集装箱波纹板焊接机器人及其视觉伺服控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接控制领域，尤其涉及一种用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统和采用该视觉伺服控制系统的集装箱波纹板焊接机器人。
【背景技术】
[0002]集装箱是近年来出现的模块化运输设备，自出现以来，已快速地占领货运市场，中国生产的标准干货集装箱占世界产量的95%以上，一直保持世界第一。集装箱系全世界通用，尺寸及外形均是标准的，由于需求量大，所以其生产性质一般属于大批量产业线生产，各工序相互衔接，其生产的关键工序是侧壁波纹板与箱顶、箱底的焊接，即侧壁波纹板的焊接。由于集装箱波纹板自下料冲压开始，经波纹板间的对接焊，到底板与波纹板间的角焊，每个环节都存在一定的误差，使得装配间隙轨迹存在一定的无规律波动，且间隙大小也在变化，另一方面焊接过程中的热影响使得待焊装配缝隙存在一定的变形，使得装配缝隙不一致，因此需要对装配焊缝进行实时监测跟踪。集装箱采用的波纹板，焊接时易焊破，故要求焊接技术高，由于人工焊接时，焊缝长500_后就需移动脚尖而停顿，再继续焊接时就产生焊接接头，而焊接接头出容易漏水、漏光，焊道接头突出上侧梁外缘，需进行人工研磨，这些人工焊的缺点一般均无法克服，而且人工焊接工人劳动强度大，焊接环境比较恶劣，特别是夏季高温阶段，很容易引起中暑，同事培养一批高级熟练焊工也不容易。为了解决以上问题，国内外科研院所和企业进行了多项尝试，取得了一定成果，但是，目前集装箱的生产现状是集装箱的生产还没有完全实现自动化，尤其是作为侧壁的波纹板和上、下侧梁的焊接，仍然使用普通焊条电弧焊和仿形焊接，不利于提高生产效率、稳定产品质量，而且波纹板本身还存在制造误差，焊接过程中的焊接变形等也会影响焊接精度。
【发明内容】
[0003]为了适应焊接过程的恶劣环境、保证焊接时刻对准装配缝隙匹配合适工艺参数、提高焊接自动化水平，弥补现有集装箱波纹板焊接技术的不足，本发明提出了一种用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统。
[0004]为解决上述技术问题，本发明提出一种用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统，包括工控机、视觉采样机构和运动控制机构；视觉采样机构包括用以投射面激光至焊缝处的面激光发生器、用以根据所述面激光的反射光线获取焊缝图像信息的网络摄像头和设置于网络摄像头前用于滤光的滤光片；所述网络摄像头网络通讯连接所述工控机；运动控制机构包括与所述工控机相连接的控制卡、与该控制卡双向通讯连接的五个伺服驱动器、由该五个伺服驱动器一一对应驱动的五个伺服电机，以及与控制卡相连接的限位/零点传感器；其中该五个伺服电机分别为用于控制焊枪和所述视觉采样机构在沿波纹板长焊缝方向的同步运动的X轴伺服电机、用于控制焊枪在垂直于波纹板平面方向上的运动的Y轴伺服电机、用于控制焊枪在平行于波纹板平面方向上的升降运动的Z轴伺服电机、用于控制视觉采样机构在垂直于波纹板平面方向上的运动的Yi轴伺服电机、用于控制视觉采样机构在平行于波纹板方向上的升降运动的Zl轴伺服电机；所述限位/零点传感器分别相应于所述五个伺服电机所控制的五个运动方向设置；所述控制卡还连接所述网络摄像头以控制网络摄像头的开闭；所述工控机用于根据网络摄像头采集到的焊缝图像信息以及限位/零点传感器的限位/零点信号进行逻辑计算得到待焊轨迹并传送给所述控制卡，所述控制卡根据工控机的计算结果进行逻辑运算、运动控制和逻辑控制输出而通过五个伺服驱动器对应控制五个伺服电机的运动。
[0005]其中，所述网络摄像头主光轴位于与波纹板平面垂直的第一平面内，并与波纹板平面呈25°?75°夹角，且该第一平面垂直于波纹板长焊缝方向；所述面激光发生器的数量为一个，其发出的面激光为一束，该面激光与所述第一平面之间的夹角为25°?75。，且所述面激光器的中心轴与网络摄像头主光轴在同一平面上。
[0006]其中，所述伺服电机为交流伺服电机，其上带有光电编码器，所述光电编码器的输出端连接所述伺服驱动器以反馈位置信息。
[0007]其中，所述运动控制机构还包括端子板，所述控制卡通过所述端子板分别连接所述五个伺服驱动器和所述网络摄像头；所述控制卡设有I/O接口，所述端子板连接所述I/O接口而构成所述控制卡的扩展板卡。
[0008]其中，所述控制卡通过串行通信接口与所述端子板进行连接通讯。
[0009]其中，所述工控机设有PCI插槽和以太网口，所述控制卡通过所述PCI插槽与工控机连接，所述网络摄像头通过所述以太网口与工控机通讯。
[0010]其中，所述工控机还设有人机接口模块、图像采集处理模块、运算处理模块；所述图像采样处理连接所述以太网口，获取并显示由所述网络摄像头采集的焊缝图像信息，计算出焊缝特征点坐标和缝宽信息；所述运算处理模块连接人机接口模块、图像采集处理模块和PCI插槽，根据人机接口信号通过所述控制卡而控制网络摄像头的开闭以及根据图像采集处理模块得到的焊缝信息计算出待焊轨迹以通过所述控制卡控制所述五个伺服电机的运动从而控制所述焊枪和所述视觉采样机构的工作。
[0011]其中，所述人机接口模块为触摸显示屏。
[0012]本发明还提供一种集装箱波纹板焊接机器人，包括焊枪和如上所述的视觉伺服控制系统，所述焊枪连接并受控于所述视觉伺服控制系统。
[0013]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:本发明的视觉伺服控制系统用于集装箱波纹板的焊接，其基于视觉伺服进行控制，能够自动识别焊接轨迹与焊缝宽度，焊接效率高、焊接质量好、智能化程度高；对焊枪和视觉采样机构的位置调整由不同的伺服电机来控制，该柔性化的操作机制不但能够较好的达到焊缝的各个位置，保证焊枪准确地进行焊缝跟踪焊接，而且可以能够削弱焊接弧光、飞溅对焊缝视觉采集的影响，适应性、鲁棒性强。
【附图说明】
[0014]图1为本发明视觉伺服控制系统的原理框图。
[0015]图2为本发明网络摄像头和面激光发生器安装示意图。
[0016]图3为本发明集装箱波纹板焊接机器人的结构示意图。
[0017]图4为本发明图3中A处另一方向局部放大图。
[0018]其中，附图标记说明如下:1、焊机；2、视觉采样机构；21、面激光发生器；22、千兆网摄像头；3、运动控制机构；31、控制卡；32、端子板；331、X轴伺服驱动器；332、Y轴伺服驱动器；333、Ζ轴伺服驱动器；334、Υ1轴伺服驱动器；335、Ζ1轴伺服驱动器；341、Χ轴伺服电机；342、Υ轴伺服电机；343、Ζ轴伺服电机；344J1轴伺服电机；345、Z1轴伺服电机；35、限位/零点传感器；4、工控机；41、显示屏；5、电源；10、焊枪；20、导轨；40、波纹板。
【具体实施方式】
[0019]为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
[0020]参阅图1，本发明提供一种用于集装箱波纹板焊接的视觉伺服控制系统，该视觉伺服控制系统主要用来进行波纹板焊接的焊缝识别与跟踪控制，大致由焊机1、视觉采样机构2、运动控制机构3、工控机4和电源5五部分构成。
[0021]焊机I包括用以给焊枪提供焊接电流和电压的焊接电源、用以将焊丝送至焊缝处的送丝机和用以提供焊接保护气体的保护气源；当需要进行焊接作业时，焊机I以设定的焊接参数工作从而确保焊枪的焊接作业，该焊接参数包括焊接电流、电压、送丝速度、保护气体的开关状态。
[0022]视觉采样机构2包括用以投射面激光至焊缝处的面激光发生器21、用以根据该面激光获取焊缝图像信息的千兆网摄像头22，以及设置于千兆网摄像头22前用于滤光的滤光片23 ;该千兆网摄像头22为网络摄像头，其与工控机4网络通讯连接，可通过千兆以太网传输方式将焊缝图像信息传输给工控机4。视觉采样机构2与焊枪在沿波纹板长焊缝方向上为间隔设置且同步受控运动。参阅图2，千兆网摄像头22主光轴位于与波纹板平面PO垂直的第一平面Pl内，并与波纹板平面PO的夹角α为25°?75°，且该第一平面Pl垂直于波纹板40长焊缝方向；面激光发生器21的数量为一个，其发出的面激光为一束，图2中面激光所在平面为Ρ2平面，该面激光与第一平面I3I之间的夹角β为25°?75°，较优地，为45° ;面激光发生器21中心轴与千兆网摄像头22主光轴在同一平面即图2中的Ρ3平面上，则面激光发生器21中心轴与千兆网摄像头22主光轴之间的夹角即为β。千兆网摄像头22和面激光发生器21安装好后固定在一起，没有相对位移,若有相对位移相应角度参数要适当改变。通过该结构的布置，能最优化地实现焊缝图像的采集，以便于焊接轨迹的设计控制。
[0023]运动控制机构3包括与工控机4相连接的控制卡31，与该控制卡31双向通讯连接的五个伺服驱动器33广335、由该五个伺服驱动器33广335 —一对应驱动的五个伺服电机34Γ3450
[0024]同时参阅图1、图3和图4,五个伺服电机分别为X轴伺服电机341、Y轴伺服电机342、Z轴伺服电机343、Yl轴伺服电机344和Zl轴伺服电机345。X轴伺服电机341控制整个焊接机构沿图示的导轨20运动，以图4中的坐标轴来看，该方向即为X轴方向，其中，该导轨20的设置对应于波纹板长焊缝方向，即在X轴伺服电机341的驱动下，焊枪10、视觉采样机构2、焊机1、其他四个伺服电机342?345均一起沿波纹板长焊缝方向运动；Υ轴伺服电机342和Z轴伺服电机343分别用于控制焊枪10在Y轴和Z轴方向的运动，Yl轴伺服电机344和Zl轴伺服电机345分别用于控制视觉采样机构2在Yl轴和Zl轴的方向，其中，Y轴和Yl轴方向的运动均为垂直于波纹板平面方向靠近或远离波纹板平面的运动，Z轴和Zl轴方向的运动为平行于波纹板平面方向的升降运动。对应于这五个轴方向的运动，所述运动控制机构3还包括各轴限位/零点传感器35，即五个轴方向上均设置有相应的限位/零点传感器35，各轴限位/零点传感器35连接控制卡31用于进行回参考点和过限报警操作。
[0025]这五个伺服电机为交流伺服电机，其上带有光电编码器，光电编码器的输出端连接对应的伺服驱动器以反馈位置信息。与伺服电机相应地，