一種位姿自適應機器人的焊接系統及位姿調整方法與流程

2023-06-08 19:42:26 1

本發明涉及機器人焊接技術領域，尤其涉及一種能夠在焊接過程中對焊接位姿進行實時調整的位姿自適應機器人的焊接系統及位姿調整方法。

背景技術：

傳統的焊接方法主要包括人工焊接、專機焊接等。人工焊接作業環境惡劣、效率低下，難以保證焊接質量；專機焊接適用於大批量的零部件的生產，且專機成本較高。

採用焊接機器人進行自動化焊接能夠大幅度提高焊接效率及焊接質量，且焊接機器人具有良好的通用性和適應性，故，採用焊接機器人進行焊接作業是焊接領域的主要發展方向之一。

現有的焊接機器人的焊接工作主要是通過示教再現的模式實現的，即在焊接工件前需要依靠大量的人力對焊接機器人進行示教，但是，示教後的焊接機器人不能感知工件的尺寸、位置等的變化，而當工件的這些因素發生變化時，就會導致焊接的質量下降。

有鑑於此，有必要提供一種新的位姿自適應機器人的焊接系統及位姿調整方法以解決上述問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種能夠在焊接過程中對焊接位姿進行實時調整的位姿自適應機器人的焊接系統及位姿調整方法。

為實現上述發明目的，本發明提供了一種位姿自適應機器人的焊接系統，包括焊接機器人以及與所述焊接機器人通訊連接的主控機，所述焊接機器人包括機器人本體、固定於所述機器人本體上的用以焊接焊縫的焊槍、與所述機器人本體通訊連接的機器人控制器、給所述機器人控制器以及焊槍供電的焊接電源，所述主控機與所述機器人控制器通訊連接，所述位姿自適應機器人焊接系統還包括與所述主控機通訊連接的檢測跟蹤系統，所述檢測跟蹤系統包括設於所述焊槍上的用以檢測焊縫的輪廓的線雷射傳感器以及設於所述焊槍上且位於所述焊槍的相對兩側的兩個點雷射傳感器，每一所述點雷射傳感器用以感測該點雷射傳感器距與該點雷射傳感器相對應的一側的母材的距離；所述主控機根據兩個點雷射傳感器以及線雷射傳感器測得的數據得到所述焊接機器人的標準位姿並根據該標準位姿調整所述焊接機器人的位姿。

作為本發明的進一步改進，所述檢測跟蹤系統還包括固定於所述焊槍上的安裝支架，所述安裝支架的長度方向垂直於所述焊槍的延伸方向，兩個所述點雷射傳感器分別固定於所述安裝支架的長度方向的兩端。

作為本發明的進一步改進，兩個所述點雷射傳感器距所述焊槍的距離相等。

作為本發明的進一步改進，兩個所述點雷射傳感器均向下且朝向所述焊槍傾斜；兩個所述點雷射傳感器的傾斜角度相同。

為實現上述發明目的，本發明還提供一種位姿自適應機器人的位姿調整方法，所述位姿調整方法包括如下步驟：

S1：主控機驅動所述焊接機器人運動至所述焊縫的檢測位置，使兩個所述點雷射傳感器分別位於所述焊縫的兩側；

S2：每一所述點雷射傳感器感測該點雷射傳感器距與該點雷射傳感器相對應的一側的母材之間的距離，主控機得出焊縫兩側的母材的偏移角度；

S3：線雷射傳感器感測所述焊縫的輪廓，主控機得出所述焊縫的偏移量；

S4：主控機根據所得出的母材的偏移角度以及焊縫的偏移量得出焊槍的標準位姿，主控機驅動所述機器人本體帶動所述焊槍自當前位姿調整至標準位姿。

S5：開始焊接。

作為本發明的進一步改進，兩個所述點雷射傳感器分別為第一點雷射傳感器、第二點雷射傳感器，以所述第一點雷射傳感器與所述第二點雷射傳感器的連線為基線，所述基線垂直於所述焊槍的延伸方向，步驟S2具體包括如下步驟：

S21：對設於焊槍上相對兩側的第一點雷射傳感器以及第二點雷射傳感器進行參數標定，獲得所述第一點雷射傳感器距焊槍的距離L1、第二點雷射傳感器距焊槍的距離L2、第一點雷射傳感器發出的雷射線與所述基線之間的第一夾角α、第二點雷射傳感器發出的雷射線與所述基線之間的第二夾角β；

S22：通過第一點雷射傳感器向與所述第一點雷射傳感器相對應的母材的表面發射雷射線，並得到該雷射線位於母材上的第一特徵點P1以及第一點雷射傳感器距第一特徵點P1的距離H1；通過第二點雷射傳感器向與所述第二點雷射傳感器相對應的母材的表面發射雷射線，並得到該雷射線位於母材上的第二特徵點P2以及第二點雷射傳感器距第二特徵點P2的距離H2；

S23：以所述基線與所述焊槍的交點為原點O、第二點雷射器與原點O的連線為Y軸、焊槍的延伸方向為Z軸建立焊接坐標系，通過坐標變換獲得第一特徵點P1、第二特徵點P2在該焊接坐標系下的坐標；

S24：根據第一特徵點P1的坐標以及第二特徵點P2的坐標得出焊縫兩側的母材相對於所述基線的偏移角度。

作為本發明的進一步改進，所述第一特徵點P1的坐標為(yp1，zp1)；所述第二特徵點P2的坐標為(yp2，zp2)，所述偏移角度為γ，所述γ的計算公式如下：

作為本發明的進一步改進，步驟S21中的所述第一夾角α與所述第二夾角β相等且均為銳角。

作為本發明的進一步改進，所述焊接機器人還包括設於所述焊槍遠離所述機器人本體的一端的焊絲，所述焊接坐標系還包括位於基線所在平面上且與Y軸相垂直的X軸，步驟S3具體包括如下步驟：

S31：線雷射傳感器感測所述焊縫的輪廓；

S32：根據所述焊縫的輪廓得出所述焊縫在寬度方向的中點在焊接坐標系下的坐標，並計算該坐標相對於焊絲在母材所在平面上的投影點在焊接坐標系下的當前坐標的偏移量。

作為本發明的進一步改進，步驟S5後還包括如下步驟：判斷是否到達焊縫的結束點，若否，則運行上述步驟S1～S5；若是，則焊接結束。

本發明的有益效果是：本發明的焊接系統通過在焊槍上設置位於焊縫兩側的兩個點雷射傳感器以及用以感測焊縫的輪廓的線雷射傳感器，所述主控機根據每一所述點雷射傳感器感測到的該點雷射傳感器距與該點雷射傳感器相對應的母材的距離得出母材的偏移角度，同時根據焊縫的輪廓得出所述焊縫的偏移量，最後根據得出的母材的偏移角度以及焊縫的偏移量得出焊槍的標準位姿，並驅動所述機器人本體帶動所述焊槍自當前位姿調整至標準位姿後再對焊縫進行焊接，從而在焊接進程中不斷修正焊槍的位姿以及焊接軌跡，能夠適應焊接變形較大、焊縫不均勻等工件的焊接作業，且能夠達到預定的焊接質量。

附圖說明

圖1是本發明的位姿自適應機器人的焊接系統的結構示意圖。

圖2是圖1中A處的放大結構示意圖。

圖3是本發明中的位姿調整方法的流程圖。

圖4是焊槍位於當前位姿的結構示意圖。

圖5是焊槍位於當前位姿時建立的焊接坐標系的示意圖。

圖6是焊搶調整至標準位姿後的結構示意圖。

圖7是焊槍自當前位姿移動至標準位姿的軌跡示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。

請參閱圖1～圖7所示，本發明提供一種位姿自適應機器人的焊接系統100以及位姿調整方法，以在焊接進程中，根據焊縫的偏移量以及焊縫兩側的母材的偏移角度實時調整焊接的位姿以及軌跡，保證焊接的質量。

請參圖1～圖2所示，所述焊接系統100包括焊接機器人1、檢測跟蹤系統2以及主控機3，所述焊接機器人1、檢測跟蹤系統2均與所述主控機3通訊連接，以使所述主控機3能夠根據所述檢測跟蹤系統2測得的有關工件上的焊縫以及焊縫兩側的母材4的信息控制所述焊接機器人1。

所述焊接機器人1包括機器人本體11、固定於所述機器人本體11上的用以焊接焊縫的焊槍12、設於所述焊槍12遠離所述機器人本體11的一端的焊絲13、與所述機器人本體11通訊連接的機器人控制器15、給所述機器人控制器15以及焊槍12供電的焊接電源16。

所述機器人控制器15與所述主控機3通訊連接，以使所述主控機3通過所述機器人控制器15驅動所述機器人本體11，從而帶動所述焊槍12移動。

所述檢測跟蹤系統2包括設於所述焊槍12上的用以檢測焊縫的輪廓的線雷射傳感器21、分設於所述焊槍12上的相對兩側的兩個點雷射傳感器22以及固定於所述焊槍12上用以固定兩個所述點雷射傳感器22的安裝支架23。

所述線雷射傳感器21以及兩個所述點雷射傳感器22均與所述主控機3通訊連接，所述主控機3根據兩個點雷射傳感器22以及線雷射傳感器21測得的數據計算得到所述焊接機器人1的標準位姿並根據該標準位姿調整所述焊接機器人1的位姿。該標準位姿即焊槍12垂直於所述母材4所在的平面，且所述焊絲13位於所述焊縫在寬度方向上的中點所在的位置處，以保證焊接的質量。

在將所述安裝支架23固定於所述焊槍12上後，所述安裝支架23的長度方向垂直於所述焊槍12的延伸方向，且所述安裝支架23的長度方向的兩端分別位於所述焊槍12的相對兩側。

兩個所述點雷射傳感器22分別固定於所述安裝支架23的長度方向的兩端，在需要焊接時，主控機3驅動機器人本體11帶動所述焊槍12運動至檢測位置後，兩個所述點雷射傳感器22分別位於焊縫的兩側，以感測所述點雷射傳感器22距與該點雷射傳感器22相對應的一側的母材4的距離。

具體地，兩個所述點雷射傳感器22距所述焊槍12的距離相等，兩個所述點雷射傳感器22均向下且朝向所述焊槍12傾斜，且兩個所述點雷射傳感器22的傾斜角度均相同，在焊接前，先對兩個點雷射傳感器22進行參數標定，即將兩個所述點雷射傳感器22距所述焊槍12的距離以及傾斜角度儲存至主控機3內，以便於主控機3結合每一所述點雷射傳感器22測得的該點雷射傳感器22距與該點雷射傳感器22相對應的一側的母材4的距離計算得出焊縫兩側的母材4的偏移角度。

進一步地，所述檢測跟蹤系統2還包括分別與兩個所述點雷射傳感器21通訊連接的兩個點雷射控制器25，兩個所述點雷射控制器25均與所述主控機3通訊連接，即每一所述點雷射傳感器22通過與該點雷射傳感器22相對應的點雷射控制器25與所述主控機3通訊連接。

每一所述點雷射傳感器22測得的該點雷射傳感器22距與該點雷射傳感器22相對應的一側的母材4之間的距離均儲存至點雷射控制器25內，主控機3提取兩個所述點雷射控制器25內的距離信息並進行計算，以得出焊縫兩側的母材4的偏移角度。

進一步地，所述檢測跟蹤系統2還包括與所述線雷射傳感器21通訊連接的線雷射控制器24，所述線雷射控制器24與所述主控機3通訊連接，即所述線雷射傳感器21通過所述線雷射控制器24與所述主控機3通訊連接。

所述線雷射傳感器21設於所述焊槍12上靠近所述焊絲13的位置處，且所述線雷射傳感器21測得的焊縫的輪廓信息儲存至線雷射控制器24內，主控機3提取線雷射控制器24內的焊縫的輪廓信息並進行計算，以得出焊縫的偏移量。

請參圖3～圖7所示，兩個所述點雷射傳感器22分別為第一點雷射傳感器221、第二點雷射傳感器222，以所述第一點雷射傳感器221與所述第二點雷射傳感器222的連線為基線，所述基線垂直於所述焊槍12的延伸方向，基於焊接系統100的位姿調整方法在焊接系統100開始工作後包括如下步驟：

S1：主控機3驅動所述焊接機器人1運動至所述焊縫的檢測位置，使兩個所述點雷射傳感器22分別位於所述焊縫的兩側；

S2：每一所述點雷射傳感器22感測該點雷射傳感器22距與該點雷射傳感器22相對應的一側的母材4之間的距離，主控機3得出焊縫兩側的母材4的偏移角度；

S3：線雷射傳感器21感測所述焊縫的輪廓，主控機3得出所述焊縫的偏移量；

S4：主控機3根據所得出的母材4的偏移角度以及焊縫的偏移量得出焊槍12的標準位姿，主控機3驅動所述機器人本體11帶動所述焊槍12自當前位姿調整至標準位姿。

S5：開始焊接。

S6：判斷是否到達焊縫的結束點，若否，則運行上述步驟S1～S5；若是，則焊接結束，即焊接系統100關閉。

在步驟S1中，在焊接系統100開始工作後的最先的檢測位置即指焊縫的起點位置。

步驟S2具體包括如下步驟：

S21：對設於焊槍12上相對兩側的第一點雷射傳感器221以及第二點雷射傳感器222進行參數標定，獲得所述第一點雷射傳感器221距焊槍12的距離L1、第二點雷射傳感器222距焊槍12的距離L2、第一點雷射傳感器221發出的雷射線與所述基線之間的第一夾角α、第二點雷射傳感器222發出的雷射線與所述基線之間的第二夾角β；

S22：通過第一點雷射傳感器221向與所述第一點雷射傳感器221相對應的母材4的表面發射雷射線，並得到該雷射線位於母材4上的第一特徵點P1以及第一點雷射傳感器221距第一特徵點P1的距離H1；通過第二點雷射傳感器222向與所述第二點雷射傳感器222相對應的母材4的表面發射雷射線，並得到該雷射線位於母材4上的第二特徵點P2以及第二點雷射傳感器222距第二特徵點P2的距離H2；

S23：以所述基線與所述焊槍12的交點為原點O、第二點雷射器222與原點O的連線為Y軸、焊槍12的延伸方向為Z軸建立焊接坐標系，通過坐標變換獲得第一特徵點P1、第二特徵點P2在該焊接坐標系下的坐標；

S24：根據第一特徵點P1的坐標以及第二特徵點P2的坐標得出焊縫兩側的母材4相對於所述基線的偏移角度。

如圖5所示，所述第一特徵點P1在焊接坐標系中的坐標為(yp1，zp1)；所述第二特徵點P2在焊接坐標系中的坐標為(yp2，zp2)，所述偏移角度為γ，則所述γ的計算公式如下：

具體地，所述yp1＝-L1+H1cosα；ZP1＝H1sinα；yp2＝L2-H2cosβ；ZP2＝H2sinβ；主控機3根據第一點雷射傳感器221以及第二點雷射傳感器222的標定參數結合測得的距離H1以及距離H2計算得出yp1、zp1、yp2、zp2的值，然後再將這些值代入上述偏移角度γ的公式，算出焊縫兩側的母材4相對於基線的偏移角度，在調整焊槍12的位姿時，只要通過所述主控機3驅動機器人本體11帶動焊槍12轉動相應的偏移角度，則焊槍12就垂直於所述母材4所在的平面。

具體地，步驟S21中的所述第一夾角α與所述第二夾角β相等且均為銳角，以使所述第一雷射傳感器221發出的雷射線、第二雷射傳感器222發出的雷射線以及基線能夠構成三角形。

步驟S23中的所述焊接坐標系還包括位於基線所在平面上且與Y軸相垂直的X軸，步驟S3具體包括如下步驟：

S31：線雷射傳感器21感測所述焊縫的輪廓；

S32：主控機3根據所述焊縫的輪廓得出所述焊縫在寬度方向的中點在焊接坐標系下的坐標，並計算該坐標相對於焊絲13在母材4所在平面上的投影點在焊接坐標系下的當前坐標的偏移量。

在計算出相應的偏移量後，所述主控機3根據母材4的偏移角度、焊縫的偏移量計算出焊槍12的標準位姿對應的位姿點，並驅動機器人本體11帶動焊槍12自當前位姿調整至標準位姿。

請參圖6所示，在焊槍12位於標準位姿後，所述焊槍12垂直於所述母材4所在的平面且所述焊絲13位於所述焊縫在寬度方向上的中點。

請參圖7所示，即為主控機3驅動機器人本體11帶動焊槍12自當前位姿調整至標準位姿過程中焊槍12的運動軌跡圖。

伴隨著焊接進程，焊縫兩側的母材4的偏移角度會發生變化，隨之第一特徵點P1、第二特徵點P2的坐標也會發生實時變化；同時，焊縫也會發生偏移，對應的焊縫在寬度方向上的中點也會發生偏移，因此通過上述方法可以實時測量焊縫兩側的母材的偏移角度以及焊縫的偏移量，以在焊接進程中實時調整焊接的位姿以及焊接軌跡，進而保證焊接的質量。

綜上所述，本發明的焊接系統100通過在焊槍12上設置位於焊縫兩側的兩個點雷射傳感器22以及用以感測焊縫的輪廓的線雷射傳感器21，所述主控機根據每一所述點雷射傳感器22感測到的該點雷射傳感器22距與該點雷射傳感器22相對應的母材4的距離得出母材4的偏移角度，同時根據焊縫的輪廓得出所述焊縫的偏移量，最後根據得出的母材4的偏移角度以及焊縫的偏移量得出焊槍12的標準位姿，並驅動所述機器人本體11帶動所述焊槍12自當前位姿調整至標準位姿後再對焊縫進行焊接，從而在焊接進程中不斷修正焊槍12的位姿以及焊接軌跡，能夠適應焊接變形較大、焊縫不均勻等工件的焊接作業，且能夠達到預定的焊接質量。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。