CN109927047B - 弧焊机器人直线对接焊缝的轴向跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弧焊机器人直线对接焊缝的轴向跟踪系统及方法，所述轴向跟踪系统包括六轴机械臂、激光位移传感器、机器人控制柜、数字化焊接电源、焊枪及夹具，六轴机械臂上安装有所述焊枪，激光位移传感器通过夹具安装在焊枪上，激光位移传感器激光点的位置和焊丝尖端的连线与焊缝垂直；焊枪与数字化焊接电源相连，数字化焊接电源、六轴机械臂、激光位移传感器与机器人控制柜相连。本发明能够有效的解决由于工件存在高度方向的变化而造成的焊接编程示教过程繁复的问题，同时也能够解决由于工件个体差异性而导致的焊接位置不准的问题，同时可以改变焊接过程中的焊枪姿态，这对于焊接质量的控制有重要的意义。

Description

弧焊机器人直线对接焊缝的轴向跟踪系统及方法

技术领域

本发明涉及具有焊缝跟踪的弧焊机器人系统，具体是利用位移传感器辅助实现机器人焊接时焊丝尖端的轴向调节，主要应用于具有高度落差的直焊缝的跟踪。

背景技术

现代化的生产对焊接技术提出了进一步提高效率，优化质量，改善劳动条件等要求，焊接自动化就是焊接工作者顺应这种要求的具体体现。由于各种因素的影响，实际的焊接条件经常发生变化。例如，由于强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、装夹精度、表面状态和工件热变形等影响使焊炬偏离焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败。焊接条件的这种变化要求弧焊机器人能够实时检测出焊缝偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量。目前，焊接机器人还主要是第二代的示教再现型机器人，缺乏外部信息的传感和实时调整的功能。而焊缝跟踪系统正是为了弥补这个缺陷逐渐发展起来的新辅助焊接技术。

随着传感器技术的发展，针对机器人焊接的优化出现了多种传感器的应用形式，例如电容传感器、激光传感器等。焊缝跟踪系统主要包括传感器、控制器、伺服系统和执行机构。而波纹板的大规模应用对于自动化焊接提出了要求，由于波纹板焊缝形状复杂，示教过程繁琐，而且传统机器人焊接过程对于夹具精度有很高的要求，必须引入相适应的传感器来简化和优化过程。

发明内容

针对于现状所述的目前机器人焊接以及波纹板焊接存在的问题，本专利提出了一种成本较低，能够解决波纹板自动化焊接的难点，本发明通过在焊枪上加装一个激光位移传感器，实现外部信息的感知，协助六轴焊接机器人实现直线对接焊缝的轴向位置的自动跟踪，提高生产效率以及良品率。具体方案如下：

一种弧焊机器人直线对接焊缝的轴向跟踪系统，应用于高度方向存在变化的直线焊缝的焊接过程，所述轴向跟踪系统包括六轴机械臂、激光位移传感器、机器人控制柜、数字化焊接电源、焊枪及夹具，六轴机械臂上安装有所述焊枪，激光位移传感器通过夹具安装在焊枪上，激光位移传感器激光点的位置和焊丝尖端的连线与焊缝垂直；

焊枪与数字化焊接电源相连，数字化焊接电源、六轴机械臂、激光位移传感器与机器人控制柜相连。

一种基于上述系统的轴向跟踪焊接方法，包括如下步骤：

S1、激光位移传感器按照程序设定的焊接起始点和结束点扫描焊接工件；

S2、利用机器人控制柜中的I/O板对激光位移传感器输出信号进行监测，得到整个焊接过程的轴向高度的分布，并与基准值作比较，得到实际焊接所需的位置；

S3、机器人控制柜根据扫描到的形态的特征，选择姿态调整的手段；

S4、生成含有实际焊接所需的位置和姿态的坐标，六轴机械臂以及焊枪按照修正后的路径从开始点焊接至结束点。

进一步的，步骤S1具体包括如下步骤：

S10、将激光位移传感器安装于焊枪的侧面，保持激光点的位置和焊丝尖端的连线与焊缝垂直；

S11、调整焊枪与焊接工件垂直，通过机器人自带的TCP标定程序分别获得激光位移传感器和焊枪的TCP，获得传感器坐标系和机器人的焊枪坐标系之间的转换关系；

S12、示教焊接的起始点和结束点，以这两个点作为原始路径的两端，将这条线段等分为若干份；

S13、运行机器人程序，使安装在焊枪一侧的激光位移传感器从起始点开始向结束点扫描。

进一步的，步骤S2具体包括如下步骤：

S20、机器人控制柜得到原始路径与焊接工件表面在整个线段上的分布，将该线段上已经设定好的分段上的点位的坐标值与目标所需的焊接位置作比较，得到偏差值以及实际焊接的位置，转化为机器人的坐标，生成实际焊接的路径。

进一步的，在步骤S3中，根据实际焊接的情况选择一定的姿态改变模式，使焊枪在焊接过程中随着工件的变化保持与焊缝垂直的状态。

进一步的，步骤S10中坐标系之间的转化，通过机器人原始工具坐标系tool0作为媒介，分别标定焊枪的TCP和激光位移传感器的TCP，实现焊枪和激光位移传感器之间的坐标转化。

进一步的，实际焊接过程中的焊枪TCP高度可调，通过调整激光位移传感器的给出的基准值，实现路径上点位位置的改变。

相对于现有的技术，本发明的优势在于：

（1）本发明能够有效的解决由于工件存在高度方向的变化而造成的焊接编程示教过程繁复的问题，同时也能够解决由于工件个体差异性而导致的焊接位置不准的问题；

（2）本发明可以改变焊接过程中的焊枪姿态，这对于焊接质量的控制有重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明轴向跟踪的示例图；

图2为将传感器的修正坐标值转化成焊枪工作位置坐标的原理图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明通过在焊枪上加装一个激光位移传感器，实现外部信息的感知，协助六轴焊接机器人实现直线对接焊缝的轴向位置的自动跟踪。装置部分组成如下：轴向跟踪系统包括六轴机械臂、激光位移传感器、机器人控制柜、数字化焊接电源、焊枪及夹具，六轴机械臂上安装有所述焊枪，激光位移传感器通过夹具安装在焊枪上，激光位移传感器激光点的位置和焊丝尖端的连线与焊缝垂直；焊枪与数字化焊接电源相连，数字化焊接电源、六轴机械臂、激光位移传感器与机器人控制柜相连。

在实际使用过程中，我们先使用机器人示教器示教焊缝的起始点和结束点，运行机器人程序使用焊接速度但不启动电弧，通过安装在焊枪侧面的激光位移传感器对直焊缝进行位移传感，获得两点之间的路径下的传感器距离工件表面的距离，再转化成焊枪焊丝尖端相对于表面的距离。将这个路径分为M段，将每个点处的坐标值（X，Y，Z）根据其相对应的距离值做调整，调整到TCP点位于焊缝上方合理位置，根据新的点位生成新的路径，其中，当焊枪经过平面斜坡或曲面斜坡时，焊枪的姿态由所检测到的形状，根据不同的情形，分别设置姿态值（q1，q2，q3，q4）。之后机器人根据新生成点位赋值的焊接指令实施焊接过程。本发明，尤其适合自动焊接梯形波纹板以及圆弧形波纹板，焊接过程只需要示教开始及结束点，简化了波纹板焊接的示教过程，根据焊缝变化自动改变焊接位置及姿态，可以降低对于焊接工装夹具定位的要求，大大提高生产率及产品质量。

下面就本发明在焊接过程中轴向跟踪的过程进行进一步的叙述：

过程一：将激光位移传感器安装于焊枪的侧面，需要将传感器设置为与焊枪平行，保持激光点的位置和焊丝尖端的连线与焊缝垂直，确保高度的关系的对应真实有效。

过程二：调整焊枪与焊接工件垂直，通过机器人自带的TCP标定程序分别获得激光位移传感器和焊枪的TCP，获得传感器坐标系和机器人的焊枪坐标系之间的转换关系。

过程三：示教焊接的起始点和结束点，以这两个点作为原始路径的两端，将这条线段等分为M份。

过程四：运行机器人程序，使安装在焊枪一侧的传感器从起始点开始向结束点扫描，得到原始路径与焊接工件表面在整个线段上的分布，将该线段上已经设定好的分段上的点位的坐标值与目标所需的焊接位置作比较，得到偏差值以及实际焊接的位置，转化为机器人的坐标，生成实际焊接的路径。

过程五：根据实际焊接的情况选择一定的姿态改变模式，使焊枪在焊接过程中随着工件的变化保持与焊缝垂直的状态。

过程六：机器人按照已经修改过后的相关点位及姿态进行焊接。

关于实际的工作模式为：传感器预先按照设定的两点之间的路径进行扫描，然后得到数据并处理结束后，机器人上的焊枪按照修正后的路径进行焊接。

实际焊接过程中的TCP高度可调，通过调整位移传感器的给出的基准值，使路径上点位位置的改变来实现。

焊接过程的焊枪姿态的调整，主要是指路径上已有点位姿态值的改变（q1，q2，q3，q4），通过赋予相关位置的姿态值来实现焊接过程的姿态变化。

如图1所示，表示了焊接过程的操作流程，分别是示教的位置以及实际的修正过后的位置。

P10为示教焊缝的起点，P20为示教焊缝的终点。

P30为实际焊缝的起点，P40为实际焊缝的终点。

将P10到P20等分成M份，共有M+1个路径点，将每个路径上机器人位置和姿态保存。

现将焊接的路径分为50段，共有51个路径点；焊缝只在Z方向有误差。

通过机器人示教，示教起始点P10（X1，Y1，Z1）和P20（X2，Y2，Z2），如图2所示，Pa为激光位移传感器在路径上初始运动时某一时刻所在位置，Pc为当时工件表面激光所在的点位，通过传感器的模拟信号的反馈，可以得到实时的传感器距离工件表面的距离Δd。Pb到Pc的距离d是焊接过程中焊枪TCP标准工作位置。若Δd大于d，则将该处的激光传感器的坐标值（Xm，Ym，Zm）按照设定的标准值修改为工作位置传感器所在的坐标，然后根据传感器与焊枪的相对位置，将传感器的修正坐标值转化成焊枪工作位置坐标。

根据以上得到的实际焊接的路径上各点，处理获得各个转折点，转折点之间的点位赋予新的焊接姿态，姿态通过机器人姿态定义值（q1，q2，q3，q4）赋值获得，具体的值需要根据实际情况设定。

焊枪先移动至实际焊接点P30点，开始焊接，以各个修正过的机器人位姿作为实际路径进行焊接，直至焊接到P40点，熄弧后停止工作。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种弧焊机器人直线对接焊缝轴向跟踪系统的焊接方法，应用于高度方向存在变化的波纹板直线焊缝的焊接过程，其特征在于，所述轴向跟踪系统包括六轴机械臂、激光位移传感器、机器人控制柜、数字化焊接电源、焊枪及夹具，六轴机械臂上安装有所述焊枪，激光位移传感器通过夹具安装在焊枪上，激光位移传感器激光点的位置和焊丝尖端的连线与焊缝垂直，焊枪与数字化焊接电源相连，数字化焊接电源、六轴机械臂、激光位移传感器与机器人控制柜相连，包括如下步骤：

S1、激光位移传感器按照程序设定的焊接起始点和结束点扫描焊接工件，具体步骤为：S10、将激光位移传感器安装于焊枪的侧面，保持激光点的位置和焊丝尖端的连线与焊缝垂直；S11、调整焊枪与焊接工件垂直，通过机器人自带的TCP标定程序分别获得激光位移传感器和焊枪的TCP，通过机器人原始工具坐标系tool0作为媒介，分别标定焊枪的TCP和激光位移传感器的TCP，实现焊枪和激光位移传感器之间的坐标转化；S12、示教焊接的起始点和结束点，以这两个点作为原始路径的两端，将这条线段等分为若干份；S13、运行机器人程序，使安装在焊枪一侧的激光位移传感器从起始点开始向结束点扫描；

S2、利用机器人控制柜中的I/O板对激光位移传感器输出信号进行监测，得到整个焊接过程的轴向高度的分布，并与基准值作比较，得到实际焊接所需的位置；

S3、机器人控制柜根据扫描到的形态的特征，选择姿态调整的手段；

S4、生成含有实际焊接所需的位置和姿态的坐标，六轴机械臂以及焊枪按照修正后的路径从开始点焊接至结束点。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2具体包括如下步骤：

S20、机器人控制柜得到原始路径与焊接工件表面在整个线段上的分布，将该线段上已经设定好的分段上的点位的坐标值与目标所需的焊接位置作比较，得到偏差值以及实际焊接的位置，转化为机器人的坐标，生成实际焊接的路径。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，根据实际焊接的情况选择一定的姿态改变模式，使焊枪在焊接过程中随着工件的变化保持与焊缝垂直的状态。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，实际焊接过程中的焊枪TCP高度可调，通过调整激光位移传感器的给出的基准值，实现路径上点位位置的改变。

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