一种焊机移动控制系统以及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种焊机移动控制系统以及控制方法，该控制系统由控制主机、运动控制卡、数字量板卡、CCD视觉传感器、伺服电机及驱动器、导轨、光源，AD板卡，限位开关组成，系统采用人机操作界面接受用户指令，系统通过远距离CCD视觉传感器实时监测焊机位置和操作区域，通过用户鼠标点击目标焊片位置控制焊机快速移动，当焊机到达焊片位置后，近距离用于识别焊点的CCD视觉传感器工作，再根据焊点图像识别算法给出的空间坐标进行二次移动定位，精确定位焊点，进行后续的焊接操作。本方案能够实现6*4.5m大范围的精确移动控制，控制精度达到0.1mm，其不仅可应用于太阳能电池阵电阻焊焊机的移动控制中，还可应用于其他需要大范围快速精确定位的工业领域中。
【专利说明】一种焊机移动控制系统以及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及自动化控制技术，具体涉及到一种用于大范围、高精度焊机移动控制系统。
【背景技术】
[0002]焊机的移动控制可应用于汽车、航天和军事工业等焊接领域。如何能够快速而准确到达指定位置，减少人工干预，这对于提高生产效率、保证产品质量和合格率具有重要的作用。
[0003]目前，焊点自动识别多限于近距离、小视场范围的识别，这种方法对某些需要大范围操作、焊接目标位置不固定的场合无法适用。
【发明内容】
[0004]针对现有焊机的自动控制技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种高效率且高定位精度的焊机移动智能控制技术，其包括控制系统以及相应的控制方法。
[0005]为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案:
[0006]方案1:一种焊机移动控制系统，该控制系统包括:控制主机、运动控制卡、数字量板卡、CCD视觉传感器、伺服电机及驱动器、导轨、光源，AD板卡，限位开关；
[0007]所述导轨上设置有焊机，所述伺服电机驱动焊机沿轨道移动；所述限位开关设置在轨道上，对焊机移动距离进行限位；所述CCD视觉传感器与焊机配合，获取目的位置；所述光源为CCD视觉传感器提供光线；
[0008]所述控制主机通过以太网口控制(XD视觉传感器，通过串口控制焊机，通过运动控制卡控制伺服电机驱动器，所述伺服电机驱动器驱动控制伺服电机；通过数字量板卡控制光源，通过AD板卡控制连接限位开关。
[0009]在上述控制系统中，所述CCD视觉传感器包括粗定位电机移动的第一 CCD视觉传感器以及精确定位焊点的第二 CCD视觉传感器，所述第一 CCD视觉传感器位于焊接工作区域前方，且其视场可以涵盖整个焊接工作区域；所述第二 (XD视觉传感器与光源设置在焊机上，并随焊机一起移动；所述第一 CCD视觉传感器与第二 CCD视觉传感器相互协同工作。
[0010]进一步的，所述控制主机采用用户鼠标点击屏幕操作选取焊接目标位置。
[0011]进一步的，所述控制主机采用图像识别算法精确定位焊机位置和焊点位置。
[0012]方案2: —种焊机移动控制方法，该控制方法采用人机操作界面接受用户指令，首先通过远距离CCD视觉传感器实时监测焊机位置和操作区域，接着通过用户鼠标点击目标焊片位置控制焊机快速移动，当焊机到达焊片位置后，控制近距离用于识别焊点的CCD视觉传感器工作，再根据焊点图像识别算法给出的空间坐标进行二次移动定位，精确定位焊点，进行后续的焊接操作。
[0013]在该控制方法的优选方案中，控制方法具体包括如下步骤:
[0014]1)控制系统复位，系统自检；
[0015]2)控制主机控制第一 C⑶视觉传感器工作，显示全部焊接工作区域；
[0016]3)用户通过鼠标点击控制主机显示的焊接工作区域，确定目标焊片位置；
[0017]4)校正第一 (XD视觉传感器镜头畸变，计算焊片位置的空间坐标1 ;
[0018]5)计算焊机移动前的空间位置坐标2 ；
[0019]6)控制主机根据目标位置空间坐标1和焊机空间位置坐标2计算电机移动距离和方向；
[0020]7)控制主机根据步骤(6)计算确定的移动距离和方法控制电机驱动器驱动电机运动到达目标位置；
[0021]8)控制主机控制光源开启，同时控制第二 C⑶视觉传感器工作，并显示焊点图像；
[0022]9)控制主机计算出焊点的空间位置坐标3 ；
[0023]10)根据焊点空间位置坐标3和焊机焊机位置坐标4计算电机移动的距离和方向；
[0024]11)控制主机根据步骤(10)计算确定的距离和方向控制电机驱动器驱动电机运动，到达焊点位置；
[0025]12)控制主机控制焊机进行焊接工作；
[0026]13)控制主机检测所有焊点是否全部完成，是则转步骤(14)，否则根据焊片间距参数，转步骤(7)；
[0027]14)结束。
[0028]进一步的，所述步骤(2)中第一(XD视觉传感器位于焊接工作区域前方3.5m，且其视场可以涵盖整个6*4.5m焊接工作区域，第一 C⑶视觉传感器通过以太网传输图像数据至控制主机并显示在主机显示器屏幕上。
[0029]进一步的，所述步骤(3)中用户控制鼠标在显示全部焊接工作区域的计算机屏幕上移动，通过点击鼠标左键，控制主机通过捕捉鼠标位置来选择目标焊片位置。
[0030]进一步的，所述步骤(4)中的镜头畸变校正采用网格标定方法。
[0031]进一步的，所述步骤(5)通过图形匹配的方法定位焊机在移动前的空间位置坐标2。
[0032]进一步的，所述步骤(8)中第二 C⑶视觉传感器通过以太网传输图像数据至控制主机并显示在主机显示器屏幕上。
[0033]进一步的，所述步骤(9)中通过数字图像识别算法(其中包括图像预处理、边缘提取和特征匹配算法)计算出焊点在当前图像中的空间位置坐标3。
[0034]进一步的，所述步骤(10)中的焊机焊机位置坐标4为焊机中心至第二 (XD视觉传感器光学镜头中心的相对距离。
[0035]本发明提供的方案可应用于太阳能电池阵电阻焊焊机的移动控制中，能够实现6*4.5m大范围的精确移动控制，控制精度达到0.1mm，系统操作简便，效率高。
[0036]同时，本方案中采用人机操作界面接受用户指令，系统通过远距离CCD视觉传感器实时监测焊机位置和操作区域，通过用户鼠标点击目标位置即可实现焊机快速移动，当焊机到达目标位置后，近距离用于识别焊点的CCD视觉传感器工作，系统根据焊点图像识别算法给出的空间坐标进行二次移动定位，精确定位焊点，进行后续的焊接操作。
[0037]本方案还可应用于其它需要大范围快速精确定位的工业领域中。
[0038]由此，与在先技术相比，本发明提供的方案具有下列优点:
[0039]1、能够实现6*4.5m大范围的精确移动控制，控制精度达到0.1mm。
[0040]2、控制系统采用用户鼠标点击屏幕操作选取焊接目标位置，避免了手工输入位置参数，尤其适用于焊接目标位置相对不固定、随意性较大的工业场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0041 ] 以下结合附图和【具体实施方式】来进一步说明本发明。
[0042]图1是本发明采用的焊机移动智能控制系统结构框图；
[0043]图2是本发明采用的焊机移动智能控制系统控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0044]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0045]参见图1，其所示为本发明提供的焊机移动控制系统的结构框图。由图可知，该控制系统主要由控制主机1、运动控制卡2、电机驱动器3、伺服电机4、数字量板卡5、光源6、AD板卡7、限位开关8、第一 (XD视觉传感器9和第二 (XD视觉传感器10以及轨道(图中未示出)配合组成。
[0046]其中，轨道为焊机移动提供移动路径，其相对于待焊接区域分布，为焊机提供纵向和横向的移动路径。
[0047]限位开关8为对射式光电传感器，其设置在轨道边界，对焊机的移动轨迹进行限位。当焊机移动至轨道边界，遮挡住光电传感器的对射光线时，限位开关发出信号，信号通过AD板卡送入主控计算机，计算机发出命令停止焊机移动。
[0048]AD板卡7，用于采集系统各类限位传感器信号，其具体与限位开关8相接，AD板卡采用PCI总线方式与主控计算机通信。
[0049]第一 (XD视觉传感器9，其为远距离(XD视觉传感器，具体采用康耐视工业相机。该第一 (XD视觉传感器9主要用于实时监测焊机位置和操作区域，对电机移动的位置进行粗定位，其具体位于焊接工作区域前方3.5m，且其视场可以涵盖整个6*4.5m焊接工作区域，且第一 (XD视觉传感器采用以太网传输图像数据至控制主机并显示在主机显示器屏幕上。
[0050]第二 (XD视觉传感器10，其为近距离(XD视觉传感器，具体采用康耐视工业相机。第二 CCD视觉传感器10主要用于识别焊点，对焊点位置进行精确定位，其具体连同光源6设置在焊机上，并随焊机一起沿轨道移动。第二 CCD视觉传感器采用以太网传输图像数据至控制主机并显示在主机显示器屏幕上。
[0051]光源6配合第二 (XD视觉传感器工作，采用侧面光源，突出焊线及焊点的边缘特征，保证第二 (XD视觉传感器拍摄质量。
[0052]数字量板卡5，其连接光源6的控制端，在第二 CCD视觉传感器工作同时数字量板卡5发出信号，控制光源6开启。
[0053]伺服电机4，与焊机相连接，控制焊机在导轨上移动，伺服电机4通过电机驱动器3来控制。
[0054]电机驱动器3，其控制连接伺服电机4，驱动伺服电机4工作。
[0055]运动控制卡2，主控计算机通过运动控制卡2控制电机驱动器3，进而进一步控制焊机移动。
[0056]控制主机1为本系统的控制核心，其由计算机以及安置在计算机中的控制系统软件构成，采用人机操作界面接受用户指令，计算机为工业控制计算机。该控制主机1通过以太网卡控制两个CCD视觉传感器、通过运动控制卡2控制伺服电机驱动器，通过数字量板卡5控制光源，通过AD板卡7采集系统各类限位传感器信号，并通过RS-232串口控制连接焊机11。
[0057]控制主机1首先启动第一 (XD视觉传感器，通过用户鼠标操作选择目标焊片，驱动伺服电机4将焊机移动至目标焊片区域，光源和第二 CCD视觉传感器安装于焊机上部，随焊机一起移动，当焊机到达目标焊片区域后，控制主机1启动光源和第二 CCD视觉传感器工作，系统通过第二 CCD视觉传感器拍摄的图像计算焊点的精确空间位置，驱动电机移动焊机至焊点位置进行焊接工作。
[0058]参见图2，其所示为基于上述焊机移动控制系统对焊机进行精确、自动化控制的过程。由图可知整个控制过程如下:
[0059]1)系统复位，系统自检。
[0060]2)控制主机控制第一 C⑶视觉传感器工作，显示全部焊接工作区域。
[0061]第一(XD视觉传感器位于焊接工作区域前方3.5m，其视场可以涵盖整个6*4.5m焊接工作区域，第一 CCD视觉传感器通过以太网传输图像数据至控制主机并显示在主机显示器屏幕上。
[0062]3)用户通过鼠标点击计算机屏幕上的目标焊片位置。
[0063]该步骤中，用户控制鼠标在显示全部焊接工作区域的计算机屏幕上移动，通过点击鼠标左键，控制主机通过捕捉鼠标位置来选择目标焊片位置。
[0064]4)校正第一 (XD视觉传感器镜头畸变，计算焊片位置的空间坐标1。
[0065]由于第一 (XD视觉传感器距离拍摄目标3.5m,要在6*4.5m焊接工作区域较准确地定位目标焊片的空间位置，CCD视觉传感器光学镜头畸变不可忽略，在进行镜头畸变校正时，具体可采用网格标定方法。6*4.5m焊接工作区域的左上角设置为空间坐标原点，该空间坐标1通过系统捕捉的屏幕鼠标点击位置与空间坐标原点的相对位置计算而得到。
[0066]5)控制主机通过图像识别算法1计算焊机移动前的空间位置坐标2。
[0067]该步骤通过图形匹配的方法定位焊机在移动前的空间位置坐标2，由于6*4.5m焊接工作区域的左上角设置为空间坐标原点，该空间位置坐标2通过图形匹配方法得到的焊机在图像中当前位置与空间坐标原点的相对位置计算而得到。
[0068]6)控制主机根据目标位置空间坐标1和焊机空间位置坐标2计算电机移动距离和方向。
[0069]7)控制主机根据步骤6)中确定的电机移动距离和方向控制电机驱动器驱动电机运动到达目标位置；
[0070]8)在电机达到目标位置后，控制主机通过数字量板卡控制光源开启，同时控制第二 (XD视觉传感器工作，显示焊点图像。
[0071]该步骤中，光源6配合第二 CCD视觉传感器工作，采用侧面光源，突出焊线及焊点的边缘特征，保证第二 CCD视觉传感器拍摄质量。
[0072]第二 (XD视觉传感器距离拍摄目标5cm，通过以太网传输图像数据至控制主机并显示在主机显示器屏幕上。
[0073]9)控制主机通过图像识别算法2计算出焊点的空间位置坐标3。
[0074]该步骤中采用的数字图像识别算法2包括图像预处理、边缘提取和特征匹配算法，由于焊点位于焊片上焊线拨线处上方2mm处，通过边缘提取和特征匹配可以得到提取焊线拨线处在图像中的位置，通过添加固定偏移量的方法换算为焊点在当前图像中的空间位置坐标3。
[0075]10)控制主机根据焊点空间位置坐标3和焊机焊机位置坐标4 (固定参数)计算电机移动的距离和方向；
[0076]这里的焊机焊机位置坐标4为焊机中心至第二 C⑶视觉传感器光学镜头中心的相对距离。
[0077]11)控制主机控制电机驱动器驱动伺服电机运动，伺服电机将驱动焊机到达焊点位置。
[0078]伺服电机的控制精度达到1微米，可以保证焊机准确到达目标焊点位置。
[0079]12)控制主机焊机进行焊接工作；
[0080]13)通过用户对话框方式询问检测焊点是否全部完成，是则转步骤14)，否则根据焊片间距(固定参数，在软件界面上可设置)，转步骤7)；
[0081]14)结束。
[0082]由上可知，本方案采用人机操作界面接受用户指令，首先，通过远距离(XD视觉传感器实时监测焊机位置和操作区域，通过用户鼠标点击目标焊片位置即可实现焊机快速移动，当焊机到达焊片位置后，近距离用于识别焊点的CCD视觉传感器2工作，再根据焊点图像识别算法给出的空间坐标进行二次移动定位，精确定位焊点，进行后续的焊接操作，从而能够实现6*4.5m大范围的精确移动控制，控制精度达到0.1mm,并整个控制过程操作简便，效率高
[0083]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。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。
【权利要求】
1.一种焊机移动控制系统，其特征在于，所述控制系统包括:控制主机、运动控制卡、数字量板卡、CCD视觉传感器、伺服电机及驱动器、导轨、光源，AD板卡，限位开关； 所述导轨上设置有焊机，所述伺服电机驱动焊机沿轨道移动；所述限位开关设置在轨道上，对焊机移动距离进行限位；所述CCD视觉传感器与焊机配合，获取目的位置；所述光源为CCD视觉传感器提供光线； 所述控制主机通过以太网口控制CXD视觉传感器，通过串口控制焊机，通过运动控制卡控制伺服电机驱动器，所述伺服电机驱动器驱动控制伺服电机；通过数字量板卡控制光源，通过AD板卡控制连接限位开关。
2.根据权利要求1所示的一种焊机移动控制系统，其特征在于，所述CCD视觉传感器包括粗定位电机移动的第一 CCD视觉传感器以及精确定位焊点的第二 CCD视觉传感器，所述第一 CCD视觉传感器位于焊接工作区域前方，且其视场可以涵盖整个焊接工作区域；所述第二 CCD视觉传感器与光源设置在焊机上，并随焊机一起移动；所述第一 CCD视觉传感器与第二 CXD视觉传感器相互协同工作。
3.根据权利要求1所示的一种焊机移动控制系统，其特征在于，所述控制主机采用用户鼠标点击屏幕操作选取焊接目标位置。
4.根据权利要求1所示的一种焊机移动控制系统，其特征在于，所述控制主机采用图像识别算法精确定位焊机位置和焊点位置。
5.一种焊机移动控制方法，其特征在于，所述控制方法采用人机操作界面接受用户指令，首先通过远距离CCD视觉传感器实时监测焊机位置和操作区域，接着通过用户鼠标点击目标焊片位置控制焊机快速移动，当焊机到达焊片位置后，控制近距离用于识别焊点的CCD视觉传感器工作，再根据焊点图像识别算法给出的空间坐标进行二次移动定位，精确定位焊点，进行后续的焊接操作。
6.根据权利要求5所述的一种焊机移动控制方法，其特征在于，所述控制方法具体包括如下步骤: 1)控制系统复位，系统自检； 2)控制主机控制第一C⑶视觉传感器工作，显示全部焊接工作区域； 3)用户通过控制鼠标在全部焊接工作区域上进行选择，点击确定目标焊片位置； 4)校正第一CXD视觉传感器镜头畸变，计算焊片位置的空间坐标I ; 5)计算焊机移动前的空间位置坐标2; 6)控制主机根据目标位置空间坐标I和焊机空间位置坐标2计算电机移动距离和方向； 7)控制主机根据步骤(6)计算确定的移动距离和方法控制电机驱动器驱动电机运动到达目标位置； 8)控制主机控制光源开启，同时控制第二CCD视觉传感器工作，并显示焊点图像； 9)控制主机计算出焊点的空间位置坐标3； 10)根据焊点空间位置坐标3和焊机焊机位置坐标4计算电机移动的距离和方向； 11)控制主机根据步骤10)计算确定的距离和方向控制电机驱动器驱动电机运动，到达焊点位置； 12)控制主机控制焊机进行焊接工作； 13)控制主机检测所有焊点是否全部完成，是则转步骤(14)，否则根据焊片间距参数，转步骤⑵； 14)结束。
7.根据权利要求6所述的一种焊机移动控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中第一CXD视觉传感器位于焊接工作区域前方3.5m，且其视场可以涵盖整个6*4.5m焊接工作区域，第一 C⑶视觉传感器通过以太网传输图像数据至控制主机并显示在主机显示器屏幕上。
8.根据权利要求6所述的一种焊机移动控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中用户控制鼠标在显示全部焊接工作区域的计算机屏幕上移动，通过点击鼠标左键，控制主机捕捉鼠标位置来选择目标焊片位置。
9.根据权利要求6所述的一种焊机移动控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中的镜头畸变校正采用网格标定方法。
10.根据权利要求6所述的一种焊机移动控制方法，其特征在于，所述步骤(5)通过图形匹配的方法定位焊机在移动前的空间位置坐标2。
11.根据权利要求6所述的一种焊机移动控制方法，其特征在于，所述步骤(8)中第二C⑶视觉传感器通过以太网传输图像数据至控制主机并显示在主机显示器屏幕上。
12.根据权利要求6所述的一种焊机移动控制方法，其特征在于，所述步骤(9)中通过数字图像识别算法计算出焊点在当前图像中的空间位置坐标3。
13.根据权利要求6所述的一种焊机移动控制方法，其特征在于，所述步骤(10)中的焊机焊机位置坐标4为焊机中心至第二 CXD视觉传感器光学镜头中心的相对距离。
【文档编号】B23K37/00GK104384762SQ201410494728
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】秦琴, 黄江巍, 刘正国 申请人:上海第二工业大学