一种蒙皮骨架激光自动焊接方法、装置及电子设备

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，具体涉及基于三维视觉路径规划的蒙皮骨架激光自动焊接方法。

背景技术

随着各型导弹、运载火箭等各类飞行器的飞行速度与飞行高度有了较大提升，单位载荷增加，因此对于导弹舵和翼面的强度有了较高要求。由于蒙皮骨架结构具有良好的气动外形和力学结构，因此被广泛用于各型导弹、运载火箭中的导弹舵和翼面。对于骨架厚度较薄，加强筋较窄，蒙皮较薄的情况，激光焊具有焊接束斑小，能量密度，焊接速度高、焊缝及热影响区窄和焊接变形小等优点，可以运用于蒙皮骨架焊接。金属骨架构件结构复杂，蒙皮与骨架之间进行焊接的焊缝轨迹较为复杂，生产过程中使用多轴工业机器人搭载激光焊接设备进行焊接，针对工件之间的一致性较差，需要人工对每一工件进行示教。在进行大规模生产时，时间成本较高，人工示教时易产生人为误差，降低焊缝精度与成型质量。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的在于减少生产过程中的人为误差与时间成本，提高产品的良品率与生产效率，提供了一种通过控制系统控制三维视觉扫描设备采集点云数据，进行三维模型重建，得到高精度的三维模型，进行智能路径规划，控制搭载激光设备的工业机器人进行焊接的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：本发明提供了一种基于三维视觉路径规划的蒙皮骨架激光自动焊接方法，包括：

S1：控制系统通过扫描设备对工件进行扫描，获取工件的三维点云数据，并上传至控制系统中，获得工件的位置信息；

S2：控制系统通过S1中获得的三维点云数据和位置信息对搬运机器人进行位姿控制，机器人末端的吸附抓手对工件进行吸附抓取，将工件安装到工作台上，工装进行夹紧；

S3：控制系统通过扫描设备采集处于工作台上的工件，采集三维点云数据，并对采集到的云数据进行降噪处理，对通过降噪处理后的三维点云数据进行三维模型重构，获得一新的三维模型，根据该新的三维模型进行焊接路径规划；

S4：控制系统根据S3中的三维点云数据和位置信息对搬运机器人进行位姿调整，将蒙皮装配到工件上；

S5：控制系统根据焊接路径和焊接参数控制搭载焊接设备的机器人对工件进行焊接。

优选地，在S3中，设获得的三维点云数据为R，在坐标点R中，对于Z轴坐标进行降序排列，将R分为三部分，同时设立误差值deltaX，deltaY，deltaZ；

deltaX＝(Xi/Xmean))*100

deltaY＝(Yi/Ymean))*100

deltaZ＝(Zi/Zmean))*100

其中i＝1,2,3......n，Xi，Yi，Zi为当前坐标点中的元素的Z方向上的坐标；对坐标点R中所有元素的前k个元素进行分成100～200份分段遍历，每份数据将最高和最小值去除，将获得所有平均值后再做平均得到如下所示的Xmean，Ymean，Zmean；

其中100≤m≤200；

当deltaX，deltaY，deltaZ的范围在80～120之间，则可认为是非噪音点，若deltaX，deltaY，deltaZ值低于80或者高于120，则该点为噪音点，并将该点从坐标点R中舍去。

优选地，工件的三维点云数据包含工件的三维模型在空间坐标系中的(X，Y，Z)坐标，工件的位置信息为搬运机器人柔性吸附抓取装置末端触手需移动到的空间坐标。

优选地，所述控制系统控制三维视觉扫描设备扫描工件，三维视觉扫描设备通过激光照相机，对工件进行激光线网格扫描，获得工件的三维点云数据，上传至控制系统中，获得工件位置信息。

本发明还提供了一种激光自动焊接装置，包括控制系统，所述控制系统用于对整个焊接过程进行控制，控制系统设置在工业控制柜内；

还包括定位工装和变位机的工作台，工业机器人A搭载柔性吸附抓取装置抓取金属骨架工件安装至工作台并将蒙皮装配至工件上，工业机器人B搭载三维视觉设备扫描工作台上的工件，工业机器人C搭载激光焊接设备对工作台上的工件进行焊接。

本发明还提供了一种电子设备，包括控制系统，控制系统内存储有计算机程序，所述控制系统执行所述程序时实现如上述任一种所述的方法。

本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被控制系统执行时实现如上述任一种所述的方法，

本发明的有益效果在于：

本发明提供的自动焊接方法、自动焊接装置、电子设备，采用高精度三维视觉扫描设备，精度较高。

相比于传统的人工焊接，机器人通过三维点云数据进行精确路径规划，并进行降噪处理，焊接精度较高，从安装工件到路径规划，实现全自动化，降低了人工成本；数据库中采用成熟的焊接参数，焊缝成形好。

由于采集会将空间中其他物体一同扫描，从而采集到本不属于金属工件本身的三维点云数据，因此需对采集到的云数据进行降噪处理，而本发明利用降噪后，可以将三维点云数据中的不属于金属骨架三维点云数据的噪音点，以及离金属骨架三维点云数据较远的三维点云数据去除，从而减少算法处理三维点云数据的数据量，提高效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例提供的基于三维视觉路径规划的蒙皮骨架激光自动焊接方法流程示意图一。

图2为本发明的焊接流程示意图一。

图3为本发明的焊接流程示意图二。

图4为本发明的焊接流程示意图三。

图5为本发明提供的激光自动焊接装置示意图。

图6为金属骨架的示意图。

图7为蒙皮的示意图。

附图标记说明：

1-工作台，2-工业机器人A，3-柔性吸附抓取装置，4-金属骨架，5-蒙皮，6-工业机器人B，7-三维视觉设备，8-工业机器人C，9-激光焊接设备，10-工业控制柜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

实施例：

如图1所示，本发明提供了一种基于三维视觉路径规划的蒙皮骨架激光自动焊接方法，三维视觉扫描设备采集金属骨架的三维点云数据与位置信息，控制系统根据采集的三维点云数据进行三维模型重构，得到高精度的三维模型，提取焊缝特征，进行路径规划，并根据接头形式从数据库选取焊接参数，具体包括：

S1：控制系统控制三维视觉扫描设备扫描工件(即金属骨架)，三维视觉扫描设备通过激光照相机，对工件进行激光线网格扫描，获得工件的三维点云数据，上传至控制系统中，获得工件位置信息，三维点云数据包含工件的三维模型在空间坐标系中的(X，Y，Z)坐标，工件的位置信息为搬运机器人柔性吸附抓取装置末端触手需移动到的空间坐标。

S2：控制系统利用S1中采集的三维点云数据与位置信息对搬运机器人进行精确的位姿控制，机器人末端的吸附抓手对工件进行吸附抓取，将工件精准安装到工作台上，工装进行夹紧。

S3：控制系统控制三维扫描设备扫描工作台上的工件，采集三维点云数据，对获得三维点云数据进行降噪处理，获得的三维点云数据为R，在坐标点R中，对于Z轴坐标进行降序排列，将R分为三部分，同时设立误差值deltaX，deltaY，deltaZ；

deltaX＝(Xi/Xmean))*100

deltaY＝(Yi/Ymean))*100

deltaZ＝(Zi/Zmean))*100

其中i＝1,2,3......n，Xi，Yi，Zi为当前坐标点中的元素的Z方向上的坐标；对坐标点R中所有元素的前k个元素进行分成100～200份分段遍历，每份数据将最高和最小值去除，将获得所有平均值后再做平均得到如下所示的Xmean，Ymean，Zmean；

其中100≤m≤200；

当deltaX，deltaY，deltaZ的范围在80～120之间，则可认为是非噪音点，若deltaX，deltaY，deltaZ值低于80或者高于120，则该点为噪音点，需将该点从坐标点R中舍去。

S4：控制系统利用S3中降噪后的三维点云数据与位置信息对搬运机器人精确位姿调整，将蒙皮精准装配到金属骨架上，装配误差在0.3mm以内。

S5：控制系统根据焊缝路径与焊接参数控制搭载激光焊接设备的工业机器人对工件进行焊接。

本发明还提供了一种激光自动焊接装置，为实现焊接需要三台工业机器人，一个包括定位工装与变位机的工作台1，一套激光焊接设备9，一套三维视觉扫描设备7以及控制系统，其中控制系统设置在工业控制柜10内；

工业机器人B6搭载三维视觉设备7扫描工作台1上的工件,工业机器人A搭载柔性吸附抓取装置3抓取金属骨架4工件安装至工作台1，并将蒙皮5装配至工件上，工业机器人C8搭载激光焊接设备9对工作台上的工件进行焊接，具体的：

工业机器人B6利用三维扫描设备7扫描待焊金属骨架4获得点云数据与位置信息，工业机器人B6上的吸附抓取装置3将骨架水平方向放置在工作台1上，工装夹紧。三维视觉扫描设备7扫描工作台1上待焊金属骨架4，采集此时待焊金属骨架4表面的三维点云数据上传至控制系统中，控制系统中对数据进行处理；

工业机器人A2吸附抓取蒙皮5，控制系统通过工件的三维点云数据与位置信息，对机器人进行精确的位姿调整，将蒙皮5安装至金属骨架4上。若蒙皮5与金属骨架4之间的间隙大于0.3mm，则装配不合格，需要进行重新装配；

控制系统对采集到的三维点云数据进行降噪处理并进行三维模型重构，进行路径规划，控制系统中预置焊接参数数据库，根据工件型号与接头形式选取适当的焊接参数。

其中，搬运机器人(机器人A)采用库卡公司生产的KUKA KR30系列工业机器人，负载能力为30kg。焊接机器人(机器人C)采用库卡公司生产的KUKA KR60系列机器人，负载能力为60kg。扫描机器人(机器人B)采用库卡公司生产的KUKA KR5系列机器人,负载能力为5kg。三维视觉扫描设备采用威布公司生产的三维跟踪式激光无线三维扫描仪FreeTraScan，包含高精密工业级立体视觉传感器与激光器，利用激光线网格扫描技术，扫描速率为480000次/秒，扫描分辨率为0.05mm，测量精度为0.03mm，体积精度0.020+0.025mm/m。激光焊接设备采用HWF20，最大输出功率为2kW,具备连续和模拟脉冲输出两种模式，波长为1060nm；

三维视觉扫描设备搭载在工业机器人末端，末端运动到工件运输流水线上方，三维视觉扫描设备上的立体视觉传感器与激光发生器开始工作，扫描仪开始扫描工件，获得工件的三维点云数据并上传至控制系统中，控制系统生成位置信息，控制系统根据位置信息对搬运机器人进行精确的位姿调整，吸附抓取工件将其安装在工作台上，安装完成后，工装自动夹紧。搬运机器人在抓取蒙皮安装在工件上，若蒙皮与金属骨架之间的间隙大于0.3mm，则装配不合格，需要进行重新装配；

装配完毕后，控制系统对得到三维点云数据进行降噪处理和三维重建，进行路径规划，从数据库中选取合适的工艺参数，并自动生成机器人程序；其中，蒙皮和骨架梯形边进行搭接的焊接程序为directory1(其中directory1包括工业机器人末端以机器人基座标系为基准在空间中的行驶路径，以及末端的行驶速度，该路径为蒙皮与梯形边进行焊接时的行驶路径，末端的行驶速度即为调用的目录1中的焊接速度；目录1为焊接速度，即焊接过程中末端的行驶速度，激光器功率)，骨架加强筋和蒙皮进行对接的焊接程序为directory2(directory2包括工业机器人末端以机器人基座标系为基准在空间中行驶路径，以及末端的行驶速度，该路径为骨架与蒙皮进行穿透焊接时的行驶路径，末端的行驶速度即为调用的目录2中的焊接速度；目录2为焊接速度，即焊接过程中末端的行驶速度，激光器功率)。控制系统从预置数据库中调用目录1(为焊接速度、激光装置功率)，确定焊接参数，将其反馈到directory1。从数据库中调用目录2，确定焊接参数，将其反馈到directory2；

控制系统中准备了三个程序directoryA，directoryB和directoryC，其中，directoryA，B，C为预先存放在控制系统的存储硬盘中，包含内容为工业机器人末端以机器人基座标系为基准在空间中的行驶路径，以及末端的行驶速度，该路径为工业机器人从初始安全位置行驶到蒙皮骨架上方50mm处的安全位置的行驶路径，等待下一步指令，进入directory1焊接程序；

directoryB中路径为工业机器人执行完directory1中最后一个坐标点行驶到蒙皮骨架上方50mm处安全位置的行驶路径；

directoryC中路径为工业机器人执行完directory2中最后一个坐标点行驶到蒙皮骨架上方50mm处安全位置的行驶路径；

将directoryA设置在directory1之前，directoryB设置在directory2之前。首先执行directoryA，机器人行进到安全位置准备进行焊接。机器人执行directory1对蒙皮与梯形边进行焊接，directory1执行完毕后，梯形边与蒙皮焊接完成。之后，机器人执行directoryB，让焊枪处于一个安全位置。机器人执行directory2，对骨架与蒙皮进行焊接。directory2执行结束后，执行directoryC，焊枪回到安全位置。

下面对本发明的电子设备进行描述，包括控制系统，该控制系统设置在工业控制柜内，具体可以包括ARM-V7处理器、KLI千兆网口、铜芯网线连接控制系统与三个工业机器人以及激光装置，控制系统能够执行自动焊接的方法，该方法包括：

S1：控制系统通过扫描设备对工件进行扫描，获取工件的三维点云数据，并上传至控制系统中，获得工件的位置信息；

S2：控制系统通过S1中获得的三维点云数据和位置信息对搬运机器人进行位姿控制，机器人末端的吸附抓手对工件进行吸附抓取，将工件安装到工作台上，工装进行夹紧；

S3：控制系统通过扫描设备采集处于工作台上的工件，采集三维点云数据，并对采集到的云数据进行降噪处理，对通过降噪处理后的三维点云数据进行三维模型重构，获得一新的三维模型(由三维点云数据组成的三维模型，三维点云数据包含三维坐标)，根据该新的三维模型进行焊接路径规划；

S4：控制系统根据S3中降噪后的三维点云数据和位置信息对搬运机器人进行位姿调整，将蒙皮装配到工件上；

S5：控制系统根据焊接路径和焊接参数控制搭载焊接设备的机器人对工件进行焊接。

此外，本发明还提供了一种计算机程序产品，包括上述生成的计算机程序，计算机程序可存储在计算机可读存储介质上，计算机程序被控制系统执行时，能够实现上述的自动焊接的方法，该方法包括：

S1：控制系统通过扫描设备对工件进行扫描，获取工件的三维点云数据，并上传至控制系统中，获得工件的位置信息；

S2：控制系统通过S1中获得的三维点云数据和位置信息对搬运机器人进行位姿控制，机器人末端的吸附抓手对工件进行吸附抓取，将工件安装到工作台上，工装进行夹紧；

S3：控制系统通过扫描设备采集处于工作台上的工件，采集三维点云数据，并对采集到的云数据进行降噪处理，对通过降噪处理后的三维点云数据进行三维模型重构，获得一新的三维模型(由三维点云数据组成的三维模型，三维点云数据包含三维坐标)，根据该新的三维模型进行焊接路径规划；

S4：控制系统根据S3中降噪后的三维点云数据和位置信息对搬运机器人进行位姿调整，将蒙皮装配到工件上；

S5：控制系统根据焊接路径和焊接参数控制搭载焊接设备的机器人对工件进行焊接。

通过以上的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。