CN104400217A - 一种全自动激光焊接方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种全自动激光焊接方法及装置，方法分为准备阶段和焊接阶段，准备阶段将待焊接的焊缝的轨迹信息存入计算机；在包含待焊接区域的摄像头取像范围内的任意一个或多个位置做上标记；以标记为参考点，设置基于标记的焊缝搜索区域；焊接阶段包括采集图像信息，搜索得到图像中标记的数量和位置信息，使用直线检测获得焊缝的位置和角度信息，最终生成焊缝实际的位置及轮廓轨迹。本发明可实现全自动激光焊接，不仅可以实现直线焊缝的自动焊接，也可以实现圆弧或曲线等任意焊缝轨迹的自动焊接。无需依靠夹具对待焊接工件进行定位，可一次将多个工件随意摆放在工作台面上后实现自动化焊接，且焊接轨迹无需专门的机械部件来实现。

Description

一种全自动激光焊接方法及装置

技术领域

本发明涉及自动生产和加工领域，特别是任意直线或曲线及其组合轨迹的全自动激光焊接领域，具体为一种全自动激光焊接方法及装置。

背景技术

激光焊接技术广泛应用于工业电子、汽车制造和航空航天等领域，是一种高效、高精度、高可靠的连接方式。为了提高焊接效率和质量一致性，一些全自动的激光焊接方法被开发出来。从检索到的资料来看，全自动激光焊接方法利用的基本技术有两种，第一种是基于图像识别技术，第二种是基于自动夹具。

中国科学院沈阳自动化研究所与日本IHI公司共同合作开发了一条激光拼焊生产线。这条生产线只用来做两块钢板的对接焊接，焊缝为一条直线(见文献中国第1条全自动激光拼焊生产线问世.Science Brief,July 2008：61)。此外，长春一汽宝友钢材加工配送中心，武汉蒂森克虏伯激光拼焊有限公司，上海宝钢阿赛洛激光拼焊有限公司，广州花都宝井激光拼焊板有限公司等都有类似的全自动激光焊接生产线(见文献闫志波，刘培月，王长铭.激光拼焊生产线的组成及应用.应用激光.October2008,Vol.28,No.5:379～382)。这种焊接方式的工作原理是通过摄像头在线采集图像，然后图像识别寻找焊缝，进而引导激光束进行焊接。但是目前，其只能焊接直线焊缝，对于小半径圆弧焊缝无法实现焊接。

文列龙等申请的“一种全自动激光焊接机”专利(中国，专利号201210039174.X和201220055927.1)，主要是从上下料的角度进行的，其对方形工件可实现自动上下料，位置精度是由定位夹具通过机械的方式实现，对随意摆放的工件无法实现焊接。

文列龙等申请的“全自动激光焊接机”专利(中国，专利号201310165935.0)，也是从全自动夹具的方面来保证焊接的全自动化的，对随意摆放的工件无法实现焊接。

吴轩等申请的“一种全自动激光焊接机装置及作业方法”专利(中国，专利号201210147237.3)是通过转盘夹具和不同高度垫块的使用方面保证批量产品的自动焊接的，其强调的是夹具的全自动化，对于随意摆放的工件无法实现焊接，激光不会因为工件位置的偏移进行相应调整。

李圣怡等申请的“光纤有源器件自动激光焊接装置”专利(中国，专利号200510032570.X)是通过二维的角度倾斜台和两个正交放置结构完全相同的微动平台来调整光源位置实现全自动激光焊接的，仅适用于对接的结构，对于任意直线或曲线及其组合轨迹无能为力。

山口勝申请的“自动激光焊接机”专利(中国，专利号201220551765.0)是利用固定在四轴联动的导轨上的激光焊接头并配合旋转伺服电机来实现空间任意点的激光焊接的，从结构上能够实现激光达到空间任意点，但未涉及激光机对随意摆放的工件的适应性。

在电弧焊领域，实现环缝的自动化设备被开发出来(见文献郗安民，刘颖，狄春良.密封壳体全自动焊接机的研究.组合机床与自动化加工技术.1999，4：27～29)，此设备专门针对冰箱压缩机上下壳进行焊接，其焊缝轨迹通过专门的机械装置实现的，对于不同品种产品的适应性和柔性生产能力不足。

机器人已被成功应用于焊接领域来实现全自动焊接，尤其是在点焊和弧焊方面应用较为成熟。中航工业西安飞机工业有限责任公司的张兵宪等应用弧焊机器人成功解决了飞机起落架的焊接问题(见文献张兵宪，庄明祥.飞机起落架机器人焊接工艺研究.航空制造技术.2012，13：156～159)。不过国内弧焊机器人主要是属于示教在线型和离线编程型，自动化程度较低，高级的智能型焊接机器人仍在研发当中(见文献王启玉，陈志强，于青春.我国焊接机器人的发展现状.现代零部件.2013，3：77～78；陈善本.智能化机器人焊接技术研究进展.机器人技术与应用.2007，3：8～11)。

基于机器人的全自动激光焊接技术也在不断发展。目前汽车工业中主要用此技术进行点焊来替代电阻焊。沈阳新松机器人自动化股份有限公司的曹景兴等人开发的基于动态仿真分析的激光焊接机器人可解决高精度自动激光焊接问题，为机器人激光焊接技术指明了一个发展方向，但此技术目前仍在研究当中(见文献曹景兴，张健夫.基于动态仿真分析的激光焊接机器人应用.现代零部件.2013，2：84～86)。

从目前激光焊接行业的自动化程度来看，采用图像识别技术可实现直线焊缝或单独焊点的自动焊接，对于曲率较大的曲线焊缝或密封环缝则无能为力。采用自动化夹具或焊接机器人可实现各种形式焊缝的自动焊接，但只使用图像识别技术而不使用自动化夹具实现任意环缝的自动激光焊接的，在行业内还没有看到成熟的技术出现。本发明正是在这种背景下针对实际激光焊接需求提出的。

发明内容

本发明的目的就是为解决任意直线或曲线及其组合轨迹的全自动激光焊接问题，提出了一种全自动激光焊接方法及装置。

本发明的技术方案为：

所述一种全自动激光焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：准备阶段：将待焊接的焊缝的轨迹信息存入计算机；在包含待焊接区域的摄像头取像范围内的任意一个或多个位置做上标记；以标记为参考点，设置基于标记的焊缝搜索区域；

步骤2：焊接阶段：

步骤2.1：调整摄像头物距，并利用摄像头采集工作区域的图像信息；

步骤2.2：在所得的图像中使用图像匹配搜索得到图像中标记的数量和位置信息；

步骤2.3：以标记的位置作为基准，在步骤2.2设定的区域内使用直线检测获得焊缝的位置和角度信息；

步骤2.4：根据步骤2.3得到的焊缝的位置和角度信息，结合步骤1中预存的待焊接的焊缝的轨迹信息，生成焊缝实际的位置及轮廓轨迹；

步骤2.5：依据焊缝实际的位置及轮廓轨迹引导激光头、运动平台及各轴联动，完成自动激光焊接。

进一步的优选方案，所述一种全自动激光焊接方法，其特征在于：标记采用正方形标记，正方形的中心有十字架形状；同一种工件中的标记形状统一，且标记位置偏差不超过±0.1mm，标记角度偏差不超过5°。

进一步的优选方案，所述一种全自动激光焊接方法，其特征在于：待焊接的焊缝的轨迹信息以G-code描述方式存入计算机。

所述一种全自动激光焊接，其特征在于：包括手套箱、XY运动平台、伺服电机、伺服驱动器、运动控制器、工业相机、光源、光学平台、计算机；手套箱提供激光焊接所需的环境，XY运动平台、伺服电机、伺服驱动器、运动控制器实现机构的精确运动与控制，光学平台用于放置工件，工业相机、光源用于图像照明与采集，激光测距仪用于测量焊接面高度，XY运动平台、伺服电机、伺服驱动器、运动控制器、工业相机连接计算机。

有益效果

与上述现有焊接方式相比，本发明可实现全自动激光焊接。不仅可以实现直线焊缝的自动焊接，也可以实现圆弧或曲线等任意焊缝轨迹的自动焊接。无需依靠夹具对待焊接工件进行定位，可一次将多个工件随意摆放在工作台面上后实现自动化焊接，且焊接轨迹无需专门的机械部件来实现。

附图说明

图1标记示例图；

图2标记与焊缝位置示意图；

图3焊缝实际起点坐标计算示意图；

图4：焊缝起点与工件的位置示意图；

图5：工业相机的视野范围示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本发明采用的装置包括：手套箱、XY运动平台、伺服电机、伺服驱动器、运动控制器、工业相机、光源、光学平台、计算机等。手套箱提供激光焊接所需的环境，XY运动平台、伺服电机、伺服驱动器、运动控制器实现机构的精确运动与控制，光学平台用于放置工件，工业相机、光源用于图像照明与采集，激光测距仪用于测量焊接面高度，计算机用于软件控制和软硬件资源协调。

具体的实现步骤为：

步骤1：准备阶段：

(1)编码：根据将待焊接的焊缝的轨迹信息的具体形式(如AutoCAD文件)，转换或编写G-code(一种激光焊接机所用的数控加工轨迹描述语言)存入计算机，G-code描述的是焊缝轨迹的相对坐标信息，但未包含焊缝的绝对位置信息。

(2)制标：利用激光打标机、印章或喷码机等设备在工件待焊盖板中的，包含待焊接区域的摄像头取像范围内的任意一个或多个位置做上标记；并以标记为参考点，设置基于标记的焊缝搜索区域。例如图1所示的正方形标记，内部十字架位于正方形的中心。标记的位置地印制位置是相对于焊缝的起点而言的，如图4所示。

标记与工件的的起点距离最近的左边和底边的距离分别为左边距和下边距。制作标记时，同一种工件的标记的形状需统一且位置偏差不超过±0.1mm，角度偏差不超过5°。

(3)调焦：移动工作台，使有制作标记地工件移动到摄像头下方，调整工作台地上下高度，即调整焦距，使工件表面的标记在屏幕中最清晰，并将此时Z轴的高度即焦距H作为编程参数存入系统中，在焊接下一批次的同类产品实现自动调整焦距。

(4)识别建模：移动工作台的X、Y方向，使盖板上的如图5所示的圆形区域清晰完整的出现在固定在Z轴上方的工业相机的视野范围内，通过软件系统中的图像模式识别工具将定位标记圈定在模式识别框内，调整好识别框的大小和识别阈值参数，对识别框内的定位标记图像进行建模，建好模型后存储模型以作为后续的识别定位。再利用软件中的直线识别工具对距离定位标记最近的左边和底边进行识别，即得到左边和底边的角度Theta和底边和左边距离定位标记中心的距离即：Dl左边距和Db底边距。

(5)保存：将上述的数据即H(焦距)、Dl(左边距)、Db(底边距)、Theta(旋转角度)及(1)中生成并导入的G-code共同生成一个工件的编程文件并保存。

步骤2：焊接阶段：

(1)上料：将改好盖板的工件摆放在工作台面上，所有的工件的摆放方向需要一致，即工件X轴方向与工作台的X轴方向，工件的Y轴方向与Y轴的偏转角度应该在+45度范围内。

(2)调焦：调出步骤1已经建立好的该种产品的编程文件，根据文件中的H(焦距)调焦。

(3)扫描取相：由于出于识别精度的需要，工业相机的视场范围远小于工作台面的范围，因此需要引导工作台进行来回步进扫描，以便工作台上面的所有工件图像均可以被相机所捕获。

(4)识别：图像识别和扫描取相是同步进行的，即便扫描，边取相，边识别，根据已经建立的定位标记模板对取得的图像进行识别，扫描完成后，软件会识别出工件在工作台上面的摆放位置即定位标记的坐标Xi，Yi(i：为识别后工件的数量)，同时还能识别并测量出Dl(左边距)、Db(底边距)、Theta(旋转角度)。

(5)生成加工轨迹：程序会根据以上的识别出的每个工件的定位标记的绝对坐标Xi，Yi、Dl、Db、Theta自动生成工件的焊缝加工轨迹。

(6)封焊：根据焊缝加工轨迹，程序自动控制激光开关及激光功率引导工作台运动逐一对工作台的工件进行焊接，直至工作台上的最后一件工件焊接完成。程序自动停止。

Claims (4)

1.一种全自动激光焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：准备阶段：将待焊接的焊缝的轨迹信息存入计算机；在包含待焊接区域的摄像头取像范围内的任意一个或多个位置做上标记；以标记为参考点，设置基于标记的焊缝搜索区域；

步骤2：焊接阶段：

步骤2.1：调整摄像头物距，并利用摄像头采集工作区域的图像信息；

步骤2.2：在所得的图像中使用图像匹配搜索得到图像中标记的数量和位置信息；

步骤2.3：以标记的位置作为基准，在步骤2.2设定的区域内使用直线检测获得焊缝的位置和角度信息；

步骤2.4：根据步骤2.3得到的焊缝的位置和角度信息，结合步骤1中预存的待焊接的焊缝的轨迹信息，生成焊缝实际的位置及轮廓轨迹；

步骤2.5：依据焊缝实际的位置及轮廓轨迹引导激光头、运动平台及各轴联动，完成自动激光焊接。

2.根据权利要求1所述一种全自动激光焊接方法，其特征在于：标记采用正方形标记，正方形的中心有十字架形状；同一种工件中的标记形状统一，且标记位置偏差不超过±0.1mm，标记角度偏差不超过5°。

3.根据权利要求1所述一种全自动激光焊接方法，其特征在于：待焊接的焊缝的轨迹信息以G-code描述方式存入计算机。

4.一种实现权利要求1所述方法的装置其特征在于：包括手套箱、XY运动平台、伺服电机、伺服驱动器、运动控制器、工业相机、光源、光学平台、计算机；手套箱提供激光焊接所需的环境，XY运动平台、伺服电机、伺服驱动器、运动控制器实现机构的精确运动与控制，光学平台用于放置工件，工业相机、光源用于图像照明与采集，激光测距仪用于测量焊接面高度，XY运动平台、伺服电机、伺服驱动器、运动控制器、工业相机连接计算机。