及焊接路径中每条第一焊缝对应的第二焊接模板，控制焊接机器人根据规划路径精准地进行所有第一焊缝的焊接过程，以完成工件的焊接需求，提升焊接质量与效率。

可选地，每个工件焊接项目都具备相应的焊接路径和第二焊接模板库(由工件上所有第一焊缝的第二焊接模板构成)，以形成工件的焊接工艺文件，也就是说，每个焊接项目最终都会形成一个特有的焊接工艺文件。如此，在实际生产过程中，通过焊接工艺文件的积累，能够构建起由众多工件的焊接工艺文件构成的焊接工艺文件库；在进行相应工件的焊接时，通过识别技术或人工确认的手段确定待焊接的工件的类型，可自动从焊接工艺库中匹配出相应焊接工艺文件，以进行相应焊接过程，提升焊接效率。

可选地，当焊接机器人设有多个时，步骤710为：

根据第一焊缝，规划每个焊接机器人的焊接路径。

对于具有至少两个焊接机器人的焊接装置(例如龙门式双焊接机器人)，为提升工件焊接效率，需通过多个焊接机器人进行配合。具体地，步骤710中，根据所有第一焊缝在工件上的位置以及所有焊接机器人的安装位置、机械结构等，将所有第一焊缝分配给所有焊接机器人，即为所有焊接机器人均规划相应的焊接路径。

可选地，步骤710包括以下步骤：

步骤711、根据第一焊缝和焊接机器人的焊枪，确定焊枪与工件在第一焊缝处的干涉区。

具体地，为避免焊接过程中焊接机器人的焊枪在相应第一焊缝处与工件相互干涉，保证焊接过程的顺利进行，进行焊接过程前需先通过步骤711，分析相应焊接机器人的焊枪在各第一焊缝处进行焊接时是否会与工件相干涉，并确定干涉区及干涉区处的第一焊缝。示例性地，对于桥梁的钢箱梁板单元的焊接，干涉区域可认为是存在于每条第一焊缝焊枪侧一定距离的区域内，计算第一焊缝的路径特征点与干涉区域的位置关系即可判断该第一焊缝焊接过程是否与工件存在干涉；例如，采用空间离散分布算法简化第一焊缝和焊枪焊接干涉区域模型，分析每个干涉区域时，仅需计算干涉区域离散点集与第一焊缝离散点集的包含关系，即可获得与干涉区域的位置关系及相交点近似位置，该算法可大幅降低多条焊缝之间干涉关系计算的复杂度，对于n条焊缝及其干涉区域，算法复杂度为：O(n²)；而常规的空间几何算法计算焊缝干涉关系，算法复杂度为：O(n！)。

步骤712、去除所有第一焊缝中位于干涉区的第一焊缝，规划关于其余第一焊缝的焊接路径；和/或，分割所有第一焊缝中位于干涉区的第一焊缝为第二焊缝，规划关于所有第一焊缝和所有第二焊缝的焊接路径。

具体地，在确定干涉区及干涉区处的第一焊缝后，步骤712中，可以是在焊接路径规划时去除所有第一焊缝中位于干涉区的第一焊缝，仅规划所有焊接机器人关于其余第一焊缝的焊接路径；还可以是分割所有第一焊缝中位于干涉区的第一焊缝为多个第二焊缝，规划所有焊接机器人关于所有第一焊缝和所有第二焊缝的焊接路径；又可以是去除部分位于干涉区的第一焊缝(针对分割也无法解决干涉区问题的第一焊缝)，分割另一部分第一焊缝(针对分割后可解决干涉区问题的第一焊缝)。而且，需根据所有焊接机器人的安装位置、机械结构等规划各焊接机器人的焊接路径，避免各焊接机器人的焊接路径之间相互干涉。

可选地，在路径规划中，还可以是多个焊接机器人协同焊接同一个第一焊缝。

本发明另一实施例提供一种焊接机器人免示教焊接装置，包括：

获取单元10，用于获取工件的数字模型；

计算识别单元20，用于根据数字模型，确定工件上的第一焊缝；用于匹配焊接模板库与第一焊缝，确定第一焊缝的第一焊接模板；用于修正焊接模板相对第一焊缝的偏移量，确定第一焊缝的第二焊接模板；以及用于根据第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程。

本实施例中，焊接机器人免示教焊接装置通过获取单元10与计算识别单元20等结构的配合，以实施上述的焊接机器人免示教焊接方法，保证了焊接机器人免示教焊接方法能够顺利且稳定地执行。

本发明又一实施例提供一种焊接机器人免示教焊接装置，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，当计算机程序被处理器读取并运行时，实现上述的焊接机器人免示教焊接方法。

本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或processor(处理器)执行本发明实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

通过计算机可读存储介质，存储焊接机器人免示教焊接方法相应的计算机程序，能够保证焊接机器人免示教焊接方法相应的计算机程序被相应处理器读取和运行时的稳定性。这样执行焊接机器人免示教焊接方法，保证了焊接机器人免示教焊接方法能够顺利且稳定地执行。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种焊接机器人免示教焊接方法，其特征在于，包括：

获取工件的数字模型；

根据所述数字模型，确定所述工件上的第一焊缝；

匹配焊接模板库与所述第一焊缝，确定所述第一焊缝的第一焊接模板；

修正所述焊接模板相对所述第一焊缝的偏移量，确定所述第一焊缝的第二焊接模板；

根据所述第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程。

2.如权利要求1所述的焊接机器人免示教焊接方法，其特征在于，所述获取工件的数字模型包括：

获取所述工件的设计图纸或通过3D扫描装置获取所述工件的所述数字模型。

3.如权利要求1所述的焊接机器人免示教焊接方法，其特征在于，所述获取工件的数字模型之前，所述焊接机器人免示教焊接方法还包括：

仿真分析多个工件，得到多种类型的焊缝；

制作每种类型的所述焊缝的焊接模板，构建关于所述焊接模板的焊接模板库。

4.如权利要求3所述的焊接机器人免示教焊接方法，其特征在于，所述匹配焊接模板库与所述第一焊缝，确定所述第一焊缝的第一焊接模板包括：

匹配所述焊接模板库与所述第一焊缝，确定所述焊接模板库中与所述第一焊缝最适配的所述焊接模板为所述第一焊接模板。

5.如权利要求1-4中任一项所述的焊接机器人免示教焊接方法，其特征在于，所述修正所述焊接模板相对所述第一焊缝的偏移量，确定所述第一焊缝的第二焊接模板包括：

获取所述第一焊接模板相对所述第一焊缝的偏移量；

根据所述偏移量对所述第一焊接模板进行修正，得到所述第二焊接模板。

6.如权利要求1-4中任一项所述的焊接机器人免示教焊接方法，其特征在于，所述根据所述第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程包括：

根据所述第一焊缝，规划所述焊接机器人的焊接路径；

根据所述焊接路径和所述第二焊接模板，控制所述焊接机器人进行所述焊接过程。

7.如权利要求1-4中任一项所述的焊接机器人免示教焊接方法，其特征在于，当焊接机器人设有多个时，所述根据所述第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程为：

根据所述第一焊缝，规划每个所述焊接机器人的所述焊接路径。

8.如权利要求7所述的焊接机器人免示教焊接方法，其特征在于，所述根据所述第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程包括：

根据所述第一焊缝和所述焊接机器人的焊枪，确定所述焊枪与所述工件在所述第一焊缝处的干涉区；

去除所有所述第一焊缝中位于所述干涉区的所述第一焊缝，规划关于其余所述第一焊缝的所述焊接路径；和/或，分割所有所述第一焊缝中位于所述干涉区的所述第一焊缝为第二焊缝，规划关于所有所述第一焊缝和所有所述第二焊缝的所述焊接路径。

9.一种焊接机器人免示教焊接装置，其特征在于，包括：

获取单元(10)，用于获取工件的数字模型；

计算识别单元(20)，用于根据所述数字模型，确定所述工件上的第一焊缝；用于匹配焊接模板库与所述第一焊缝，确定所述第一焊缝的第一焊接模板；用于修正所述焊接模板相对所述第一焊缝的偏移量，确定所述第一焊缝的第二焊接模板；以及用于根据所述第二焊接模板，控制焊接机器人进行焊接过程。

10.一种焊接机器人免示教焊接装置，其特征在于，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，当所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如权利要求1至8中任一项所述的焊接机器人免示教焊接方法。

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