[发明专利]基于FPGA的远程监控移动式机器人自主焊接系统及方法

说明书

技术领域

本发明专利属于焊接装备领域，尤其涉及一种基于FPGA的远程监控移动式机器人自主焊接系统及方法。

背景技术

随着焊接技术的不断发展以及焊接技工的缺乏，焊接机器人的应用越来越广泛，但是现有的固定式六自由度焊接机器人都普遍存在以下缺点和不足：

①焊接机器人的体积太大，不便于灵活移动，只能在固定的地点作业。焊接机器人作业时需要较大的作业空间，难以在狭小的空间作业；

②固定式焊接机器人行程有限，对于大构件长焊缝，如船舶合拢口焊缝，其无法一次焊完全部焊缝，只能分段焊接，影响焊接质量和效率；

③现有的焊接机器人是按照预先编程或示教好的固定轨迹焊接，然而每次工件加工和装配的位置会有差别，如果一次示教然后都按照预先给定的轨迹焊接会产生焊接位置的偏差，而如果每个工件都进行示教则工作量很大；

④有时候特殊的焊缝，焊接机器人无法实时调节，就需要人工手动操作机器人，但是现有的机器人在工作时不能远程显示焊接场景的图像，工人必须近距离肉眼观察焊缝，很不方便，而且强烈的弧光也会对人体产生伤害。

⑤机器人成本太高，一台机器人的价格至少十几万元，加大了生产制造的成本。

因此，开发爬行式自主焊接机器人，实现焊接场景的远程视频显示以及机器人远程控制操作，在焊接过程中自主实时调整焊枪位置以适应和补偿件加工和装配的误差，不需焊前示教，具有很大的应用价值工。

发明内容

基于FPGA的远程监控移动式机器人自主焊接系统，其特征在于，所述系统包括：焊接机器人、焊缝位置检测传感器系统、控制柜和基于FPGA的远程操作控制器；所述

焊接机器人，用于夹持焊枪及搭载传感器系统，并驱动焊枪在X、Y和Z三维方向的运动；

焊缝位置检测传感器系统，将所述Z方向的位置信号、折线激光图像和焊接场景视频发送给远程操作控制器；

远程操作控制器，设置焊接参数值，显示远程焊接场景视频，计算出焊枪在Y方向和Z方向所需要运动的距离，并向控制柜发送脉冲和方向信号，对焊枪在Y方向和Z方向的位置进行自动调节；

控制柜，用于控制步进电机的转动，进而调节焊枪在Y方向和Z方向的位置。

基于FPGA的远程监控移动式机器人自主焊接方法，包括：

测量焊枪端部与焊缝在Z方向上的距离，激光测距传感器发出的激光遇到焊缝后反射，测距传感器记录发射和接收到反射激光的时间差；

远程操作控制器中的激光测距信号采集模块对激光测距传感器的信号进行采集，并经过测距信号数据处理模块转化为焊枪端部与焊缝在Z方向上的实际距离值，将该距离值和焊接前设定的Z方向基准距离作比较，通过定时采样插补算法，计算出焊枪在Z方向需要运动的距离和方向；

发送脉冲和方向信号，并根据所述信号调节焊枪在Z方向的位置。

或

拍摄激光和焊缝坡口图像，对所述图像进行预处理；通过预处理的图像提取激光线的拐点，得到焊缝中心点位置，并计算焊枪与焊缝在Y方向的距离；

将该距离值和焊接前设定的焊枪与焊缝在Y方向的基准距离作比较，通过定时采样插补算法，计算出焊枪在Y方向需要运动的距离和方向；

并向控制柜发送脉冲和方向信号，调节焊枪在Y方向的位置；进行焊缝跟踪，实现自主焊接。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

远程操作控制器根据焊缝位置检测传感器系统所检测的位置信息，计算焊枪偏离焊缝的差值，并通过定时采样插补算法，纠正机器人的焊接路线，使焊枪在Y方向上对准焊缝中心，在Z方向上焊枪端部与焊缝的距离始终保持恒定值，从而进行焊缝跟踪，实现自主焊接。同时焊接场景视频能够实时显示在远程操作控制器的图像显示屏上,便于焊接人员根据焊接场景视频远程手动调整机器人运动，实现焊接位置的实时调节。

附图说明

图1基于FPGA的远程监控移动式自主焊接机器人系统结构图；

图2焊接机器人机械原理图；

图3焊缝位置检测传感器系统装置图；

图4线阵激光束作为强光辅助光源增强焊缝中心点特征示意图；

图5线阵激光束作为强光辅助光源的实际效果图；

图6焊缝图像预处理流程图；

图7远程操作控制器系统原理图；

图8定时采样插补算法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。