一种高精度自动焊接机器人及其焊接方法
技术领域
本发明属于机械焊接领域,尤其是一种高精度自动焊接机器人及其焊接方法。
背景技术
传统的焊接方法主要包括人工焊接、机器焊接两种方法,人工焊接的工作方式,由于焊接工人的工作经验存在一定的差异性,导致焊接效果不一致,工作效率低下,焊接质量不能保证等问题,以及焊接过程中的辐射或高温等对人体也是较大的伤害;机器焊接的方式,可以大幅度提高焊接效率和质量,大多采用可编程的控制程序,在人工输入参数后,机器人或焊接设备重复机械的焊接工作。
申请人在仔细研究现有技术后,发现现有的机器人焊接还是存在以下问题:1、待焊接物体的相关参数均由人工输入,与实际固定位置可能存在一定偏差,因此,机器人在执行过程中,容易出现一定的误差;2、传统焊接机器人通过机械臂带动焊枪的移动,由于机械臂的精度问题,进一步导致焊接精度的下降;3、焊接机器人一般采用可编程的控制程序,实现示教再现,仅能根据自身参数或者人工输入对焊接过程进行修正,而不能随着周围焊接的具体情况进行修正。
发明内容
发明目的:提供一种高精度自动焊接机器人,以解决现有的焊接机器人在焊机过程中存在精度偏低,不能根据具体工作环境进行修正的问题。
技术方案:一种高精度自动焊接机器人,包括:X轴运动单元、Y轴运动单元、Z轴运动单元和焊接单元四部分。
Z轴运动单元,包括设置工作平面上的两个电机安装座,分别设置在两个电机安装座内的两个第一步进电机,与所述第一步进电机输出轴相连接、且垂直于所述电机安装座的滚珠丝杆,垂直安装在所述电机安装座上的Z轴支撑导柱,通过滚珠轴承和直线轴承套套装在所述滚珠丝杆和Z轴支撑导柱上的两个X轴安装板,水平固定安装在两个电机安装座两侧的两个X轴向的固定杆。
Y轴运动单元,包括固定安装在所述固定杆上的固定支座,通过直线轴承安装在所述固定支座两侧、且垂直于所述固定杆的两个Y轴水平导柱,与所述Y轴水平导柱焊接的支撑平台,连接两侧的Y轴水平导柱两端的两个连接板,设置在所述两个连接板、且呈斜对角分布的第一齿条固定座和第二齿条固定座,固定安装在所述固定支座上的第二步进电机,与所述第二步进电机输出轴相连接、且与所述第一齿条固定座在Y轴方向水平对齐的第一主动齿轮,安装在所述第一主动齿轮一侧的固定支座上、且与所述第二齿条固定座在Y轴方向水平对齐的第一随动齿轮,以及两端固定于第一齿条固定座和第二齿条固定座、依次穿过第一主动齿轮和第一随动齿轮、且与之相啮合的第一齿条;其中,直线轴承与固定支座固定连接。
X轴运动单元,包括焊接在两个X轴安装板之间的X轴水平导柱,通过直线轴承套装在所述X轴水平导柱上的微调安装板,设置在其中一个X轴安装板上的第三步进电机,与所述第三步进电机输出轴相连接的第二主动齿轮,安装在另一个X轴安装板上的第二随动齿轮,套装在所述第二主动齿轮和第二随动齿轮之间、两端固定在所述微调安装板上、且为环形的第二齿条。
焊接单元,包括安装在所述微调安装板上的缝隙检测器和角度调节器,以及设置在所述角度调节器上的焊枪。
在进一步的实施例中,所述支撑平台底部设置有多个真空吸盘,在真空吸盘上设置有至少三个可拆卸的固定组件,所述固定组件包括:底板,设置在底板上的固定夹钳,包裹在所述固定夹钳上的橡胶衬套。
在进一步的实施例中,所述支撑平台的周围,至少在上、左、前三个方向设置有CCD摄像机,且每个CCD摄像机与支撑板的中心的距离相等;或,通过其它辅助设备控制CCD摄像机以支撑平台为中心旋转360°进行拍摄。
在进一步的实施例中,所述缝隙检测器包括:以预定角度固定安装在所述微调安装板底部的激光发生器,固定在所述激光发生器射线发射端的直准器,以及以预定角度设置在所述微调安装板上的激光接收器。
在进一步的实施例中,所述角度调节器包括:固定安装在所述微调安装板底部的第一小型步进电机,与所述第一小型步进电机相连接的旋转支臂,垂直于、并固定在所述旋转支臂上的所述第二小型步进电机,与所述第二小型步进电机输出轴和焊枪尾部相连接的齿轮组。
在进一步的实施例中,所述运动单元、固定组件、角度调节器和缝隙检测器均与控制终端相连接。
另一方面,一种高精度自动焊接机器人的焊接方法,包括:
S1、将待焊接物体放置在支撑平台的中心位置,保持其中一个固定组件不动,调整其它固定组件的位置至与待焊接物品相贴合,通过夹钳和真空吸盘将待焊接物体夹持;
S2、使用CCD摄像机拍摄多角度的视图,传输至控制中心,通过MATLAB数据处理,进行数学建模,以其中不动的固定组件为原点,形成三维模型;
或,直接导入该物体的工程制图,通过MATLAB数据处理,进行数学建模,形成三维模型;
S3、在三维模型中确定待焊接区域,MATLAB输出三维坐标点,控制X/Y/Z轴三个方向的运动单元运动预定距离,至焊接点;
S4、控制终端根据激光接收器接收到激光的强度和角度信息,通过MATLAB确定焊接缝隙的宽度和角度,并计算确定出焊枪的运动轨迹和运动速度;
S5、控制终端以向量的形式输出信息,控制X/Y/Z轴三个方向的运动单元和角度调整器,以预定速度运动预定距离,完成焊接。
在进一步的实施例中,所述S2步骤的三维模型构建方法为:
S201、前期视图准备:将拍摄的图片进行缩放,使得各个角度的视图图片的轮廓满足“长对正,宽相等,高平齐”的视图规范;
S202、建立平面坐标系:以不动的固定组件中预定参考点为原点,分别选取主视图、左视图轮廓线建立O-XZ、O-YZ两个平面直角坐标系,
S203、建立平面特征点:平均选取每个视图的轮廓曲线的多个特征点,计算特征点到原点的距离、特征点与原点的连线和每个轴线之间的角度;
S204、建立空间特征点:比较不同轮廓曲线的特征点之间的像素点灰度值差值、曲率变化和像素点周围的特征图像相似度,当三者差值均小于阈值时,即认为不同轮廓曲线特征点在实际物体中为同一特征点,并组成特征点集合;
S205、丰富空间特征点,任取其它两组视图,重复S202~S204,丰富特征点集合数据库,使得相邻的两个空间特征点之间的像素距离小于2像素点;
S206、建立空间坐标系:建立O-XYZ三维直角坐标系,根据特征点集合,求出三维像素坐标;
S207、建立三维模型:以平滑曲线连接相邻的两个空间特征点,组成封闭的曲面,得到待焊接物体的三维模型图;
S208、输出空间坐标:以不动的固定组件中某两个固定参考点的实际距离,计算出三维模型的实际坐标。
在进一步的实施例中,所述S4步骤的焊接缝隙的宽度和角度的具体方法为:
S401、激光发生器发射出预定角度α的一束低功率激光,在经过直准器校准后通过,照射在所述待焊接区域,经过水平的金属板(与水平夹角为γ=0°)反射后,被激光接收器接收,检测激光的强度和角度;
S402、当激光束照射到缝隙时,此时激光接收器中与该缝隙相对应的接收单元无任何接收信号,通过接收单元的个数确定所述缝隙的宽度,以及配合激光发生器的移动速度,确定缝隙长度;
S403、当激光束照射于水平夹角为γ的金属板时,此时激光接收器接收角度为β,与标准接收情况(与水平夹角为γ=0°)偏移X,以此计算出水平夹角γ为预定角度α与接收角度β的差值的一半,根据光线偏移方向确定待加工物体的倾斜方向;
S404、根据缝隙宽度和角度修正、补充三维模型中缝隙的实际坐标。
有益效果:本发明涉及一种高精度自动焊接机器人及其焊接方法,在设备方面,通过设置高精度的三维运动单元,代替传统的机械臂,提高机器人运动的精度;通过CCD摄像机的视图采集、三维建模,直接获取固定后的待焊接物品的实际参数,减少人工输入参数与实际尺寸的误差,进一步提高焊接精度;通过缝隙检测器对不同的焊接区域进行信息采集,对焊机过程进行修正,以提高焊接进度;在方法部分,通过CCD摄像机采集相关的视图信息,缝隙检测器对数据进行修正,控制终端以数学建模的方式,对待焊接物体进行三维建模,以向量的方式直接对运动机构输出运动信息,控制焊枪的运动轨迹,能够大大的提高焊接精度。解决了现有的焊接机器人在焊机过程中存在精度偏低,不能根据具体工作环境进行修正的问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中Z轴运动单元的结构示意图。
图3是本发明中Y轴运动单元的结构示意图。
图4是本发明中X轴运动单元的结构示意图。
图5是本发明中支撑平台的结构示意图。
图6是本发明中缝隙检测器的原理示意图。
图7是本发明中角度调节器的结构示意图。
附图标记为:电机安装座1、第一步进电机2、滚珠丝杆3、Z轴支撑导柱4、X轴安装板5、固定杆6、固定支座7、Y轴水平导柱8、支撑平台9、连接板10、第一齿条固定座11、第二齿条固定座12、第二步进电机13、第一主动齿轮14、第一随动齿轮15、第一齿条16、X轴水平导柱17、微调安装板18、第三步进电机19、第二主动齿轮20、第二随动齿轮21、第二齿条22、焊枪23、固定组件24、缝隙检测器25、角度调节器26、真空吸盘2401、底板2402、固定夹钳2403、激光发生器2501、直准器2502、激光接收器2503、第一小型步进电机2601、旋转支臂2602、第二小型步进电机2603。
具体实施方式
在下文的描述中,给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而,对于本领域技术人员而言显而易见的是,本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中,为了避免与本发明发生混淆,对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如附图1所示,一种高精度自动焊接机器人,包括:X轴运动单元、Y轴运动单元、Z轴运动单元和焊接单元四部分。
如附图2所示,Z轴运动单元包括:电机安装座1、第一步进电机2、滚珠丝杆3、Z轴支撑导柱4、X轴安装板5、固定杆6。两个电机安装座1固定安装在工作平面上,作为所述机器人的支撑座,在两个电机安装座1内分别安装有两个第一步进电机2,且所述两个第一步进电机2为同频电机,其型号为Y250M-8,滚珠丝杆3垂直于所述第一步进电机2输出轴上,其型号为BBSR5010-2250,其螺纹距为10mm,在两个电机安装座1上均垂直安装固定有Z轴支撑导柱4,两个X轴安装板5通过滚珠轴承和直线轴承套套装在所述滚珠丝杆3和Z轴支撑导柱4上,两个X轴向的固定杆6水平固定安装在两个电机安装座1两侧。第一步进电机2通过带动滚珠丝杆3的转动,带动所述X轴安装板5沿着滚珠丝杆3和Z轴支撑导柱4上下运动,其中,滚珠丝杆3的螺纹距离为7.5mm,Z轴运动单元的输出精度为0.1~0.5‰。
如附图3所示,Y轴运动单元包括:固定支座7、Y轴水平导柱8、支撑平台9、连接板10、第一齿条固定座11、第二齿条22、固定座12、第二步进电机13、第一主动齿轮14、第一随动齿轮15、第一齿条16。固定支座7固定安装在所述固定杆6上,两个Y轴水平导柱8套装在固定安装在固定支座7两侧的直线轴承上,且水平垂直于所述固定杆6的,在Y轴水平导柱8两端连接有两个连接板10,支撑平台9焊接在由所述Y轴水平导柱8和连接板10组成的四边形上,第一齿条固定座11和第二齿条固定座12设置在所述两个连接板10上,且呈斜对角分布,第二步进电机13固定安装所述固定支座7上,第一主动齿轮14与所述第二步进电机13输出轴相连接,且与所述第一齿条固定座11在Y轴方向水平对齐;第一随动齿轮15安装在第一主动齿轮14一侧的固定支座7上、且与所述第二齿条固定座12在Y轴方向水平对齐,第一齿条16两端固定于第一齿条固定座11和第二齿条固定座12,依次穿过第一主动齿轮14和第一随动齿轮15、且与之相啮合。第二步进电机13带动第一主动齿轮14转动,通过相互啮合的第一齿条16,带动所述支撑平台9沿着所述Y轴水平导柱8水平运动。其中,所述第二步进电机13采用的型号为Y225M-8,第一齿条16的齿间距为12.5mm,整个Y轴运动单元的精度为0.5~1‰。
如附图4所示,X轴运动单元包括:X轴水平导柱17、微调安装板18、第三步进电机19、第二主动齿轮20、第二随动齿轮21、第二齿条22、推进齿条。X轴水平导柱17焊接在两个X轴安装板5之间,微调安装板18通过直线轴承套装在所述X轴水平导柱17上,第三步进电机19固定安装在其中一个X轴安装板5上,第二主动齿轮20与所述第三步进电机19输出轴相连接,第二随动齿轮21安装在另一个X轴安装板5上,为环形的第二齿条22套装在所述第二主动齿轮20和第二随动齿轮21之间,且两端固定在微调安装板18上。第三步进电机19带动第二主动齿轮20转动,通过相互啮合的第二齿条22,带动所述微调安装板18沿着所述X轴水平导柱17水平运动。其中,所述第三步进电机19采用的型号为Y225M-8,第二齿条22的齿间距为12.5mm,整个X轴运动单元的精度为0.5~1‰。
通过上述X轴运动单元、Y轴运动单元、Z轴运动单元三个方向组合,代替传统的旋转型的机械臂,一方面通过螺纹刻度进行定量运动,可以大大削弱电机精度对运动的影响,另一方面该机器人的运动可以向量形式分解运动,减小信号传递导致的误差。因此该机器人三个方向上的运动精度可以达到了千分之一级,远高于传统机械臂的百分之一级的运动精度。
焊接单元,包括安装在所述微调安装板18上的缝隙检测器25和角度调节器26,以及设置在所述角度调节器26上的焊枪23。其中,如附图6所示,所述缝隙检测器25包括:激光发生器2501、直准器2502、激光接收器2503。激光发生器2501以预定角度固定安装在所述微调安装板18底部,直准器2502固定在所述激光发生器2501射线发射端,激光接收器2503以预定角度设置在所述微调安装板18上。通过激光照射在待焊接区域位置,通过发射和接收时的激光变化、和强度变化,可以检测所述待焊接区域的实际情况,方便后续预定的焊接工艺进行优化。如附图7所示,所述角度调节器26包括:第一小型步进电机2601、旋转支臂2602、第二步进电机13。第一小型步进电机2601固定安装在所述微调安装板18底部的,旋转支臂2602与所述第一小型步进电机2601相连接,第二小型步进电机2603垂直于、并固定在所述旋转支臂2602上,所述第二小型步进电机2603输出轴与焊枪23尾部之间通过设置在所悬臂支臂上的多个齿轮组相连接。可以适当调整焊枪23与待焊接面的角度,可以大幅提高焊接时精度和加工效率。
如附图5所示,作为一个优选方案,所述支撑平台9底部设置有多个真空吸盘2401或者电磁铁,用于吸附固定组件24,在支撑平台9上设置有至少三个可拆卸的固定组件24,保持一个固定组件24的位置,通过调整其它固定组件24的位置与待焊接零件的轮廓相匹配,所述固定组件24包括:底板2402,设置在底板2402上的固定夹钳2403,包裹在所述固定夹钳2403上的橡胶衬套;用于固定待焊接零件。
作为一个优选方案,所述支撑平台9的周围,至少在上、左、前三个方向设置有CCD摄像机,且每个CCD摄像机与支撑板的中心的距离相等;或,通过其它辅助设备控制CCD摄像机以支撑平台9为中心旋转360°进行拍摄。得到多个面的视图,保证后期的三维建模时,样本数据的丰富性。
需要说明的是,所述运动单元、固定组件24、缝隙检测器25和角度调节器26均与控制终端相连接。控制终端与各执行单元之间通过有线/无线相连接,用于信息传输和数据分析。
另一方面,为了进一步理解、说明一种高精度自动焊接机器人,故对其焊接方法进行简略说明:
S1、将待焊接物体放置在支撑平台9的中心位置,保持其中一个固定组件24不动,调整其它固定组件24的位置至与待焊接物品相贴合,通过夹钳和真空吸盘2401将待焊接物体夹持;
S2、使用CCD摄像机拍摄多角度的视图,传输至控制中心,通过MATLAB数据处理,进行数学建模,以其中不动的固定组件24为原点,形成三维模型;
或,直接导入该物体的工程制图,通过MATLAB数据处理,进行数学建模,形成三维模型;
S3、在三维模型中确定待焊接区域,MATLAB输出三维坐标点,控制X/Y/Z轴三个方向的运动单元运动预定距离,至焊接点;
S4、控制终端根据激光接收器2503接收到激光的强度和角度信息,通过MATLAB确定焊接缝隙的宽度和角度,并计算确定出焊枪23的运动轨迹和运动速度;
S5、控制终端以向量的形式输出信息,控制X/Y/Z轴三个方向的运动单元和角度调整器,以预定速度运动预定距离,完成焊接。
在进一步的实施例中,所述S2步骤的三维模型构建方法为:
S201、前期视图准备:将拍摄的图片进行缩放,使得各个角度的视图图片的轮廓满足“长对正,宽相等,高平齐”的视图规范;
S202、建立平面坐标系:以不动的固定组件24中预定参考点为原点,分别选取主视图、左视图轮廓线建立O-XZ、O-YZ两个平面直角坐标系,
S203、建立平面特征点:平均选取每个视图的轮廓曲线的多个特征点,计算特征点到原点的距离、特征点与原点的连线和每个轴线之间的角度;
S204、建立空间特征点:比较不同轮廓曲线的特征点之间的像素点灰度值差值、曲率变化和像素点周围的特征图像相似度,当三者差值均小于阈值时,即认为不同轮廓曲线特征点在实际物体中为同一特征点,并组成特征点集合;
S205、丰富空间特征点,任取其它两组视图,重复S202~S204,丰富特征点集合数据库,使得相邻的两个空间特征点之间的像素距离小于2像素点;
S206、建立空间坐标系:建立O-XYZ三维直角坐标系,根据特征点集合,求出三维像素坐标;
S207、建立三维模型:以平滑曲线连接相邻的两个空间特征点,组成封闭的曲面,得到待焊接物体的三维模型图;
S208、输出空间坐标:以不动的固定组件24中某两个固定参考点的实际距离,计算出三维模型的实际坐标。
如附图6所示,所述S4步骤的焊接缝隙的宽度和角度的具体方法为:
S401、激光发生器2501发射出预定角度α的一束低功率激光,在经过直准器2502校准后通过,照射在所述待焊接区域,经过水平的金属板(与水平夹角为γ=0°)反射后,被激光接收器2503接收,检测激光的强度和角度;
S402、当激光束照射到缝隙时,此时激光接收器2503中与该缝隙相对应的接收单元无任何接收信号,通过接收单元的个数确定所述缝隙的宽度,以及配合激光发生器2501的移动速度,确定缝隙长度;
S403、当激光束照射于水平夹角为γ的金属板时,此时激光接收器2503接收角度为β,与标准接收情况(与水平夹角为γ=0°)偏移X,以此计算出水平夹角γ为预定角度α与接收角度β的差值的一半,根据光线偏移方向确定待加工物体的倾斜方向;
S404、根据缝隙宽度和角度修正、补充三维模型中缝隙的实际坐标。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。