CN113909765B - 一种引导焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种引导焊接系统，用于波纹板的焊接。其包括焊接机器人、扫描装置和与二者信号连接的控制装置。焊接机器人的末端设置有焊枪，并构造为能沿待焊接的缝隙的延伸方向移动。扫描装置设置于末端。控制装置配置为执行扫描步骤、规划步骤和焊接步骤。其中扫描步骤包括获取缝隙的轮廓数据，以缝隙的起始点为原点，每隔预设距离获取一个缝隙的轮廓点的三维坐标数据。规划步骤包括根据轮廓数据规划焊枪的运动轨迹，确定波纹拐角的起点和终点，并在二者之间为焊枪规划姿势变更动作。焊接步骤包括控制焊枪沿运动轨迹对缝隙进行焊接。根据本发明的引导焊接系统，可以有效避免陡坡带来的影响，焊接精度高。

Description

一种引导焊接系统

技术领域

本发明涉及集装箱技术领域，具体而言涉及一种引导焊接系统。

背景技术

随着工业技术的不断发展，工业制造日益趋向于自动化，在集装箱制造领域中已引入工业焊接机器人。目前的一些集装箱制造车间的焊接机器人，大多依然采用的是示教固定轨迹方法进行焊接。

一方面由于集装箱种类较多，采用示教固定轨迹的方法焊接，会大大增加工人的工作量；另一方面由于工装夹具定位误差以及人工点焊定位误差等，机器人按照示教的固定轨迹进行焊接工作时，会出现漏焊、脱焊等问题，极大影响了产品的焊接质量，大大增加了后续维修返工的人工成本和时间成本。

尤其是，在焊接具有陡坡的例如波纹板等工件时，陡坡的存在大大影响了机器人的定位，导致焊接精度和质量差。

因此，需要一种引导焊接系统，以至少部分地解决以上问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种引导焊接系统，用于波纹板的焊接，所述引导焊接系统包括：

焊接机器人，所述焊接机器人的末端构造为能够沿待焊接的缝隙的延伸方向移动，所述末端设置有焊枪；

扫描装置，所述扫描装置设置于所述焊接机器人的末端；

控制装置，所述控制装置与所述扫描装置以及所述焊接机器人信号连接，所述控制装置配置为执行以下步骤：

扫描步骤，获取所述待焊接的缝隙的轮廓数据，其中，定义所述波纹板的长度方向为x轴，所述波纹板的宽度方向为z轴，所述波纹板的波纹深度方向为y轴，以所述缝隙的起始点为原点，每隔预设距离获取一个所述缝隙的轮廓点的x轴、y轴和z轴的三维空间坐标数据，

规划步骤，根据所述轮廓数据规划所述焊枪的运动轨迹，确定所述缝隙的轮廓的波纹拐角的拐角起点和拐角终点，并在所述拐角起点和所述拐角终点之间为所述焊枪规划姿势变更动作，

焊接步骤，控制所述焊枪沿所述运动轨迹对所述缝隙进行焊接。

进一步地，在所述扫描步骤中，

以所述轮廓点的x轴和y轴数据进行拟合，计算两个连续的点之间的拟合直线斜率的同向变化值；

其中，当连续至少两组所述两个连续的点的所述同向变化值超过第一阈值时，判定连续至少两组所述两个连续的点中的第一个点为所述拐角的所述拐角起点；

在所述拐角起点之后，当连续至少两组所述两个连续的点的所述同向变化值小于第二阈值时，判定连续至少两组所述两个连续的点中的第一个点为所述拐角的所述拐角终点。

根据本发明的引导焊接系统，在对波纹板等具有陡坡的工件进行引导焊接时，能够在扫描轮廓的过程中变更姿态，可以有效避免陡坡盲区带来的影响，进而能够采集到完整的焊缝特征数据，提高了焊接精度和质量。

进一步地，所述拟合直线斜率采用所述轮廓上包括待拟合点的连续的5个以上的点进行拟合。由此，可以提高轮廓的精度。

进一步地，所述姿势变更的动作包括旋转动作，旋转的角速度与所述拟合直线斜率的变化呈正相关。根据本方案，能够进一步提高焊接精度。

进一步地，所述姿势变更的动作配置为使所述焊枪与所述缝隙垂直。由此，可以始终维持最佳焊接状态。

进一步地，所述扫描步骤还包括：

当连续的两个点之间的y轴数据之差的绝对值大于第三阈值，并且/或者当连续的两个点之间的z轴数据之差的绝对值大于第四阈值时，确认后一点为无效点，并将所述无效点排除。根据本方案，能够去除并减小误差，提高缝隙特征的准确性。

进一步地，所述扫描步骤还包括：

根据所述无效点之前的连续三个点进行空间拟合，得出所述无效点处的理论数据，以所述理论数据代替无效数据。由此，能够进一步提高缝隙特征的准确性。

进一步地，所述预设距离为0.1～2mm。根据本方案，能够进一步提高轮廓数据的精度。

进一步地，所述扫描装置包括线激光传感器。

进一步地，所述控制装置控制所述扫描步骤、所述规划步骤以及所述焊接步骤同步进行；或者

所述控制装置控制所述扫描步骤和所述规划步骤完成后，再控制所述焊接机器人执行所述焊接步骤。根据上述设置，可以提高生产效率。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为根据本发明的优选实施方式的引导焊接系统的模块框图；

图2为根据本发明的优选实施方式的引导焊接系统的部分结构示意图；

图3为待焊接工件的示意图；

图4为图3中待焊接工件的待焊接的缝隙处的沿Y向的剖面示意图；以及

图5为根据本发明的优选实施方式的引导焊接系统的控制装置的执行步骤的流程示意图。

附图标记说明：

10：待焊接工件 11：待焊接的缝隙

12：拐角 13：拐角起点

14：拐角终点 100：引导焊接系统

110：焊接机器人 111：焊枪

120：扫描装置 130：控制装置

140：焊机

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

本发明中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其他含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。需要说明的是，本文中所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明目的，并非限制。

现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。

本发明的优选实施方式的引导焊接系统100用于集装箱的焊接。特别地，其适合进行波纹板，由其是适合于具有深波的波纹板的焊接。

参考图1和图2，引导焊接系统100包括扫描装置120、控制装置130、焊接机器人110和焊机140。

其中，焊接机器人110上设置有焊枪111，其用于对待焊接的缝隙11进行焊接作业。扫描装置120用于扫描待焊接工件10的待焊接的缝隙11的形状并获得位置数据，扫描装置120也设置在焊接机器人110上。上述待焊接工件10即可以为波纹板。

具体而言，焊接机器人110的末端设置有法兰盘(未示出)，焊枪111则设置早法兰盘上。并且，扫描装置120也设置在法兰盘上。优选地，扫描装置120构造为线激光传感器。

焊接机器人110构造为其末端能够沿待焊接的缝隙11移动，进而焊枪111和扫描装置120也能够跟随焊接机器人110的末端同步移动。焊机140与焊枪111连接，其为焊枪111提供焊料和能源(例如电能等)。

控制装置130则与焊机140、焊接机器人110以及扫描装置120均信号连接。其配置为根据扫描装置120采集的数据对焊接机器人110的运动轨迹进行控制。或者说，其配置为根据扫描装置120扫描到的待焊接的缝隙11的数据引导焊接机器人110对其进行焊接。并且控制装置130还配置为根据焊接的进度控制焊机140向焊枪111提供材料和能源。

具体地，如图3、图4和图5所示，定义波纹板的长度方向为x轴，波纹板的波纹深度方向为y轴，波纹板的宽度方向为z轴。且控制装置130配置为执行扫描步骤S1、规划步骤S2和焊接步骤S3。

在扫描步骤中S1，控制装置130控制扫描装置120获取待焊接的缝隙11的轮廓数据。具体地，以缝隙的起始点为原点，每隔预设距离获取一个缝隙的轮廓点的x轴、y轴和z轴的三维空间坐标数据。即，P₀(x₀，y₀，z₀)，P₀(x₁，y₁，z₁)，P₀(x₂，y₂，z₂)，P₀(x₃，y₃，z₃)…P_n(x_n，y_n，z_n)。预设距离优选为0.1～2mm，更优选为1mm，以得到更多的点位数据，进而提高轮廓数据的精度。

其中，由于波纹板的待焊接的缝隙11的轮廓变化是渐变的，所以采集的点位数据也应该是渐变的。若出现某一点数据骤变，为了减小误差，提高缝隙特征的准确性，需将此点的坐标数据排除。

具体而言，当连续的两个点之间的y轴数据之差的绝对值大于第三阈值，并且/或者当连续的两个点之间的z轴数据之差的绝对值大于第四阈值时，确认后一点为无效点，并将无效点排除。

示例性地，以限幅滤波法对数据进行处理。设置第三阈值为θ_y，第三阈值为θ_z。当y_n-y_n-1＞θ_y时，并且/或者当z_n-z_n-1＞θ_z时，认为点P_n(x_n，y_n，z_n)为无效点，将其排除。

之后，为了进一步提高缝隙特征的准确性，以无效点之前的连续三个点进行空间拟合，得出无效点处的理论坐标数据，以理论数据代替无效数据。

具体而言，根据空间拟合方程

其中，a，b，x_m，y_m均为预设系数，

以及P_n-1，P_n-2，P_n-3三点的数据进行拟合，写成矩阵

计算得出无效点位处的坐标理论值P_n’(x_n’，y_n’，z_n’)，以代替无效点。

在规划步骤中S2，控制装置130根据上述已经处理的轮廓数据规划焊枪111的运动轨迹。并且，由于波纹板的波纹处具有拐角12，因此需要确定拐角12的拐角起点13和拐角终点14，并在拐角起点13和拐角终点14之间为焊枪111规划姿势变更动作。例如，可以在拐角起点13和拐角终点14之间控制焊接机器人110的末端旋转，进而使得焊枪111旋转，以保持最佳的焊接姿势，以提高焊接质量的一致性。更优选地，在拐角起点13和拐角终点14之间保持焊枪111与缝隙垂直，以提高焊接精度。

具体而言，以上述轮廓点的x轴和y轴数据进行拟合，计算两个连续的点之间的拟合直线斜率的同向变化值，进而根据该变化值判断拐角12的起点和终点。

由于拟合的直线斜率在轮过的直线阶段的时候变化极小，整体趋于平稳，因此当斜率出现连续2次及以上的同方向较大的变化时，可以判定已到达拐角12，即可以认定第一次较大变化的第一个点位为拐角起点13。或者说，当连续至少两组两个连续的点的同向变化值超过第一阈值时，判定连续至少两组两个连续的点中的第一个点为拐角12的拐角起点13。

当斜率变化再次趋于平稳时，可以认为拐角12已经结束。则判定斜率变化趋于平稳的第一个点位为拐角终点14。或者说，在拐角起点13之后，当连续至少两组两个连续的点的同向变化值小于第二阈值时，判定连续至少两组两个连续的点中的第一个点为拐角12的拐角终点14。

优选地，采用轮廓上包括待拟合点的连续的5个以上的点进行拟合。示例性地，根据直线方程写出拟合方程组并进行矩阵计算，从而求得P_n处的拟合直线斜率k_n。

示例性地，设第一阈值为θ₁，第二阈值为θ₂。当k_n+1-k_n＞θ₁且k_n+2-k_n+1＞θ₁时，判定P_n处为拐角起点13。之后，当k_n+5-k_n+4＜θ₂且k_n+6-k_n+5＜θ₂时，认为斜率变化已经趋于平稳，判定P_n+4处为拐角终点14。

在焊接步骤S3中，控制焊枪111沿运动轨迹对缝隙进行焊接。在一种可选实施方式中，控制装置130可以先控制焊接机器人110及扫描装置120沿波纹板的长度方向移动，完成扫描步骤S1。之后立刻执行规划步骤S2。再控制焊接机器人110返回缝隙起始点开始执行焊接步骤S3。

优选地，在扫描装置120构造为线激光传感器的情况下，控制装置130还可以控制扫描步骤S1、规划步骤S2以及焊接步骤S3同步进行。例如，即在扫描装置120扫描轮廓数据的同时，控制装置130即完成数据的处理计算，规划出焊枪111的运动轨迹，同时控制焊枪111进行焊接。由于线激光的信号具有一定长度尺寸，因此可以在焊接的同时捕捉到缝隙轮廓。

根据本发明的引导焊接系统100，在对波纹板等具有陡坡的工件进行引导焊接时，能够在扫描轮廓的过程中变更姿态，可以有效避免陡坡盲区带来的影响，进而能够采集到完整的焊缝特征数据，提高了焊接精度和质量。

上述的所有优选实施例中所述的流程、步骤仅是示例。除非发生不利的效果，否则可以按与上述流程的顺序不同的顺序进行各种处理操作。上述流程的步骤顺序也可以根据实际需要进行增加、合并或删减。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种引导焊接系统，用于波纹板的焊接，其特征在于，包括：

焊接机器人，所述焊接机器人的末端构造为能够沿待焊接的缝隙的延伸方向移动，所述末端设置有焊枪；

扫描装置，所述扫描装置设置于所述焊接机器人的末端；

控制装置，所述控制装置与所述扫描装置以及所述焊接机器人信号连接，所述控制装置配置为执行以下步骤：

扫描步骤，获取所述待焊接的缝隙的轮廓数据，其中，定义所述波纹板的长度方向为x轴，所述波纹板的宽度方向为z轴，所述波纹板的波纹深度方向为y轴，以所述缝隙的起始点为原点，每隔预设距离获取一个所述缝隙的轮廓点的x轴、y轴和z轴的三维空间坐标数据，以所述轮廓点的x轴和y轴数据进行拟合，计算两个连续的点之间的拟合直线斜率的同向变化值，

规划步骤，根据所述轮廓数据规划所述焊枪的运动轨迹，确定所述缝隙的轮廓的波纹拐角的拐角起点和拐角终点，并在所述拐角起点和所述拐角终点之间为所述焊枪规划姿势变更动作，

其中，当连续至少两组所述两个连续的点的所述同向变化值超过第一阈值时，判定连续至少两组所述两个连续的点中的第一个点为所述拐角的所述拐角起点，

在所述拐角起点之后，当连续至少两组所述两个连续的点的所述同向变化值小于第二阈值时，判定连续至少两组所述两个连续的点中的第一个点为所述拐角的所述拐角终点，

焊接步骤，控制所述焊枪沿所述运动轨迹对所述缝隙进行焊接。

2.根据权利要求1所述的引导焊接系统，其特征在于，所述拟合直线斜率采用所述轮廓上包括待拟合点的连续的5个以上的点进行拟合。

3.根据权利要求1所述的引导焊接系统，其特征在于，所述姿势变更的动作包括旋转动作，旋转的角速度与所述拟合直线斜率的变化呈正相关。

4.根据权利要求1所述的引导焊接系统，其特征在于，所述姿势变更的动作配置为使所述焊枪与所述缝隙垂直。

5.根据权利要求1所述的引导焊接系统，其特征在于，所述扫描步骤还包括：

当连续的两个点之间的y轴数据之差的绝对值大于第三阈值，并且/或者当连续的两个点之间的z轴数据之差的绝对值大于第四阈值时，

确认后一点为无效点，并将所述无效点排除。

6.根据权利要求5所述的引导焊接系统，其特征在于，所述扫描步骤还包括：

根据所述无效点之前的连续三个点进行空间拟合，得出所述无效点处的理论数据，以所述理论数据代替无效数据。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的引导焊接系统，其特征在于，所述预设距离为0.1～2mm。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的引导焊接系统，其特征在于，所述扫描装置包括线激光传感器。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的引导焊接系统，其特征在于，

所述控制装置控制所述扫描步骤、所述规划步骤以及所述焊接步骤同步进行；或者

所述控制装置控制所述扫描步骤和所述规划步骤完成后，再控制所述焊接机器人执行所述焊接步骤。