CN111745267A - 一种基于激光位移传感器的坡口焊缝实时跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光位移传感器的焊缝跟踪系统及方法，它主要解决坡口加工存在误差以及工件的定位误差导致在离线编程中规划的运动轨迹与在实际轨迹中存在一定的偏差的问题，其技术方案要点是：通过离线软件RobotStudio中曲线捕捉的功能获得焊缝轨迹，对焊缝进行曲线离散，在离散点之间样条插值并进行生成焊缝路径离线程序并导入机器人示教器,指导激光位移传感器对工件进行扫描，通过扫描提取出焊缝位置信息自适应修正机器人及基路径目标点的位置，通过扫描获取的图像信息对离线编程事先规划的机器人路径进行实时纠偏，再一次对工件扫描获取坡口的特征信息，最后实时焊枪姿态的调整，从而实现焊缝跟踪。

Description

一种基于激光位移传感器的坡口焊缝实时跟踪系统及方法

技术领域

本发明涉及焊接机器人及自动化领域，特别涉及到一种基于激光位移传感器的焊缝实时跟踪系统及方法。

背景技术

随着我国信息技术的发展，对工业机器人实时高精度路径以及轨迹规划的精度的要求也越来越高，焊接机器人的示教方式主要分为在线示教与离线示教，我国应用焊接机器人主要是运用在线示教规划路径轨迹，而且在没有外部传感器的情况下，焊接质量主要取决于编程人员。在焊接过程中会存在工件的定位误差以及在工件坡口加工以及装配的过程中会造成离线编程事先规划的路径与实际路径存在偏差、这严重影响焊缝成型的质量,因此在弧焊机器人工作过程中，想要获得高质量的焊缝，需要对焊缝进行实时跟踪。

随着科技的发展，给焊接这个传统工艺带来革命性的改变，目前焊接技术逐步发展与机器人、计算机、人工智能、激光以及各种传感器相融合，其中基于激光位移传感器的的自动焊接控制方式具有精度高，定位准，非接触结构简单的有点，在目前基于激光传感器的焊缝跟踪控制中，大部分是以图像处理的方法识别焊缝以及采用激光视觉算法进行处理，如专利号：“201310092613.8“的基于激光视觉的焊缝自动跟踪方法”其使用摄像机持续获取图像信息通过计算机的处理获得实际焊缝偏差，如专利号为“201610139228.8”自适应双目视觉的波纹板焊缝跟踪监测与控制系统，其主要通过前置的线阵CCD激光位移传感器获取波纹板的焊缝信息，通过后置的面阵CCD的被动视觉传感器获得焊接过程中的跟踪误差。基于图像处理以及视觉传感系统结构复杂，成本也较高。本发明涉及的一种基于激光位移传感器的焊缝跟踪系统及方法结构简单，跟踪更为精确、成本相对来说也低，进一步推进了焊接自动化的发展。

发明内容

为了解决现有方法或技术存在不足，更好的推动焊接自动化的发展，本发明提供了一

种基于激光位移传感器的焊缝跟踪系统及方法，其主要内容是：它包括：焊接机器人本体、激光位移传感器、数据采集模块、单片机、离线编程软件robotstudio、焊接电源；激光位移传感器固连安装在焊炬的前方，随焊炬运动，机器人控制器，数据采集与处理模块分别与单片机相连，三者之间进行实时通讯。

本发明的技术方案是：

第一步：将工件模型导入离线编程软件RobotStudio中，通过软件的曲线捕捉功能通过离线软件RobotStudio中曲线捕捉的功能获得焊缝轨迹。

第二步：对捕捉的焊缝进行曲线离散，(焊缝轨迹上选择大量离散点来定义的，每个离散点由一个位置向量和一个表面法线组成，焊缝轨迹如图所示其中F_Pn代表离散点位置向量，F_nn代表相对坐标系F的表面法向量),在离散点之间插值并进行生成焊缝路径离线程序并导入机器人示教器,指导激光位移传感器对工件进行扫描。

第三步：通过扫描提取出焊缝位置信息自适应修正机器人及基路径目标点的位置，通过扫描获取的图像信息对离线编程事先规划的机器人路径进行纠偏。

第四步：建立一个六轴机器人学运动模型，利用机器人正向运动学与逆向运动学，进行坐标求解运算，由实际所需要的位姿推导出机器人各个关节轴的旋转角，进而求得基于基坐标系的空间矩阵，再通过各个轴的旋转平移矩阵推导出机器人末端的位姿矩阵。

第五步：再一次对工件扫描获取坡口的特征信息，实时焊枪姿态的调整，从而实现焊缝跟踪。

本发明涉及的一种基于激光位移传感器的焊缝跟踪系统及方法，其有益效果是：该方法采用离线编程技术与激光位移传感相结合，通过路径规划指导激光对焊缝坡口进行位移传感，其传感精度高，输出响应快，通过扫描提取出坡口位置信息，事先规划的机器人编程路径进行自适应修正机器人及基路径目标点的位置，再一次对工件扫描获取坡口的特征信息，通过信号处理装置读取坡口轮廓的二维坐标数据生成图像，采用斜率分析法求出轮廓图像中的各个拐点的坐标值、坡口高度H，坡口上部宽度L1、坡口底部宽度L2以及坡口角度α。最后实时焊枪姿态的调整，从而实现焊缝跟踪。

附图说明

图1是基于激光位移传感器的焊缝跟踪系统及方法系统框图

图2焊缝模型轨迹模型

图3路径目标点的姿态示意图

图4焊炬与激光位移传感器位置框图

图5坡口特征参数图

图6机器人运动学模型

图7焊接时空间模型

图1：中1激光位移传感器、2滤光片、3焊炬

具体实施方式：

为了更好的表达整个发明的技术方案与有益成果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详尽表述，但是本发明的实施方式不限于此。

实施例1本发明公开了一种基于激光位移传感器的焊缝跟踪系统及方法，它主要解决坡口加工存在误差以及工件的定位误差导致在离线编程中规划的运动轨迹与在实际轨迹中存在一定的偏差的问题，其特征是：它包括焊接机器人本体、激光位移传感器、数据采集模块、单片机、离线编程软件robotstudio、焊接电源；激光位移传感器固连安装在焊炬的前方，随焊炬运动，机器人控制器，数据采集模块分别与单片机相连。

本发明公开了一种基于激光位移传感器的焊缝跟踪系统及方法，其具体步骤如下：

第一步:基路径的确定

将工件模型导入离线编程软件RobotStudio中，通过软件的曲线捕捉功能通过离线软件RobotStudio中曲线捕捉的功能获得焊缝轨迹对捕捉的曲线，曲线上的目标点构成的路径为焊缝的基路径，对曲线进行曲线离散，在离散点之间插值并进行生成焊缝路径。设曲线上的目标离散点FPn(i)＝(X(i),Y(i),Z(i)),这些目标点构成的路径就是焊缝的基路径，各个点的姿态可以有三个相互正交的方向向量表示，如图(2)所示其目标点姿态X方向为该点指向下一点的前进方向，改点的所在的姿态Z方向参考工件坐标Z方向，姿态Y方向有右手定则确定。如图2所示

第二步：自适应修正目标点的位置。

将生成的焊缝路径离线程序导入机器人示教器中，指导激光位移传感器对工件进行扫描，通过信号采集装置对激光位移传感器的输出信号进行数据采样、提取焊缝位置信息、数据采集模块与单片机相连，通过单片机与机器人控制器实时进行通讯，自适应修正机器人基路径目标点的位置。再次进行对工件扫描获得工件坡口的特征信息。

第三步：计算坡口特征参数

通过信号处理装置读取坡口轮廓的三维坐标数据生成图像，采用斜率分析法求出轮廓图像中的各个拐点的坐标值,坡口高度H，坡口上部宽度L1、坡口底部宽度L2以及坡口角度α。

设坡口曲线任一点Q的坐标值为(x，y，z)，在平面(x，z)中，如图5，设Q点左边的的斜率为K_l，右边的斜率为K_r，每次取Q点前十与后十个计算可得：

令ΔK＝K_l-K_r

当ΔK_i>ΔK_i-1且ΔK_i>ΔK_i+1时,则Q点即为拐点。

因此可以求出角焊缝坡口截面的三个拐点a、b、c。坡口高度H即为a、b两点的高度差，坡口上部宽度L1即为a、c两点的距离。

如图5所示，可求得扫描平面与坡口两侧的直线方程:Y₁＝K₁x+b₁，Y₂＝K₂x+b₂

则坡口角度

已知角β，所以焊枪的最佳工作角为

第四步：焊枪位姿坐标变换

通过提取出来的焊缝轨迹数据，进而得到机器人末端的位姿矩阵，利用其末端的位姿结合变换矩阵求解关节角，图6为6轴机器人连杆坐标变换模型，图中基坐标系为{O₁X₁Y₁Z₁},连杆末端坐标系为{O₆X₆Y₆Z₆},工具坐标系为{O₇X₇Y₇Z₇}。其中θ表示机器人的关节角，θ₁为机器人第一个关节的关节角，以此类推，若机器人末端位姿矩阵为

推导过程如下：其中s、c分别表示sin、cos

从而求出机器人末端位姿时各个机械臂的关节角θ，再根据第五步的变换矩阵进而确定机器人末端的位姿。

第五步：焊枪位姿的调整

通过第四步计算得出机器人六轴的关节角数据，然后基于6轴机器人关节处坐标系计算6轴机器人连杆位姿的变换矩阵进而确定末端连杆位姿，与机器人通讯及时将数据传输给机器人控制柜，进而修正工作角，在实际焊接过程中，焊枪的姿态变化包括平移和旋转，现将平移和旋转矩阵相结合，绕x轴旋转后平移变换矩阵为T_X,绕y轴旋转后平移变换矩阵为T_y,绕z轴旋转后平移变换矩阵为T_Z：

根据实际情况选择上述变换矩阵，下面将每个关节所用的变换矩阵分别用T₁(θ)、T₂(θ)、T₃(θ)、T₄(θ)、T₅(θ)、T₆(θ)表示：

则机器人末端位姿矩阵为A_b＝T₁(θ₁)T₂(θ₂)T₃(θ₃)T₄(θ₄)T₅(θ₅)T₆(θ₆)

利用上述的变换矩阵，进而确定六轴机器人末端的位姿，最终实现基路径的实时纠偏。在焊接过程中焊缝姿态的调节对焊缝成型具有极其重要的作用，在自动化焊接过程中，在焊枪工作角接近零度时，可保证较高的跟踪精度和焊缝质量。为确保焊缝成型质量，需要在自动化焊接过程中对焊枪工作角进行实时检测与调整，确保焊缝跟踪精度和成型质量。

以上所描述的是本发明的最优实施方案，但应当指出来的是，在不脱离本发明原理的前提下做出的若干改进，全可以视作本发明的保护范围。

Claims (4)

1.本发明公开了一种基于激光位移传感器的焊缝跟踪系统及方法，它主要解决坡口加工存在误差以及工件的定位误差导致在离线编程中规划的运动轨迹与在实际轨迹中存在一定的偏差的问题，其特征是：它包括焊接机器人本体、激光位移传感器、数据采集模块、单片机、离线编程软件robotstudio、焊接电源；激光位移传感器固连安装在焊炬的前方且激光发射端与焊炬平行随焊炬运动，机器人控制器，数据采集模块分别与单片机相连。

2.根据权利一所述的基于激光位移传感器的焊缝跟踪系统及方法，其特征是：通过离线软件RobotStudio中曲线捕捉的功能获得焊缝轨迹，对焊缝进行曲线离散，在离散点之间样条插值并进行生成焊缝路径离线程序并导入机器人示教器中，指导激光位移传感器对工件进行扫描。

3.根据权利一所述的基于激光位移传感器的焊缝跟踪系统及方法，其特征是：通过信号采集装置对激光位移传感器的输出信号进行数据采样、提取焊缝位置信息、数据采集模块与单片机相连，通过单片机与机器人控制器实时进行通讯，自适应修正机器人基路径目标点的位置，再次进行对工件扫描获得工件坡口的特征信息，根据坡口的特征参数对焊枪姿态进行调整。

4.根据权利一所述的基于激光位移传感器的焊缝跟踪系统及方法，其特征是：通过信号处理装置读取坡口轮廓的二维坐标数据生成图像，采用斜率分析法求出轮廓图像中的各个拐点的坐标值、坡口高度H，坡口上部宽度L1、坡口底部宽度L2以及坡口角度α。

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