CN109732255A - 一种焊接方法及焊接机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种焊接方法，包括：预先对以第一姿态放置的标准工件进行示教编程，得到该标准工件的焊接轨迹；对第二姿态放置的待焊接工件进行扫描，确定第二姿态的姿态信息；其中，待焊接工件与标准工件为相同工件；根据第一姿态的姿态信息与第二姿态的姿态信息，计算第一姿态变换到第二姿态对应的旋转角度与平移距离；根据旋转角度与平移距离对焊接轨迹进行修正；根据修正后的焊接轨迹对待焊接工件进行焊接；解决了现有技术方案对工件的放置姿态具有较高的限制，一旦工件台发生了偏移或者工件放置姿态出现偏差则需要重新编写整个示教程序的技术问题。

Description

一种焊接方法及焊接机器人

技术领域

本申请涉及焊接技术领域，尤其涉及一种焊接方法及焊接机器人。

背景技术

在集装箱、船舶等领域，为了提高生产效率，需要使用大量的焊接机器人进行焊接作业。焊接机器人通常具有示教功能，所谓示教功能，即在人工对焊接机器人进行示教操作后，焊接机器人可以对示教操作进行记忆形成示教程序，从而在后续的作业中可以通过执行示教程序而实现自动化作业。

目前，在进行焊接时，通常会先将各工件以预定的姿态在平台上放置好，然后通过人工的示教操作，使焊接机器人按照示教程序一次性将各个工件焊接好。然而，这样的对工件的放置姿态具有较高的限制，一旦工件台发生了偏移或者工件放置姿态出现偏差，先前的示教程序将不再使用，此时，需要重新编写整个示教程序，非常费时费力。

发明内容

本申请提供了一种焊接方法及焊接机器人，解决了现有技术方案对工件的放置姿态具有较高的限制，一旦工件台发生了偏移或者工件放置姿态出现偏差则需要重新编写整个示教程序的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种焊接方法，包括：

预先对以第一姿态放置的标准工件进行示教编程，得到所述标准工件的焊接轨迹；

对第二姿态放置的待焊接工件进行扫描，确定所述第二姿态的姿态信息；其中，所述待焊接工件与所述标准工件为相同工件；

根据所述第一姿态的姿态信息与所述第二姿态的姿态信息，计算所述第一姿态变换到所述第二姿态对应的旋转角度与平移距离；

根据所述旋转角度与所述平移距离对所述焊接轨迹进行修正；

根据修正后的所述焊接轨迹对所述待焊接工件进行焊接。

优选地，所述第二姿态的姿态信息具体包括：所述待焊接工件的预设基准点的坐标以及所述待焊接工件的预设基准向量；

所述第一姿态的姿态信息具体包括：所述标准工件的预设基准点的坐标以及所述标准工件的预设基准向量。

优选地，所述根据所述第一姿态的姿态信息与所述第二姿态的姿态信息，计算所述第一姿态变换到所述第二姿态对应的旋转角度与平移距离具体包括:

根据所述标准工件的预设基准点的坐标与所述待焊接工件的预设基准点的坐标，计算所述第一姿态变换到所述第二姿态对应的横向平移距离与纵向平移距离；

计算所述标准工件的预设基准向量与所述待焊接工件的预设基准向量间的夹角，得到所述第一姿态变换到所述第二姿态对应的旋转角度。

优选地，所述根据所述旋转角度与所述平移距离对所述焊接轨迹进行修正具体包括：

根据所述旋转角度与所述平移距离，对所述焊接轨迹中各个示教点的坐标进行变换，得到修正后的所述焊接轨迹。

优选地，对第二姿态放置的待焊接工件进行扫描，确定所述待焊接工件的预设基准点的坐标具体包括：

对所述待焊接工件的第一直边进行扫描，得到所述第一直边上两个点的坐标；根据扫描得到的所述第一直边上两个点的坐标，计算所述第一直边对应的第一直线方程；

对所述待焊接工件的第二直边进行扫描，得到所述第二直边上两个点的坐标；根据扫描得到的所述第二直边上两个点的坐标，计算所述第二直边对应的第二直线方程；

计算所述第一直线方程与所述第二直线方程的交点，得到所述待焊接工件的预设基准点的坐标。

优选地，根据扫描得到的所述第一直边或所述第二直边上两个点的坐标，确定所述待焊接工件的预设基准向量。

优选地，根据所述第一姿态的姿态信息与所述第二姿态的姿态信息，计算所述第一姿态变换到所述第二姿态对应的旋转角度与平移距离之后还包括：

根据所述旋转角度，对焊枪姿态信息进行调整；

所述根据修正后的所述焊接轨迹对所述待焊接工件进行焊接具体包括：

根据修正后的所述焊接轨迹以及调整后的所述焊枪姿态信息，对所述待焊接工件进行焊接。

优选地，所述根据所述旋转角度，对焊枪姿态进行调整具体包括：

根据所述旋转角度，对焊枪相对竖直Z轴的角度进行调整。

本申请第二方面提供一种焊接机器人，所述焊接机器人的焊枪上设置有扫描装置。

优选地，所述扫描装置具体为激光口竖直朝下的激光位移传感器。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请中，提供了一种焊接方法，包括：预先对以第一姿态放置的标准工件进行示教编程，得到该标准工件的焊接轨迹；对第二姿态放置的待焊接工件进行扫描，确定第二姿态的姿态信息；其中，待焊接工件与标准工件为相同工件；根据第一姿态的姿态信息与第二姿态的姿态信息，计算第一姿态变换到第二姿态对应的旋转角度与平移距离；根据旋转角度与平移距离对焊接轨迹进行修正；根据修正后的焊接轨迹对待焊接工件进行焊接。

可见，本申请提供的焊接方法，第一，示教程序将不再是针对所有工件的一次性流程，而是只针对单个工件的焊接。第二，而在对工件进行焊接时，即使待焊接工件没有以标准工件的姿态放置，也不需要重新编写示教程序，只需要通过扫描得到两者的姿态信息，再根据两者的姿态信息对标准工件的示教程序(或者说焊接轨迹)进行修正即可，从而使得示教程序的利用率大大提高，避免了费时费力的重新编写。

附图说明

图1为本申请提供的焊接机器人的一种实现方式的结构示意图；

图2为本申请第一个实施例提供的一种焊接方法的流程图；

图3为本申请提供的标准工件的结构示意图；

图4为本申请提供的待焊接工件的结构示意图；

图5为本申请第二个实施例提供的一种焊接方法的流程图；

附图标记：1是激光位移传感器，2是焊枪，3是工件，4是焊接平面。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

现有的技术方案中，示教程序通常是数个工件的一次性完整焊接，如此，当数个工作中有一个的姿态放置与设定的不同时，则示教程序将不再适用，需要重新编写整个示教程序，相当费时费力。

为此，本申请提供了一种焊接方法，首先，打破现有的示教程序是针对所有工件的一次性焊接的思想壁垒，使示教程序只针对单个标准工件的焊接。在该基础上，当待焊接工件没有以标准工件的姿态放置时，再根据两者的姿态信息的比对，对标准工件的示教程序(或者说焊接轨迹)进行修正，使其适用于没有以标准工件的姿态放置的待焊接工件，从而省去了要耗费大量时间的编程过程。

为获得标准工件或者待焊接工件的姿态信息，本申请提供了一种焊接机器人，其焊枪上设置有扫描装置。

扫描装置可以是视觉识别装置，通过图像识别出待焊接工件的边缘特征，通过与标准工件进行比对，便可以确定两者在姿态上(包括放置位置以及放置角度)的变化。

当然，考虑到图像识别装置在算法上更为复杂，本申请还提供了一种优选的扫描装置，其具体为激光口竖直朝下的激光位移传感器。可以参见图1，图1示出本申请提供的焊接机器人的一种实现方式的结构示意图。该传感器能够精准地测量激光的发射点到照射点的距离，通过设置阈值，可以让传感器发出0-1的数字信号，比如当距离大于某阈值时，发出0信号，否则发出1信号，如此，激光位移传感器随着焊枪运动，当扫描到工件的边缘时，传感器可以发射信号给焊接机器人，焊接机器人能及时记录下当前的位置。具体的确定姿态信息的方法将在后文进行说明。

下面请参见图2，图2为本申请第一个实施例提供的一种焊接方法的流程图，该方法包括：

步骤101、预先对以第一姿态放置的标准工件进行示教编程，得到标准工件的焊接轨迹。

需要注意的是，本步骤应当是预先进行的步骤，即可以在焊接作业前预先完成。其是对标准工件的示教编程，标准工件应当以预设的第一姿态放置，第一姿态通常是正放，即不偏不倚的放置在平面，如图3所示。

标准工件的焊接轨迹为人工示教操作得到的，其具体包括多个示教点，可以参见图3，图3示出的标准工件中，包括P1至P8八个示教点，即在焊接时将按P1至P8的顺序逐点焊接。当然，每个示教点均包括该点的空间坐标数据。

步骤102、对第二姿态放置的待焊接工件进行扫描，确定第二姿态的姿态信息。

需要说明的是，待焊接工件与标准工件为相同工件，但两者的放置姿态可能有所不同，如图4所示，图4中待焊接工件相对图3中标准工件倾斜了一些，此时，两者的放置姿态是不同的。

在进行扫描时，可以如前文所述，采用激光位移传感器，当然也可以采用视觉识别装置。

通过扫描的手段，可以确定第二姿态的姿态信息。姿态信息主要包括两个作用，一个是反映工件当前位置的信息，一个是反映工件当前所对方位(或者说摆放角度)的信息。可以反映该两个内容的数据有很多，在本申请中，主要采用了工件上基准点和基准向量的设置来体现其姿态，具体的，将在后文中进行说明。

步骤103、根据第一姿态的姿态信息与第二姿态的姿态信息，计算第一姿态变换到第二姿态对应的旋转角度与平移距离。

通过两者姿态信息的比较，利用两者姿态信息中包含的数据，可以计算出第一姿态变换到第二姿态对应的旋转角度与平移距离。

步骤104、根据计算出的旋转角度与平移距离对焊接轨迹进行修正。

在步骤101中预先得到焊接轨迹适用于以第一姿态放置的标准工件，而待焊接工件与标准工件的放置姿态不同，找到两种姿态间变换对应的旋转角度与平移距离后，根据该旋转角度与平移距离对焊接轨迹进行修正，便可以得到适用于以第二姿态放置的待焊接工件的焊接轨迹。

步骤105、根据修正后的焊接轨迹对待焊接工件进行焊接。

本申请第一个实施例提供的焊接方法，示教程序将不再是针对所有工件的一次性流程，而是只针对单个工件的焊接。而在对工件进行焊接时，即使待焊接工件没有以标准工件的姿态放置，也不需要重新编写示教程序，只需要通过扫描得到两者的姿态信息，再根据两者的姿态信息对标准工件的示教程序(或者说焊接轨迹)进行修正即可，从而使得示教程序的利用率大大提高，避免了费时费力的重新编写。

下面请参见图5，图5为本申请第二个实施例提供的一种焊接方法的流程图，该方法包括：

步骤201、预先对以第一姿态放置的标准工件进行示教编程，得到标准工件的焊接轨迹。

该步骤可以参考上述第一个实施例中的步骤101。

步骤202、对待焊接工件的第一直边进行扫描，得到第一直边上两个点的坐标。

在反映工件的姿态信息时，如前文所述，主要采用了工件上基准点和基准向量的设置来体现其姿态。

具体的，可以参考图3与图4。图3中，直线AB与直线CD的交点为标准工件的预设基准点，而图4中，相对应的，直线A’B’与直线C’D’的交点为待焊接工件的预设基准点。

容易理解，基准点只要是相对工件而言的位置确定的点即可，并非定要与本实施例中的选择一致。比如，可以选择工件的一条斜边(如AB的斜边)和其对称轴(工件中间的竖直的对称轴)的交点作为基准点，又或者选择两边斜边的交点作为基准点，在此不作限定。

具体扫描时，如图3、图4所示，可以按照1→2→3→4的顺序进行扫描，当激光位移传感器的输出发生变化时，表示检测到工件的边缘点，由此可以记录下4个边缘点的坐标，A＝(x_1，y₁)，B＝(x₂，y₂)，c＝(x₃，y₃)，D＝(x₄，y₄)。

根据检测的4个边缘点，得到AB所在直线的方程为：

同理，CD所在直线的方程为：

两条直线存在一个交点O，令：

则交点O的坐标表示为：

按标准工件同样的扫描方式，获得待焊接工件对应的边缘点坐标：

A′＝(x′₁，y′₁)，B′＝(x′₂，y′₂)

C′＝(x′₃，y′₃)，D′＝(x′₄，y′₄)

A’B’所在直线的方程为：

C’D’所在直线的方程为：

A’B’与C’D’所在直线的交点为：

步骤203、根据扫描得到的第一直边上两个点的坐标，计算第一直边对应的第一直线方程。

步骤204、对待焊接工件的第二直边进行扫描，得到第二直边上两个点的坐标。

步骤205、根据扫描得到的第二直边上两个点的坐标，计算第二直边对应的第二直线方程。

步骤206、计算第一直线方程与第二直线方程的交点，得到待焊接工件的预设基准点的坐标。

步骤207、根据扫描得到的第一直边上两个点的坐标，确定第一直边上的待焊接工件的预设基准向量。

而预设基准向量主要在于放映工件的摆放角度。通常而言，该基准向量也只要相对工件是位置确定的，则可以作为基准向量。

比如，若能找准标准工件的在对称轴上指向斜边侧的一个向量，再找准待焊接工件对应的这样的向量，则可以确定两者在所对角度上的偏移。但考虑到实际操作中较难找准工件对称轴的位置，因此本实施例中，选择了可激光扫描检测到的外边上的向量作为预设基准向量。

具体的，可以采用斜边AB作为预设基准向量。

“标准工件”线段AB组成的向量为：

“待焊接工件”线段A’B’组成的向量为：

根据余弦定理：

求出的θ有两个值，取θ>0的值；此时的θ表示：标准工件上的示教程序旋转θ度后,会与“待焊接工件”的方向相同，旋转的方向由叉乘的原则确定。

如果，

则“标准工件”的示教坐标应该向顺时针旋转θ度；如果，

则逆时针旋转θ度。

步骤208、根据标准工件的预设基准点的坐标与待焊接工件的预设基准点的坐标，计算第一姿态变换到第二姿态对应的横向平移距离与纵向平移距离。

利用预设基准点的坐标的变化，可以计算出第一姿态变换到第二姿态对应的横向平移距离与纵向平移距离。

具体的，

x轴方向的平移量为：d_x＝x₀-x′₀。

y轴方向的平移量为：d_y＝y₀-y′₀。

步骤209、计算标准工件的预设基准向量与待焊接工件的预设基准向量间的夹角，得到第一姿态变换到第二姿态对应的旋转角度。

旋转角度的计算可以利用余弦定理，请参考步骤207中的说明。

步骤210、根据计算得到的旋转角度与平移距离，对焊接轨迹中各个示教点的坐标进行变换，得到修正后的焊接轨迹。

具体的计算过程如下：

按照对应的旋转方向，将“标准工件”的所有示教坐标，绕着交点O旋转θ°，使得这些示教点的坐标与“待焊接工件”的方向一致；

如果旋转的方向是逆时针，则θ＝-θ，否则θ＝θ；旋转后的坐标为：

x′_i＝(x_i-x₀)cosθ-(y_i-y₀)sinθ+x₀

y′_i＝(x_i-x₀)sinθ+(y_i-y₀)cosθ+y₀

最后将所有的示教点平移到待焊接工件上，使得示教点与“待焊接工件”的焊缝贴合。

x″_i＝x′_i+d_x

y″_i＝y′_i+d_y

由此，得到修正后的焊接轨迹。

步骤211、根据计算得到的旋转角度，对焊枪姿态信息进行调整。

可以用

(x_i，y_i，z_i，R_xi，R_yi，R_zi)，i＝1，...，n(n是示教点的个数)来表示示教点的所有数据。其中，(x_i，y_i，z_i)表示某个示教点处焊枪末端点的坐标，(R_xi，R_yi，R_zi)表示该示教点处焊枪的姿态。

由于焊缝的位置发生了旋转，焊枪的姿态也要做出调整，由于在平行于地面上的平面进行焊接，因此，只有R_zi需要改变，就是对焊枪相对竖直Z轴的角度进行调整即可，换句话说，使焊枪在原来的角度的基础上，绕着Z轴的方向，再旋转θ度。

R′_zi＝R_zi+θ

最终，待焊接工件上的示教点坐标为：

(x″_i，_y″_i，z，R_xi，R_yi，R′_zi)，i＝1，2...，n

步骤212、根据修正后的焊接轨迹以及调整后的焊枪姿态信息，对待焊接工件进行焊接。

本申请第二个实施例提供的焊接方法，利用了工件的第一直边AB与第二直边CD的交点作为预设基准点，利用在第一直边AB上的向量为预设基准向量；利用预设基准点的坐标以及预设基准向量，计算出旋转角度与平移角度，对标准工件的示教程序(或者说焊接轨迹)进行修正，使其完美的适应了待焊接工件的姿态，大大提高了示教程序的利用率，避免了费时费力的重新编写。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种焊接方法，其特征在于，包括：

预先对以第一姿态放置的标准工件进行示教编程，得到所述标准工件的焊接轨迹；

对第二姿态放置的待焊接工件进行扫描，确定所述第二姿态的姿态信息；其中，所述待焊接工件与所述标准工件为相同工件；

根据所述第一姿态的姿态信息与所述第二姿态的姿态信息，计算所述第一姿态变换到所述第二姿态对应的旋转角度与平移距离；

根据所述旋转角度与所述平移距离对所述焊接轨迹进行修正；

根据修正后的所述焊接轨迹对所述待焊接工件进行焊接。

2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述第二姿态的姿态信息具体包括：所述待焊接工件的预设基准点的坐标以及所述待焊接工件的预设基准向量；

所述第一姿态的姿态信息具体包括：所述标准工件的预设基准点的坐标以及所述标准工件的预设基准向量。

3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述根据所述第一姿态的姿态信息与所述第二姿态的姿态信息，计算所述第一姿态变换到所述第二姿态对应的旋转角度与平移距离具体包括:

根据所述标准工件的预设基准点的坐标与所述待焊接工件的预设基准点的坐标，计算所述第一姿态变换到所述第二姿态对应的横向平移距离与纵向平移距离；

计算所述标准工件的预设基准向量与所述待焊接工件的预设基准向量间的夹角，得到所述第一姿态变换到所述第二姿态对应的旋转角度。

4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述根据所述旋转角度与所述平移距离对所述焊接轨迹进行修正具体包括：

根据所述旋转角度与所述平移距离，对所述焊接轨迹中各个示教点的坐标进行变换，得到修正后的所述焊接轨迹。

5.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，对第二姿态放置的待焊接工件进行扫描，确定所述待焊接工件的预设基准点的坐标具体包括：

对所述待焊接工件的第一直边进行扫描，得到所述第一直边上两个点的坐标；根据扫描得到的所述第一直边上两个点的坐标，计算所述第一直边对应的第一直线方程；

对所述待焊接工件的第二直边进行扫描，得到所述第二直边上两个点的坐标；根据扫描得到的所述第二直边上两个点的坐标，计算所述第二直边对应的第二直线方程；

计算所述第一直线方程与所述第二直线方程的交点，得到所述待焊接工件的预设基准点的坐标。

6.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，根据扫描得到的所述第一直边或所述第二直边上两个点的坐标，确定所述待焊接工件的预设基准向量。

7.根据权利要求1至6任一项所述的焊接方法，其特征在于，根据所述第一姿态的姿态信息与所述第二姿态的姿态信息，计算所述第一姿态变换到所述第二姿态对应的旋转角度与平移距离之后还包括：

根据所述旋转角度，对焊枪姿态信息进行调整；

所述根据修正后的所述焊接轨迹对所述待焊接工件进行焊接具体包括：

根据修正后的所述焊接轨迹以及调整后的所述焊枪姿态信息，对所述待焊接工件进行焊接。

8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，所述根据所述旋转角度，对焊枪姿态进行调整具体包括：

根据所述旋转角度，对焊枪相对竖直Z轴的角度进行调整。

9.一种焊接机器人，其特征在于，所述焊接机器人的焊枪上设置有扫描装置。

10.根据权利要求9所述的焊接机器人，其特征在于，所述扫描装置具体为激光口竖直朝下的激光位移传感器。