集裝箱波紋板焊接機(jī)器人及其視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及焊接控制領(lǐng)域，尤其涉及一種用于集裝箱波紋板焊接的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)和采用該視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)的集裝箱波紋板焊接機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]集裝箱是近年來(lái)出現(xiàn)的模塊化運(yùn)輸設(shè)備，自出現(xiàn)以來(lái)，已快速地占領(lǐng)貨運(yùn)市場(chǎng)，中國(guó)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)干貨集裝箱占世界產(chǎn)量的95%以上，一直保持世界第一。集裝箱系全世界通用，尺寸及外形均是標(biāo)準(zhǔn)的，由于需求量大，所以其生產(chǎn)性質(zhì)一般屬于大批量產(chǎn)業(yè)線生產(chǎn)，各工序相互銜接，其生產(chǎn)的關(guān)鍵工序是側(cè)壁波紋板與箱頂、箱底的焊接，即側(cè)壁波紋板的焊接。由于集裝箱波紋板自下料沖壓開(kāi)始，經(jīng)波紋板間的對(duì)接焊，到底板與波紋板間的角焊，每個(gè)環(huán)節(jié)都存在一定的誤差，使得裝配間隙軌跡存在一定的無(wú)規(guī)律波動(dòng)，且間隙大小也在變化，另一方面焊接過(guò)程中的熱影響使得待焊裝配縫隙存在一定的變形，使得裝配縫隙不一致，因此需要對(duì)裝配焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)跟蹤。集裝箱采用的波紋板，焊接時(shí)易焊破，故要求焊接技術(shù)高，由于人工焊接時(shí)，焊縫長(zhǎng)500_后就需移動(dòng)腳尖而停頓，再繼續(xù)焊接時(shí)就產(chǎn)生焊接接頭，而焊接接頭出容易漏水、漏光，焊道接頭突出上側(cè)梁外緣，需進(jìn)行人工研磨，這些人工焊的缺點(diǎn)一般均無(wú)法克服，而且人工焊接工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接環(huán)境比較惡劣，特別是夏季高溫階段，很容易引起中暑，同事培養(yǎng)一批高級(jí)熟練焊工也不容易。為了解決以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外科研院所和企業(yè)進(jìn)行了多項(xiàng)嘗試，取得了一定成果，但是，目前集裝箱的生產(chǎn)現(xiàn)狀是集裝箱的生產(chǎn)還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，尤其是作為側(cè)壁的波紋板和上、下側(cè)梁的焊接，仍然使用普通焊條電弧焊和仿形焊接，不利于提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，而且波紋板本身還存在制造誤差，焊接過(guò)程中的焊接變形等也會(huì)影響焊接精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了適應(yīng)焊接過(guò)程的惡劣環(huán)境、保證焊接時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)裝配縫隙匹配合適工藝參數(shù)、提高焊接自動(dòng)化水平，彌補(bǔ)現(xiàn)有集裝箱波紋板焊接技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種用于集裝箱波紋板焊接的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)。
[0004]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種用于集裝箱波紋板焊接的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)，包括工控機(jī)、視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)；視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)包括用以投射面激光至焊縫處的面激光發(fā)生器、用以根據(jù)所述面激光的反射光線獲取焊縫圖像信息的網(wǎng)絡(luò)攝像頭和設(shè)置于網(wǎng)絡(luò)攝像頭前用于濾光的濾光片；所述網(wǎng)絡(luò)攝像頭網(wǎng)絡(luò)通訊連接所述工控機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)包括與所述工控機(jī)相連接的控制卡、與該控制卡雙向通訊連接的五個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、由該五個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器一一對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)的五個(gè)伺服電機(jī)，以及與控制卡相連接的限位/零點(diǎn)傳感器；其中該五個(gè)伺服電機(jī)分別為用于控制焊槍和所述視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)在沿波紋板長(zhǎng)焊縫方向的同步運(yùn)動(dòng)的X軸伺服電機(jī)、用于控制焊槍在垂直于波紋板平面方向上的運(yùn)動(dòng)的Y軸伺服電機(jī)、用于控制焊槍在平行于波紋板平面方向上的升降運(yùn)動(dòng)的Z軸伺服電機(jī)、用于控制視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)在垂直于波紋板平面方向上的運(yùn)動(dòng)的Yi軸伺服電機(jī)、用于控制視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)在平行于波紋板方向上的升降運(yùn)動(dòng)的Zl軸伺服電機(jī)；所述限位/零點(diǎn)傳感器分別相應(yīng)于所述五個(gè)伺服電機(jī)所控制的五個(gè)運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置；所述控制卡還連接所述網(wǎng)絡(luò)攝像頭以控制網(wǎng)絡(luò)攝像頭的開(kāi)閉；所述工控機(jī)用于根據(jù)網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集到的焊縫圖像信息以及限位/零點(diǎn)傳感器的限位/零點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行邏輯計(jì)算得到待焊軌跡并傳送給所述控制卡，所述控制卡根據(jù)工控機(jī)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行邏輯運(yùn)算、運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制輸出而通過(guò)五個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)控制五個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
[0005]其中，所述網(wǎng)絡(luò)攝像頭主光軸位于與波紋板平面垂直的第一平面內(nèi)，并與波紋板平面呈25°?75°夾角，且該第一平面垂直于波紋板長(zhǎng)焊縫方向；所述面激光發(fā)生器的數(shù)量為一個(gè)，其發(fā)出的面激光為一束，該面激光與所述第一平面之間的夾角為25°?75。，且所述面激光器的中心軸與網(wǎng)絡(luò)攝像頭主光軸在同一平面上。
[0006]其中，所述伺服電機(jī)為交流伺服電機(jī)，其上帶有光電編碼器，所述光電編碼器的輸出端連接所述伺服驅(qū)動(dòng)器以反饋位置信息。
[0007]其中，所述運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)還包括端子板，所述控制卡通過(guò)所述端子板分別連接所述五個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器和所述網(wǎng)絡(luò)攝像頭；所述控制卡設(shè)有I/O接口，所述端子板連接所述I/O接口而構(gòu)成所述控制卡的擴(kuò)展板卡。
[0008]其中，所述控制卡通過(guò)串行通信接口與所述端子板進(jìn)行連接通訊。
[0009]其中，所述工控機(jī)設(shè)有PCI插槽和以太網(wǎng)口，所述控制卡通過(guò)所述PCI插槽與工控機(jī)連接，所述網(wǎng)絡(luò)攝像頭通過(guò)所述以太網(wǎng)口與工控機(jī)通訊。
[0010]其中，所述工控機(jī)還設(shè)有人機(jī)接口模塊、圖像采集處理模塊、運(yùn)算處理模塊；所述圖像采樣處理連接所述以太網(wǎng)口，獲取并顯示由所述網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集的焊縫圖像信息，計(jì)算出焊縫特征點(diǎn)坐標(biāo)和縫寬信息；所述運(yùn)算處理模塊連接人機(jī)接口模塊、圖像采集處理模塊和PCI插槽，根據(jù)人機(jī)接口信號(hào)通過(guò)所述控制卡而控制網(wǎng)絡(luò)攝像頭的開(kāi)閉以及根據(jù)圖像采集處理模塊得到的焊縫信息計(jì)算出待焊軌跡以通過(guò)所述控制卡控制所述五個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)從而控制所述焊槍和所述視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)的工作。
[0011]其中，所述人機(jī)接口模塊為觸摸顯示屏。
[0012]本發(fā)明還提供一種集裝箱波紋板焊接機(jī)器人，包括焊槍和如上所述的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)，所述焊槍連接并受控于所述視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:本發(fā)明的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)用于集裝箱波紋板的焊接，其基于視覺(jué)伺服進(jìn)行控制，能夠自動(dòng)識(shí)別焊接軌跡與焊縫寬度，焊接效率高、焊接質(zhì)量好、智能化程度高；對(duì)焊槍和視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)的位置調(diào)整由不同的伺服電機(jī)來(lái)控制，該柔性化的操作機(jī)制不但能夠較好的達(dá)到焊縫的各個(gè)位置，保證焊槍準(zhǔn)確地進(jìn)行焊縫跟蹤焊接，而且可以能夠削弱焊接弧光、飛濺對(duì)焊縫視覺(jué)采集的影響，適應(yīng)性、魯棒性強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)的原理框圖。
[0015]圖2為本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)攝像頭和面激光發(fā)生器安裝示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明集裝箱波紋板焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明圖3中A處另一方向局部放大圖。
[0018]其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下:1、焊機(jī)；2、視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)；21、面激光發(fā)生器；22、千兆網(wǎng)攝像頭；3、運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)；31、控制卡；32、端子板；331、X軸伺服驅(qū)動(dòng)器；332、Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器；333、Ζ軸伺服驅(qū)動(dòng)器；334、Υ1軸伺服驅(qū)動(dòng)器；335、Ζ1軸伺服驅(qū)動(dòng)器；341、Χ軸伺服電機(jī)；342、Υ軸伺服電機(jī)；343、Ζ軸伺服電機(jī)；344J1軸伺服電機(jī)；345、Z1軸伺服電機(jī)；35、限位/零點(diǎn)傳感器；4、工控機(jī)；41、顯示屏；5、電源；10、焊槍；20、導(dǎo)軌；40、波紋板。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的原理和結(jié)構(gòu)，現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]參閱圖1，本發(fā)明提供一種用于集裝箱波紋板焊接的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)，該視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)主要用來(lái)進(jìn)行波紋板焊接的焊縫識(shí)別與跟蹤控制，大致由焊機(jī)1、視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)2、運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)3、工控機(jī)4和電源5五部分構(gòu)成。
[0021]焊機(jī)I包括用以給焊槍提供焊接電流和電壓的焊接電源、用以將焊絲送至焊縫處的送絲機(jī)和用以提供焊接保護(hù)氣體的保護(hù)氣源；當(dāng)需要進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，焊機(jī)I以設(shè)定的焊接參數(shù)工作從而確保焊槍的焊接作業(yè)，該焊接參數(shù)包括焊接電流、電壓、送絲速度、保護(hù)氣體的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
[0022]視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)2包括用以投射面激光至焊縫處的面激光發(fā)生器21、用以根據(jù)該面激光獲取焊縫圖像信息的千兆網(wǎng)攝像頭22，以及設(shè)置于千兆網(wǎng)攝像頭22前用于濾光的濾光片23 ;該千兆網(wǎng)攝像頭22為網(wǎng)絡(luò)攝像頭，其與工控機(jī)4網(wǎng)絡(luò)通訊連接，可通過(guò)千兆以太網(wǎng)傳輸方式將焊縫圖像信息傳輸給工控機(jī)4。視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)2與焊槍在沿波紋板長(zhǎng)焊縫方向上為間隔設(shè)置且同步受控運(yùn)動(dòng)。參閱圖2，千兆網(wǎng)攝像頭22主光軸位于與波紋板平面PO垂直的第一平面Pl內(nèi)，并與波紋板平面PO的夾角α為25°?75°，且該第一平面Pl垂直于波紋板40長(zhǎng)焊縫方向；面激光發(fā)生器21的數(shù)量為一個(gè)，其發(fā)出的面激光為一束，圖2中面激光所在平面為Ρ2平面，該面激光與第一平面I3I之間的夾角β為25°?75°，較優(yōu)地，為45° ;面激光發(fā)生器21中心軸與千兆網(wǎng)攝像頭22主光軸在同一平面即圖2中的Ρ3平面上，則面激光發(fā)生器21中心軸與千兆網(wǎng)攝像頭22主光軸之間的夾角即為β。千兆網(wǎng)攝像頭22和面激光發(fā)生器21安裝好后固定在一起，沒(méi)有相對(duì)位移,若有相對(duì)位移相應(yīng)角度參數(shù)要適當(dāng)改變。通過(guò)該結(jié)構(gòu)的布置，能最優(yōu)化地實(shí)現(xiàn)焊縫圖像的采集，以便于焊接軌跡的設(shè)計(jì)控制。
[0023]運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)3包括與工控機(jī)4相連接的控制卡31，與該控制卡31雙向通訊連接的五個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器33廣335、由該五個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器33廣335 —一對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)的五個(gè)伺服電機(jī)34Γ3450
[0024]同時(shí)參閱圖1、圖3和圖4,五個(gè)伺服電機(jī)分別為X軸伺服電機(jī)341、Y軸伺服電機(jī)342、Z軸伺服電機(jī)343、Yl軸伺服電機(jī)344和Zl軸伺服電機(jī)345。X軸伺服電機(jī)341控制整個(gè)焊接機(jī)構(gòu)沿圖示的導(dǎo)軌20運(yùn)動(dòng)，以圖4中的坐標(biāo)軸來(lái)看，該方向即為X軸方向，其中，該導(dǎo)軌20的設(shè)置對(duì)應(yīng)于波紋板長(zhǎng)焊縫方向，即在X軸伺服電機(jī)341的驅(qū)動(dòng)下，焊槍10、視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)2、焊機(jī)1、其他四個(gè)伺服電機(jī)342?345均一起沿波紋板長(zhǎng)焊縫方向運(yùn)動(dòng)；Υ軸伺服電機(jī)342和Z軸伺服電機(jī)343分別用于控制焊槍10在Y軸和Z軸方向的運(yùn)動(dòng)，Yl軸伺服電機(jī)344和Zl軸伺服電機(jī)345分別用于控制視覺(jué)采樣機(jī)構(gòu)2在Yl軸和Zl軸的方向，其中，Y軸和Yl軸方向的運(yùn)動(dòng)均為垂直于波紋板平面方向靠近或遠(yuǎn)離波紋板平面的運(yùn)動(dòng)，Z軸和Zl軸方向的運(yùn)動(dòng)為平行于波紋板平面方向的升降運(yùn)動(dòng)。對(duì)應(yīng)于這五個(gè)軸方向的運(yùn)動(dòng)，所述運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)3還包括各軸限位/零點(diǎn)傳感器35，即五個(gè)軸方向上均設(shè)置有相應(yīng)的限位/零點(diǎn)傳感器35，各軸限位/零點(diǎn)傳感器35連接控制卡31用于進(jìn)行回參考點(diǎn)和過(guò)限報(bào)警操作。
[0025]這五個(gè)伺服電機(jī)為交流伺服電機(jī)，其上帶有光電編碼器，光電編碼器的輸出端連接對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器以反饋位置信息。與伺服電機(jī)相應(yīng)地，