CN103358308B - 机器人焊枪取向规范化 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制焊接机器人的方法，焊接机器人具有一种具备可动电极头和固定电极头的伺服焊枪，该方法包括步骤：单独地使部件的表面与可动电极头相接触，以测量基础测试点和从基础测试点移位开的至少两个附加的测试点。从至少两个附加的测试点计算两个非共线矢量。从两个非共线矢量计算法向矢量。确定了介于初始伺服焊枪取向与法向矢量之间的角度。例如，如果角度是在使用者指定的公差内，则伺服焊枪的取向可受校正。

Description

机器人焊枪取向规范化

技术领域

本发明主要地涉及一种焊接机器人系统和方法，且更具体地，涉及一种焊接机器人系统的点焊伺服焊枪的取向的校正方法。

背景技术

具有点焊枪的焊接机器人系统，例如，在Takahashi等的公开号为No.2011/0089146的美国专利申请和Nagasawa等的美国专利No.5898285中被描述。一种典型的点焊伺服焊枪包括一种具有固定电极头和可动电极头的主体。固定电极头相对着所述可动电极头而设置。固定电极头相对于点焊枪的主体而通常是不可动的，并且可动电极头安装在主体上、并且在焊接操作期间被打开和关闭。

为了好的焊接品质，两个电极头都必须以相等的力而挤压一种部件。如果电极头没有接触/触及所述部件，则需要重新示教或示教校正。然而，焊接机器人的示教校正是耗时的。

已知的自动示教校正方法不能确定焊枪电极是否垂直于被焊接部件的表面，因此点焊枪的取向不被校正。取向误差，其中点焊伺服焊枪不垂直于待焊接部件，不期望地导致不均匀的力分布、整个焊点上不均匀的电流密度，且最终导致不良的/差的焊接品质。对取向误差进行校正是困难和耗时的，特别是当焊枪电极之一不是完全地可见时。

持续地需要一种用于校正一种点焊焊枪的取向的方法，包括相对于待焊接的部件的表面而确定法向矢量。期望地，该信息被用来在焊接操作之前校正所述点焊焊枪的取向。

发明内容

依照随即公开的内容，惊奇地发现一种用于校正点焊枪取向的方法，包括相对于待焊接的部件的表面而确定法向矢量，并在焊接操作之前校正点焊枪的取向。

在一种说明性的实施例中，目前公开的方法提供了自动地确定用于伺服焊枪的正确/校正取向(例如，法向取向)的能力，不需要外部的传感器。取向校正方法可经由一种程序编辑器而被启动来校正单独一个点，或者经由一种数字输入来校正整个程序。在程序校正模式，机器人顺序地/循序地移动通过焊接程序来确定合适的取向，并校正伺服焊枪的取向。在校正过程期间一种焊接次序可被执行，以增加这种功能的灵活性。例如，程序校正模式可根据需要在制造或离线过程期间被使用。该方法还可以生成一种报告了曾被校正的点或位置、校正的量和其它数据的文档。如果需要，位置校正可被限于特定的公差。

此方法还可运用来自于对伺服焊枪的可动电极进行着控制的至少一个马达的扰动转矩反馈以在三维空间的多个点处检测部件位置。其中基于多点的位置而发现了一种法向矢量，机器人取向可被相应地改变。在焊接程序中，机器人的位置和取向中的至少一个可被更新或记录。

应当理解的是，点焊点周围的平面可能改变或可能不存在。而且，当移动至点焊点周围的测试点时，机器人臂可能与在工作单元中的部件或工作单元中其它物体相碰撞。简而言之，在每个点处可用于检测的存在的实际表面是有限的，也就是，是依赖于点的。这样，搜索模式可以基于可用的表面而被选择。这些模式可利用点指令而被指定/确定(例如，在运行时间，在程序内)，或者通过搜索配置的选择(例如，离线由操作者实现，经由程序编辑器)。

一定数目的搜索模式形状可被使用。搜索模式形状包括了在中心处的测试点，以获得以下的益处：

-有所减少的用于搜索的伺服焊枪打开距离；

-在所有的测试点处使用相同的检测阈值；

-用于交叉检验/验证的参考值；以及

-在所有的测试点处使用相同的偏移量和焊枪打开距离。

在一个实施例中，一种用于对具有一种具备着可动电极头和固定电极头的伺服焊枪的焊接机器人进行控制的方法，包括以下步骤：利用可动电极头来接触着部件的表面以测量基本测试点，以及从基本测试点移位开的至少两个附加的测试点。从附加测试点的测量中生成了两个非共线矢量，以及从这些矢量中计算出法向矢量。伺服焊枪的取向被修正为此法向矢量。

在进一步的实施例中，附加的测试点提供预定的搜索模式形状。再一次，伺服焊枪的取向被修正为此法向矢量。

在另一个实施例中，在机器人焊接程序中的伺服焊枪的位置可基于伺服焊枪的取向与法向矢量的对比而被校正。

附图说明

当参照附图而考虑时，本发明的上述、及其他优点，对本领域的技术人员来说，从下面对于优选实施例的详细说明将变得显而易见，其中：

图1是根据公开的一个实施例的机器人焊枪的示意图示，并进一步示出了用于机器人焊枪取向规范化的方法；

图2-4是图1中所示机器人焊枪的可动电极头的示意图示，并进一步示出了逐步的取向校正、位置校正和距离校正以为伺服焊枪提供期所需点焊位置；

图5是可由图1中所示机器人焊枪执行的各种测试位置模式的示意图示，使用所述的用于取向规范化的方法；以及

图6是图1中所示的机器人焊枪的可动电极头和固定电极头的示意图示，并进一步示出了使用来自于控制着可动电极的马达的扰动转矩反馈而在三维空间内逐步检测部件位置；

图7是图示出根据本公开的一个特定实施例的用于取向规范化的方法、并使用图1中所示的机器人焊枪的流程图。

具体实施方式

下面的描述本质上仅是示例性的，并且并非旨在用于限制本公开的内容、应用或者使用。应当理解的是，整个附图中，对应的附图标记也指示着类似或者对应的部件或特征。关于所披露的方法，展示的步骤本质上是示例性的，且因而，不是必需或关键性的。

图1示出了使用根据本公开的方法的机器人焊接系统100。机器人焊接系统100包括了一种具有伺服焊枪104的焊接机器人102，伺服焊枪104具有可动电极头106和固定电极头108。焊接机器人102被配置为用以焊接一种部件110，诸如一种用于汽车的金属面板。也可以利用本公开的机器人焊接系统100来焊接其它类型的部件110。

例如，可动电极头106可以联接到至少一个马达111，马达111配置为用以在朝向着工件110的方向上驱动所述可动电极头106。该至少一个马达111可以是伺服电机，例如，配置为用以提供针对精确位置控制的自动反馈。本领域的技术人员还可根据需要运用其它手段驱动所述可动电极头106。

如图1中进一步地示出，本公开的方法包括步骤：利用可动电极头106接触所述部件110的表面112来测量一种基础测试点114，并且随后利用可动电极头106接触所述表面112来测量从基础测试点114移位开的至少两个附加的测试点116、118、120、122。从所述至少两个附加的测试点116、118、120、122计算出两个非共线矢量。从这两个矢量中计算出法向矢量，并确定介于此法向矢量与初始伺服焊枪104的取向的矢量之间的角度。

该方法可进一步包括相对于法向矢量调节所述伺服焊枪104的取向的步骤。该步骤可有条件地执行，基于介于初始取向(矢量)与法向矢量之间的角度。例如，如果介于法向矢量与伺服电机的初始取向之间的角度很大，则取向校正可被跳过。在本公开内容的范围内还可以使用伺服焊枪104取向的其它调节类型。

在图2-4中所示的特定的实施例中，伺服焊枪102的可动电极头106可经历一种逐步的取向校正(图2)、位置校正(图3)以及距离校正(图4)，以针对伺服焊枪102提供所需的点焊位置124。特别是，一旦法向矢量被计算，则伺服焊枪104可被移动到用于所需点焊124的法向或校正的位置。可动电极头106相对于法向矢量的角度也可被确定，并且在转动后，相应地对可动电极头106做出调节以维持与部件110接触。

现在参照图5，本公开的方法可以进一步包括指定一种测试点形状，根据其计算法向矢量的步骤。例如，测试点形状可由待焊接部件110的表面112的形状确定。机器人焊接系统100可通过以预定的模式把伺服焊枪104和可动电极头106从基础测试点114移动到至少两个附加的测试点116、118、120、122来生成测试点形状。在焊接操作开始之前测试点形状被快速地处理。例如，可动电极头106从一个位置移动到另一个位置的速度可为250mm/sec。在公开的范围内还可以使用用于形成测试点形状的其它的速度。

在需要在多个不同的方向校正取向(诸如相对于伺服焊枪104在外部的方向和横向上)的情况下，测试点形状可包括基础测试点114，和附加的测试点116、118、120、122中的至少三个。作为非限制性的实例，测试点形状可以包括菱形126、向外指向的三角形128、和向内指向的三角形130之一。在其中需要在单一方向上校正取向(诸如相对于伺服焊枪104仅在外部的方向上、或仅在横向上)的情况下，测试点形状可包括基础测试点114和两个附加的测试点116、118。作为非限制性的实例，测试点形状可包括向外指向的线132和横向指向的线134之一。

在另一个实例中，测试点形状可以通过提供围绕基础测试点114的搜索半径而生成，在所述半径上至少两个附加的测试点116、118、120、122被测试。在一个实施例中，默认半径大约是源自基础测试点114的大约+/-5mm。还可以使用其它类型的具有附加的测试点116、118、120、122的不同数量和配置，以及不同搜索半径的测试点形状。

还应当理解的是，至少两个附加的测试点116、118、120、122可与部件110对齐，并且可具有基于在基础测试点114与至少两个附加的测试点116、118、120、122之间的平移距离的针对转动误差的预定间隙。可根据需要对每个特定的部件110选择针对该转动误差的预定间隙。

在部件110的表面112上确定基础测试点114和至少两个附加的测试点116、118、120、122的过程中，本方法可包括测量介于可动电极头106与表面112之间的距离。特别是，如图2-4中所示，该距离可以是在Z向上的距离。例如，对于每个原始的和附加的测试点114、116、118、120、122，直到发生与表面112接触则可记录Z向上的距离。多个所测量的距离可被用来相对于部件110的表面112而确定平面和规范化的矢量。

在一种特定的实施例中，在接触着部件110的步骤的过程期间检测所述基础测试点114和至少两个附加的测试点116、118、120、122的步骤可包括一种电气连续性(electrical continuity)测量。例如，当部件110被接地时，当由于可动电极头106与接地的部件110的接触而使得电极电压下降到预定值水平以下时，可动电极头106被确认为已接触到表面112。如图1中所示，作为非限制性的实例，电气连续性测量可以经由信号线131而被连通至计算机133，诸如一种伺服焊枪控制器或一种机器人控制器。预定电压和用于测量可动电极头106的电压的装置可根据需要由本领域的技术人员而选择。

在另一个实施例中，如图1中所示，在接触所述部件110的步骤的过程期间检测所述基础测试点114和至少两个附加的测试点116、118、120、122的步骤可包括一种非接触式光学传感器135通过信号线137而与计算机133相连通。非接触式光学传感器135可测量可介于可动电极头106与部件110表面112之间的在Z向上的距离。例如，非接触式光学传感器135可以是光电管/电眼(electric eye)和激光束检测器中的至少之一。本领域的技术人员可以根据需要选择其他类型的非接触式光学传感器135以用于测量可动电极头106与部件110表面112的接触。

在接触所述部件110的步骤期间，检测所述基础测试点114和至少两个附加的测试点116、118、120、122的步骤通过测量在马达111处所述可动电极头106的扰动转矩反馈而进行。扰动转矩反馈也可根据需要通过信号线131而被连通至计算机133，或通过其它的方式。

图6示出了针对位置116、118、120、122中的每个使用扰动转矩反馈的一种例解性检测次序。在初始位置，当部件110的表面112的位置未知时(图6中的虚线所示)，伺服焊枪104可被打开至一定预定备份距离。伺服焊枪104和可动电极头106然后被加速至下一位置，并且伺服焊枪的速度被检测。然后通过向着部件110驱动所述可动电极头106，则伺服焊枪104开始关闭。可动电极头106的移动便利了实现转矩标准的读取，因为在可动电极头106开始移动之后所述转矩读数/读取变得稳定。在获得了转矩标准以后，部件110开始自检测、并且当检测到与转矩标准不同的转矩反馈时完成，其标志着可动电极头106已经接触着所述部件110的表面112。由此使用扰动转矩反馈而提供了基础测试点114和至少两个附加的测试点116、118、120、122的测量，其有利地不需要使用单独的传感器或设备来测量到表面112的距离。

在本公开的范围内还可以使用其它的方式用于测量到基础测试点114和至少两个附加的测试点116、118、120、122的距离。

参照附图7，示出了使用机器人焊枪102的一个特定取向规范化方法136。在一种初始化步骤138之后，其中使用者开始了用于待焊接部件110的取向规范化方法136，在基线步骤140中所述取向规范化方法136确定并储存了所述机器人102的当前位置(CURPOS)和伺服焊枪104的当前位置。在初始位置步骤142中可动电极头106随后被移动至部件110的表面112，其提供了基础测试点114。在测试形状步骤144中，伺服焊枪104，以及同样地可动电极头106然后被移动到至少两个附加的测试点116、118、120、122中的每一个，如下面进一步描述的。从测试点测量中计算了两个非共线的矢量。在法向矢量计算步骤148中，法向矢量从两个测量的矢量而被计算出。预先限定的计算包括，但不限于，图7中示出的计算。在步骤150中确定了介于初始取向(矢量)与法向矢量之间的转动角度。如果使用者允许出现校正，则随后在校正步骤152中，伺服焊枪104移动至所计算出的坐标，由法向矢量所定义/限定。在完成步骤154中，伺服焊枪104被打开并做好在部件110上进行焊接操作的准备。

该方法进一步包括了在机器人焊接程序中校正所述伺服焊枪104的位置的步骤，例如，在机器人控制器(没有示出)上执行。可基于在伺服焊枪104的初始取向(矢量)与法向矢量之间角度的对比而在程序中校正所述程序中伺服焊枪104的位置。待执行的程序的校正根据需要，除了允许伺服焊枪104和可动电极头106相对于工件110表面112的取向的规范化之外，或者还可作为取向规范化的一种选择/替代方案。

有利地，例如，本公开的方法提供了不使用外部传感器，而自动地确定校正，例如，规范化的，用于机器人102的伺服焊枪104的取向的能力。由于避免了取向误差，其中在误差处为伺服焊枪104不垂直于部件110的情况，则在力分布不均、在整个焊点有不均匀的电流密度，并最终在不良的焊接品质下降方面造成了不利影响。

尽管为了说明本发明的目的已经示出了一些代表性的实施例和细节，对于本领域的技术人员将会显而易见的是，在没有脱离本公开范围的情况下可以进行各种不同的变化，其将在下面所附权利要求中进一步的描述。

Claims (20)

1.一种用于对焊接机器人进行控制的方法，焊接机器人具有一种具备可动电极头和固定电极头的伺服焊枪，该方法包括步骤：

使部件的表面与可动电极头相接触以测量一种基础测试点；

将可动电极头从基础测试点移位开并且使部件的表面和可动电极头在与基础测试点移位开的不同位置相接触，以在部件的表面上测量从基础测试点移位开的至少两个附加的测试点；

从至少两个附加的测试点计算两个非共线矢量；

从两个非共线矢量计算一种法向矢量；

比较介于初始伺服焊枪的取向与法向矢量之间的角度；以及

当需要时，基于所述法向矢量将所述伺服焊枪的位置校正到所需的点焊位置。

2.根据权利要求1的方法，进一步包括相对于法向矢量调节伺服焊枪取向的步骤。

3.根据权利要求1的方法，其中规范化取向记录于机器人焊接程序内。

4.根据权利要求1的方法，在使部件的表面与可动电极头相接触以测量一种基础测试点这一步骤之前进一步包括基于部件的表面的形状而指定一种测试点形状的步骤。

5.根据权利要求4的方法，其中测试点形状包括基础测试点和两个附加测试点。

6.根据权利要求5的方法，其中伺服焊枪的取向在一个方向受调节。

7.根据权利要求4的方法，其中测试点形状包括基础测试点和至少三个附加测试点。

8.根据权利要求7的方法，其中伺服焊枪的取向在多个方向受调节。

9.根据权利要求4的方法，其中测试点形状是菱形、向外指向的三角形和向内指向的三角形、向外指向的线、以及横向指向线之一。

10.根据权利要求1的方法，其中至少两个附加的测试点与部件对齐，并具有基于介于基础测试点与至少两个附加的测试点之间的平移距离的、针对转动误差的预定间隙。

11.根据权利要求1的方法，进一步包括这样的步骤：在接触所述部件的步骤期间在基础测试点和至少两个附加的测试点处测量介于可动电极头与部件的表面之间的距离。

12.根据权利要求1的方法，进一步包括这样的步骤：在接触所述部件的步骤期间利用可动电极头的扰动转矩反馈而检测基础测试点和至少两个附加的测试点。

13.根据权利要求1的方法，进一步包括这样的步骤：在接触所述部件的步骤期间利用电气连续性测量而检测基础测试点和至少两个附加的测试点。

14.根据权利要求13的方法，其中部件接地，且当由于与接地的部件的表面相接触而使得电极头电压下降到预定值水平以下时，可动电极头确认为已接触着部件的表面。

15.根据权利要求1的方法，进一步包括这样的步骤：在使得与部件接触的步骤期间利用非接触式光学传感器来检测所述基础测试点和至少两个附加的测试点。

16.根据权利要求15的方法，其中非接触式光学传感器测量出介于可动电极头与部件的表面之间的距离。

17.根据权利要求15的方法，其中非接触式光学传感器是电眼和激光束检测器中的至少一种。

18.根据权利要求1的方法，进一步包括这样的步骤：基于介于初始伺服焊枪取向与法向矢量之间的角度而在机器人焊接程序中对伺服焊枪的位置进行校正。

19.一种用于对焊接机器人进行控制的方法，焊接机器人具有一种具备可动电极头和固定电极头的伺服焊枪，该方法包括步骤：

使部件的表面与可动电极头相接触，以测量一种基础测试点；

使部件的表面与可动电极相接触，以测量从基础测试点移位开的至少两个附加的测试点，基础测试点和至少两个附加的测试点提供一种预定的搜索模式形状；

从基础测试点和至少两个附加的测试点计算两个非共线矢量；

从两个非共线矢量计算法向矢量；

比较介于初始伺服焊枪取向与法向矢量之间的角度；以及

相对于法向矢量而调节伺服焊枪的取向。

20.一种用于对焊接机器人进行控制的方法，焊接机器人具有一种具备可动电极头和固定电极头的伺服焊枪，该方法包括步骤：

使部件的表面与可动电极头相接触，以测量一种基础测试点；

使部件的表面与可动电极相接触，以测量从基础测试点移位开的至少两个附加的测试点，基础测试点和至少两个附加的测试点提供一种预定的搜索模式形状；

从基础测试点和至少两个附加的测试点计算两个非共线矢量；

从两个非共线矢量计算法向矢量；

比较介于初始伺服焊枪取向与法向矢量之间的角度；以及

基于伺服焊枪的取向与法向矢量之间的比较而在机器人焊接程序中校正所述伺服焊枪的位置。