定位系统及焊接系统、焊接方法、焊接形变测量方法与流程

1.本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种定位系统及焊接机器人系统。


背景技术：

2.随着机器人技术的发展，在汽车流水线、箱体流水线等领域都广泛采用机器人作业，例如焊接工序。传统的焊接作业采用人工手持点焊机对机械进行焊接，效率低下，质量得不到保证，随着机器人技术的不断发展，越来越多的企业逐渐采用机器人代替人工焊接。在当前的机器人焊接技术中，焊接机器人在焊接作业时必须有配套的工装夹具对焊接工件进行定位，以便依据固定焊接路径进行焊接作业。这对于大批量流水作业的焊接没有问题，但对于小批量非流水线作业的焊接工件就带来了技术难题，因为焊接工件的类型多，需要针对不同的焊接工件设计相应的夹具，成本太高，无法承受。针对此种情况，部分学者提出基于机器视觉的焊接机器人，通过一套传动装置，控制点焊机进行一定方向的移动，自动进行焊接。但是这些焊接机器人的自由度低、视觉定位精度低、数据处理时间长，且仍然需要大量人工配合，效率提高程度不大。也有众多学者提出了多种基于视觉测量的焊接机器人系统，典型的包括采用三维激光扫描仪进行焊接工件的扫描，然后对扫描点云数据进行处理。如图1所示，如今已经初步形成了点云处理的系列算法，包括点云滤波算法、点云特征提取算法、点云配准算法，这类算法耗时长，且存在定位不准确的情况，因此限制了该类系统在工业中的应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种定位系统及焊接机器人系统，不仅可以适用于小批量非流水线作业的焊接工件的自动焊接，而且还能提高定位的准确性，及简化算法，提高效率。
4.为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：一方面，本发明提供了一种定位系统，包括相机，还包括至少三个定位体，所述定位体具有球形面，且所述至少三个定位体分别设置在待处理工件的指定位置，且所述至少三个定位体不在同一条直线上，所述相机用于对所述至少三个定位体的球形面进行图像采集。
5.传统的方案中，是通过从图像中提取出待处理工件的特征，继而确定待处理工件的位置。而上述方案中，是通过在待处理工件上设置至少三个定位体，利用定位体来实现待处理工件的位置确定，在整个图像中，由于定位体为至少三个，球的特征明显，更加容易被识别，继而可以更加准确地确定出定位体的位置，而基于至少三个定位体方便于建立三维坐标系，因此上述方案利用定位体来对待处理工件定位的方式，定位更准确，且数据处理量更少，继而提高定位效率。
6.进一步优化的，所述至少三个定位体中，每个定位体设置有不同的身份标记。本方案中，通过在每个定位体上设置身份标记，使得更方便于对每个定位体进行区分，继而更有
利于建立准确的三维坐标系，提高待处理工件的定位准确性。
7.进一步优化的，所述身份标记为尺寸和/或颜色。定位体的尺寸不同，不仅能够实现各自身份的区别，而且还能突出与待处理工件的区别，即更有利于从图像中开始确定出定位体的位置。同样的，通过不同颜色标记各个定位体，也具有双重区分的功能，且在图像处理时仅处理设定颜色的图像，将大量工件图像等剔除，有利于提高待处理工件定位的准确性。
8.进一步优化的，所述至少三个定位体中，所有定位体的竖直高度相同。本方案中，通过设置使得所有定位体的竖直高度相同，在建立三维坐标系时，三个定位体所在的平面与基准定位面平行，倾斜量过大时即可判断出定位异常，以此保障定位的准确性。
9.进一步优化的，所述定位体为球体。定位体可以是球体，也可以是半球体，采用球体结构实现从各个视角采集图像定位体的形状都不发生变化，可以使得定位准确性更高。
10.另一方面，本发明还提供了一种焊接系统，包括焊接机器人，还包括本发明任一实施方式所述的定位系统，所述相机与所述焊接机器人信号连接，相机将采集的图像传输给焊接机器人。
11.进一步优化的方案中，还包括保护罩，设置于定位体的外侧，用于保护定位体避免粘附焊接时飞溅的铁屑。在焊接时，无可避免的会有铁屑飞溅，如果铁屑粘附在定位体的表面，尤其是在铁屑量比较大的情况下，必然会使得定位体的球形面误差增大，继而影响定位体的位置确定的准确性。因此，本方案中，通过设置保护罩保护定位体，可以有效地保障定位的准确性。
12.再一方面，本发明还提供了一种应用所述的焊接系统进行焊接的方法，包括以下步骤：s1，将至少三个定位体设置在待处理工件的指定位置，并确保定位体与待处理工件相对固定；s2，所述相机对所述至少三个定位体的球形面进行图像采集，并将采集的图像传输给焊接机器人；s3，所述焊接机器人根据所述图像中各个定位体的位置建立三维坐标系，并根据待处理工件与定位体的位置关系确定出待处理工件的三维空间坐标，结合待处理工件三维模型设置理论焊接路径，以及根据所述焊接路径进行自动焊接。
13.进一步优化的方案中，所述步骤s3中，在建立三维坐标系之后且确定出待处理工件的三维空间坐标之前，还包括步骤s3’：判断各个定位体之间的位置是否满足设定要求，如果不满足，则返回步骤s1，调整各个定位体在待处理工件的位置，否则根据待处理工件与定位体的位置关系确定出待处理工件的三维空间坐标。
14.各个定位体在待处理工件的位置是指定了的，因此相互之间的位置关系也是确定的，本方案中，在确定出待处理工件的三维空间坐标之前，先判断定位体的位置是否满足设定要求，即是判断各个定位体在待处理工件的实际位置是否与设定位置一致，如果不一致就说明位置摆放有偏差，可能会导致待处理工件的位置定位出现偏差，继而影响焊接效果。因此，本发明通过事先判断定位体之间的位置关系，当位置不满足设定要求时即可重新调整位置，继而保障定位的准确性。
15.再一方面，本发明还提供了一种应用所述的焊接系统进行焊接形变测量的方法，
包括以下步骤：在焊接前，所述相机对所述至少三个定位体的球形面进行图像采集，并将采集的图像传输给焊接机器人，由焊接机器人根据所述图像中各个定位体的位置建立三维坐标系，并得出各个定位体的位置；在焊接后，所述相机对所述至少三个定位体的球形面进行图像采集，并将采集的图像传输给焊接机器人，由焊接机器人根据所述图像中各个定位体的位置建立三维坐标系，并得出各个定位体的位置；比较焊接前和焊接后定位体的位置变化，根据所述位置变化确定出焊接形变量。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）通过在待处理工件上设置至少三个定位体，利用定位体来实现待处理工件的位置确定，在整个图像中，由于定位体为至少三个，特征明显，因此更加容易被识别，继而可以更加准确地确定出定位体的位置，继而更加准确地确定出待处理工件的位置。
17.（2）通过识别及定位至少三个定位体的方式来定位待处理工件，可以简化图像处理的过程，降低图像处理数据量，继而提高定位效率。
18.（3）定位体的结构设置为具有球形面的结构，使得相机在图像采集时从多个角度拍摄定位体的形状都不会发生变化，由此可以增强定位体定位的准确性，继而提高待处理工件的定位准确性。
19.（4）定位体设置为不同颜色，图像处理时仅需处理对应颜色的图像，极大简化的图像处理的算法，提高算法效率与定位精度。
20.（5）待处理工件可以是各种类型各种结构的工件，无需针对每一种工件配置相应的夹具，继而降低了成本。
21.（6）本发明定位系统可以适用于各种应用场景的定位，不局限于工件焊接的应用。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍， 应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
23.图1为现有技术中基于点云特征提取法的焊接流程示意图。
24.图2为本发明实施例中基于定位体定位待焊接工件的原理图。
25.图3为实施例中基于焊接系统进行焊接的方法流程图。
26.图中标记：11
‑
定位体；12
‑
立柱；13
‑
待焊接工件；14
‑
焊缝。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的器件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做
出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.本实施例中提供了一种定位系统，用于对待处理工件进行定位，待处理工件可以是任意工件，本定位系统也可以应用在各种有定位需求的场景中。本实施例中就以待处理工件为待焊接工件为例。
29.请参阅图2，具体的，本定位系统包括相机和三个定位体11，定位体11具有球形面，三个定位体11分别设置在待焊接工件13的指定位置，且三个定位体11不在同一条直线上。相机主要用于对三个定位体11的球形面进行图像采集，为了保障相机采集到的是球形面，以此保障基于不同角度采集到的定位体11的形状不会发生变化，因此定位体11优选为球体结构。相机也优选为双目相机，识别更加准确。
30.本方案中，设置定位体11的目的是利用定位体11对待焊接工件13进行定位，因此定位体11需要采用三个或三个以上，且不在同一直线上，以便于建立三维坐标系。如图2所示，假设待焊接工件13为t字形工件，工件的连接处具有焊缝14（为了便于展示，对焊缝进行了加粗表示），三个定位体11分别设置在待焊接工件13的三个角落边缘处。需要注意的是，所述的指定位置并非是指一定要设置在某个固定位置，而是指定位体11在待焊接工件13上的位置是已知的，继而才能基于定位体11的位置坐标以及定位体11与待焊接工件13的位置关系，确定出待焊接工件13的位置坐标。焊缝14在待焊接工件13的位置是确定的，因此确定出待焊接工件13的位置后即确定了焊缝的位置，继而可以设置焊接路径，焊接机器人即可基于该焊接路径自动焊接。
31.相机采集图像后，将图像传输给焊接机器人，焊接机器人从图像中识别出定位体11，继而确定出定位体11的位置。虽然本方案也需要从图像中确定出定位体11的位置，但是由于定位体11为多个，且布置在不同的位置，相互之间存在间隔，因此对定位体11的识别更容易，不需要进行点云特征提取等算法，继而可以减少数据处理的运算量，提高效率。
32.为了进一步提高对定位体11识别的准确性，继而提高定位体11位置确定的准确性，如图2所示，可以将各个定位体11设置为不同尺寸，即采用不同尺寸的定位体11，基于尺寸的区别更有利于从图像中辨识出定位体11，且同时也更有利于辨识出不同位置的定位体11，因为不同尺寸的定位体11在待焊接工件13上的位置是确定且已知的。
33.当然，除了尺寸大小以外，也可以采用其他实施方式，例如不同位置的定位体11采用不同颜色进行标记，或者颜色标记和尺寸差异同时采用，又或者采用其他方式对不同位置的定位体11进行身份标记。
34.获取到定位体11的位置是为了建立三维坐标系，为了简化建立过程，优选所有的定位体11的竖直高度相同，即三维坐标系中的其中一维坐标相同。为了实现各个定位体11采用不同尺寸时的竖直高度一致，如图2所示，定位体11可以通过立柱12设置在待焊接工件13上，通过不同长度的立柱12安装不同尺寸的定位体11，继而实现所有的定位体11的竖直高度一致。容易理解的是，定位体11为球体时，定位体11的竖直高度指的是定位体11的球心所在竖直高度。当然，此处仅是一种举例，对于定位体11的设置方式可以有其他选择，没有方案对此不做限定。
35.焊接机器人包括控制系统和执行机构，相机将采集的图像传输至控制系统后，控制系统根据所述图像中各个定位体的位置建立三维坐标系，并根据待焊接工件与定位体的位置关系确定出待焊接工件的三维空间坐标，继而结合待焊接工件三维模型设置理论焊接
路径，最后即可根据所述焊接路径进行自动焊接。
36.也就是说，基于上述定位系统，本实施例提出了一种新的焊接方法。具体的，请参考图3，本实施例中提供的焊接方法包括以下步骤：s11，将至少三个定位体设置在待处理工件的指定位置，并确保定位体与待处理工件相对固定；s12，相机对所述至少三个定位体的球形面进行图像采集，并将采集的图像传输给焊接机器人；s13，焊接机器人从图像中识别出各个定位体，根据所述图像中各个定位体的位置建立三维坐标系；s14，根据待处理工件与定位体的位置关系确定出待处理工件的三维空间坐标，结合待处理工件三维模型设置理论焊接路径；s15，根据所述焊接路径进行自动焊接。
37.针对于定位体设置有身份标记的情况，焊接机器人根据每个定位体的身份标记从所述图像中识别出每个定位体，继而确定出每个定位体的位置，并根据每个定位体的位置建立三维坐标系。
38.当定位体为球体时，焊接机器人根据各个定位体的球心的位置建立三维坐标系。
39.为了避免定位体的表面在焊接过程中粘附上飞溅的铁屑，可以在定位体的外侧设置保护罩，更具体而言是在焊缝与定位体之间设置保护罩。保护罩的设置方式，可以是在待焊接工件上设置保护罩，也可以是焊接机器人在焊接过程中夹持保护罩，只要是保护罩可避免定位体粘附铁屑的各种实施方式均可。
40.为了进一步保障定位的准确性，在步骤s13与s14之间，还可以包括步骤s13’，判断各个定位体之间的位置是否满足设定要求，如果不满足，则返回步骤s11，调整各个定位体在待处理工件的位置，如果满足则进入步骤s14。
41.基于上述定位系统或者上述焊接方法，本实施例中同时给出了一种焊接形变测量的方法，包括以下步骤：步骤1，在焊接前，所述相机对所述至少三个定位体的球形面进行图像采集，并将采集的图像传输给焊接机器人，由焊接机器人根据所述图像中各个定位体的位置建立三维坐标系，并得出各个定位体的位置；步骤2，在焊接后，所述相机对所述至少三个定位体的球形面进行图像采集，并将采集的图像传输给焊接机器人，由焊接机器人根据所述图像中各个定位体的位置建立三维坐标系，并得出各个定位体的位置；步骤3，比较焊接前和焊接后定位体的位置变化，根据所述位置变化确定出焊接形变量。
42.焊接变形是指焊接过程中被焊工件受到不均匀温度场的作用而产生的形状、尺寸变化，对所有熔化式焊接，在焊缝及其热影响区都存在较大的残余应力，残余应力的存在会导致焊接构件的变形、开裂并降低其承载力，焊接变形对结构安装精度有很大影响，过大的变形将显著降低结构的承载能力，因此对焊接后的形变量进行检测很有必要。上述焊接形变测量方法中，通过比较焊接前后定位体的位置变化，即可确定出焊接形变量，相较于各种检测手段，本发明测量方法更加简单，可靠。
43.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。