一种机器人焊接装置及焊缝轨迹的获取方法与流程

本发明涉及机器人自动焊接技术领域，具体涉及一种机器人焊接装置及焊缝轨迹的获取方法。

背景技术：

现有的机器人焊接装置，在焊接准备阶段需通过人工引导机器人生成焊缝轨迹，或通过摄像及图像识别获取焊缝轨迹；其中通过人工引导机器人生成焊缝轨迹的方法，因存在精确度低、效率低、对操作人员要求高等问题，现逐渐被淘汰；其中通过图像识别获取焊缝轨迹的方法，因受到现场各种环境光的干扰及现有识别方法的准确性、可靠性影响，存在在某些情况下无法准确获得焊缝轨迹的问题；特别是当待焊接零件的焊缝为任意曲面上的不规则曲线时，通过图像识别获取焊缝轨迹则更加困难；因此急需一种可靠获取焊缝轨迹的方法来解决现有问题。

技术实现要素：

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种机器人焊接装置及焊缝轨迹的获取方法；机器人焊接装置包括焊接机器人、xy工作台、标定基准块、计算机；所述焊接机器人固定设置在xy工作台前部，焊接机器人、xy工作台通过计算机控制联动运动；其中焊接机器人包括固定设置在机械臂上的焊枪、摄像头、3d扫描仪；所述标定基准块固定设置在xy工作台上端面；焊接机器人在焊接准备阶段，首先通过摄像头对固定设置在xy工作台上的标定基准块进行拍照，获得当前机器人的空间位置信息；然后通过待焊接零件的3d扫描和同步拍照，获得待焊接零件的三维模型和图片；对待焊接零件的图片进行处理和模板匹配识别，获得焊缝图片；将焊缝图片贴敷在待焊接零件的三维模型表面相应位置，焊缝与三维模型上的两面相交的相贯线重合，则根据三维模型上的两面相交的相贯线的空间坐标，自动生成焊缝轨迹；当自动生成焊缝轨迹失败时，还可通过操作人员直接在待焊接零件的三维模型上标定焊缝轨迹；本机器人焊接装置具有焊缝轨迹生成精度高、效率高、对操作人员要求低的特点，同时对自动生成焊缝轨迹失败时，还可人工干预直接对待焊接零件的三维模型进行操作，生成高精度焊缝轨迹；特别对于以往任意曲面上的不规则曲线的焊缝轨迹获取困难问题，也得到完美解决。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种机器人焊接装置，包括焊接机器人、xy工作台、标定基准块、计算机；所述焊接机器人固定设置在xy工作台前部，焊接机器人、xy工作台通过计算机控制联动运动；所述焊接机器人包括固定设置在机械臂上的焊枪、摄像头、3d扫描仪；所述标定基准块固定设置在xy工作台上端面；所述焊接机器人、xy工作台、摄像头、3d扫描仪通过电缆与计算机连接；所述计算机内预先存储有标定基准块的标定图片模板、3d模型模板；标定图片模板附带有标定图片模板拍照时机器人的空间位置信息和标定基准块的尺寸信息；3d模型模板附带有标定基准块的尺寸信息；所述计算机内还预先存储有标准“l”、“v”、“t”形焊缝的焊缝图片模板；所述计算机还可以根据需要补充、添加其它形式焊缝的图片模板。

进一步的，所述标定基准块为立方体，其边长为设定的固定标准值；立方体各面设置有面积相等、黑白相间的方形图案。

进一步的，所述摄像头镜头轴线与焊枪送出焊丝的送丝孔轴线平行。

进一步的，所述3d扫描仪为激光3d扫描仪；3d扫描仪激光射出镜头及两个激光接收镜头的轴线所在平面与焊枪的送丝孔轴线平行，且与摄像头镜头轴线、焊枪送出焊丝的送丝孔轴线所在平面垂直。

进一步的，所述xy工作台上设置有垂直回转工作台。

进一步的，所述xy工作台上设置有俯仰工作台。

进一步的，所述xy工作台设置有水平回转工作台。

进一步的，所述xy工作台设置有垂直回转工作台，垂直回转工作台上设置有俯仰工作台，俯仰工作台设置有水平回转工作台。

所述机器人焊接装置焊缝轨迹的获取方法，具体说明如下：

s1、焊接机器人空间位置的标定：所述焊接机器人与xy工作台空间位置的标定，是通过摄像头对固定设置在xy工作台上的标定基准块进行拍照，将拍照后得到图片与存储在计算机中标定图片模板进行比对，根据标定图片模板附带的空间位置信息和标定基准块的尺寸信息，计算出当前机器人的空间位置信息；机器人空间位置信息包括焊枪送丝孔端部的空间坐标、送丝孔轴线的空间倾斜角度；

s2、待焊接零件3d扫描：待焊接零件固定设置在xy工作台的台面；待焊接零件的3d扫描是通过焊接机器人、xy工作台联动运动实现；焊接机器人按照设定的扫描角度、距离设置3d扫描仪与xy工作台的相对空间位置；扫描从标定基准块端开始，xy工作台从右至左匀速移动，3d扫描仪完成标定基准块、待焊接零件的3d扫描；3d扫描仪的扫描数据输入计算机，在计算机中生成标定基准块、待焊接零件的三维模型；扫描过程中，摄像头按设定时间间隔拍摄待焊接零件图片，待焊接零件图片输入计算机进行后续处理；

s3、通过模板匹配识别待焊接零件图片中的焊缝：对摄像头拍摄的待焊接零件图片，计算机依序进行识别处理；首先将原始待焊接零件图片进行若干次金字塔图像处理，降低图片的分辨率；然后将低分辨待焊接零件图片与同样进行若干次金字塔图像处理的焊缝图片模板进行动态变区域模板匹配，识别出低分辨率待焊接零件图片中的焊缝；按照识别出的低分辨率待焊接零件图片中的焊缝，对原始待焊接零件图片进行分割，然后将分割后的待焊接零件图片与焊缝图片模板再次进行动态变区域模板匹配，最终精确确定待焊接零件图片中的焊缝；对待焊接零件图片的由粗到精的两步动态模板匹配、及图片分割，在实现图片焊缝识别的同时，可极大提高计算机的处理速度；

s4、自动焊缝轨迹的生成：计算机将所有待焊接零件图片中的焊缝贴敷在待焊接零件的三维模型表面相应位置，如果焊缝与三维模型上的两面相交的相贯线重合，则根据三维模型上的两面相交的相贯线的空间坐标，自动生成焊缝轨迹；3d扫描可获得高精度的待焊接零件的三维模型，因此根据三维模型生成的焊缝轨迹也具有相应的高精度。

s5、手动焊缝轨迹的生成：如果步骤s4中自动焊缝轨迹的生成失败，则人工进行干预，通过操作人员直接在三维模型上标定焊缝轨迹；

s6、焊缝端点位置搜索：计算机提取待焊接零件图片中焊缝的首尾两张图片，根据精确确定的焊缝多亏图片进行切割，然后使用log边缘算法突出首尾两张图片的焊缝区域，再使用自动阈值分割对图片进行二值化处理，最后对二值化处理后的图片进行骨架细化处理，得到焊缝的骨架模型图片；将存储在计算机中的焊缝图片模板进行相同方法处理，得到焊缝图片模板的骨架模型；然后将首尾两张图片焊缝的骨架模型与焊缝图片模板的骨架模型进行动态变区域模板匹配，得到首尾两张图片焊缝端点位置；

s7、自动焊缝端点位置空间坐标确定：将首尾两张图片焊缝端点位置的骨架模型图片贴敷在待焊接零件的三维模型表面相应位置，如果骨架模型图片的端点与三维模型上的两面相交的相贯线端点距离在设定范围内，则根据三维模型上的两面相交的相贯线端点空间坐标得到焊缝端点位置空间坐标；

s8、手动焊缝端点位置空间坐标确定：如果步骤s7中自动焊缝端点位置空间坐标确定失败，则人工进行干预，通过操作人员直接在三维模型上标定焊缝端点位置空间坐标；

s9、焊缝起始点、结束点确定：确定焊缝端点位置空间坐标后，以x坐标较大者作为机器人焊接的起始点；以x坐标较小者作为机器人焊接的结束点。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明公开的一种机器人焊接装置，包括焊接机器人、xy工作台、标定基准块、计算机；所述焊接机器人固定设置在xy工作台前部，焊接机器人、xy工作台通过计算机控制联动运动；其中焊接机器人包括固定设置在机械臂上的焊枪、摄像头、3d扫描仪；所述标定基准块固定设置在xy工作台上端面；焊接机器人在焊接准备阶段，首先通过摄像头对固定设置在xy工作台上的标定基准块进行拍照，获得当前机器人的空间位置信息；然后通过待焊接零件的3d扫描和同步拍照，获得待焊接零件的三维模型和图片；对待焊接零件的图片进行处理和模板匹配识别，获得焊缝图片；将焊缝图片贴敷在待焊接零件的三维模型表面相应位置，焊缝与三维模型上的两面相交的相贯线重合，则根据三维模型上的两面相交的相贯线的空间坐标，自动生成焊缝轨迹；当自动生成焊缝轨迹失败时，还可通过操作人员直接在待焊接零件的三维模型上标定焊缝轨迹；本机器人焊接装置具有焊缝轨迹生成精度高、效率高、对操作人员要求低的特点，同时对自动生成焊缝轨迹失败时，还可人工干预直接对待焊接零件的三维模型进行操作，生成高精度焊缝轨迹；特别对于以往任意曲面上的不规则曲线的焊缝轨迹获取困难问题，也得到完美解决。

附图说明

图1为机器人焊接装置示意图。

图中：1、焊接机器人；101、焊枪；102、摄像头；103、3d扫描仪；2、xy工作台；3、标定基准块；4、待焊接零件。

具体实施方式

通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。

一种机器人焊接装置，包括焊接机器人1、xy工作台2、标定基准块3、计算机；所述焊接机器人1固定设置在xy工作台2前部，焊接机器人1、xy工作台2通过计算机控制联动运动；所述焊接机器人1包括固定设置在机械臂上的焊枪101、摄像头102、3d扫描仪103；所述摄像头102镜头轴线与焊枪101的送丝孔轴线平行；所述3d扫描仪103为激光3d扫描仪；3d扫描仪103激光射出镜头及两个激光接收镜头轴线所在平面与焊枪101的送丝孔轴线平行，且与摄像头102镜头轴线、焊枪101送丝孔轴线所在平面垂直；所述标定基准块3固定设置在xy工作台2上端面，标定基准块3为立方体，其边长为100毫米；立方体各面设置有面积相等、黑白相间的方形图案；所述焊接机器人1、xy工作台2、摄像头102、3d扫描仪103通过电缆与计算机连接；所述计算机内预先存储有标定基准块3的标定图片模板、3d模型模板；标定图片模板附带有标定图片模板拍照时机器人的空间位置信息和标定基准块3的尺寸信息；3d模型模板附带有标定基准块3的尺寸信息；所述计算机内还预先存储有标准“l”、“v”、“t”形焊缝的焊缝图片模板；所述计算机还可以根据需要补充、添加其它形式焊缝的标准图片模板。

一种机器人焊接装置，包括焊接机器人1、xy工作台2、标定基准块3、计算机；所述焊接机器人1固定设置在xy工作台2前部，焊接机器人1、xy工作台2通过计算机控制联动运动；所述焊接机器人1包括固定设置在机械臂上的焊枪101、摄像头102、3d扫描仪103；所述摄像头102镜头轴线与焊枪101的送丝孔轴线平行；所述3d扫描仪103为激光3d扫描仪；3d扫描仪103激光射出镜头及两个激光接收镜头轴线所在平面与焊枪101的送丝孔轴线平行，且与摄像头102镜头轴线、焊枪101送丝孔轴线所在平面垂直；所述xy工作台2上固定设置有水平回转工作台；所述标定基准块3固定设置在xy工作台2上端面，标定基准块3为立方体，其边长为100毫米；立方体各面设置有面积相等、黑白相间的方形图案；所述焊接机器人1、xy工作台2、摄像头102、3d扫描仪103通过电缆与计算机连接；所述计算机内预先存储有标定基准块3的标定图片模板、3d模型模板；标定图片模板附带有标定图片模板拍照时机器人的空间位置信息和标定基准块3的尺寸信息；3d模型模板附带有标定基准块3的尺寸信息；所述计算机内还预先存储有标准“l”、“v”、“t”形焊缝的焊缝图片模板；所述计算机还可以根据需要补充、添加其它形式焊缝的标准图片模板。

一种机器人焊接装置，包括焊接机器人1、xy工作台2、标定基准块3、计算机；所述焊接机器人1固定设置在xy工作台2前部，焊接机器人1、xy工作台2通过计算机控制联动运动；所述焊接机器人1包括固定设置在机械臂上的焊枪101、摄像头102、3d扫描仪103；所述摄像头102镜头轴线与焊枪101的送丝孔轴线平行；所述3d扫描仪103为激光3d扫描仪；3d扫描仪103激光射出镜头及两个激光接收镜头轴线所在平面与焊枪101的送丝孔轴线平行，且与摄像头102镜头轴线、焊枪101送丝孔轴线所在平面垂直；所述xy工作台2上固定设置有俯仰工作台；所述标定基准块3固定设置在xy工作台2上端面，标定基准块3为立方体，其边长为100毫米；立方体各面设置有面积相等、黑白相间的方形图案；所述焊接机器人1、xy工作台2、摄像头102、3d扫描仪103通过电缆与计算机连接；所述计算机内预先存储有标定基准块3的标定图片模板、3d模型模板；标定图片模板附带有标定图片模板拍照时机器人的空间位置信息和标定基准块3的尺寸信息；3d模型模板附带有标定基准块3的尺寸信息；所述计算机内还预先存储有标准“l”、“v”、“t”形焊缝的焊缝图片模板；所述计算机还可以根据需要补充、添加其它形式焊缝的标准图片模板。

一种机器人焊接装置，包括焊接机器人1、xy工作台2、标定基准块3、计算机；所述焊接机器人1固定设置在xy工作台2前部，焊接机器人1、xy工作台2通过计算机控制联动运动；所述焊接机器人1包括固定设置在机械臂上的焊枪101、摄像头102、3d扫描仪103；所述摄像头102镜头轴线与焊枪101的送丝孔轴线平行；所述3d扫描仪103为激光3d扫描仪；3d扫描仪103激光射出镜头及两个激光接收镜头轴线所在平面与焊枪101的送丝孔轴线平行，且与摄像头102镜头轴线、焊枪101送丝孔轴线所在平面垂直；所述xy工作台2上固定设置有水平回转工作台；所述标定基准块3固定设置在xy工作台2上端面，标定基准块3为立方体，其边长为100毫米；立方体各面设置有面积相等、黑白相间的方形图案；所述焊接机器人1、xy工作台2、摄像头102、3d扫描仪103通过电缆与计算机连接；所述计算机内预先存储有标定基准块3的标定图片模板、3d模型模板；标定图片模板附带有标定图片模板拍照时机器人的空间位置信息和标定基准块3的尺寸信息；3d模型模板附带有标定基准块3的尺寸信息；所述计算机内还预先存储有标准“l”、“v”、“t”形焊缝的焊缝图片模板；所述计算机还可以根据需要补充、添加其它形式焊缝的标准图片模板。

一种机器人焊接装置，包括焊接机器人1、xy工作台2、标定基准块3、计算机；所述焊接机器人1固定设置在xy工作台2前部，焊接机器人1、xy工作台2通过计算机控制联动运动；所述焊接机器人1包括固定设置在机械臂上的焊枪101、摄像头102、3d扫描仪103；所述摄像头102镜头轴线与焊枪101的送丝孔轴线平行；所述3d扫描仪103为激光3d扫描仪；3d扫描仪103激光射出镜头及两个激光接收镜头轴线所在平面与焊枪101的送丝孔轴线平行，且与摄像头102镜头轴线、焊枪101送丝孔轴线所在平面垂直；所述xy工作台2上设置有垂直回转工作台，垂直回转工作台上设置有俯仰工作台，俯仰工作台设置有水平回转工作台；所述标定基准块3固定设置在xy工作台2上端面，标定基准块3为立方体，其边长为100毫米；立方体各面设置有面积相等、黑白相间的方形图案；所述焊接机器人1、xy工作台2、摄像头102、3d扫描仪103通过电缆与计算机连接；所述计算机内预先存储有标定基准块3的标定图片模板、3d模型模板；标定图片模板附带有标定图片模板拍照时机器人的空间位置信息和标定基准块3的尺寸信息；3d模型模板附带有标定基准块3的尺寸信息；所述计算机内还预先存储有标准“l”、“v”、“t”形焊缝的焊缝图片模板；所述计算机还可以根据需要补充、添加其它形式焊缝的标准图片模板。

下面以包括焊接机器人1、xy工作台2、标定基准块3、计算机的机器人焊接装置为例，阐述焊缝轨迹的获取方法，其具体步骤如下：

s1、焊接机器人空间位置的标定：通过摄像头102对固定设置在xy工作台2上的标定基准块3进行拍照，将拍照后得到图片与存储在计算机中标定图片模板进行比对，根据标定图片模板附带的空间位置信息和标定基准块3的尺寸信息，计算出当前机器人的空间位置信息；机器人空间位置信息包括焊枪101送丝孔端部的空间坐标、送丝孔轴线的空间倾斜角度；

s2、待焊接零件3d扫描：待焊接零件固定设置在xy工作台2的台面；待焊接零件的3d扫描是通过焊接机器人1、xy工作台2联动运动实现；焊接机器人1按照设定的扫描角度、距离，设置3d扫描仪103与xy工作台2的相对空间位置；扫描从标定基准块3端开始，xy工作台2从右至左匀速移动，3d扫描仪103完成标定基准块3、待焊接零件4的3d扫描；3d扫描仪103的扫描数据输入计算机，在计算机中生成标定基准块3、待焊接零件4的三维模型；扫描过程中，摄像头102按设定时间间隔拍摄待焊接零件图片，待焊接零件图片输入计算机进行后续处理；

s3、通过模板匹配识别待焊接零件图片中焊缝：对摄像头102拍摄的待焊接零件图片，计算机依序进行识别处理；首先将原始待焊接零件图片进行若干次金字塔图像处理，降低图片的分辨率；然后将低分辨待焊接零件图片与同样进行若干次金字塔图像处理的焊缝图片模板进行动态变区域模板匹配，识别出低分辨率待焊接零件图片中焊缝；按照识别出的低分辨率待焊接零件图片中焊缝，对原始待焊接零件图片进行分割，然后将分割后的待焊接零件图片与焊缝图片模板再次进行动态变区域模板匹配，最终精确确定待焊接零件图片中的焊缝；

s4、自动焊缝轨迹的生成：计算机将待焊接零件图片中的焊缝贴敷在待焊接零件的三维模型表面相应位置，如果焊缝与三维模型上的两面相交的相贯线重合，则根据三维模型上的两面相交的相贯线的空间坐标，自动生成焊缝轨迹；

s5、手动焊缝轨迹的生成：如果步骤s4中自动焊缝轨迹的生成失败，则人工进行干预，通过操作人员直接在三维模型上标定焊缝轨迹；

s6、焊缝端点位置搜索：计算机提取待焊接零件图片中焊缝首尾两张图片，根据精确确定的焊缝进行图片切割，然后使用log边缘算法突出首尾两张图片的焊缝区域，再使用自动阈值分割对图片进行二值化处理，最后对二值化处理后的图片进行骨架细化处理，得到焊缝的骨架模型图片；将存储在计算机中的焊缝图片模板进行相同方法处理，得到焊缝图片模板的骨架模型；然后将首尾两张图片焊缝的骨架模型与焊缝图片模板的骨架模型进行动态变区域模板匹配，得到首尾两张图片焊缝端点位置；

s7、自动焊缝端点位置空间坐标确定：将首尾两张图片焊缝端点位置的骨架模型图片贴敷在待焊接零件的三维模型表面相应位置，如果骨架模型图片的端点位置与三维模型上的两面相交的相贯线端点距离在设定范围内，则根据三维模型上的两面相交的相贯线端点空间坐标得到焊缝端点位置空间坐标；

s8、手动焊缝端点位置空间坐标确定：如果步骤s7中自动焊缝端点位置空间坐标确定失败，则人工进行干预，通过操作人员直接在三维模型上标定焊缝端点位置空间坐标；

s9、焊缝起始点、结束点确定：确定焊缝端点位置空间坐标后，以x坐标较大者作为机器人焊缝的起始点；以x坐标较小者作为机器人焊缝的结束点。

本发明未详述部分为现有技术。