薄钢板搭接焊缝小特征点四机头串行视觉检测跟踪装置制造方法
【专利摘要】本实用新型为一种薄钢板搭接焊缝小特征点四机头串行视觉检测跟踪装置，该装置的组成包括龙门架构、工业电脑、PLC电气控制柜，其中，龙门架构的横梁上承载四个焊枪，每个焊枪的一侧分别刚性连接有一个视觉传感器，焊枪另一侧分别刚性连接有一个焊接控制器，四个焊枪中，龙门构架横梁的左右两端各有一个焊枪，另外两个焊枪分别位于龙门架构横梁的左侧起1/4和1/2位置处，视觉传感器固定在焊枪行进方向的前端，与焊枪一同行进移动。本实用新型开发了薄钢板四焊机搭接焊接视觉装置，该装置可代替人力进行工作，每台机器四个焊枪同时进行焊接，大大缩短了每个长搭接钢板的焊接时间，节省人力资源。
【专利说明】薄钢板搭接焊缝小特征点四机头串行视觉检测跟踪装置
【技术领域】
[0001]本实用新型的技术方案涉及视觉焊接领域，具体地说是用于相机代替人眼在焊接过程中识别出焊接特征点并控制焊枪移动完成焊接的装置。
【背景技术】
[0002]为了满足日益复杂的焊接生产的需求，把视觉引入到焊接领域中是一个重要的应用，在焊接过程中，视觉可以代替人眼识别焊接特征，并把特征信息传递给可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,简称PLC),进而依据偏差信息控制焊枪进行移动焊接。但其应用仍然受到很多因素的制约，工作的协调性、实时性和鲁棒性还远远没有达到像人那样手眼如一的程度。如何准确得到焊接特征点一直是棘手的问题，也是决定视觉焊接装置质量的关键。
[0003]视觉检测方法具有非接触、大视场和系统柔性好等优点，近年在工业环境尤其是焊接领域得到广泛的应用。视觉检测借助于一字型线激光器实现，一字型线激光器与相机封装在视觉保护盒内，相机采集到的图像传送到工业电脑，工业电脑应用视觉提取程序实现视觉特征提取并与将特征点位置通信给PLC，PLC控制焊枪对中焊缝，完成实时焊接过程。
[0004]在焊接【技术领域】，传统的焊接方法是依靠人力实现的，通过人眼确定焊接特征点控制焊枪进行焊接或者通过示教过程控制焊枪移动轨迹，但是这种方法效率较低，不具有灵活性，需要依据不同薄钢板特征分别示教进行焊接。将视觉引入焊接，可以实现特征点实时检测，从而控制焊枪实时跟踪，节省了示教时间，提高了生产效率，也减少了人力投入，具有社会效益与经济效益。
[0005]CN102139487A公开了“焊接机器人远距离示教用视觉传感器”，传感器可以实现精确现场示教，引导机械臂实现精确跟踪。这种方法只适合于小批量，模块化生产，不适合大批量生产，对焊接中焊板等形变偏移不能实时监控。
[0006]CN103480991A披露了“一种薄钢板窄焊缝在线视觉检测与控制装置”，通过并行四路八个视觉传感器进行薄钢板焊接，这种系统为并行机构，适用于多生产线同时开工，对于如较长焊板焊接效率相对不高，且不适用于搭接焊接工艺。
[0007]CN101973032A报道了 “一种焊接机器人线结构光视觉传感器离线编程系统和方法”，需要编写大量离线信息库进行焊接，对焊接轨迹进行路径规划与运动编程，焊接过程只是执行预先计算好的轨迹，对于焊接过程中出现的现场误差不能及时实时进行处理，对现场稳定性要求较高。
[0008]本实用新型针对以上不足，提出了实时焊接视觉监控系统，能够适应不同高度的搭接焊板，能够完全代替人工进行焊接，灵活度高，适应现场出现的误差，实时性好，可靠性高。系统安装有四套传感焊接装置，能够同时进行焊接，提高了焊接效率。
实用新型内容
[0009]针对以上问题，本实用新型所要解决的技术问题是:采用串行四路视觉传感器和焊机，四套视觉传感器独立进行特征检测，每套系统装有限位开关，协同完成焊接过程。关键的装置为视觉传感器，内部封装有分离式激光器和USB工业相机。能够同时对较长搭接焊板进行焊接，四路串行焊接协同工作，完成长搭接焊板焊接任务，比单传感器系统节省时间。实现在焊接过程中实时提取焊接特征点，将偏差数据传送给PLC进而进一步控制焊枪移动实现实时焊接，不受现场环境改变及焊接工件形变等影响，实现智能化焊接。
[0010]本实用新型的技术方案为:
[0011]一种薄钢板搭接焊缝小特征点四机头串行视觉检测跟踪装置，该装置的组成包括龙门架构、工业电脑、PLC电气控制柜，
[0012]其中，龙门架构的横梁上承载四个焊枪，每个焊枪的一侧分别刚性连接有一个视觉传感器，焊枪另一侧分别刚性连接有一个焊接控制器，四个焊枪中，龙门构架横梁的左右两端各有一个焊枪，另外两个焊枪分别位于龙门架构横梁的左侧起1/4和1/2位置处，视觉传感器固定在焊枪行进方向的前端，与焊枪一同行进移动，焊接过程中，左侧的三个焊枪行进方向一致，为自左至右行进，右侧焊枪的焊接方向与左侧三个焊枪焊接方向相反，从右到左行进；工业电脑位于横梁的一端；PLC电气控制柜位于龙门架构侧部；
[0013]所述的视觉传感器内部封装有工业相机和激光器，安装在视觉传感器内壁的顶部，激光器安装视觉传感器内部的侧壁上，与工业相机呈角度安装，角度调节范围20°?70°，激光器中心与工业相机光轴中心在同一平面上，视觉传感器背部有U形槽；
[0014]每个视觉传感器内部的相机信号线与激光器电源线均由顶部引出并穿过各自的铰链内部分别与工业电脑相连接，四个铰链位于龙门架构一侧凸台上，横梁下方；搭接待焊接钢板位于龙门架构平台表面上，上面压有压脚；
[0015]所述的焊枪顶部刚性连接有垂直方向偏差调节伺服电机，垂直方向手动摇杆刚性连接在垂直方向偏差调节伺服电机上，焊枪还与第一连接块刚性连接，气缸安装在第一连接块上，气缸与水平偏差调节伺服电机刚性连接，水平偏差调节伺服电机顶部刚性连接有纵向偏差调节伺服电机，水平方向手动摇杆刚性连接在水平方向偏差调节伺服电机上，纵向手动摇杆刚性连接在纵向偏差调节伺服电机上；垂直方向手动摇杆刚性连接在垂直方向偏差调节伺服电机上；气缸通过第二连接块视觉传感器刚性连接，
[0016]第三滑块与龙门架构横梁侧部的滑道连接，通过纵向偏差调节伺服电机带动第三滑块与焊枪一起沿焊接方向滑动，
[0017]所述的工业电脑通过工业总线与PLC电气控制柜中的PLC相连，PLC分别与垂直方向偏差调节伺服电机、水平方向偏差调节伺服电机和纵向偏差调节伺服电机相连。
[0018]所述的PLC电气控制柜包括PLC、控制开关和指示灯，控制开关通过接线与PLC和指示灯连接。
[0019]本实用新型的有益效果是:
[0020]本实用新型开发了薄钢板搭接焊缝小特征点四机头串行视觉检测跟踪装置，该装置可代替人力进行工作，每台机器四个焊枪同时进行焊接，大大缩短了每个长搭接钢板的焊接时间，节省人力资源，有效节省焊接时间，系统四焊机可以同时或单独工作，可以实现全天二十四小时持续工作，避免工人由于疲惫等引起的焊接误差，提高焊接质量；系统结构简单灵活，可以依据安装高度进行角度调整，采用分离式激光器，缩小了传感器的体积；适用于现场多变因素的影响，智能视觉焊接能够依据焊接过程中焊板由于机器振动等因素引起的偏移实时检测出当前特征点位置，由实施效果数据可以看出，相邻帧间最大偏差在5个像素之内，焊枪位置偏差在0.5_之内，提高了精度与准确度；把工人从劳动环境恶劣的环境中解放出来，实现一个工人同时监控多台焊接的效果，能有效节约工厂生产系统空间和成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0022]图1为系统框架示意图。
[0023]11为龙门架构12为焊板的压脚131、132、133、134为焊枪141、142、143、144为视觉传感器
[0024]151、152、153、154为保护接线铰链，内布走线16为工业电脑17为搭接焊板18为PLC电气柜191为焊接控制器
[0025]图2为封装视觉传感器内部示意图。
[0026]144为视觉传感器111为工业相机110为一字型激光器
[0027]图3为本实用新型系统结构图。
[0028]图4为本实用新型实施处理流程。
[0029]图5为工业电脑监控界面。
[0030]50为原始图像显示区域，51为重建三维图像显示区域，52为焊接状态监控，53为焊接速度显示框，54为横向坐标显示框，55为纵向坐标显示框，56为垂直偏差显示框，57为程序退出按钮，58为设置按钮，可以设置PID控制参数等信息，59为启动焊接按钮，510为起始点搜索按钮，511为压脚升降按钮，512为四个传感器显示界面之间切换按钮。
[0031]图6为焊接控制器界面
[0032]61为焊接过程手动/自动切换按钮62为焊接启动按钮63为手动状态下焊枪左行右行按钮64为焊接停止按钮
[0033]图7为视觉传感器装置图。
[0034]71为挡板，72为垂直偏差调节伺服电机，73为垂直方向手动摇杆，74为气缸，75为横向偏差调节伺服电机，76为纵向手动摇杆，77为纵向偏差调节伺服电机，78为横向手动摇杆，79为气缸与视觉传感器之间的连接块，710为焊枪与气缸之间的连接块，711为视觉传感器装置与龙门架构连接块。
[0035]图8为视觉传感器141对焊缝位置提取曲线图；其中，图8a为焊缝焊接特征点横向坐标曲线图，图8b为焊缝焊接特征点纵向坐标曲线图，图Sc为焊缝焊接特征点垂直偏差曲线图；
[0036]图9为视觉传感器142对焊缝位置提取曲线图；其中，图9a为焊缝焊接特征点横向坐标曲线图，图9b为焊缝焊接特征点纵向坐标曲线图，图9c为焊缝焊接特征点垂直偏差曲线图；
[0037]图10为视觉传感器143对焊缝位置提取曲线图；其中，图1Oa为焊缝焊接特征点横向坐标曲线图，图1Ob为焊缝焊接特征点纵向坐标曲线图，图1Oc为焊缝焊接特征点垂直偏差曲线图；
[0038]图11为视觉传感器144对焊缝位置提取曲线图；其中，图1la为焊缝焊接特征点横向坐标曲线图，图1lb为焊缝焊接特征点纵向坐标曲线图，图1lC为焊缝焊接特征点垂直偏差曲线图。
【具体实施方式】
[0039]下面对本实用新型的实施例作详细说明，但并不能以此来限定本实用新型的范围。任何对本实用新型的机制作本【技术领域】内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本实用新型实施步骤作本【技术领域】内熟知的等同改变或替换均不超出本实用新型的揭露以及保护范围。
[0040]图1为整个系统结构图。
[0041]一种薄钢板搭接焊缝小特征点四机头串行视觉检测跟踪装置，该装置的组成包括龙门架构11、工业电脑16、PLC电气控制柜18，
[0042]其中，龙门架构11的横梁上承载四个焊枪131、132、133、134，焊枪131、132、133、134的一侧分别刚性连接有视觉传感器141、142、143、144，焊枪131、132、133、134另一侧分别刚性连接有一个焊接控制器，焊接控制器和视觉传感器跟随焊枪一起运动，焊接控制器191可以实现控制焊枪134焊接手动、自动进行切换，便于调试。其中，焊枪131、134分别位于龙门构架11横梁的左右两端，焊枪132、133分别位于龙门架构横梁的左侧起1/4和1/2位置处，视觉传感器141、142、143、144通过连接块固定在焊枪131、132、133、134行进方向的前端，分别与焊枪131、132、133、134—同行进移动，起到视觉检测特征点并引导焊接的作用，焊接过程中，焊枪131、132、133行进方向一致，为自左至右行进，焊枪134焊接方向与焊枪131、132、133焊接方向相反，从右到左行进；工业电脑16位于横梁的一端；PLC电气控制柜18位于龙门架构侧部；龙门架构11的横梁侧部有滑道，供焊枪131、132、133、134以及连接块沿焊接方向进行移动；
[0043]其中，以视觉传感器144为例，其内部封装有工业相机111和一字型激光器110，工业相机111为大恒公司的DH-HV1351UM相机，安装在视觉传感器144内壁的顶部，一字型激光器110 (为公知器件，可发出一字型结构光条纹)安装视觉传感器144侧壁上，与工业相机111呈角度安装，角度以一字型激光器110发射出的结构光在工业相机111成像平面在中间部位为适宜角度，且其角度可以调节，调节范围20°?70°，一字型激光器中心110与工业相机111光轴中心在同一平面上，视觉传感器144背部有U形槽，可以进行水冷。四个视觉传感器141、142、143、144内部的工业相机信号线与激光器电源线均由顶部引出并穿过铰链151、152、153、154内部与工业电脑16相连接，铰链151、152、153、154位于龙门架构一侧凸台上，横梁下方，内部有偏差调节电机72、75、77与PLC连接线、视觉传感器141、142、143、144与工业电脑16连接线，用于保护线路稳定不缠绕。17为搭接待焊接钢板，在龙门架构平台表面上，并由压脚12进行固定防止在焊接过程中由于各种外在因素引起钢板的移动错位进而造成焊接质量问题，压脚12位于龙门架构表面一侧，可以由工业电脑16通过外接气泵提供推动力控制压脚12的升降，进而压紧待焊搭接钢板17。
[0044]焊枪134顶部刚性连接有垂直方向偏差调节伺服电机72，带动气缸74，焊枪134可以沿竖直方向上下移动，上下移动的极限位置由气缸74确定，气缸74安装在连接块710上与焊枪134刚性连接；气缸74与水平偏差调节伺服电机75刚性连接，垂直方向手动摇杆73刚性连接在垂直方向偏差调节伺服电机72上，水平方向手动摇杆78刚性连接在水平方向偏差调节伺服电机75上，纵向手动摇杆76刚性连接在纵向偏差调节伺服电机77上，纵向偏差调节伺服电机77安装在水平方向偏差调节伺服电机75顶部，在手动状态下，通过垂直方向手动摇杆73、水平方向手动摇杆78、纵向手动摇杆76，可以实现手动在垂直方向、水平方向、纵向焊枪134位置调节。气缸74通过连接块79与视觉传感器144刚性连接，视觉传感器144内部封装有工业相机111与激光器110。其中，系统内涉及的的连接均为刚性连接。711滑块与龙门架构横梁侧部的滑道连接，通过纵向偏差调节伺服电机77带动滑块711与焊枪134 —起沿焊接方向滑动，支撑视觉传感器144与焊枪134结构，视觉系统144与焊枪134均垂直安装于焊板17上方，中心对准焊缝区域，焊枪134中心与工业相机111光轴所组成的平面垂直于焊件17 ;视觉系统144位于焊枪134行进方向的正前方。
[0045]视觉传感器144内封装有工业相机111和一字型激光器110，工业相机111与工业电脑16之间用USB线进行连接与数据的传送。工业电脑16得到传送来的图像信息，经过图像滤波、骨架提取、特征提取等一系列过程，将提取到的特征点的位置偏差信息经由串口通信传送给PLC电气控制柜18中的PLC，PLC将横向、纵向、垂直偏差量分别传递给横向偏差调节电机75、纵向偏差调节电机77、垂直偏差调节电机72，偏差调节电机75、77、72依据偏差信息进而控制焊枪134进行移动从而对中焊缝进行实时焊接。
[0046]通过起始点搜索510，工业电脑16得到焊接初始点，工业电脑16将焊接初始点位置信息，经由串口通信传送给PLC电气控制柜18中的PLC，PLC将焊接初始点位置信息分别传递给横向偏差调节电机75、纵向偏差调节电机77、垂直偏差调节电机72，偏差调节电机75、77、72依据焊接初始点信息控制焊枪134移动到焊接初始点位置。其中，串口通信为双向通讯模式。与此同时，工业电脑16显示屏不仅可以显示图像实时处理信息，还可显示焊接特征点位置以及偏差信息；操作人员可以通过显示屏对过程进行速度、控制的PID参数设置等，实现对焊接过程的实时监控。
[0047]所述的PLC电气控制柜18的主要组成是PLC、控制开关、指示灯以及接线等，控制开关通过接线与PLC和指示灯连接，以完成并显示PLC上电情况；
[0048]图4为本实用新型实施处理流程，首先压紧压脚12，进行起始点搜索，使焊枪131、132、133、134移动到焊接初始点，进而开始焊接过程，工业相机采集到的图像经过图像滤波、主直线提取、特征点提取进而得到横向、纵向、垂直偏差，偏差信息传递给PLC控制器，PLC控制器分别控制偏差调节电机带动焊枪进行偏差调节实现对中焊缝的焊接。
[0049]图5为工业电脑监控界面，以其中一个视觉传感器144处理过程为例，50能够实时显示图像处理信息，51能够依据提取的数据信息进行三维重建并显示，52为焊接状态监控状态，工业相机111与工业电脑16、PLC电气控制柜18之间能够正常通讯时，状态框为绿色显示，否则为灰色显示，这时候就需要进行故障检查。53为焊接速度显示框，可以通过屏幕设置好焊枪速度并通讯给PLC。通过点击“设置”58按钮，可以对控制器实现PID参数的传递以及压脚宽度等的设置。点击“压紧压脚”511按钮，就可以完成将压脚12紧密压紧在焊板17上方，防止焊接过程中出现的扰动引起焊板位置偏移。进而继续点击“起始点搜索”510，此时，焊枪会自动寻找焊接起点。按下“开始焊接”59按钮，此时，焊接启动，54、55、56分别显示工业电脑中专用搭接焊接处理软件识别出的特征点的横向坐标、纵向坐标、垂直偏差，并将这三个偏差连续不断传送给PLC，控制焊枪在横向、纵向、垂直方向依据偏差数值进行移动对中焊缝，完成连续焊接。按钮512则可以在四个传感器之间进行切换，分别对四个传感器进行监控。按钮57即可以保证程序安全退出。
[0050]以其中一个视觉传感器144处理过程为例，如果需要手动进行焊接，需要将按下焊接控制器191的手动/自动按钮61，切换到手动状态进行焊接。按下焊接启动62，即可以进行手动焊接，按下焊枪左行右行63按钮，即可以控制焊枪134左右移动进行焊接，按下焊接停止64，即可以停止焊接。
[0051]本实用新型中工业电脑中涉及的存储、操控以及信号处理等方法为公知技术，本领域普通人员技术人员完全可以根据上述步骤的描述通过常用软件VC编写相关程序来实现。
[0052]本实施的应用证明，本实用新型实施方便，能够实现搭接焊接的监控与自动跟踪，可以满足生产线的需要。
[0053]本实施例的焊接特征检测数据结果如图8、图9、图10、图11所示。针对长度12米的2毫米厚度的搭接焊板进行测试焊接，焊接速度为lm/s，在图8、图9、图10、图11中，我们可以看到相邻帧间最大检测误差小于5个像素，即相对应焊枪调节偏差范围误差在0.5mm之内。
[0054]本实用新型未尽事宜为公知技术。
【权利要求】
1.一种薄钢板搭接焊缝小特征点四机头串行视觉检测跟踪装置，其特征为该装置的组成包括龙门架构、工业电脑、PLC电气控制柜， 其中，龙门架构的横梁上承载四个焊枪，每个焊枪的一侧分别刚性连接有一个视觉传感器，焊枪另一侧分别刚性连接有一个焊接控制器，四个焊枪中，龙门构架横梁的左右两端各有一个焊枪，另外两个焊枪分别位于龙门架构横梁的左侧起1/4和1/2位置处，视觉传感器固定在焊枪行进方向的前端，与焊枪一同行进移动，焊接过程中，左侧的三个焊枪行进方向一致，为自左至右行进，右侧焊枪的焊接方向与左侧三个焊枪焊接方向相反，从右到左行进；工业电脑位于横梁的一端；PLC电气控制柜位于龙门架构侧部； 所述的视觉传感器内部封装有工业相机和激光器，安装在视觉传感器内壁的顶部，激光器安装视觉传感器内部的侧壁上，与工业相机呈角度安装，角度调节范围20°?70°，激光器中心与工业相机光轴中心在同一平面上，视觉传感器背部有U形槽； 每个视觉传感器内部的相机信号线与激光器电源线均由顶部引出并穿过各自的铰链内部分别与工业电脑相连接，四个铰链位于龙门架构一侧凸台上，横梁下方；搭接待焊接钢板位于龙门架构平台表面上，上面压有压脚； 所述的工业电脑通过工业总线与PLC电气控制柜中的PLC相连，PLC分别与垂直方向偏差调节伺服电机、水平方向偏差调节伺服电机和纵向偏差调节伺服电机相连； 所述的PLC电气控制柜包括PLC、控制开关和指示灯，控制开关通过接线与PLC和指示灯连接。
2.如权利要求1所述的薄钢板搭接焊缝小特征点四机头串行视觉检测跟踪装置，其特征为所述的焊枪顶部刚性连接有垂直方向偏差调节伺服电机，垂直方向手动摇杆刚性连接在垂直方向偏差调节伺服电机上，焊枪还与第一连接块刚性连接，气缸安装在第一连接块上，气缸与水平偏差调节伺服电机刚性连接，水平偏差调节伺服电机顶部刚性连接有垂直方向偏差调节电机，水平方向手动摇杆刚性连接在水平方向偏差调节伺服电机上，垂直方向手动摇杆刚性连接在垂直方向偏差调节伺服电机上；垂直方向手动摇杆刚性连接在垂直方向偏差调节伺服电机上；气缸通过第二连接块视觉传感器刚性连接， 第三滑块与龙门架构横梁侧部的滑道连接。
【文档编号】B23K37/00GK204053279SQ201420451524
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】陈海永, 杜晓琳, 孙鹤旭 申请人:河北工业大学