CN111331223B - 田字格型车厢板的机器人自动焊接的方法 - Google Patents

田字格型车厢板的机器人自动焊接的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了田字格型车厢板的机器人自动焊接的方法，通过测量定位、轨迹规划、精准定位、程序生成，最后计算机将焊接程序通过机器人的接口下达到机器人控制器中，计算机发指令通知机器人执行焊接程序机器人，实现自动焊接。自动运行免除机器人示教编程的操作，节约大量的人力、时间和经济成本。对不同规格的车厢板均可兼容，适用范围广。

Description

田字格型车厢板的机器人自动焊接的方法
技术领域
本发明涉及机器人焊接领域，尤其涉及机器人自动焊接的方法。
背景技术
商用车的制造领域涉及到大量焊接，其中车厢板的焊接占据一定比重。车厢板的典型形貌特征是由一块长方形底板和多条横竖交错的长条状筋板组成，形成规格不一的多个田字格，接头形式均为对接接头。车厢板的规格种类繁多，同规格的数量又很少，使得一般的机器人自动化焊接效率很低。
发明内容
为了解决现有技术中车厢板的机器人自动化焊接效率低的问题，本发明提供一种机器人自动焊接的方法。
本发明的技术方案如下：
田字格型车厢板的机器人自动焊接的方法，包括如下步骤：
步骤1：测量定位最小焊接单元：机器人从安全点出发，开启激光测距传感器，激光测距传感器不断向计算机发送距离数值，然后从A点运动到B点，运动速度为40-60mm/s，如果当前激光传感器数据与前一个数据的差值大于筋板厚度，则在数组X1中保存机器人当前x坐标，到达B点后，关闭激光测距传感器；机器人先回安全点，再从C点运动到D点，运动速度为40-60mm/s，如果当前激光传感器数据与前一个数据的差值大于筋板厚度，则在数组Y1中保存机器人当前y坐标，关闭激光测距传感器，机器人回到安全点；
步骤2：求解最小焊接单元数量和每个单元的x, y坐标：X1数据个数为len(X1),Y1数据个数为len(Y1)，则最小焊接单元数量为(len(X1)/2-1)*(len(Y1)/2-1)，创建二维数组W1储存所有最小焊接单元，则任意一个最小焊接单元W1[m][n]中8个点的x, y坐标为：(X1[2m], Y1[2n]), (X1[2m+1], Y1[2n]), (X1[2m], Y1[2n+1]), (X1[2m+1], Y1[2n+1])，W1[m][n]中存储数据(X1[2m], X1[2m+1],Y1[2n], Y1[2n+1])，m、n代表数学运算中的任意变量；
步骤3：轨迹规划：在W1数组规划焊接顺序：第一个单元→倒数第一个单元→第二个单元→倒数第二个单元→第三个单元→倒数第三个单元…以此类推，直到全部执行完成；
步骤4：从第一个焊接单元开始，精定位焊接轨迹：对于W1[m][n]描述的焊接单元，机器人分别运动到(X1[2m], Y1[2n]), (X1[2m+1], Y1[2n]), (X1[2m], Y1[2n+1]), (X1[2m+1], Y1[2n+1])，即长方体顶点的上方，对顶点进行精定位；以点(X1[2m], Y1[2n])为例，精定位点a,e坐标，
（1）机器人运动到出发点(X1[2m]+s, Y1[2n]+s, 200)，s为15-30mm，
（2）开启激光测距传感器，向计算机传输测量数据，创建数组1，存储全部数据，
（3）机器人向X负方向以2-5mm/s运动，当前测量数据与前一个数据差值大于筋板厚度时，记录当前机器人坐标，替代X1[2m]，
（4）继续向X负方向以2-5mm/s运动，创建数组2，存储测量数据，
（5）运动2-6s后停止，
（6）对数组1 中的数据求均值，记为h1，对数组2中的数据求均值，记为h2，
（7）机器人回到点(X1[2m]+s, Y1[2n]+s, 200)，
（8）开启激光测距传感器，向计算机传输测量数据，
（9）机器人向Y负方向以2-5mm/s运动，当前测量数据与前一个数据差值大于筋板厚度时，记录当前机器人坐标，替代Y1[2n]，
（10）点a的坐标为(X1[2m], Y1[2n], 200-h2), 点e的坐标为(X1[2m], Y1[2n],200-h1)，精定位完成；
步骤5：生成焊接程序：调用焊接程序模板，代入步骤4中精定位结果的坐标值，生成焊接程序，焊接程序模板是预先编制好的计算机程序，在该程序模板中，通过对最小焊接单元规划焊接路径，形成一个最小焊接单元的焊接程序模板；其中最小焊接单元规划焊接路径为：
（1）运动至坐标e，方向矢量为(-1, -1, -1)→起弧→焊接至坐标f，方向矢量为(-1, 1, -1) →焊接至坐标g，方向矢量为(1, 1, -1) →焊接至坐标h，方向矢量为(1, -1,-1) →焊接至坐标e，方向矢量为(-1, -1, -1) →焊接至坐标a，方向矢量为(-1, -1, 1)→熄弧；
（2）运动至坐标f，方向矢量为(-1, 1, -1) →起弧→焊接至坐标b，方向矢量为(-1, 1, 1) →熄弧；
（3）运动至坐标g，方向矢量为(1, 1, -1) →起弧→焊接至坐标c，方向矢量为(1,1, 1) →熄弧；
（4）运动至坐标h，方向矢量为(1, -1, -1) →起弧→运动至坐标d，方向矢量为(1, -1, 1) →熄弧；
步骤6：将焊接程序下达给机器人并执行：计算机将焊接程序通过机器人的接口下达到机器人控制器中，计算机发指令通知机器人执行焊接程序。
作为优选方案，步骤1中测量定位最小焊接单元从A点运动到B点或从C点运动到D点，速度为50mm/s。
作为优选方案，所述步骤4中对焊接轨迹精定位时机器人向X负方向和Y负方向运动速度为3mm/s；向X负方向运动的时间为4s。
作为优选方案，所述筋板厚度为30mm。
本发明的有益效果：
本发明通过测量定位、轨迹规划、精准定位、程序生成，最后计算机将焊接程序通过机器人的接口下达到机器人控制器中，计算机发指令通知机器人执行焊接程序机器人，实现自动焊接。自动运行完全免除机器人示教编程的操作，节约大量的人力、时间和经济成本。对不同规格的车厢板均可兼容，适用范围广。车厢板摆放要求低，免除工装夹具，节约成本。相比于工业相机、线激光传感器等常用工业传感器，仅使用一台点激光传感器，价格低廉。
附图说明
图1是本发明机器人自动焊接田字格型车厢板的系统示意图。
图2是本发明将车厢板看成若干个最小焊接单元及最小焊接单元顶点a-h示意图。
图3是本发明测量定位计算最小焊接单元数量和每个单元的x, y坐标时机器人运动轨迹示意图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述。
本发明构建一个全自动焊接机器人系统。系统包含的硬件设备为工业机器人、焊枪及相关焊接设备、工业计算机、点激光测距传感器、交换机。点激光测距传感器与焊枪都安装在机器人的末端，可由机器人携带运动。系统示意图如图1所示。工业机器人的最大可达距离为1.6m，定位精度为0.05mm。点激光测距传感器的量程为100mm，测量精度为0.01mm。工业计算机与机器人、点激光测距传感器通过以太网交换机通信。工业计算机作为上位机，对机器人、点激光测距传感器执行运动控制、测量数据等操作。
根据车厢板的形貌特征，可以把这种结构看成若干个最小焊接单元的组合，每个最小焊接单元的形貌为内凹的长方体结构，包含4条横焊角焊缝和4条立焊角焊缝，如图2所示。
本发明的田字格型车厢板的机器人自动焊接的方法包括测量定位、轨迹规划、精准定位、程序生成、自动运行的步骤，整个过程完全自动运行。具体步骤如下：
实施例1：
1、测量定位计算最小焊接单元数量和每个单元的x, y坐标。机器人从安全点出发，运动到图3中A点。 开启激光测距传感器，不断向计算机发送距离数值。机器人向图3中B点以40-60mm/s的速度运动，如果当前激光传感器数据与前一个数据的差值大于30mm。则在数组X1中保存机器人当前x坐标，到达B点后，关闭激光测距传感器。机器人先回安全点，再运动到图3中C点，机器人向图3中D点以40-60mm/s的速度运动，如果当前激光传感器数据与前一个数据的差值大于30mm，则在数组Y1中保存机器人当前y坐标，到达D点后，关闭激光测距传感器，机器人运动到安全点。点激光测距传感器打出一束点激光到物体表面，然后可以测量出到物体表面的距离，并回传给计算机。机器人携带传感器在工件表面运动，当从筋板移动到底板，或从底板移动到筋板的时候，传感器输出的距离测量值会发生突变，此处30mm为常规筋板到底板的高度，也就是筋板的厚度。以下涉及到激光传感器输出的距离测量值与前一个数据的差值大于30mm，都为常规筋板的厚度，将不在下文中赘述。
求解最小焊接单元数量和每个单元的x, y坐标。X1数据个数为len(X1), Y1数据个数为len(Y1)，则最小焊接单元数量为(len(X1)/2-1)*(len(Y1)/2-1)，创建二维数组W1储存所有最小焊接单元，则任意一个最小焊接单元W1[m][n]中8个点的x, y坐标为：(X1[2m], Y1[2n]), (X1[2m+1], Y1[2n]), (X1[2m], Y1[2n+1]), (X1[2m+1], Y1[2n+1])，W1[m][n]中存储数据(X1[2m], X1[2m+1],Y1[2n], Y1[2n+1])。此处m、n代表数学运算中的任意变量。
2、轨迹规划。本发明采用的焊接方法为了最大限度地降低焊接形变，提高焊接质量，规划焊接顺序为在W1数组：第一个单元→倒数第一个单元→第二个单元→倒数第二个单元→第三个单元→倒数第三个单元…以此类推，直到全部执行完成。
3、精准定位。从第一个焊接单元开始，精定位焊接轨迹。
对于W1[m][n]描述的焊接单元，机器人分别运动到(X1[2m], Y1[2n]), (X1[2m+1], Y1[2n]), (X1[2m], Y1[2n+1]), (X1[2m+1], Y1[2n+1])，即长方体顶点的上方，对顶点进行精定位。
精定位过程：以点(X1[2m], Y1[2n])为例，假设该点对应图2中的点a,e, z坐标暂时不详。但已知工件的高度不超过200mm，设放置工件的地面的z坐标为0。
根据触碰寻位原理，为了使激光传感器开始对顶点定位时能触碰到焊接单元的边缘，同时不能超出激光传感器的量程范围，选择横纵坐标分别移出最小焊接单元s mm，实际标定的过程中s选取15-30mm。由于已知工件不超过200mm，以机器人运动的出发点(X1[2m]+s, Y1[2n]+s, 200)为例，精定位的步骤是：
1) 机器人运动到出发点(X1[2m]+s, Y1[2n]+s, 200)，
2) 开启激光测距传感器，向计算机传输测量数据，创建数组1，存储全部数据，
3) 机器人向X负方向以2-5mm/s的速度运动，
4) 当前测量数据与前一个数据差值大于30mm时，记录当前机器人坐标，替代X1[2m]，
5) 继续向X负方向以2-5mm/s的速度运动，创建数组2，存储测量数据，
6) 运动2-6s后停止，
7) 对数组1 中的数据求均值，记为h1，对数组2中的数据求均值，记为h2，
8) 机器人回到点(X1[2m]+s, Y1[2n]+s, 200)，
9) 开启激光测距传感器，向计算机传输测量数据
10) 机器人向Y负方向以2-5mm/s的速度运动
11) 当前测量数据与前一个数据差值大于30mm时，记录当前机器人坐标，替代Y1[2n]
12) 点a的坐标为(X1[2m], Y1[2n], 200-h2), 点e的坐标为(X1[2m], Y1[2n],200-h1)
至此精定位完成。
4、调用焊接程序模板，代入精定位结果的坐标值，生成焊接程序。
焊接程序模板是预先编制好的计算机程序，在该程序模板中，首先对最小焊接单元规划焊接路径，如图2所示：
1）运动至坐标e，方向矢量为(-1, -1, -1)→起弧→焊接至坐标f，方向矢量为(-1, 1, -1) →焊接至坐标g，方向矢量为(1, 1, -1) →焊接至坐标h，方向矢量为(1, -1,-1) →焊接至坐标e，方向矢量为(-1, -1, -1) →焊接至坐标a，方向矢量为(-1, -1, 1)→熄弧。
2）运动至坐标f，方向矢量为(-1, 1, -1) →起弧→焊接至坐标b，方向矢量为(-1, 1, 1) →熄弧
3）运动至坐标g，方向矢量为(1, 1, -1) →起弧→焊接至坐标c，方向矢量为(1,1, 1) →熄弧
4）运动至坐标h，方向矢量为(1, -1, -1) →起弧→运动至坐标d，方向矢量为(1,-1, 1) →熄弧
经过以上的路径规划，形成一个最小焊接单元的焊接程序模板。对田字格车厢板工件中的任意焊缝，都可以通过执行这套模板来进行焊接。只需要确定模板中每个点的具体坐标即可。将焊接程序模板写入到计算机程序中。
5、将焊接程序下达给机器人并执行。计算机将焊接程序通过机器人的接口下达到机器人控制器中，计算机发指令通知机器人执行焊接程序。
实施例2：
1、测量定位计算最小焊接单元数量和每个单元的x, y坐标。机器人从安全点出发，运动到图3中A点。 开启激光测距传感器，不断向计算机发送距离数值。机器人向图3中B点以40mm/s的速度运动，如果当前激光传感器数据与前一个数据的差值大于30mm。则在数组X1中保存机器人当前x坐标，到达B点后，关闭激光测距传感器。机器人先回安全点，再运动到图3中C点，机器人向图3中D点以40mm/s的速度运动，如果当前激光传感器数据与前一个数据的差值大于30mm，则在数组Y1中保存机器人当前y坐标，到达D点后，关闭激光测距传感器，机器人运动到安全点。点激光测距传感器打出一束点激光到物体表面，然后可以测量出到物体表面的距离，并回传给计算机。机器人携带传感器在工件表面运动，当从筋板移动到底板，或从底板移动到筋板的时候，传感器输出的距离测量值会发生突变，此处30mm为常规筋板到底板的高度，也就是筋板的厚度。以下涉及到激光传感器输出的距离测量值与前一个数据的差值大于30mm，都为常规筋板的厚度，将不在下文中赘述。
求解最小焊接单元数量和每个单元的x, y坐标。X1数据个数为len(X1), Y1数据个数为len(Y1)，则最小焊接单元数量为(len(X1)/2-1)*(len(Y1)/2-1)，创建二维数组W1储存所有最小焊接单元，则任意一个最小焊接单元W1[m][n]中8个点的x, y坐标为：(X1[2m], Y1[2n]), (X1[2m+1], Y1[2n]), (X1[2m], Y1[2n+1]), (X1[2m+1], Y1[2n+1])，W1[m][n]中存储数据(X1[2m], X1[2m+1],Y1[2n], Y1[2n+1])。此处m、n代表数学运算中的任意变量。
2、轨迹规划。本发明采用的焊接方法为了最大限度地降低焊接形变，提高焊接质量，规划焊接顺序为在W1数组：第一个单元→倒数第一个单元→第二个单元→倒数第二个单元→第三个单元→倒数第三个单元…以此类推，直到全部执行完成。
3、精准定位。从第一个焊接单元开始，精定位焊接轨迹。
对于W1[m][n]描述的焊接单元，机器人分别运动到(X1[2m], Y1[2n]), (X1[2m+1], Y1[2n]), (X1[2m], Y1[2n+1]), (X1[2m+1], Y1[2n+1])，即长方体顶点的上方，对顶点进行精定位。
精定位过程：以点(X1[2m], Y1[2n])为例，假设该点对应图2中的点a,e, z坐标暂时不详。但已知工件的高度不超过200mm，设放置工件的地面的z坐标为0。
根据触碰寻位原理，为了使激光传感器开始对顶点定位时能触碰到焊接单元的边缘，同时不能超出激光传感器的量程范围，选择横纵坐标分别移出最小焊接单元s mm，s选取15mm。由于已知工件不超过200mm，以机器人运动的出发点(X1[2m]+15, Y1[2n]+15,200)为例，精定位的步骤是：
1) 机器人运动到出发点(X1[2m]+15, Y1[2n]+15, 200)，
2) 开启激光测距传感器，向计算机传输测量数据，创建数组1，存储全部数据，
3) 机器人向X负方向以2mm/s的速度运动，
4) 当前测量数据与前一个数据差值大于30mm时，记录当前机器人坐标，替代X1[2m]，
5) 继续向X负方向以2mm/s的速度运动，创建数组2，存储测量数据，
6) 运动2s后停止，
7) 对数组1 中的数据求均值，记为h1，对数组2中的数据求均值，记为h2，
8) 机器人回到点(X1[2m]+15, Y1[2n]+15, 200)，
9) 开启激光测距传感器，向计算机传输测量数据
10) 机器人向Y负方向以2mm/s的速度运动
11) 当前测量数据与前一个数据差值大于30mm时，记录当前机器人坐标，替代Y1[2n]
12) 点a的坐标为(X1[2m], Y1[2n], 200-h2), 点e的坐标为(X1[2m], Y1[2n],200-h1)
至此精定位完成。
4、调用焊接程序模板，代入精定位结果的坐标值，生成焊接程序。
焊接程序模板是预先编制好的计算机程序，在该程序模板中，首先对最小焊接单元规划焊接路径，如图2所示：
1）运动至坐标e，方向矢量为(-1, -1, -1)→起弧→焊接至坐标f，方向矢量为(-1, 1, -1) →焊接至坐标g，方向矢量为(1, 1, -1) →焊接至坐标h，方向矢量为(1, -1,-1) →焊接至坐标e，方向矢量为(-1, -1, -1) →焊接至坐标a，方向矢量为(-1, -1, 1)→熄弧。
2）运动至坐标f，方向矢量为(-1, 1, -1) →起弧→焊接至坐标b，方向矢量为(-1, 1, 1) →熄弧
3）运动至坐标g，方向矢量为(1, 1, -1) →起弧→焊接至坐标c，方向矢量为(1,1, 1) →熄弧
4）运动至坐标h，方向矢量为(1, -1, -1) →起弧→运动至坐标d，方向矢量为(1,-1, 1) →熄弧
经过以上的路径规划，形成一个最小焊接单元的焊接程序模板。对田字格车厢板工件中的任意焊缝，都可以通过执行这套模板来进行焊接。只需要确定模板中每个点的具体坐标即可。将焊接程序模板写入到计算机程序中。
5、将焊接程序下达给机器人并执行。计算机将焊接程序通过机器人的接口下达到机器人控制器中，计算机发指令通知机器人执行焊接程序。
实施例3：
1、测量定位计算最小焊接单元数量和每个单元的x, y坐标。机器人从安全点出发，运动到图3中A点。 开启激光测距传感器，不断向计算机发送距离数值。机器人向图3中B点以60mm/s的速度运动，如果当前激光传感器数据与前一个数据的差值大于30mm。则在数组X1中保存机器人当前x坐标，到达B点后，关闭激光测距传感器。机器人先回安全点，再运动到图3中C点，机器人向图3中D点以60mm/s的速度运动，如果当前激光传感器数据与前一个数据的差值大于30mm，则在数组Y1中保存机器人当前y坐标，到达D点后，关闭激光测距传感器，机器人运动到安全点。点激光测距传感器打出一束点激光到物体表面，然后可以测量出到物体表面的距离，并回传给计算机。机器人携带传感器在工件表面运动，当从筋板移动到底板，或从底板移动到筋板的时候，传感器输出的距离测量值会发生突变，此处30mm为常规筋板到底板的高度，也就是筋板的厚度。以下涉及到激光传感器输出的距离测量值与前一个数据的差值大于30mm，都为常规筋板的厚度，将不在下文中赘述。
求解最小焊接单元数量和每个单元的x, y坐标。X1数据个数为len(X1), Y1数据个数为len(Y1)，则最小焊接单元数量为(len(X1)/2-1)*(len(Y1)/2-1)，创建二维数组W1储存所有最小焊接单元，则任意一个最小焊接单元W1[m][n]中8个点的x, y坐标为：(X1[2m], Y1[2n]), (X1[2m+1], Y1[2n]), (X1[2m], Y1[2n+1]), (X1[2m+1], Y1[2n+1])，W1[m][n]中存储数据(X1[2m], X1[2m+1],Y1[2n], Y1[2n+1])。此处m、n代表数学运算中的任意变量。
2、轨迹规划。本发明采用的焊接方法为了最大限度地降低焊接形变，提高焊接质量，规划焊接顺序为在W1数组：第一个单元→倒数第一个单元→第二个单元→倒数第二个单元→第三个单元→倒数第三个单元…以此类推，直到全部执行完成。
3、精准定位。从第一个焊接单元开始，精定位焊接轨迹。
对于W1[m][n]描述的焊接单元，机器人分别运动到(X1[2m], Y1[2n]), (X1[2m+1], Y1[2n]), (X1[2m], Y1[2n+1]), (X1[2m+1], Y1[2n+1])，即长方体顶点的上方，对顶点进行精定位。
精定位过程：以点(X1[2m], Y1[2n])为例，假设该点对应图2中的点a,e, z坐标暂时不详。但已知工件的高度不超过200mm，设放置工件的地面的z坐标为0。
根据触碰寻位原理，为了使激光传感器开始对顶点定位时能触碰到焊接单元的边缘，同时不能超出激光传感器的量程范围，选择横纵坐标分别移出最小焊接单元s mm，s选取30mm。由于已知工件不超过200mm，以机器人运动的出发点(X1[2m]+30, Y1[2n]+30,200)为例，精定位的步骤是：
1) 机器人运动到出发点(X1[2m]+30, Y1[2n]+30, 200)，
2) 开启激光测距传感器，向计算机传输测量数据，创建数组1，存储全部数据，
3) 机器人向X负方向以5mm/s的速度运动，
4) 当前测量数据与前一个数据差值大于30mm时，记录当前机器人坐标，替代X1[2m]，
5) 继续向X负方向以5mm/s的速度运动，创建数组2，存储测量数据，
6) 运动6s后停止，
7) 对数组1 中的数据求均值，记为h1，对数组2中的数据求均值，记为h2，
8) 机器人回到点(X1[2m]+30, Y1[2n]+30, 200)，
9) 开启激光测距传感器，向计算机传输测量数据
10) 机器人向Y负方向以5mm/s的速度运动
11) 当前测量数据与前一个数据差值大于30mm时，记录当前机器人坐标，替代Y1[2n]
12) 点a的坐标为(X1[2m], Y1[2n], 200-h2), 点e的坐标为(X1[2m], Y1[2n],200-h1)
至此精定位完成。
4、调用焊接程序模板，代入精定位结果的坐标值，生成焊接程序。
焊接程序模板是预先编制好的计算机程序，在该程序模板中，首先对最小焊接单元规划焊接路径，如图2所示：
1）运动至坐标e，方向矢量为(-1, -1, -1)→起弧→焊接至坐标f，方向矢量为(-1, 1, -1) →焊接至坐标g，方向矢量为(1, 1, -1) →焊接至坐标h，方向矢量为(1, -1,-1) →焊接至坐标e，方向矢量为(-1, -1, -1) →焊接至坐标a，方向矢量为(-1, -1, 1)→熄弧。
2）运动至坐标f，方向矢量为(-1, 1, -1) →起弧→焊接至坐标b，方向矢量为(-1, 1, 1) →熄弧
3）运动至坐标g，方向矢量为(1, 1, -1) →起弧→焊接至坐标c，方向矢量为(1,1, 1) →熄弧
4）运动至坐标h，方向矢量为(1, -1, -1) →起弧→运动至坐标d，方向矢量为(1,-1, 1) →熄弧
经过以上的路径规划，形成一个最小焊接单元的焊接程序模板。对田字格车厢板工件中的任意焊缝，都可以通过执行这套模板来进行焊接。只需要确定模板中每个点的具体坐标即可。将焊接程序模板写入到计算机程序中。
5、将焊接程序下达给机器人并执行。计算机将焊接程序通过机器人的接口下达到机器人控制器中，计算机发指令通知机器人执行焊接程序。
实施例4：
1、测量定位计算最小焊接单元数量和每个单元的x, y坐标。机器人从安全点出发，运动到图3中A点。 开启激光测距传感器，不断向计算机发送距离数值。机器人向图3中B点以50mm/s的速度运动，如果当前激光传感器数据与前一个数据的差值大于30mm。则在数组X1中保存机器人当前x坐标，到达B点后，关闭激光测距传感器。机器人先回安全点，再运动到图3中C点，机器人向图3中D点以50mm/s的速度运动，如果当前激光传感器数据与前一个数据的差值大于30mm，则在数组Y1中保存机器人当前y坐标，到达D点后，关闭激光测距传感器，机器人运动到安全点。点激光测距传感器打出一束点激光到物体表面，然后可以测量出到物体表面的距离，并回传给计算机。机器人携带传感器在工件表面运动，当从筋板移动到底板，或从底板移动到筋板的时候，传感器输出的距离测量值会发生突变，此处30mm为常规筋板到底板的高度，也就是筋板的厚度。以下涉及到激光传感器输出的距离测量值与前一个数据的差值大于30mm，都为常规筋板的厚度，将不在下文中赘述。
求解最小焊接单元数量和每个单元的x, y坐标。X1数据个数为len(X1), Y1数据个数为len(Y1)，则最小焊接单元数量为(len(X1)/2-1)*(len(Y1)/2-1)，创建二维数组W1储存所有最小焊接单元，则任意一个最小焊接单元W1[m][n]中8个点的x, y坐标为：(X1[2m], Y1[2n]), (X1[2m+1], Y1[2n]), (X1[2m], Y1[2n+1]), (X1[2m+1], Y1[2n+1])，W1[m][n]中存储数据(X1[2m], X1[2m+1],Y1[2n], Y1[2n+1])。此处m、n代表数学运算中的任意变量。
2、轨迹规划。本发明采用的焊接方法为了最大限度地降低焊接形变，提高焊接质量，规划焊接顺序为在W1数组：第一个单元→倒数第一个单元→第二个单元→倒数第二个单元→第三个单元→倒数第三个单元…以此类推，直到全部执行完成。
3、精准定位。从第一个焊接单元开始，精定位焊接轨迹。
对于W1[m][n]描述的焊接单元，机器人分别运动到(X1[2m], Y1[2n]), (X1[2m+1], Y1[2n]), (X1[2m], Y1[2n+1]), (X1[2m+1], Y1[2n+1])，即长方体顶点的上方，对顶点进行精定位。
精定位过程：以点(X1[2m], Y1[2n])为例，假设该点对应图2中的点a,e, z坐标暂时不详。但已知工件的高度不超过200mm，设放置工件的地面的z坐标为0。
根据触碰寻位原理，为了使激光传感器开始对顶点定位时能触碰到焊接单元的边缘，同时不能超出激光传感器的量程范围，选择横纵坐标分别移出最小焊接单元s mm，s选取20mm。由于已知工件不超过200mm，以机器人运动的出发点(X1[2m]+20, Y1[2n]+20,200)为例，精定位的步骤是：
1) 机器人运动到出发点(X1[2m]+20, Y1[2n]+20, 200)，
2) 开启激光测距传感器，向计算机传输测量数据，创建数组1，存储全部数据，
3) 机器人向X负方向以3mm/s的速度运动，
4) 当前测量数据与前一个数据差值大于30mm时，记录当前机器人坐标，替代X1[2m]，
5) 继续向X负方向以3mm/s的速度运动，创建数组2，存储测量数据，
6) 运动4s后停止，
7) 对数组1 中的数据求均值，记为h1，对数组2中的数据求均值，记为h2，
8) 机器人回到点(X1[2m]+20, Y1[2n]+20, 200)，
9) 开启激光测距传感器，向计算机传输测量数据
10) 机器人向Y负方向以3mm/s的速度运动
11) 当前测量数据与前一个数据差值大于30mm时，记录当前机器人坐标，替代Y1[2n]
12) 点a的坐标为(X1[2m], Y1[2n], 200-h2), 点e的坐标为(X1[2m], Y1[2n],200-h1)
至此精定位完成。
4、调用焊接程序模板，代入精定位结果的坐标值，生成焊接程序。
焊接程序模板是预先编制好的计算机程序，在该程序模板中，首先对最小焊接单元规划焊接路径，如图2所示：
1）运动至坐标e，方向矢量为(-1, -1, -1)→起弧→焊接至坐标f，方向矢量为(-1, 1, -1) →焊接至坐标g，方向矢量为(1, 1, -1) →焊接至坐标h，方向矢量为(1, -1,-1) →焊接至坐标e，方向矢量为(-1, -1, -1) →焊接至坐标a，方向矢量为(-1, -1, 1)→熄弧。
2）运动至坐标f，方向矢量为(-1, 1, -1) →起弧→焊接至坐标b，方向矢量为(-1, 1, 1) →熄弧
3）运动至坐标g，方向矢量为(1, 1, -1) →起弧→焊接至坐标c，方向矢量为(1,1, 1) →熄弧
4）运动至坐标h，方向矢量为(1, -1, -1) →起弧→运动至坐标d，方向矢量为(1,-1, 1) →熄弧
经过以上的路径规划，形成一个最小焊接单元的焊接程序模板。对田字格车厢板工件中的任意焊缝，都可以通过执行这套模板来进行焊接。只需要确定模板中每个点的具体坐标即可。将焊接程序模板写入到计算机程序中。
5、将焊接程序下达给机器人并执行。计算机将焊接程序通过机器人的接口下达到机器人控制器中，计算机发指令通知机器人执行焊接程序。
对于实施例1-4任一项，本发明为了描述方便，对最小焊接单元长方体顶点以a～h编号，并通过方向矢量的运动规划出最小焊接单元的焊接路径，a～h编号和方向矢量不作为对本发明技术方案的严格限定。
对于实施例1-4任一项，具体点位坐标通过点激光测距传感器来获取。点激光测距传感器打出一束点激光到物体表面，然后可以测量出到物体表面的距离，并回传给计算机。机器人携带传感器在工件表面运动，当从筋板移动到底板，或从底板移动到筋板的时候，传感器输出的距离测量值会发生突变，在此刻，自动控制机器人记录当前坐标，从而可以获取筋板边缘的具体坐标。在工件的长度和宽度方向上分别移动扫描一次，记录所有突变点的坐标值，从而获取全部筋板的数量和位置。因而可重构工件的三维模型，获取全部的最小焊接单元和对应坐标。
本发明预先编写单元格焊接程序的模板。田字格型车厢板由若干个单元格构成，每个单元格均为标准的矩形，单元格内的焊缝轨迹为矩形的四条边以及横竖筋板的交线。提取田字格型车厢板的形貌特征，事先确定好焊接轨迹的数量、焊接工艺参数等信息。将装配好的工件自由放置在工位上。在机器人的可达范围内，无需定位和装夹，只要工件摆放角度固定即可。机器人携带点激光传感器沿着工件的长和宽扫描，获取筋板的数量，点激光进入和离开筋板时，自动记录此刻的机器人坐标，即可确定每根筋板两侧的横坐标或纵坐标。对每个长方形单元格，求出四个顶点的坐标，通过点激光传感器测量的结果求取底板和筋板的高度，将四个顶点的坐标放入自动生成的模板中，生成标准的焊接程序。将焊接程序下达给机器人并执行，对每个单元格执行上述步骤，实现整个工件的自动化焊接。
以上所述是本发明优选的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、标号、字母等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

Claims (4)

1.田字格型车厢板的机器人自动焊接的方法，其特征是包括如下步骤：
步骤1：测量定位最小焊接单元：机器人从安全点出发，开启激光测距传感器，激光测距传感器不断向计算机发送距离数值，机器人从车厢板长边外A点运动到对侧长边外B点，使机器人路径覆盖车厢板完整宽度，运动速度为40-60mm/s，如果当前激光传感器数据与前一个数据的差值大于筋板厚度，则在数组X1中保存机器人当前x坐标，到达B点后，关闭激光测距传感器；机器人先回安全点，再从车厢板短边外C点运动到对侧短边外D点，使机器人路径覆盖车厢板完整长度，运动速度为40-60mm/s，如果当前激光传感器数据与前一个数据的差值大于筋板厚度，则在数组Y1中保存机器人当前y坐标，关闭激光测距传感器，机器人回到安全点；
步骤2：求解最小焊接单元数量和每个单元的x, y坐标：X1数据个数为len(X1), Y1数据个数为len(Y1)，则最小焊接单元数量为(len(X1)/2-1)*(len(Y1)/2-1)，创建二维数组W1储存所有最小焊接单元，则任意一个最小焊接单元W1[m][n]中8个点的x, y坐标为：(X1[2m], Y1[2n]), (X1[2m+1], Y1[2n]), (X1[2m], Y1[2n+1]), (X1[2m+1], Y1[2n+1])，W1[m][n]中存储数据(X1[2m], X1[2m+1],Y1[2n], Y1[2n+1])，m、n代表数学运算中的任意变量；
步骤3：轨迹规划：在W1数组规划焊接顺序：第一个单元→倒数第一个单元→第二个单元→倒数第二个单元→第三个单元→倒数第三个单元…以此类推，直到全部执行完成；
步骤4：从第一个焊接单元开始，精定位焊接轨迹：对于W1[m][n]描述的焊接单元，机器人分别运动到(X1[2m], Y1[2n]), (X1[2m+1], Y1[2n]), (X1[2m], Y1[2n+1]), (X1[2m+1], Y1[2n+1])，即长方体顶点的上方，对顶点进行精定位；以点(X1[2m], Y1[2n])为例，精定位点a,e坐标，
（1）机器人运动到出发点(X1[2m]+s, Y1[2n]+s, 200)，s为15-30mm，
（2）开启激光测距传感器，向计算机传输测量数据，创建数组1，存储全部数据，
（3）机器人向X负方向以2-5mm/s运动，当前测量数据与前一个数据差值大于筋板厚度时，记录当前机器人坐标，替代X1[2m]，
（4）继续向X负方向以2-5mm/s运动，创建数组2，存储测量数据，
（5）运动2-6s后停止，
（6）对数组1 中的数据求均值，记为h1，对数组2中的数据求均值，记为h2，
（7）机器人回到点(X1[2m]+s, Y1[2n]+s, 200)，
（8）开启激光测距传感器，向计算机传输测量数据，
（9）机器人向Y负方向以2-5mm/s运动，当前测量数据与前一个数据差值大于筋板厚度时，记录当前机器人坐标，替代Y1[2n]，
（10）点a的坐标为(X1[2m], Y1[2n], 200-h2), 点e的坐标为(X1[2m], Y1[2n], 200-h1)，精定位完成；
步骤5：生成焊接程序：调用焊接程序模板，代入步骤4中精定位结果的坐标值，生成焊接程序，焊接程序模板是预先编制好的计算机程序，在该程序模板中，通过对最小焊接单元规划焊接路径，形成一个最小焊接单元的焊接程序模板；其中最小焊接单元规划焊接路径为：
（1）运动至坐标e，方向矢量为(-1, -1, -1)→起弧→焊接至坐标f，方向矢量为(-1,1, -1) →焊接至坐标g，方向矢量为(1, 1, -1) →焊接至坐标h，方向矢量为(1, -1, -1)→焊接至坐标e，方向矢量为(-1, -1, -1) →焊接至坐标a，方向矢量为(-1, -1, 1) →熄弧；
（2）运动至坐标f，方向矢量为(-1, 1, -1) →起弧→焊接至坐标b，方向矢量为(-1,1, 1) →熄弧；
（3）运动至坐标g，方向矢量为(1, 1, -1) →起弧→焊接至坐标c，方向矢量为(1, 1,1) →熄弧；
（4）运动至坐标h，方向矢量为(1, -1, -1) →起弧→运动至坐标d，方向矢量为(1, -1, 1) →熄弧；
步骤6：将焊接程序下达给机器人并执行：计算机将焊接程序通过机器人的接口下达到机器人控制器中，计算机发指令通知机器人执行焊接程序。
2.根据权利要求1所述的田字格型车厢板的机器人自动焊接的方法，其特征是所述步骤1中测量定位最小焊接单元从A点运动到B点或从C点运动到D点，速度为50mm/s。
3.根据权利要求1所述的田字格型车厢板的机器人自动焊接的方法，其特征是所述步骤4中对焊接轨迹精定位时机器人向X负方向和Y负方向运动速度为3mm/s；向X负方向运动的时间为4s。
4.根据权利要求1所述的田字格型车厢板的机器人自动焊接的方法，其特征是所述筋板厚度为30mm。
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