CN109927037B - 多排列框架结构焊件的快速寻位方法 - Google Patents

多排列框架结构焊件的快速寻位方法 Download PDF

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周永强
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Shandong Times New Era Robot Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种多排列框架结构焊件的快速寻位方法，能主动检测方框的长宽变化及装配误差引起的变化，简化了机器人寻位的时间，操作简单，执行效率高。一种多排列框架结构焊件的快速寻位方法，包括如下步骤：以框架的两条边建立工件坐标系，设定各个工件所在方框的初始长宽及排列间距；选取框架结构的底框四边作为寻位对象，一个方框需要寻找8个位置，采取从零到整的方法，完成一个方框的寻位和焊接后再对下一个方框进行寻位和焊接，每一个方框的偏移误差自动累积到下一个方框的寻位中，消除累积误差和变形影响；对于方框上下两条边错开时，单独增加一次寻位，满足对异形框的寻位要求。

Description

多排列框架结构焊件的快速寻位方法
技术领域
本发明涉及机器人焊接技术领域，具体涉及一种多排列框架结构焊件的快速寻位方法。
背景技术
框架结构焊件属于比较常见的一种加工件，例如车厢板、桁架等，这种结构的特点是焊缝多、类型单一、排列个数多，无法全部通过示教的方式来编程。通常是编辑完一个方框后，用平移复制或循环调用的方式完成其他方框的程序，或者直接采用离线编程的方式来完成。不论何种方式，最后都需要对框架重新进行位置检测，消除理论轨迹与实际轨迹的偏差以及检测方框尺寸的变化。一般采用接触寻位方法对整个结构件的关键点进行识别，然后对轨迹进行修正，由于需要寻位的点比较多，接触寻位效率低下，并且多个框焊接后对剩余方框的热变形无法消除。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种多排列框架结构焊件的快速寻位方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种多排列框架结构焊件的快速寻位方法，其特征在于，包括如下步骤：以框架的两条边建立工件坐标系，设定各个工件所在方框的初始长宽及排列间距；选取框架结构的底框四边作为寻位对象，一个方框需要寻找8个位置，采取从零到整的方法，完成一个方框的寻位和焊接后再对下一个方框进行寻位和焊接，每一个方框的偏移误差自动累积到下一个方框的寻位中，消除累积误差和变形影响；对于方框上下两条边错开时，单独增加一次寻位，满足对异形框的寻位要求。
所述多排列框架结构焊件的快速寻位方法优选方案，框架结构焊件为带有斜坡的方框结构，其寻位方法包括如下步骤：
1）方框的两条边建立工件坐标系，选取底框四条边作为寻位对象，分别在四个顶点附近设置连个寻位点，当上下边错开时，在上侧也设置一个寻位点；
2）确定激光寻位的初始偏差值，首先操作机器人末端移动，令焊丝尖端对准焊缝，然后沿工件坐标系Z向远离指定高度，工件坐标系的Z向与焊枪平行，使激光线垂直照射在焊缝上，记录此时寻位的偏差值；
3）确定寻位位置和姿态，按照预先规划好的8个点的位置，机器人末端远离同样的指定高度，并使激光线垂直照射焊缝；
4）调用激光寻位指令，分别对这9个位置点进行寻位，新的寻位结果与初始偏差值自动求差，可以得到9个偏移数组；
5）由于方框的底边理论上再同一个平面上，因此，底框8个点寻位的Z向偏差理论上应当相同，假定Z向8个点的寻位值分别为Hi，i=0~7，对这组数进行分析，首先计算每一个变量的权重系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中:
Figure 4727DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
a=
Figure 984184DEST_PATH_IMAGE004
，b=
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，c=
Figure 826238DEST_PATH_IMAGE006
，d=
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
指定偏差阈值大小，当某个数据的权重Ri超过指定值后，报警提示，清理表面后对该点重新进行寻位计算；
6）通过四个顶点决定方框的偏移值，分别得到顶点1和2偏移值，顶点5和6的偏移值，顶点7的偏移值为，顶点3的偏移值，顶点8的偏移值，顶点4的偏移值；
7）第一个框寻位完成后调用焊接程序。
所述多排列框架结构焊件的快速寻位方法优选方案， 偏移数组及各个顶点偏移值具体获得方法如下：
1）对顶点2进行初步定位，用接触寻位对X向进行粗略定位，操作机器人末端移动到寻位起点M1处，调整机器人的姿态，保证移动时不会碰到跟踪器，且焊丝优先接触到零件竖直面，调用接触寻位指令，使机器人末端朝M2点已指定速度运动，机器人越过M2点一直接触到M3点后快速返回至M1点，记录M2与M3的差值到指定数组A1(dx0,0,0)中；
2）转动机器人末端的姿态，对顶点2的第二个面进行寻位，首先加上数组A1的偏移后令机器人移动，用接触寻位对Y向进行粗略定位，采用同上一步相同的寻位方法，得到偏差数组A2(0, dy0,0)；
3）将数组A1与A2相加，得到顶点2的初步偏移值(dx0, dy0,0)；
4）调用平移指令，使机器人末端平移初步偏移值(dx0, dy0,0)，并且移动到指定位置M1点，调整机器人末端姿态，令激光线垂直照射在焊缝上，调用激光寻位指令，开启激光跟踪功能，新的寻位结果与初始偏差值自动求差，读取该点与初始点的偏差到数组A1中，得到焊缝起点在Y、Z两个方向的偏移值A1(dx1,0,dz1)；
5）转动机器人末端，在第二个寻位点寻位，采用相同的激光寻位方法，得到第二个点的偏移数组A2(0, dy2,dz2)；
6） 将数组A1组A2进行求和，并加上接触寻位得到偏移数组，得到新的偏移数组A11(dx1+ dx0，dy2+ dy0，(dz1+ dz2)/2.0)，此偏移数组则为顶点1和2的精确偏移值；
7）调用平移指令，使末端平移数组A11，调用接触寻位指令，对方框的长度a进行长度寻位，得到长度方向的变化数组(dLx,0,0)；
8）再次调用平移指令，加上长度方向的偏移数组(dLx,0,0)，对顶点6两个方向采用激光跟踪寻位，得到偏移数组A3(0, dy3,dz3)，A4(dx4, 0,dz4)，累积相加得到顶点5和6的精确偏移数组A12(dx4+ dx1+dx0+dLx，dy3+dy2+dy0，(dz3+ dz4)/2.0+(dz1+ dz2)/2.0)；
9）调用平移指令，使末端平移数组A12，调用接触寻位指令，对方框的宽度b进行宽度寻位，得到宽度方向的变化数组(0,dLy, 0)；
10）再次调用平移指令，加上宽度方向的变化数组(0,dLy,0)，对顶点7两个方向采用激光跟踪寻位，得到偏移数组A5(dx5, 0,dz5), A6(0, dy6,dz6)，累积相加得到顶点7的精确偏移数组A13(dx4+dx1+dx0+dx5+dLx，dy3+dy2+dy0+dy6+dLy，(dz3+ dz4)/2.0+(dz1+dz2)/2.0+(dz5+ dz6)/2.0)；
11）当方框为斜板时，对上侧的边单独采用激光寻位，得到寻位数组A9(dx9, 0,dz9)，顶点8的偏移值为A15 (dx4+dx1+dx0+dx5+dLx，dy3+dy2+dy0+dy9+dLy， (dz3+dz4)/2.0+(dz1+ dz2)/2.0+dz9)；
12）选择偏移数组A11，并加上宽度方向的变化数组(0,dLy, 0)，调用平移指令，对点3进行激光寻位，得到两个方向的偏移数组A7(0, dy7,dz7)，A8(dx8, 0,dz8)，加上偏移数组，得到顶点3的偏移数组A14(dx1+dx0+dx8，dy2+dy0+dy7+dLy，(dz1+dz2)/2.0+(dz7+dz8)/2.0)以及顶点4的偏移数组A16(dx1+dx0+dx8，dy2+dy0+dy9+dLy，(dz1+dz2)/2.0+dz9)。
本发明的工作原理：采用激光跟踪器进行焊缝的寻位，每次可以得到两个方向的偏差数据，为了消除姿态方向的误差，对一个方框采用8点4边的快速寻位方法，每个点的寻位时间在2s以内，快速完成底框的定位，不仅能有效的检测到位置的偏移，对方框姿态方面的变化也能有效纠正。为了便于重复编程以及扩展，采取从零到整的方法，完成一个框的寻位和焊接后再对下一个框进行寻位和焊接，每一个方框的偏移误差自动累积到下一个方框的寻位中，消除累积误差和变形影响，对于方框上下两条边错开时，可以单独增加一次寻位，满足对异形框的寻位要求。
本发明的有益效果是：能主动检测方框的长宽变化及装配误差引起的变化，简化了机器人寻位的时间，操作简单，执行效率高。
附图说明
图1为本发明的焊接结构示意图；
图2为本发明的主视图示意图；
图3为本发明的俯视图示意图；
图4为本发明的左视图示意图；
具体实施方式
为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。
以一个带有斜坡的方框结构件寻位为例，具体步骤如下：
1）在控制器中引入焊丝接触工件后的返回信号，同时末端安装有二维激光传感器，按照指定方式进行安装；
2）沿着方框的两条边建立工件坐标系，图1设定各个工件所在方框的初始长宽及排列间距；
3）选取底框四条边作为寻位对象，分别在四个顶点附近设置连个寻位点，当上下边错开时，在上侧也设置一个寻位点，如图2所示；
4）确定激光寻位的初始偏差值，首先操作机器人末端移动，令焊丝尖端对准焊缝，然后沿工具坐标系Z向远离指定高度，工具坐标系的Z向与焊枪平行，使激光线垂直照射在焊缝上，记录此时寻位的偏差值；
5）确定寻位位置和姿态，按照预先规划好的8个点的位置，机器人末端远离同样的指定高度，并使激光线垂直照射焊缝，四条边寻位时，末端点在工件坐标系下的姿态角度可分别设置为 (315,0,-90)，(315,0, 0)，(315,0,90)，(315,0,180)，相当于绕方框旋转一圈；
6）如图3所示，首先对顶点2进行初步定位，用接触寻位对X向进行粗略定位，操作机器人末端移动到寻位起点M1处，调整机器人的姿态，保证移动时不会碰到跟踪器，且焊丝优先接触到零件竖直面，调用接触寻位指令，使机器人末端朝M2点已指定速度运动，机器人越过M2点一直接触到M3点后快速返回至M1点，记录M2与M3的差值到指定数组A1(dx0,0,0)中；
7）转动机器人末端的姿态，对顶点2的第二个面进行寻位，首先加上数组A1的偏移后令机器人移动，用接触寻位对Y向进行粗略定位，采用同上一步相同的寻位方法，得到偏差数组A2(0, dy0,0)。
8）将数组A1与A2相加，得到顶点2的初步偏移值(dx0, dy0,0)；
9）参考图4，调用平移指令，使机器人末端平移初步偏移值(dx0, dy0,0)，并且移动到指定位置M1点，调整机器人末端姿态，令激光线垂直照射在焊缝上，调用激光寻位指令，开启激光跟踪功能，新的寻位结果与初始偏差值自动求差，读取该点与初始点的偏差到数组A1中，得到焊缝起点在Y、Z两个方向的偏移值A1(dx1,0,dz1)；
10）转动机器人末端，在第二个寻位点寻位，采用相同的激光寻位方法，得到第二个点的偏移数组A2(0, dy2,dz2)；
11）将数组A1组A2进行求和，并加上接触寻位得到偏移数组，得到新的偏移数组A11(dx1+ dx0，dy2+ dy0，(dz1+ dz2)/2.0)，此偏移数组则为顶点1和2的精确偏移值；
12）调用平移指令，使末端平移数组A11，调用接触寻位指令，对方框的长度a进行长度寻位，得到长度方向的变化数组(dLx,0,0)；
13） 再次调用平移指令，加上长度方向的偏移数组(dLx,0,0)，对顶点6两个方向采用激光跟踪寻位，得到偏移数组A3(0, dy3,dz3)，A4(dx4, 0,dz4)，累积相加得到顶点5和6的精确偏移数组A12(dx4+ dx1+dx0+dLx，dy3+dy2+dy0，(dz3+ dz4)/2.0+(dz1+ dz2)/2.0)；
14）调用平移指令，使末端平移数组A12，调用接触寻位指令，对方框的宽度b进行宽度寻位，得到宽度方向的变化数组(0,dLy, 0)；
15）再次调用平移指令，加上宽度方向的变化数组(0,dLy,0)，对顶点7两个方向采用激光跟踪寻位，得到偏移数组A5(dx5, 0,dz5), A6(0, dy6,dz6)，累积相加得到顶点7的精确偏移数组A13(dx4+dx1+dx0+dx5+dLx，dy3+dy2+dy0+dy6+dLy，(dz3+ dz4)/2.0+(dz1+dz2)/2.0+(dz5+ dz6)/2.0)；
16）当方框为斜板时，对上侧的边单独采用激光寻位，得到寻位数组A9(dx9, 0,dz9)，则顶点8的偏移值为A15 (dx4+dx1+dx0+dx5+dLx，dy3+dy2+dy0+dy9+dLy， (dz3+dz4)/2.0+(dz1+ dz2)/2.0+dz9)；
17） 选择偏移数组A11，并加上宽度方向的变化数组(0,dLy, 0)，调用平移指令，对点3进行激光寻位，得到两个方向的偏移数组A7(0, dy7,dz7)，A8(dx8, 0,dz8)，加上偏移数组，得到顶点3的偏移数组A14(dx1+dx0+dx8，dy2+dy0+dy7+dLy，(dz1+dz2)/2.0+(dz7+dz8)/2.0)以及顶点4的偏移数组A16(dx1+dx0+dx8，dy2+dy0+dy9+dLy，(dz1+dz2)/2.0+dz9)；
18）第一个框寻位完成后可以调用焊接程序，加上偏移值修正后进行焊接，也可以寻完指定个数的方框后再开始寻位与焊接。
19）根据方框的长宽和间距的大小，调用指定的偏移数组，使机器人移动到下一个方框处，为了消除累积偏差，机器人的移动还应该加上前一个矩形框处点1的偏移值A11，然后开始调用相同的程序进行寻位，寻位结束后先进行每个顶点偏移数组的计算，计算后再加上前一个框的偏移，得到最后的偏移值。
本实施例中，对偏移数组需要进行分析，由于方框的底边理论上再同一个平面上，因此，底框8个点寻位的Z向偏差理论上应当相同，假定Z向8个点的寻位值分别为Hi，i=0~7，对这组数进行分析，首先计算每一个变量的权重系数：
Figure 283764DEST_PATH_IMAGE001
其中:
Figure 629295DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 982916DEST_PATH_IMAGE003
，
a=
Figure 781107DEST_PATH_IMAGE004
，b=
Figure 511166DEST_PATH_IMAGE005
，c=
Figure 711203DEST_PATH_IMAGE006
，d=
Figure 235726DEST_PATH_IMAGE007
，
指定偏差阈值大小，当某个数据的权重Ri超过指定值后，报警提示，清理表面后对该点重新进行寻位计算；
本发明的寻位方法，首先通过接触寻位对方框的位置及长宽等变化大的数据寻位，由于只是粗略寻位，寻位误差在正负15mm内即可，因此不需要对焊丝进行任何处理，并且寻位速度可以设置的更快，快速的得到初始偏差。然后平移机器人后进行一次激光寻位，就可以快速而准确的得到每个点两个方向的偏差数组。
以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种多排列框架结构焊件的快速寻位方法，其特征在于，包括如下步骤：以框架的两条边建立工件坐标系，设定各个工件所在方框的初始长宽及排列间距；选取框架结构的底框四边作为寻位对象，一个方框需要寻找8个位置，采取从零到整的方法，完成一个方框的寻位和焊接后再对下一个方框进行寻位和焊接，每一个方框的偏移误差自动累积到下一个方框的寻位中，消除累积误差和变形影响；对于方框上下两条边错开时，单独增加一次寻位，满足对异形框的寻位要求；框架结构焊件为带有斜坡的方框结构，其寻位方法包括如下步骤：
方框的两条边建立工件坐标系，选取底框四条边作为寻位对象，分别在四个顶点附近设置两个寻位点，当上下边错开时，在上侧也设置一个寻位点；
确定激光寻位的初始偏差值，首先操作机器人末端移动，令焊丝尖端对准焊缝，然后沿工件坐标系Z向远离指定高度，工件坐标系的Z向与焊枪平行，使激光线垂直照射在焊缝上，记录此时寻位的偏差值；
确定寻位位置和姿态，按照预先规划好的8个点的位置，机器人末端远离同样的指定高度，并使激光线垂直照射焊缝；
调用激光寻位指令，分别对这9个位置点进行寻位，新的寻位结果与初始偏差值自动求差，可以得到9个偏移数组；
由于方框的底边理论上再同一个平面上，因此，底框8个点寻位的Z向偏差理论上应当相同，假定Z向8个点的寻位值分别为Hi，i=0~7，对这组数进行分析，首先计算每一个变量的权重系数：
Figure 648770DEST_PATH_IMAGE001
其中:
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 831489DEST_PATH_IMAGE003
，
a=
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，b=
Figure 673543DEST_PATH_IMAGE005
，c=
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，d=
Figure 396649DEST_PATH_IMAGE007
，
指定偏差阈值大小，当某个数据的权重Ri超过指定值后，报警提示，清理表面后对该点重新进行寻位计算；
通过四个顶点决定方框的偏移值，分别得到顶点1和2偏移值，顶点5和6的偏移值，顶点7的偏移值，顶点3的偏移值，顶点8的偏移值，顶点4的偏移值；
第一个框寻位完成后调用焊接程序。
2.根据权利要求1所述多排列框架结构焊件的快速寻位方法，其特征在于: 偏移数组及各个顶点偏移值具体获得方法如下：
1）对顶点2进行初步定位，用接触寻位对X向进行粗略定位，操作机器人末端移动到寻位起点M1处，调整机器人的姿态，保证移动时不会碰到跟踪器，且焊丝优先接触到零件竖直面，调用接触寻位指令，使机器人末端朝M2点已指定速度运动，机器人越过M2点一直接触到M3点后快速返回至M1点，记录M2与M3的差值到指定数组A1(dx0,0,0)中；
2）转动机器人末端的姿态，对顶点2的第二个面进行寻位，首先加上数组A1的偏移后令机器人移动，用接触寻位对Y向进行粗略定位，采用同上一步相同的寻位方法，得到偏差数组A2(0, dy0,0)；
3）将数组A1与A2相加，得到顶点2的初步偏移值(dx0, dy0,0)；
4）调用平移指令，使机器人末端平移初步偏移值(dx0, dy0,0)，并且移动到指定位置M1点，调整机器人末端姿态，令激光线垂直照射在焊缝上，调用激光寻位指令，开启激光跟踪功能，新的寻位结果与初始偏差值自动求差，读取该点与初始点的偏差到数组A1中，得到焊缝起点在Y、Z两个方向的偏移值A1(dx1,0,dz1)；
5）转动机器人末端，在第二个寻位点寻位，采用相同的激光寻位方法，得到第二个点的偏移数组A2(0, dy2,dz2)；
6）将数组A1数组A2进行求和，并加上接触寻位得到偏移数组，得到新的偏移数组A11(dx1+ dx0，dy2+ dy0，(dz1+ dz2)/2.0)，此偏移数组则为顶点1和2的精确偏移值；
7）调用平移指令，使末端平移数组A11，调用接触寻位指令，对方框的长度a进行长度寻位，得到长度方向的变化数组(dLx,0,0)；
8）再次调用平移指令，加上长度方向的偏移数组(dLx,0,0)，对顶点6两个方向采用激光跟踪寻位，得到偏移数组A3(0, dy3,dz3)，A4(dx4, 0,dz4)，累积相加得到顶点5和6的精确偏移数组A12(dx4+ dx1+dx0+dLx，dy3+dy2+dy0，(dz3+ dz4)/2.0+(dz1+ dz2)/2.0)；
9）调用平移指令，使末端平移数组A12，调用接触寻位指令，对方框的宽度b进行宽度寻位，得到宽度方向的变化数组(0,dLy, 0)；
10）再次调用平移指令，加上宽度方向的变化数组(0,dLy,0)，对顶点7两个方向采用激光跟踪寻位，得到偏移数组A5(dx5, 0,dz5), A6(0, dy6,dz6)，累积相加得到顶点7的精确偏移数组A13(dx4+dx1+dx0+dx5+dLx，dy3+dy2+dy0+dy6+dLy，(dz3+ dz4)/2.0+(dz1+dz2)/2.0+(dz5+ dz6)/2.0)；
11）当方框为斜板时，对上侧的边单独采用激光寻位，得到寻位数组A9(dx9, 0,dz9)，则顶点8的偏移值为A15 (dx4+dx1+dx0+dx5+dLx，dy3+dy2+dy0+dy9+dLy， (dz3+ dz4)/2.0+(dz1+ dz2)/2.0+dz9)；
12）选择偏移数组A11，并加上宽度方向的变化数组(0,dLy, 0)，调用平移指令，对顶点3进行激光寻位，得到两个方向的偏移数组A7(0, dy7,dz7)，A8(dx8, 0,dz8)，加上偏移数组，得到顶点3的偏移数组A14(dx1+dx0+dx8，dy2+dy0+dy7+dLy，(dz1+dz2)/2.0+(dz7+dz8)/2.0)以及顶点4的偏移数组A16(dx1+dx0+dx8，dy2+dy0+dy9+dLy，(dz1+dz2)/2.0+dz9)。
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