基于3D视觉寻位的瓦楞板焊接轨迹生成方法及系统与流程

本发明属于瓦楞板焊缝自动焊接技术领域，尤其涉及一种基于3d视觉寻位的瓦楞板焊接轨迹生成方法及系统。

背景技术：

瓦楞板一种通过冷轧或者辊压等加工技术形成的，具有梯形波纹形状的钢板，其不仅造型美观，而且由于其在刚度和抗剪切和承载能力方面具有优异性能，被广泛应用于民用建筑、仓库、特种建筑、大跨度钢结构，船舶、集装箱、卡车车厢、公路隔离板等场合。在瓦楞板的使用中，必须要通过焊接手段将瓦楞板板材与其底框、边框接合在一起才能达到不同结构的加工需求，因此对于瓦楞焊缝的焊接需求量很大。

最早这类焊接主要以人工为主，工人劳动强度很大，焊接效率底下，焊接效果不甚理想，生产质量取决于工人的技术水平，产品的质量和数量均难以保障，导致企业生产成本较高。因此逐渐出现了一些相应的自动焊接设备，一般主要以小于六轴的焊接专机的形式。这种设备一般比较适合构型比较简单且单一的应用场景，但是对于一些多品种，小批量的产品中，甚至复杂产品中出现的瓦楞焊缝空间位置不同的构件无法适应。因此对于空间形位比较复杂的焊缝一般会采用多轴多关节机器人并结合扩展轴的方式去解决，并且由于6轴关节焊接机器人越来越普遍，其当前能够作为一种标准型模块使得使用者能够针对不同的应用场景进行简易快速系统集成布局。但是应用该种机器人进行瓦楞焊缝的焊接来说，因为绝大多数机器人为现场示教型，通过手工示教焊缝不仅工作量大，而且难度高，专业性要求高，因此需要解决这类焊缝的焊接轨迹简易生成的问题。

另外瓦楞板焊缝本身往往具有误差大的特点，单单依赖机构本身无法保证焊接质量，因此出现过采用一些补偿手段来完成瓦楞焊缝检测与焊接运动补偿，但是多采用一维的激光寻位间接测量手段，因此往往在焊缝发生二维甚至三维偏差时，出现补偿不精确的问题，因此同样需要解决三维补偿位置。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中存在的上述技术问题而提供一种基于3d视觉寻位的瓦楞板机器人焊接轨迹自动生成系统。

本发明采取的技术方案是：

一种基于3d视觉寻位的瓦楞板焊接轨迹生成方法，包括以下步骤：

s1、扫描轨迹示教及单周期焊缝轨迹路径上的焊接工艺设定，在系统离线状态下，完成焊接机械臂末端3d线扫激光传感器对焊缝的扫描路径的示教，并基于设定的焊接工艺在一个单周期焊缝轨迹路径上建立对应不同工艺阶段的瓦楞板焊缝焊接模板；

s2、驱动焊接机械臂，使其末端的3d线扫激光传感器对瓦楞板焊缝轮廓进行连续采样，完成对焊缝三维构型的三维重建；

s3、通过三维点云特征分割与识别完成整个瓦楞板焊缝的分段提取，并进一步完成其焊缝轨迹上焊接工艺特征点的提取，与预设的单周期瓦楞板焊缝的工艺模板进行匹配，获得实际的焊缝焊接轨迹数据；

s4、将上述获得的实际的焊缝焊接轨迹生成焊接机器人可直接运行的焊接轨迹指令序列。

进一步地，在所述步骤s1中，所述的扫描轨迹示教包括步骤：

s1.1、根据待焊焊缝所在的大致位置，操作引导装载在机械臂末端的3d线扫激光传感器至相应的位置，使投射激光对焊缝进行覆盖扫描；

s1.2、在“扫描轨迹示教”接口模块中完成轨迹的示教与3d线扫激光传感器检测信息的设置。

进一步地，所述的3d线扫激光传感器为投射出激光线状的基于三角测量法的3d相机。

进一步地，所述的一个单周期焊缝轨迹路径包括起弧点、收弧点以及焊接中间点。

进一步地，所述焊接中间点包括直线点、转折点以及转折过渡点。

进一步地，所述的工艺特征为应用在相应焊接位置点的焊接参数，所述焊接参数包括：焊接姿态、焊接速度、焊接电流以及焊接电压。

另一方面，本发明还提供了一种基于3d视觉寻位的瓦楞板焊接轨迹生成系统，该系统包括：

3d线扫激光传感器，与焊枪一起安装固定在焊接机械臂的末端，用于完成在焊接机器人工作坐标系下对瓦楞板焊缝的三维特征检测与定位；

瓦楞板焊缝识别模块，与所述3d线扫激光传感器连接，用于获取瓦楞板焊缝的三维重建信息，识别实际的焊缝轨迹；

瓦楞板焊缝焊接特征提取模块，与所述瓦楞板焊缝识别模块连接，用于对识别的实际焊缝轨迹的焊缝三维轨迹点进行滤波处理，然后通过“段聚类”完成瓦楞板焊缝的分割，并进一步提取出瓦楞板焊缝的角点特征点数据；

瓦楞板焊缝焊接模板，分别与所述瓦楞板焊缝焊接特征提取模块和单周期瓦楞板焊接工艺输入接口连接，通过所述单周期瓦楞板焊接工艺输入接口获取瓦楞板焊缝在一个单周期下，其指定焊接位置点上的工艺特征的示教与设置，通过所述瓦楞板焊缝焊接特征提取模块获取瓦楞板焊缝的角点特征点数据，建立从实际焊缝的检测特征点到示教的所述瓦楞板焊缝焊接模板相对应性的模板焊缝位姿点的映射，生成一组更新过实际焊缝轨迹；

机器人焊接轨迹生成模块，与所述瓦楞板焊缝焊接模板连接，用于将获得的实际的焊缝焊接轨迹生成焊接机器人可直接运行的焊接轨迹指令序列；

机器人控制执行模块，与所述机器人焊接轨迹生成模块连接，获取所述焊接轨迹指令序列，驱动焊接机器人的机械臂和焊枪完成对实际的瓦楞板焊缝的自动焊接。

进一步地，所述机器人控制执行模块与焊接机器人控制器连接，焊接机器人本体与所述焊接机器人控制器连接。

进一步地，所述机器人控制执行模块和所述3d线扫激光传感器分别与扫描轨迹示教接口连接。

进一步地，所述的3d线扫激光传感器为投射出激光线状的基于三角测量法的3d相机。

本发明的优点和积极效果是：本发明通过3d线扫激光传感器的3d线扫激光视觉技术完成对整个瓦楞板焊缝的三维扫描与特征点提取，然后通过与预设的瓦楞板焊接工艺匹配，自动生成相应的机器人焊接轨迹程序，相比较传统的人工焊接或者是瓦楞板焊接专机，本发明针对瓦楞板焊缝轨迹的周期性变化特点，通过为一般通用性焊接关节机器人提供可被自动化运行的基于3d视觉寻位的瓦楞板焊接轨迹生成方法，使得焊接机器人能够快速完成高质量的瓦楞板焊缝焊接，焊接简便、快速、准确。

附图说明

图1是本发明的焊接轨迹生成方法的流程图；

图2是本发明的焊接轨迹生成系统的原理模块框图；

图3是本发明的瓦楞板单周期焊缝特征示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹举以下实施例详细说明如下：

请参见图1，如图所示，本发明的实施例提供一种基于3d视觉寻位的瓦楞板焊接轨迹生成方法，该方法包括以下步骤：

s1、扫描轨迹示教及单周期焊缝轨迹路径上的焊接工艺设定，在系统离线状态下，完成焊接机械臂末端3d线扫激光传感器对焊缝的扫描路径的示教，并基于设定的焊接工艺在一个单周期焊缝轨迹路径上建立对应不同工艺阶段的瓦楞板焊缝焊接模板；

s2、驱动焊接机械臂，使其末端的3d线扫激光传感器对瓦楞板焊缝轮廓进行连续采样，完成对焊缝三维构型的三维重建；

s3、通过三维点云特征分割与识别完成整个瓦楞板焊缝的分段提取，并进一步完成其焊缝轨迹上焊接工艺特征点的提取，与预设的单周期瓦楞板焊缝的工艺模板进行匹配，获得实际的焊缝焊接轨迹数据；

s4、将上述获得的实际的焊缝焊接轨迹生成焊接机器人可直接运行的焊接轨迹指令序列。

进一步地，在步骤s1中，所述的扫描轨迹示教包括步骤：

s1.1、根据待焊焊缝所在的大致位置，操作引导装载在机械臂末端的3d线扫激光传感器至相应的位置，使投射激光对焊缝进行覆盖扫描；

s1.2、在“扫描轨迹示教”接口模块中完成轨迹的示教与3d线扫激光传感器检测信息的设置。

在本发明的优选实施例中，该3d线扫激光传感器为投射出激光线状的基于三角测量法的3d相机。一个单周期焊缝轨迹路径包括起弧点、收弧点以及焊接中间点，焊接中间点包括直线点、转折点以及转折过渡点。具体地，参见图3所示，如图所示，一个单周期包括点位xp1-xp18，焊接位置点包含起弧点xp1、收弧点xp2以及焊接中间点xp3-xp18，焊接中间点xp3-xp18包含了焊接中间的直线点、转折点以及转折过渡点，其中直线点为中间段1和中间段3上的焊点xp3和焊点xp11，转折点包括中间段2和中间段4上的焊点xp7和焊点xp15，转折过渡点包括位于中间段1与中间段2，以及中间段2与中间段3，以及中间段3与中间段4连接处的焊点xp4、焊点xp5、焊点xp6、焊点xp8、焊点xp9、焊点xp10、焊点xp12、焊点xp13、焊点xp14、焊点xp16、焊点xp17以及焊点xp18。

在本发明的优选实施例中，工艺特征为应用在相应焊接位置点的焊接参数，该焊接参数包括：焊接姿态、焊接速度、焊接电流以及焊接电压。当使用人员完成工艺设置后，将会生成“瓦楞板焊缝焊接模板”，而该模板将能够适用与这一类焊接工艺特征类似的任何后续批次瓦楞板焊缝焊接。

请参见图2所示，另一方面，本发明的实施例还提供一种基于3d视觉寻位的瓦楞板焊接轨迹生成系统，该系统包括：3d线扫激光传感器、瓦楞板焊缝识别模块、瓦楞板焊缝焊接特征提取模块、瓦楞板焊缝焊接模板、机器人焊接轨迹生成模块以及机器人控制执行模块。其中，该3d线扫激光传感器与焊枪一起安装固定在焊接机械臂的末端，用于完成在焊接机器人工作坐标系下对瓦楞板焊缝的三维特征检测与定位。具体地，该3d线扫激光传感器与焊枪一起安装在焊接机械臂末端，与焊接机械臂形成一个典型的“手眼系统”，并且已经通过标定能够完成在焊接机器人工作坐标系下的三维特征检测与定位。机器人控制执行模块和3d线扫激光传感器分别与扫描轨迹示教接口连接，而整个机器人本体一般会安装在至少具有沿焊缝方向的一维直线导轨上以拓展其运动覆盖范围，而机器人本体基本运动将由其本身所匹配的焊接机器人控制器所控制，而本系统的在线系统部分将主要布置在一台具有指令处理能力的工控机上，并通过与3d线扫激光传感器以及焊接机器人控制器建立通信，形成一个真正物理意义上的前端闭环控制系统。

具体地，瓦楞板焊缝识别模块与3d线扫激光传感器连接，用于获取瓦楞板焊缝的三维重建信息，识别实际的焊缝轨迹。瓦楞板焊缝焊接特征提取模块与瓦楞板焊缝识别模块连接，用于对识别的实际焊缝轨迹的焊缝三维轨迹点进行滤波处理，然后通过“段聚类”完成瓦楞板焊缝的分割，并进一步提取出瓦楞板焊缝的角点特征点数据。瓦楞板焊缝焊接模板分别与瓦楞板焊缝焊接特征提取模块和单周期瓦楞板焊接工艺输入接口连接，通过单周期瓦楞板焊接工艺输入接口获取瓦楞板焊缝在一个单周期下，其指定焊接位置点上的工艺特征的示教与设置；以及通过瓦楞板焊缝焊接特征提取模块获取瓦楞板焊缝的角点特征点数据，建立从实际焊缝的检测特征点到示教的瓦楞板焊缝焊接模板相对应性的模板焊缝位姿点的映射，生成一组更新过实际焊缝轨迹。机器人焊接轨迹生成模块与瓦楞板焊缝焊接模板连接，用于将获得的实际的焊缝焊接轨迹生成焊接机器人可直接运行的焊接轨迹指令序列。机器人控制执行模块与机器人焊接轨迹生成模块连接，获取所述焊接轨迹指令序列，驱动焊接机器人的机械臂和焊枪完成对实际的瓦楞板焊缝的自动焊接。

本发明的焊接轨迹生成系统的工作原理是：首先系统的使用人员将在离线状态下通过该系统的软件接口，针对当前需要焊接一类焊缝的首件，完成系统对于焊缝扫描检测轨迹的示教与焊接工艺的设置，这里的“离线”指的是系统与机器人本体未在现场开始启动瓦楞板扫描与焊接运行外的示教设置时段。而具体该系统使用人员需要根据待焊焊缝所在的大致位置，操作引导装载在机械臂末端的3d线扫激光传感器至相应的位置，然后根据投射激光对瓦楞板的焊缝进行覆盖，并在“扫描轨迹示教”接口模块中完成焊缝轨迹的示教与传感器检测信息的设置，其中的焊缝轨迹信息将会传送至“机器人控制执行模块”中，以保证后续在线运动的执行，而检测信息则会传送至3d线扫激光传感器中以保证瓦楞板焊缝的准确检测。通常在保证传感器具有足够大的景深情况下，只需要进行扫描起始点与终点的示教即可。进一步针对该瓦楞板焊缝，找到其单周期，如图3中焊点xp1-xp18所示的路径，使用者在该单周期路径上完成在指定的焊接位置点上的工艺特征的示教与设置。当完成工艺设置后，将会生成“瓦楞板焊缝焊接模板”，该模板将能够适用与这一类焊接工艺特征类似的任何后续批次的瓦楞板焊缝的焊接。

然后开始在线运行系统，机器人控制执行模块是一个采用c/s架构的程序，其中client将架设在焊接机器人控制器上，server将在本发明系统的物理载体在线系统部分上运行，此处的在线系统部分如图2所示的“在线”框图中的各功能模块及其逻辑连接结构。如此，机器人控制执行模块通过以太网通信自动驱动焊接机器人本体的机械臂及与其一起进行机械连接的3d线扫激光传感器对焊缝进行检测。该采用的3d线扫激光传感器为投射出激光线状的基于三角测量法的3d相机，其能够如果对于运动中的焊缝轮廓的连续采样，完成对焊缝三维构型的三维重建，其重建信息将被传输至瓦楞板焊缝识别模块中。

请参见图3所示，瓦楞板焊缝识别模块将通过对于焊缝三维轨迹点进行滤波后，通过“段聚类”完成瓦楞板焊缝的分割，即图3中“中间段1”、“中间段2”、“中间段3”以及“中间段4”的“段聚类”分割。在通过“段聚类”完成瓦楞板焊缝的分割后，进一步通过瓦楞板焊缝焊接特征提取模块提取出瓦楞板焊缝的角点特征点，获取角点特征点数据。在这里，实际焊缝将与预设的瓦楞板焊缝焊接模板进行匹配以获得对于模板焊接工艺的映射继承，其中主要通过基于直线段几何形状匹配，建立从实际焊缝的检测特征点到瓦楞板焊缝焊接模板相对应的模板焊缝位姿点的映射，而至此实际焊缝轨迹不同周期段将完成对于瓦楞板焊缝焊接模板的预设模板工艺信息的继承与周期扩展，并最终在瓦楞板焊缝焊接模板中生成一组更新过实际焊缝轨迹。

完成更新的瓦楞板焊缝焊接模板中的实际焊缝轨迹通过机器人焊接轨迹生成模块完成机器人焊接轨迹序列的生成并传送至机器人控制执行模块，与前述一样，该模块同样通过基于以太网的c/s架构自动驱动焊接机器人控制器的client模块开始运行焊接机器人本体的机械臂以及与其一起进行机械连接的焊枪，驱动焊接机器人完成对瓦楞板焊件所对应焊缝的自动化焊接。

综上所述，本发明通过3d线扫激光传感器的3d线扫激光视觉技术完成对整个瓦楞板焊缝的三维扫描与特征点提取，然后通过与预设的瓦楞板焊接工艺匹配，自动生成相应的机器人焊接轨迹程序，相比较传统的人工焊接或者是瓦楞板焊接专机，本发明针对瓦楞板焊缝轨迹的周期性变化特点，通过为一般通用性焊接关节机器人提供可被自动化运行的基于3d视觉寻位的瓦楞板焊接轨迹生成方法，使得焊接机器人能够快速完成高质量的瓦楞板焊缝焊接，焊接简便、快速、准确。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的方法、系统和设备可实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明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工业控制设备执行本发明各个实施例所述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、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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的范围内，本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。