CN111496344A - 一种基于激光传感器的v型坡口信息处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了基于激光传感器的V型坡口信息处理方法，包括扫描V型坡口，得到焊道焊缝坡口的打底焊起焊点位置和熄弧点位置，确定焊缝的方向向量，调整工具坐标系X正方向为焊缝方向；建立投影面，将扫描到的坡口信息在投影面上投影，得到坡口起焊点横截面的空间点信息，计算出焊缝的长度、宽度及角度信息；沿工具坐标系另一坐标轴正方向移动指定距离，计算出焊枪角度，确定焊接机器人焊枪位姿信息。通过激光传感器采集原始空间点信息，推导焊枪方向与焊缝方向的旋转关系、激光传感器采集点与投影点的投影关系、焊枪与坡口的位姿关系，计算出坡口长度、宽度和角度信息，整个过程自动完成，不需要人工示教，提高工作效率。

Description

一种基于激光传感器的V型坡口信息处理方法

技术领域

本发明涉及机器人自动焊接技术领域,具体地说是一种基于激光传感器的V型坡口信息处理方法。

背景技术

中厚板结构件是轨道交通，汽车制造以及船舶加工等领域广泛应用的结构件，由于其焊接坡口大，易形变等特点，对其焊接加工多采用多层多道的焊接方式。随着工业机器人的发展，能够提升焊接质量，提高工业生产率，改善工人工作环境的焊接机器人得到了广泛的应用。

目前自动化焊接多采用离线编程的方式减少人工示教，提高工业生产效率。在实际批量焊接生产时，工件会产生加工误差和重复装夹的定位误差，仅用一个理论焊缝坡口提取的离线程序不能保证焊接质量和成型效果。对焊缝坡口信息的精确采集和处理在自动化焊接技术中占有举足轻重的地位。

激光跟踪传感器的发展给信息采集带来了便利，但传感器的安装误差需要计算和校正。焊接机器人学中，为寻求最优焊接路径，根据坡口信息确定工具的位置与姿态。对于焊接机器人，焊枪位姿与焊缝成型密切相关。而由于焊接机器人目前智能化水平还不太高，对于焊接路径、工具坐标系与姿态的确定主要采用人工示教或者标定工件坐标系的方式，其中人工示教意味着要花去大量的时间去手动操作机器人，浪费大量的时间；采用标定工件坐标系的方式在一定程度上能够减少人工示教的次数，提高生产效率，但是并不能够校正安装和加工工件带来的偏差，自适应能力不足。

发明内容

本发明实施例中提供了一种基于激光传感器的V型坡口信息处理方法，以解决现有技术中焊接机器人目前智能化水平不高、生产效率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明提供了一种基于激光传感器的V型坡口信息处理方法，所述方法包括以下步骤：

扫描V型坡口，得到焊道焊缝坡口的打底焊起焊点位置和熄弧点位置；

根据所述起焊点位置和熄弧点位置，确定焊缝的方向向量，调整工具坐标系其一坐标轴正方向为焊缝方向；

建立经过所述起焊点并垂直于焊缝方向向量的投影面，将扫描到的坡口信息在所述投影面上投影，得到坡口起焊点横截面的空间点信息，计算出焊缝的长度、宽度及角度信息；

沿工具坐标系另一坐标轴正方向移动指定距离，计算出焊枪角度，确定焊接机器人焊枪位姿信息。

进一步地，所述其一坐标轴选取X轴，所述另一坐标轴选取Z轴。

进一步地，所述调整工具坐标系其一坐标轴正方向为焊缝方向的过程为：

通过计算工具坐标系下焊枪绕Y轴旋转的姿态角p,以及绕Z轴旋转的姿态角r来控制工具坐标系X轴正方向与焊缝方向一致。

进一步地，所述姿态角r的计算过程为：

沿工具坐标系X轴正方向扫描焊缝坡口，通过激光传感器读取到世界坐标系下坡口起焊点位置坐标p1(x1,y1,z1)，熄弧点位置坐标为p2(x2,y2,z2)；

计算p1在工具坐标系下的坐标P^t1，p2在工具坐标系下的坐标P^t2，则在工具坐标系下焊缝方向向量为

通过焊缝方向向量在工具坐标系的三个平面进行投影来确定焊枪各个轴的旋转角度，选取单位向量m′＝(1,0,0)为工具坐标系X轴的正方向，m在工具坐标系下平面XOY上的投影为向量R(x,y,0)，则：

式中向量(0,1,0)为工具坐标系Y轴正方向的单位向量。

进一步地，所述姿态角p的计算过程为：

设m在工具坐标系下平面XOZ上的投影为平面向量S(x,0,z)，则机器人焊枪绕Y轴旋转的姿态角p为工具坐标系Z轴正方向与向量S的夹角为：

式中向量(0,0,1)为工具坐标系Z轴正方向的单位向量。

进一步地，所述投影面为：

设焊缝方向向量为m(A,B,C)，则穿过起焊点建立激光跟踪传感器采集数据点的投影面为：

A(x-x1)+B(y-y1)+C(z-z1)＝0

式中(x1,y1,z1)为起焊点在世界坐标系下的位置坐标。

进一步地，所述焊缝的宽度、长度及角度信息的计算具体为：

设焊缝坡口起焊点投影平面的左顶点在世界坐标系下的位置为a(x_a,y_a,z_a)、打底焊道起焊点的空间位置为b(x_b,y_b,z_b)、右顶点的空间位置为c(x_c,y_c,z_c)，打底焊道熄弧点的空间位置为e(x_e,y_e,z_e)，则焊缝宽度W为：

焊缝长度L为:

焊缝坡口角度θ为：

进一步地，所述沿工具坐标系另一坐标轴正方向移动指定距离，计算出焊枪角度，确定焊接机器人焊枪位姿信息的具体过程为：

调整工具坐标系X轴正方向为焊缝方向，记录当前位置焊枪尖端在世界坐标系下的空间位置点；

将焊枪沿工具坐标系Z轴正方向抬高指定距离，再次记录焊枪尖端在世界坐标系下的空间位置点，计算工具坐标系Z轴正方向在世界坐标系下的向量为f；

选取V型焊缝一侧坡面为基准面，其世界坐标系下平面向量为n,计算得当前焊枪与V型焊缝该侧坡面的夹角α为：

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、本发明通过激光传感器采集原始空间点信息，建立信息处理模型，推导焊枪方向与焊缝方向的旋转关系、激光传感器采集点与投影点的投影关系、焊枪与坡口的位姿关系，继而进一步计算出坡口长度、宽度和角度信息，整个过程智能、自动完成，不需要人工示教，提高工作效率。

2、本发明通过对激光传感器采集到的原始空间点信息进行分析，将工具坐标系X轴的正方向旋转为与焊道方向一直，对重复装夹的工件具有一定的自适应能力，有效校正自动化焊接过程中工件的定位误差、加工误差和激光跟踪传感器的安装误差，且整个方法简单直观，适应性强，有良好的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例所述方法的流程示意图；

图2是本发明实施例的焊枪方向与焊缝方向的旋转关系示意图；

图3是本发明实施例的焊缝方向向量在工具坐标系三个平面的投影示意图；

图4是本发明实施例的激光传感器采集点与投影点的投影关系示意图；

图5是本发明实施例的焊枪与坡口的位姿关系示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明种基于激光传感器的V型坡口信息处理方法，包括以下步骤：

S1,扫描V型坡口，得到焊道焊缝坡口的打底焊起焊点位置和熄弧点位置；

S2,根据所述起焊点位置和熄弧点位置，确定焊缝的方向向量，调整工具坐标系其一坐标轴正方向为焊缝方向；

S3,建立经过所述起焊点并垂直于焊缝方向向量的投影面，将扫描到的坡口信息在所述投影面上投影，得到坡口起焊点横截面的空间点信息，计算出焊缝的长度、宽度及角度信息；

S4,沿工具坐标系另一坐标轴正方向移动指定距离，计算出焊枪角度，确定焊接机器人焊枪位姿信息。

步骤S1中，通过激光传感器采集V型坡口的原始空间点信息。理想状态下焊缝方向向量与工具坐标系X轴正方向平行，工件重复安装和加工难免造成离线编程与实际焊枪方向的误差。

步骤S2中首先对上述误差进行校正。如图2所示，X’Y’Z’为工具坐标系，XYZ为世界坐标系。设焊缝方向向量为m，焊接机器人工具坐标系X轴正方向为m′，根据空间坐标系转换原理，本实施例通过计算工具坐标系绕Y轴旋转的姿态角p,和绕Z轴旋转的姿态角r来消除偏差。

控制激光传感器扫描到焊缝打底焊道起焊点，选取此时的工具尖端位置为校正偏差时工具坐标系的原点。沿工具坐标系X轴正方向扫描焊缝坡口，通过激光传感器读取到世界坐标系下坡口起焊点位置坐标p1(x1,y1,z1)，熄弧点位置坐标为p2(x2,y2,z2)。根据机器人运动学中世界坐标系和工具坐标系的转换关系，得到p1在工具坐标系下的坐标P^t1，p2在工具坐标系下的坐标P^t2，则在工具坐标系下焊缝方向向量为

(1)式中P^w为空间中一点在世界坐标系下的坐标，P^t为该点在工具坐标系下的坐标。

是一个随机器人姿态和空间位置变化而变化的转换矩阵，其通过机器人TCP(toolcentre position，工具中心点)空间位置(x,y,z)和姿态(w,p,r)求得。

其中：

如图3所示，通过焊缝方向向量在工具坐标系的三个平面进行投影来确定焊枪各个轴的旋转角度，选取单位向量m′＝(1,0,0)为工具坐标系X轴的正方向，m在工具坐标系下平面XOY上的投影为向量R(x,y,0)，则机器人焊枪绕Z轴旋转的姿态角r为工具坐标系Y轴正方向与向量R的夹角：

式中向量(0,1,0)为工具坐标系Y轴正方向的单位向量。

设m在工具坐标系下平面XOZ上的投影为平面向量S(x,0,z)，则机器人焊枪绕Y轴旋转的姿态角p为工具坐标系Z轴正方向与向量S的夹角为：

式中向量(0,0,1)为工具坐标系Z轴正方向的单位向量。

在工具坐标系下控制机器人绕Y轴旋转姿态角p,并绕Z轴旋转姿态角r，可以使机器人的工具坐标系的X轴正方向与焊缝方向一致，从而消除工件重复安装误差和加工误差。

步骤S3中，如图4所示，矩形表示俯视视角下的坡口投影平面，激光传感器实际结构光线如直线l1，l1与坡口的交点分别为a′和c′；理想的可用数据点的结构光线如直线l2，l2与坡口的交点对应为a和c。为把实际结构光的数据点转换为理想的数据点，本实施例选取一个世界坐标系下的投影面来投影实际结构光线的可用数据点，此投影面穿过焊缝坡口的起焊点，并垂直于焊道方向。

设世界坐标系下焊缝方向向量为m(A,B,C)，则穿过起焊点建立激光跟踪传感器采集数据点的投影面为：

A(x-x1)+B(y-y1)+C(z-z1)＝0 (6)

式中(x1,y1,z1)为起焊点在世界坐标系下的位置坐标。

假设激光传感器结构光线上某一数据点在世界坐标系下的空间位置为p3(x3,y3,z3)，过该点做平行于m(A,B,C)的直线为：

联立方程(6)(7)可计算得到世界坐标系下投影面上的理想投影点。

设焊缝坡口起焊点投影平面的左顶点在世界坐标系下的位置为a(x_a,y_a,z_a)、打底焊起焊点的空间位置为b(x_b,y_b,z_b)、右顶点的空间位置为c(x_c,y_c,z_c)，打底焊熄弧点的空间位置为e(x_e,y_e,z_e)(e点未在图中标识)，继而推导出焊缝宽度W为：

焊缝长度L为:

焊缝坡口角度θ为：

如图5所示，调整工具坐标系X轴正方向为焊缝方向，记录当前位置焊枪尖端在世界坐标系下的空间位置点；将焊枪沿工具坐标系Z轴正方向抬高指定距离，本实施例选取50mm，再次记录焊枪尖端在世界坐标系下的空间位置点，计算工具坐标系Z轴正方向在世界坐标系下的向量为f；选取V型焊缝一侧坡面为基准面，其世界坐标系下平面向量为n,计算得当前焊枪与V型焊缝该侧坡面的夹角α为：

以上所述只是本发明的优选实施方式，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，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于激光传感器的V型坡口信息处理方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

扫描V型坡口，得到焊道焊缝坡口的打底焊起焊点位置和熄弧点位置；

根据所述起焊点位置和熄弧点位置，确定焊缝的方向向量，调整工具坐标系其一坐标轴正方向为焊缝方向；

建立经过所述起焊点并垂直于焊缝方向向量的投影面，将扫描到的坡口信息在所述投影面上投影，得到坡口起焊点横截面的空间点信息，计算出焊缝的长度、宽度及角度信息；

沿工具坐标系另一坐标轴正方向移动指定距离，计算出焊枪角度，确定焊接机器人焊枪位姿信息。

2.根据权利要求1所述的基于激光传感器的V型坡口信息处理方法，其特征是，所述其一坐标轴选取X轴，所述另一坐标轴选取Z轴。

3.根据权利要求2所述的基于激光传感器的V型坡口信息处理方法，其特征是，所述调整工具坐标系其一坐标轴正方向为焊缝方向的过程为：

通过计算工具坐标系下焊枪绕Y轴旋转的姿态角p,以及绕Z轴旋转的姿态角r来控制工具坐标系X轴正方向与焊缝方向一致。

4.根据权利要求3所述的基于激光传感器的V型坡口信息处理方法，其特征是，所述姿态角r的计算过程为：

沿工具坐标系X轴正方向扫描焊缝坡口，通过激光传感器读取到世界坐标系下坡口起焊点位置坐标p1(x1,y1,z1)，熄弧点位置坐标为p2(x2,y2,z2)；

计算p1在工具坐标系下的坐标P^t1，p2在工具坐标系下的坐标P^t2，则在工具坐标系下焊缝方向向量为

通过焊缝方向向量在工具坐标系的三个平面进行投影来确定焊枪各个轴的旋转角度，选取单位向量m′＝(1,0,0)为工具坐标系X轴的正方向，m在工具坐标系下平面XOY上的投影为向量R(x,y,0)，则：

式中向量(0,1,0)为工具坐标系Y轴正方向的单位向量。

5.根据权利要求4所述的基于激光传感器的V型坡口信息处理方法，其特征是，所述姿态角p的计算过程为：

设m在工具坐标系下平面XOZ上的投影为平面向量S(x,0,z)，则机器人焊枪绕Y轴旋转的姿态角p为工具坐标系Z轴正方向与向量S的夹角为：

式中向量(0,0,1)为工具坐标系Z轴正方向的单位向量。

6.根据权利要求2所述的基于激光传感器的V型坡口信息处理方法，其特征是，所述投影面为：

设焊缝方向向量为m(A,B,C)，则穿过起焊点建立激光跟踪传感器采集数据点的投影面为：

A(x-x1)+B(y-y1)+C(z-z1)＝0

式中(x1,y1,z1)为起焊点在世界坐标系下的位置坐标。

7.根据权利要求6所述的基于激光传感器的V型坡口信息处理方法，其特征是，所述焊缝的宽度、长度及角度信息的计算具体为：

设焊缝坡口起焊点投影平面的左顶点在世界坐标系下的位置为a(x_a,y_a,z_a)、打底焊道起焊点的空间位置为b(x_b,y_b,z_b)、右顶点的空间位置为c(x_c,y_c,z_c)，打底焊道熄弧点的空间位置为e(x_e,y_e,z_e)，则焊缝宽度W为：

焊缝长度L为:

焊缝坡口角度θ为：

8.根据权利要求7所述的基于激光传感器的V型坡口信息处理方法，其特征是，所述沿工具坐标系另一坐标轴正方向移动指定距离，计算出焊枪角度，确定焊接机器人焊枪位姿信息的具体过程为：

调整工具坐标系X轴正方向为焊缝方向，记录当前位置焊枪尖端在世界坐标系下的空间位置点；

将焊枪沿工具坐标系Z轴正方向抬高指定距离，再次记录焊枪尖端在世界坐标系下的空间位置点，计算工具坐标系Z轴正方向在世界坐标系下的向量为f；

选取V型焊缝一侧坡面为基准面，其世界坐标系下平面向量为n,计算得当前焊枪与V型焊缝该侧坡面的夹角α为：

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