自动焊接机器人动作控制系统及动作控制方法与流程

1.本发明涉及一种自动焊接机器人动作控制系统以及自动焊接机器人动作控制方法。


背景技术：

2.随着电子工业的发展，产品精度要求越来越高，人工成本不断增加，各行各业都在推进自动化工艺。焊接工艺又是电子产品必备的工艺之一，所以时常会使用自动焊接机器人来代替人工作业。自动焊接机器人，顾名思义就是指从事焊接作业(包括切割与喷涂)的工业机器人，自动焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制器(硬件及软件)组成，而焊接装备，以弧焊为例，则由焊接电源(包括其控制系统)、送丝机、焊枪等部分组成。自动焊接机器人从60年代开始用于生产以来，其技术日益成熟，由于具有较好的稳定性和较高的焊接质量，极大提高了劳动生产率，改善了工人劳动强度，且可在有害环境下作业，降低了对工人操作技术的要求，缩短了产品改型换代的准备周期，减少了相应的设备投资等等，由于具有以上诸多优点，因此得到越来越广泛的应用。
3.但是，在焊接工艺中经常会面对复杂的焊接情况，特别是弧焊过程较为复杂，工具中心点(tcp)，也就是焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态、焊接参数都要求精确控制。为了提高控制精度，焊缝跟踪(seam tracking)技术应运而生，焊缝跟踪的目的在于，通过利用传感器对起因于对象工件的加工误差、设置误差、热变形的焊接过程的动态误差等而产生的焊接目标位置的偏移进行检测并进行修正，以防止焊接缺陷。焊缝跟踪有两种基本理论：机器视觉和电弧电信息。两种方法都解决了相同的问题：机器人轨迹的位置信息以坡口为基准。
4.专利文献1涉及一种焊缝跟踪方法，并记载有如下内容：在激光横摆滑架带动激光测距传感器沿焊缝的宽度方向移动时，获取激光横摆滑架的若干位置、与前述若干位置一一对应的距离值、激光横摆滑架开始移动时焊接小车的位置ps以及移动结束时焊接小车的位置pe，能够计算得出焊枪在校准位置时的横向校准位置以及竖直校准位置，从而，能够在焊枪移动至校准位置时调节焊枪的位置使焊枪移动至横向校准位置以及竖直校准位置处进行焊接，以对焊枪实时进行精确的定位与控制，可大大降低焊接过程中因焊缝不均匀造成的人为干预的程度，也减轻了人的劳动强度，并有效保证了焊缝成型质量以及焊接效率。
5.现有技术文献
6.专利文献1：中国专利公开cn108817615a


技术实现要素：

7.发明要解决的技术问题
8.对于专利文献1的发明而言，是以焊枪位于焊缝起始点时焊枪横摆滑架的位置、弧长滑架的位置为参照，实时计算得出位于焊枪的前侧的校准位置相对于焊枪位于焊缝起始点时的水平偏差以及竖直偏差，再对装有焊枪的焊枪横摆滑架以及弧长滑架实时进行精确
的定位与控制，其是对于现有的焊缝跟踪技术的改良。
9.但是，即使采用焊缝跟踪技术，机器人焊接仍不能覆盖所有生产现场，这是因为焊接过程中会遇到各种情况，仅追踪位置信息不足以应对各种现场。结果，在很多情况下人工焊接是不可替代的。
10.本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种能够将经验丰富的焊接工人的操作引入到机器人控制中，从而能够根据焊接现场实时地校正机器人的焊接操作的自动焊接机器人动作控制系统及动作控制方法。
11.解决问题的技术手段
12.本发明的自动焊接机器人动作控制系统具备：焊接设备信息获取装置，其获取焊接处理时的焊接设备的设备信息；焊接现场信息获取装置，其获取焊接处理时的所述焊接设备附近的现场信息；人工动作信息收集装置，其对预先通过人工进行焊接处理时的所述焊接设备的动作信息进行收集；动作模型建立部，其根据人工进行焊接处理时的所述焊接设备的动作信息以及对应的所述设备信息和所述现场信息，建立动作模型并存储起来；机器人动作制定部，其根据所述自动焊接机器人进行焊接处理时的所述设备信息和所述现场信息，基于已存储的动作模型来制定由所述自动焊接机器人操控的焊接设备的动作信息；以及动作输出部，其将由所述机器人动作制定部制定的所述动作信息输出至所述自动焊接机器人，使所述自动焊接机器人操控所述焊接设备进行焊接处理。
13.另外，本发明的自动焊接机器人动作控制方法包括：焊接设备信息获取步骤，获取焊接处理时的焊接设备的设备信息；焊接现场信息获取步骤，获取焊接处理时的所述焊接设备附近的现场信息；人工动作信息收集步骤，对预先通过人工进行焊接处理时的所述焊接设备的动作信息进行收集；动作模型建立步骤，根据人工进行焊接处理时的所述焊接设备的动作信息以及对应的所述设备信息和所述现场信息，建立动作模型并存储起来；机器人动作制定步骤，根据所述自动焊接机器人进行焊接处理时的所述设备信息和所述现场信息，基于已存储的动作模型来制定由所述自动焊接机器人操控的焊接设备的动作信息；以及动作输出步骤，其将由所述机器人动作制定部制定的所述动作信息输出至所述自动焊接机器人，使所述自动焊接机器人操控所述焊接设备进行焊接处理。
14.发明效果
15.根据上述的自动焊接机器人动作控制系统以及自动焊接机器人动作控制方法，能够将经验丰富的焊接工人的操作引入到机器人控制中，从而能够根据焊接现场实时地校正机器人的焊接操作。
附图说明
16.图1是示出本发明的自动焊接机器人动作控制系统的框图。
17.图2是示出本发明的自动焊接机器人动作控制系统的流程图。
具体实施方式
18.以下，参照附图说明本发明的具体实施方式。
19.图1是示出本发明的自动焊接机器人动作控制系统1的框图。如图1所示，自动焊接机器人动作控制系统1具备焊接设备信息获取装置101、焊接现场信息获取装置102、人工动
作信息收集装置103、动作模型建立部104、机器人动作制定部105以及动作输出部106。本发明中，焊接设备是执行焊接的部分即焊枪。
20.焊接设备信息获取装置101获取焊接设备的设备信息，其获取由设置在焊枪上的传感器检测出的施加至焊枪的电流和电压，并转换为电信号。
21.焊接现场信息获取装置102例如通过安装在焊枪上的摄像头等设备，对于焊枪上的焊丝以及在被焊接体上形成的熔池等进行拍摄，并分析所获得的图像，根据该图像获取焊枪附近的现场信息，该现场信息例如包括被焊接体上的熔池的形状(长宽比、关键点曲率等)、熔池的尺寸、以及焊丝和熔池的相对位置。
22.人工动作信息收集装置103用于对人工进行焊接处理时的焊枪的动作信息进行收集，具体而言，在焊枪上安装动作捕捉设备如标记球，在距离焊枪一定距离例如1至2米的位置架设摄像头，该摄像头始终追踪标记球，在人工进行焊接处理时，由熟练的工人操控焊枪，此时通过该摄像头对于标记球进行拍摄，并根据标记球的空间坐标的变化计算出焊枪的动作信息，该动作信息例如包括焊枪的空间取向、焊枪的前行速度、以及焊枪的摆动速度等，这些数据均为时序信号，能够通过时间换算为焊缝上的具体位置，如果焊缝外观有问题，可以排除掉相应的数据。
23.动作模型建立部104用于根据人工进行焊接处理时的信息来建立动作模型，其根据人工进行焊接处理时由人工动作信息收集装置103收集到的焊枪的动作信息、此时由焊接设备信息获取装置101收集到的电流电压信息、此时由焊接现场信息获取装置102收集到的焊枪附近的现场信息，来建立动作模型。具体的方法可以采用神经网络等人工智能的算法，例如采用数式1建立拟合模型。
24.【数式1】
25.γ＝f(β，α)
26.进而，根据拟合模型建立如数式2所示的动作模型并存储起来。
27.【数式2】
28.α＝f(β，γ)
29.在数式1和数式2中，α是焊枪的动作信息，β是施加至焊枪的电流电压值，γ是焊枪附近的现场信息。
30.机器人动作制定部105是用于制定机器人动作的功能部，在已建立了上述的动作模型之后，当通过自动焊接机器人进行焊接处理时，依然通过焊接设备信息获取装置101和焊接现场信息获取装置102获取机器人焊接时的电流电压信息和焊枪附近的现场信息，并输入至机器人动作制定部105，根据已存储的动作模型来制定由自动焊接机器人操控的焊接设备的动作信息。
31.动作输出部106是输出动作信息的功能部，其将由机器人动作制定部105制定的动作信息输出给自动焊接机器人，由此使自动焊接机器人按照动作信息进行焊接动作。
32.接下来，使用图2说明使用本发明的自动焊接机器人动作控制系统的流程图。
33.如图2所示，首先，在步骤s201中，在焊枪等焊接设备上安装动作捕捉设备例如标记球，并在距离焊接设备一定距离处架设用于记录动作捕捉设备的空间坐标的摄像头。另外，在焊枪上已经设置有电流电压传感器，并且焊枪上也安装有用于拍摄焊枪附近的信息的摄像头。
34.在步骤s202中，挑选出若干经验熟练的工人来操控安装有动作捕捉设备的焊枪进行焊接工作，熟练的工人在看到焊接过程中的不同熔池时，会根据经验进行不同的处理，例如有可能会拐弯，另外，虽然工人本身无法感知到，但实际上其操控的焊枪的电流电压也会产生变化。
35.此时，在步骤s203中，一定距离处的摄像头就记录下不同处理时焊枪的包括运动轨迹和运动速度在内的运动信息并发送给人工动作信息收集装置103。同时，安装在焊枪上的摄像头拍下焊枪附近的现场信息并发送给焊接现场信息获取装置102，电流电压传感器检测出施加给焊枪的电流及电压等设备信息并发送给焊接设备信息获取装置101。上述信息均为时序信号并且相互对应，动作模型建立部104根据该运动信息、现场信息、设备信息，通过神经网络等人工智能算法，参照上述数式1、数式2建立运动模型并存储起来。
36.接下来，在步骤s204中，工作人员拆下焊枪上的动作捕捉设备和一定距离处的摄像头，并使自动焊接机器人开始操控焊枪。开始时，由于焊枪上的摄像头没有拍摄到熔池信息，无法根据运动模型制定运动信息，因此，仍然按照以往的方式，由人预先设定参数进行焊接工作，此为现有技术因此不加赘述。在极短的时间内通过焊枪就会在被焊接体上产生熔池，此时本系统开始发挥作用，焊枪上的摄像头拍摄到包括熔池的形状、熔池的尺寸以及焊丝和熔池的相对位置在内的现场信息并发送给焊接现场信息获取装置102，同时，焊枪上的传感器也将设备信息发送给焊接设备信息获取装置101。本实施例中，系统是在经过预先设定的规定时间后发挥作用，但并不限定于此，当然也可以在由摄像头拍摄到的熔池的尺寸达到一定大小以后发挥作用。
37.在步骤s205中，机器人动作制定部105以获取到的现场信息和设备信息为参数，输入到已存储的动作模型中，并制定将要使机器人执行的运动信息。
38.最后，在步骤s206中，动作输出部106将制定出的运动信息输出给机器人，使机器人进行动作，直至焊接结束。需要注意的时，上述步骤是在焊接过程中不断进行的，每当机器人通过焊枪而产生不同的熔池，都会相应地制定出运动信息并使机器人执行。即，本系统旨在焊接过程中不断地修正自动焊接机器人的运动。
39.由此，通过本自动焊接机器人动作控制系统，能够将熟练工人的操作引入到机器人控制中，基于以往的工人的焊接处理来实时地校正机器人的焊接操作，使得机器人能够应对不同的焊接现场，应用场景更加广泛且灵活。
40.以上说明了各种实施方式及变形例，但本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术思想的范围内考虑的其他方式也包含在本发明的范围内。例如，在上述实施方式中，焊接设备信息获取装置101、焊接现场信息获取装置102、人工动作信息收集装置103、动作模型建立部104、机器人动作制定部105以及动作输出部106集成在了同一分析装置中，通过软件和硬件来实现，但也可以设置不同的模块来实现。
41.符号的说明
[0042]1ꢀꢀꢀ
自动焊接机器人动作控制系统
[0043]
101 焊接设备信息获取装置
[0044]
102 焊接现场信息获取装置
[0045]
103 人工动作信息收集装置
[0046]
104 动作模型建立部
[0047]
105 机器人动作制定部
[0048]
106 动作输出部。