CN108608099A - 一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，它解决了现有技术中焊枪对中性易受影响、焊枪转动时焊丝末端位置易发生偏移的问题，具有能够实现焊枪转动补偿、提高焊接精度的效果；其技术方案为：包括以下步骤：坐标获取：通过调整焊枪的位置姿态，获取机器坐标系下各校正点坐标；偏差计算：基于所述校正点坐标，计算任意转动角度下焊枪的位置偏移量；补偿校正：将偏移机器坐标系中X轴、Y轴、Z轴方向上的相对偏移量叠加在焊接过程的机器运动坐标中，实现焊枪任一角度下的转动补偿。

Description

一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法

技术领域

本发明涉及数控自动化焊接领域，尤其涉及一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法。

背景技术

瓦楞板是一种通过冷轧或者辊压形成的波纹形状的钢板，其形状梯形、圆形为主，厚度在1.5～3.5mm左右。瓦楞板不仅造型美观，而且由于其在刚度和抗剪切和承载能力方面的优异性能，广泛应用于船舶、集装箱、卡车车厢、公路隔离板等场合。

在一般加工中，需要通过焊接手段将瓦楞板板材与其底框、边框接合在一起，其焊缝为角焊缝，气体保护电弧焊方法焊接。目前工厂中瓦楞板焊接多采用人工焊接，但人工焊接存在着焊接环境差、危险性高、焊接效率低等问题。

瓦楞板焊接机器人的出现解决了瓦楞板的自动焊接问题，基于激光焊缝跟踪技术和运动控制技术，实现了瓦楞板的自动焊接加工，大大提高了焊接质量和焊接效率，减轻了工人劳动强度。在结构上采用四轴直角坐标型机器人，X轴、Y 轴、Z轴为三维空间直线运动，C轴为焊枪旋转运动。

由于瓦楞板具有起伏的板型，除了要求X轴、Y轴、Z轴对瓦楞板空间位置形状的精确跟踪外，还要求焊枪所在的C轴在瓦楞板的斜边处配合一定角度的转动，以保证焊接质量。这就需要一方面焊接机器人运动精度达到要求，另一方面则要求焊枪的对中性良好，即保证焊枪转动时伸出焊丝末端始终保持在一个点上。

但受到焊枪安装误差、焊丝伸出长度等因素影响，尤其是更换焊枪后，或者运动过程中焊枪发生碰撞导致焊枪位置移动后，焊枪的对中性受到影响，焊丝末端往往与回转中心难以重合，在焊枪转动时，焊丝末端位置会发生一定偏移，从而影响焊接质量。因此如何对焊枪转动时发生的位置偏移进行校正补偿，以保证其在旋转时的对中效果，成为瓦楞板自动焊接中亟待解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，其具有能够实现焊枪转动补偿、提高焊接精度的效果。

本发明采用下述技术方案：

一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，包括以下步骤：

步骤(1)坐标获取：通过调整焊枪的位置姿态，获取机器坐标系下各校正点坐标；

步骤(2)偏差计算：基于所述校正点坐标，计算任意转动角度下焊枪的位置偏移量；

步骤(3)补偿校正：将偏移机器坐标系中X轴、Y轴、Z轴方向上的相对偏移量叠加在焊接过程的机器运动坐标中，实现焊枪任一角度下的转动补偿。

进一步的，所述步骤(1)中，坐标获取过程为：

1)调整焊枪中焊丝伸出长度；

2)焊枪所在C轴机器回零，使焊枪到达零位姿态；

3)移动X轴、Y轴、Z轴使焊枪伸出焊丝末端对准校正点，并记录当前坐标，即第一校正点坐标；

4)将C轴顺时针转动90°，移动X轴、Z轴，使焊丝末端对准校正点，并记录当前坐标，即第二校正点坐标；

5)C轴回零，保持零位姿态，移动焊枪，使焊丝末端再次移动至校正点；

6)C轴逆时针转动90°，移动X轴、Z轴，使焊丝末端对准校正点，并记录当前坐标，即第三校正点坐标。

进一步的，在焊枪校正时焊丝伸出焊枪的长度不变。

进一步的，所述步骤(2)中，偏差计算过程为：

1)通过校正操作，获得机器坐标系下，第一校正点坐标、第二校正点坐标和第三校正点坐标；

2)计算运动轴C顺时针旋转90°和逆时针旋转90°姿态位置下的偏移量，获得机器坐标系下顺时针旋转90°和逆时针旋转90°时焊丝尖端位置坐标；

3)计算机器坐标系下焊枪回转中心坐标；

4)进行相对于回转中心的坐标系变换，将回转中心变换为新坐标系原点，坐标轴方向不变；

5)在新的坐标系下，计算任意α°转角时，α°姿态位置下X轴、Z轴偏移量。

进一步的，所述2)中，焊枪由顺时针旋转90°姿态位置移向校正点过程中，机器坐标由第二校正点坐标变换到第一校正点坐标时相对偏移量，即为校正起点 M与焊枪顺时针旋转90°姿态位置下焊丝尖端点A相对偏移量。

进一步的，所述2)中，焊枪由逆时针旋转90°姿态位置移向校正点过程中，机器坐标由第三校正点坐标变换到第一校正点坐标时相对偏移量，即为校正起点 M与焊枪逆时针旋转90°姿态位置下焊丝尖端点B相对偏移量。

进一步的，所述4)中，基于焊枪回转轴心Oc坐标，对坐标系平移变化，得到以回转轴心Oc为原点的坐标系，记新的校正起点为M’。

进一步的，基于新的坐标系，利用校正起点M’围绕回转轴心Oc旋转变换，得到任意转动角度下焊丝末端坐标，从而获得相对偏移量。

进一步的，所述校正点为焊枪校正块尖端点，所述焊枪校正块设置于瓦楞板夹持装置一侧。

进一步的，所述焊枪校正块为具有锥形尖端的圆柱体结构，其尖端指向焊接机器人，且锥度范围为45°-60°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明在瓦楞板夹持装置一侧固定具有锥形尖端的焊枪校正块，通过焊枪伸出焊丝尖端与焊枪矫正块的对准调节计算运动偏差，能够在实际摆枪过程中给予补偿，提高焊枪对中精度；

(2)本发明通过坐标获取、偏差计算、补偿校正过程对焊枪进行校正，将偏移计算所得的X、Y、Z方向上的相对偏移量叠加在焊接过程的焊枪转动动作中，实现焊枪一定角度下转动补偿，提高焊接精度；

(3)本发明解决了现有技术存在的焊枪旋转偏移问题，适用于四轴直角坐标系焊机，三点校正方法更加简便。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为瓦楞板焊接机器人结构示意图；

图2为本发明焊枪校正装置轴测图；

图3为本发明焊枪校正装置主视图；

图4为本发明焊枪偏移位姿示意图；

图5为本发明的总体流程图；

图6为本发明坐标获取流程图；

图7为本发明偏差计算流程图；

图8为本发明补偿校正流程图；

图9为本发明顺时针旋转90°姿态下获取第二校正点坐标示意图，

图10为本发明逆时针旋转90°姿态下获取第三校正点坐标示意图；

图11为本发明第一校正点与第三校正点坐标位置示意图；

图12为本发明任意转角α°下偏差计算的示意图；

图13为本发明焊枪校正效果的示意图；

其中：1-X轴、2-Y轴、3-Z轴、4-C轴、5-焊枪、6-夹持装置、7-焊枪校正块、8-瓦楞板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在焊枪对中性易受影响、焊枪转动时焊丝末端位置易发生偏移的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图2-图13所示，提供了一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，采用焊枪校正装置对瓦楞板机器人的焊枪5进行校正；其中，瓦楞板机器人如图1所示，焊枪5通过Y轴模组安装于Z轴模组一侧，Z轴模组通过架体安装于X轴模组上部；Y轴模组的端部安装焊枪；通过X 轴模组、Y轴模组、Z轴模组带动焊枪5进行三维空间直线运动。

瓦楞板机器人具体结构为现有技术，此处不再赘述。

X轴模组、Y轴模组、Z轴模组所在位置分别为X轴1、Y轴2、Z轴3；焊枪5可绕其底部安装座旋转，以焊枪的回转轴为C轴4。

瓦楞板8通过夹持装置6安装于瓦楞板机器人一侧，所述夹持装置6为现有结构，此处不再赘述。

夹持装置6对应于焊枪5一侧固定有焊枪校正块7，所述焊枪校正块7为具有锥形尖端的圆柱体结构，其尖端指向焊接机器人，用于对焊枪5的旋转偏差辅助校正；焊枪校正块7的尖端锥度范围为45°-60°。

如图4所示，当焊枪5发生位置偏移时，待校正的焊枪5伸出焊丝末端偏移回转中心C轴4轴心线O_c，旋转运动所在平面为机器坐标系(X,Y,Z)下XZ平面，旋转轨迹为围绕旋转中心O_c半径固定的圆；保持X轴1、Y轴2、Z轴3 不动，当焊枪5以零位姿态，从起点M转动任意角度α°时，围绕旋转中心O_c到达N点位置，明显看出相对于起点M位置发生了相对偏移。

本申请对于瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法总体流程如图5所示：

步骤(1)坐标获取：通过调整焊枪5的位置姿态，获取机器坐标系(焊接机器人运动坐标)下各校正点坐标；

步骤(2)偏差计算：基于所述校正点坐标，计算任意转动角度下焊枪5的位置偏移量；

步骤(3)补偿校正：将偏移机器坐标系中X轴1、Y轴2、Z轴3方向上的相对偏移量叠加在焊接过程的机器运动坐标中，实现焊枪5一定角度下的转动补偿。

其中，坐标获取过程如图6所示，具体包括以下步骤：

S601:开始坐标获取，调整焊枪5焊丝伸出长度；

优选的，焊枪5伸出焊丝长度在10-18mm之间，焊枪5校正时长度不变。

S602：焊枪5所在C轴4机器回零，使焊枪5到达零位姿态；

其中，焊枪5零位姿态为C轴4回零后焊枪姿态。

S603：移动X轴1、Y轴2、Z轴3，使焊枪5伸出焊丝末端对准校正点(焊枪校正块尖端点)，并记录当前坐标，记为第一校正点坐标；

如图9所示，0°焊枪焊丝末端位置坐标表示焊枪5在零位姿态下，移动焊枪5位置，使伸出焊丝末端位于校正点处时空间坐标，记该点坐标为第一校正点坐标M(X₁,Z₁)。

S604：C轴4顺时针转动90°，焊枪5姿态位置改变，保持-90°姿态，移动X轴1、Z轴3，使焊丝末端对准校正点，并记录当前坐标，记为第二校正点坐标；

如图9所示，焊枪-90°位置姿态表示焊枪5在零位姿态下，移动焊枪5位置，使伸出焊丝末端位于校正点处，焊枪5顺时针旋转90°时位置姿态，这一过程空间机器坐标不变。

如图10所示，保持焊枪-90°位置姿态姿态，移动焊枪位置，再次使焊丝末端位于校正点处时，记录当前坐标，记为第二校正点(X₂,Z₂)。

S605：C轴4回零，保持零位姿态，移动焊枪5，使将焊丝末端再次移动至校正点。

S606：C轴4逆时针转动90°，焊枪5姿态位置改变，保持+90°姿态，移动X轴、Z轴，使焊丝末端对准校正点，并记录当前坐标，记为第三校正点坐标；

如图11所示，焊枪+90°位置姿态表示焊枪5在零位姿态下，移动焊枪5 位置使伸出焊丝末端位于校正点处，焊枪5逆时针旋转90°时位置姿态，这一过程空间机器坐标不变。

如图11所示，保持焊枪+90°位置姿态，移动焊枪5位置，再次使焊丝末端位于校正点处时，记录当前坐标，记为第三校正点(X₃,Z₃)。

S607：坐标获取完成。

偏差计算过程如图7所示，具体包括以下步骤：

S701:偏差计算；

S702：通过校正操作，获得机器坐标系下焊枪5相对于校正点零位坐标，顺时针和逆时针旋转90°姿态下坐标，即第一校正点、第二校正点、第三校正点坐标；

S703：计算顺时针旋转90°和逆时针旋转90°姿态位置下偏移量，从而获得机器坐标系下顺时针旋转90°和逆时针旋转90°时位置坐标；

图10同时示出了第一校正点坐标(X₁,Z₁)与第二校正点坐标(X₂,Z₂)之间位置关系，焊枪5由顺时针旋转90°姿态位置移向校正点过程中，机器坐标由第二校正点坐标(X₂,Z₂)变换到第一校正点坐标(X₁,Z₁)时相对偏移量，即为校正起点M与焊枪5顺时针旋转90°姿态位置下焊丝尖端点A相对偏移量，从而获得机器坐标系下焊枪5顺时针旋转90°时焊丝尖端点A位置坐标，即图中所示点A坐标(X_A,Z_A)；

第一校正点与第二校正点沿坐标轴X方向相对偏移量ΔX_A、Z方向相对偏移量ΔZ_A，通过如下公式计算：

点A坐标(X_A,Z_A)，通过下式计算：

图11同时示出了第一校正点坐标(X₁,Z₁)与第三校正点坐标(X₃,Z₃)之间位置关系，焊枪5由逆时针旋转90°姿态位置移向校正点过程中，机器坐标由第三校正点坐标(X₃,Z₃)变换到第一校正点坐标(X₁,Z₁)时相对偏移量，即为校正起点M与焊枪5逆时针旋转90°姿态位置下焊丝尖端点B相对偏移量，从而获得机器坐标系下焊枪5逆时针旋转90°时焊丝尖端点B位置坐标，即图中所示点B坐标(X_B,Z_B)。

第一校正点与第三校正点沿坐标轴X方向相对偏移量ΔX_B、Z方向相对偏移量ΔZ_B，通过下式计算：

点B坐标(X_B,Z_B)，通过下式计算：

S704:计算机器坐标系下焊枪5回转中心坐标；

图9表示出回转中心与点A、点B的关系，即回转中心处于点AB连线中点，依此计算回转中心坐标，记回转中心坐标为O_c(X_Oc,Z_Oc)，O_c坐标通过如下公式计算：

S705:进行相对于旋转中心的坐标系变换，将回转中心变换为新坐标系原点，坐标轴方向不变；

如图12所示，坐标系原点O移至回转中心O_c，坐标轴方向不变；基于焊枪 5回转轴心O_c坐标，对坐标系平移变化得到以回转轴心O_c为原点的工具坐标系，记新的校正起点为M’(X_M’,Z_M’)；

则上述工具坐标系下，新的校正起点为M’坐标(X_M’,Z_M’)，通过如下公式计算：

S706:在新的工具坐标系下，计算任意α°转角时，α°姿态位置下X轴、Z 轴偏移量，

基于新的工具坐标系，利用校正起点M’围绕回转轴心旋转变换，得到任意转动角度下焊丝末端坐标，从而获得相对偏移量。

如图12所示，对工具坐标系下新的校正起点M’进行旋转变化，旋转角度为α°，记变化后坐标为N’(X_N’,Z_N’)；在空间坐标系内，可记M’点为(X_M’,Z_M’,Y_M’)， N’点为(X_N’,Z_N’,Y_N’)。

N’点坐标(X_N’,Z_N’,Y_N’)通过如下公式计算：

M’点与N’点X轴方向相对偏移ΔM’_x、Y轴方向相对偏移ΔM’_y、Z轴方向相对偏移ΔM’_z，通过如下的公式计算：

旋转角度α°,逆时针方向旋转，α取正值；顺时针方向旋转，α取负值，取值范围-180°～180°。

S707:偏差计算完成。

补偿校正过程如图8所示：

S801:补偿校正开始；

S802:通过偏差计算，获得任意α°转角时，X轴、Y轴、Z轴相对偏移量；

S803:将上述偏移量作为C轴4转动补偿叠加到运动坐标中；

将偏移计算所得的X轴1、Y轴2、Z轴3方向上的相对偏移量ΔM’_x、ΔM’_y、ΔM’_z叠加在焊接过程的机器运动坐标(X,Y,Z)中，实现焊枪5一定角度下转动补偿，提高焊接精度。

假设校正后坐标为(X’,Y’,Z’)，通过如下公式计算：

该校正后坐标即为机器焊接过程中最终执行坐标。

S804:补偿校正完成。

焊枪5校正后效果如图13所示，旋转任意转角α°下，焊枪焊丝末端始终围绕焊枪校正块7校正点旋转，即校正补偿有效。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)坐标获取：通过调整焊枪的位置姿态，获取机器坐标系下各校正点坐标；

步骤(2)偏差计算：基于所述校正点坐标，计算任意转动角度下焊枪的位置偏移量；

步骤(3)补偿校正：将偏移机器坐标系中X轴、Y轴、Z轴方向上的相对偏移量叠加在焊接过程的机器运动坐标中，实现焊枪任一角度下的转动补偿。

2.根据权利要求1所述的一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，其特征在于，所述步骤(1)中，坐标获取过程为：

1)调整焊枪中焊丝伸出长度；

2)焊枪所在C轴机器回零，使焊枪到达零位姿态；

3)移动X轴、Y轴、Z轴使焊枪伸出焊丝末端对准校正点，并记录当前坐标，即第一校正点坐标；

4)将C轴顺时针转动90°，移动X轴、Z轴，使焊丝末端对准校正点，并记录当前坐标，即第二校正点坐标；

5)C轴回零，保持零位姿态，移动焊枪，使焊丝末端再次移动至校正点；

6)C轴逆时针转动90°，移动X轴、Z轴，使焊丝末端对准校正点，并记录当前坐标，即第三校正点坐标。

3.根据权利要求2所述的一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，其特征在于，在焊枪校正时焊丝伸出焊枪的长度不变。

4.根据权利要求1所述的一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，其特征在于，所述步骤(2)中，偏差计算过程为：

1)通过校正操作，获得机器坐标系下，第一校正点坐标、第二校正点坐标和第三校正点坐标；

2)计算运动轴C顺时针旋转90°和逆时针旋转90°姿态位置下的偏移量，获得机器坐标系下顺时针旋转90°和逆时针旋转90°时焊丝尖端位置坐标；

3)计算机器坐标系下焊枪回转中心坐标；

4)进行相对于回转中心的坐标系变换，将回转中心变换为新坐标系原点，坐标轴方向不变；

5)在新的坐标系下，计算任意α°转角时，α°姿态位置下X轴、Z轴偏移量。

5.根据权利要求4所述的一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，其特征在于，所述2)中，焊枪由顺时针旋转90°姿态位置移向校正点过程中，机器坐标由第二校正点坐标变换到第一校正点坐标时相对偏移量，即为校正起点M与焊枪顺时针旋转90°姿态位置下焊丝尖端点A相对偏移量。

6.根据权利要求4所述的一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，其特征在于，所述2)中，焊枪由逆时针旋转90°姿态位置移向校正点过程中，机器坐标由第三校正点坐标变换到第一校正点坐标时相对偏移量，即为校正起点M与焊枪逆时针旋转90°姿态位置下焊丝尖端点B相对偏移量。

7.根据权利要求4所述的一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，其特征在于，所述4)中，基于焊枪回转轴心Oc坐标，对坐标系平移变化，得到以回转轴心Oc为原点的坐标系，记新的校正起点为M’。

8.根据权利要求7所述的一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，其特征在于，基于新的坐标系，利用校正起点M’围绕回转轴心Oc旋转变换，得到任意转动角度下焊丝末端坐标，从而获得相对偏移量。

9.根据权利要求1所述的一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，其特征在于，所述校正点为焊枪校正块尖端点，所述焊枪校正块设置于瓦楞板夹持装置一侧。

10.根据权利要求9所述的一种瓦楞板焊接机器人的焊枪校正方法，其特征在于，所述焊枪校正块为具有锥形尖端的圆柱体结构，其尖端指向焊接机器人，且锥度范围为45°-60°。