平面自主移动焊接机器人焊缝初始检测定位系统的制作方法

本实用新型属于焊接自动化领域，涉及平面自主移动焊接机器人的在焊接初始时的自动定位系统。

背景技术：

船舶制造过程中，为了加强船体的强度，船舱底部设置格子型构件，该类结构体大多顶部密封、空间狭小且焊接路径上存在不规则流水孔，导致焊缝不连续，对焊接跟踪和焊接工艺造成了很大难度，目前主要靠人工来完成焊接，已成为制约制造工业发展的瓶颈问题。针对该类焊接工况，开发出的平面自主移动焊接机器人，可在焊接过程中自动识别流水孔从而控制旋转电弧的启停，实现焊缝跟踪焊接自动化。在焊接初期需要工人手提起机器人调整到最佳的焊接初始点位置，保证后续焊接工艺的成型。但由于机器人为保证焊接运动过程中的稳定性在底盘安装了磁吸附装置，提起调整过程中工人需要克服磁吸附力和机器人本身的重量，在焊枪接近焊缝时，由于底座磁吸附装置距钢板较近时磁力增大，调整难度增大。且在纵向空间狭小的格子作业时，工人很难进去调整。为使平面自主移动焊接机器人在复杂的焊接环境下有更强的适应性，因此，设计开发出一套用于机器人寻找初始焊接位置的系统是十分必要的。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种平面自主焊接机器人的焊接初始位置的定位系统。

本实用新型是通过以下技术方案实现的。

本实用新型所述的平面自主移动焊接机器人焊缝初始检测定位系统，包括传感部分、机器人结构部分、控制系统。

所述的传感部分包括超声波传感器Ⅰ、超声波传感器Ⅱ、单目视觉传感器和红外传感器；超声波传感器Ⅰ，安装在底盘内，方向与机器人前进方向相同；超声波传感器Ⅱ，安装在与两轮轴心和焊枪出丝点重合的平面上，与地面平行；单目视觉传感器与焊枪保持平行；红外传感器安装在十字滑块的水平滑块上，用于测量伸出距离。

所述的机器人结构部分包括底盘和十字滑块执行机构，底盘部分由两个同轴轮和一个万向轮组成，底盘上方装有一个十字滑块，焊枪安装在十字滑块的水平滑块上且与两个同轴轮处于同一个垂直平面上。

所述的控制系统基于PC104接口，包括工控主板、运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡、电机驱动器。运动控制卡、数据采集卡、图像采集卡分别通过数据总线与工控主板连接，电机驱动器连接到运动控制卡。

所述的工控主板采用研华PCM3362；运动控制卡为ART1020，可独立控制四轴电机；数据采集卡为ART2932；图像采集卡采用大恒VT121，使用MFC搭建可视化程序框架，搭配OpenCV计算机开源图像处理库进行图像处理。

首先对传感器的位置进行标定安装，分阶段使用超声波和单目视觉传感器进行位姿的检测和调整，编写出一套处理传感器信号并驱动电机及时调整的程序。

本实用新型只使用扫描出的第一个端点坐标信息，可以有效过滤因弧光和噪声造成的端点匹配误差，且并不需要复杂的标定过程，使机器人在复杂的焊接环境中自检过程具有更强的自适应性。

附图说明

图1为初始定位控制系统示意图。1为超声波传感器Ⅰ，2为超声波传感器Ⅱ，3为同轴轮左轮，4为同轴轮右轮，5为单目视觉传感器（相连接的虚线为发出的线性结构光），6为旋转电弧，7为机器人本体。

图2为机器人与壁面可能存在的初始位置示意图。

图3为机器人机构示意图。

图4为超声波传感器Ⅱ采集到的初始电压值。

图5为超声波传感器Ⅱ采集到的截取电压值。

图6为超声波传感器Ⅱ采集到的电压的拟合过程。

图7为机器人调整边距小于两轮间距的模型。

图8为机器人调整边距大于两轮间距的模型。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型作进一步说明。

以机器人初始位置为与焊缝成正倾角为例，右轮锁紧，左轮匀速正向前进，机器人整体姿态以右轮为轴心，顺时针匀速旋转并开始计时。超声波传感器Ⅰ检测切线方向是否有壁面，当检测到信号时判断是否到达临界最小旋转距离，若达到最小距离时应立即停止；超声波传感器Ⅱ以200ms为采样周期采集电压。15s内采集到的电压值如图4所示。测量得当旋转电弧到达理想焊缝位置时，机器人距离目标壁面最短距离为173mm，转换为电压即2280mV。以2280mV为基准筛选有效检测点，结果如图5所示。在机器人旋转过程中，当超声波传感器Ⅱ垂直于壁面时距离最短，而传感器距离壁面的距离是一个先增后减的过程，且观察特征点呈二次分布。在机器学习中，常采用最小二乘法拟合曲线，将本次扫描的V,t数据使用最小二乘法拟合出距离随时间变化的曲线，结果如图6所示。通过拟合出的曲线公式的系数，可以计算出Vmin最小时对应的时间点tmin，即在tmin时，机器人与壁面垂直。扫描过程15s，与tmin的差值即为机器人的回程时间tb，即tb=15s–tmin。右轮锁紧，左轮与前进时等速匀速反向驱动，计时，当到达tb时机器人与壁面垂直，左轮立即停止。当机器人的角度调整与壁面垂直后，超声波传感器Ⅱ可重新采集距离信息。在安装有旋转电弧和单目传感器的水平滑块调整至最右端位置限位时，出丝点与超声波传感器水平距离Ls为1730mm，传感器测得的距离为Lf，则机器人需要调整的边距L=Lf–Ls。调整边距过程中右轮运动情况如图7、图8所示，右轮定长驱动停止后，左轮开始等长同向驱动。通过控制驱动的长度，改变边距调整的距离且保持了机器人与壁面的角度。但在实际调整过程中，两轮锁紧为轴心旋转过程中会发生位移。因此需要设置保护距离Lp为30mm，防止调整过程中焊枪与壁面发生碰撞，并为后一阶段的调整预留空间。即L=Lf–(Ls+Lp)。

在边距调整阶段后，开始进行焊枪水平偏差的调整，在前期调整阶段过程中，水平滑块始终处于最右的水平限位。单目视觉传感器与旋转电弧固接在水平滑块上，对线激光安装挡片截取后，对采集到的图像进行中值滤波、重力法提取中心线后，使用3*3掩码进行由上而下、由左至下的端点扫描。因此，在图像中扫描到的位置最高的点，即为扫描出的第一个端点。在水平滑块伸出的过程中，各端点的坐标变化如图7所示。位置最高的端点x轴坐标递减，y轴坐标递增，当旋转电弧到达理想的焊接位置时坐标为(218,46)。只使用扫描出的第一个端点坐标信息，可以有效过滤因弧光和噪声造成的端点匹配误差，且并不需要复杂的标定过程，使机器人在复杂的焊接环境中自检过程具有更强的自适应性。