用于大型船舶结构件龙门式机器人焊接的三维视觉系统及运行方法

1.本发明属于船舶焊接工业技术领域，具体涉及用于大型船舶结构件龙门式机器人焊接的三维视觉系统及运行方法。


背景技术：

2.现阶段，国内船舶建造应用的大部分工艺需要使用人工辅助焊接，以船舶t型材钢板焊接为例，人工方法需要多名工人协作配合焊接，其耗费大量工时，效率低下，质量难以控制。
3.近年来随着对焊接质量要求的提高，基于视觉检测技术的机器人焊接逐步应用到了船舶焊接。但是目前机器人焊接仍大量采用人工示教法，其限制了自动化程度进一步提高；另外，传统视觉检测技术受焊接环境下粉尘、弧光等干扰严重，焊缝的定位精度不高。
4.三维激光扫描仪具有高精度，使用场景灵活，适合在恶劣的焊接环境中应用。摄影测量技术和激光跟踪仪可实现激光扫描仪的全局跟踪定位，实现大尺寸范围的扫描，可以满足大型船舶结构件的扫描和焊缝定位，配合机器人焊接系统可以提供高精度、高效率、高质量的大型船舶结构件焊接解决方案。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供用于大型船舶结构件龙门式机器人焊接的三维视觉系统及运行方法。
6.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
7.用于大型船舶结构件龙门式机器人焊接的三维视觉系统，包括龙门式机器人焊接系统、龙门式移动平台、三维扫描系统、电源及控制系统；
8.所述三维扫描系统，用于大型船舶结构件的表面信息采集；
9.所述龙门式移动平台，用于搭载三维扫描系统进行不同尺寸范围扫描；
10.所述龙门式机器人焊接系统，用于进行大型船舶结构件焊缝焊接；
11.所述控制系统，用于控制并获取三维扫描系统采集点云并进行处理，识别焊缝并控制龙门式机器人焊接系统进行焊接；
12.所述电源，用于设备供电。
13.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
14.上述的三维扫描系统包括机械臂、扫描仪、云台、跟踪仪、摄影测量相机、标尺和装夹工装；
15.所述装夹工装，用于装夹固定大型船舶结构件，工装设置有固定的可被跟踪仪检测到的标记点，且船舶结构件三维模型中包含上述标记点的位置信息。
16.上述的云台具有俯仰自由度，用于将跟踪仪视野覆盖扫描仪，所述标尺设置于地面。
17.用于大型船舶结构件龙门式机器人焊接的三维视觉系统的运行方法，所述方法包括：
18.步骤1，在龙门架的一侧设置多个可被跟踪仪探测到的标记点和一个标尺；
19.步骤2，使用摄影测量相机对龙门架一侧和装夹工装上的标记点和标尺进行测量，获得所有标记点在以标尺为基坐标系下的位置信息，建立全局测量场；
20.步骤3，跟踪仪获取扫描仪相对于跟踪仪的位姿和跟踪仪相对标尺的位姿，计算扫描仪相对标尺的位姿，同时控制系统获得机械臂末端相对机械臂底座的位姿，重复采集多组数据，利用离线规划软件进行联合标定，获取扫描仪相对机械臂末端的相对位姿；
21.步骤4，将大型船舶结构件三维模型输入离线规划软件，并导入步骤2建立的全局测量场，利用大型船舶结构件三维模型所带有的装夹工装标记点信息，使用配准算法使其与全局测量场中摄影测量相机所测量到的装夹工装标记点对齐，然后在扫描路线和待焊焊缝上设置路径点，生成路径点序列；
22.步骤5，控制系统获取路径点序列和扫描仪相对机械臂末端的相对位姿，等待大型船舶结构件到达焊接工位后，开启扫描仪和跟踪仪获取标尺为基坐标系下的点云，控制扫描仪以一定速度通过各个路径点直到扫描过程结束；
23.步骤6，待扫描过程结束后，龙门式移动平台运动到相对初始位置的另一侧，扫描点云输入控制系统，经过点云处理识别出待焊接焊缝部分的点位置，并转换为龙门式焊接系统使用的坐标，控制龙门式焊接系统进行焊接，待全部焊缝焊接完成后龙门式机器人焊接系统和龙门式移动平台返回初始位置。
24.上述的步骤1中，保证龙门式移动平台运动过程中跟踪仪探测到的标记点数不小于10。
25.上述的步骤6所述经过点云处理识别出待焊接焊缝部分的点位置，具体包括：
26.步骤6.1，利用统计式滤波器过滤点云离群点，利用体素滤波器对点云进行降采样；
27.步骤6.2，计算点云中每个点处的曲率值，根据焊缝特性设置曲率阈值，将大于曲率阈值的点视为焊缝区域点；
28.步骤6.3，对焊缝两侧点云分别进行随机采样，获得两组采样点，遍历其中一组采样点，对遍历的每一个采样点,寻找另一组采样点中与其距离最近的采样点，形成一组采样点配对，直到所有采样点形成配对点；
29.步骤6.4，遍历所有采样点配对，对遍历到的每一组配对，对配对的两个采样点各取一定半径的邻域点云并对其使用最小二乘法拟合平面，计算两个平面的交线和两个采样点投影到交线上的投影点，取两投影点的中点作为候选焊缝点，直到所有采样点配对完成候选焊缝点配对；
30.步骤6.5，设置距离阈值，遍历所有候选焊缝点，对遍历的每一个候选焊缝点计算与步骤6.4中计算的焊缝区域点的距离，若满足距离小于距离阈值则保留为焊缝点，反之去除对应候选焊缝点，直到获得所有最终焊缝点。
31.本发明具有以下有益效果：
32.本发明通过三维自动化扫描方法和机器人焊接技术实现大型船舶结构件的自动化焊接，缩短了船舶大型结构件焊接的施工周期，提高了船舶焊接环节自动化水平和生产
质量。
33.(1)本发明可解决现有人工焊接和机器人示教焊接效率低，精度低等问题，实现大型船舶结构件自动化焊接；
34.(2)本发明相对于线激光和图像传感技术，提高了扫描测量精度，可实现多角度灵活扫描，不受焊接弧光等环境因素干扰，生产质量得到提高；
35.(3)本发明系统组成简单，容易维护，可适用于多种焊接及检测作业场景。
附图说明
36.图1是本发明三维视觉系统的整体布局图；
37.图2是本发明三维扫描系统布局图；
38.图3是本发明三维扫描系统运行方法流程图。
39.附图标记为：1-龙门式机器人焊接系统、2-龙门式移动平台、3-三维扫描系统、4-控制系统；5-机械臂、6-扫描仪、7-云台、8-跟踪仪、9-摄影测量相机、10-标尺、11-装夹工装。
具体实施方式
40.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
41.如图1所示，本发明提供一种用于大型船舶结构件龙门式机器人焊接的三维视觉系统，包括龙门式机器人焊接系统1、龙门式移动平台2、三维扫描系统3、电源及控制系统4；
42.所述三维扫描系统3，用于大型船舶结构件的表面信息采集；
43.所述龙门式移动平台2，用于搭载三维扫描系统3进行不同尺寸范围扫描；
44.所述龙门式机器人焊接系统1，用于进行大型船舶结构件焊缝焊接；
45.所述控制系统4，用于控制并获取三维扫描系统3采集点云并进行处理，识别焊缝并控制龙门式机器人焊接系统1进行焊接；
46.所述电源，用于设备供电，设于控制系统4处。
47.如图2所示，所述三维扫描系统3包括机械臂5、扫描仪6、云台7、跟踪仪8、摄影测量相机9、标尺10和装夹工装11；
48.所述装夹工装11，用于装夹固定大型船舶结构件，工装设置有固定的可被跟踪仪8检测到的标记点，且船舶结构件三维模型中包含上述标记点的位置信息。
49.所述云台7具有俯仰自由度，用于将跟踪仪8视野覆盖扫描仪6，所述标尺10设置于地面。
50.结合图3，本发明提供一种用于大型船舶结构件龙门式机器人焊接的三维视觉系统的运行方法，包括以下步骤：
51.步骤1，在龙门架的一侧设置多个可被跟踪仪8探测到的标记点和一个标尺10，并保证龙门式移动平台2运动过程中跟踪仪8探测到的标记点数不小于10；
52.步骤2，使用摄影测量相机9对龙门架一侧和装夹工装11上的标记点和标尺10进行测量，获得所有标记点在以标尺10为基坐标系下的位置信息，建立全局测量场；
53.步骤3，跟踪仪8获取扫描仪6相对于跟踪仪8的位姿和跟踪仪8相对标尺10的位姿，计算扫描仪6相对标尺10的位姿，同时控制系统4获得扫描仪机械臂5末端相对机械臂5底座
的位姿，重复采集多组数据，利用离线规划软件进行联合标定，获取扫描仪6相对机械臂5末端的相对位姿；
54.步骤4，将大型船舶结构件三维模型输入离线规划软件，并导入步骤2建立的全局测量场，利用大型船舶结构件三维模型所带有的装夹工装11标记点信息，使用配准算法使其与全局测量场中摄影测量相机10所测量到的装夹工装11标记点对齐，然后在扫描路线和待焊焊缝上设置路径点，生成路径点序列；
55.步骤5，控制系统4获取路径点序列和扫描仪6相对机械臂5末端的相对位姿，等待大型船舶结构件到达焊接工位后，开启扫描仪6和跟踪仪8获取标尺10为基坐标系下的点云，控制扫描仪6以一定速度通过各个路径点直到扫描过程结束；
56.步骤6，待扫描过程结束后，龙门式移动平台2运动到相对初始位置的另一侧，扫描点云输入控制系统4，经过点云处理识别出待焊接焊缝部分的点位置，并转换为龙门式焊接系统1使用的坐标，控制龙门式焊接系统1进行焊接，待全部焊缝焊接完成后龙门式机器人焊接系统1和龙门式移动平台2返回初始位置。
57.进一步的，步骤6所述经过点云处理识别出待焊接焊缝部分的点位置，具体包括：
58.步骤6.1，利用统计式滤波器过滤点云离群点，利用体素滤波器对点云进行降采样；
59.步骤6.2，计算点云中每个点处的曲率值，根据焊缝特性设置曲率阈值，将大于曲率阈值的点视为焊缝区域点；
60.步骤6.3，对焊缝两侧点云分别进行随机采样，获得两组采样点，遍历其中一组采样点，对遍历的每一个采样点,寻找另一组采样点中与其距离最近的采样点，形成一组采样点配对，直到所有采样点形成配对点；
61.步骤6.4，遍历所有采样点配对，对遍历到的每一组配对，对配对的两个采样点各取一定半径的邻域点云并对其使用最小二乘法拟合平面，计算两个平面的交线和两个采样点投影到交线上的投影点，取两投影点的中点作为候选焊缝点，直到所有采样点配对完成候选焊缝点配对；
62.步骤6.5，设置距离阈值，遍历所有候选焊缝点，对遍历的每一个候选焊缝点计算与步骤6.4中计算的焊缝区域点的距离，若满足距离小于距离阈值则保留为焊缝点，反之去除对应候选焊缝点，直到获得所有最终焊缝点。
63.综上所述，本发明可解决现有人工焊接和机器人示教焊接效率低，精度低等问题，实现大型船舶结构件自动化焊接；本发明相对于线激光和图像传感技术，提高了扫描测量精度，可实现多角度灵活扫描，不受焊接弧光等环境因素干扰，生产质量得到提高；本发明系统组成简单，容易维护，可适用于多种焊接及检测作业场景。
64.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。