用于控制焊接工件的机器人的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于控制焊接三维工件的机器人的方法，包括下述步骤：将型材（３）放置和粗焊到板（２）上以形成待焊接的工件（１）；通过三维成像系统以三维像素的形式描绘所述工件；由所述三维像素确定所述板和型材的几何数据，包括切口和终止切割形状的分布；在考虑到型材放置线和型材的接触线的同时由所述几何数据确定焊缝数据；将所述焊缝数据分配给关于焊接方案的可用参数表示的规范，分配给所存储的、机器人的预定运动图案，以及分配给用于控制焊接过程的指令。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于控制焊接三维工件的机器人的方法。
技术介绍
在造船中使用包括钢板和焊接在钢板上的加强型材的微面板。最初，不同 类型的加强型材被点焊到钢板上，随后由曲臂机器人或门式焊接单元进行焊接。所述型材按不同的型材形状、尺度和终止切割边缘(end cut edge)进行区分， 型材可以以任何方式布置在钢板上。然而，特别是在件数小的情况下，例如对 于造船中的微面板，用于轨道焊接的焊接机器人的运动编程在整体上具有不相 称的高复杂性，除非是自动化的制造过程。目前，造船中用于焊接三维工件的几乎所有编程方法都是基于获取相应的 CAD数据并随后转换该数据。除了接口问题和不同CAD程序及其输出数据文 件(所述输出数据文件用于通常使用的CAM模块)的兼容性问题之外，这些编 程方法与极度限制对临时改变待焊接部件的构造性特征或技术特征作出反应有 关。如果由于型材丢失、型材具有构造性增添或型材的布置发生变化而使面板 临时发生变化，则尽管还是原来的，但是相关的机器人程序不再运行。先前方 式的另 一个问题是需要依据机器人程序来调整工件的方向，或者对应于部件的 位置而替换和重定向程序。在现有技术中，已知另 一种用于对焊接机器人进行控制和编程的方法(EP 1 188 510 A2),在该方法中，通过照相机产生其上分布有工件的构造模板的二维 照片。根据图像数据，程序通过对比度差识别平面视图中的型材线。这种方法 的限制在于既不能识别型材高度，即竖直接缝的长度，也不能识别型材的切口 及不同的起始切割边缘和终止切割边缘。此外，为了将程序初始化，需要来自 操作者的相对全面的交互输入，所述输入特别是描述了焊缝的起始条件和终止条件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种用于控制焊接三维工件的机器人的方法，利用该方法，不要求提供待焊接工件的CAD数据，该方法自动确定水平和竖直方向应。根据本专利技术，上述目的通过独立权利要求的特征来实现。由于从属权利要求中给出的方案，可以得到有利的扩展和改进。由于通过三维图像检测系统以三维像素的形式对待焊接工件(其被构造为板，在该板上具有点焊的型材)进行成像，并且由所述三维像素确定板的几何数据和型材的几何数据，在考虑到型材放置线和型材的接触线的情况下由所述几何数据确定焊缝数据，且焊缝数据被分配给所存储的、机器人的预定义的运动图案和用于控制焊接过程的指令，因此，能够生成与工件的CAD数据无关的程序，作为控制机器人的方法。这种类型的程序生成在时间和位置上是直接的，变化而出现错误。对于根据本专利技术的方法，图像检测系统直接提供进一步处理被测目标所需的点云(三维像素)。这些点云是具有n行3列的矩阵，其中n行对应于测量点的数量，3列对应于空间的三个维度。直接基于该三维点云实现3D几何数据处理，即分割(将关于目标的点与背景分离，将基板的点与型材的点分离，将型材的点彼此分离)、特征提取(根据分割的点云建立型材的路线)、根据型材的特性考查各个型材的局部点云，诸如起始切割边缘和终止切割边缘、烧穿部分或咬边(undercut )、高度等。由于3D图像检测和3D图像处理的原因，可以避免在2D测量技术中所需的、用于生成焊接程序或与构造数据耦合的交互式用户输入。因此，按照根据本专利技术的方法运行的系统可以认为是全自动的。可提及的其它优点是关于紧接在操作之前生成程序；参考当前出现的部件几何来生成程序；任何的部件定位和定向，考虑到所有的空间坐标，结果，还能够同时保证接近但不会碰撞。所述方法能够容易地适应现有的门式机器人系统，并且，由于根据本专利技术的方法，在生产中获得了很大的灵活性。能够提供任何被检测目标点的空间坐标的任何传感器方案都能够用于图像检测。数据的分辨率(即，点密度)越高，对细节的识别越好。有利的是通过3D激光扫描仪检测工件的图像，所述3D激光扫描仪从数个单独的画面获得待焊接工件的空间数字模型。利用至少一个图案投影仪和至少一个照相机利用指定的估计也可以进行三维图像坐标的检测。附图说明根据本专利技术的方法的实施例将在后续描述中参考附图更加详细地予以说明。在附图中图1为被构造作为微面板的待焊接工件的透视图；图2为另一工件的示图；以及图3是用于校准实施例中所使用的激光扫描仪的通过标记方案。具体实施例方式在图1和图2中以简化的方式示出两个微面板1,微面板1通常包括通常用于造船的钢板2，且具有点焊在钢板2上的钢制型材3，其表面积大体上不超过3mxl6m。所示微面板是仅仅以示意性方式构造的，通常钢板2设有烧穿部分6和咬边，且型材3的数量也更大。通过机器人(例如曲臂机器人)焊接这些微面板1,即型材3和钢板2,旨在以自动方式控制所述焊4妄。为此，在型材3和钢板2之间必须确定x-y平面上的焊接线，并且在型材3之间必须确定z方向上的焊接线。于是，在本实施例中利用3D激光扫描仪来扫描所放置的微面板1，根据待检测的工作区域的尺寸，独立于扫描仪的记录视域而从不同的入射角度形成足够多的局部照片。通过各个图像相互间的已知的位置和方位的几何关系，由这些单独的照片生成具有待处理面^反1的工作空间的三维图像。因此，整个图像在三维坐标系中以像素呈现。然后根据被拍照的场景的图像数据，确定工作空间内的工件或微面板1的几何数据。为此，将与背景有关的数据与实际的工件数据分离，通常，工作台的构造支撑平面上方的所有测量点都为工件点，而此平面上或此平面以下的点为背景点。接着，确定钢板2的法向矢量，并且借助于该矢量，将坐标转换到工件坐标系内，所述工件坐标系的x-y平面对应于钢^反平面，且所述工件坐标系的z轴与该特定法向矢量一致。型材3在钢板表面上的路线对于焊缝的位置非常重要。为了确定这些路线，必须过滤出产生穿透钢板2表面的型材区域的型材数据。这些穿透线(例如型材平面与面板平面穿透的那些线)与型材路线对应。为了确定型材的表面积，将钢板2的表面的像素与型材3的表面的像素分离。由于型材点明显都位于钢板2的水平面上方，所以z坐标的值能够用于区分和分配各个点。通过观察不同的高度层，通过分离面板平面上方的坐标，能够明确地将像素分成型材点和面板或钢板点。在图1和图2中，示出面板1的简单形式，然而，面板1的形式可以有很多变化，并且可以变得复杂，具有凹陷和咬边。为了能够清晰地界定大的结构和背景，需要确定面板或钢板2的轮廓。为了明确地识别边缘点，将预先与其余部分分离的面板点组合，使得能够不再彼此区分z坐标。然后，关于边缘点，通过行和列考查如此确定的局部点云。为了确定型材3的放置线(所述放置线为路线，沿着所述路线，型材3通过其直立表面被点焊到钢板2上)，需要在型材的相应像素内确定相干结构，以便能够将不同直线的路线彼此分离。为此，将点之间的间隔考虑在内，与搜索轮廓类似，通过行和列考查型材点云，以确定各结构或结构片断，然后由此通过分类来组合型材路线。为了能够得到与后续焊缝的精确路线相关的明确的信息，必须确定型材3相互之间的相交点4、 5 (见图2)及其内、外侧，因为相交边是由此确定的，其中，将型材3彼此连接的向上的缝在所述相交边上延伸。需要将相交点分成一侧相交点4和两侧相交点5。如果两个型材元件接触，则相交点是一侧的，且 需要两条竖直焊缝，如果两个型材元件彼此相交，则相交点是两侧的，且需要 四条竖直焊缝。相交的直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制焊接三维工件的机器人的方法，包括以下步骤：　将型材（３）放置和点焊到板（２）上以形成待焊接工件（１）；　通过三维图像检测系统以三维像素的形式对所述工件进行成像；　由所述三维像素确定所述板的几何数据和包括指定切口 和终止切割边缘的所述型材的几何数据；　在考虑型材放置线和型材的接触线的情况下由所述几何数据确定焊缝数据；　将所述焊缝数据分配给关于焊接方案的可用参数表示的规范，分配给所存储的、机器人的预定运动图案以及分配给用于控制和调节焊接过程 的指令。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁克里斯托弗万纳，亚历山大崔西，乌维普弗莱特斯切尔，
申请(专利权)人：费劳恩霍弗应用技术研究院，罗斯托克大学，
类型：发明
国别省市：DE[]