具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使本发明全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

此外，附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

下面实施例中的步骤序号仅用于表示不同的执行内容，并不严格限定步骤之间的执行顺序。具体描述时使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及不同实施例中的特征可以相互组合。

图1示出实施例中基于焊缝跟踪的波纹板焊接方法的主要步骤，参照图1所示，本实施例中基于焊缝跟踪的波纹板焊接方法包括：在步骤S110中，在行走轴上安装激光传感器和机器人，使激光传感器前置于机器人，且激光传感器和机器人分别与工控机建立通信；在步骤S120中，标定机器人的世界坐标系和激光传感器的激光坐标系；在步骤S130中，基于待焊接的波纹板的波纹特征，对机器人进行示教；在步骤S140中，焊接过程中，激光传感器扫描波纹板的焊缝并实时传输坐标，工控机根据波纹特征和获取的坐标，规划跟踪焊缝的焊接轨迹，机器人根据标定和示教，沿跟踪焊缝的焊接轨迹焊接波纹板。

上述的波纹板焊接方法，通过将激光传感器沿焊接行进方向前置于机器人，实现焊接过程中激光传感器前置扫描，机器人后置焊接；并且，激光传感器和机器人分别与工控机通信，工控机能够根据波纹特征和激光传感器采集的坐标信息，规划指导机器人跟踪焊缝的焊接轨迹，使机器人沿着焊缝实现对波纹板的自动焊接；从而，本发明能够实现波纹板的自动焊缝跟踪，满足集装箱行业波纹板自动焊接的需求，大大提高生产效率。

图2示出实施例中波纹板焊接系统的俯视结构，参照图2所示，激光传感器11与机器人12均安装于行走轴20，激光传感器11的扫描中心点与机器人12的工具中心点之间至少间隔波纹板30的一个波纹300，以确保激光传感器11至少前置扫描一个波纹，供工控机进行焊接轨迹规划。

激光传感器11与机器人12可通过滑台21安装于行走轴20。安装机器人12时，使机器人12的+X方向或+Y方向与行走轴20的焊接行进方向X反向平行。本实施例中采用的机器人12具体是六关节工业机器人，其+X方向和+Y方向在出厂时即已设定。

图3示出实施例中波纹板焊接系统的剖视结构，其中主要示出激光传感器11的工作原理，激光传感器11的照射区域集中于波纹板30的焊缝位置，也即波纹板30与底框31的交界处。

图4示出实施例中激光传感器、工控机和机器人之间的通信原理。参照图4所示，工控机40作为通讯处理的总站，激光传感器11和机器人12是通讯处理的从站。激光传感器11与机器人12之间通过工控机40实现通信，三者共同组成一个局域网。激光传感器11与工控机40之间可通过Ethernet进行通讯，工控机40与机器人12之间可通过Modbus TCP协议进行通讯。

在焊接过程中，激光传感器11用于进行图像处理，扫描焊缝并激光识别出焊缝位置坐标发送给工控机40；工控机40基于波纹板的图纸信息和获取的坐标信息，对机器人的焊接轨迹进行规划，并将激光传感器扫描的示教点信息发送给机器人12；机器人12接收示教点信息，对焊接轨迹进行坐标转换，执行焊接程序。

下面结合具体的示例，对焊接时激光传感器、工控机和机器人的工作原理进行具体说明。

对机器人进行示教的过程具体包括：示教波纹板的一个波纹周期的焊接点枪姿和所有空走点位置，存储在机器人的焊接程序的对应示教点中。其中，示教点的姿态可直接存储于机器人中，示教点的位置可通过激光传感器扫描，经工控机发送给机器人。

在焊接开始前，激光传感器会预扫描第一波纹的焊缝，通过激光识别生成焊缝位置坐标传输给工控机。

工控机同步获取焊接位置坐标和对应的行走轴位置坐标，根据波纹特征和获取的坐标，生成第一波纹轨迹，第一波纹轨迹包括第一波纹的焊接开始点和多个焊接拐点对应的坐标信息。波纹特征具体包括波纹板的波距、拐点处的圆弧半径及夹角等信息，是在示教之前录入系统中的，根据波纹特征，可以计算每个波纹的拐点位置。在图2所示的实施例中，一个波纹的拐点包括四个，也即波纹梯形结构的四个顶点。

行走轴位置坐标可通过机器人获取，或通过行走轴的相关控制器件获取。工控机根据焊缝位置坐标和行走轴位置坐标的对应关系，可指导机器人在某一行走轴位置对某一焊缝位置进行焊接。

机器人到达焊接开始点并自动引弧，进入焊接过程。

进入焊接过程后，激光传感器正式开始扫描，并实时地将采集到的坐标传输给工控机。工控机根据同步获取的焊缝位置坐标和行走轴位置坐标，计算各个波纹的拐点坐标，具体包括：生成多个中间波纹轨迹和末端波纹轨迹，其中一中间波纹轨迹包括一中间波纹的多个焊接拐点对应的坐标信息，末端波纹轨迹包括末端波纹的多个焊接拐点和一焊接结束点对应的坐标信息。在规划焊接轨迹的同时，工控机会根据机器人的请求，将对应的波纹轨迹发送给机器人。

机器人在焊接时，会根据记录的已焊接波纹数和设定的总波纹数，于焊接完一当前波纹时向工控机请求下一波纹轨迹，然后根据标定对接收的波纹轨迹进行转换，沿转换后的波纹轨迹，按示教对波纹板进行焊接。

图5示出实施例中机器人的焊接过程，参照图5所示，机器人的焊接程序具体包括：在完成信号初始化后，S510-11，设定待焊接的波纹板的波数和产品号。S510-22，机器人移动至待机位置，S510-33，机器人移动至焊接接近点，此时执行S520-11，行走轴开始移动，且激光传感器开始扫描，激光传感器扫描第一波纹且工控机计算出第一波纹的焊接开始点和焊接拐点。S520-22，机器人请求第一波纹轨迹，具体可通过上位机发送请求；工控机会将第一波纹的焊接开始点和焊接拐点对应的坐标信息下传给机器人。S520-33，上位机响应是否发送成功，若是则反馈给机器人，若否则显示激光错误。S520-44，执行坐标转换子程序；S520-55，机器人开始动作，到达焊接开始点时进行引弧操作，引弧成功自动进入主焊接程序S520-66，执行第一波纹的焊接示教点，焊接示教点视示教情况，可以包含第一波纹的各个焊接点，也可仅包含第一波纹的拐点。

其中，执行坐标转换子程序的过程具体包括：由工控机和机器人共同完成，本实施例中机器人只传输整型变量，工控机将激光坐标转化成世界坐标的位置信息扩大100倍或10倍传给机器人，机器人再除以相应倍数后即获得真实的世界坐标。但坐标转化的过程不局限于此。基于不同的机器人，可以实现不同方式的坐标转换，例如有些机器人可以独立完成激光坐标至世界坐标的转换，因此上述所列不应当视为对本发明的限制。

S520-77，机器人记录已焊接的波数，也即当前波数自加一。S530-11，机器人判断当前波数是否小于焊接总波数，若是继续S530-22，判断当前波数是否等于焊接总波数减一；若否表明所有波纹焊接完成，则直接执行S570。S530-22的判断中，若等于，则执行S540，请求发送末端波纹轨迹并关闭激光；若不等于，则执行S530-33，请求发送中间波纹轨迹。发送请求后通过S550上位机反馈是否发送成功，若是继续执行，若否反馈激光错误。接着，当接收到中间波纹轨迹/末端波纹轨迹，进入S560，执行坐标转换子程序，并返回S520-66，执行一个波纹中四个焊接示教点，对当前的波纹执行焊接。当前的波纹焊接完成后，继续如上所述的波数自加一及后续步骤。当所有波纹焊接完成后，进入S570，执行焊接结束点，以及S580，退枪回原位，完成当前产品号的整个焊接程序。

图6示出实施例中工控机的控制过程，参照图6所示，在整个焊接过程中，工控机主要用基于激光扫描规划焊接轨迹，并基于机器人请求发送波纹轨迹。具体包括：激光传感器开始扫描后，工控机执行S610，规划焊接轨迹，具体可参照上述实施例的描述，此处不再重复说明。S620，响应机器人的请求，当请求指令为1，指示机器人请求第一波纹轨迹，则执行S630，发送第一波纹轨迹，具体包括第一波纹的焊接开始点和焊接拐点对应的坐标信息。当请求指令为2，指示机器人请求中间波纹轨迹，则执行S640，发送中间波纹轨迹，具体包括中间波纹的焊接拐点对应的坐标信息。当请求指令为3，指示机器人请求末端波纹轨迹，即最后一个波纹轨迹，则执行S650，发送末端波纹轨迹，具体包括末端波纹的焊接拐点和焊接结束点对应的坐标信息。发送波纹轨迹后，还会返回发送成功指令。特殊情况下，当请求指令为其他数值，则反馈指令错误。

通过上述各实施例的描述，实现了激光传感器前置扫描，机器人基于工控机规划的跟踪焊缝的焊接轨迹，执行自动焊接。

在上述各实施例中，标定世界坐标系和激光坐标系之前，还包括：基于世界坐标系，标定机器人的工具中心点，具体可使用校枪尺或校枪块进行标定。标定世界坐标系和激光坐标系也即确定世界坐标系和激光坐标系的转换关系。具体包括：启动激光传感器，使激光传感器的线性光斑照射一标定板；获得激光传感器和机器人的对照坐标，包括：移动标定板，使标定板的一角焊缝位置正对线性光斑的一边缘位置，该边缘位置是较近或较远位置的线性光斑的一相对边缘位置；读取边缘位置在激光坐标系中的第一坐标；使工具中心点正对角焊缝位置，读取工具中心点在世界坐标系中的第二坐标；重复获得对照坐标的步骤，直至获得对应线性光斑的四个边缘位置的四组对照坐标，其中四个边缘位置由两个不同远近距离的线性光斑的上下边缘位置形成，即对应线性光斑的远近两处的上下位置，即界面上四个角位置；最后根据四组对照坐标，确定世界坐标系与激光坐标系之间的转换关系。

具体标定操作时，需保持机器人枪姿和行走轴的位置均不变，采用四点法进行标定。先启动工控机焊缝跟踪系统软件及激光运行显示软件；然后安装专用标定板，通过调节其前后和上下的安装位置，使角焊缝位置位于激光视野边缘位置，读取当前的激光位置坐标；接着使机器人TCP(Tool Center Point，工具中心点)指到角焊缝位置，读取机器人坐标；循环操作上述步骤，选取激光视野四个角的边缘位置，依次录入四组角焊缝位置下的激光位置坐标和机器人坐标；最后使用工控机焊缝跟踪系统软件中的标定功能进行标定，并可以另外选取一点测试标定结果。

四点法标定的具体数学推导如下：

已知C点在机器人坐标系和激光坐标系下的坐标为C_a和C_b，按照机器人坐标系的X_a、Y_a、Z_a分别旋转γ、β、α，由旋转矩阵关系可知：其中， 为旋转矩阵，为平移矩阵。

令则有方程组中每个方程有4个未知数，则需要4组坐标即可求出方程中所有未知数，因此通过四点法标定即求出标定矩阵。

进一步地，在上述各实施例中，对机器人进行示教时，还示教焊接过程中的监视区域，包括：在焊接工装上放置一焊接工件，使激光传感器的线性光斑照射焊接工件的焊缝中心；设置一监视块，使监视块最小包含线性光斑的可识别范围；移动机器人，读取机器人的工具中心点分别正对监视块的边角位置的坐标，形成监视区域；以及焊接过程中，当工控机监视到机器人超过监视区域，则停止焊接，同时报错警示。

结合上述各实施例的描述，在一个具体示例中，通过如下步骤，实现波纹板的焊缝跟踪和自动焊接。

第一步，在行走轴上安装激光传感器和机器人，可使机器人的+X方向或+Y方向朝向行走轴行进的反方向安装。

第二步，激光传感器、工控机和机器人三者组成局域网进行通讯，工控机可通过POE交换机分别与机器人和激光传感器建立双向通讯连接，来组成局域网络。

第三步，标定机器人TCP，可使用校枪块等方式校准机器人TCP，通过绕机器人工具坐标转动焊枪，判断机器人TCP的偏移量是否在正常范围内，正常范围依据各机器人品牌而定。

第四步，机器人世界坐标系和激光传感器坐标系的标定，具体可参见上述实施例的描述。

第五步，写入产品图纸的波距、圆弧和夹角等参数并创建产品号，相关产品信息可保存在工控机中，通过工控机界面或者运行不同产品的机器人主程序进行调用，用于焊缝位置识别和拐点坐标的计算。

第六步，示教焊接点、焊接枪姿、焊接接近点位姿和扫描第一个波的示教点位姿，分别存储在机器人主程序中的对应示教点里。

第七步，示教焊接过程中安全监视区域。具体可摆放一个实际工件在工装上，激光线打到焊缝的中间位置，移动机器人查看坐标分别设置监视块对角线的两点坐标。两点应尽量保证最小包含激光识别出的坐标位置。

第八步，启动机器人焊接主程序，激光传感器前置扫描，实时上传扫描数据到工控机，工控机上系统软件自动规划出机器人轨迹轨迹，再下传引导机器人进行运动焊接。具体来说，在整个运行过程中，激光传感器前置扫描，实时上传扫描数据到工控机的第一队列集合。工控机中系统软件根据第一队列集合中的包含焊缝位置坐标和对应的行走轴位置坐标的数据自动规划出焊接轨迹，包括焊接开始点、焊接拐点、焊接结束点等信息，存入第二队列集合。工控机再按照机器人请求指令，从第二队列集合中取出相关数据下传给机器人，引导机器人进行运动焊接。当焊接指定的波数后机器人可自动依据收弧距离计算出焊接结束点坐标进行收弧，焊接完成返回待机位置。在扫描焊接过程中若激光传感器识别焊缝异常或机器人超过监视区域，则机器人停止运动，同时工控机报错进行警告。此外，当识别存在相对稳定的误差值或因机器人TCP精度低造成不同枪姿所带来的位置误差时，可实现由上位机界面调节同一特征点位置坐标或焊缝整体偏移进行补偿。

在上述具体示例中，未详尽展开的步骤可参照上述各实施例的描述，不再重复说明。

本发明实施例还提供一种波纹板焊接系统，该波纹板焊接系统基于上述任意实施例所描述的波纹板焊接方法，具体包括：一待焊接的波纹板；一行走轴，正对波纹板设置；一激光传感器和一机器人，分别安装于行走轴，且沿焊接行进方向，激光传感器前置于机器人；以及一工控机，分别与激光传感器和机器人通信；随行走轴行进，激光传感器前置扫描波纹板的焊缝，工控机规划跟踪焊缝的焊接轨迹，机器人沿焊接轨迹焊接波纹板。

例如，在一个具体示例中，波纹板焊接系统可参照图2所示，此处不再重复说明。

综上，本发明的基于焊缝跟踪的波纹板焊接方法及系统，通过将激光传感器沿焊接行进方向前置于机器人，实现焊接过程中激光传感器前置扫描，机器人后置焊接；并且，激光传感器和机器人分别与工控机通信，工控机能够根据波纹特征和激光传感器采集的坐标信息，规划指导机器人跟踪焊缝的焊接轨迹，使机器人沿着焊缝实现对波纹板的自动焊接；从而，本发明能够实现波纹板的自动焊缝跟踪，满足集装箱行业波纹板自动焊接的需求，大大提高生产效率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。