CN105798431B - 弧焊机器人焊接的曲线在线焊缝跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种弧焊机器人焊接的曲线在线焊缝跟踪方法，机器人示教一段基准路线，将路径按距离等分原则平分成N个路径点，同时获取测量传感器的一组基准坐标值。实际运行时，测量传感器实时扫描焊缝，将焊缝坐标发送给机器人，机器人将坐标值与基准值做比较，得到偏差值去修正相应的第n个路径点，机器人沿修正好的路径点逐点运行。本发明方案简单、准确，有效的避免了由于工件误差或者上料位置误差等原因造成直线焊缝轨迹改变从而影响机器人焊接效果的问题，同时解决了同类操作中未考虑前置距离而导致跟踪精度不高的问题，特别解决变曲率曲线因前置距离无固定基准值的问题，提高跟踪精度，使机器人焊枪以预期的位姿对曲线焊缝进行连续稳定的焊接。

Description

弧焊机器人焊接的曲线在线焊缝跟踪方法

技术领域

本发明属于自动化控制领域，特别是涉及到一种弧焊机器人焊接曲线焊缝时的曲线在线焊缝跟踪方法。

背景技术

在弧焊机器人的自动化焊接控制过程中,有很多原因导致误差产生，例如焊接工件在位姿与尺寸上不可预知的误差，其中既有加工和装配过程中的误差所导致的焊缝位置尺寸变化，也有焊接过程中工件受热等原因所造成的变形。

通常解决上述问题是通过严格控制生产过程中的加工精度，减少环境以及应用中的误差，但是者需要增加企业的生产成本，以及时间成本，造成企业的额外负担。

另一种解决方式是通过焊缝跟踪技术进一步提升机器人焊接自动化以及智能化程度，根据现场焊缝的特点，由检测传感器导引机器人完成对焊缝的跟踪，但是检测传感器的扫描点和机器人的焊点之间存在一段前置距离，算法中需要解决这段前置距离造成的偏差，现有技术中为了方便起见，直接将机器人焊枪对准工件焊缝的起点作为起焊点，忽略了前置距离的存在而导致检测传感器的扫描位置出现偏差，因此跟踪精度不高；尤其是工件焊缝为曲线的情况下，跟踪精度的不高使得机器人焊枪无法以预期的位姿对焊缝进行连续稳定的焊接，导致焊接无法达到预期的效果。

发明内容

针对所述现状，本专利提出一种用于弧焊机器人焊接的曲线在线焊缝跟踪方法，方便简单，解决了自动化焊接控制过程中的误差问题，提高跟踪精度，解决变曲率曲线因前置距离无固定基准值的问题，使机器人焊枪以预期的位姿对曲线焊缝进行连续稳定的焊接。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种弧焊机器人焊接的曲线在线焊缝跟踪方法，应用于带有测量传感器的机器人的焊接过程，包括如下步骤：

步骤一：获取测量传感器的坐标系与机器人焊枪的坐标系的转换关系；由于测量传感器的测量点比机器人焊枪的焊点有一段前置距离，因此同时获取测量传感器与机器人焊枪所存在的前置距离；

步骤二：将曲线焊缝按距离等分，得到需要扫描和焊接的路径点，以焊缝起点开始，以焊缝终点结束；

步骤三：通过机器人示教焊枪准确焊接时，获取测量传感器在曲线焊缝各路径点的基准坐标值，将这一组基准坐标值存入缓存；

步骤四：设定测量传感器和机器人焊枪的实际起点位置，测量传感器的实际起点位置为待焊工件的曲线焊缝起点，机器人焊枪的实际起点位置为曲线焊缝起点按照曲率反向延长、距曲线焊缝起点的直线距离等于所述前置距离的位置点；

步骤五：测量传感器从待焊工件的焊缝起点开始，将各路径点作为测量点，依次移动扫描各测量点，并将扫描得到的测量点的坐标值发送给机器人，与缓存内对应的该路径点的基准值做比较，得到这个测量点的绝对偏差值，存入缓存；

步骤六：机器人与测量传感器一起移动，到达焊缝起点，根据缓存内的焊缝起点的绝对偏差值，修正焊缝起点坐标，根据步骤一的坐标系的转换关系转换为机器人焊枪的坐标，机器人焊枪移动至修正后的坐标，开始焊接，以各路径点作为焊接点；

步骤七：开始焊接后，测量传感器继续移动扫描下一个测量点，并将扫描得到的测量点的坐标值发送给机器人，与缓存内对应的基准值做比较，得到偏差值，由于机器人在上一个焊接点已做修正，此时测得的是相对偏差值，需要加上机器人在上一个焊接点的绝对偏差值，得到这个测量点的绝对偏差值，存入缓存；

步骤八：机器人焊枪在焊接中与测量传感器同步继续移动，到达下一个焊接点，根据缓存中的该焊接点的绝对偏差值，修正该焊接点坐标，根据步骤一的坐标系的转换关系转换为机器人焊枪的坐标，机器人焊枪移动至修正后的该焊接点坐标；

步骤九：重复步骤七和步骤八，直至完成焊缝终点的焊接，停止工作。

进一步的，所述步骤一中坐标系转换关系的获取，主要指获取传感器坐标系与焊枪坐标系Y轴与Z轴的转换关系，采用步骤为：

(1)移动机器人，使测量传感器的激光线垂直穿过一标准工件的焊缝起点，读取此时的测量传感器坐标和机器人焊枪坐标系坐标；

(2)Y轴标定，移动机器人焊枪坐标系Y轴一段距离，若激光线偏离基准线，还需要移动机器人焊枪坐标系X轴，使其恢复到基准线上，然后记录传感器Y轴变化量，通过机器人焊枪坐标系Y轴的变化量和传感器Y轴变化量，便可计算出两个坐标轴的夹角；

(3)Z轴标定，移动机器人焊枪坐标系Z轴一段距离，若激光线偏离基准线，还需要移动机器人焊枪坐标系X轴，使其恢复到基准线上，然后记录传感器Z轴变化量，通过机器人焊枪坐标系Z轴的变化量和传感器Z轴变化量，便可计算出两个坐标轴的夹角。

进一步的，所述步骤一中测量传感器与机器人焊枪的前置距离的确定方法：在焊缝上找一基准点，让测量传感器的激光线打到基准点上，同时焊枪也在焊缝上，记录机器人焊枪的位置；然后沿焊缝方向移动机器人，让焊枪移动到基准点上，再次记录机器人焊枪的位置，两者的偏差，即为前置距离。

进一步的，所述步骤二中，等分距离是指个路径点之间的弧长相等或直线距离相等。

进一步的，所述步骤二中，各路径点之间的直线距离小于所述步骤一中的所述前置距离。

进一步的，测量传感器扫描至焊缝终点后，停止扫描，但继续移动，此时机器人由于前置距离的存在，仍未焊接至焊缝终点，但剩余各焊接点的绝对偏差值已存在缓存中，继续执行步骤七直至焊缝终点。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明方案简单、准确，有效的避免了由于工件误差或者上料位置误差等原因造成曲线焊缝轨迹改变从而影响机器人焊接效果的问题。

(2)本发明的焊缝跟踪算法，创造性的并未将机器人焊接的起点直接对应焊缝起点，而是将焊缝起点作为测量传感器的起点，并辅以相关的算法，解决了同类操作中由于未考虑前置距离而导致跟踪精度不高的问题，特别解决变曲率曲线因前置距离无固定基准值的问题，提高跟踪精度，使机器人焊枪以预期的位姿对曲线焊缝进行连续稳定的焊接。

附图说明

图1是本发明实施例的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将结合实施例来详细说明本发明：

实施本发明的过程：

如图1所示，表示示教焊缝位置与实际焊缝位置。

P1为示教焊缝起点，P1’为实际焊缝起点。

P3为示教焊缝终点，P3’为实际焊缝终点。

P0为与焊缝起点间隔了测量传感器和机器人之间前置距离的位置点，其为P1点按照曲率反向延长、距P1点的直线距离等于所述前置距离，作为机器人的测量起点。

P2为与焊缝终点P3直线间隔了测量传感器和机器人之间前置距离的位置点，作为机器人的测量终点。

P0P1直线距离＝P2P3直线距离，当焊枪对准P0时，测量传感器的激光线应刚好穿过P1点。

准备工作：获取测量传感器坐标(Ys，Zs)与机器人工具坐标(Yr，Zr)的转换关系及测量传感器测量点和焊枪焊接点的前置距离。

转换关系的获取，主要指获取传感器坐标系与焊枪坐标系Y轴与Z轴的转换关系，沿焊缝方向为焊枪坐标系的X轴，垂直于焊缝的方向为焊枪坐标系的Y轴，焊枪坐标系的Z轴由右手法则确定，采用步骤为：

(1)移动机器人，使测量传感器的激光线垂直穿过P1，读取此时的测量传感器坐标和机器人焊枪坐标系坐标；

(2)Y轴标定，移动机器人焊枪坐标系Y轴一段距离，若激光线偏离基准线，还需要移动机器人焊枪坐标系X轴，使其恢复到基准线上，然后记录传感器Y轴变化量，通过机器人焊枪坐标系Y轴的变化量和传感器Y轴变化量，便可计算出两个坐标轴的夹角；

(3)Z轴标定，移动机器人焊枪坐标系Z轴一段距离，若激光线偏离基准线，还需要移动机器人焊枪坐标系X轴，使其恢复到基准线上，然后记录传感器Z轴变化量，通过机器人焊枪坐标系Z轴的变化量和传感器Z轴变化量，便可计算出两个坐标轴的夹角。

所述步骤一中测量传感器与机器人焊枪的前置距离的确定方法：让测量传感器的激光线打到P3点上，同时焊枪在P2点上，记录机器人焊枪的位置；然后沿焊缝方向移动机器人，让焊枪移动到P3点上，再次记录机器人焊枪的位置，两者的偏差，即为前置距离。

将P0-P3按距离等分原则等分，P0-P1等分成m-1段，共m个路径点；P1-P3等分成n-1段，共n个路径点。将每个路径点的机器人位姿保存到程序缓存中。

为方便描述，现假设P0-P1分10段，共11个路径点；P1-P3分100段，共101个路径点；

通过机器人示教焊枪准确焊接，焊枪由P0开始依次对准各路径点，将测量传感器得到的各路径点的坐标(Xi,Yi,Zi)发送给机器人，将这组坐标保存在缓存中，作为测量传感器的基准参考点；

将机器人移动至P0点，启动P0-P1的机器人运动程序，使焊枪沿P0P1的路径点逐点前进。当焊枪处于第1点，即P0点时，机器人向测量传感器发送请求信号，测量传感器获取实际焊缝P1’的坐标(X1，Y1，Z1)，发送给机器人，机器人接收、处理(X1-X0，Y1-Y0，Z1-Z0)，经过坐标变换后，得到P1’-P3’的第1个路径点，即P1’的修正值△d1。

机器人每走完一个路径点，便向测量传感器请求一组坐标，当机器人运动到P1点时，走完了前11个路径点，获取了11个修正值，机器人在P1位置暂停。

机器人由P1点启动，移动至P1’，在这个过程中，测量传感器不工作。

机器人到达P1’，此时测量传感器激光线运动到的是P1’-P3’路径点的第11个，这个点的修正值已经在机器人到达P1时获取了，所以在P1’，测量传感器不工作。

机器人由P1’开始，启动P1’-P3’的机器人运动程序，前11个点会按预先计算出的绝对误差逐点修正。

当机器人移动到第2个路径点，测量传感器获取实际焊缝第12个路径点的坐标(X12，Y12，Z12)，机器人计算后获取偏差(X12-X0，Y12-Y0，Z12-Z0)，需要注意的是，这个偏差d只是相对偏差，真正的偏差应该是△d12＝d+△d2。

以此类推，机器人每走完一个路径点，就得到一个新的修正后的路径点，直到机器人移动到第91个路径点，触发测量传感器获取实际焊缝第101个路径点，即终点P3’的坐标(X101，Y101，Z101)，△d101＝d+△d91。

测量传感器不再工作。机器人继续执行描点程序，直至到达终点P3’。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征和实施方案等信息，但是本发明不受上述实施过程的限制，在不脱离发明精神和范围的前提下，本发明还可以有各种变化和改进。因此，除非这种变化和改进脱离了本发明的范围，它们应该被看作包含在本发明中。

Claims (6)

1.一种弧焊机器人焊接的曲线在线焊缝跟踪方法，应用于带有测量传感器的机器人的焊接过程，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：获取测量传感器的坐标系与机器人焊枪的坐标系的转换关系；由于测量传感器的测量点比机器人焊枪的焊点有一段前置距离，因此同时获取测量传感器与机器人焊枪所存在的前置距离；

步骤二：将曲线焊缝按距离等分，得到需要扫描和焊接的路径点，以焊缝起点开始，以焊缝终点结束；

步骤三：通过机器人示教焊枪准确焊接时，获取测量传感器在曲线焊缝各路径点的基准坐标值，将这一组基准坐标值存入缓存；

步骤四：设定测量传感器和机器人焊枪的实际起点位置，测量传感器的实际起点位置为待焊工件的曲线焊缝起点，机器人焊枪的实际起点位置为曲线焊缝起点按照曲率反向延长、距曲线焊缝起点的直线距离等于所述前置距离的位置点；

步骤五：测量传感器与机器人一起移动，从待焊工件的焊缝起点开始，将各路径点作为测量点，依次移动扫描各测量点，并将扫描得到的测量点的坐标值发送给机器人，与缓存内对应的该路径点的基准值做比较，得到这个测量点的绝对偏差值，存入缓存；

步骤六：机器人与测量传感器一起移动，到达焊缝起点，根据缓存内的焊缝起点的绝对偏差值，修正焊缝起点坐标，根据步骤一的坐标系的转换关系转换为机器人焊枪的坐标，机器人焊枪移动至修正后的坐标，开始焊接，以各路径点作为焊接点；

步骤七：开始焊接后，测量传感器继续移动扫描下一个测量点，并将扫描得到的测量点的坐标值发送给机器人，与缓存内对应的基准值做比较，得到偏差值，由于机器人在上一个焊接点已做修正，此时测得的是相对偏差值，需要加上机器人在上一个焊接点的绝对偏差值，得到这个测量点的绝对偏差值，存入缓存；

步骤八：机器人焊枪在焊接中与步骤七所述测量传感器的继续移动进行同步继续移动，到达下一个焊接点，根据缓存中的该焊接点的绝对偏差值，修正该焊接点坐标，根据步骤一的坐标系的转换关系转换为机器人焊枪的坐标，机器人焊枪移动至修正后的该焊接点坐标；

步骤九：重复步骤七和步骤八，直至完成焊缝终点的焊接，停止工作。

2.根据权利要求1所述的一种弧焊机器人焊接的曲线在线焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤一中坐标系转换关系的获取，主要指获取传感器坐标系与焊枪坐标系Y轴与Z轴的转换关系，采用步骤为：

(1)移动机器人，使测量传感器的激光线垂直穿过一标准工件的焊缝起点，读取此时的测量传感器坐标和机器人焊枪坐标系坐标；

(2)Y轴标定，移动机器人焊枪坐标系Y轴一段距离，若激光线偏离基准线，还需要移动机器人焊枪坐标系X轴，使其恢复到基准线上，然后记录传感器Y轴变化量，通过机器人焊枪坐标系Y轴的变化量和传感器Y轴变化量，便可计算出两个坐标轴的夹角；

(3)Z轴标定，移动机器人焊枪坐标系Z轴一段距离，若激光线偏离基准线，还需要移动机器人焊枪坐标系X轴，使其恢复到基准线上，然后记录传感器Z轴变化量，通过机器人焊枪坐标系Z轴的变化量和传感器Z轴变化量，便可计算出两个坐标轴的夹角。

3.根据权利要求1所述的一种弧焊机器人焊接的曲线在线焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤一中测量传感器与机器人焊枪的前置距离的确定方法：在焊缝上找一基准点，让测量传感器的激光线打到基准点上，同时焊枪也在焊缝上，记录机器人焊枪的位置；然后沿焊缝方向移动机器人，让焊枪移动到基准点上，再次记录机器人焊枪的位置，两者的偏差，即为前置距离。

4.根据权利要求1所述的一种弧焊机器人焊接的曲线在线焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤二中，等分距离是指个路径点之间的弧长相等或直线距离相等。

5.根据权利要求1或4所述的一种弧焊机器人焊接的曲线在线焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤二中，各路径点之间的直线距离小于所述步骤一中的所述前置距离。

6.根据权利要求1所述的一种弧焊机器人焊接的曲线在线焊缝跟踪方法，其特征在于：测量传感器扫描至焊缝终点后，停止扫描，但继续移动，此时机器人由于前置距离的存在，仍未焊接至焊缝终点，但剩余各焊接点的绝对偏差值已存在缓存中，继续执行步骤七直至焊缝终点。