一种位姿自适应机器人的焊接系统及位姿调整方法与流程

本发明涉及机器人焊接技术领域，尤其涉及一种能够在焊接过程中对焊接位姿进行实时调整的位姿自适应机器人的焊接系统及位姿调整方法。

背景技术：

传统的焊接方法主要包括人工焊接、专机焊接等。人工焊接作业环境恶劣、效率低下，难以保证焊接质量；专机焊接适用于大批量的零部件的生产，且专机成本较高。

采用焊接机器人进行自动化焊接能够大幅度提高焊接效率及焊接质量，且焊接机器人具有良好的通用性和适应性，故，采用焊接机器人进行焊接作业是焊接领域的主要发展方向之一。

现有的焊接机器人的焊接工作主要是通过示教再现的模式实现的，即在焊接工件前需要依靠大量的人力对焊接机器人进行示教，但是，示教后的焊接机器人不能感知工件的尺寸、位置等的变化，而当工件的这些因素发生变化时，就会导致焊接的质量下降。

有鉴于此，有必要提供一种新的位姿自适应机器人的焊接系统及位姿调整方法以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够在焊接过程中对焊接位姿进行实时调整的位姿自适应机器人的焊接系统及位姿调整方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种位姿自适应机器人的焊接系统，包括焊接机器人以及与所述焊接机器人通讯连接的主控机，所述焊接机器人包括机器人本体、固定于所述机器人本体上的用以焊接焊缝的焊枪、与所述机器人本体通讯连接的机器人控制器、给所述机器人控制器以及焊枪供电的焊接电源，所述主控机与所述机器人控制器通讯连接，所述位姿自适应机器人焊接系统还包括与所述主控机通讯连接的检测跟踪系统，所述检测跟踪系统包括设于所述焊枪上的用以检测焊缝的轮廓的线激光传感器以及设于所述焊枪上且位于所述焊枪的相对两侧的两个点激光传感器，每一所述点激光传感器用以感测该点激光传感器距与该点激光传感器相对应的一侧的母材的距离；所述主控机根据两个点激光传感器以及线激光传感器测得的数据得到所述焊接机器人的标准位姿并根据该标准位姿调整所述焊接机器人的位姿。

作为本发明的进一步改进，所述检测跟踪系统还包括固定于所述焊枪上的安装支架，所述安装支架的长度方向垂直于所述焊枪的延伸方向，两个所述点激光传感器分别固定于所述安装支架的长度方向的两端。

作为本发明的进一步改进，两个所述点激光传感器距所述焊枪的距离相等。

作为本发明的进一步改进，两个所述点激光传感器均向下且朝向所述焊枪倾斜；两个所述点激光传感器的倾斜角度相同。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种位姿自适应机器人的位姿调整方法，所述位姿调整方法包括如下步骤：

S1：主控机驱动所述焊接机器人运动至所述焊缝的检测位置，使两个所述点激光传感器分别位于所述焊缝的两侧；

S2：每一所述点激光传感器感测该点激光传感器距与该点激光传感器相对应的一侧的母材之间的距离，主控机得出焊缝两侧的母材的偏移角度；

S3：线激光传感器感测所述焊缝的轮廓，主控机得出所述焊缝的偏移量；

S4：主控机根据所得出的母材的偏移角度以及焊缝的偏移量得出焊枪的标准位姿，主控机驱动所述机器人本体带动所述焊枪自当前位姿调整至标准位姿。

S5：开始焊接。

作为本发明的进一步改进，两个所述点激光传感器分别为第一点激光传感器、第二点激光传感器，以所述第一点激光传感器与所述第二点激光传感器的连线为基线，所述基线垂直于所述焊枪的延伸方向，步骤S2具体包括如下步骤：

S21：对设于焊枪上相对两侧的第一点激光传感器以及第二点激光传感器进行参数标定，获得所述第一点激光传感器距焊枪的距离L₁、第二点激光传感器距焊枪的距离L₂、第一点激光传感器发出的激光线与所述基线之间的第一夹角α、第二点激光传感器发出的激光线与所述基线之间的第二夹角β；

S22：通过第一点激光传感器向与所述第一点激光传感器相对应的母材的表面发射激光线，并得到该激光线位于母材上的第一特征点P₁以及第一点激光传感器距第一特征点P₁的距离H₁；通过第二点激光传感器向与所述第二点激光传感器相对应的母材的表面发射激光线，并得到该激光线位于母材上的第二特征点P₂以及第二点激光传感器距第二特征点P₂的距离H₂；

S23：以所述基线与所述焊枪的交点为原点O、第二点激光器与原点O的连线为Y轴、焊枪的延伸方向为Z轴建立焊接坐标系，通过坐标变换获得第一特征点P₁、第二特征点P₂在该焊接坐标系下的坐标；

S24：根据第一特征点P₁的坐标以及第二特征点P₂的坐标得出焊缝两侧的母材相对于所述基线的偏移角度。

作为本发明的进一步改进，所述第一特征点P₁的坐标为(y_p1，z_p1)；所述第二特征点P₂的坐标为(y_p2，z_p2)，所述偏移角度为γ，所述γ的计算公式如下：

$\mathrm{\γ}=arctan\frac{z_{p2}-z_{p1}}{y_{p2}-y_{p1}}.$

作为本发明的进一步改进，步骤S21中的所述第一夹角α与所述第二夹角β相等且均为锐角。

作为本发明的进一步改进，所述焊接机器人还包括设于所述焊枪远离所述机器人本体的一端的焊丝，所述焊接坐标系还包括位于基线所在平面上且与Y轴相垂直的X轴，步骤S3具体包括如下步骤：

S31：线激光传感器感测所述焊缝的轮廓；

S32：根据所述焊缝的轮廓得出所述焊缝在宽度方向的中点在焊接坐标系下的坐标，并计算该坐标相对于焊丝在母材所在平面上的投影点在焊接坐标系下的当前坐标的偏移量。

作为本发明的进一步改进，步骤S5后还包括如下步骤：判断是否到达焊缝的结束点，若否，则运行上述步骤S1～S5；若是，则焊接结束。

本发明的有益效果是：本发明的焊接系统通过在焊枪上设置位于焊缝两侧的两个点激光传感器以及用以感测焊缝的轮廓的线激光传感器，所述主控机根据每一所述点激光传感器感测到的该点激光传感器距与该点激光传感器相对应的母材的距离得出母材的偏移角度，同时根据焊缝的轮廓得出所述焊缝的偏移量，最后根据得出的母材的偏移角度以及焊缝的偏移量得出焊枪的标准位姿，并驱动所述机器人本体带动所述焊枪自当前位姿调整至标准位姿后再对焊缝进行焊接，从而在焊接进程中不断修正焊枪的位姿以及焊接轨迹，能够适应焊接变形较大、焊缝不均匀等工件的焊接作业，且能够达到预定的焊接质量。

附图说明

图1是本发明的位姿自适应机器人的焊接系统的结构示意图。

图2是图1中A处的放大结构示意图。

图3是本发明中的位姿调整方法的流程图。

图4是焊枪位于当前位姿的结构示意图。

图5是焊枪位于当前位姿时建立的焊接坐标系的示意图。

图6是焊抢调整至标准位姿后的结构示意图。

图7是焊枪自当前位姿移动至标准位姿的轨迹示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

请参阅图1～图7所示，本发明提供一种位姿自适应机器人的焊接系统100以及位姿调整方法，以在焊接进程中，根据焊缝的偏移量以及焊缝两侧的母材的偏移角度实时调整焊接的位姿以及轨迹，保证焊接的质量。

请参图1～图2所示，所述焊接系统100包括焊接机器人1、检测跟踪系统2以及主控机3，所述焊接机器人1、检测跟踪系统2均与所述主控机3通讯连接，以使所述主控机3能够根据所述检测跟踪系统2测得的有关工件上的焊缝以及焊缝两侧的母材4的信息控制所述焊接机器人1。

所述焊接机器人1包括机器人本体11、固定于所述机器人本体11上的用以焊接焊缝的焊枪12、设于所述焊枪12远离所述机器人本体11的一端的焊丝13、与所述机器人本体11通讯连接的机器人控制器15、给所述机器人控制器15以及焊枪12供电的焊接电源16。

所述机器人控制器15与所述主控机3通讯连接，以使所述主控机3通过所述机器人控制器15驱动所述机器人本体11，从而带动所述焊枪12移动。

所述检测跟踪系统2包括设于所述焊枪12上的用以检测焊缝的轮廓的线激光传感器21、分设于所述焊枪12上的相对两侧的两个点激光传感器22以及固定于所述焊枪12上用以固定两个所述点激光传感器22的安装支架23。

所述线激光传感器21以及两个所述点激光传感器22均与所述主控机3通讯连接，所述主控机3根据两个点激光传感器22以及线激光传感器21测得的数据计算得到所述焊接机器人1的标准位姿并根据该标准位姿调整所述焊接机器人1的位姿。该标准位姿即焊枪12垂直于所述母材4所在的平面，且所述焊丝13位于所述焊缝在宽度方向上的中点所在的位置处，以保证焊接的质量。

在将所述安装支架23固定于所述焊枪12上后，所述安装支架23的长度方向垂直于所述焊枪12的延伸方向，且所述安装支架23的长度方向的两端分别位于所述焊枪12的相对两侧。

两个所述点激光传感器22分别固定于所述安装支架23的长度方向的两端，在需要焊接时，主控机3驱动机器人本体11带动所述焊枪12运动至检测位置后，两个所述点激光传感器22分别位于焊缝的两侧，以感测所述点激光传感器22距与该点激光传感器22相对应的一侧的母材4的距离。

具体地，两个所述点激光传感器22距所述焊枪12的距离相等，两个所述点激光传感器22均向下且朝向所述焊枪12倾斜，且两个所述点激光传感器22的倾斜角度均相同，在焊接前，先对两个点激光传感器22进行参数标定，即将两个所述点激光传感器22距所述焊枪12的距离以及倾斜角度储存至主控机3内，以便于主控机3结合每一所述点激光传感器22测得的该点激光传感器22距与该点激光传感器22相对应的一侧的母材4的距离计算得出焊缝两侧的母材4的偏移角度。

进一步地，所述检测跟踪系统2还包括分别与两个所述点激光传感器21通讯连接的两个点激光控制器25，两个所述点激光控制器25均与所述主控机3通讯连接，即每一所述点激光传感器22通过与该点激光传感器22相对应的点激光控制器25与所述主控机3通讯连接。

每一所述点激光传感器22测得的该点激光传感器22距与该点激光传感器22相对应的一侧的母材4之间的距离均储存至点激光控制器25内，主控机3提取两个所述点激光控制器25内的距离信息并进行计算，以得出焊缝两侧的母材4的偏移角度。

进一步地，所述检测跟踪系统2还包括与所述线激光传感器21通讯连接的线激光控制器24，所述线激光控制器24与所述主控机3通讯连接，即所述线激光传感器21通过所述线激光控制器24与所述主控机3通讯连接。

所述线激光传感器21设于所述焊枪12上靠近所述焊丝13的位置处，且所述线激光传感器21测得的焊缝的轮廓信息储存至线激光控制器24内，主控机3提取线激光控制器24内的焊缝的轮廓信息并进行计算，以得出焊缝的偏移量。

请参图3～图7所示，两个所述点激光传感器22分别为第一点激光传感器221、第二点激光传感器222，以所述第一点激光传感器221与所述第二点激光传感器222的连线为基线，所述基线垂直于所述焊枪12的延伸方向，基于焊接系统100的位姿调整方法在焊接系统100开始工作后包括如下步骤：

S1：主控机3驱动所述焊接机器人1运动至所述焊缝的检测位置，使两个所述点激光传感器22分别位于所述焊缝的两侧；

S2：每一所述点激光传感器22感测该点激光传感器22距与该点激光传感器22相对应的一侧的母材4之间的距离，主控机3得出焊缝两侧的母材4的偏移角度；

S3：线激光传感器21感测所述焊缝的轮廓，主控机3得出所述焊缝的偏移量；

S4：主控机3根据所得出的母材4的偏移角度以及焊缝的偏移量得出焊枪12的标准位姿，主控机3驱动所述机器人本体11带动所述焊枪12自当前位姿调整至标准位姿。

S5：开始焊接。

S6：判断是否到达焊缝的结束点，若否，则运行上述步骤S1～S5；若是，则焊接结束，即焊接系统100关闭。

在步骤S1中，在焊接系统100开始工作后的最先的检测位置即指焊缝的起点位置。

步骤S2具体包括如下步骤：

S21：对设于焊枪12上相对两侧的第一点激光传感器221以及第二点激光传感器222进行参数标定，获得所述第一点激光传感器221距焊枪12的距离L₁、第二点激光传感器222距焊枪12的距离L₂、第一点激光传感器221发出的激光线与所述基线之间的第一夹角α、第二点激光传感器222发出的激光线与所述基线之间的第二夹角β；

S22：通过第一点激光传感器221向与所述第一点激光传感器221相对应的母材4的表面发射激光线，并得到该激光线位于母材4上的第一特征点P₁以及第一点激光传感器221距第一特征点P₁的距离H₁；通过第二点激光传感器222向与所述第二点激光传感器222相对应的母材4的表面发射激光线，并得到该激光线位于母材4上的第二特征点P₂以及第二点激光传感器222距第二特征点P₂的距离H₂；

S23：以所述基线与所述焊枪12的交点为原点O、第二点激光器222与原点O的连线为Y轴、焊枪12的延伸方向为Z轴建立焊接坐标系，通过坐标变换获得第一特征点P₁、第二特征点P₂在该焊接坐标系下的坐标；

S24：根据第一特征点P₁的坐标以及第二特征点P₂的坐标得出焊缝两侧的母材4相对于所述基线的偏移角度。

如图5所示，所述第一特征点P₁在焊接坐标系中的坐标为(y_p1，z_p1)；所述第二特征点P₂在焊接坐标系中的坐标为(y_p2，z_p2)，所述偏移角度为γ，则所述γ的计算公式如下：

具体地，所述y_p1＝-L1+H₁cosα；Z_P1＝H₁sinα；y_p2＝L2-H₂cosβ；Z_P2＝H₂sinβ；主控机3根据第一点激光传感器221以及第二点激光传感器222的标定参数结合测得的距离H₁以及距离H₂计算得出y_p1、z_p1、y_p2、z_p2的值，然后再将这些值代入上述偏移角度γ的公式，算出焊缝两侧的母材4相对于基线的偏移角度，在调整焊枪12的位姿时，只要通过所述主控机3驱动机器人本体11带动焊枪12转动相应的偏移角度，则焊枪12就垂直于所述母材4所在的平面。

具体地，步骤S21中的所述第一夹角α与所述第二夹角β相等且均为锐角，以使所述第一激光传感器221发出的激光线、第二激光传感器222发出的激光线以及基线能够构成三角形。

步骤S23中的所述焊接坐标系还包括位于基线所在平面上且与Y轴相垂直的X轴，步骤S3具体包括如下步骤：

S31：线激光传感器21感测所述焊缝的轮廓；

S32：主控机3根据所述焊缝的轮廓得出所述焊缝在宽度方向的中点在焊接坐标系下的坐标，并计算该坐标相对于焊丝13在母材4所在平面上的投影点在焊接坐标系下的当前坐标的偏移量。

在计算出相应的偏移量后，所述主控机3根据母材4的偏移角度、焊缝的偏移量计算出焊枪12的标准位姿对应的位姿点，并驱动机器人本体11带动焊枪12自当前位姿调整至标准位姿。

请参图6所示，在焊枪12位于标准位姿后，所述焊枪12垂直于所述母材4所在的平面且所述焊丝13位于所述焊缝在宽度方向上的中点。

请参图7所示，即为主控机3驱动机器人本体11带动焊枪12自当前位姿调整至标准位姿过程中焊枪12的运动轨迹图。

伴随着焊接进程，焊缝两侧的母材4的偏移角度会发生变化，随之第一特征点P₁、第二特征点P₂的坐标也会发生实时变化；同时，焊缝也会发生偏移，对应的焊缝在宽度方向上的中点也会发生偏移，因此通过上述方法可以实时测量焊缝两侧的母材的偏移角度以及焊缝的偏移量，以在焊接进程中实时调整焊接的位姿以及焊接轨迹，进而保证焊接的质量。

综上所述，本发明的焊接系统100通过在焊枪12上设置位于焊缝两侧的两个点激光传感器22以及用以感测焊缝的轮廓的线激光传感器21，所述主控机根据每一所述点激光传感器22感测到的该点激光传感器22距与该点激光传感器22相对应的母材4的距离得出母材4的偏移角度，同时根据焊缝的轮廓得出所述焊缝的偏移量，最后根据得出的母材4的偏移角度以及焊缝的偏移量得出焊枪12的标准位姿，并驱动所述机器人本体11带动所述焊枪12自当前位姿调整至标准位姿后再对焊缝进行焊接，从而在焊接进程中不断修正焊枪12的位姿以及焊接轨迹，能够适应焊接变形较大、焊缝不均匀等工件的焊接作业，且能够达到预定的焊接质量。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。