视觉机器人MAG焊接参数的在线规划系统

视觉机器人MAG 焊接参数的在线规划系统　刘丹军 赵　梅 吴　威　孟庆鑫

(哈尔滨工业大学) (哈尔滨建筑大学) (哈尔滨工程大学)摘　要　视觉弧焊机器人MAG 焊接参数在线规划是一类以提高弧焊机器人的适应能

力为主要目标的焊接质量智能控制方法。本文建立了视觉机器人MAG 焊接参数在线规

划实验系统,以接缝的重要特征尺寸(间隙、钝边)及焊接时间为输入变量,焊接电流和

焊接速度为输出变量,以控制MAG 焊熔透为目的,采用模糊数学模型描述上述输入输

出变量之间的关系,进行了MAG 焊接参数在线规划试验,试验结果表明系统运行稳定

可靠,熔透程度均匀一致。

关键词:在线规划　视觉机器人　模糊数学模型

0　序　言

弧焊机器人的适应能力是影响焊接质量和焊接效率的重要因素之一。提高弧焊机器人的适应能力,保证焊接接头的可靠性与焊接过程本身的质量控制具有相同的意义。目前已经应用和正在研究中的焊接质量控制方案可分为闭环反馈控制和规划控制两大类。以视觉弧焊机器人为背景的焊接参数规划控制从人的智能对焊接过程的决定性影响和作用中寻求解决问题的方法。在弧焊机器人焊接路径及焊枪姿态规划研究方面,已进入实用化阶段[1～3],但是在弧焊机器人焊接参数规划方面目前还处在探索和离线规划阶段[4,5]。由此可见,研究弧焊机器人焊接参数规划理论与技术,并将其实时地予以实现,不仅对于提高弧焊机器人的智能水平具有重要的理论意义,而且对于提高弧焊机器人的适应能力具有十分重要的实用价值。

1　试验装置

视觉机器人MAG 焊接参数在线规划系统主要包括:激光结构光视觉传感系统、弧焊机器人焊接系统、弧焊机器人运动系统、中央控制台及控制软件组成。系统结构如图1所示。视觉传感系统采用激光结构光三维视觉传感器,光敏元件为CCD 摄像机。图像接口为自制多功能图像卡。机器人焊接系统由POWCON 300逆变焊接电源、送丝机、焊枪及相应的计算机接口电路组成。机器人运动系统具有三个平移自由度,由步进电机驱动。中央控制台由IBMPC -AT 组成,通过接口电路完成对视觉机器人焊接系统的各种控制。结构光源采用1.06Λm 红外激光,功率30W ,通过光纤传至结构光投影器,结构光投影器的柱面镜将激光束分光形成结构光光面。结构光投影、CCD 摄像机及焊枪采用刚性可调整支架连接成一体。结构光光面在焊枪中心前40mm 处,CCD 摄像机与结构光光面成45°角,以获得较好的水平分辨率和垂直分辨率。

第18卷　第1期

1997年3月焊　接　学　报HANJIE XUEBAO Vol.18　No.1March 1997

2

　坡口特征尺寸的实时检测

图1　系统结构图

Fig .1　Sketch of system structure

坡口特征尺寸——焊缝间隙、坡口钝边的实时视觉检测是焊接参数规划的关键。实时施焊条件下,由于焊接电弧及焊接熔池的强烈的光辐射,即使采用激光源,经柱面镜分光及光纤传输衰减,在无任何特殊措施的情况下,结构光纹将完全被焊接电弧光淹没。因此,本系统设计并采用了窄带滤光片(中心波长1.06Λm ,半宽0.012Λm ,透过率53%),消除焊接电弧光干扰。为进一步提高采集图像的信噪比,在采集图像时,在焊接电流和焊接电压中插入低值脉冲,以减弱电弧光强度。对于实时结构光纹图像采集与处理系统来说,图像处理的速度是至关重要的。在采取上述措施获得较高质量的光纹图像的基础之上,采用多种方法来提高图象处理的速度,使得实时焊缝检测得以实现。首先,采用动态图像窗口的方法降低图像处理的工作量,即只处理结构光光纹周围的图像,而其它没有有关接缝信息的部分则不作处理,并利用前一次的处理结果确定下一次的处理图像窗口的位置。本系统采用的图像窗口大小根据实际情况定为128×64点阵,这就将图像处理的原始数据量降到原来(256×256点阵)的1 8;其次,在图像滤波算法上根据结构光光面水平分布的特点,利用沿垂方向的一维5点滑动平均算法对图像滤波,在提取光纹中轴方面则采用求极大值的方法来提取光纹中轴,并对提取到的光纹中轴进行传感器灰度误差补偿,以便提高图像处理的精度;再次,在计算机处理算法上采用整形运算,以提高图像处理的速度。

3　MAG 焊接参数在线规划数学模型

MAG 焊接参数在线规划的目标在于实时地检测影响焊接过程各种因素,如工件的形状、

尺寸、装配间隙、焊接位置等,通过改变焊接参数,如焊接电流、焊接电压、焊接速度等,以保证焊接过程的稳定性及形成均匀一致的全熔透焊缝,从而得到可靠的焊接接头。

由于MAG 焊接过程的复杂性、不确定性及系统多变量之间的强烈耦合和较大的时滞,使得无法利用传统的精确数学模型有效地描述该过程,因此本系统采用模糊数学模型方法描述MAG 焊接参数在线规划过程。该模型是以焊缝间隙、钝边及焊接时间为输入变量,以焊接电流、焊接速度151期 视觉机器人MAG 焊接参数的在线规划系统

为输出变量的多输入多输出模糊数学模型。采用模糊子集来描述输入输出变量的模糊特征,输入输出变量之间的关系则用模糊矩阵来描述。具体数学描述如下:

Ν　输入输出空间

焊接时间、接缝间隙、坡口钝边、焊接电流、焊接速度的变量空间及其中的元素可分别表示如下:

T ={t },J ={j },D ={d },I ={i },V ={v }(1)

Ο　模糊语言变量

对于焊接电流、焊接速度、焊缝间隙、坡口钝边这四个模糊语言变量可以采用以下7个模糊语言值来表示:

{负偏差大,负偏差中,负偏差小,零偏差,正偏差小,正偏差中,正偏差大}

利用英文符号表示即:

{NB ,NM ,NS ,O ,PS ,PM ,PB }(2)

对于焊接时间则用“起始段”、“中间段”、“结束段”来描述焊接过程中准稳态温度场的形成过程,利用英文符号对应表示为:

{TB ,TM ,TL }(3)

Π　隶属函数

隶属函数用来描述模糊子集对应空间中任意元素之间的关系,由于MAG 焊接过程的复杂性,各种因素对熔透的影响目前还没有可靠的数据可以利用,而且关于模糊描述的量化方法的研究目前几乎是空白。因此,在建立各模糊子集的隶属函数时,假设隶属函数曲线按正态规律变化,同时需要借助实验分析结果及经验数据。即采用如下形式的隶属函数:

Λ(?)=e 2(x +b x a x )2

(4)

其中:X 为模糊变量分别取焊接时间T 、焊接电流I 、焊接速度V 、焊缝间隙J 、坡口钝边D 。Θ　模糊关系

一般地,利用模糊矩阵R 来表示输入变量X ={x i }与输出变量Y ={y i }之间的模糊关系,即:

R YX =[(r YX )ij ]m ×n

(5) (r YX )=r 1+r 2+r 3+r 4

(6) r 1=[ΛPB (X )i ∧ΛPB (Y i )j ]∨[ΛPM (X )i ∧ΛPM (Y i )j ]

(7) r 2=[ΛPS (X )i ∧ΛPS (Y i )j ]∨[ΛPO (X )i ∧ΛPO (Y i )j ]

(8) r 3=[ΛN S (X )i ∧ΛN S (Y i )j ]∨[ΛN M (X )i ∧ΛN M (Y i )j ]

(9) r 4=[ΛN B (X )i ∧ΛN B (Y i )j ]

(10)于是有:

Y X =X X ○R YX

(11)式中:“○”表示模糊矩阵的合成运算,X 可分别为D 、J 、T ,Y 可分别为I 、V 。对于所得的模糊输出变量Y ,可用求中数的方法确定该模糊变量所对应空间上的元素y 0,即求解下列方程:

∑y o i =y m in y i ×ΛY (y )i =∑y m ax

i =y 0y i ×ΛY (y )i (12)

最终将焊缝间隙、坡口钝边及焊接时间对熔深的综合影响利用如下解析式描述:

I i V i =ΑI I D +ΒI I B +ΧI I T V D V B

V T (13)25 焊　接　学　报 18卷

其中,I D 、V D 分别是坡口钝边与焊接电流、焊接速度模糊矩阵的输出,I J 、V J 分别是焊缝间隙与焊接电流、焊接速度模糊矩阵的输出,I T 、V T 分别是焊接时间与焊接电流、

焊接速度模糊矩阵的输出。Α、Β、Χ分别是对应项的调整因子,它们分别表示坡口钝边,接缝间隙,和焊接时间对焊接过程熔透作用的大小,具体数值由试验确定。

另外,模糊数学模型的量化因子与比例因子也要根据具体实际情况而定。

4　试验结果

本文对V 型坡口对接焊缝进行了MAG 焊接参数在线规划试验。试样材料为A 3钢,焊接工艺为MAG 焊,保护气体采用Ar +10%CO 2,气体流量15L min ,焊接过程中坡口钝边的变化范围是0～3mm ,接缝间隙的变化范围是0～2mm ,焊丝的干伸长为20mm 。图2为视觉弧焊机器人在变焊缝间隙、变坡口钝边的条件下,利用模糊数学模型在线规划进行施焊后得到焊缝正面(图2a )、反面(图2b )成形照片。焊接方向由钝边为3mm 、间隙为0mm ,向钝边为0mm 、间隙为2mm 方向施焊,焊接电流为140～100A ,焊接速度为10～24cm min 。

焊接过程稳定,焊缝正、反两面成形良好,熔透程度均匀一致

。

(a )(

b )

图2　焊接试样焊缝外观

Fig .2　Apperance of welds 5　结　论

(1)建立了激光结构光三维视觉机器人MAG 焊接参数在线规划系统。该系统在硬件与软件两个方法‘采取了多种措施,有效地抑制了焊接电弧光的强烈干扰,实时采集得到了高信噪比的光纹图像,并有效地提高了图象处理的速度,成功地实现了焊缝光纹图像的实时采集与处理,为焊接参数在线规划提供了焊缝间隙和坡口钝边的信息。

(2)采用模糊数学的方法对于焊缝的重要特征尺寸——接缝间隙和坡口钝边,以及控制熔透的主要参数——焊接电流、焊接速度和焊接时间进行了定量的描述,建立了以焊缝间隙、坡口钝边和焊接时间为输入变量,焊接电流和焊接速度为输出变量的MAG 焊接参数在线规划模糊数学模型。

(3)MAG 焊接参数在线规划试验结果表明:当焊缝间隙在0～2mm 范围内变化,坡口钝边在0～3mm 范围内变化时,利用本系统模糊数学模型输出的焊接电流和焊接速度进行施焊,不仅获得了稳定的焊接过程,而且焊缝正、反两面成形良好,熔透程度均匀一致。

(1996-01-01收到初稿,1996-06-10收到修改稿)

351期 视觉机器人MAG 焊接参数的在线规划系统

参　考　文　献

1　Lane J D .State of the Art :Robotic welding .IFS Ltd ,UK ,19871-10.

2　Beattie R

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of Welding Seam ,International Conference on Computers in Machinery Industry ,Chinese Mechanical Engineering Society ,Shanghai .Oct ,1992,23-25

On -line Programming System of MAG Welding Parameters for Robot with Vision

　Liu Danjun Zhao Mei

(Harbin Institute of Technology ) (Harbin Univ .of Civil Eng .and Arch .)

Wu Wei ,Meng Qingxin

(Harbin Engineering University )

Abstract The on -line programming of MAG welding parameters

is a novel method of intelli 2gent controlling of welding quality which aims at improving welding robots adaptive ability .The author established an on -line programming system of MAG welding parameters for arc welding

robot with vision .On -line programming of MAG welding parameters

experiments have been carried out ,which are based on FUZZY math model focusing on the controlling of the weld pene 2tration .The gap and root face of weld and the welding time are used as input variables ,while welding current and welding speed are used as output variables .The experimental

results prove that the above system is reliable and uniform penetration is obtained .

Key Words on -line programming ,robot vision ,FUZZY math model 45

焊　接　学　报 18卷

机器人视觉传感技术及应用doc汇总

机器人视觉传感技术及应用 摘要：机器人视觉技术是指机器人工作时通过视觉传感器对环境物体获取视觉信息，让机器人识别物体来进行各种工作。本文介绍了机器人技术中所常用的视觉传感器的种类、结构。原理和功能。介绍了弧焊机器人视觉传感技术较为前沿的一些应用和研究，包括焊缝跟踪和获取熔池信息。简要说明了视觉技术在农业采摘机器人方面的应用。 关键词：机器人、视觉、弧焊、采摘机器人 1．绪论 机器人视觉是使机器人具有视觉感知功能的系统。机器人视觉可以通过视觉传感器获取环境的一维、二维和三维图像，并通过视觉处理器进行分析和解释，进而转换为符号，让机器人能够辨识物体，并确定其位置及各种状态。机器人视觉视觉侧重于研究以应用为背景的专用视觉系统，只提供对执行某一特定任务相关的景物描述。机器人视觉硬件主要包括图像获取和视觉处理两部分，而图像获取由照明系统、视觉传感器、模拟－数字转换器和帧存储器等组成。根据功能不同，机器人视觉可分为视觉检验和视觉引导两种，广泛应用于电子、汽车、机械等工业部门和医学、军事领域。 2. 机器人常用的视觉传感器 2.1光电二极管与光电转换器件 图2.1是pn型光电二级管的结构。如果让光子射入半导体的pn结边界耗尽层，就会激励起新的空穴。利用电场将空穴和电子分离到两侧，就可以的到与光子量成比例的反向电流。Pn型元件的优点是暗电流小，所以被广泛用于照度计和分广度计等测量装置中。

图2.1 pn型光电二极管结构 在高响应的发光二极管中pin结型与雪崩型。前者在pn结边界插入一个本征半导体i 层取代其耗尽层。给它施加反向偏压，可以减少结电容，获得高速响应；而后者是在pn结上加100伏左右的反向偏置电压产生强电场，激励载流子加速，与原子碰撞产生电子雪崩现象。这些高速型二极管的响应速度很快，能用于高速光通信等。 2.2 PSD PSD（Position Sensitive Detector，位置敏感探测器）是测定入射光位置的传感器，由发光二级管、表面电阻膜、电极组成。入射光产生的光电流通过电阻膜到达元件两端的电极，流入各个电极的电流与电阻值存在对应关系，而电阻值又与光的入射位置及到各个电极距离成比例，因此根据电流值就能检测到光入射的位置。PSD元件中有一维和二维两种，它们都具有高速性，但要注意入射到开口部分的散射光的影响。 2.3CCD图像传感器 电荷耦合器件（CCD：Charge Coupled Device）图像传感器是由多个光电二极管传送储存电荷的装置。它有多个MOS（Metal Oxide Semiconductor）结构的电极，电荷传送的方式是通过向其中一个电极上施加与众不同的电压，产生所谓的势阱，并顺序变更势阱来实现的。根据传送电荷需要的脉冲信号的个数，施加电压的方法有两相方式和三相方式。 CCD图像传感器有一维形式的，是将发光二极管和电荷传送部分一维排列制成的。此外还有二维形式的，它可以代替传统的硒化镉光导摄像管和氧化铅光电摄像管二维传感器。二维传感器属于水平和垂直传送电荷传感器，传送方式有行间传送、帧—行间传送、帧传送及全帧传送四种方式。 图2.2所示为行间传送方式，采取一维摄像区域（接收部分）与传送区域平行布置结构

焊接机器人应用现状及发展趋势

焊接机器人应用现状及发展趋势 据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点焊和电弧焊。图4所示是这两种焊接机器人在工业机器人中所占的大致比例。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务，机器人可以根据程序要求和任务性质，自动更换机器人手腕上的工具，完成相应的任务。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。 众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。 然而，焊接又与其它工业加工过程不一样，比如，电弧焊过程中，被焊工件由于局部加热熔化和冷却产生变形，焊缝的轨迹会因此而发生变化。手工焊时有经验的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊枪的位置、姿态和行走的速度，以适应焊缝轨迹的变化。然而机器人要适应这种变化，必须首先像人一样要“看”到这种变化，然后采取相应的措施调整焊枪的位置和状态，实现对焊缝的实时跟踪。由于电弧焊接过程中有强烈弧光、电弧噪音、烟尘、熔滴过渡不稳定引起的焊丝短路、大电流强磁场等复杂的环境因素的存在，机器人要检测和识别焊缝所需要的信号特征的提取并不像工业制造中其它加工过程的检测那么容易，因此，焊接机器人的应用并不是一开始就用于电弧焊过程的。 实际上，工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。原因在于电阻点焊的过程相对比较简单，控制方便，且

激光焊接机器人焊缝跟踪方法

激光焊接机器人焊缝跟踪方法

激光焊接机器人焊缝跟踪控制方法 陈智龙 120160033 摘要：当前激光焊接机器人在实际的工业生产中应用的越来越广泛，在汽车制造业以及其他机器制造业激光焊接机器人在生产中的作用也越来越大。如何提高焊接机器人的焊缝精度问题以及控制焊缝轨迹已成为激光焊接机器人发展的首要难题。 关键词：激光焊接机器人；焊缝轨迹；控制 0引言 激光作为焊接和切割的新手段应用于工业制造，具有很大发展潜力。在国际汽车工业领域，激光加工技术已广泛得到了应用，激光切割与焊接逐渐成为标准的汽车车身生产工艺．国内也已积极推广应用，但目前主要还是以引进成套激光加工设备为主，用于激光钎焊、激光渗透焊、激光对接焊、白车身激光三维切割和激光金属零件表面热处理[1]. 由于成本考虑，有些汽车厂家则直接进口国外激光加工的零部件．为提升我国汽车制造的技术能力，我们应依靠国内技术能力，自主创新，在更广范围和更深层次上，加快激光加工在制造业的应用发展．车身在整车制造中占有重要地位，不仅车身成本占整车的40％～50﹪，而且对汽车安全、节能、环保和快速换型有重要影响。 人口老龄化不断逼近，各制造业工厂着手进行技术改造工程设计，采用了许多工业机器人，以提高生产线的柔性程度为基础，为制造厂家提供了生产产品多样化，更新转型的可能性．以上汽大众汽车车 身生产车间为例，机器人能独立完成工件的移动搬运、输送、组装夹紧定位，可完成工件的点焊、弧焊、激光焊、打磨、滚边、涂胶等工作．有的工位上把上件、夹具、工具以机器人为中心布置，以便机器人能完成多个工序，实现多品种、不同批量的生产自动化．采用机器人使焊接生产线更具柔性化、自动化，使多种车身成品可在一条车身装焊生产线上制造，实现多车型混线生产．因此，焊接生产线必须很容易地因产品结构、外形的改变而改变，具有较高的柔性程度[2] 。 由于柔性车身焊接生产线可以适应汽车多品种生产及换型的需要，是汽车车身制造自动化的必然趋势，特别是进入上世纪90年代以后，各大汽车厂家都

机器人智能化焊接技术

机器人智能化焊接技术 1、智能化焊接的大背景： 自从改革开放以来，中国制造业发展突飞猛进，彻底激活了中国的加工业，让中国成为了“世界工厂”之说，但是近年来，随着中国人口红利的日渐消失，外来制造业正逐步转移到东南亚以及印度、巴西、墨西哥等劳动力成本较低的国家。正如美国提出制造业回归概念，中国制造业的未来应该考虑如何能够长远提升中国创造的能力以及产业投资、经营环境，而不应该仅仅停留在早期代工阶段。 目前，中国制造业生产技术特别是关键技术主要依靠国外的状况仍未从根本上改变，部分行业劳动密集型为主，附加值不高。目前，尽管我国制造业的技术创新有所提高，但在自主开发能力仍较薄弱，研发投入总体不足，缺少自主知识产权的高新技术，缺乏世界一流的研发资源和技术知识，对国外先进技术的消化、吸收、创新不足，基本上没有掌握新产品开发的主动权。 更为关键的是，大部分企业和政府部门基于中国市场的薪资水平，来为是否选用机器人做成本核算，却根本没有考虑到周边国家及地区“竞争对手”的人力成本。其实，大规模使用机器人升级制造业，更深层次的原因是减少流水线管理成本以及提高企业的管理和生产效率。因为除了精准、高效、可适应恶劣生产环境等优势，机器人可以给制造业带来“高水平制造工艺”和“制造高水平产品”。 为了提高我国的制造业技术以及提升我们产品的附加价值，我们国家提出了在2025年实现工业4.0（工业化4.0）。工业化4.0最开始是德国政府提出的一个高科技战略计划，其技术基础是网络实力系统及物联网。德国所谓的工业四代(Industry4.0)是指利用物联信息系统(Cyber—PhysicalSystem简称CPS)将生产中的供应，制造，销售信息数据化、智慧化，最后达到快速，有效，个人化的产品供应。工业4.0已经进入中德合作新时达了。 全世界平均45%的钢用于焊接结构，而工业发达国家焊接结构用钢量已达到占钢产量的60%~70%。近些年，随着我国工业现代化的高速发展，许多重型结构如电站锅炉、压力容器、重型机械、船舶等结构大型化，使焊接结构用钢量大幅上升，但是我国焊接生产机械化、自动化水平低，为了提高生产效率，提高产品的精度，降低工人劳动强度，我们国家需要向焊接自动化，焊接智能化发展。

基于视觉的机器人智能化焊接技术现状与发展.

综述与展望王克鸿 , 等基于视觉的机器人智能化焊接技术现状与发展辅助设计和图形学学报 , 2000 , 12( 8 : 580 584 . [ 14 ] 陆宗骐 , 梁诚 . 用 S obel算子细化边缘 [ J] . 中国图象图形学报 , 2000, 5( 6 : 5160520 . [ 15 ] Saeed G, Lou M, Zhang Y M. Com putation of 3D w eld poo l sur face from th e slope field and poin t tracking of laser beam s [ J]. M EA SUREM ENT SC I ENCE AND TECHNO LOGY. 15 ( 2004 : 389 403 . [ 16 ] SUGA YA SUO, TA KEN AKA DA I SU KE, H I BI KI Y A YU TO. Penet ration con trol in all pos it ion w eld ing of fixed p ipes by ana lyzing reverse sid e i m age of m olten pool[ J] . N ihon K ik aiG akkai N en ji Taika i K oen R onbun shu . 2000, 3, 429 430. [ 17 ] 陈善本 , 娄亚军 , 等 . 脉冲 GTAW 熔池动态过程模糊神经 网络建模与控制 [ J] . 自动化学报 , 2001, 28 ( 1 : 74 82 . [ 18 ] A rio Sunar BA SKO RO, M asash i KA BUTOM OR I , Y asuo SUGA. 焊接环境的复杂情况 , 故人机结合控制的遥控操作技术开始成为焊接机器人的一个研究热点 . 基于网络的遥控操作不仅摆脱了物理距离对焊接机器人可控范围的限制 , 而且在一定程度上还可以实现焊接设备和焊接知识库等资源共享 , 是未来焊接机器人一个重要的发展方向。王红波等 [ 33] 将客户 /服务器 ( C lien t/Server , C /S 的一对多模式加以改变 ,

管-板自动焊接机器人系统设计

摘要 在化工、轻工、核能等设备中，管与管板的焊接接头不仅数量多，操作难度大，而且焊接质量要求高。目前上海某工厂管板焊接是手工操作的，生产效率低、工人劳动强度大、焊接质量不稳定。所以本文针对上述情况，设计出管板自动焊接机器人系统。本文所设计的管板自动焊接机器人，包括机械系统、视觉自动定位系统、PLC控制系统和基于触摸屏的人机交互界面。根据工件及焊接工艺要求，焊接基本参数通过触摸屏设定，采用触摸屏实现初始定位精度调试,确定视觉传感识别管孔中心并将位置信息传递给以PLC为控制核心的控制系统，引导焊接初始位置自动识别、焊接。实现了对管板焊接机器进行自动化改造，使原来人工定位，人工控制焊接进程的机械手变为由步进电机驱动，视觉定位和焊接过程自动化控制的一整套焊接设备。 关键词：管板焊接，视觉定位，触摸屏，PLC

Abstract In chemical, light industry,nuclear industry and other equipment, as for the tube-plate welding, despite the large number of welding joints and the complicated operation process, high welding quality are required. There exsits tube-plate welding based on mannual work at a factory in Shanghai, of which the production efficiency is low, the worker labor intensity is heavy, the welding quality is unstable. This paper about design of tube-plate automatic robots, includes mechanical system, visual automatic positioning system, PLC, man-machine interface system based on the touch screen.According to Requirements of the workpiece and the welding technology, welding basic parametersare is set by the touch screen, which was adopted to realize the initial positioning adjustment,determine center of the visual sensing identify pipe hole and transfer the location information to control system of PLC as the control core; guiding automatic identifications of the initial position and welding. By the implement of automation renovation for the tube-plate welding,transform the original artificial positioning, artificial control of welding process into automatic drive by step motor, visual positioning and welding equipments on the basis of a complete automatic control pocesss. Keyword: tube-plate welding, visual positioning, touch screen, PLC

焊接机器人发展现状及发展趋势!

焊接机器人发展现状 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；应用规模小，没有形成机器人产业。 当前我国的机器人生产都是应用户的要求，单户单次重新设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。 焊接机器人的编程方法目前还是以在线示教方式为主，但编程器的界面比过去有了不少改进，尤其是液晶图形显示屏的采用使新的焊接机器人的编程界面更趋友好、操作更容易。然而，机器人编程时焊缝轨迹上的关键点坐标位置仍必须通过示教方式获取，然后存入程序的运动指令中。这对于一些复杂形状的焊缝轨迹来说，必须花费大量的时间示教，从而降低了机器人的使用效率，也增加了编程人员的劳动强度。目前解决的方法有两种：一是示教编程时只是粗略获取几个焊缝轨迹上的几个关键点，然后通过焊接机器人的视觉传感器通常是电弧传感器或激光视觉传感器自动跟踪实际的焊缝轨迹。这种方式虽然仍离不开示教编程但在一定程度上可以减轻示教编程的强度，提高编程效率。由于电弧焊本身的特点，机器人的视觉传感器并不是对所有焊缝形式都适用。二是采取完全离线编程的办法，使机器人焊接程序的编制、焊缝轨迹坐标位置的获取、以及程序的调试均在一台计算机上独立完成，不需要机器人本身的参与。机器人离线编程早在多年以前就有，只是由于当时受计算机性能的限制，离线编程软件以文本方式为主，编程员需要熟悉机器人的所有指令系统和语法，还要知道如何确定焊缝轨迹的空间位置坐标，因此，编程工作并不轻松省时。随着计算机性能的提高和计算机三维图形技术的发展，机器人离线编程系统多数可在三维图形环境下运行，编程界面友好、方便，获取焊缝轨迹的坐标位置通常可以采用“虚拟示教”的办法，用鼠标轻松点击三维虚拟环境中工件的焊接部位即可获得该点的空间坐标；在有些系统中，可通过图形文件中事先定义的焊缝位置直接生成焊缝轨迹，然后自动生成机器人程序并下载到机器人控制系统。从而大大提高了机器人的编程效率，也减轻了编程员的劳动强度。目前，国际市场上已有基于普通机的商用机器人离线编程软件，

【CN109927074A】机器人焊接寻位与跟踪用视觉传感器【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910321726.8 (22)申请日 2019.04.22 (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路800号 申请人 广州瑞松智能科技股份有限公司 (72)发明人 许燕玲　杜荣强　侯震　陈华斌　 陈善本　陈小奇　唐国宝　 (74)专利代理机构 上海交达专利事务所 31201 代理人 王毓理　王锡麟 (51)Int.Cl. B25J 19/02(2006.01) B25J 19/04(2006.01) B25J 9/16(2006.01) B25J 13/08(2006.01) (54)发明名称 机器人焊接寻位与跟踪用视觉传感器 (57)摘要 一种机器人焊接寻位与跟踪用视觉传感器， 包括：基于3D打印技术制造的壳体和设置于其内 部的用于采集焊前寻位与焊接过程焊缝跟踪图 像的图像采集机构、光源、光线反射机构和用于 调节不同曝光时间的减光-滤光机构，其中：图像 采集机构和减光滤光机构同轴设置于壳体内一 侧，激光光源和光线反射机构设置于壳体内另一 侧，光源与寻位跟踪控制模块相连并接收控制指 令，光源输出的激光经光线反射机构反射至工件 表面后，通过图像采集机构采集并输出至寻位跟 踪控制模块并得到焊接过程焊缝图像信息。权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 109927074 A 2019.06.25 C N 109927074 A

权　利　要　求　书1/1页CN 109927074 A 1.一种机器人焊接寻位与跟踪用视觉传感器，其特征在于，包括：基于3D打印技术制造的壳体和设置于其内部的用于采集焊前寻位与焊接过程焊缝跟踪图像的图像采集机构、光源、光线反射机构和用于减少弧光干扰的减光-滤光机构，以及内置式的系统冷却模块结构，其中：图像采集机构和减光滤光机构同轴设置于壳体内一侧，激光光源和光线反射机构设置于壳体内另一侧，光源与寻位跟踪控制模块相连并接收控制指令，光源输出的激光经光线反射机构反射至工件表面后，通过图像采集机构采集并输出至寻位跟踪控制模块并得到焊缝位置图像信息。 2.根据权利要求1所述的视觉传感器，其特征是，所述的壳体包括：外壳以及与之相连的支架和挡板。 3.根据权利要求1所述的视觉传感器，其特征是，所述的光反射机构包括：一级反射镜、反射镜支架和二级反射镜，其中：一级反射镜设置于反射镜支架上，反射镜支架通过螺纹孔设置于外壳上，二级反射镜设置于外壳的内表面并与摄像机的轴心成22.5°。 4.根据权利要求1所述的视觉传感器，其特征是，所述的减光滤光机构包括：减光元件固定支架、减光元件和滤光元件，其中：减光元件设置于外壳内部卡槽当中，滤光元件设置于减光元件固定支架卡槽中，减光元件固定支架采用螺纹孔方式与外壳进行固定。 5.根据权利要求1所述的视觉传感器，其特征是，所述的寻位跟踪控制模块包括：机器人通讯单元、图像采集单元及激光控制单元，其中：机器人通讯单元与机器人工控机相连并传输机器人位置信息，图像采集单元与摄像机相连并传输工况图像信息，激光控制单元与光源相连并传输激光通断信息。 6.根据权利要求1所述的视觉传感器，其特征是，所述的壳体内部设有中空凹槽进行散热。 2

机器人视觉系统的组成及工作原理

机器人视觉系统的组成及工作原理 国圈巴 机器人视觉系统的组成及工作原理 王军.李垦野 黑龙江省冶金研究所,哈尔滨l50040 分组成的工作原理. 文章编号:1002—23,33(21307)03—0056—02 从1960年代开始,人们就开始着手研究机器视觉系 统:一开始视觉系统只能识别平面上的类似积木的物体 随着大规模集成电路技术的发展,视觉系统逐渐走向实 用化:进八1980年代后,由于微型计算f』【的飞速发展,使 用的视觉系统已经进入领域.其中机器^视觉系统是机 器视觉应用的一个重要领域. l机器人视觉系统的硬件系统 ,,机器人视觉系统的硬件由下述几个邵分组成 (1)景物和距离传感器常用的摄像机,CCD图像传 感器,超声波传感器和结构光设备等 (2)视频信号数字化设备其任务是把摄像机或CCD 输出的信号转换成方便计算和分析的数字信号. (3)视频信号快速处理器,视频信号实时,快速,并行 算法的硬件实现设备:如DSP系统. (4)计算机及其外设根据系统的需要可以选用不 同的计算机及其外设来满足机器人视觉信息处理及机器 人控制的需要: (5)机器人或机械手及其控制器= t.2机器人视觉的软件系统有以下几个部分组成 (I)计.算机系统软件选用不同类型的计算机,就有

不同的操作系统和它所支持的各种语言,数据库等 (2)机器人视觉信息处理算珐图像预处理,分割, 描述,识别和解释等算法 (3)机器人控制软件 2CCD原理 视觉信息通过视觉传感器转换成电信号.在空间采样 和幅值化后,这些信号就形成了一幅数字I荨l像,机器人视觉使用的主要部分是电视摄像机,它由摄像管或同态成像传感器及相嘘的电子线路组成.这里我们只介绍光导摄像管的_[作原理,因为它是普遍使用的并有代表性的一种摄像管固态成像传感器的关键部分有两种类型:—种是电荷耦台器悼ccD);另一种是电荷注人器CID).与具有摄像 管的摄像机相比,固态成像器件重量轻,体积小,寿命小, 功耗低:不过,某些摄像管的分辨章仍比固态摄像机高. 由图I可以看出,光导摄像管外而是一圆柱形玻璃 外壳2,内部有位于一端的电子抢7以及位于另一端的屏幕l和靶加在线罔6,9的电压将电子束聚焦并使其 偏转.偏转电路驱使电子柬对靶的内表面扫描以便"读取"图像=玻璃屏幕的内表面镀有一层透明的金属薄膜, 它构成一个电极,视频信号可从此电极上获得一层很薄 的光敏"靶"附着的金属膜上,它是一层由一些极小的球 状体组成,球状的电阻反比于光的强度在光敏靶的后面 有一个带正电荷的细金属网,它使电子枪发射出的电子 减速.以接近于0的速度达到靶面.在正常工作时.将正 电J~,JJn在屏幕的金属镀膜上.在无光照时.光敏材料呈现绝缘体特性.电子束在靶的内表面上形成一个电子层以 平衡金属膜上的正电荷.当电子束扫描靶内表面对,光敏 6 ,

机器人焊接智能化技术

1. 引言 随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势[1 -8]。目前，采用机器人焊接已成为焊接自动化技术现代化的主要标志。焊接机器人由于具有通用性强、工作可靠的优点，受到人们越来越多的重视。在焊接生产中采用机器人技术，可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、实现小批量产品的焊接自动化[9]。 从60年代诞生和发展到现在，焊接机器人的研究经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的单机示教再现型向多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展，实现由第二代向第三代的过渡将成为焊接机器人追求的目标[9,10]。 目前，国内外大量应用弧焊机器人系统从整体上看基本都属于第一代或准二代的焊接由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制功能，这类弧焊机器人对焊接作业条件的稳定性要求严格，焊接时缺乏“柔性”，表现出明显的缺点。在实际弧焊过程中，焊接条件是经常变化的，如加工和装配上的误差会造成焊缝位置和尺寸的变化，焊接过程中工件受热及散热条件改变会造成焊道变形和熔透不均[9,1 2]。为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性，要求弧焊机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制。 2. 机器人焊接智能化技术的主要构成

现代焊接技术具有典型的多学科交叉融合特点[5,11]，采用机器人焊接则是相关学科技术成果的集中体现。将智能化技术引入焊接机器人所涉及的主要技术构成可见图1 所示。其中包括： 1）焊接机器人对于焊接任务的自主规划技术； 2）焊接机器人的运动轨迹控制技术； 3）焊接动态过程的信息传感、建模与智能控制技术； 4）机器人焊接系统的集成与控制，将上述焊接任务规划、轨迹跟踪控制、传感系统、过程模型、智能控制等子系统的软硬件集成设计、统一优化调度与控制，涉及焊接柔性制造系统的物料流、信息流的管理与控制，多机器人与传感器、控制器的多智能单元与复杂系统的控制等。 下面对以上相关方面的主要技术研究与发展现状分别作简要叙述。