基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统的制作方法

专利名称：基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种机器人技术领域的系统，尤其是涉及到一种基于视觉传感 的弧焊机器人焊接监控系统。
技术背景焊接机器人目前广泛应用于汽车、航天制造等领域，主要分成点焊和弧焊两 大类。现有的示教再现型机器人或离线编程机器人的焊接参数是根据作业条件预 先设置的，在焊接过程中缺少外部信息传感和实时调整功能，这类焊接机器人对 作业条件的一致性要求严格，焊接时缺乏"柔性"，不能适应焊接环境和过程的变 化。但是在实际焊接过程中，作业条件是经常变化的，如焊接工件装配间隙和错 边，焊接过程中受热及散热条件。为了克服机器人焊接过程中各种不确定因素对 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，这就要求焊接 机器人系统具备在悍接过程中能够实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时监 控功能。而局部自主智能焊接机器人系统在示教再现型机器人机械本体基础上， 融合传感技术、智能控制技术和计算机技术，实现焊接过程的自主化和智能化。经对现有技术文献的检索发现，李延民等人在《焊接》(2002 (4): 24-26) 上发表的"TIG弧焊机器人系统在宇航大型铝合金贮箱箱底拼焊中的应用"中介绍 的TIG弧焊机器人系统具有一定的代表性，该套机器人系统包括焊接机器人、主 控计算机和焊接夹具组成，解决椭球箱底焊接自动化问题，焊接过程中运用机器 人的电弧渐变指令，设定熄弧电流、熄弧距离，实现电流衰减堆高熄弧。但是， 由于该套系统不能实时获取熔池动态信息、无法实现焊接参数的在线调整和焊缝 质量的实时控制。发明内容本发明针对上述现有技术中的不足，提供了一种基于视觉传感的弧焊机器人 悍接监控系统，使其通过增加视觉传感系统，克服不确定因素对焊接质量的影响，实现焊接动态过程焊接参数(脉冲峰值电流、收弧电流和送丝速度)和焊接过程 状态实时检测和调整。本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括视觉传感系统、双逆变弧 焊电源、接口电路装置、主控计算机、机器人控制器、焊接机器人，其中视觉传感系统负责在焊接过程中动态采集焊接熔池的图像，并将所采集的图 像通过视频线传送到主控计算机；双逆变弧焊电源内部引出状态监测端口 、焊接电源焊接电流及送丝控制端口 ， 其中状态监测端口包括引弧成功及脉冲同步端子信号，双逆变弧焊电源在焊接开 始阶段发出起弧成功信号给主控计算机，并接收来自主控计算机对双逆变弧焊电 源焊接电流和送丝控制端口的电压值的调整信号；接口电路装置包括模拟信号输出子模块、焊接开关子模块、过程状态检测 子模块和机器人控制器通用I/0子模块，其中模拟信号输出子模块接收主控计算机发出的电压信号，将电压信号进行隔离、 放大后输出到双逆变弧焊电源的焊接电源焊接电流和送丝控制端口；焊接开关子模块接收主控计算机发出的数字电平信号，将数字电平信号隔离 放大后输出到双逆变弧焊电源的起弧开关；过程状态检测子模块负责检测双逆变弧焊电源内部的起弧成功及脉冲同步端 子信号，并把检测到电平信号高、低值分别发送给主控计算机；机器人控制器通用I/O子模块负责检测焊接机器人焊接关键位置点信号，并 将该信号的电平值传输给主控计算机；主控计算机是整个弧焊机器人焊接监控系统的核心，焊接机器人行走到待焊 工件起弧位置点，主控计算机检测到来自机器人控制器通用1/0子模块发出的起 弧位置点的高电平信号，同时向焊接开关子模块发送高电平信号，执行起弧操作； 开始起弧阶段，主控计算机通过过程状态检测子模块不断检测起弧成功信号、脉 冲同步信号电平值，当引弧成功信号为高电平时，向机器人控制器通用I/O子模 块发送高电平信号，焊接机器人完成行走、焊接动作；焊接过程中，主控计算机 在脉冲同步信号为低电平值时，接收视觉传感器提供的焊接熔池视觉信息，进行 图像处理，并根据处理结果通过接口电路装置实时调整双逆变弧焊电源和控制焊接机器人；机器人控制器负责检测焊接机器人起弧位置点的高电平信号，并把该高电平 信号通过机器人控制器通用I/O子模块传送到主控计算机，并接收主控计算机通 过机器人控制器通用1/0子模块发送的行走指令信号，并将行走指令信号传输给 焊接机器人；焊接机器人接收机器人控制器发送的行走指令信号，完成行走和焊接动作。所述视觉传感系统，包括视觉传感器、图像采集卡，图像采集卡安装在主控计算机PCI (外设部件互连)插槽内，通过视频线和视觉传感器相连。所述视觉传感器包括CCD (电荷藕合器件图像传感器)摄像机、复合滤光系统、反射镜系统和传感器支架，CCD摄像机、复合滤光系统、反射镜系统都固定在传感器支架上，复合滤光系统包括减光镜片、滤光镜片以及镜片支架，减光镜片及滤光镜片重叠放置在镜片支架上，镜片支架固定在传感器支架上，并垂直于CCD摄像机光轴，反射镜系统包括一级反射镜、二级反射镜及反射镜支架， 一级反射镜、二级反射镜均设置在反射镜支架上， 一级反射镜与水平方向成70度角， 一级反射镜负责采集焊接前端熔池图像信息，二级反射镜与水平方向成45度角，二级反射镜将一级反射镜采集到图像反射到CCD摄像机，整个视觉传感器通过传感器支架固定到焊接机器人的末端关节上。所述模拟信号输出子模块负责对脉冲峰值焊接电流和送丝速度实时检测和调整，模拟信号输出子模块接收主控计算机发出的电压信号，经初级运放补偿、线性光耦隔离、再经次级运放放大输出到焊接电源的焊接电流和送丝控制端口。所述焊接开关子模块完成双逆变弧焊电源的主控计算机自动起弧，焊接开关 子模块接收主控计算机发出的数字高电平信号，通过数字光耦、继电器隔离放大 输出到双逆变弧焊电源的起弧开关。所述过程状态检测子模块负责实时检测双逆变弧焊电源状态监测端口的引弧 成功及脉冲同步端子信号，当双逆变弧焊电源已经成功引弧，该子模块把引弧成 功端子高电平信号发送给主控计算机，焊接机器人执行正常焊接，同时，在正常 焊接过程中，不断检测脉冲同步端子信号电平值，保证图像采集卡在低电平期间 采集焊接熔池图像。所述机器人控制器通用I/O子模块，负责检测焊接机器人焊接关键位置点信号检测和焊接机器人行走确认信号，焊接关键位置点信号包括起弧位置点、电 流衰减位置点和熄弧位置点信号，通过机器人控制器通用1/0子模块中的数字光 耦把焊接机器人当前关键位置点信号传递到主控计算机。本发明工作时，焊接机器人行走到待焊工件起弧位置点，机器人控制器通用 I/O子模块向主控计算机发送到达起弧位置点信号，主控计算机接收到该信号后， 通过焊接开关子模块完成起弧操作，待主控计算机检测到引弧成功端子高电平信 号时，主控计算机通过机器人控制器通用I/O子模块，焊接机器人行走并执行正 常焊接，同时主控计算机不断检测脉冲同步端子信号电平值，在脉冲同步端子信 号低电平期间，焊接熔池图像通过一级反射镜、二级反射镜，再经减光镜片及滤 光镜片反射到视觉传感器上，CCD摄像机不断产生调制的视频信号，经过图像采集 卡处理成图像数据格式，交付给主控计算机，进行滤波、积分边缘检测、阈值二 值化、细化和曲线拟合等图像处理过程，提取熔池特征尺寸参数。根据所得到的 信息，通过模拟信号输出子模块发出电压信号，实时调整焊接电源焊接电流和送丝控制端口电压值。当焊接到终点时，机器人控制器通用1/0子模块向主控计算机发送电流衰减位置点和熄弧位置点信号，主控计算机给焊接开关子模块发送熄 弧信号，焊接电弧熄灭。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果本发明为实现基于计算机控制 的弧焊机器人在线实时监控提供了系统平台，满足了多种类型的工业机器人局部 智能化要求，通过视觉传感系统，能够更加灵活地控制和监测机器人焊接过程中 的一些动态焊接规范参数及熔池动态信息，为弧悍机器人的焊接过程动态控制的 研究及开发提供一种实验平台。


图1为基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统框图； 图2为本发明接口电路装置示意图； 图3为本发明视觉传感系统连接示意图；图4为本发明模拟信号输出电路的输入、输出电压拟合曲线图。
具体实施方式
.下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括视觉传感系统、双逆变弧焊电源、接口电路装 置、主控计算机、机器人控制器、焊接机器人，其中视觉传感系统负责在焊接过程中动态采集焊接熔池的图像，并将所采集的图 像通过视频线传送到主控计算机；双逆变弧焊电源内部引出状态监测端口 、焊接电源焊接电流及送丝控制端口 ， 其中状态监测端口包括引弧成功及脉冲同步端子信号，双逆变弧焊电源在焊接开 始阶段发出起弧成功信号给主控计算机，并接收来自主控计算机对双逆变弧焊电 源焊接电流和送丝控制端口的电压值的调整信号；接口电路装置包括模拟信号输出子模块、焊接开关子模块、过程状态检测 子模块和机器人控制器通用I/0子模块，其中模拟信号输出子模块接收主控计算机发出的电压信号，将电压信号进行隔离、 放大后输出到双逆变弧焊电源的焊接电源焊接电流和送丝控制端口 ；焊接开关子模块接收主控计算机发出的数字电平信号，将数字电平信号隔离 放大后输出到双逆变弧焊电源的起弧开关；过程状态检测子模块负责检测双逆变弧焊电源内部的起弧成功及脉冲同步端 子信号，并把检测到电平信号高、低值分别发送给主控计算机；机器人控制器通用I/O子模块负责检测焊接机器人焊接关键位置点信号，并 将该信号的电平值传输给主控计算机；主控计算机是整个弧焊机器人焊接监控系统的核心，焊接机器人行走到待焊 工件起弧位置点，主控计算机检测到来自机器人控制器通用1/0子模块发出的起 弧位置点的高电平信号，同时向焊接开关子模块发送高电平信号，执行起弧操作； 开始起弧阶段，主控计算机通过过程状态检测子模块不断检测起弧成功信号、脉 冲同步信号电平值，当引弧成功信号为高电平时，向机器人控制器通用I/O子模 块发送高电平信号，焊接机器人完成行走、焊接动作；焊接过程中，主控计算机 在脉冲同步信号为低电平值时，接收视觉传感器提供的焊接熔池视觉信息，进行 图像处理，并根据处理结果通过接口电路装置实时调整双逆变弧焊电源和控制焊接机器人；机器人控制器负责检测焊接机器人起弧位置点的高电平信号，并把该高电平 信号通过机器人控制器通用I/O子模块传送到主控计算机，并接收主控计算机通 过机器人控制器通用I/O子模块发送的行走指令信号，并将行走指令信号传输给 焊接机器人；焊接机器人接收机器人控制器发送的行走指令信号，完成行走和焊接动作。如图2所示，所述模拟信号输出子模块分别与主控计算机和双逆变弧焊电源 相连接，共有两路模拟信号，分别为峰值电流调节模拟信号输出电路及送丝速度 调节模拟信号输出电路，主控计算机通过视觉传感器采集焊接熔池图像的情况， 输出0 10V的模拟电压信号经初级补偿运算放大器，线性光耦隔离，再经次级运 算放大器放大输出到焊接电源焊接电流和送丝控制端口，输出电压值根据其输入 成线性变化，因此，可以调节峰值电流和送丝速度的大小。所述待焊接电弧稳定后，双逆变电源的状态监测端口的引弧成功及脉冲同步 端子信号，通过数字光耦TLP521-1隔离，输入到主控计算机。所述焊接开关子模块完成双逆变弧焊电源的主控计算机自动起弧，焊接开关子模块接收主控计算机发出的数字高电平信号，通过数字光耦TLP521-l隔离、信 号放大后经继电器连接到双逆变弧焊电源的焊接开关；所述过程状态检测子模块负责实时检测双逆变弧悍电源状态监测端口的引弧 成功及脉冲同步端子信号，当焊接电弧稳定燃烧后，该子模块把引弧成功端子高 电平信号，通过数字光耦TLP521-1隔离发送给主控计算机，焊接机器人执行正常 焊接，同时，主控计算机不断检测脉冲同步端子信号电平值，保证图像采集卡在 低电平期间采集焊接熔池图像；机器人控制器通用I/O子模块分别与主控计算机和机器人控制器相连接，共 有两路信号，其中一路为机器人行走确认数字输出信号电路，主控计算机发出高 电平信号，通过数字光耦TLP521-1隔离，信号放大后经继电器输出到焊接机器人 控制器通用1/0端口，执行焊接机器人行走确认信号指令，另一路数字输入信号 电路，接收来自焊接机器人当前关键位置点信号，通过数字光耦TLP521-1隔离输 入到主控计算机。TLP521-1数字光耦是把输入的电信号转换为光信号，传给光敏管转换为电信 号输出，具有隔离干扰作用。其中，主要技术参数为电流传输比为50%(最小值)、 隔离电压2500Vrms (最小值)、集电极-发射极电压55V (最小值)。如图3所示，所述视觉传感系统，包括视觉传感器、图像采集卡，图像采集 卡安装在主控计算机PCI插槽内，通过视频线和视觉传感器相连。所述视觉传感器包括复合滤光系统、反射镜系统、传感器支架l、 CCD摄像 机5，复合滤光系统、反射镜系统都固定在传感器支架1上，复合滤光系统包括减 光镜片4、滤光镜片3以及镜片支架2，减光镜片4及滤光镜片3重叠放置在镜片 支架2上，镜片支架2固定在传感器支架1上，并垂直于CCD摄像机5光轴，反 射镜系统包括一级反射镜8、 二级反射镜9及反射镜支架10，其中一级反射镜8 与水平方向成70度角，主要采集焊接前端熔池图像信息，二级反射镜9与水平方 向成45度角，主要是将一级反射镜8采集到图像反射到CCD摄像机5，整个视觉 传感器通过传感器支架1固定到焊接机器人的末端关节上，CCD摄像机5通过视频 线连接到图像采集卡的视频端口，其位姿随焊接机器人末端关节的位姿变化而变 化。所述的滤光镜片3为420 530nm的窄带滤光镜片。 所述的减光镜片4为10°/。、 30%、 50%通过率的组合镜片。 所述的减光镜片4和滤光镜片3的直径均为25mm。本实施例工作时，焊接机器人行走到待焊工件起弧位置点，机器人控制器通 用I/O子模块向主控计算机发送到达起弧位置点信号，主控计算机接收到该信号 后，通过焊接开关子模块完成起弧操作，待主控计算机检测到引弧成功端子高电 平信号时，主控计算机通过机器人控制器通用I/O子模块，焊接机器人行走并执 行正常焊接，同时主控计算机不断检测脉冲同步端子信号电平值，在脉冲同步端 子信号低电平期间，焊接熔池图像通过一级反射镜、二级反射镜，再经减光镜片 及滤光镜片反射到视觉传感器上，CCD摄像机不断产生调制的视频信号，经过图像 采集卡处理成图像数据格式，交付给主控计算机，进行滤波、积分边缘检测、阈 值二值化、细化和曲线拟合等图像处理过程，提取熔池特征尺寸参数。根据所得 到的信息，通过模拟信号输出子模块发出电压信号，实时调整焊接电源焊接电流 和送丝控制端口电压值。当焊接到终点时，机器人控制器通用1/0子模块向主控计算机发送电流衰减位置点和熄弧位置点信号，主控计算机给焊接开关子模块发 送熄弧信号，焊接电弧熄灭。如图4所示，是用计算机数据采集卡同时对模拟信号输出子模块电路的输入 电压V,和输出电压V，T信号进行采样，将所述实验数据根据最小二乘法进行曲线拟合，拟合目标为；^ox + 6，得到直线的斜率为1.195，本实施例中线性光耦的线性度为0.3%，输入\输出电压测量值精度高，线性度好，完全满足焊接过程输出 电流、送丝信号的要求。本实施例通过视觉传感系统，能够更加灵活地控制和监测机器人焊接过程中 的一些动态焊接规范参数及熔池动态信息，为弧焊机器人的焊接过程动态控制的 研究及开发提供一种实验平台，在此基础平台上可更加便捷地开发一些机器人出 厂不具备的功能，提高了用户对弧焊机器人的焊接过程监控能力，拓展机器人在 焊接自动化领域的应用具有重要的作用。
权利要求
1、一种基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统，其特征在于，包括视觉传感系统、双逆变弧焊电源、接口电路装置、主控计算机、机器人控制器、焊接机器人，其中视觉传感系统负责在焊接过程中动态采集焊接熔池的图像，并将所采集的图像通过视频线传送到主控计算机；双逆变弧焊电源包括状态监测端口、焊接电源焊接电流及送丝控制端口，其中状态监测端口包括引弧成功端子及脉冲同步端子，双逆变弧焊电源在焊接开始阶段是由起弧成功端子发出起弧成功信号给主控计算机，并接收来自主控计算机对双逆变弧焊电源焊接电流和送丝控制端口的电压值的调整信号；接口电路装置包括模拟信号输出子模块、焊接开关子模块、过程状态检测子模块和机器人控制器通用I/O子模块，其中模拟信号输出子模块接收主控计算机发出的电压信号，将电压信号进行隔离、放大后输出到双逆变弧焊电源的焊接电源焊接电流和送丝控制端口，焊接开关子模块接收主控计算机发出的数字电平信号，将数字电平信号隔离放大后输出到双逆变弧焊电源的起弧开关，过程状态检测子模块负责检测双逆变弧焊电源内部的起弧成功及脉冲同步端子信号，并把检测到电平信号高、低值分别发送给主控计算机，机器人控制器通用I/O子模块负责检测焊接机器人焊接关键位置点信号，并将该信号的电平值传输给主控计算机；主控计算机是整个弧焊机器人焊接监控系统的核心，焊接机器人行走到待焊工件起弧位置点，主控计算机检测到来自机器人控制器通用I/O子模块发出的起弧位置点的高电平信号，同时向焊接开关子模块发送高电平信号，执行起弧操作；开始起弧阶段，主控计算机通过过程状态检测子模块不断检测起弧成功信号、脉冲同步信号电平值，当引弧成功信号为高电平时，向机器人控制器通用I/O子模块发送高电平信号；焊接过程中，主控计算机在脉冲同步信号为低电平值时，接收视觉传感器提供的焊接熔池视觉信息，进行图像处理，并根据处理结果通过接口电路装置实时调整双逆变弧焊电源和控制焊接机器人；机器人控制器负责检测焊接机器人起弧位置点的高电平信号，并把该高电平信号通过机器人控制器通用I/O子模块传送到主控计算机，并接收主控计算机通过机器人控制器通用I/O子模块发送的行走指令信号，并将行走指令信号传输给焊接机器人；焊接机器人接收机器人控制器发送的行走指令信号，完成行走和焊接动作。
2、 根据权利要求1所述的基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统，其特征 是，所述模拟信号输出子模块负责对脉冲峰值焊接电流和送丝速度实时检测和调 整，模拟信号输出子模块接收主控计算机发出的电压信号，经初级运放补偿、线 性光耦隔离、再经次级运放放大输出到焊接电源的焊接电流和送丝控制端口。
3、 根据权利要求1所述的基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统，其特征 是，所述焊接开关子模块完成双逆变弧焊电源的主控计算机自动起弧，焊接开关 子模块接收主控计算机发出的数字高电平信号，通过数字光耦、继电器隔离放大 输出到双逆变弧焊电源的起弧开关。
4、 根据权利要求1所述的基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统，其特征 是，所述过程状态检测子模块负责实时检测双逆变弧焊电源状态监测端口的引弧 成功及脉冲同步端子信号，当双逆变弧焊电源已经成功引弧，该子模块把引弧成 功端子高电平信号发送给主控计算机，焊接机器人执行正常焊接，同时，在正常 焊接过程中，不断检测脉冲同步端子信号电平值，保证图像采集卡在低电平期间 采集焊接熔池图像。
5、 根据权利要求1所述的基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统，其特征 是，所述机器人控制器通用I/O子模块，负责检测焊接机器人焊接关键位置点信 号检测和焊接机器人行走确认信号，焊接关键位置点信号包括起弧位置点、电 流衰减位置点和熄弧位置点信号，通过机器人控制器通用1/0子模块中的数字光 耦把焊接机器人当前关键位置点信号传递到主控计算机。
6、 根据权利要求1所述的基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统，其特征 是，所述视觉传感系统，包括视觉传感器、图像采集卡，图像采集卡安装在主控 计算机外设部件互连插槽内，通过视频线和视觉传感器相连。
7、 根据权利要求6所述的基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统，其特征是，所述视觉传感器包括电荷藕合器件图像传感器摄像机、复合滤光系统、反 射镜系统和传感器支架，电荷藕合器件图像传感器摄像机、复合滤光系统、反射 镜系统都固定在传感器支架上，复合滤光系统包括减光镜片、滤光镜片以及镜片 支架，减光镜片及滤光镜片重叠放置在镜片支架上，镜片支架固定在传感器支架 上，并垂直于电荷藕合器件图像传感器摄像机光轴，反射镜系统包括一级反射镜、 二级反射镜及反射镜支架， 一级反射镜、二级反射镜均设置在反射镜支架上，一 级反射镜与水平方向成70度角， 一级反射镜负责采集焊接前端熔池图像信息，二 级反射镜与水平方向成45度角，二级反射镜将一级反射镜采集到图像反射到电荷 藕合器件图像传感器摄像机，整个视觉传感器通过传感器支架固定到焊接机器人 的末端关节上。
8、 根据权利要求7所述的基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统，其特征 是，所述的滤光镜片为420 530nm的窄带滤光镜片。
9、 根据权利要求7所述的基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统，其特征 是，所述的减光镜片为10%、 30%、 50%通过率的组合镜片。
10、 根据权利要求7所述的基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统，其特 征是，所述的减光镜片和滤光镜片的直径均为25mm。
全文摘要
一种弧焊机器人技术领域的基于视觉传感的弧焊机器人焊接监控系统，包括焊接机器人、机器人控制器、视觉传感系统、接口电路装置、主控计算机，双逆变弧焊电源，其中视觉传感系统动态采集焊接熔池的图像，并将图像传送到主控计算机，主控计算机接收视觉传感器提供图像信息，进行图像处理，并根据处理结果通过接口电路装置调整双逆变弧焊电源和控制焊接机器人，接口电路装置由模拟信号输出子模块、焊接开关及过程状态检测子模块和机器人控制器通用I/O子模块组成；焊接机器人通过机器人控制器接收主控计算机发送的行走指令信号，移动焊枪进行焊接。本发明提高了用户对弧焊机器人的焊接过程监控能力，拓展机器人在焊接自动化领域应用范围。
文档编号B23K9/095GK101224519SQ20081003329
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月31日 优先权日2008年1月31日
发明者徐爱杰, 李来平, 杨学勤, 涛 林, 磊 王, 陈华斌, 陈善本, 马宏波 申请人:上海交通大学;上海航天精密机械研究所