CN110411338B - 机器人电弧增材修复的焊枪工具参数三维扫描标定方法 - Google Patents

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Abstract

机器人电弧增材修复的焊枪工具参数三维扫描标定方法，包括步骤1：通过3D扫描仪扫描机器人法兰盘及安装于末端的焊枪，获得工具的扫描文件；步骤2：在扫描文件中通过创建几何特征参数来定义机器人末端手腕坐标系xyz；步骤3：将扫描文件参考坐标系x0y0z0转移到机器人末端手腕坐标系xyz；步骤4：确定工具中心坐标点TCP及其坐标系x1y1z1。本发明克服现有技术中标定操作复杂，人为因素导致精度不高的问题，提高标定精度，避免了一般数值优化等方法的繁琐计算，解决了在电弧增材制造过程中因工具参数精度差而导致的堆焊层偏移，以及工件表面未熔透，堆焊层与基底接合差，撞枪等问题。

Description

机器人电弧增材修复的焊枪工具参数三维扫描标定方法
技术领域
本发明涉及机器人电弧增材修复的焊枪工具参数三维扫描标定方法，属于工业机器人领域。
背景技术
在实际应用中，机器人是通过在末端安装不同的工具来完成各种工作。通常在作业之前需要对工具参数进行标定，工具参数的准确度对机器人的定位精度、轨迹精度都具有直接的影响。
TCP标定的核心是要确定TCP在机器人末端法兰坐标系中的坐标。传统的方法是“4点法”，即让机器人通过四个不同方位去使机器人TCP与空间中一固定点重合，然后利用机器人关节转角及机器人结构信息去解算TCP坐标。
基于电弧增材修复的工程应用，利用传统的“4点法”实现点与点的重合，此操作一般由人工完成，且整个过程的精细程度要求较高，因此经常会由于人为因素对点不准而导致误差过大，进而在修复过程中出现修复区域堆焊层产生偏移，以及工件表面未熔透，撞枪等问题，使得修复后的工件缺陷多、寿命短。
在已有的文献中，文献“刘成业，李广文.一种机器人工具坐标系标定方法”，文献“赵伟.基于激光跟踪测量的机器人定位精度提高技术研究”等，均是通过建立机器人D-H模型，对机器人进行运动学求解，以及采用各种优化方法来提高机器人定位精度。这些方法的问题在于，其并不针对于某一具体的工程应用，而是基于某些理想状况下的数学推导优化，在实际的工程应用中很难具体展开实施，且其中部分操作无法通过示教完成，甚至会在标定结果中引入较大误差；考虑到现有通用标定方法的不足，提出一种应用于电弧增材修复的机器人焊枪工具参数标定方法，利用电弧增材修复配套的设备完成工具坐标系的标定。
发明内容
本发明提出了机器人电弧增材修复的焊枪工具参数三维扫描标定方法，其目的在于克服现有技术中标定操作复杂，人为因素导致精度不高的问题，提高标定精度，避免了一般数值优化等方法的繁琐计算，解决了在电弧增材制造过程中因工具参数精度差而导致的堆焊层偏移，以及工件表面未熔透，堆焊层与基底接合差，撞枪等问题。通过电弧增材修复配套的3D扫描仪的精度来辅助机器人TCP标定工作，降低标定过程中对准的难度，减小人为因素导致的误差。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
机器人电弧增材修复的焊枪工具参数三维扫描标定方法，包括如下步骤，
步骤1，首先将机器人第六轴位姿调为机械原点，然后通过3D扫描仪扫描机器人末端法兰盘以及安装在机器人末端法兰盘的焊枪，以获得STL格式的扫描文件以及扫描文件的参考坐标系x0y0z0，所述扫描文件包括：焊枪与机器人第六轴；
步骤2，将扫描获得的STL格式的扫描文件导入逆向工程软件Geomagic studio中，在Geomagic studio中通过创建几何特征参数来定义机器人末端手腕坐标系xyz；
步骤3，在Geomagic studio软件中使用坐标对齐功能使3D扫描所得到工具文件的参考坐标系x0y0z0与机器人末端手腕坐标系xyz对齐；
步骤4，在Geomagic studio软件中可确定出工具中心坐标点TCP及其坐标系x1y1z1。
进一步地，所述步骤3中，将扫描得到的工具文件的参考坐标系x0y0z01移动到机器人末端手腕坐标系xyz下。
进一步地，所述步骤2中，通过逆向工程软件提取的特征包括焊枪端口平面、直线L、焊枪管外轮廓曲面一、焊枪管外轮廓曲面二、焊枪管段轴线一、焊枪管段轴线二。
进一步地，Y平面由焊枪管段轴线一，焊枪管段轴线二确定，y轴位于Y平面上，z轴为机器人末端法兰盘端面的中垂线即所述直线L。
本发明的技术效果在于：
1)利用高精度3D扫描仪，避免了传统机器人工具参数标定过程中的对尖等精确性不高的环节，提高了标定精度，使得实际堆焊层与理论分层规划一致性提高，减少了焊层偏移导致焊层与基底未熔透等缺陷，从而提高工件的使用寿命。
2)使用该工具参数标定方法，减少了撞枪次数，降低了人为调整焊枪的几率，从而提高了该套机器人电弧增材修复系统的自动化程度。
3)本方法只需通过现有软件对工具数模的操控，避免了繁琐的计算，且精度高易于操作。整个方法操作简单，构思巧妙，标定精度高，具有较好的推广作用。
附图说明
图1.机器人各关节回到机械零点时末端手腕坐标系；
图2.焊枪与机器人末端法兰盘连接处的特征提取原理图；
图3.机器人末端法兰盘连接处的特征提取实物图；
图4.焊枪特征提取实物图；
图中各特征编号对应的特征名称如下：1-扫描文件参考坐标系x0y0z0，1.1-机器人法兰盘，1.2-法兰盘端面，1.3-机器人腕关节，1.4-第六轴零刻度线平面，1.5-Y平面，1.6-机器人末端手腕坐标系xyz，1.7-焊枪尾部，1.8-焊枪管外轮廓曲面二，1.9-焊枪管段轴线二，1.10-轴线交点，1.11-焊枪管外轮廓曲面一，1.12-焊枪管段轴线一，1.13-焊枪端口平面，1.14-焊丝拟合线，1.15-TCP坐标系x1y1z1
具体实施方式
在图示例中，涉及到了多个坐标系，包括机器人末端手腕坐标系xyz1.6，3D扫描后的扫描文件参考坐标系x0y0z01，以及TCP坐标系x1y1z11.15。
需要说明的是：图1显示了机器人回到机械零点后的机器人末端手腕坐标系xyz1.6。图2是扫描后，如何通过提取特征将扫描文件参考坐标系x0y0z01移动到与机器人末端手腕坐标系xyz1.6重合的原理图。图3，4是实际操作图。
在说明书中涉及到了特征提取和坐标对齐，其中具体涉及到了法兰盘外轮廓曲面、法兰盘端面1.2、零刻度线平面1.4、焊枪端口平面1.13、焊枪管外轮廓曲面一1.11、焊枪管外轮廓曲面二1.8这些特征的提取，均可由通用的逆向工程软件完成。
下面根据附图详细地说明本发明的标定过程
步骤一：通过3D扫描仪扫描机器人法兰盘1.1及安装于末端的焊枪，获得工具的扫描文件；
通过示教器控制已安装焊枪的机器人回到其机械零点位置；
在焊枪和机器人法兰盘1.1上喷涂显影剂，以保证更佳的扫描效果；然后贴上用于3D扫描仪识别的标记点；在3D扫描仪配套的软件中获得模型三角面片文件。
步骤二：在扫描文件中通过创建几何特征参数来定义机器人末端手腕坐标系xyz1.6；
1)如图1所示，当机器人回到机械零点时，确定机器人末端手腕坐标系xyz1.6的位姿，其z轴垂直于法兰盘向外，y轴平行于法兰盘，位于机器人第六轴零刻度线1.4所在平面上，根据右手法则确定x轴。在逆向工程软件中建立与上述相同的xyz坐标系；
2)如图3所示，均匀地选取文件中扫描质量较好的法兰盘圆柱面部分，提取出机器人法兰盘外轮廓曲面，称为法兰盘外轮廓曲面，同时可以得到其轴线，称为法兰盘轴线；
3)选取法兰盘端面中扫描质量较好的部分，提取端面特征，拟合出法兰盘端面1.2；
4)通过机器人第六轴零刻度线1.4，建立通过该零刻度线的平面，称为零刻度线平面即为Y平面，根据1知y轴位于此平面上。
5)步骤二2中法兰盘轴线与步骤二3中法兰盘端面1.2的交点即为机器人末端手腕坐标系xyz1.6的原点。
6)根据此步骤二5中确定的原点及步骤二4中确定的零刻度线平面1.4，建立与步骤二1中所述的机器人末端手腕坐标系xyz坐标系1.6。
步骤三：将扫描文件参考坐标系x0y0z01转移到机器人末端手腕坐标系xyz1.6；
1)扫描文件会得到一个全局的扫描文件参考坐标系x0y0z01；
2)将扫描文件参考坐标系x0y0z01对齐到步骤二中建立机器人末端手腕坐标系xyz1.6下。
步骤四：确定工具中心坐标点TCP及其坐标系x1y1z11.15
1)如图4所示，选择焊枪端口3点，提取平面特征，称为焊枪端口平面，图4中标记A对应图2中的1.13。
2)如图4所示，选择2段焊枪管三角面片，分别提取焊枪管部外轮廓特征，建立对应的外轮廓曲面，称为焊枪管外轮廓曲面一，图4中标记B对应图2中1.11，焊枪管外轮廓曲面，图4中标记为C对应图2中1.8。并分别建立其轴线，称为焊枪管段轴线一1.12，焊枪管段轴线二1.9。
3)步骤2中焊枪管段轴线一1.12与步骤1中焊枪端口平面1.13相交点表示焊丝在此点从焊枪伸出，称为焊丝伸出点。通过该点沿焊枪管段轴线一1.12向外建立直线L，该直线代表焊丝，称为焊丝拟合线1.14。伸出长度参考实际工作中的焊丝干伸长参数。
4)通过步骤2中的焊枪管段轴线一1.12，焊枪管段轴线二1.9，建立一个平面，称为Y轴平面。y轴垂直于此平面，方向向外。
5)通过3中建立的焊丝拟合线1.14，确定焊丝端点为TCP，焊丝向外延伸方向为z轴，y轴位于Y平面上，根据右手法则，确定TCP坐标x1y1z11.15的x轴。

Claims (2)

1.机器人电弧增材修复的焊枪工具参数三维扫描标定方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1，首先将机器人第六轴位姿调为机械原点，然后通过3D扫描仪扫描机器人末端法兰盘以及安装在机器人末端法兰盘的焊枪，以获得STL格式的扫描文件以及扫描文件的参考坐标系x0y0z0，所述扫描文件包括：构成焊枪与机器人第六轴的三角面片；
步骤2，将扫描获得的STL格式的扫描文件导入逆向工程软件Geomagic studio中，在Geomagic studio中通过创建几何特征参数来定义机器人末端手腕坐标系xyz；
具体为，均匀地选取文件中扫描质量较好的法兰盘圆柱面部分，提取出机器人法兰盘外轮廓曲面得到法兰盘外轮廓曲面和法兰盘轴线，选取法兰盘中扫描质量较好的部分，提取端面特征，拟合出法兰盘端面，通过机器人第六轴零刻度线，建立通过该零刻度线的平面，得到第六轴零刻度线平面；通过法兰盘轴线与法兰盘端面确定坐标系xyz的原点及z轴，通过第六轴零刻度线平面确定y轴，通过右手法则确定x轴；
步骤3，利用Geomagic studio软件使3D扫描所得到工具文件的参考坐标系x0y0z0与机器人末端手腕坐标系xyz对齐；
步骤4，在Geomagic studio软件中，通过对构成焊枪管的三角面片进行拟合，创建几何特征参数来定义焊枪工具中心坐标点TCP及其坐标系x1y1z1；
具体为，选择焊枪端口3点，提取平面特征得到焊枪端口平面，选择2段焊枪管三角面片，分别提取焊枪管部外轮廓特征，建立对应的外轮廓曲面得到焊枪管外轮廓曲面一和焊枪管外轮廓曲面二，并建立焊枪管段轴线一和焊枪管段轴线二，通过焊枪管段轴线一和焊枪端口平面相交点确定焊丝伸出点，通过该点沿焊枪管段轴线一向外建立直线L得到焊丝拟合线，通过焊枪管段轴线一与焊枪端口平面确定坐标系x1y1z1的原点；焊丝拟合线向外延伸方向为坐标系x1y1z1的z轴，焊丝拟合线的端点为TCP；根据右手法则确定垂直于焊枪管段轴线一和焊枪管段轴线二建立的平面的直线为坐标系y轴；最终通过右手法则确定坐标系x轴。
2.根据权利要求1所述的机器人电弧增材修复的焊枪工具参数三维扫描标定方法，其特征在于：所述步骤3中，将扫描得到的工具文件的参考坐标系x0y0z0移动到机器人末端手腕坐标系xyz下。
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