基于熔池图像焊缝跟踪的移动式焊接机器人装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种熔化极自动焊装置，特别是非固定工位焊件自动跟踪焊接的移动式焊接机器人装置。
【背景技术】
[0002]非固定工位焊件，特别是施工现场安装焊件的焊接形式变化多样，并且受坡口加工、组对拼装等因素制约，焊缝坡口存在错边、间隙不均匀等问题，直接影响自动焊接的实施。目前发展较成熟的焊缝跟踪装置是激光式传感跟踪装置，其工作原理是将激光线打到焊接部位前方一定距离的焊缝坡口上，传感器接收反射回来的带有坡口信息的结构光，通过图像处理识别焊缝偏差，控制器对焊缝偏差及偏差变化趋势信息进行计算处理后，通过接口电路控制夹持焊枪的运动机构，实现焊接过程中的焊缝跟踪控制。这是一种以激光为光源的主动光视觉法，检测的是焊接之前的信息，而不是焊接部位的实时信息，采用这种焊缝跟踪方法在焊接机器人装置在汽车生产线等固定工位及高精度产品的焊接中应用很好，但是无法适应非固定工位，尤其是工程现场安装组对的焊缝坡口焊接。受焊缝坡口实时检测技术发展限制，目前的移动式焊接机器人在焊接过程中的焊缝轨迹控制主要还是通过人工手动操作完成。
[0003]熔化极气体保护焊是在移动焊接作业中大量使用的一种高效焊接方法，在手工焊接作业过程中，操作焊工通过观察焊接熔池获取焊缝信息，实时控制焊枪的运动轨迹，完成焊接作业。模仿焊工手工焊接作业过程，在焊接过程中通过视觉传感器实时检测熔池图像信息，提取焊接偏差，控制焊接机器人夹持焊枪实现自动跟踪焊接，是解决移动式焊接机器人全自动焊焊缝跟踪的一种有效途径。
【发明内容】
[0004]本发明的目的，是提供一种基于熔池图像焊缝跟踪的移动式焊接机器人装置，解决非固定工位焊缝、尤其是工程施工现场安装焊缝的全自动跟踪与焊接问题。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括:移动式焊接机器人小车和导轨、焊接机器人控制系统、焊接电源及送丝系统和焊枪、熔池图像采集处理系统、联机接口电路，其中焊枪固定安装在上述焊接机器人小车的高低滑块机构上，图像采集处理系统的CCD摄像机沿焊接前进方向安装在焊接机器人小车的高低滑块机构上、并与焊枪保持相对位置固定，焊接机器人小车通过导轨安装于待焊接的工件上，熔池图像采集处理系统通过带滤光系统的CCD摄像机采集焊接熔池图像、通过联机通信接口与焊接机器人控制系统相连，焊接机器人通过联机接口电路与焊接电源及送丝系统相连，送丝系统与焊枪相连。
[0006]所述的焊枪为机器人专用直柄气保焊枪，通过焊枪夹固定安装于焊接机器人小车的高低滑块机构上，焊枪通过焊枪电缆与焊接电源及送丝系统相连；所述的焊接电源为熔化极气体保护焊电源，送丝系统为带测速反馈的自动推丝机构，焊接电源与送丝系统通过内部电缆连成一体。
[0007]所述的移动式焊接机器人小车由焊接机器人行走机构、和高低滑块机构和水平滑块机构组成。所述的高低滑块机构和水平滑块机构，驱动电机为步进电机，高低滑块机构固定安装于水平滑块机构一侧，水平滑块机构固定安装于焊接机器人行走机构上。所述的焊接机器人行走机构采用伺服电机，齿轮齿条传动，行走机构通过导轨夹持机构安装于导轨上。
[0008]所述的导轨由导轨基座和导轨支撑座组成，通过导轨支撑座固定安装在待焊接的工件上，导轨基座边缘与焊缝坡口边缘平行，到焊缝坡口边缘的安装距离根据水平滑块机构的行程确定。
[0009]所述的熔池图像采集处理系统由带滤光系统的CCD摄像机、计算机视频采集及熔池图像处理系统构成。
[0010]所述的带滤光系统的CCD摄像机为工业用面阵CCD摄像机，摄像机镜头可调焦距和光圈，在摄像机前面固定安装有电弧滤光系统，电弧滤光系统由滤光基座、窄带滤光片、焊接滤光/减光片、挡飞溅白玻璃组成，滤光基座套装于摄像机镜头上、并用2个螺钉紧固，圆形窄带滤光片的直径与镜头直径相同、紧临镜头安装于滤光基座的中心孔内，方形滤光片紧贴窄带滤光片安装，方形挡飞溅白玻璃安装在最外侧，方形焊接滤光/减光片和方形挡飞溅白玻璃穿过滤光基座的方形通孔、并且2个坚固螺钉固定。
[0011]所述的带滤光系统的CCD摄像机通过三维调节连接板安装在焊接机器人小车的高低滑块机构上，安装方向为焊接前进方向。
[0012]所述的计算机视频采集及熔池图像处理系统由工业控制计算机(IPC)、图像采集卡、Mat I ab软件和V i sual Basic软件组成，图像采集卡通过视频连接线与(XD摄像机相连、并通过PCI插槽安装于工业控制计算机中，使用Visual Basic软件控制图像采集卡采集焊接过程的熔池图像，在Matlab软件中采用曲率极值的焊接偏差提测定算法处理熔池图像并提取焊接偏差信息，计算机视频采集及熔池图像处理系统采用RS485模式通过通讯电缆与焊接机器人控制系统连接。
[0013]所述的曲率极值的焊接偏差测定算法是从焊接熔池图像中提取熔池轮廓线，将轮廓线分割为分别包含焊丝和熔池前部尖端的两个子轮廓线，分别求取两个子轮廓线上各点的曲率值，两个轮廓线上的曲率最大值点分别是焊丝中心点和熔池前部尖端中心点即焊缝坡口中心点，焊丝中心点与熔池前部尖端中心点的位置差即为焊接偏差像素量，在图像像素定标基础上，即可计算出实际的焊接偏差值。
[0014]所述的焊接机器人控制系统采用可编程控制器(PLC)作为主控制器，由CPU模块、AD/DA模块、1模块、接口电路、模拟量隔离模块、开关量隔离模块、电机驱动器、焊接工艺参数控制软件模块、焊接操作控制盒、开关电源、隔离变压器构成，焊接机器人的工艺参数通过焊接工艺参数控制软件模块由程序设置或通过焊接操作控制盒手动设置，焊接机器人控制器通过接口电路接收来自计算机视频采集及熔池图像处理系统提取的焊接偏差信息、通过CPU模块计算焊缝跟踪偏差控制量、输出致电机驱动器、控制焊缝跟踪执行机构运动、实现焊接过程中的轨迹跟踪控制。
[0015]所述的基于熔池图像焊缝跟踪的移动式焊接机器人装置使用CCD摄像机在焊接过程中实时采集熔池图像、并采用曲率极值焊接偏差测定算法提取焊接偏差量，焊接电源及送丝系统为焊枪执行焊接作业提供能源及持续的填充金属，焊接机器人控制系统通过接口电路与焊接电源和计算机视频采集及熔池图像处理系统连接、依据获取的焊缝偏差信息控制焊接机器人的行走机构和焊缝跟踪执行机构，实现焊接过程中的实时纠偏。
[0016]更换不同规格的导轨和导轨支撑座，可适应圆弧焊缝或平直焊缝等多种形式焊缝的全自动移动焊接作业。
[0017]由于采用上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果:
(I)采用图像视觉方法直接检测实施焊接的熔池图像，并用曲率极值方法在线实时测定焊接偏差，通过焊接机器人控制系统控制并驱动焊缝跟踪执行机构，在焊接过程中动态调节焊枪位置，保证焊枪始终与焊缝坡口中心对正，确保焊接质量。
[0018](2)本发明结构严谨，工作可靠，克服了现有的超前检测焊缝跟踪控制模式无法适应复杂焊缝动态焊接的问题，特别适用于非固定工位、尤其是现场施工安装移动作业的全自动跟踪焊接。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的结构原理图；
图2为本发明的总体结构示意图；
图3为本发明的CCD摄像机安装示意图；
图4为本发明的电弧滤光系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。
[0021]基于熔池图像焊缝跟踪的移动式焊接机器人装置由移动式焊接机器人小车2和导轨9、焊接机器人控