CN102689118A - 实现焊接机器人工具中心点自动偏移的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种实现焊接机器人工具中心点自动偏移的方法，其包括：S1、预运行可供焊接机器人运行的机器人程序；S2、判断工具中心点是否需要偏移，若是，进入步骤S3；若否，进行步骤S4；S3、确定工具中心点所需偏移的偏移距离和偏移方式，并根据所述偏移距离计算工具中心点的偏移参数，将所述偏移参数输入到机器人运行程序中以实现机器人工具中心点的自动偏移；S4、运行机器人程序以完成焊接动作。通过观察当前机器人工具中心点与焊缝之间的实际距离，确定出偏移距离，并通过一定的机器人程序进行工具中心点的自动偏移以达到理想距离，从而实现了最优化焊接，提高了机器人自动化焊接的工作效率和焊接质量。

Description

实现焊接机器人工具中心点自动偏移的方法及系统

技术领域

本发明涉及自动化焊接技术，尤其涉及一种基于新型库卡机器人的自动焊接技术中机器人工具中心点自动偏移的方法及系统。

背景技术

目前， 随着当前工业生产中焊接技术的快速发展，工件焊接工艺也日趋复杂，进而对于焊接质量的要求也越来越高，人工焊接技术也已无法满足当前生产工艺的要求，取而代之的是机器人离线编程自动化焊接技术，从而使得我国的工业焊接技术向着高质量、高效率、自动化的态势前进。

在机器人离线编程的实践中，经常要调整机器人工具中心点到工件的距离，以确保两者的距离的合理性，进而保证自动化焊接的质量。现有技术中，主要采用校好一系列杆长参数的工具备用的方法来实现调整：参对应不同的杆伸长设定不同的工具标号以及相应的工具名称，然后机器人分别从四个不同（P1、P2、P3和P4）的方向接近固定点（参图1）。在机器人焊接的过程中，操作者根据当前机器人工具中心点离工件的距离情况，在离线编程中判断并选择合适杆伸长的工具（确定其工具标号即可），机器人便自动安装上被选择的工具进行焊接动作。

然而，此方法在保证调整工具中心点的精确性的同时，事先需要校正一系列工具，并且没调用一个新的工具，离线程序就要改动工具的标号，且库卡机器人最多只允许16个内部工具，对应16中不同的杆伸长，这势必给工具中心点与工件之间距离的调整带来局限性，并影响机器人焊接的工作效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现焊接机器人工具中心点自动偏移的方法，其通过观察当前机器人工具中心点与焊缝之间的实际距离，确定工具中心点所需调整的偏移距离，并通过一定的机器人程序进行工具中心点的自动偏移以达到理想距离，从而实现了最优化焊接，机器人焊接的工作效率和焊接质量得以提升。

相应于所述方法，本发明还提供一种实现焊接机器人工具中心点自动偏移的系统。

为实现上述发明目的之一，本发明提供的一种实现焊接机器人工具中心点自动偏移的方法，包括如下步骤：

S1、预运行可供焊接机器人运行的机器人程序；

S2、判断工具中心点是否需要偏移，若是，进入步骤S3；若否，进行步骤S4；

S3、确定工具中心点所需偏移的偏移距离和偏移方式，并根据所述偏移距离计算工具中心点的偏移参数，将所述偏移参数输入到机器人运行程序中以实现机器人工具中心点的自动偏移；

S4、运行机器人程序以完成焊接动作。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2具体包括如下步骤：

设定工具中心点与焊缝之间的一理想距离；

观察并测量当前工具中心点与焊缝之间的实际距离；

比较所述实际距离与理想距离的大小，若两者相等，则判断结果为不需要偏移；若两者不相等，则判断结果为需要偏移。 

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中“确定偏移距离和偏移方式”的步骤具体为：

判断所述工具中心点与焊缝之间的实际距离是否大于所述理想距离，若是，则所述偏移方式为缩短；若否，则所述偏移方式为延长；

计算所述实际距离与理想距离的差值以获知所述工具中心点的偏移距离。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3还具体包括：

建立机器人工具坐标系及机器人末端法兰坐标系；

分析机器人程序，并根据所述偏移参数进行自动偏移推导，得出所述工具坐标系的旋转矩阵、齐次矩阵；

根据所述齐次矩阵计算出工具中心点的偏移参数并输入到参数对话框中，实现机器人工具中心点的自动偏移。

作为本发明的进一步改进，所述工具坐标系的X轴沿着工具手杆伸长的方向，工具坐标系记为矩阵T：                                               

，

其中， X、Y、Z表示点的坐标，

表示工具坐标系在末端法兰坐标系下的方向向量。

作为本发明的进一步改进，所述工具坐标系相对于末端法兰的方向向量的旋转矩阵R为：

，

其中，A、B、C分别是指工具坐标系绕末端法兰坐标系的Z轴、Y轴和X轴旋转的角度。

作为本发明的进一步改进，所述齐次矩阵Ｑ为:

 ，其中，s表示sin、c表示cos，ΔL表示工具中心点沿杆长方向的偏移距离。

相应地，本发明还提供了一种实现焊接机器人工具中心点自动偏移的系统，该系统包括如下模块：

机器人程序预运行模块、用于预运行可供焊接机器人运行的机器人程序；

偏移判断模块、用于判断工具中心点是否需要偏移，若是，进入偏移执行模块；若否，进行焊接运行模块；

偏移执行模块、用于确定工具中心点所需偏移的偏移距离和偏移方式，并根据所述偏移距离计算工具中心点的偏移参数，将所述偏移参数输入到机器人运行程序中以实现机器人工具中心点的自动偏移；

焊接运行模块、用于运行机器人程序以完成焊接动作。

与现有技术相比，本发明通过观察当前机器人工具中心点与焊缝之间的实际距离，确定工具中心点所需调整的偏移距离，并通过一定的机器人程序进行工具中心点的自动偏移以达到理想距离，从而实现了最优化焊接，提高了机器人自动化焊接的工作效率和焊接质量，应用较为灵活。

附图说明

图1是现有技术中四点校验工具的示意图；

图2是本发明中一实施方式中实现焊接机器人工具中心点自动偏移的方法的具体步骤流程图；

图3是本发明一实施方式中建立工具坐标系和末端法兰坐标系的示意图；

图4是本发明机器人工具中心点自动偏移计算软件的操作界面示意图；

图5是本发明一实施方式中实现焊接机器人工具中心点自动偏移的系统的模块示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图2所示，在本发明一具体实施方式中，一种实现焊接机器人工具中心点自动偏移的方法，包括如下步骤：

S4、运行机器人程序以完成焊接动作。

首先是步骤S1、预运行可供焊接机器人运行的机器人程序；在本实施方式中，采用6自由度焊接机器人库卡机器人（KUKA KR16）来实现自动化焊接，其控制器为KRC2。其中，所述“机器人程序的预运行”即机器人焊缝任务预规划：在机器人离线编程系统中设计并搭建机器人焊接场景，然后利用已开发的焊缝规划模块完成相关规划动作，最终输出可供焊缝运行所使用的规划结果参数文件。

于本发明中，每个库卡机器人程序由两个文件组成，分别为dat文件和src文件，其中dat文件记录程序点的数据和工艺参数，其中X、Y、Z、A、B、C的值为机器人工具中心点在所选坐标系下的点的坐标值，机器人内部按照自身的算法计算出机器人以特定的姿态使得工具中心点到达该点。只要改变机器人工具的参数，机器人也会根据自身的算法做出调整保证工具中心点到达同一点;src文件是一个面对操作者的调用程序，操作者可以快捷的在该文件中调整工艺参数和点的位置，但是记录数据还是在dat文件中。

步骤S2、判断工具中心点是否需要偏移，若是，进入步骤S3；若否，进行步骤S4；优选地，在本实施方式中，所述步骤S2具体包括如下步骤：

首先，设定工具中心点与焊缝之间的一理想距离；通常情况下，工具中心点离焊缝的距离并不是能够实现最优化焊接的理想距离，这个时候便需要进行自动偏移。

然后，观察并测量当前工具中心点与焊缝之间的实际距离；

最后，比较所述实际距离与理想距离的大小，若两者相等，则判断结果为不需要偏移，则直接进入步骤S4进行自动化焊接；若两者不相等，则判断结果为需要偏移，进入步骤S3。 

接下来，步骤S3、确定工具中心点所需偏移的偏移距离和偏移方式，并根据所述偏移距离计算工具中心点的偏移参数，将所述偏移参数输入到机器人运行程序中以实现机器人工具中心点的自动偏移；

其中，步骤S3中“确定偏移距离和偏移方式”的步骤具体为：

判断所述工具中心点与焊缝之间的实际距离是否大于所述理想距离，若是，则所述偏移方式为缩短；若否，则所述偏移方式为延长；本实施方式中，优选地，所述偏移的动作只是在工具手杆长方向上作相应的延长或者缩短的动作。

计算所述实际距离与理想距离的差值以获知所述工具中心点的偏移距离。

为了实现本发明中工具手的自动偏移，本发明的采用了特定矩阵来计算出偏移后工具中心点的坐标，来实现本发明的目的。所以，步骤S3还具体包括如下步骤：

建立机器人工具坐标系及机器人末端法兰坐标系；

分析机器人程序，并根据所述偏移参数进行自动偏移推导，得出所述工具坐标系的旋转矩阵、齐次矩阵；

根据所述齐次矩阵计算出工具中心点的偏移参数并输入到参数对话框中。

参图3所示，在本实施方式中，焊接工具手上装设有用于焊接工件的焊枪，而为了保证此焊接工具手的按照特定轨迹进行运动，将该工具手安装在库卡机器人的末端法兰上，在此，将机器人末端法兰的坐标系设定为F，其特点是Z轴垂直于法兰端面；工具坐标系Ｔ的特点是X轴沿着杆伸长的方向，因此，工具坐标系在末端法兰坐标系中的表示记为矩阵T：

 

，

其中， X、Y、Z表示点的坐标，

表示工具坐标系在末端法兰坐标系下的方向向量。

所述工具坐标系相对于末端法兰的方向向量的旋转矩阵R为：

，

求解之可得到：

其中，A、B、C分别是指工具坐标系绕末端法兰坐标系的Z轴、Y轴和X轴旋转的角度，且因为是库卡机器人，所以旋转顺序为Z、Y、X。

由于工具坐标系的X轴正方向沿着杆的伸长方向，偏移工具中心点后的新工具坐标系的方向向量旋转矩阵不变化，只有工具中心点沿杆长方向偏移ΔL（伸长或缩短），因此偏移后的齐次矩阵Ｑ为:

 ，其中，s表示sin、c表示cos，ΔL表示工具中心点沿杆长方向的偏移距离。

参图4所示，在本发明中，在图示的计算软件的计算界面上，操作者在确定所需自动偏移的工具中心点的偏移距离ΔL之后，便可根据ΔL以及参数A、B、C，结合齐次矩阵Ｑ计算出偏移后工具中心点的坐标，之后将得出的调整后的参数X、Y、Z输入到机器人参数框中，从而运行机器人程序实现工具中心点的自动偏移。

接下来，完成步骤S4、运行的机器人程序以完成焊接动作。因为本发明采取的库卡机器人，所以严格按照库卡机器人的运行程序进行相应的焊接动作。

相应地，参图5所示，本发明一具体实施方式中，一种应用上述方法实现焊接机器人工具中心点自动偏移的系统，其包括如下模块：

机器人程序预运行模块101、用于预运行可供焊接机器人运行的机器人程序；

偏移判断模块102、用于判断工具中心点是否需要偏移，若是，进入偏移执行模块；若否，进行焊接运行模块；

偏移执行模块103、用于确定工具中心点所需偏移的偏移距离和偏移方式，并根据所述偏移距离计算工具中心点的偏移参数，将所述偏移参数输入到机器人运行程序中以实现机器人工具中心点的自动偏移；

焊接运行模块104、用于运行机器人程序以完成焊接动作。

因为该系统应用上文描述的方法，所以在上文方法中所具体描述的技术特征也必将在本系统得以体现和涵盖，在此，申请人不在加以赘述。

本发明通过观察当前机器人工具中心点与焊缝之间的实际距离，确定工具中心点所需调整的偏移距离，并通过一定的机器人程序进行工具中心点的自动偏移以达到理想距离，从而实现了最优化焊接，提高了机器人自动化焊接的工作效率和焊接质量，应用较为灵活。

本技术不限于普通的直线焊缝杆伸长补偿，对于平面曲线以及空间曲线焊缝同样适用。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现焊接机器人工具中心点自动偏移的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、预运行可供焊接机器人运行的机器人程序；

S2、判断工具中心点是否需要偏移，若是，进入步骤S3；若否，进行步骤S4；

S3、确定工具中心点所需偏移的偏移距离和偏移方式，并根据所述偏移距离计算工具中心点的偏移参数，将所述偏移参数输入到机器人运行程序中以实现机器人工具中心点的自动偏移；

S4、运行机器人程序以完成焊接动作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：

设定工具中心点与焊缝之间的一理想距离；

观察并测量当前工具中心点与焊缝之间的实际距离；

比较所述实际距离与理想距离的大小，若两者相等，则判断结果为不需要偏移；若两者不相等，则判断结果为需要偏移。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中“确定偏移距离和偏移方式”的步骤具体为：

判断所述工具中心点与焊缝之间的实际距离是否大于所述理想距离，若是，则所述偏移方式为缩短；若否，则所述偏移方式为延长；

计算所述实际距离与理想距离的差值以获知所述工具中心点的偏移距离。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3还具体包括：

建立机器人工具坐标系及机器人末端法兰坐标系；

分析机器人程序，并根据所述偏移参数进行自动偏移推导，得出所述工具坐标系的旋转矩阵、齐次矩阵；

根据所述齐次矩阵计算出工具中心点的偏移参数并输入到参数对话框中，实现机器人工具中心点的自动偏移。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述工具坐标系的X轴沿着工具手杆伸长的方向，工具坐标系记为矩阵T：                                               

，

其中， X、Y、Z表示点的坐标，表示工具坐标系在末端法兰坐标系下的方向向量。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述工具坐标系相对于末端法兰的方向向量的旋转矩阵R为：

，

其中，A、B、C分别是指工具坐标系绕末端法兰坐标系的Z轴、Y轴和X轴旋转的角度。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述齐次矩阵Ｑ为:

 ，其中，s表示sin、c表示cos，ΔL表示工具中心点沿杆长方向的偏移距离。

8.一种实现焊接机器人工具中心点自动偏移的系统，其特征在于，该系统包括如下模块：

机器人程序预运行模块、用于预运行可供焊接机器人运行的机器人程序；

偏移判断模块、用于判断工具中心点是否需要偏移，若是，进入偏移执行模块；若否，进行焊接运行模块；

偏移执行模块、用于确定工具中心点所需偏移的偏移距离和偏移方式，并根据所述偏移距离计算工具中心点的偏移参数，将所述偏移参数输入到机器人运行程序中以实现机器人工具中心点的自动偏移；

焊接运行模块、用于运行机器人程序以完成焊接动作。

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