[發(fā)明專利]一種基于三維視覺(jué)的自動(dòng)化焊接和檢測(cè)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110171644.7
• 申請(qǐng)日: 2021-02-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112958959A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊濤;彭磊;李曉曉;姜軍委;馬力;王芳;周翔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安知象光電科技有限公司
• 主分類號(hào): B23K37/00
• 分類號(hào): B23K37/00
• 代理公司: 北京科億知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

1.一種基于三維視覺(jué)自動(dòng)化焊接和檢測(cè)方法，其特征在于，包含以下步驟：

(一)搭建基于三維視覺(jué)的自動(dòng)化焊接和檢測(cè)系統(tǒng)；

(二)標(biāo)定焊接和三維視覺(jué)兩個(gè)系統(tǒng)與機(jī)器人坐標(biāo)系之間的關(guān)系；

(三)使用三維視覺(jué)對(duì)齊工件坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系；

(四)提取焊接特征，生成焊接參數(shù)；

(五)使用機(jī)器人實(shí)施焊接；

(六)檢測(cè)焊接質(zhì)量。

2.如權(quán)利要求1所述三維視覺(jué)自動(dòng)化焊接和檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(一)中，基于三維視覺(jué)的自動(dòng)化焊接和檢測(cè)系統(tǒng)，包含了用于運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、和三維視覺(jué)系統(tǒng)，以及上位機(jī)；所述機(jī)器人系統(tǒng)是調(diào)整位置和姿態(tài)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其為多軸工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，包含了機(jī)器人本體和機(jī)器人控制器。

3.如權(quán)利要求1所述三維視覺(jué)自動(dòng)化焊接和檢測(cè)方法，其特征在于，所述三維視覺(jué)系統(tǒng)用于獲取待焊接工件的三維特征信息，其是一個(gè)高精度3D相機(jī)，所述高精度指的是測(cè)量精度小于1mm；所述的3D相機(jī)是深度圖幀速率大于1幀每秒的3D相機(jī)；所述3D相機(jī)是低功耗、小體積、低重量的3D相機(jī)；所述3D相機(jī)和焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)掛載在機(jī)器人的末端。

4.如權(quán)利要求1所述三維視覺(jué)自動(dòng)化焊接和檢測(cè)方法，其特征在于，所述3D相機(jī)，優(yōu)選基于MEMS的結(jié)構(gòu)光3D相機(jī)，以滿足上述特征；上位機(jī)用于進(jìn)行特征計(jì)算和控制程序的生成。

5.如權(quán)利要求1所述三維視覺(jué)自動(dòng)化焊接和檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(二)中，分別標(biāo)定機(jī)器人和焊接系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及機(jī)器人和三維視覺(jué)系統(tǒng)之間的坐標(biāo)關(guān)系，兩個(gè)標(biāo)定過(guò)程沒(méi)有先后順序關(guān)系；以便將焊接系統(tǒng)的坐標(biāo)系和三維視覺(jué)系統(tǒng)的坐標(biāo)系都統(tǒng)一到機(jī)器人的坐標(biāo)系中。

6.如權(quán)利要求1所述三維視覺(jué)自動(dòng)化焊接和檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(三)中，包含以下步驟：

1)使用機(jī)器人系統(tǒng)將3D相機(jī)指向工件所在的區(qū)域，3D相機(jī)的所在的距離在其工作范圍內(nèi)；2)使用3D相機(jī)拍攝工件的點(diǎn)云圖；3)使用基于點(diǎn)云特征的配準(zhǔn)方法，將拍攝到的點(diǎn)云與數(shù)字三維模型的點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)；4)計(jì)算工件坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

7.如權(quán)利要求1所述三維視覺(jué)自動(dòng)化焊接和檢測(cè)方法，其特征在于，

所述數(shù)字三維模型的來(lái)源包含但不限于：使用機(jī)器人末端的3D相機(jī)進(jìn)行掃描、拼接、點(diǎn)云融合逆向得到；使用三維CAD軟件建模；使用既有模型進(jìn)行變換；按照以下方式優(yōu)選數(shù)字三維模型，在具有原始CAD設(shè)計(jì)三維模型，并且工件的一致性較好的情況下，選擇設(shè)計(jì)的CAD三維數(shù)字模型，否則優(yōu)選逆向得到的數(shù)字三維模型。

8.如權(quán)利要求1所述三維視覺(jué)自動(dòng)化焊接和檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(四)中，在完成步驟(三)的找正后，按照預(yù)先定義的拍照位置，依次配設(shè)點(diǎn)云，從點(diǎn)云中提取焊接特征；所述的焊接特征至少包含以下特征中的一種：焊縫的軌跡、寬度、焊縫起點(diǎn)和終點(diǎn)、圓弧的半徑和圓心、平面的交線、曲面和平面的交線、曲面和曲面的交線。

9.如權(quán)利要求1所述三維視覺(jué)自動(dòng)化焊接和檢測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(五)中，包含以下步驟：

1)使用步驟(四)提供的特征參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)化編程機(jī)器人的焊接軌跡和焊接姿態(tài)；

本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，此處使用步驟(四)提供的焊縫特征和法線特征，直接根據(jù)計(jì)算機(jī)程序計(jì)算機(jī)器人的軌跡和姿態(tài)，生成機(jī)器人控制參數(shù)；

2)使用機(jī)器人和附屬機(jī)構(gòu)(焊接系統(tǒng)和三維視覺(jué)系統(tǒng))的信息，以及焊接軌跡和姿態(tài)信息進(jìn)行干涉檢查，防止在焊接過(guò)程中發(fā)生碰撞；

3)實(shí)施焊接：關(guān)閉三維視覺(jué)系統(tǒng)，啟動(dòng)焊接系統(tǒng)，按照步驟五中得到的機(jī)器人控制程序，控制機(jī)器人進(jìn)行焊接，完成該工序后，關(guān)閉焊接系統(tǒng)，啟動(dòng)三維視覺(jué)系統(tǒng)。

10.如權(quán)利要求1所述三維視覺(jué)自動(dòng)化焊接和檢測(cè)方法，其特征在于，

所述步驟(六)中，其特征是包含以下子步驟：

1)使用機(jī)器人末端的三維視覺(jué)系統(tǒng)拍攝步驟(五)中的焊接處的三維點(diǎn)云；其拍攝方式是，根據(jù)步驟(五)中軌跡和三維視覺(jué)系統(tǒng)的視場(chǎng)大小，計(jì)算拍照位置，保證每次拍照至少有30％的區(qū)域重合；然后使用數(shù)字模型計(jì)算拍照姿態(tài)，使得拍照的方向和拍攝位置處的工件表面的主法矢量平行；依次拍攝焊接位置處的點(diǎn)云；使用機(jī)器人的位姿進(jìn)行初拼接；使用ICP法進(jìn)行全局優(yōu)化，得到全部焊接位置的點(diǎn)云；

所述焊接位置的點(diǎn)云是一片點(diǎn)云，或者多片獨(dú)立的點(diǎn)云；其取決于焊接位置的分布是否連續(xù)；

2)將上述逆向的含有焊縫信息的點(diǎn)云和原始數(shù)字三維模型的點(diǎn)云進(jìn)行比對(duì)，求解出焊接質(zhì)量參數(shù)；該步驟特征在于，首先將此處逆向得到的點(diǎn)云和原始點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，然后在逆向點(diǎn)云各點(diǎn)的空間領(lǐng)域內(nèi)求取最近點(diǎn)的距離D，當(dāng)距離值D在閾值以下時(shí)舍棄對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云，保留閾值以上的點(diǎn)；此時(shí)選中的即為焊縫點(diǎn)云，分段計(jì)算焊縫點(diǎn)云的平均距離D_a和極大值D_max，以及點(diǎn)云的平均坐標(biāo)值P(X_a,Y_a,Z_a),使用上述參數(shù)參照經(jīng)驗(yàn)閾值，判斷焊縫的質(zhì)量是否合格，以及是否有漏焊；

3)輸出檢測(cè)結(jié)果，供計(jì)算機(jī)或人工決定后序操作。