CN112809167B - 一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法，涉及焊接加工领域。本发明是为了解决当管子无法选准或变机位无法应用时现有的焊缝跟踪技术无法实现全位置焊接及焊缝跟踪的问题。本发明所述的方法包括：获得激光传感器坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵；获得示教的圆弧坐标系到机器人基坐标系的转换矩阵；获得的矩阵获得圆弧坐标系下的焊缝点偏差；采用SG平滑算法对法向
Figure DDA0002880168070000011
上的偏差Δu和垂直方向
Figure DDA0002880168070000012
上的偏差Δw分别进行平滑；将平滑后的半径的偏差Δu、
Figure DDA0002880168070000013
向的偏差Δw输入PID控制器获得平滑、稳定的焊缝跟踪偏差；根据获得的焊缝跟踪偏差获得机器人基坐标系下焊缝纠偏后的焊缝点。本发明用于机器人的焊缝跟踪。

Description

一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法
技术领域
本发明属于焊接加工领域，具体涉及一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法。
背景技术
随着人工智能的迅速发展，焊接机器人已经引入工业作业中。焊接机器人是从事焊接的工业机器人，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机(Manipulator)。因此焊接机器人作业时必须预先对其焊接工艺参数和焊接路径进行人为设定，对焊接工况条件的一致性要求比较。现有的焊缝跟踪方法多使用爬壁机器人，能适用于管件焊缝跟踪的，基本是大直径管件，不适用于常规工业机器人，且不适用于小半径管件焊接，因此目前对小半径的管件焊接方法成为本领域的研究重点。
目前小半径管件的焊接以及焊缝跟踪采用结合变位机的方法进行焊接，机器人固定在一个确定位置，被焊的管道通过轴向施加的旋转力，使其按照设定的转速旋转，焊枪便在同一位置连续施焊，从而得到完整的成形焊缝的技术，但是当管子无法旋转或变位机无法应用时结合变机位的焊接方法无法应用，进而无法实现全位置的焊接及焊缝跟踪。
发明内容
本发明目的是为了解决当管子无法选准或变机位无法应用时，现有的焊缝跟踪技术无法实现全位置焊接及焊缝跟踪的问题，而提出了一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法。
一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法，具体过程为：
步骤一、获得激光传感器坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵；
步骤二、获得示教的圆弧坐标系到机器人基坐标系的转换矩阵，具体过程为：
步骤二一、通过在线示教获得机器人全位置激光焊接初始路径；
步骤二二、将激光焊接初始路径输入控制器获得空间圆弧空间坐标系H；
步骤二三、获得圆弧空间坐标系H到机器人基坐标系B的转换矩阵
Figure BDA0002880168050000011
步骤三、根据步骤一和步骤二获得的矩阵获得圆弧坐标系下的焊缝点偏差，具体过程为：
步骤三一、将激光传感器坐标系下检测的焊缝点转换到圆弧坐标系下；
步骤三二、获得激光传感器检测的焊缝点和示教轨迹上的焊缝点在圆弧的法向
Figure BDA0002880168050000012
上的偏差Δu和垂向
Figure BDA0002880168050000021
上的偏差Δw；
步骤四、采用SG平滑算法对法向
Figure BDA0002880168050000022
上的偏差Δu和垂直方向
Figure BDA0002880168050000023
上的偏差Δw分别进行平滑；
步骤五、将平滑后的半径的偏差Δu、
Figure BDA0002880168050000024
向的偏差Δw输入PID控制器获得平滑、稳定的焊缝跟踪偏差；
步骤六、根据步骤五获得的焊缝跟踪偏差获得机器人基坐标系下焊缝纠偏后的焊缝点。
本发明的有益效果为：
本发明通过示教机器人沿管件最低点到最高点的运动路径，将激光传感器采集到的位置数据信息，经转换后和平滑后输入到PID控制器中，然后经坐标转换到机器人基坐标系，控制机器人末端沿着圆弧轨迹，在线修正焊缝偏差，因此即使管子无法选准或变机位无法应用时也能实现全位置焊接及焊缝跟踪。
附图说明
图1为机器人工具坐标系和激光传感器坐标系；
图2(a)为管件焊接路径示教起点P0的位置；
图2(b)为管件焊接路径示教终点P2的位置；
图3为空间圆弧坐标系；
图4为修正后的法向
Figure BDA0002880168050000025
上的焊缝轨迹偏差Δu；
图5为修正后的垂向
Figure BDA0002880168050000026
上的焊缝轨迹偏差Δw。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法具体过程为：
步骤一、获得激光传感器坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵，具体过程为：
步骤一一、获得激光传感器坐标系下的焊缝点的坐标
Figure BDA0002880168050000027
机器人工具坐标系下测试的焊缝点坐标
Figure BDA0002880168050000028
步骤一二、设置激光传感坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵为：
Figure BDA0002880168050000029
其中，
Figure BDA0002880168050000031
是设置的激光传感坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵，S是激光传感器坐标系，x是激光传感器坐标系S下的焊缝x向位置信息，z是激光传感器坐标系S下的焊缝z向位置信息；
所述S通过激光传感器直接检测并提取焊缝信息获得；
所述激光传感器坐标系S下的焊缝x、z向位置信息通过激光传感器直接获得；
步骤一三、将激光传感器坐标系下的空间焊缝点坐标和机器人工具坐标系下的焊缝点坐标输入设置的激光传感坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵：
Figure BDA0002880168050000032
将公式(2)进一步转换获得：
Figure BDA0002880168050000033
步骤一四、采用最小二乘法求解公式(3)获得转换矩阵中的参数
Figure BDA0002880168050000034
步骤一五、根据步骤一四获得的参数获得
Figure BDA0002880168050000035
Figure BDA0002880168050000036
步骤一六、将获得的参数
Figure BDA0002880168050000037
Figure BDA0002880168050000038
输入设置的激光传感坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵
Figure BDA0002880168050000039
中获得激光传感坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵
Figure BDA00028801680500000310
步骤二、获得示教的圆弧坐标系到机器人基坐标系的转换矩阵，具体过程为：
步骤二一、通过在线示教获得机器人全位置激光焊接初始路径；
所述激光焊接初始路径从管件的最低位置点到最高位置点，覆盖整个对接管件焊缝的一半，包含全位置焊接的仰焊、立焊、平焊过程(如图3)。
步骤二二、将激光焊接初始路径输入控制器获得圆弧空间坐标系H；
步骤二三、获得圆弧空间坐标系H到机器人基坐标系B的转换矩阵
Figure BDA0002880168050000041
Figure BDA0002880168050000042
步骤三、根据步骤一和步骤二获得的矩阵获得圆弧坐标系下的焊缝偏差，具体过程为：
步骤三一、将激光传感器检测的焊缝点转换到圆弧坐标系下：
Figure BDA0002880168050000043
其中，
Figure BDA0002880168050000044
为机器人工具坐标系到机器人基坐标系的转换矩阵，由机器人末端位姿得到；
Figure BDA0002880168050000045
为激光传感器坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵，PH＝(u',v',w')是圆弧坐标系下的焊缝点，PS是激光传感器检测的焊缝点。
步骤三二、获得激光传感器检测的焊缝点和示教轨迹上的焊缝点在圆弧的法向
Figure BDA0002880168050000046
上的偏差Δu和垂向
Figure BDA0002880168050000047
上的偏差Δw：
Figure BDA0002880168050000048
其中，Δu是圆弧的法向
Figure BDA0002880168050000049
上存在的偏差，Δw是圆弧的垂向
Figure BDA00028801680500000410
上存在的偏差，u'是激光传感器检测的焊缝点的法向坐标值，u是示教轨迹上的焊缝点的法向坐标值，w'是激光传感器检测的焊缝点的垂向坐标值，w是示教轨迹上的焊缝点的垂向坐标值。
步骤四、采用SG平滑算法对法向
Figure BDA00028801680500000411
上的偏差Δu和垂直方向
Figure BDA00028801680500000412
上的偏差Δw分别进行平滑：
Figure BDA00028801680500000413
其中，i为采样序号，in(i)为第i次的输入，out(i)为第i次的输出。
步骤五、将平滑后的半径r的偏差Δu、
Figure BDA0002880168050000051
向的偏差Δw输入PID控制器获得平滑、稳定的焊缝跟踪偏差：
所述PID控制器为：
Figure BDA0002880168050000052
其中，k为采样序号，uk为第k次采样的输出，ek为第k次采样的输入，ej为第j次采样的输入，ek-1为第k-1次采样的输入，kp为比例系数、ki为积分系数、kd为微分系数。
步骤六、根据步骤五获得的焊缝跟踪偏差获得机器人基坐标系下焊缝纠偏后的焊缝点，具体过程为：
步骤六一、将经步骤五获得的法向
Figure BDA0002880168050000053
和垂向
Figure BDA0002880168050000054
偏差，带入相对应的圆弧上的点P1，得到圆弧坐标系下纠偏后的焊缝点P1’：
P1'＝((r+Δu)cosθ,(r+Δu)sinθ,Δw) (10)
其中，θ为P1点旋转的角度，r为圆弧半径，位置偏差信息Δu为半径r的偏差，Δw为
Figure BDA0002880168050000055
向的偏差。
步骤六二、根据转换矩阵
Figure BDA0002880168050000056
将圆弧坐标系下纠偏后的焊缝点转换到机器人基坐标系下：
Figure BDA0002880168050000057
其中，
Figure BDA0002880168050000058
是机器人基坐标系下纠偏后的焊缝点。
在焊接过程中，由于受到变形、变间隙、装配误差等因素造成焊缝位置和尺寸的变化，导致焊缝和示教轨迹有偏差，需要机器人快速而稳定地实时跟踪纠偏。焊接过程的焊缝跟踪与其它自动化跟踪技术有所不同，稳定性在焊接中是非常重要的，如果焊接过程中焊枪不够稳定，纠偏不够快速稳定的话，不仅影响到焊缝成形的美观，更重要的是不利于后续的焊接。因此，焊缝跟踪控制器的设计是在保证纠偏力度的前提下，尽量使焊缝跟踪控制平缓，减少振荡。
实施例：
根据具体实施方式记载的方法进行实验：示教机器人沿管件最低点到最高点的运动路径，将激光传感器采集到的位置数据信息，经转换后，经平滑算法平滑后，输入到PID控制器中，后经坐标转换到机器人基座标系，控制机器人末端沿着圆弧轨迹，在线修正焊缝偏差，机器人焊接过程平稳，无明显抖动。
记录修正后的焊缝偏差轨迹，机器人按照记录轨迹运动，激光传感器采集Δu、Δw偏差信息，并记录，如图4所示的曲线记录的Δw值，如图5所示的曲线记录的Δu值。Δw在 -0.6-0.6之间波动，数据中心值在0附近，Δu在-05-0.7之间波动，数据中心值在0附近。

Claims (7)

1.一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法，其特征在于所述方法具体过程为：
步骤一、获得激光传感器坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵；
步骤二、获得示教的圆弧坐标系到机器人基坐标系的转换矩阵，具体过程为：
步骤二一、通过在线示教获得机器人全位置激光焊接初始路径；
步骤二二、将激光焊接初始路径输入控制器获得空间圆弧空间坐标系H；
步骤二三、获得圆弧空间坐标系H到机器人基坐标系B的转换矩阵
Figure FDA0002880168040000011
步骤三、根据步骤一和步骤二获得的矩阵获得圆弧坐标系下的焊缝点偏差，具体过程为：
步骤三一、将激光传感器坐标系下检测的焊缝点转换到圆弧坐标系下；
步骤三二、获得激光传感器检测的焊缝点和示教轨迹上的焊缝点在圆弧的法向
Figure FDA0002880168040000012
上的偏差Δu和垂向
Figure FDA0002880168040000013
上的偏差Δw；
步骤四、采用SG平滑算法对法向
Figure FDA0002880168040000014
上的偏差Δu和垂直方向
Figure FDA0002880168040000015
上的偏差Δw分别进行平滑；
步骤五、将平滑后的半径的偏差Δu、
Figure FDA0002880168040000016
向的偏差Δw输入PID控制器获得平滑、稳定的焊缝跟踪偏差；
步骤六、根据步骤五获得的焊缝跟踪偏差获得机器人基坐标系下焊缝纠偏后的焊缝点。
2.根据权利要求1所述的一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤一中获得激光传感器坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵，具体过程为：
步骤一一、获得激光传感器坐标系下的焊缝点的坐标
Figure FDA0002880168040000017
机器人工具坐标系下测试的焊缝点坐标
Figure FDA0002880168040000018
步骤一二、设置激光传感坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵为：
Figure FDA0002880168040000019
其中，
Figure FDA00028801680400000110
是设置的激光传感坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵，S是激光传感器坐标系，x是激光传感器坐标系S下的焊缝x向位置信息，z是激光传感器坐标系S下的焊缝z向位置信息；
所述激光传感器坐标系S通过激光传感器直接检测并提取焊缝信息获得；
所述激光传感器坐标系S下的焊缝x、z向位置信息通过激光传感器直接获得；
步骤一三、将激光传感器坐标系下的空间焊缝点坐标和机器人工具坐标系下的焊缝点坐标输入设置的激光传感坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵：
Figure FDA0002880168040000021
将公式(2)进一步转换获得：
Figure FDA0002880168040000022
步骤一四、采用最小二乘法求解公式(3)获得转换矩阵中的参数
Figure FDA0002880168040000023
步骤一五、根据步骤一四获得的参数获得
Figure FDA0002880168040000024
Figure FDA0002880168040000025
步骤一六、将获得的参数
Figure FDA0002880168040000026
输入设置的激光传感坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵
Figure FDA0002880168040000027
中获得激光传感坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵
Figure FDA0002880168040000028
3.根据权利要求2所述的一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法，其特征在于；所述步骤三一中将激光传感器检测的焊缝点转换到圆弧坐标系下，具体过程为：
Figure FDA0002880168040000031
其中，
Figure FDA0002880168040000032
为机器人工具坐标系到机器人基坐标系的转换矩阵，由机器人末端位姿得到；
Figure FDA0002880168040000033
为激光传感器坐标系到机器人工具坐标系的转换矩阵，PH＝(u',v',w')是圆弧坐标系下的焊缝点，PS是激光传感器检测的焊缝点，
Figure FDA0002880168040000034
是圆弧空间坐标系H到机器人基坐标系B的转换矩阵；
所述
Figure FDA0002880168040000035
由机器人末端位姿得到。
4.根据权利要求3所述的一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤三二中得激光传感器检测的焊缝点和示教轨迹上的焊缝点在圆弧的法向
Figure FDA0002880168040000036
上的偏差Δu和垂向
Figure FDA0002880168040000037
上的偏差Δw，具体过程为：
Δu＝u'-u
Δw＝w'-w (7)
其中，Δu是圆弧的法向
Figure FDA0002880168040000038
上存在的偏差，Δw是圆弧的垂向
Figure FDA00028801680400000314
上存在的偏差，u’是激光传感器检测的焊缝点的法向坐标值，u是示教轨迹上的焊缝点的法向坐标值，w’是激光传感器检测的焊缝点的垂向坐标值，w是示教轨迹上的焊缝点的垂向坐标值。
5.根据权利要求4所述的一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤四中采用SG平滑算法对法向
Figure FDA00028801680400000313
上的偏差Δu和垂直方向
Figure FDA00028801680400000310
上的偏差Δw分别进行平滑，具体过程为：
out(i)＝(-2*[in(i-3)+in(i+3)]+3*[in(i-2)+in(i+2)]+6*[in(i-1)+in(i+1)]+7*in(i)]/21 (8)
其中，i为采样序号，in(i)为第i次的输入，out(i)为第i次的输出。
6.根据权利要求5所述的一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤五中将平滑后的半径的偏差Δu、
Figure FDA00028801680400000311
向的偏差Δw输入PID控制器获得平滑、稳定的焊缝跟踪偏差：
所述PID控制器为：
Figure FDA00028801680400000312
其中，k为采样序号，uk为第k次采样的输出，ek为第k次采样的输入，ej为第j次采样的输入，ek-1为第k-1次采样的输入，kp为比例系数、ki为积分系数、kd为微分系数。
7.根据权利要求6所述的一种用于大曲率管件全位置焊接的机器人焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤六中根据步骤五获得的焊缝跟踪偏差获得机器人基坐标系下焊缝纠偏后的焊缝点，具体过程为：
步骤六一、将经步骤五获得的法向
Figure FDA0002880168040000045
和垂向
Figure FDA0002880168040000046
偏差，带入相对应的圆弧上的点P1，得到圆弧坐标系下纠偏后的焊缝点P1’：
P1'＝((r+Δu)cosθ,(r+Δu)sinθ,Δw) (10)
其中，θ为P1点旋转的角度，r为圆弧半径，位置偏差信息Δu为半径r的偏差，Δw为
Figure FDA0002880168040000041
向的偏差；
步骤六二、根据转换矩阵
Figure FDA0002880168040000042
将圆弧坐标系下纠偏后的焊缝点转换到机器人基坐标系下：
Figure FDA0002880168040000043
其中，
Figure FDA0002880168040000044
是机器人基坐标系下纠偏后的焊缝点。
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