CN113352317B - 一种基于激光视觉系统的多层多道焊接路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光视觉系统的多层多道焊接路径规划方法，包括以下步骤：1、构建焊缝特征点投影模型，2、采用梯形及平行四边形焊道填充策略实现对不同角度坡口焊缝焊接路径的规划；3、建立焊枪坐标S_ij＝hw_ij引入焊接行走角γ对焊枪姿态进行规划，在平行四边形和梯形焊道中加入焊枪行走角γ可视为焊枪坐标系绕自身坐标系

转过γ度(γ＝0°～45°)，则加入焊枪行走角γ后得到焊枪姿态变化矩阵T_b，计算多层多道焊缝模型各焊道的机器人位姿值；4、对各焊道的焊接速度进行规划；本发明建立了厚板多层多道焊缝模型，实现不同坡口角度焊缝的各焊道路径并引入焊枪行走角进行焊枪姿态规划。

Description

一种基于激光视觉系统的多层多道焊接路径规划方法

技术领域

本发明涉及焊接机器人路径规划领域,尤其是焊接机器人路径规划领域中一种基于激光视觉系统的多层多道焊接路径规划方法。

背景技术

中厚板结构件在压力容器制造等领域中应用越来越广泛。由于中厚板结构件具有坡口大、板件厚等特点，在实际焊接中存在一定困难。多层多道焊接具有有效减少变形量，降低热输入量等优点，被广泛应用到中厚板结构件焊接中。由于机器人焊接稳定性、焊接效率高等优点，被广泛应用在中厚板的多层多道焊接。李天旭^[1]、成利强^[2]对厚板V型坡口工件焊接搭建焊接工作站并进行离线编程，但未对焊枪姿态进行规划。刘钊江^[3]针对单边V型焊缝进行多层多道轨迹规划，但只针对单边V型焊缝且没有对焊接速度进行相应规划。

但每条焊道在焊接前都需要进行手动示教，多次手动示教耗时多，且手动示教偏差易影响焊接质量。同时对于同种焊缝类型不同坡口角度的结构件，需要根据不同坡口角度，重新设计焊接路径及焊枪姿态，致使工作效率低。

参考文献：

[1]李天旭,王天琪,杨华庆,侯仰强.厚板V形坡口机器人填充焊接工艺研究[J].焊接,2017(09):13-17+67-68.

[2]成利强,王天琪,侯仰强,郑佳,杨壮.中厚板V形坡口多层多道焊机器人焊接技术研究 [J].焊接,2018(02):10-13+62.

[3]刘钊江,马思乐,戴昊飞等.基于激光传感器的机器人自适应多层多道焊接[J].焊接,2 020(08):26-32+62-63.

发明内容

本发明的目的旨在为提高工业机器人示教效率和焊接质量,适应不同坡口角度焊缝的多层多道焊接，提出了采用激光视觉系统进行焊缝特征点提取进而自适应规划多层多道焊接路径，并采用等高度填充策略及焊缝特征点投影策略，对多层多道路径各焊道位置进行规划。此外，对不同类型填充焊道结合焊枪行走角进行焊枪姿态规划，并针对各焊道填充类型对焊接速度进行规划。

为实现上述目标，本发明采用的技术方案如下：

一种基于激光视觉系统的多层多道焊接路径规划方法，至少包括以下步骤：

步骤1、构建焊缝特征点投影模型，将基于激光视觉系统获取的特征点投影到焊缝横截面上并获取特征点在机器人基坐标系下的坐标信息，以此来建立V型厚板多层多道焊缝模型；

步骤2、在步骤1建立的V型厚板多层多道焊缝模型基础上，采用梯形及平行四边形焊道填充策略实现对不同角度坡口焊缝焊接路径的规划，采用第n焊层有n条焊道的方式进行填充，每层最后一条焊道采用梯形焊道，其余焊道均为平行四边形焊道；计算第i层第j条焊道焊缝横截面积S_ij；

步骤3、完成步骤2焊道路径规划后，建立焊枪坐标S_ij＝hw_ij引入焊接行走角γ对焊枪姿态进行规划，在平行四边形和梯形焊道中加入焊枪行走角γ可视为焊枪坐标系绕自身坐标系

转过γ度(γ＝0° 45°)，则加入焊枪行走角γ后得到焊枪姿态变化矩阵T_b，计算多层多道焊缝模型各焊道的机器人位姿值；

步骤4、根据输入的焊接参数和步骤2中计算的第i层第j条焊道焊缝横截面积S_ij，以此来对各焊道的焊接速度进行规划；

所述步骤1中构建焊缝特征点投影模型具体步骤为：以起点A至终点D的向量

为模型坐标系x轴向量，即X_t＝(n_xt,n_yt,n_zt)和焊缝横截平面S的法向量，点B'、C'、为相机获得的特征点，点B、C分别为焊缝特征点B'、C'投影在焊缝横截面的点，其中B、C为V型焊缝参考点；参考点B满足平面点法式方程(1)

n_xt(x_B-x_A)+n_yt(y_B-y_A)+n_zt(z_B-z_A)＝0 (1)

根据

则有：/>

联立公式(1)、(2)得到参考点B的坐标(x_B,y_B,z_B)；同理计算得到参考点C的坐标(x_C,y_C,z_C)。

所述步骤2中第i层第j条焊道焊缝横截面积S_ij的计算，具体步骤为：对于平行四边形焊道策略，其单道焊缝横截面积S_ij为：S_ij＝hw_ij，其中w_ij为第i层第j条焊道宽度，h为每层焊道高度；对梯形焊道策略，其单道焊缝横截面积S_ii：S_ii＝h(Wd_i+1-(j-1)w_ij+w_ij)/2，其中，Wd_i为每层焊道宽度。

所述步骤4中各焊道速度规划，具体步骤为：根据步骤2中的各焊道焊缝横截面积S_ij及 S＝πVD²/4V₀，其中S为单道焊缝横截面积、D为焊丝直径、V为送丝速度、V₀为实际焊接进给速度；计算出直线焊接时对应焊道的实际焊接速度V_ij为：V_ij＝V₀＝πVD²/4S_ij；采用锯齿形摆动焊接第一层焊缝，根据摆弧焊接进给速度V₀和实际焊接速度V₁的关系，得出焊接速度V₁为：

式中，Steplen＝velT/1000，AMP振幅；Steplen为周期插补长度；V₀为实际焊接进给速度， V₁为实际焊接速度，vel为设定的非焊接焊枪移出速度，单位mm/s；T为插补周期。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

(1)通过使用激光视觉系统扫描厚板焊缝并进行坐标转换得到特征点信息，建立焊缝特征点投影模型，可精确提取焊缝坡口参考点信息，降低了多层多道焊接示教繁琐程度。

(2)建立了厚板多层多道焊缝模型，实现不同坡口角度焊缝的各焊道路径并引入焊枪行走角进行焊枪姿态规划；对各焊道焊接速度进行自适应规划，满足厚板结构件多层多道焊接要求。

附图说明

图1为V型焊缝特征点识别图；

图2为焊缝点投影焊缝模型示意图；

图3(a)为V型焊缝横截面及坐标系示意图,图3(b)为单边V型焊缝横截面及坐标系示意图；

图4为V型焊缝焊枪姿态变化示意图；

图5(a)为梯形焊道填充策略，图5(b)为平行四边形焊道填充策略；

图6为加入焊枪行走角的焊枪坐标系；

图7为直线锯齿形摆弧路径示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种基于激光视觉系统的多层多道焊接路径规划方法，包括以下步骤

步骤1：将结构件焊缝起点、终点、焊缝坡口边上的点作为焊缝特征点。通过相机、结构光平面及手眼标定，将所拍图像中检测到的焊缝特征点坐标转换到机器人基坐标系。

1.焊缝特征点信息获取：将所拍原始图像经过一系列预处理后，计算焊缝特征点在像素坐标系下的坐标值。假定焊缝特征点在图像中心区域(附图1)，取激光线上首尾各I个像素点，I值范围为20～50。以V型对接厚板结构件为例，利用其像素坐标进行最小二乘拟合直线为：

x+0.03484y-974.5553＝0 (1)

依次计算各像素点坐标与该拟合直线的距离，确定与直线距离最大线段的首尾像素点A1' 和A2'(附图1),取

中点作为焊点A，N和M分别是激光线上的首尾点，图1上经过N、 B'、C'、N的直线为拟合直线，对于无焊缝间隙结构件，确定与直线距离最大点为A。将激光线上转折点作为焊缝焊道两侧的特征点B'、C'，并确定它们在像素坐标系下信息。

2.将特征点由像素坐标转换到相机坐标系坐标。

式中，(x_c,y_c,z_c)为激光线上一点在相机坐标系下坐标；(u,v)为该点在像素坐标系下坐标；(u₀,v₀)为图像中心在像素坐标系下坐标；f为相机焦距。I、O、P、T为结构光平面方程参数。

3.通过手眼标定公式(3)得到标定矩阵，实现特征点转换到机器人基坐标系坐标。

式中，M^R为当前机器人位姿矩阵，M_C ^H为手眼标定矩阵。(x_基,y_基,z_基)为激光线上一点P 在机器人基坐标系下的坐标。

4.多层多道焊缝模型的建立

设起点A至终点D的单位向量为多层多道坐标系模型的x轴，即为X_t＝(n_xt,n_yt,n_zt)；设点A 至A在横截面上

的投影K的单位向量为多层多道坐标系模型的z轴，即为Z_t＝(m_xt,m_yt,m_zt)；坐标系y轴为Y_t＝X_t×Z_t＝(o_xt,o_yt,o_zt)。在实际工程应用时使用激光视觉系统所得的特征点不一定在焊缝横截面上。为此，提出建立焊缝特征点投影模型(附图2)，图上方框所在的平面表示焊缝横截平面，箭头的方向表示焊接方向，向量/>

为V型焊缝模型坐标系x轴向量和焊缝横截平面S的法向量。点A为焊缝起点，点B'、C'、A1'和A2'为相机获得的特征点，点B、 C、A1、A2分别为焊缝特征点B'、C'、A1'和A2'投影在焊缝横截面的点，以参考点B为例，满足平面点法式方程：

n_xt(x_B-x_A)+n_yt(y_B-y_A)+n_zt(z_B-z_A)＝0 (4)

因为

则有

联立式(4)、(5)得到参考点B的坐标(x_B,y_B,z_B)，同理计算得到参考点C的坐标(x_C,y_C,z_C)，建立厚板多层多道焊缝模型(附图3)。

步骤2：根据上述建立的厚板多层多道焊缝模型，采用各层焊道排布遵循等差数列，即第n焊层有n条焊道的方式进行填充，每层最后一条焊道采用梯形焊道，其余焊道均为平行四边形焊道。

各焊道路径的起、终点坐标确定：构建结构件多层多道焊缝模型时，因焊缝间隙较小(图 3)，通常将第一层的梯形焊道简化为三角形焊道进行焊枪位置及姿态规划，采用锯齿形摆动焊接完成焊道的填充，增加焊道宽度提高焊缝金属力学性能。设摆幅方向向量为焊缝模型的 y轴向量

以向量/>

为前进方向向量进行位置插补。附图3中H表示焊缝点A到

的垂直距离；h表示每层焊道高度；当总焊接层数为n，每层高度h和每层宽度Wd_i为：

式中，

为向量的模，i表示层数(i＝1、2…n)。第i层中各条焊道宽度为：

则第i层焊缝的第j条平行四边形焊道的起点P_ij坐标表示为：

第i层焊缝的梯形焊道的起点P_ii坐标表示为：

同理得第i层中各焊道的终点坐标。根据各焊道的起、终点坐标，采用直线插补方法规划焊接轨迹。

根据上述建立的厚板多层多道焊缝模型，计算得到各焊道横截面积，对于平行四边形焊道策略，其单道焊缝横截面积S_ij为：

S_ij＝hw_ij (11)

其中w_ij为第i层第j条焊道宽度，h为每层焊道高度；

对梯形焊道策略，其单道焊缝横截面积S_ii：

S_ii＝h(Wd_i+1-(j-1)w_ij+w_ij)/2 (12)

其中，Wd_i为每层焊道宽度。

步骤3、为防止焊枪在焊接过程中与焊缝壁产生碰撞，且使焊道按照梯形或平行四边形焊道填充策略填充焊缝坡口，基于机器人基坐标系对焊枪坐标系姿态规划：

(1)焊枪坐标系建立：将焊缝前进方向作为x轴向量

根据不同焊道类型计算焊枪坐标系z轴向量/>

将焊枪坐标轴x轴和z轴向量叉乘得到焊枪y轴坐标向量/>

通过坐标系向量得到各焊道焊枪坐标系姿态/>

(2)对于第一层焊道及平行四边形(附图4)，采用各焊道的焊接起点至参考点B、C的夹角平分线向量作为该焊道的焊枪z轴向量

式中，

是焊缝参考点C到平行四边形及第一层焊道起点的单位向量；/>

是焊缝参考点B到该焊道起点的单位向量。

(3)对于梯形焊道(附图5a)，采用与

的垂直平分线Z_iO_i平行的向量为焊枪坐标系的z轴/>

式中，Z_i为梯形焊道起点O_i在线段B_iC_i的投影。

(4)由此引入焊接行走角γ(附图6)，当需要加宽熔宽时，选取较大行走角，使焊枪为前倾焊，易于填满焊缝。在平行四边形和梯形焊道中加入焊枪行走角视为焊枪坐标系绕自身坐标系

转过γ度(γ＝0° 45°)，则加入焊枪行走角后焊枪姿态变化矩阵T_b。

则加入焊枪行走角之后的焊枪姿态为：

M_ER＝M_SRT_b (17)

将姿态矩阵M_ER通过欧拉角变化求出矩阵中对应欧拉角值a、b、c，最后计算得多层多道焊缝模型各焊道起点、终点的机器人位姿值Pos_i＝(x_i,y_i,z_i,a,b,c)。

步骤4：根据输入的焊接参数和步骤2中得到的第i层第j条焊道焊缝横截面积S_ij，以此来对各焊道的焊接速度进行规划；

当焊丝直径D一定时，焊缝横截面积由送丝速度V和实际焊接进给速度V₀确定。单道焊缝横截面积S为：

式中，D表示焊丝直径，单位mm。

根据送丝速度、焊丝直径及各焊道横截面积，得出直线焊接时对应焊道的实际焊接速度 V_ij。

采用摆动焊接第一层焊缝，根据摆弧焊接进给速度V₀和实际焊接速度V₁的位置关系，采用锯齿形摆弧(附图7)焊接速度V₁为:

式中，Steplen＝vel T/1000，AMP为

(附图3)。S为单道焊缝横截面积；Steplen为周期插补长度；V₀为实际焊接进给速度，V₁为实际焊接速度，vel为设定的非焊接焊枪移出速度，单位mm/s；T为插补周期(设定为100ms)。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于激光视觉系统的多层多道焊接路径规划方法，其特征在于：至少包括以下步骤：

步骤1、构建焊缝特征点投影模型，将基于激光视觉系统获取的特征点投影到焊缝横截面上并获取特征点在机器人基坐标系下的坐标信息，以此来建立V型厚板多层多道焊缝模型；

步骤2、在步骤1建立的V型厚板多层多道焊缝模型基础上，采用梯形及平行四边形焊道填充策略实现对不同角度坡口焊缝焊接路径的规划，采用第n焊层有n条焊道的方式进行填充，每层最后一条焊道采用梯形焊道，其余焊道均为平行四边形焊道；计算第i层第j条焊道焊缝横截面积S_ij；

步骤3、完成步骤2焊道路径规划后，建立焊枪坐标S_ij＝hw_ij引入焊接行走角γ对焊枪姿态进行规划，在平行四边形和梯形焊道中加入焊枪行走角γ可视为焊枪坐标系绕自身坐标系

转过γ度，γ＝0°～45°，则加入焊枪行走角γ后得到焊枪姿态变化矩阵T_b，计算多层多道焊缝模型各焊道的机器人位姿值；

步骤4、根据输入的焊接参数和步骤2中计算的第i层第j条焊道焊缝横截面积S_ij，以此来对各焊道的焊接速度进行规划。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光视觉系统的多层多道焊接路径规划方法，其特征在于：所述步骤1中构建焊缝特征点投影模型具体步骤为：以起点A至终点D的向量

为模型坐标系x轴向量，即X_t＝(n_xt,n_yt,n_zt)和焊缝横截平面S的法向量，点B'、C'、为相机获得的特征点，点B、C分别为焊缝特征点B'、C'投影在焊缝横截面的点，其中B、C为V型焊缝参考点；参考点B满足平面点法式方程(1)

n_xt·(x_B-x_A)+n_yt·(y_B-y_A)+n_zt·(z_B-z_A)＝0 (1)

根据

则有：/>

联立公式(1)、(2)得到参考点B的坐标(x_B,y_B,z_B)；同理计算得到参考点C的坐标(x_C,y_C,z_C)。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光视觉系统的多层多道焊接路径规划方法，其特征在于：所述步骤2中第i层第j条焊道焊缝横截面积S_ij的计算，具体步骤为：对于平行四边形焊道策略，其单道焊缝横截面积S_ij为：S_ij＝hw_ij，其中w_ij为第i层第j条焊道宽度，h为每层焊道高度；对梯形焊道策略，其单道焊缝横截面积S_ii：S_ii＝h(Wd_i+1-(j-1)w_ij+w_ij)/2，其中，Wd_i为每层焊道宽度。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光视觉系统的多层多道焊接路径规划方法，其特征在于：所述步骤4中各焊道速度规划，具体步骤为：根据步骤2中的各焊道焊缝横截面积S_ij及S＝πVD²/4V₀，其中S为单道焊缝横截面积、D为焊丝直径、V为送丝速度、V₀为实际焊接进给速度；计算出直线焊接时对应焊道的实际焊接速度V_ij为：V_ij＝V₀＝πVD²/4S_ij；采用锯齿形摆动焊接第一层焊缝，根据摆弧焊接进给速度V₀和实际焊接速度V₁的关系，得出焊接速度V₁为：

式中，Steplen＝vel·T/1000，AMP振幅；Steplen为周期插补长度；V₀为实际焊接进给速度，V₁为实际焊接速度，vel为设定的非焊接焊枪移出速度，单位mm/s；T为插补周期。

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