CN113909720A - 用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置和焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置及用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接方法。焊接装置包括焊接组件、测量组件和控制设备，焊接组件包括设置有焊接臂的焊接机器人，焊接臂的末端设置有焊枪；测量组件包括第一和第二点激光传感器，第一和第二点激光传感器构造为上下布置且彼此邻接，第一点激光传感器的指向为水平方向，第二点激光传感器的指向与水平方向成预定角度；控制设备与测量组件和焊接组件电连接；控制设备根据测量组件的测量数据得出焊缝相对于机器人焊接臂的轨迹数据，并通过对轨迹数据进行处理规划出机器人焊接臂的焊接轨迹，并控制机器人焊接臂沿着焊接轨迹实施焊接。本发明能够提高焊接效率和精度并大幅降低设备成本。

Description

用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置和焊接方法

技术领域

本发明涉及集装箱技术领域，具体而言涉及一种用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置和焊接方法。

背景技术

随着工业技术的不断发展，工业制造日益趋向于智能制造，在集装箱制造领域中已引入了视觉引导焊接技术。目前视觉引导焊接技术多采用的是线激光视觉传感器，通过识别测量特征焊缝，实现引导焊接；而线激光传感器主要通过三角成像原理实现对焊缝的识别测量，当检测目标为深波陡坡波纹板时，会因为波型过深且过陡导致图像受到陡边遮挡，无法对焊缝实现检测。

因此，需要提供一种用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置和焊接方法，以至少部分地解决上述问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了至少部分地解决上述问题，根据本发明的第一方面，提供了一种用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置，所述焊接装置包括：

焊接组件，所述焊接组件包括焊接机器人，所述焊接机器人设置有机器人焊接臂，所述机器人焊接臂的末端设置有焊枪；

测量组件，所述测量组件包括第一点激光传感器和第二点激光传感器，所述测量组件位于所述机器人焊接臂的末端，所述第一点激光传感器和所述第二点激光传感器构造为上下布置且彼此邻接，使得所述第一点激光传感器的中轴线和所述第二点激光传感器的中轴线均位于与水平面垂直的同一个垂直平面内，其中所述第一点激光传感器的指向为水平方向，所述第二点激光传感器的指向与水平方向成预定角度；

控制设备，所述控制设备与所述测量组件和所述焊接组件电连接；

其中，所述控制设备根据所述测量组件的测量数据得出焊缝相对于所述机器人焊接臂的轨迹数据，并通过对所述轨迹数据进行处理规划出所述机器人焊接臂的焊接轨迹，并控制所述机器人焊接臂沿着所述焊接轨迹实施焊接。

可选地，所述焊枪与所述测量组件构造为上下布置，使得所述焊枪的中轴线位于所述垂直平面内。

可选地，所述机器人焊接臂的末端设置有法兰，所述焊枪通过所述法兰连接至所述机器人焊接臂。

可选地，所述机器人焊接臂的末端设置有固定件，所述测量组件通过所述固定件连接至所述机器人焊接臂。

本发明还提供一种用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接方法，所述焊接方法通过上述焊接装置实施，所述焊接方法包括：

所述控制设备控制所述机器人焊接臂相对于待焊接的波纹板移动，使得所述第一点激光传感器水平地指向待焊接的波纹板，所述第二点激光传感器倾斜地指向要与所述波纹板焊接的集装箱梁的水平表面；

所述控制设备控制所述机器人焊接臂沿着Y轴方向匀速直线运动，所述Y轴方向是所述集装箱梁的轴向延伸方向，并通过所述测量组件实时采集所述机器人焊接臂距离所述波纹板的水平距离和距离所述集装箱梁的水平表面的垂直距离；

将所述测量组件测得的数据与所述机器人焊接臂的Y坐标相关联，得到焊缝相对于所述机器人焊接臂的一系列轨迹数据；

对所述一系列轨迹数据进行处理，并规划出所述机器人焊接臂的焊接轨迹；

使所述机器人焊接臂从焊接起始点沿着所述焊接轨迹运动，同时开启所述焊枪以完成焊接。

可选地，所述焊接方法还包括：计算深波陡坡波纹板的拐角位置，并且规划所述机器人焊接臂到达各个拐角位置时的姿态，使得在焊接时所述焊枪始终与焊缝垂直。

可选地，所述对所述一系列轨迹数据进行处理包括：采用限幅滤波法对所述一系列轨迹数据进行滤波处理。

可选地，所述焊接机器人是具有EGM接口的机器人，所述方法还包括：

根据采集的轨迹数据将EGM运动规划为稳定的匀速运动。

可选地，所述计算深波陡坡波纹板的拐角位置，包括：以多个连续点进行平面直线拟合并求出拟合直线斜率，根据所述拟合直线斜率的变化率确定拐角的位置。

可选地，根据采集的轨迹数据将EGM运动规划为稳定的匀速运动，具体包括：根据采集的全部数据点，将焊接轨迹规划为由预定间距的连续点组成的运动轨迹，所述预定间距介于0-1mm之间。

本发明提出的用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置和焊接方法，采用双点激光传感器对深波陡坡波纹板进行测量，将两个点激光传感器构造为上下布置，使其中轴线所在的平面与水平面垂直，从而规避了深波陡坡对三角成像造成遮挡的情况；通过焊接机器人、控制设备和双点激光传感器，能够实现集装箱深波陡坡波纹板的焊缝特征检测和焊接引导，实现对集装箱深波陡坡焊缝特征的准确检测和焊接引导。本发明可以提高焊接效率和精度，同时可以大幅降低设备成本。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1为根据本发明的用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置的示意图；

图2为根据本发明的待焊接的波纹板和集装箱梁的正面视图；以及

图3为根据本发明的待焊接的波纹板和集装箱梁的俯视图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本发明。显然，本发明的施行并不限定于该技术领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式，不应当解释为局限于这里提出的实施方式。

应当理解的是，在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施方式并且不作为本发明的限制，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。本发明中所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并非限制。

本发明中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其他含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。

以下，将参照附图对本发明的具体实施方式进行更详细地说明，这些附图示出了本发明的代表实施方式，并不是限定本发明。

本发明提供了一种用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置，如图1至图3所示，本发明的焊接装置包括焊接组件1、测量组件2和控制设备。焊接组件包括焊接机器人11，焊接机器人设置有机器人焊接臂111，机器人焊接臂111的末端设置有焊枪112；测量组件2包括第一点激光传感器21和第二点激光传感器22，测量组件2位于机器人焊接臂111的末端，第一点激光传感器21和第二点激光传感器22构造为上下布置且彼此邻接，使得第一点激光传感器21的中轴线和第二点激光传感器22的中轴线均位于与水平面垂直的同一个垂直平面内，第一点激光传感器21的指向为水平方向，第二点激光传感器22的指向与水平方向成预定角度；控制设备(例如工控机)与测量组件2和焊接组件1电连接。

通过将两个点激光传感器布置成彼此上下定位，并使第一点激光传感器指向水平方向而第二点激光传感器指向与水平方向成预定角度的方向，能够实现在测量过程中第一点激光传感器的激光发射器水平地照射待焊接的波纹板，并通过第一激光传感器的感光元件接收从波纹板反射的光线，从而可以得到机器人控制臂到波纹板的水平距离；第二点激光传感器的激光发射器倾斜地照射要与波纹板焊接的集装箱梁的水平表面，并通过第二点激光传感器的感光元件接收从该集装箱梁的水平表面反射的光线，从而可以得到机器人控制臂到该集装箱梁的水平表面的竖直距离。由于第一点激光传感器和第二点激光传感器的中轴线均位于与水平面垂直的同一个垂直平面内，根据平行四边形原理，可以得到焊缝的位置(如图3所示的波纹板与集装箱梁的水平表面的接合处)。该布置能够有效规避波纹板深波陡坡对三角成像造成遮挡的情况。

进一步地，如图1所示，焊枪112可以与测量组件2构造为上下布置，使得焊枪112的中轴线位于上述垂直平面内。该布置能够根据测量组件2测得的数据方便地得出焊枪与焊缝之间的相对位置。

进一步地，如图1所示，机器人焊接臂111的末端可以设置有法兰113，焊枪112通过法兰113连接至机器人焊接臂111。进一步地，如图1所示，机器人焊接臂111的末端设置有固定件114，测量组件2通过固定件114连接至机器人焊接臂111。

进一步地，焊接组件1还可以包括焊机，用于为焊接提供能量和材料。进一步地，焊接机器人11可以是具有EGM(Externally Guided Motion，外部引导运动)接口的ABB机器人。该ABB机器人可以与ABB机器人控制柜电连接，控制设备可以与ABB机器人控制柜电连接，例如通过以太网连接，并采用UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)通讯协议，从而实现对ABB机器人进行实时控制。此外，控制设备与测量组件2电连接，从而可以实现数据采集和数据滤波处理等。

本发明还提出一种通过上述焊接装置实施的用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接方法，如图1至图3所示，本发明的焊接方法包括以下步骤：

控制设备控制机器人焊接臂111相对于待焊接的波纹板3移动，使得第一点激光传感器21水平地指向待焊接的波纹板，第二点激光传感器22倾斜地指向要与波纹板3焊接的集装箱梁4的水平表面；

控制设备控制机器人焊接臂111沿着Y轴方向/集装箱梁4的轴向延伸方向(如图1和图3所示)匀速直线运动，并通过测量组件2实时采集机器人焊接臂111距离波纹板3的水平距离和距离集装箱梁4的水平表面(与波纹板3焊接的表面)的垂直距离；

将测量组件2测得的数据与机器人焊接臂111的Y坐标相关联，得到焊缝相对于机器人焊接臂111的一系列轨迹数据p₀(x₀,y₀,z₀)，p₁(x₁,y₁,z₁)，p₂(x₂,y₂,z₂)...p_n(x_n,y_n,z_n)；

对一系列轨迹数据p₀(x₀,y₀,z₀)，p₁(x₁,y₁,z₁)，p₂(x₂,y₂,z₂)...p_n(x_n,y_n,z_n)进行处理，并规划出机器人焊接臂111的焊接轨迹；

使机器人焊接臂111从焊接起始点沿着所述焊接轨迹运动，同时开启焊枪112以完成焊接。

进一步地，本发明的焊接方法还包括：计算深波陡坡波纹板的拐角31的位置，并且规划机器人焊接臂111到达各个拐角位置时的姿态，使得在焊接时焊枪112始终与焊缝垂直，从而保证焊接效果。

进一步地，上述对一系列轨迹数据进行处理包括：采用限幅滤波法对所述一系列轨迹数据进行滤波处理。

进一步地，焊接机器人11可以是具有EGM接口的机器人，相应地，本发明的焊接方法还包括：根据采集的轨迹数据将EGM运动规划为稳定的匀速运动。

以具有EGM接口的ABB机器人为例，可以首先启动控制程序调用ABB机器人EGM接口对ABB机器人位置进行读写，实现控制设备对ABB机器人的实时控制，然后实施上述焊接方法的步骤。EGM可以采用UDP通讯协议，通讯速度达4ms/次，机器人响应速度平均为20ms。

上述采用限幅滤波法对所述一系列轨迹数据进行滤波处理，具体可以包括：进行多次数据采集，确认两次采样的最大允许误差值，并设置最大允许误差值θ，当点p_n(x_n,y_n,z_n)大于最大允许误差θ时，则p_n点为无效数据，根据p_n点之前3个连续点拟合空间直线方程，根据空间直线方程和x_n求出点p'_n(x_n,y'_n,z'_n)代替无效点p_n。

优选地，上述采用限幅滤波法对所述一系列轨迹数据进行滤波处理，具体可以包括：进行多次数据采集，确认两次采样的最大允许误差值，并设置最大允许误差值为θ，当点p_n(x_n,y_n,z_n)满足

时，则p_n点为无效数据，根据下列空间直线方程

和p_n-1,p_n-2,p_n-3三点拟合空间直线方程，写成矩阵形式为

其中a,b,x_m,y_m为待定系数；根据拟合的空间直线方程和x_n求出点p'_n(x_n,y'_n,z'_n)代替无效点p_n。

上述根据采集的轨迹数据将EGM运动规划为稳定的匀速运动，具体可以包括：根据采集的全部数据点，将轨迹规划为由间距为d(0mm＜d＜1mm)的连续点组成的运动轨迹，从而保证EGM运动速度为稳定的匀速运动。

优选地，上述根据采集的轨迹数据将EGM运动规划为稳定的匀速运动，具体可以包括：规划EGM运动速度，根据采集的全部数据点，将轨迹规划为：由间距为d(0mm＜d＜1mm)的连续点组成的运动轨迹，从而保证EGM运动速度成匀速稳定。EGM速度与位置的关系为：speed＝k*(pos_ref-pos)+speed_ref；speed是实际速度，k是系数，pos_ref是参考位置，pos是实际位置，speed_ref是参考速度。在系数和参考速度一定的情况下，EGM的实际速度取决于参考位置和实际位置的距离，即焊接机器人当前位置与期望到达位置的距离。设期望到达位置距离为d，若点p₀与点p₁空间距离大于d，则根据p0和p₁求出p0p1的空间直线，并求出空间直线p₀p₁上，焊接机器人前进方向距离p₀距离为d的点p_0'(x_0',y_0',z_0')；再根据p_0'与p₁的距离判断是否存在满足距离为d的p_0”(x_0”,y_0”,z_0”)点，若不存在则根据p_0'与p₂点的距离判断，是否存在距离为d的p_1'(x_1',y_1',z_1')点，并将p₁点从运动轨迹中删除，以此方法将整条轨迹重新规划，从而保证EGM运动速度成匀速稳定。

为了更准确的计算出深波陡坡波纹板的拐角位置，以连续5点拟合直线，计算出波纹板的整体轮廓变化趋势，因该步骤只需计算出波纹板拐角的x坐标和y坐标，因此只需要p_n(x_n,y_n)信息即可，因此直线拟合时采用的是平面直线拟合，根据直线方程y＝ax+b的平面直线拟合方程组为

写为矩阵为

求得拟合直线斜率k₀,k₁,k₂...k_n(n≥3)；当拟合的直线斜率在直线阶段的时候的变化极小，整体趋于平稳，当斜率出现连续2次及2次以上同方向较大的变化时，则判定第一次较大变化的第一个点位为拐角起点，当斜率变化再次趋于平稳时，则判定斜率变化趋于平稳的第一个点位拐角的结束点，设定机器人在拐角起点开启进行姿态变换，至拐角结束点姿态调整为期望的焊接姿态。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“部”、“件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其他特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置，其特征在于，所述焊接装置包括：

焊接组件，所述焊接组件包括焊接机器人，所述焊接机器人设置有机器人焊接臂，所述机器人焊接臂的末端设置有焊枪；

测量组件，所述测量组件包括第一点激光传感器和第二点激光传感器，所述测量组件位于所述机器人焊接臂的末端，所述第一点激光传感器和所述第二点激光传感器构造为上下布置且彼此邻接，使得所述第一点激光传感器的中轴线和所述第二点激光传感器的中轴线均位于与水平面垂直的同一个垂直平面内，其中所述第一点激光传感器的指向为水平方向，所述第二点激光传感器的指向与水平方向成预定角度；

控制设备，所述控制设备与所述测量组件和所述焊接组件电连接；

其中，所述控制设备根据所述测量组件的测量数据得出焊缝相对于所述机器人焊接臂的轨迹数据，并通过对所述轨迹数据进行处理规划出所述机器人焊接臂的焊接轨迹，并控制所述机器人焊接臂沿着所述焊接轨迹实施焊接。

2.根据权利要求1所述的用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置，其特征在于，所述焊枪与所述测量组件构造为上下布置，使得所述焊枪的中轴线位于所述垂直平面内。

3.根据权利要求1所述的用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置，其特征在于，所述机器人焊接臂的末端设置有法兰，所述焊枪通过所述法兰连接至所述机器人焊接臂。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接装置，其特征在于，所述机器人焊接臂的末端设置有固定件，所述测量组件通过所述固定件连接至所述机器人焊接臂。

5.一种用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接方法，所述焊接方法通过权利要求1-4任一项所述的焊接装置实施，其特征在于，所述焊接方法包括：

所述控制设备控制所述机器人焊接臂相对于待焊接的波纹板移动，使得所述第一点激光传感器水平地指向待焊接的波纹板，所述第二点激光传感器倾斜地指向要与所述波纹板焊接的集装箱梁的水平表面；

所述控制设备控制所述机器人焊接臂沿着Y轴方向匀速直线运动，所述Y轴方向是所述集装箱梁的轴向延伸方向，并通过所述测量组件实时采集所述机器人焊接臂距离所述波纹板的水平距离和距离所述集装箱梁的水平表面的垂直距离；

将所述测量组件测得的数据与所述机器人焊接臂的Y坐标相关联，得到焊缝相对于所述机器人焊接臂的一系列轨迹数据；

对所述一系列轨迹数据进行处理，并规划出所述机器人焊接臂的焊接轨迹；

使所述机器人焊接臂从焊接起始点沿着所述焊接轨迹运动，同时开启所述焊枪以完成焊接。

6.根据权利要求5所述的用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接方法，其特征在于，所述方法还包括：

计算深波陡坡波纹板的拐角位置，并且规划所述机器人焊接臂到达各个拐角位置时的姿态，使得在焊接时所述焊枪始终与焊缝垂直。

7.根据权利要求5所述的用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接方法，其特征在于，所述对所述一系列轨迹数据进行处理包括：采用限幅滤波法对所述一系列轨迹数据进行滤波处理。

8.根据权利要求5所述的用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接方法，其特征在于，所述焊接机器人是具有EGM接口的机器人，所述方法还包括：

根据采集的轨迹数据将EGM运动规划为稳定的匀速运动。

9.根据权利要求6所述的用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接方法，其特征在于，所述计算深波陡坡波纹板的拐角位置，包括：以多个连续点进行平面直线拟合并求出拟合直线斜率，根据所述拟合直线斜率的变化率确定拐角的位置。

10.根据权利要求8所述的用于深波陡坡波纹板集装箱的焊接方法，其特征在于，根据采集的全部数据点，将焊接轨迹规划为由预定间距的连续点组成的运动轨迹，所述预定间距介于0-1mm之间。

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