CN111098055A - 一种管板智能焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管板智能焊接方法，包括以下步骤：A.通过激光扫描得到待焊接椭圆曲线点云的位置；B.采用椭圆拟合算法对点云拟合，得到椭圆的参数，包括椭圆的圆心坐标、椭圆的长半轴长度、椭圆的短半轴长度；C.采用椭圆分割算法，根据精度要求将所述椭圆分割成有限段圆弧的组合，每段圆弧均用三个点表示；D.生成机器人的程序。本发明的管板智能焊接方法可实现综合离线编程和示教编程的优点，依据管板焊接的特征进行机器人自动扫描焊接。

Description

一种管板智能焊接方法
技术领域
本发明涉及机器人管板焊接技术领域，特别涉及一种管板智能焊接方法。
背景技术
管板焊接指对多跟相同管与面的交线处进行焊接，管的截面形状多为圆形或者椭圆形，面多为平面和小曲率的曲面。管板焊接具有“重复性”和“差异性”两种特征。“重复性”是指两根相同的管与面相交得到的两条曲线的形状大致相同，“差异性”是指两曲线的大小、位置和姿态均存在较大差异。
目前采用的离线编程的方式只满足其“重复性”的特点，即离线编程可一次性生成多条焊接曲线程序，但是要求每根管与面相交的曲线完全一致，未考虑每根管与面相交时均存在曲线大小、位置和姿态上的差异。
目前采用的另一种示教编程的方式则只满足其“差异性”的特点，即示教编程可解决每根管与面相交时均存在曲线大小、位置和姿态上的差异，但是示教编程存在工作量大、工作枯燥、效率低、可移植性差、编程困难等诸多缺点。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种管板智能焊接方法，可实现综合离线编程和示教编程的优点，依据管板焊接的特征进行机器人自动扫描焊接。
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
一种管板智能焊接方法，适用于机器人焊接，包括以下步骤：
A.通过激光扫描得到待焊接椭圆曲线点云的位置；
B.采用椭圆拟合算法对点云拟合，得到椭圆的参数，包括椭圆的圆心坐标、椭圆的长半轴长度、椭圆的短半轴长度；
C.采用椭圆分割算法，根据精度要求将所述椭圆分割成有限段圆弧的组合，每段圆弧均用三个点表示；
D.生成机器人的程序；
本发明的管板智能焊接方法是依据管板焊接焊的“重复性”和“差异性”双重特征，采用激光扫描得到待焊接曲线的点云数据，然后用椭圆拟合算法得到待焊接的椭圆曲线，并采用椭圆分割算法自动将椭圆分割成有限段的小圆，得到了圆弧点并生成了机器人圆弧运动程序。
进一步地，所述步骤A具体包括：
A1.将激光传感器固定连接于机器人焊枪末端，机器人沿着焊接椭圆曲线的长半轴运动，每隔m毫秒，则从机器人控制器中读取TCP位姿记为
Figure BDA0002357279340000029
同时，从相机控制器中读取椭圆点的位置
Figure BDA0002357279340000021
其中，
Figure BDA0002357279340000022
为4*4的变换矩阵，表示工具坐标系t在机器人基坐标系b下的位置和姿态；
Figure BDA0002357279340000023
为4*1的位置矢量，
Figure BDA0002357279340000024
结构如下：
Figure BDA0002357279340000025
其中，xc和yc为点p在相机坐标系c下的X坐标和Y坐标；
A2.采用坐标变换方法，得到椭圆上的点p在机器人基坐标系b下的位置
Figure BDA0002357279340000026
Figure BDA0002357279340000027
其中，ctT表示相机坐标系c在工具坐标系下的位姿；
A3.对扫描得到的所有p点采用上述方法，得到椭圆上的所有点在基坐标系下的位置记为
Figure BDA0002357279340000028
i＝1，2,....N，表示第i个扫描周期时，到椭圆上的点pi在机器人基坐标系b下的位置；
A4.建立用户坐标系u，其中，用户坐标系的原点在扫描点所确定的平面内，Z轴为沿着扫描点所在平面的法线，记机器人基坐标系b到用户坐标系u的变换矩阵为
Figure BDA0002357279340000031
则
Figure BDA0002357279340000032
A5.采用坐标变换得到机器人得到的椭圆上的扫描点在用户坐标系下的位置
Figure BDA0002357279340000033
其中，由于pi点均近似在在用户坐标系的XY平面内，将
Figure BDA0002357279340000034
的Z坐标赋值为0，则得到的
Figure BDA0002357279340000035
具有如下的形式：
Figure BDA0002357279340000036
进一步地，所述步骤B具体包括：
B1.椭圆方程的一般方程式：
x2+Axy+By2+Cx+Dy+E＝0；其中，A、B、C、D、E为待求取的变量；
B2.采用最小二乘法对扫描得到的点进行拟合，则：
min||x2+Axy+By2+Cx+Dy+E||＝0；
即
Figure BDA0002357279340000037
欲使F取最小值，则F分别A、B、C、D、E的偏导数为0，即：
Figure BDA0002357279340000038
则可下述5个等式：
Figure BDA0002357279340000039
Figure BDA00023572793400000310
Figure BDA00023572793400000311
Figure BDA00023572793400000312
Figure BDA00023572793400000313
B3.将上述5个等式写成矩阵MX＝N的形式，则：
Figure BDA0002357279340000041
则X＝M-1N，可求得A、B、C、D、E的值；
B4.将步骤B3得到的值代入椭圆方程的一般方程式，将一般方程化简成参数形式，得到椭圆的圆心(x0，y0)，旋转角度θ，以及椭圆的长半轴a和短半轴b：
Figure BDA0002357279340000042
Figure BDA0002357279340000043
其中，θ的单位为弧度，a和b的单位为毫米。
进一步地，所述步骤C具体包括：
C1.将步骤B得到的椭圆离散成n个点Pti，i＝1,2,…n；则：
Figure BDA0002357279340000044
其中：α＝i/n*2π；x0，y0为椭圆的圆心，θ为椭圆旋转的角度，a为椭圆的长半轴长度，b为椭圆的短半轴长度；
C2.将Pti点用有限段圆弧表示。
进一步地，所述步骤C2具体包括：
C2.1设有(Pti,Ptj,Ptk)，其中，Pti为圆弧起点，Ptj为圆弧上任意一点，Ptk为圆弧终点，则上述三点可确定一段圆心为P0，半径为r的圆弧；
C2.2若Pti到Ptk之间的所有点Ptm均满足到圆心P0的距离
Figure BDA0002357279340000051
与半径为r差值的绝对值
Figure BDA0002357279340000052
均小于精度要求eps，则认为假设成立，记录下此时的圆弧的三个点(Pti,Ptj,Ptk)到PtOncircle变量中；
C2.3改变i,k的值继续查找下一段圆弧直到i达到其上限值(n-2)。
进一步地，根据权利要求4或5所述的一种管板智能焊接方法，其特征在于，所述n的值为6000。
进一步地，所述步骤D具体为：根据预先定义的圆弧运动指令语法，将步骤3中存储的PtOncircle转化成圆弧运动指令MOVC，生成机器人焊接程序。
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
本发明的管板智能焊接方法，首先是采用激光扫描得到待焊接曲线的点云数据，然后用椭圆拟合算法得到待焊接的椭圆曲线，再采用椭圆分割算法自动将椭圆分割成有限段的小圆，从而得到了圆弧点并生成了机器人圆弧运动程序，结合了管板焊接焊的“重复性”和“差异性”双重特征，可有效解决现有技术中管板焊接示教编程操作困难且复杂、工作量大、效率低的问题，及离线编程管板工件一致性不好等问题，提高了管板焊接的精度和效率。
附图说明
图1是本发明的一个实施例中生成圆弧的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
实施例：
实施例一：
一种管板智能焊接方法，包括以下步骤：
步骤1.通过激光扫描得到待焊接椭圆曲线点云的位置。
具体的，本实施例中步骤1包括以下子步骤：
步骤1.1.将激光传感器固定连接于机器人焊枪末端，机器人沿着焊接椭圆曲线的长半轴运动，每隔100毫秒(具体间隔值可根据实际情况进行调整)，则从机器人控制器中读取TCP位姿记为
Figure BDA0002357279340000061
同时，从相机控制器中读取椭圆点的位置
Figure BDA0002357279340000062
其中，
Figure BDA0002357279340000063
为4*4的变换矩阵，表示工具坐标系t在机器人基坐标系b下的位置和姿态；
Figure BDA0002357279340000064
为4*1的位置矢量，
Figure BDA0002357279340000065
结构如下：
Figure BDA0002357279340000066
其中，xc和yc为点p在相机坐标系c下的X坐标和Y坐标。
步骤1.2.采用坐标变换方法，得到椭圆上的点p在机器人基坐标系b下的位置
Figure BDA0002357279340000067
Figure BDA0002357279340000068
其中，
Figure BDA0002357279340000069
表示相机坐标系c在工具坐标系下的位姿；
步骤1.3.对扫描得到的所有p点采用上述方法，得到椭圆上的所有点在基坐标系下的位置记为
Figure BDA00023572793400000610
i＝1，2,....N，表示第i个扫描周期时，到椭圆上的点pi在机器人基坐标系b下的位置；
步骤1.4.建立用户坐标系u，其中，用户坐标系的原点在扫描点所确定的平面内，Z轴为沿着扫描点所在平面的法线，记机器人基坐标系b到用户坐标系u的变换矩阵为
Figure BDA00023572793400000611
则
Figure BDA00023572793400000612
步骤1.5.采用坐标变换得到机器人得到的椭圆上的扫描点在用户坐标系下的位置
Figure BDA00023572793400000613
其中，由于pi点均近似在在用户坐标系的XY平面内，将
Figure BDA00023572793400000614
的Z坐标赋值为0，则得到的
Figure BDA00023572793400000615
具有如下的形式：
Figure BDA0002357279340000071
步骤2.采用椭圆拟合算法对点云拟合，得到椭圆的参数。
步骤2.1.椭圆方程的一般方程式：
x2+Axy+By2+Cx+Dy+E＝0；其中，A、B、C、D、E为待求取的变量。
步骤2.2.需要求取的有5个变量，需要五组方程，由于采样得到的点数远不止5个，可采用最小二乘法对扫描得到的点进行拟合，则：
min||x2+Axy+By2+Cx+Dy+E||＝0；
即
Figure BDA0002357279340000072
欲使F取最小值，则F分别A、B、C、D、E的偏导数为0，即：
Figure BDA0002357279340000073
则可下述5个等式：
Figure BDA0002357279340000074
Figure BDA0002357279340000075
Figure BDA0002357279340000076
Figure BDA0002357279340000077
Figure BDA0002357279340000078
步骤2.3.将上述5个等式写成矩阵MX＝N的形式，则：
Figure BDA0002357279340000081
则X＝M-1N，可求得A、B、C、D、E的值；
步骤2.4.将步骤2.3得到的值代入椭圆方程的一般方程式，将一般方程化简成参数形式，得到椭圆的圆心(x0，y0)，旋转角度θ，以及椭圆的长半轴a和短半轴b：
Figure BDA0002357279340000082
Figure BDA0002357279340000083
其中，θ的单位为弧度，a和b的单位为毫米。
步骤3.采用椭圆分割算法，根据精度要求将所述椭圆分割成有限段圆弧的组合，每段圆弧均用三个点表示。包括
步骤3.1将步骤2得到的椭圆离散成n个点，本实施例中具体离散为6000个点(实际中可以根据实际情况设定离散的点的个数，一般需为3的整数倍个点)，i＝1,2,…6000；则：
Figure BDA0002357279340000084
其中，α＝i/6000*2π；θ的单位为弧度，a和b的单位为毫米。
步骤3.2将Pti点用有限段圆弧表示，其方法为：假设(Pti,Ptj,Ptk)，Pti为圆弧起点，Ptj为圆弧上任意一点，Ptk为圆弧终点，则上述三点可确定一段圆心为P0，半径为r的圆弧；若Pti到Ptk之间的所有点Ptm均满足到圆心P0的距离
Figure BDA0002357279340000091
与半径为r差值的绝对值
Figure BDA0002357279340000092
均小于精度要求eps，则认为假设成立，记录下此时的圆弧的三个点(Pti,Ptj,Ptk)到PtOncircle变量中；改变i,k的值继续查找下一段圆弧直到i达到其上限值(6000-2)为止。具体的本实施例中得到了圆弧点如图1所示。
具体的，本实施例中，上述算法的伪代码如下：
Figure BDA0002357279340000093
步骤4.生成机器人的程序。
根据机器人厂家定义的圆弧运动指令语法，将步骤3中存储的PtOncircle转化成圆弧运动指令MOVC，生成机器人焊接程序。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种管板智能焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.通过激光扫描得到待焊接椭圆曲线点云的位置；
B.采用椭圆拟合算法对点云拟合，得到椭圆的参数，包括椭圆的圆心坐标、椭圆的长半轴长度、椭圆的短半轴长度；
C.采用椭圆分割算法，根据精度要求将所述椭圆分割成有限段圆弧的组合，每段圆弧均用三个点表示；
D.生成机器人的程序。
2.根据权利要求1所述的一种管板智能焊接方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
A1.将激光传感器固定连接于机器人焊枪末端，机器人沿着焊接椭圆曲线的长半轴运动，每隔m毫秒，则从机器人控制器中读取TCP位姿记为
Figure FDA0002357279330000011
同时，从相机控制器中读取椭圆点的位置
Figure FDA0002357279330000012
其中，
Figure FDA0002357279330000013
为4*4的变换矩阵，表示工具坐标系t在机器人基坐标系b下的位置和姿态；
Figure FDA0002357279330000014
为4*1的位置矢量，
Figure FDA0002357279330000015
结构如下：
Figure FDA0002357279330000016
其中，xc和yc为点p在相机坐标系c下的X坐标和Y坐标；
A2.采用坐标变换方法，得到椭圆上的点p在机器人基坐标系b下的位置
Figure FDA0002357279330000017
Figure FDA0002357279330000018
其中，
Figure FDA0002357279330000019
表示相机坐标系c在工具坐标系下的位姿；
A3.对扫描得到的所有p点采用上述方法，得到椭圆上的所有点在基坐标系下的位置记为
Figure FDA00023572793300000110
表示第i个扫描周期时，到椭圆上的点pi在机器人基坐标系b下的位置；
A4.建立用户坐标系u，其中，用户坐标系的原点在扫描点所确定的平面内，Z轴为沿着扫描点所在平面的法线，记机器人基坐标系b到用户坐标系u的变换矩阵为
Figure FDA0002357279330000021
则
Figure FDA0002357279330000022
A5.采用坐标变换得到机器人得到的椭圆上的扫描点在用户坐标系下的位置
Figure FDA0002357279330000023
其中，由于pi点均近似在在用户坐标系的XY平面内，将
Figure FDA0002357279330000024
的Z坐标赋值为0，则得到的
Figure FDA0002357279330000025
具有如下的形式：
Figure FDA0002357279330000026
3.根据权利要求2所述的一种管板智能焊接方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：
B1.椭圆方程的一般方程式：
x2+Axy+By2+Cx+Dy+E＝0；其中，A、B、C、D、E为待求取的变量；
B2.采用最小二乘法对扫描得到的点进行拟合，则：
min||x2+Axy+By2+Cx+Dy+E||＝0；
即
Figure FDA0002357279330000027
欲使F取最小值，则F分别A、B、C、D、E的偏导数为0，即：
Figure FDA0002357279330000028
则可下述5个等式：
Figure FDA0002357279330000029
Figure FDA00023572793300000210
Figure FDA00023572793300000211
Figure FDA00023572793300000212
Figure FDA0002357279330000031
B3.将上述5个等式写成矩阵MX＝N的形式，则：
Figure FDA0002357279330000032
则X＝M-1N，可求得A、B、C、D、E的值；
B4.将步骤B3得到的值代入椭圆方程的一般方程式，将一般方程化简成参数形式，得到椭圆的圆心(x0，y0)，旋转角度θ，以及椭圆的长半轴a和短半轴b：
Figure FDA0002357279330000033
Figure FDA0002357279330000034
其中，θ的单位为弧度，a和b的单位为毫米。
4.根据权利要求3所述的一种管板智能焊接方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
C1.将步骤B得到的椭圆离散成n个点Pti，i＝1,2,…n；则：
Figure FDA0002357279330000035
其中：α＝i/n*2π；x0，y0为椭圆的圆心，θ为椭圆旋转的角度，a为椭圆的长半轴长度，b为椭圆的短半轴长度；
C2.将Pti点用有限段圆弧表示。
5.根据权利要求4所述的一种管板智能焊接方法，其特征在于，所述步骤C2具体包括：
C2.1设有(Pti,Ptj,Ptk)，其中，Pti为圆弧起点，Ptj为圆弧上任意一点，Ptk为圆弧终点，则上述三点可确定一段圆心为P0，半径为r的圆弧；
C2.2若Pti到Ptk之间的所有点Ptm均满足到圆心P0的距离
Figure FDA0002357279330000041
与半径为r差值的绝对值
Figure FDA0002357279330000042
均小于精度要求eps，则认为假设成立，记录下此时的圆弧的三个点(Pti,Ptj,Ptk)到PtOncircle变量中；
C2.3改变i,k的值继续查找下一段圆弧直到i达到其上限值(n-2)。
6.根据权利要求4或5所述的一种管板智能焊接方法，其特征在于，所述n的值为6000。
7.根据权利要求5所述的一种管板智能焊接方法，其特征在于，所述步骤D具体为：根据预先定义的圆弧运动指令语法，将步骤3中存储的PtOncircle转化成圆弧运动指令MOVC，生成机器人焊接程序。
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