CN110695494B - 波纹板外部轴跟踪系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了波纹板外部轴跟踪系统及其方法。波纹板外部轴跟踪方法包括以下步骤：步骤S1：标定机器人的TCP点；步骤S2：将机器人、工控机、激光位移传感器和PLC模组组成局域网；步骤S3：示教机器人的枪姿、安全点和过渡点；步骤S4：计算滑台的方向向量；步骤S5：标定相机与机器人的世界坐标系；步骤S6：根据波纹板的波纹的所在位置进行参数初始设置，以分隔出区域并且形成区域分界线；步骤S7：启动机器人的运行程序并且在预置的偏差范围内自动进行轨迹规划和轨迹补偿，以根据确定的焊接工艺进行批量生产。本发明公开的波纹板外部轴跟踪系统及其方法，自动进行轨迹规划和轨迹补偿，满足工艺精度在0.5mm～1mm的焊接工艺要求。

Description

波纹板外部轴跟踪系统及其方法
技术领域
本发明属于波纹板焊接加工技术领域，具体涉及一种波纹板外部轴跟踪系统和一种波纹板外部轴跟踪方法。
背景技术
公开号为CN104588839B，主题名称为用于大型复杂箱形结构件的焊缝自动跟踪方法的发明专利，其技术方案公开了“步骤是：⑴、将组装成型的大型复杂箱形结构件放置在自动焊接工位上；⑵、在自动焊接设备的焊枪端部安装摆动撞针，通过撞针反复摆碰焊缝两边来反馈焊缝摆幅信息；⑶、通过设备控制系统与设定的理论摆幅进行比较，计算摆幅差值；⑷、依据摆幅差值调整焊枪姿态至正确位置，起弧施焊直至完成结构件所有焊缝的自动跟踪及焊接”。
然而，在波纹板焊接加工技术领域，以上述发明专利为例，尽管可以利用工业机器人实现自动化焊接，但是以波纹板为代表的工件的焊缝位置常常因制造精度而存在偏差。另一方面，工件的夹具，也为了适应生产节拍和成本的需求，不可能有太高的定位精度，导致了批量生产的工件中，焊缝位置经常存在 10～20mm的偏差，这不能满足精度要求在1mm，甚至0.5mm的焊接工艺要求。再一方面，如果针对每个工件，重新示教机器人的运动轨迹，则大大降低了生产效率，在生产过程中不具有可实施性。
注意到存在应用焊缝跟踪器的实例，在一定程度上可以改善精度。然而，在波纹板焊接的过程中，需要改变枪姿来控制焊接成型的波纹板，焊缝跟踪器已经不能满足要求，需要进一步改进。
发明内容
本发明针对现有技术的状况，克服以上缺陷，提供一种波纹板外部轴跟踪系统和一种波纹板外部轴跟踪方法。
本发明专利申请公开的波纹板外部轴跟踪系统及其方法，其主要目的在于，使用激光位移传感器，安装到机器人的焊接位置前的滑台上，扫描波纹板，自动生成机器人运行轨迹，并控制机器人焊接路径的方法。
本发明专利申请公开的波纹板外部轴跟踪系统及其方法，其另一目的在于，满足工艺精度在0.5mm～1mm的焊接工艺要求。
本发明专利申请公开的波纹板外部轴跟踪系统及其方法，其另一目的在于，
本发明采用以下技术方案，所述波纹板外部轴跟踪方法包括以下步骤：
步骤S1：标定机器人的TCP点；
步骤S2：将机器人、工控机、激光位移传感器和PLC模组组成局域网；
步骤S3：示教机器人的枪姿、安全点和过渡点；
步骤S4：计算滑台的方向向量；
步骤S5：标定相机与机器人的世界坐标系；
步骤S6：根据波纹板的波纹的所在位置进行参数初始设置，以分隔出区域并且形成区域分界线；
步骤S7：启动机器人的运行程序并且在预置的偏差范围内自动进行轨迹规划和轨迹补偿，以根据确定的焊接工艺进行批量生产。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，步骤S1具体实施为以下步骤：
利用预置的标定法，在工件标准放置位置的中间位置进行标定TCP点；
在TCP点标定完成后，转动机器人的焊枪，判断TCP点的偏移量是否满足预设的偏移量阈值。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，步骤S2具体实施为以下步骤：
工控机通过POE交换机与机器人、激光位移传感器和PLC模组建立双向通讯连接，以组成局域网。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，步骤S3具体实施为以下步骤：
运行工控机的运行软件，运行机器人的示教器的运行软件，在枪姿、安全点、过渡点示教完成后，自动运行机器人的运行程序，完成示教的机器人与工控机进行通信，将安全点、过渡点和枪姿发送到工控机，由工控机保存。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，步骤S4具体实施为以下步骤：
步骤S4.1：将滑台的滑块移动到最开始端，在滑块上取一个位置点做标记，并将机器人的TCP点对准该标记点，由机器人的示教器或者工控机读取机器人的当前位置；
将滑台的滑块移动到最结尾端，将机器人的TCP点再次对准该标记点(，由机器人的示教器或者工控机读取机器人的当前位置；
根据两次位置，计算出滑台方向的首尾两个世界坐标，其中，首坐标A和尾坐标B分别为：
A(XA，YA，ZA，WA，PA，RA)；
B(XB，YB，ZB，WB，PB，RB)。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，步骤S5具体实施为以下步骤：
步骤S5.1：将滑台移动到中间位置，记录当前的滑台坐标；
步骤S5.2：启动激光位移传感器，使其对准搭接缝；
步骤S5.3：使用工控机的软件，确认识别出切点的位置；
步骤S5.4：将机器人的TCP点对准搭接缝的识别位置；
步骤S5.5：循环步骤S5.2～步骤S5.4，直至输入六组搭接缝的坐标；
步骤S5.6：使用工控机的运行软件进行标定运算，完成相机与机器人的世界坐标系的标定，以获得六组搭接缝分别在机器人的世界坐标系的坐标bi和对应的在相机坐标系下的坐标ai。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，步骤S4还包括以下步骤：
步骤S4.2：根据首坐标A和尾坐标B计算获得三个方向(X轴Y轴Z轴) 的差值P：
P(XA-XB，YA-YB，ZA-ZB)；
步骤S5还包括以下步骤：
步骤S5.7：机器人的世界坐标系的坐标bi和相机(滑块)坐标系下的坐标 ai的对应关系为：
bi＝Hai，其中：
Figure BDA0002197072530000041
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，步骤S6具体实施为以下步骤：
依据波纹板的波纹的所在位置向运行软件输入参数，以分隔出区域，从而形成区域分界线，使得运行软件在自动运行过程中，每次到达这些区域分界线时，会进行轨迹规划和轨迹补偿。
根据上述技术方案，作为上述技术方案的进一步优选技术方案，步骤S7中的焊接工艺包括焊接电流、焊接电压和焊接速度。
本发明专利申请还公开了波纹板外部轴跟踪系统，用于实施以上任一种技术方案记载的波纹板外部轴跟踪方法。
本发明公开的波纹板外部轴跟踪系统及其方法，其有益效果在于，自动进行轨迹规划和轨迹补偿，满足工艺精度在0.5mm～1mm的焊接工艺要求。
附图说明
图1是本发明专利的波纹板延长线与方钢的交点的流程框图。
图2是本发明专利的识别波纹板的拐点的流程框图。
具体实施方式
本发明公开了一种波纹板外部轴跟踪方法和一种波纹板外部轴跟踪系统，下面结合优选实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的(高速)激光位移传感器，可被定义为本发明专利申请涉及的相机(工业相机)，为同一概念，特此声明。
参见附图的图1至图2，图1示出了波纹板外部轴跟踪系统及其方法的部分流程，图2示出了波纹板外部轴跟踪系统及其方法的部分流程。
优选实施例
优选地，所述波纹板外部轴跟踪方法包括以下步骤：
步骤S1：标定机器人的TCP点；
步骤S2：将机器人、工控机、激光位移传感器和PLC模组组成局域网；
步骤S3：示教机器人的枪姿、安全点和过渡点；
步骤S4：计算滑台的方向向量；
步骤S5：标定相机与机器人的世界坐标系(即Eye-to-Hand系统)；
步骤S6：根据波纹板的波纹的所在位置进行参数初始设置，以分隔出区域并且形成区域分界线；
步骤S7：启动机器人的运行程序并且在预置的偏差范围内自动进行轨迹规划和轨迹补偿，以根据确定的焊接工艺进行批量生产。
进一步地，步骤S1具体实施为以下步骤：
利用预置的标定法，在工件标准放置位置的中间位置进行标定TCP点；
在TCP点标定完成后，转动机器人的焊枪，判断TCP点的偏移量是否满足预设的偏移量阈值。
其中，预设的偏移量阈值优选为1mm。换而言之，TCP点的偏移量在1mm以内即视为标定成功。
其中，预置的标定法包括三点标定法(三点手眼标定法)或者六点标定法 (六点手眼标定法)。
进一步地，步骤S2具体实施为以下步骤：
工控机通过POE交换机(或者其他类似的交换机)与机器人、激光位移传感器和PLC模组建立双向通讯连接，以组成局域网。
其中，可将机器人、工控机、激光位移传感器、PLC模组的IP地址优选分别设置为：
192.168.2.6；
192.168.2.2；
192.168.2.3；
192.168.2.4；
在IP地址设置完成后互相PING，以判断连接是否成功。
进一步地，步骤S3中的枪姿优选为三种，即水平焊缝枪姿、上倾斜焊缝枪姿和下倾斜焊缝枪姿。
进一步地，步骤S3具体实施为以下步骤：
运行工控机的运行软件，运行机器人的示教器的运行软件，在枪姿、安全点、过渡点示教完成后，自动运行机器人的运行程序，完成示教的机器人与工控机进行通信，将安全点、过渡点和枪姿发送到工控机，由工控机保存。
进一步地，步骤S4具体实施为以下步骤：
步骤S4.1：将滑台的滑块移动到最开始端，在滑块上取一个位置点做标记，并将机器人的TCP点对准该标记点，由机器人的示教器或者工控机(的运行软件)读取机器人的当前位置；
将滑台的滑块移动到最结尾端，将机器人的TCP点再次对准该标记点(同最开始端处的标记点)，由机器人的示教器或者工控机(的运行软件)读取机器人的当前位置；
根据两次位置，计算出滑台方向的首尾两个世界坐标(滑台的方向向量)，以便填写工控机的运行软件的参数表格，其中，首坐标A和尾坐标B分别为：
A(XA，YA，ZA，WA，PA，RA)；
B(XB，YB，ZB，WB，PB，RB)。
进一步地，步骤S5具体实施为以下步骤(以六点手眼标定法为例)：
步骤S5.1：将滑台移动到中间位置，记录当前的滑台坐标；
步骤S5.2：启动激光位移传感器(打开激光位移传感器的激光)，使其对准搭接缝；
步骤S5.3：使用工控机的软件，确认识别出切点的位置；
步骤S5.4：将机器人的TCP点对准搭接缝的识别位置；
步骤S5.5：循环步骤S5.2～步骤S5.4，直至输入六组搭接缝的坐标；
步骤S5.6：使用工控机的运行软件进行标定运算，完成相机与机器人的世界坐标系的标定，以获得六组搭接缝分别在机器人的世界坐标系的坐标bi和对应的在相机(滑块)坐标系下的坐标ai。
进一步地，步骤S6具体实施为以下步骤：
依据波纹板的波纹的所在位置(人为地)向(机器人的)运行软件输入参数，以分隔出区域，从而形成区域分界线，使得运行软件在自动运行过程中，每次到达这些区域分界线时，会进行轨迹规划和轨迹补偿。
进一步地，步骤S7中的焊接工艺包括但不限于焊接电流、焊接电压和焊接速度，从而获得更好的焊接效果。
值得一提的是，步骤S4～步骤S5作为本发明专利申请的重要步骤之一，进一步从阐述如下。
具体地，步骤S4还包括以下步骤(枪姿WPR应该保持相同，根据差值，以及AB两点距离，可以求出空间方向向量的值)：
步骤S4.2：根据首坐标A和尾坐标B计算获得三个方向(X轴Y轴Z轴) 的差值P：
P(XA-XB，YA-YB，ZA-ZB)。
具体地，步骤S5还包括以下步骤：
步骤S5.7：机器人的世界坐标系的坐标bi和相机(滑块)坐标系下的坐标 ai的对应关系为：
bi＝Hai，其中：
Figure BDA0002197072530000091
(由于世界坐标系下坐标＝旋转矩阵*相机坐标系下坐标+平移矩阵可知)：
bi＝Rai+t；
(RT矩阵由三个方向的旋转矩阵相乘可知)：
Figure BDA0002197072530000092
Figure BDA0002197072530000093
Figure 1
Figure BDA0002197072530000095
根据6组点获得6组线性方程，代入C++的训练函数中，获得RT矩阵。
其中，根据上一步获得的RT矩阵，可以将相机+滑台的坐标，转换为世界坐标，由于滑台的位置不同，T矩阵也不一样，根据步骤S4中计算得到的方向向量，乘以滑台实际位置距离标定位置的距离，构造一个平移矩阵t，并叠加到原来的相机坐标矩阵上，具体计算式为：
matrix_left＝matrix_left+matrix_t1。
值得一提的是，步骤S5.2中，激光位移传感器采集的每一帧图像，需要首先识别波纹板上焊缝所在位置。对于单帧图像，焊缝表现为激光线的一个点，每一帧激光线的点，构成了一条焊缝。由于激光线45度倾斜照在波纹板和方钢处，整个激光线上所有点的XZ构成的图像是一个不标准的V字。波纹板和方钢之间，往往有0到1mm宽度的拼接缝，焊接工艺要求焊丝搭到方钢上，所以，识别点为由波纹板延长线与方钢的交点(具体的识别流程如图1所示)。
具体地，设定直线方程y：
y＝k*x+b；
将直线y三等分，分别从前1/3和后1/3取一个点，遍历求得多个k和b；
k，b求中值，则得到波纹板直线方程；
将直线y延伸，判断到与另一段激光线图像相交，则该位置是焊缝所在的点。
得到焊缝后，需要识别波纹板的拐点(具体的识别流程如图2所示)。
值得一提的是，步骤S6～步骤S7作为本发明专利申请的重要步骤之一，进一步从阐述如下。
轨迹规划：针对上一步骤识别的拐点，需要结合实际焊接中枪姿的变化需求，规划所有的轨迹点，包括TCP点的XYZ坐标，以及每个点的焊接枪姿WPR，焊接速度，以及焊接指令(CNT或者FINE，直线或者圆弧)。将起始点，单独地加入到路径中。针对每个识别出的拐点，运算出拐点附近特定距离长度的点，方法是遍历拐点周围的点，并设置停止阈值。将单个波纹扫描分段的最后一个点加入到路径中。每个点的枪姿来源于预设的示教枪姿。
轨迹补偿(水平焊缝焊接枪姿的平移补偿)：根据水平焊接枪姿的在两端的补偿值，实际上是对水平焊接枪姿增加了平移矩阵T，以及根据Y方向的变化，线性地增加了不同的平移矩阵。这样做的目的是补偿水平焊缝焊接枪姿TCP的误差，以及这个枪姿在空间直线延伸产生的线性误差。图像识别的位置，位于方钢和波纹板的交接线上，实际在焊接过程中，要求焊丝落点要距离波纹板 1.5mm，所以通过手动调整这个参数固定补偿的矩阵T实现轨迹的继续偏移。
轨迹补偿(波纹舒张)：当焊缝轨迹整体远离波纹板1.5mm时，侧面由于倾斜，距离不足1.5mm。解决方法是，针对拐点部分的点，分别向远离波纹板的方向再次平移。
轨迹补偿(侧面焊缝焊接枪姿的TCP和线性补偿)：由于焊接侧面波纹板的枪姿与焊接水平焊缝的枪姿不同，会产生由于TCP精度而带来的误差，所以，对于所有的焊缝拐点附近的点，以每个侧面为一组，增加单独的Y方向和Z方向补偿量。
值得一提的是，本发明专利申请还公开了波纹板外部轴跟踪系统，用于实施以上任一种波纹板外部轴跟踪方法。
其中，机器人优选采用FANUC机器人(机器人的示教器优选采用FANUC机器人的示教器)。
根据上述实施例，本发明专利申请公开的波纹板外部轴跟踪系统及其方法，其工作原理具体阐述如下。
具体地，实际上调控整个系统的是工控机，为了方便用户操作，系统运行情况的起止都由FANUC机器人控制。机器人焊接波纹板可以使用三种预设的枪姿，分别对应水平焊缝，上倾斜焊缝，以及下倾斜焊缝，以实现较好的焊接效果。
滑台的运行由PLC模组控制。滑台作为机器人的外部轴运行，激光位移传感器固定在滑台的滑块的云台上，伴随着滑块在滑台上的移动，传感器可以扫描整个波纹板。
高速激光位移传感器，是一种超高帧率的线激光传感器，帧率达到1KHz以上，保证计算机有更多的数据可以进行滤波操作，也允许系统最高以300mm/s 的速度进行扫描。为减少焊接中热形变的影响，实际扫描速度要兼顾焊接速度，一般在20mm/s左右。
激光位移传感器、PLC模组、FANUC机器人，通过(非标)POE交换机，与工控机连接。工控机实现了对整个系统的控制，以及对激光位移传感器采集图像的处理，自动规划焊接轨迹等核心操作。
值得一提的是，本发明专利申请涉及的图像识别的具体过程(例如，灰度处理)等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。
对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种波纹板外部轴跟踪方法，其特征在于，波纹板外部轴跟踪方法包括以下步骤：
步骤S1：标定机器人的TCP点；
步骤S2：将机器人、工控机、激光位移传感器和PLC模组组成局域网；
步骤S3：示教机器人的枪姿、安全点和过渡点；
步骤S4：使用激光位移传感器，安装到机器人的焊接位置前的滑台上，滑台作为机器人的外部轴运行，计算滑台的方向向量；
步骤S5：标定相机与机器人的世界坐标系；
步骤S6：根据波纹板的波纹的所在位置进行参数初始设置，以分隔出区域并且形成区域分界线，从而形成区域分界线，使得运行软件在自动运行过程中，每次到达这些区域分界线时，会进行轨迹规划和轨迹补偿；
步骤S7：启动机器人的运行程序并且在预置的偏差范围内自动进行轨迹规划和轨迹补偿，以根据确定的焊接工艺进行批量生产；
激光位移传感器即为相机。
2.根据权利要求1所述的波纹板外部轴跟踪方法，其特征在于，步骤S1具体实施为以下步骤：
利用预置的标定法，在工件标准放置位置的中间位置进行标定TCP点；
在TCP点标定完成后，转动机器人的焊枪，判断TCP点的偏移量是否满足预设的偏移量阈值。
3.根据权利要求2所述的波纹板外部轴跟踪方法，其特征在于，步骤S2具体实施为以下步骤：
工控机通过POE交换机与机器人、激光位移传感器和PLC模组建立双向通讯连接，以组成局域网。
4.根据权利要求3所述的波纹板外部轴跟踪方法，其特征在于，步骤S3具体实施为以下步骤：
运行工控机的运行软件，运行机器人的示教器的运行软件，在枪姿、安全点、过渡点示教完成后，自动运行机器人的运行程序，完成示教的机器人与工控机进行通信，将安全点、过渡点和枪姿发送到工控机，由工控机保存。
5.根据权利要求4所述的波纹板外部轴跟踪方法，其特征在于，步骤S4具体实施为以下步骤：
步骤S4.1：将滑台的滑块移动到最开始端，在滑块上取一个位置点做标记，并将机器人的TCP点对准该标记点，由机器人的示教器或者工控机读取机器人的当前位置；
将滑台的滑块移动到最结尾端，将机器人的TCP点再次对准该标记点，由机器人的示教器或者工控机读取机器人的当前位置；
根据两次位置，计算出滑台方向的首尾两个世界坐标，其中，首坐标A和尾坐标B分别为：
A(XA，YA，ZA，WA，PA，RA)；
B(XB，YB，ZB，WB，PB，RB)。
6.根据权利要求5所述的波纹板外部轴跟踪方法，其特征在于，步骤S5具体实施为以下步骤：
步骤S5.1：将滑台移动到中间位置，记录当前的滑台坐标；
步骤S5.2：启动激光位移传感器，使其对准搭接缝；
步骤S5.3：使用工控机的软件，确认识别出交点的位置；
步骤S5.4：将机器人的TCP点对准搭接缝的识别位置；
步骤S5.5：循环步骤S5.1～步骤S5.4，直至输入六组搭接缝的坐标；
步骤S5.6：使用工控机的运行软件进行标定运算，完成相机与机器人的世界坐标系的标定，以获得六组搭接缝分别在机器人的世界坐标系的坐标bi和对应的在相机坐标系下的坐标ai。
7.根据权利要求6所述的波纹板外部轴跟踪方法，其特征在于：
步骤S4还包括以下步骤：
步骤S4.2：根据首坐标A和尾坐标B计算获得三个方向的差值P，所述三个方向为X轴、Y轴和Z轴：
P(XA-XB，YA-YB，ZA-ZB)；
步骤S5还包括以下步骤：
步骤S5.7：机器人的世界坐标系的坐标bi和相机坐标系下的坐标ai的对应关系为：
bi＝Hai，其中：
Figure FDA0003112786510000041
8.根据权利要求7所述的波纹板外部轴跟踪方法，其特征在于，步骤S7中的焊接工艺包括焊接电流、焊接电压和焊接速度。
9.一种波纹板外部轴跟踪系统，其特征在于，用于实施权利要求1-8中任一项权利要求所述的波纹板外部轴跟踪方法。
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