CN109483545B - 一种焊缝重构方法、智能机器人焊接方法及系统 - Google Patents
一种焊缝重构方法、智能机器人焊接方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种焊缝重构方法,用于对第一平面与第二平面之间形成的焊缝进行重构,所述焊缝重构方法包括:计算所述第一平面的方程与所述第二平面的方程;计算焊接平面的方程;计算焊枪轴线所在的方程;计算焊枪焊接焊缝时的姿态;计算焊枪位于焊缝的起始点和结束点的位姿。本发明能自动根据工艺要求计算多层多道焊缝中每道的位置;本发明的成本较低,易于实现焊接作业系统的智能化。
Description
技术领域
本发明属于机器人焊接领域,具体涉及一种焊缝重构方法、智能机器人焊接方法及系统。
背景技术
近年来,工业对焊接的需求不断扩大,人工焊接已经无法满足需求。机器人焊接得到了迅速的发展和广泛的应用。焊接机器人对于提高工作效率、优化焊接质量、改善劳动条件具有重要意义。
机器人焊接的传统方法为人工手动示教,这种方式存在工作量大、不易示教焊枪姿态以及无法示教大焊缝的多层多道等缺点。目前业界出现了一些智能化焊接设备,如在原有的系统上增加视觉系统、激光扫描系统,用于获取焊缝位置,一定程度上提高了焊接的自动化。但现目前的方法成本较高、不能获取焊接时焊枪的姿态以及计算出多层多道每道焊缝的空间位置。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种焊缝重构方法、智能机器人焊接方法及系统。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种焊缝重构方法,用于对第一平面与第二平面之间形成的焊缝进行重构,所述焊缝重构方法包括:
计算所述第一平面的方程与所述第二平面的方程;
计算焊接平面的方程;
计算焊枪轴线的方程;
计算焊枪焊接焊缝时的姿态;
计算焊枪位于焊缝的起始点和结束点的位姿。
可选地,采用向量法计算所述第一平面的方程和所述第二平面的方程。
可选地,所述焊接平面的法线为所述焊缝横向偏移的方向,所述焊枪轴线为所述焊缝纵向偏移的方向。
可选地,根据所述焊枪轴线和焊缝切线计算所述焊接平面的方程。
可选地,所述计算焊枪轴线所在的方程,具体包括:
将所述结束点绕所述第三平面上过所述起始点的垂线旋转第一角度得到第一点,则所述起始点与所述第一点的连线所在的方程为所述焊枪的轴线所在方程。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明还提供一种智能机器人焊接作业系统,该焊接作业系统包括:
感知单元,用于获取工件上的特征点的空间位置信息;
决策单元,用于将所述特征点的空间位置信息进行预处理,并执行所述的焊缝重构方法,并将焊枪末端的位姿信息转换为控制信息以驱动所述执行单元;
执行单元,用于根据所述决策单元输出的控制信息进行焊接操作。
可选地,所述将所述特征点的空间间位置信息进行预处理包括:计算所述特征点以及形成焊缝的所述第一平面和所述第二平面在机器人基坐标系中的空间信息。
可选地,所述感知单元通过视觉或者示教方式,获取工件上特征点的空间位置信息。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明还提供一种智能机器人焊接作业方法,该焊接作业方法包括:
获取工件上的特征点的空间位置信息;
对所述特征点的空间位置信息进行预处理,并执行所述的焊缝重构方法,并将焊枪末端的位姿信息转换为控制信息;
根据所述控制信息执行焊接操作。
可选地,对所述特征点的空间位置信息进行预处理,包括计算所述特征点在所述机器人基坐标系下的位置。
如上所述,本发明的一种焊缝重构方法、智能机器人焊接方法及系统,具有以下有益效果:
本发明通过视觉获取焊接时焊枪的姿态,能够通过比较简单的方法得到焊缝的位置;本发明能自动根据工艺要求计算多层多道焊缝中每道的位置;本发明的成本较低,易于实现焊接作业系统的智能化。
附图说明
图1为本发明的焊缝重构方法的流程图;
图2为本发明的示教点示意图;
图3为本发明的中间计算点示意图;
图4为本发明的多层多道焊缝仿真图;
图5为本发明的智能机器人焊接系统的组成框图;
图6为本发明的智能机器人焊接方法的流程图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1~6。须知,本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示,本发明提供一种焊缝重构方法,该方法用于对第一平面与第二平面之间形成的焊缝进行重构,所述焊缝重构方法包括:
S1计算所述第一平面的方程与所述第二平面的方程;
S2计算焊接平面的方程;
S3计算焊枪轴线的方程;
S4计算焊枪焊接焊缝时的姿态;
S5计算焊缝的起始位姿和结束位姿。
于一实施例中,如图2所示,定义第一平面为平面ABC,第二平面为平面ABD,其中点A和点B分别表示焊缝的起始点和结束点,点C为第一平面内的任意一点,点D为第二平面内的任意一点。通过向量法求第一平面和第二平面的方程,具体地:
求得平面ABC法向量为:(a1,b1,c1)。式中,(xA,yA,zA)为A点的坐标,(xB,yB,zB)为B点的坐标。进而求得平面ABC的方程为:
a1(x-xA)+b1(y-yA)+c1(z-zA)=0
同理求得平面ABD的方程为:
a2(x-xA)+b2(y-yA)+c2(z-zA)=0
式中,(a2,b2,c2)表示平面ABD的法向量。
将C点绕轴AB旋转焊接工艺给定的角度θ得到C’点(如图3所示),C’的坐标(xC',yC',zC')为:
式中,Rz(α)Ry(β)Rz(θ)Ry(-β)Rz(-α)表示绕平行于AB轴且过原点的轴旋转θ角度的变换矩阵。其中,T(xA,yA,zA)表示坐标平移;Rz(α)表示坐标绕Z轴旋转α角度;Ry(β)表示坐标绕Y轴旋转β角度。具体为:
式中:
求得焊接平面ABC’的方程为:
a3(x-xA)+b3(y-yA)+c3(z-zA)=0
式中,(a3,b3,c3)表示平面ABC’的法向量。
于一实施例中,将B点绕平面ABC’(第三平面)上过A点的垂线旋转设定的倾斜角度(第一角度),得到B’点(xB',yB',zB')(第一点),B’点如图3所示,向量AB’即为焊枪轴线。
焊枪轴线即为机器人系统中工具坐标系的Z轴,再根据焊缝AB在机器人基坐标系下的位置确定工具坐标系的X轴或者Y轴,得到工具坐标系的表示,即为焊枪姿态。
于另一实施列中,多层多道焊缝的纵向偏移方向为在焊接平面内,AB过A点的垂线;横向偏移方向为焊接平面的法线。根据焊接工艺要求和偏移值,得到每道焊缝的起始点和结束点及焊枪的位姿。在焊接工艺参数不变的情况下,每道的敷量是一致的,敷量截面的厚度作为纵向偏移值,敷量截面的宽度作为横向偏移值。
以下采用具体的数值对本发明的实施方式进行举例说明,但并非局限于以下实施方式。
工件上ABCD四点相对于机器人基坐标系的位置如下,单位mm。
A(789.12,187.24,122.58)、B(798.15-162.86 124.46)
C(783.68 12.29 140.72)、D(803.56 12.13 140.86)
工艺参数:采用6层6道焊接,提枪高度分别为0、8、12、15、17、19,单位mm。(上面焊缝宽度增加,因此每次提枪不相等。)
计算出焊枪相对于机器人基坐标系的姿态为:
转化为欧拉角为:[179.69°-0.13°1.48°]
最后得到的6道焊缝的起始点和结束点如图4所示。
本发明根据点的位置信息,计算出焊枪姿态和每道焊缝的位置,从而控制机器人实现自动化焊接,克服了现有技术存在的示教繁琐、工作量大、很难得到焊枪姿态等缺点,实现了焊接作业系统的智能化。
如图5所示,本发明还提供一种智能机器人焊接作业系统,该焊接作业系统包括:感知单元、决策单元和执行单元。
所述感知单元,用于获取工件上的特征点的空间位置信息。具体地,感知单元通过视觉或其他示教方式获取工件上特征点控间位置信息,然后将获得的各点空间位置信息输入到决策单元。
所述决策单元,用于将所述特征点的空间位置信息进行预处理,并执行所述的焊缝重构方法,并将焊枪末端的位姿信息转换为控制信息以驱动所述执行单元。这里所说的焊缝重构方法如前所述,此处不再赘述。
预处理包括:计算所述特征点以及形成焊缝的所述第一平面和所述第二平面在机器人基坐标系中的空间信息。进一步,所述特征点包括焊缝的起始点和结束点以及工件上辅助的两点,其中的起始点为图2中的A点,结束点为图2中的B点,工件上辅助的两点分别为C点和D点。
所述执行单元,用于根据所述决策单元输出的控制信息进行焊接操作。
机器人的执行单元根据决策系统的控制信号,到达指定的位姿进行焊接操作以实现机器人多层多道焊接,包括到达指定的位姿进行焊接操作以及按规定的路径实现机器人多层多道焊接。
于一实施例中,所述感知单元通过视觉或者示教方式,获取工件上特征点的空间位置信息。
通过视觉获取工件上特征点的位置时,首先需要标定相机坐标系相对于机器人基坐标系的旋转矩阵;当相机获取特征点在相机坐标系中的位置后,通过标定的旋转矩阵计算特征点相对于机器人基坐标系下的位置。
于一实施例中,当焊接作业现场不具有视觉条件时,所述感知单元通过示教方式,移动焊枪末端到达特征点,获取工件上特征点的空间位置信息。
如图6所示,本发明还提供一种智能机器人焊接作业方法,该方法包括以下步骤:
S11获取工件上的特征点的空间位置信息;
具体地,感知单元通过视觉或其他示教方式获取工件上特征点控间位置信息,然后将获得的各点空间位置信息输入到决策单元。
S12对所述特征点的空间位置信息进行预处理,并执行所述的焊缝重构方法,并将焊枪末端的位姿信息转换为控制信息;该控制信息可以驱动机器人末端。这里所说的焊缝重构方法如前所述,此处不再赘述。
预处理包括:计算所述特征点以及形成焊缝的所述第一平面和所述第二平面在机器人基坐标系中的空间信息。进一步,所述特征点包括焊缝的起始点和结束点以及工件上辅助的两点,其中的起始点为图2中的A点,结束点为图2中的B点,工件上辅助的两点分别为C点和D点。
S13根据所述控制信息执行焊接操作。
机器人的执行单元根据决策系统的控制信号,到达指定的位姿进行焊接操作以实现机器人多层多道焊接,包括到达指定的位姿进行焊接操作以及按规定的路径实现机器人多层多道焊接。
于一实施例中,所述感知单元通过视觉或者示教方式,获取工件上特征点的空间位置信息。
通过视觉获取工件上特征点的位置时,首先需要标定相机坐标系相对于机器人基坐标系的旋转矩阵;当相机获取特征点在相机坐标系中的位置后,通过标定的旋转矩阵计算特征点相对于机器人基坐标系下的位置。
于一实施例中,当焊接作业现场不具有视觉条件时,所述感知单元通过示教方式,移动焊枪末端到达特征点,获取工件上特征点的空间位置信息。
本发明根据点的位置信息,计算出焊枪姿态和每道焊缝的位置,从而控制机器人实现自动化焊接,克服了现有技术存在的示教繁琐、工作量大、很难得到焊枪姿态等缺点,实现了焊接作业系统的智能化。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种焊缝重构方法,其特征在于,用于对第一平面与第二平面之间形成的焊缝进行重构,所述焊缝重构方法包括:
计算所述第一平面的方程与所述第二平面的方程;
定义第一平面为平面ABC,第二平面为平面ABD,其中点A和点B分别表示焊缝的起始点和结束点,点C为第一平面内的任意一点,点D为第二平面内的任意一点;通过向量法求第一平面和第二平面的方程;
平面ABD的方程为:
式中:
焊接平面ABC’的方程为:
计算焊枪焊接焊缝时的姿态;其中,根据焊缝AB在机器人基坐标系下的位置确定工具坐标系的X轴或者Y轴,得到工具坐标系的表示,即为焊枪姿态;
计算焊枪位于焊缝的起始点和结束点的位姿。
2.根据权利要求1所述的一种焊缝重构方法,其特征在于,采用向量法计算所述第一平面的方程和所述第二平面的方程。
3.根据权利要求2所述的一种焊缝重构方法,其特征在于,所述焊接平面的法线方向为所述焊缝横向偏移的方向,所述焊枪轴线方向为所述焊缝纵向偏移的方向。
4.根据权利要求1所述的一种焊缝重构方法,其特征在于,根据所述焊接平面和焊缝切线计算所述焊枪轴线的方程。
5.根据权利要求4所述的一种焊缝重构方法,其特征在于,所述计算焊枪轴线所在的方程,具体包括:
将所述结束点绕所述焊接平面的过所述起始点的法线旋转第一角度得到第一点,则所述起始点与所述第一点的连线所在的方程为所述焊枪的轴线所在方程。
6.一种智能机器人焊接作业系统,其特征在于,该焊接作业系统包括:
感知单元,用于获取工件上的特征点的空间位置信息;
决策单元,用于将所述特征点的空间位置信息进行预处理,并执行如权利要求1~5任意一项所述的焊缝重构方法,并将焊枪末端的位姿信息转换为控制信息以驱动执行单元;
执行单元,用于根据所述决策单元输出的控制信息进行焊接操作。
7.根据权利要求6所述的一种智能机器人焊接作业系统,其特征在于,所述将所述特征点的空间位置信息进行预处理包括:计算所述特征点以及形成焊缝的所述第一平面和所述第二平面在机器人基坐标系中的空间信息。
8.根据权利要求6所述的一种智能机器人焊接作业系统,其特征在于,所述感知单元通过视觉或者示教方式,获取工件上特征点的空间位置信息。
9.一种智能机器人焊接作业方法,其特征在于,该焊接作业方法包括:
获取工件上的特征点的空间位置信息;
对所述特征点的空间位置信息进行预处理,并执行如权利要求1~5任意一项所述的焊缝重构方法,并将焊枪末端的位姿信息转换为控制信息;
根据所述控制信息执行焊接操作。
10.根据权利要求9所述的一种智能机器人焊接作业方法,其特征在于,对所述特征点的空间位置信息进行预处理,包括计算所述特征点在所述机器人基坐标系下的位置。
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