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CN111014879B - 一种基于激光焊缝跟踪的机器人波纹板自动焊接方法 - Google Patents

一种基于激光焊缝跟踪的机器人波纹板自动焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种基于激光焊缝跟踪的机器人波纹板自动焊接方法，其具体操作为：实现一个激光焊缝跟踪器的标定算法，用于标定激光焊缝跟踪器坐标系，定义一个焊缝数据缓冲模块，实现一个视觉处理模块，定义一个先入先出的目标点队列，定义两个线程，程序开始运行时，激光焊缝跟踪器首先根据预设焊缝类型和参数搜索焊缝P点，当TCP到达P点时，焊枪自动开启焊接开关，起弧焊接，起弧成功后，运动线程继续向机器人控制器发送目标点位，使得机器人沿着焊缝进行焊接，如此循环往复。通过视觉算法提前识别拐点，对拐点区域进行轨迹规划，利用工业机器人高精度特性保证稳定一直的焊接线速度，根据拐点过渡特征和焊缝宽度动态调整焊接机的电流电压。

Description

一种基于激光焊缝跟踪的机器人波纹板自动焊接方法
技术领域
本发明涉及机器人焊接方法，尤其涉及一种基于激光焊缝跟踪的机器人波纹板自动焊接方法。
背景技术
波纹板是一种具有三维或空间结构的板材。该结构增强了对水平和垂直载荷的抗性。因其结构特性，被广泛应用到集装箱行业。由于前道冲压工位的加工精度和稳定性的影响，导致波纹板与底梁焊接时，出现来料一致性问题，无法实现自动化焊接。目前在行业中普遍采用PLC加激光传感器的专机模式，初步实现了对浅波纹板的自动化焊接。但由于焊接过程中焊枪角度不可调或者调整后无法实现对焊接线速度的精确控制，对深波纹板的焊接无法实现自动化焊接。
发明内容
根据以上技术问题，本发明提供一种基于激光焊缝跟踪的机器人波纹板自动焊接方法，其具体操作方法为：
(1)实现一个激光焊缝跟踪器的标定算法，用于标定激光焊缝跟踪器坐标系。此后激光器测量的x,y,z偏移值，可以直接转换成机器人的目标点；
(2)定义一个焊缝数据缓冲模块，用于暂存激光器的反馈数据(包括焊缝的x/y/z偏移，对应的机器人TCP位置)，调用视觉处理模块对焊缝数据进行预处理。实际使用中，由于激光焊缝跟踪器前置，使激光线距离工具中心点(TCP，焊丝位置)20cm。保证缓冲区中至少可以缓存一个波纹板模块(即完整一个周期)；
(3)实现一个视觉处理模块，对缓冲模块提供的焊缝数据进行处理，识别焊缝拐点位置以及拐点的角度；
(4)定义一个先入先出的目标点队列，用于存放机器人轨迹的目标点；
(5)定义两个线程，运动线程和数据线程。运动线程通过读取目标点队列中的目标点，向工业机器人控制内核发送相应的运动指令(通常是直线运动MOVL)；数据线程用于记录焊缝和TCP数据；
(6)程序开始运行时，激光焊缝跟踪器首先根据预设焊缝类型和参数搜索焊缝P点，搜索到焊缝后，工具中心点通过直线运动开始向焊缝处P点运动，在机器人运动的同时，数据线程中数据缓存模块每隔1mm记录一组焊缝和TCP的数据，并实时调用视觉模块进行数据分析，在检测到第一个拐点A的时候，对拐点A左侧做轨迹规划，保证焊枪姿态均匀变化，焊接点之间线速度恒定，接着将已经规划好的点传递到目标点队列，运动线程读取目标队列发送给工业机器人控制使得机器人运动。在检测到第二个拐点B时，对拐点AB之间部分做轨迹规划，以此类推；
(7)当TCP到达P点时，焊枪自动开启焊接开关，起弧焊接，起弧成功后，运动线程继续向机器人控制器发送目标点位，使得机器人沿着焊缝进行焊接；
(8)如此循环往复，直到由于波纹板焊缝结束处，由于激光传感器检测不到焊缝时，数据线程停止工作，并发送一个附加停止标记的目标点到目标点队列中，以便运动线程检测到该目标点后停止运动并关闭焊枪开关。
所述数据线程处理流程为：
(1)数据线程开始；
(2)通过激光焊缝传感器检测焊缝，如检测不到焊缝则直接结束线程；
(3)检测到焊缝，发送焊缝点位到目标点队列；
(4)缓存焊缝数据，分析拐点和焊缝结束；
(5)如果未检测道焊缝，则根据缓冲区数据生成焊接点位，添加到目标点队列，并结束线程；
(6)如果检测到拐点，则对拐点缓冲数据进行分析，完成拐点左侧的轨迹规划，生成焊接点位，添加到目标点队列，然后回到4，继续缓存数据；
(7)如果没有检测到拐点，则回到4，继续缓存数据；
(8)线程结束。
所述运动线程的流程为：
(1)运动线程开始；
(2)查看目标队列中是否存在点位信息；
(3)如存在点位信息，则向机器人控制内核发送运动指令；
(4)如不存在点位信息，检查数据线程是否已结束，如数据线程结束，则运动也结束；否则继续等待数据线程生成新的点位；
(5)结束。
所述数据缓存模块基于波纹板底梁建立一个工件坐标系，使坐标系的xy平面位于底梁上，z轴垂直底梁平面向上。获取激光焊缝跟踪器反馈的x，y，z偏移、焊缝宽度及对应的机器人TCP的位姿信息，对激光数据进行均值滤波后，生成相对于底梁工件坐标系的实际焊缝点位；该焊缝点位会被保存到缓冲区，同时模块会把缓冲数据送入视觉处理模块进行拐点检测，返回拐点位置和角度，用于下一步的轨迹规划；缓冲模块还会针对焊缝宽度，对焊接点分配不同的电流电压，减少焊接缺陷。
所述视觉处理模块运用开源计算机视觉库opencv对点位信息进行处理。由于实际焊接点位于同一个平面上，所以在处理过程中忽略z方向的分量，降低问题的复杂度，减小算法复杂度，通过调用fitLine通过最小二乘法进行直线拟合，进而算出相邻两条直线之间的交点及其之间的夹角。
本发明的有益效果为：本发明将激光传感器和机器人配合，对深、浅波纹板的自动化焊接。缓冲模块对于拐点的处理。针对拐点的角度对焊枪姿态进行自动调整，做到平滑过渡。视觉处理模块，对于焊缝焊缝拐点的识别方法。
本发明使用激光跟踪器识别波纹板和底梁之间的焊缝的位置与焊缝宽度，通过视觉算法提前获知焊缝拐点，对拐点区域进行轨迹规划，使得焊枪在拐点前后平稳过渡，保证拐点焊接质量；利用机器人运动控制的特点，使得整个过程保证稳定的线速度；在焊接过程中根据焊枪的姿态变化与焊缝宽度动态地调节焊接机的电流电压，保证焊接质量。使得无论对于浅波纹板还是深波纹板均可以实现自动焊接。
本发明优化的拐点识别算法，包括拐点位置，拐点的角度，动态规划焊枪姿态变化。机器人控制算法保证稳定的焊接线速度。根据拐点角度与识别的焊缝宽度，动态调整焊接机的电流电压，保证焊接质量。自动化程度高，减少参数配置，实现一键焊接。
本发明通过激光焊缝跟踪器识别焊缝的实时位置与宽度，通过视觉算法提前识别拐点，对拐点区域进行轨迹规划，保证焊枪姿态的平稳过渡。利用工业机器人高精度特性保证稳定一直的焊接线速度。在整个波纹板的焊接过程中，根据拐点过渡特征和焊缝宽度动态调整焊接机的电流电压。
附图说明
图1为本发明流程图。
图2为本发明流程图。
图3为本发明流程图。
图4为本发明数据流图。
图5为本发明数据线程的流程图。
图6为本发明运动线程的流程图。
具体实施方式
根据图所示，对本发明进行进一步说明：
实施例1
本发明为一种基于激光焊缝跟踪的机器人波纹板自动焊接方法，其具体操作方法为：
(1)实现一个激光焊缝跟踪器的标定算法，用于标定激光焊缝跟踪器坐标系。此后激光器测量的x,y,z偏移值，可以直接转换成机器人的目标点；
(2)定义一个焊缝数据缓冲模块，用于暂存激光器的反馈数据(包括焊缝的x/y/z偏移，对应的机器人TCP位置)，调用视觉处理模块对焊缝数据进行预处理。实际使用中，由于激光焊缝跟踪器前置，使激光线距离工具中心点(TCP，焊丝位置)20cm。保证缓冲区中至少可以缓存一个波纹板模块(即完整一个周期)；
(3)实现一个视觉处理模块，对缓冲模块提供的焊缝数据进行处理，识别焊缝拐点位置以及拐点的角度；
(4)定义一个先入先出的目标点队列，用于存放机器人轨迹的目标点；
(5)定义两个线程，运动线程和数据线程。运动线程通过读取目标点队列中的目标点，向工业机器人控制内核发送相应的运动指令(通常是直线运动MOVL)；数据线程用于记录焊缝和TCP数据；
(6)程序开始运行时，激光焊缝跟踪器首先根据预设焊缝类型和参数搜索焊缝P点，搜索到焊缝后，工具中心点通过直线运动开始向焊缝处P点运动，在机器人运动的同时，数据线程中数据缓存模块每隔1mm记录一组焊缝和TCP的数据，并实时调用视觉模块进行数据分析，在检测到第一个拐点A的时候，对拐点A左侧做轨迹规划，保证焊枪姿态均匀变化，焊接点之间线速度恒定，接着将已经规划好的点传递到目标点队列，运动线程读取目标队列发送给工业机器人控制使得机器人运动。在检测到第二个拐点B时，对拐点AB之间部分做轨迹规划，以此类推；
(7)当TCP到达P点时，焊枪自动开启焊接开关，起弧焊接，起弧成功后，运动线程继续向机器人控制器发送目标点位，使得机器人沿着焊缝进行焊接；
(8)如此循环往复，直到由于波纹板焊缝结束处，由于激光传感器检测不到焊缝时，数据线程停止工作，并发送一个附加停止标记的目标点到目标点队列中，以便运动线程检测到该目标点后停止运动并关闭焊枪开关。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于激光焊缝跟踪的机器人波纹板自动焊接方法，其具体操作方法为：
(1)实现一个激光焊缝跟踪器的标定算法，用于标定激光焊缝跟踪器坐标系，此后激光器测量的x,y,z偏移值，可以直接转换成机器人的目标点；
(2)定义一个焊缝数据缓冲模块，用于暂存激光器的反馈数据，调用视觉处理模块对焊缝数据进行预处理，实际使用中，由于激光焊缝跟踪器前置，使激光线距离工具中心点20cm，保证缓冲区中至少可以缓存一个波纹板模块；
(3)实现一个视觉处理模块，对缓冲模块提供的焊缝数据进行处理，识别焊缝拐点位置以及拐点的角度；
(4)定义一个先入先出的目标点队列，用于存放机器人轨迹的目标点；
(5)定义两个线程，运动线程和数据线程，运动线程通过读取目标点队列中的目标点，向工业机器人控制内核发送相应的运动指令；数据线程用于记录焊缝和TCP数据；
(6)程序开始运行时，激光焊缝跟踪器首先根据预设焊缝类型和参数搜索焊缝P点，搜索到焊缝后，工具中心点通过直线运动开始向焊缝处P点运动，在机器人运动的同时，数据线程中数据缓存模块每隔1mm记录一组焊缝和TCP的数据，并实时调用视觉模块进行数据分析，在检测到第一个拐点A的时候，对拐点A左侧做轨迹规划，保证焊枪姿态均匀变化，焊接点之间线速度恒定，接着将已经规划好的点传递到目标点队列，运动线程读取目标队列发送给工业机器人控制使得机器人运动，在检测到第二个拐点B时，对拐点AB之间部分做轨迹规划，以此类推；
(7)当TCP到达P点时，焊枪自动开启焊接开关，起弧焊接，起弧成功后，运动线程继续向机器人控制器发送目标点位，使得机器人沿着焊缝进行焊接；
(8)如此循环往复，直到由于波纹板焊缝结束处，由于激光传感器检测不到焊缝时，数据线程停止工作，并发送一个附加停止标记的目标点到目标点队列中，以便运动线程检测到该目标点后停止运动并关闭焊枪开关。
2.按照权利要求1所述的一种基于激光焊缝跟踪的机器人波纹板自动焊接方法，其特征在于，所述数据线程处理流程为：
(1)数据线程开始；
(2)通过激光焊缝传感器检测焊缝，如检测不到焊缝则直接结束线程；
(3)检测到焊缝，发送焊缝点位到目标点队列；
(4)缓存焊缝数据，分析拐点和焊缝结束；
(5)如果未检测道焊缝，则根据缓冲区数据生成焊接点位，添加到目标点队列，并结束线程；
(6)如果检测到拐点，则对拐点缓冲数据进行分析，完成拐点左侧的轨迹规划，生成焊接点位，添加到目标点队列，然后回到步骤(4)，继续缓存数据；
(7)如果没有检测到拐点，则回到步骤(4)，继续缓存数据；
(8)线程结束。
3.按照权利要求1所述的一种基于激光焊缝跟踪的机器人波纹板自动焊接方法，其特征在于，所述运动线程的流程为：
(1)运动线程开始；
(2)查看目标队列中是否存在点位信息；
(3)如存在点位信息，则向机器人控制内核发送运动指令；
(4)如不存在点位信息，检查数据线程是否已结束，如数据线程结束，则运动也结束；否则继续等待数据线程生成新的点位；
(5)结束。
4.按照权利要求1所述的一种基于激光焊缝跟踪的机器人波纹板自动焊接方法，其特征在于，所述数据缓存模块基于波纹板底梁建立一个工件坐标系，使坐标系的xy平面位于底梁上，z轴垂直底梁平面向上，获取激光焊缝跟踪器反馈的x，y，z偏移、焊缝宽度及对应的机器人TCP的位姿信息，对激光数据进行均值滤波后，生成相对于底梁工件坐标系的实际焊缝点位；该焊缝点位会被保存到缓冲区，同时模块会把缓冲数据送入视觉处理模块进行拐点检测，返回拐点位置和角度，用于下一步的轨迹规划；缓冲模块还会针对焊缝宽度，对焊接点分配不同的电流电压，减少焊接缺陷。
5.按照权利要求1所述的一种基于激光焊缝跟踪的机器人波纹板自动焊接方法，其特征在于，所述视觉处理模块运用开源计算机视觉库opencv对点位信息进行处理，由于实际焊接点位于同一个平面上，所以在处理过程中忽略z方向的分量，降低问题的复杂度，减小算法复杂度，通过调用fitLine通过最小二乘法进行直线拟合，进而算出相邻两条直线之间的交点及其之间的夹角。
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