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申请号：CN201620133154.2
申请日：2016-02-23
公开（公告）号：CN205650975U
公开（公告）日：2016-10-19
发明人：田啟良;洪磊;嵇保健;朱美玉;樊云博;蔡刚洪
申请（专利权）人：中建安装集团有限公司 , 中国建筑股份有限公司 , 中建五洲工程装备有限公司 , 南京工业大学
申请人地址：江苏省南京市南京经济技术开发区七乡河大道88号
1.一种基于结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统， 其特征在于， 包括：焊缝视觉检测系统， 用于焊缝识别、 位置检测、 进程监视以及向通信与控制系统进行图像传输；焊接执行系统，用于执行焊接动作， 包括六自动度工业机器人(1)、安装在六自动度工业机器人(1)主驱动臂端部的焊接机(6)及安装在六自动度工业机器人(1)末端执行器上的焊枪(8)， 六自动度工业机器人(1)带动焊枪(8)作空间位置和姿态调整， 焊接机(6)通过焊枪(8)对非标工件(14)进行焊接加工；通信与控制系统， 用于实现通信及过程控制， 包括工控机(11)、 机器人控制器(2)、 焊机控制器(7)和通信线缆(9)， 其中， 工控机(11)为主控制设备， 用于完成焊接过程显示、 图像处理、 数据运算、 指令发送功能； 机器人控制器(2)与六自动度工业机器人(1)本体、 工控机(11)通过通信线缆二(9-2)连接， 接收来自工控机(11)的指令信号， 控制六自动度工业机器人(1)的关节运动以调节焊枪(8)的位姿； 焊机控制器(7)与焊接机(6)、 工控机(11)通过通信线缆三(9-3)连接， 接受来自工控机(11)的指令信号， 控制焊接参数。
2.根据权利要求1所述基于结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统， 其特征在于， 所述焊缝视觉检测系统包括线结构光传感器(3)、 监控CCD摄像机(4)和图像采集卡(5)， 其中线结构光传感器(3)固定安装在工业机器人(1)的末端执行器上且与焊枪(8)保持相对固定位置不变， 构成机器人手眼， 用于焊缝识别和位置检测； 监控CCD摄像机(4)用于监视焊接加工进程， 图像采集卡(5)安装在工控机(11)的主板上， 通过通信线缆一(9-1)实现监控CCD摄像机(4)和结构光视觉传感器(3)与工控机(11)之间的图像传输与通信。
3.根据权利要求2所述基于结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统， 其特征在于， 所述线结构光传感器(3)包括激光二级管投射器(3-1)、 光阑(3-2)、 CCD摄像机(3-3)、 透镜(3-4)以及过滤片(3-5)， 其中激光二级管投射器(1)用于向焊缝(15)投射线结构光， 形成反映焊缝表面轮廓的激光条纹(16)， 光阑(2)用于调节控制光束的强弱， CCD摄像机(3-3)用于采集带有激光条纹(16)的焊缝图像， 在CCD摄像机(3-3)前加装透镜(3-4)和过滤片(3-5)， 透镜(3-4)用于图像聚焦， 在CCD像面上形成清晰图像， 过滤片(3-5)用于过滤焊接过程中产生的大量弧光、 飞溅、 烟尘进入镜头， 降低图像噪声。
4.根据权利要求1所述基于结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统， 其特征在于， 所述非标工件(14)由非标件工装夹具装置(10)夹装固定， 所述非标件工装夹具装置(10)由3个柔性多伸缩杆夹持器(10-2)和1套可快速释放夹紧作动器(10-1)， 所述可快速释放夹紧作动器(10-1)安装在其中一个柔性多伸缩杆夹持器(10-2)上， 用于非标工件(14)的夹紧，另外两个柔性多伸缩杆夹持器(10-2)用于非标工件(14)的定位。
5.根据权利要求4所述基于结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统， 其特征在于， 所述柔性多伸缩杆夹持器(10-2)包括电机和一个四伸缩杆机构， 所述四伸缩杆机构由四个结构相同的单伸缩杆机构组成， 每个单伸缩杆机构均包括伸缩杆、 运动机构和动力传输机构，所述四个单伸缩杆机构呈两行两列分布， 其中一列的两个单伸缩杆机构中的伸缩杆与电机连接由电机直接驱动， 另一列的两个单伸缩杆机构中的伸缩杆由电机通过动力传送圆轴驱动， 使得各伸缩杆能够沿各自的X、 Y轴方向独立运动， 共控制8个不同运动。
6.根据权利要求5所述基于结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统， 其特征在于， 所述运动机构由两部分组成， 一部分由一根螺纹轴控制伸缩杆沿Y轴方向运动， 另一部分由一根方轴连同一套蜗轮装置控制伸缩杆沿X方向运动。
7.根据权利要求5所述基于结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统， 其特征在于， 所述伸缩杆安装在一个由螺纹轴驱动的支撑板上， 伸缩杆上有外螺纹， 与蜗轮轴上的内螺纹相啮合， 所述蜗轮轴紧密配合在蜗轮上， 蜗轮由安装在方轴上的蜗杆驱动， 所述蜗轮轴上安装推力轴承用于抵抗夹持时的反作用力， 所述方轴和螺纹轴均由电机通过动力传输机构独立驱动。
8.根据权利要求7所述基于结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统， 其特征在于， 所述动力传输机构包括动力传递系统、轴变换系统和离合系统， 所述动力传递系统包括一个主动轮、 一个惰轮和六个面轮， 电机轴通过轴套延伸， 主动轮固定安装在轴套上， 面轮三固定在惰轮轴上， 面轮四、 面轮五、 面轮六、 面轮七、 面轮八分别安装在该列伸缩杆的四根驱动轴和动力传送圆轴上， 当面轮三与面轮四、 面轮五、 面轮六、 面轮七、 面轮八中的一个相啮合时， 电机的动力将传输到相啮合面轮所对应的轴； 所述轴变换系统包括两个面轮、 一个惰轮臂和一个球头销， 其中面轮一安装在轴套上， 面轮二安装在惰轮臂的一端， 当面轮一和面轮二相啮合时， 惰轮臂旋转运动到被选轴的位置， 由球头销限定惰轮臂继续运动； 所述离合系统由一个离合臂和两个电磁阀开关组成， 电磁开关A用于驱动离合臂以推动惰轮臂施加力使面轮一和面轮二相啮合， 电磁开关B用于驱动离合臂以推动惰轮臂施加力使面轮三和被选轴所在面轮相啮合。
本发明属于自动化焊接技术领域， 涉及一种自动化焊接加工集成设备， 特别涉及一种基于结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统。
目前， 现代企业生产制造中除标准件之外， 还存在大量的的非标准件， 特别是钢结构产品的生产中， 非标准件较多， 非标件的制造加工精度和质量直接影响着最终产品的质量。
钢结构非标准件加工中， 为保障构件强度， 各部件之间多采用焊接连接方式， 焊接加工在钢结构制造中具有重要的地位。 由于钢结构构件具有厚度大、 结构复杂， 非标准件多的特点， 对焊接加工的强度、 精度和工艺性要求很高， 加工难度较大， 对工人的技术要求较高。 目前， 大型钢结构加工仍以人工焊接为主， 辅之以一定的专用焊接设备加工， 自动化程度较低。人工焊接存在着工人劳动强度大、 工作环境艰苦、 生产效率低、 人工成本高等诸多不足； 而专用焊接机设备昂贵， 只能加工固定位置的焊缝， 位置调节困难， 远不能满足实际加工的需要。
为了解决目前存在的问题， 国内很多汽车、 船舶、 工程机械等生产企业借鉴现代制造业的生产加工方法， 在生产线中引入焊接机器人系统， 极大地提高了焊接质量、 降低焊接成本。 然而目前大多数焊接机器人仍采用示教在线编程方式， 虽然在线示教在点焊、 搬运和喷漆等简单无路径要求的任务上得到广泛应用。但这些编程技术存在以下两方面的问题: （1）示教精度不稳定， 影响焊接质量（ ；2）编程时间长， 焊接效率低。在非标件的加工中， 由于焊接位置的不确定， 示教编程的劣势更加明显， 为了保证轨迹的精度， 操作人员需要示教很多点以保证焊接机器人运行平滑， 总焊接时间长， 且无法确保精度的稳定性。
因此， 针对非标件的特点， 建立起符合工业现场需求， 满足非标件加工的自动化焊接系统成为需要迫切解决的问题。
为了克服上述现有技术的缺点， 本发明的目的在于提供一种基于结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统， 解决了现有非标件焊接加工中焊缝示教精度不稳定、 焊接效率低的问题。
为了实现上述目的， 本发明采用的技术方案是：
一种基于结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统， 包括：
焊缝视觉检测系统， 用于焊缝识别、 位置检测、 进程监视以及向通信与控制系统进行图像传输；
焊接执行系统，用于执行焊接动作， 包括六自动度工业机器人1、 安装在六自动度工业机器人1主驱动臂端部的焊接机6及安装在六自动度工业机器人1末端执行器上的焊枪8， 六自动度工业机器人1带动焊枪8作空间位置和姿态调整， 焊接机6通过焊枪8对非标工件14进行焊接加工； 焊接电源为焊接机6和非标工件14供电；
通信与控制系统， 用于实现通信及过程控制， 包括工控机11、 机器人控制器2、 焊机控制器7和通信线缆9， 其中， 工控机11为主控制设备， 用于完成焊接过程显示、 图像处理、 数据运算、 指令发送功能； 机器人控制器2与六自动度工业机器人1本体、 工控机11通过通信线缆二9-2连接， 接收来自工控机11的指令信号， 控制六自动度工业机器人1的关节运动以调节焊枪8的位姿； 焊机控制器7与焊接机6、 工控机11通过通信线缆三9-3连接， 接受来自工控机11的指令信号， 控制焊接电流、 送丝速度等焊接参数。
所述焊缝视觉检测系统包括线结构光传感器3、 监控CCD 摄像机4和图像采集卡5，其中线结构光传感器3固定安装在工业机器人1的末端执行器上且与焊枪8保持相对固定位置不变， 构成机器人手眼， 用于焊缝识别和位置检测； 监控CCD摄像机4用于监视焊接加工进程及熔池， 图像采集卡5安装在工控机11的主板上， 通过通信线缆一9-1实现监控CCD摄像机4和线结构光视觉传感器3与工控机11之间的图像传输与通信。
所述线结构光传感器3包括激光二级管投射器3-1、 光阑3-2、 CCD摄像机3-3、 透镜3-4以及过滤片3-5， 其中激光二级管投射器1用于向焊缝15及非标工件14投射线结构光， 形成反映焊缝表面轮廓的激光条纹16， 光阑2用于调节控制光束的强弱， CCD摄像机3-3用于采集带有激光条纹16的焊缝图像， 在CCD摄像机3-3前加装透镜3-4和过滤片3-5， 透镜3-4用于图像聚焦， 在CCD像面上形成清晰图像， 过滤片3-5用于过滤焊接过程中产生的大量弧光、 飞溅、 烟尘进入镜头， 降低图像噪声。
所述非标工件14由非标件工装夹具装置10夹装固定， 所述非标件工装夹具装置10由3个柔性多伸缩杆夹持器10-2和1套可快速释放夹紧作动器10-1， 所述可快速释放夹紧作动器10-1安装在其中一个柔性多伸缩杆夹持器10-2上， 用于非标工件14的夹紧， 另外两个柔性多伸缩杆夹持器10-2用于非标工件14的定位。 可快速释放夹紧作动器10-1可选用两自由度变位机， 用于支持柔性多伸缩杆夹持器10-2， 调整非标工件14的整体位置和姿态。
所述工控机11中设置视觉信息处理系统12和离线编程系统13， 其中， 所述视觉信息处理系统12包括：
视觉系统标定模块， 用于完成所述焊缝视觉检测系统的参数测定标定， 包括CCD摄像机参数标定、 结构光传感器参数标定和机器人手眼参数标定；
焊缝图像处理模块， 以焊缝视觉检测系统采集的结构光焊缝图像为输入， 进行焊缝图像预处理和焊缝条纹提取；
焊缝识别定位模块， 以视觉系统标定模块和焊缝图像处理模块获得的数据结果为输入， 进行焊缝类型识别和焊缝三维重建；
所述离线编程系统13包括：
CAD建模模块， 以所述焊缝识别定位模块的结果和六自动度工业机器人1参数作为输入， 进行机器人三维建模和焊接环境三维建模， 实现系统设计和布置；
编程模块， 用于机器人路径规划和编制任务程序；
图形仿真模块， 接受编程模块编制的任务程序， 在CAD建模模块的三维模型上进行动态模拟图形仿真， 检验任务程序的正确性；
后置处理模块， 将编程模块编制的任务程序编译为工业机器人目标程序及焊接指令， 并发送给机器人控制器2和焊机控制器7， 以控制焊接操作， 同时将采集到的现场信息进行信息存储， 以备后序分析。
所述焊缝图像预处理包括图像滤波和阈值分割， 之后进行焊缝激光条纹线细化及特征提取；
所述焊缝识别类型包括对接、 搭接、角接等形成的直线型焊缝， 及圆柱体之间或圆柱与球体之间相贯形成的曲线型焊缝。
所述焊缝三维重建采用线结构光主动视觉法， 利用图像处理获取焊缝在图像上的像素坐标， 通过摄像机内参数模型及线结构光平面方程将像素坐标转换为摄像机坐标， 再进一步通过机器人运动学方程及手眼标定关系， 转换到机器人基坐标系， 实现焊缝的三维重建；
所述编制的任务程序包括焊缝图像处理程序、 摄像机内参数标定程序、线结构光平面方程标定程序、 机器人运动学方程解算程序、 机器人手眼标定程序。
与现有技术相比， 本实用新型的有益效果是：
1）可准确检测识别焊缝类型、 位置及形状等特征， 稳定提高非标件焊接加工质量；
2）实时监控焊接加工过程， 实现加工过程的可视化管理；
3）大幅度节省加工时间、 提高劳动生产率；
4）改善工人劳动强度和工作环境。
图1 是本实用新型所述基于结构光视觉的机器人自动化焊接加工系统结构图。
图2 是结构光视觉传感器系统结构图。
图3是非标件工装夹具装置结构图。
图4是视觉信息处理模块原理框图。
图5是离线编程模块原理框图。
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本实用新型一种基于结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统， 包括焊缝视觉检测系统、 焊接执行系统和通信与控制系统。
焊缝视觉检测系统用于焊缝识别、 位置检测、进程监视以及向通信与控制系统进行图像传输； 如图1所示， 其包括线结构光传感器3、 监控CCD 摄像机4和图像采集卡5， 其中线结构光传感器3固定安装在工业机器人1的末端执行器上且与焊枪8保持相对固定位置不变， 构成机器人手眼， 用于焊缝识别和位置检测； 监控CCD摄像机4独立固定安装， 用于监视焊接加工进程及熔池， 图像采集卡5安装在工控机11的主板上， 通过通信线缆一9-1实现监控CCD摄像机4和结构光视觉传感器3与工控机11之间的图像传输与通信。
焊接执行系统用于执行焊接动作， 如图1所示， 其包括六自动度工业机器人1、 安装在六自动度工业机器人1主驱动臂端部的焊接机6及安装在六自动度工业机器人1末端执行器上的焊枪8， 六自动度工业机器人1带动焊枪8作空间位置和姿态调整， 焊接机6通过焊枪8对非标工件14进行焊接加工； 焊接电源为焊接机6和非标工件14供电。
通信与控制系统， 用于实现通信及过程控制， 如图1所示， 其包括工控机11、 机器人控制器2、焊机控制器7和通信线缆9， 其中， 工控机11为主控制设备，用于完成焊接过程显示、 图像处理、 数据运算、 指令发送功能； 机器人控制器2与六自动度工业机器人1本体、 工控机11通过通信线缆二9-2连接， 接收来自工控机11的指令信号， 控制六自动度工业机器人1的关节运动以调节焊枪8的位姿； 焊机控制器7与焊接机6、 工控机11通过通信线缆三9-3连接， 接受来自工控机11的指令信号， 控制焊接电流、 送丝速度等焊接参数。
其中， 线结构光传感器3如图2所示， 包括激光二级管投射器3-1、 光阑3-2、 CCD摄像机3-3、 透镜3-4以及过滤片3-5， 其中激光二级管投射器3-1用于向焊缝15及非标工件14投射线结构光， 形成反映焊缝表面轮廓的激光条纹16， 光阑2用于调节控制光束的强弱， CCD摄像机3-3用于采集带有激光条纹16的焊缝图像， 在CCD摄像机3-3前加装透镜3-4和过滤片3-5， 透镜3-4用于图像聚焦， 在CCD像面上形成清晰图像， 过滤片3-5用于过滤焊接过程中产生的大量弧光、 飞溅、 烟尘进入镜头， 降低图像噪声。
非标工件14由非标件工装夹具装置10夹装固定， 所述非标件工装夹具装置10如图3所示， 由3个柔性多伸缩杆夹持器10-2和1套可快速释放夹紧作动器10-1， 所述可快速释放夹紧作动器10-1安装在其中一个柔性多伸缩杆夹持器10-2上， 用于非标工件14的夹紧， 另外两个柔性多伸缩杆夹持器10-2用于非标工件14的定位。 可快速释放夹紧作动器10-1可选用两自由度变位机， 用于支持柔性多伸缩杆夹持器10-2， 调整非标工件14的整体位置和姿态。
所有系统都由可计算机控制， 各模块伸缩杆首先被驱动到确定位置已固定的非标工件14表面， 再启动可快速释放夹紧作动器10-1安全夹紧非标工件14， 当非标工件14中有任何变化时， 通过改变伸缩杆的位置， 组合夹具实现自动重构。
柔性多伸缩杆夹持器10-2包括电机和一个四伸缩杆机构， 所述四伸缩杆机构由四个结构相同的单伸缩杆机构组成， 每个单伸缩杆机构均包括伸缩杆、 运动机构和动力传输机构， 所述四个单伸缩杆机构呈两行两列分布， 其中一列的两个单伸缩杆机构中的伸缩杆与电机连接由电机直接驱动， 另一列的两个单伸缩杆机构中的伸缩杆由电机通过动力传送圆轴驱动， 使得各伸缩杆能够沿各自的X、 Y轴方向独立运动， 共控制8个不同运动。
运动机构由两部分组成， 一部分由一根螺纹轴控制伸缩杆沿Y轴方向运动， 另一部分由一根方轴连同一套蜗轮装置控制伸缩杆沿X方向运动。 具体地， 伸缩杆安装在一个由螺纹轴驱动的支撑板上， 伸缩杆上有外螺纹， 与蜗轮轴上的内螺纹相啮合， 蜗轮轴紧密配合在蜗轮上， 蜗轮由安装在方轴上的蜗杆驱动， 蜗轮轴上安装推力轴承用于抵抗夹持时的反作用力， 方轴和螺纹轴均由电机通过动力传输机构独立驱动。
动力传输机构包括动力传递系统、轴变换系统和离合系统， 具体地， 动力传递系统包括一个主动轮、 一个惰轮和六个面轮， 电机轴通过轴套延伸， 主动轮固定安装在轴套上，面轮三固定在惰轮轴上， 面轮四、 面轮五、 面轮六、 面轮七、 面轮八分别安装在该列伸缩杆的四根驱动轴和动力传送圆轴上， 当面轮三与面轮四、 面轮五、 面轮六、 面轮七、 面轮八中的一个相啮合时， 电机的动力将传输到相啮合面轮所对应的轴； 轴变换系统包括两个面轮、 一个惰轮臂和一个球头销， 其中面轮一安装在轴套上， 面轮二安装在惰轮臂的一端， 当面轮一和面轮二相啮合时， 惰轮臂旋转运动到被选轴的位置， 由球头销限定惰轮臂继续运动； 离合系统由一个离合臂和两个电磁阀开关组成， 电磁开关A用于驱动离合臂以推动惰轮臂施加力使面轮一和面轮二相啮合， 电磁开关B用于驱动离合臂以推动惰轮臂施加力使面轮三和被选轴所在面轮相啮合。
柔性多伸缩杆夹持器10-2可由可计算机控制， 各模块伸缩杆首先被驱动到确定位置已固定工件表面， 再启动作动器安全夹紧工件， 当工件中有任何变化时， 通过改变伸缩杆的位置， 组合夹具实现自动重构。
以上所述焊缝视觉检测系统、 焊接执行系统、 通信与控制系统、 非标件工装夹具装置构成了结构光视觉的非标件自动化焊接加工系统的硬件设备部分， 除硬件设备外， 系统还需要软件部分， 工控机11中设置视觉信息处理系统12和离线编程系统13， 作为整个焊接系统的软件部分， 其中， 如图4所示， 视觉信息处理系统12包括：
视觉系统标定模块， 用于完成所述焊缝视觉检测系统的参数测定标定， 包括CCD摄像机参数标定、 结构光传感器参数标定和机器人手眼参数标定；
焊缝图像处理模块， 以焊缝视觉检测系统采集的结构光焊缝图像为输入， 进行焊缝图像预处理和焊缝条纹提取；
焊缝识别定位模块， 以视觉系统标定模块和焊缝图像处理模块获得的数据结果为输入， 进行焊缝类型识别和焊缝三维重建；
如图5所示， 离线编程系统13包括：
CAD建模模块， 以所述焊缝识别定位模块的结果和六自动度工业机器人1参数作为输入， 进行机器人三维建模和焊接环境三维建模， 实现系统设计和布置；
编程模块， 用于机器人路径规划和编制任务程序；
图形仿真模块， 接受编程模块编制的任务程序， 在CAD建模模块的三维模型上进行动态模拟图形仿真， 检验任务程序的正确性；
后置处理模块， 将编程模块编制的任务程序编译为工业机器人目标程序及焊接指令， 并发送给机器人控制器2和焊机控制器7， 以控制焊接操作， 同时将采集到的现场信息进行信息存储， 以备后序分析。
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