基于旋转电弧传感的智能焊接机器人实时焊缝跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接自动控制设备技术领域，具体涉及一种基于旋转电弧传感的智能 焊接机器人实时焊缝跟踪方法。
【背景技术】
[0002] 现今，在工业4.0高科技战略计划的全球大背景及中国2025机械制造新形势下，机 器人的推广和应用是必不可少的重要环节，焊接自动化、焊接机器人以及智能化已成为焊 接技术发展的趋势。越来越多的焊接机器人已广泛应用在自动化制造的各个领域。但是，现 在工厂里大多数的焊接机器人仅维持在传统的示教再现的水平，对于空间复杂焊缝轨迹及 复杂尺寸和形状的工件，需花费大量的人工时间来示教，不仅带来巨大的人力消耗，也不利 于缩短生产周期、降低成本。
[0003] 示教再现型机器人对焊接条件的稳定性要求极为苛刻。实际焊接生产中，由于不 同工件、不同焊接任务的焊缝轨迹的复杂性，难以甚至不能用具体的曲线方程设定焊接轨 迹，从而导致示教困难，由此难以得到优良的焊接质量和焊缝成形。同时，示教型机器人对 焊件装配精度要求高，受实时焊接所引起的应力变形干扰大。最主要的原因在于，机器人只 具备单一执行机构功能，不具备感知外界信息的能力，由此不能通过获取焊枪相对目标焊 缝轨迹的空间位姿关系来实现机器人的自主修正即焊缝跟踪。为了解决这一问题，必须给 机器人配置外界感知传感器，赋予其获得外部信息的能力。
[0004]在常用的焊缝跟踪传感器中，电弧传感器实时性最好，跟踪性能稳定且精度高，成 本低，适合于工业生产应用。同时，旋转电弧传感器在进行空间扫描采集信号时，相对其他 现有的传感器，能够减少数据样本重叠率，提高信号特征维度，从而较准确的提取焊枪的三 维位姿信息，包括多个自由度，与具有多自由度的机器人执行机构结合完美互补。目前，将 旋转电弧传感技术应用在机器人系统上，解决空间复杂焊缝轨迹自动跟踪的研究较少。针 对旋转电弧传感式焊缝实时跟踪系统与机器人系统进行研究，以机器人系统为主体，结合 旋转电弧传感式焊缝实时跟踪系统，实现纠偏，为焊缝跟踪技术在机器人中的应用提供理 论参考，这也是焊接机器人朝着自动化、柔性化和智能化发展的必然要求。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明旨在提供一种稳定性好、响应速度快、实用性强、简单且易 实现的基于旋转电弧传感的智能焊接机器人实时焊缝跟踪方法。针对不同的焊缝甚至空间 复杂轨迹，研究以旋转电弧传感器为主体的焊缝跟踪系统与机器人系统有机结合，提出了 一种基于旋转电弧传感的智能焊接机器人实时焊缝跟踪方法，发明了一种用于旋转电弧焊 缝跟踪传感器信号预处理的装置和一种分离焊枪的空间位姿信号的维度分类器，克服机器 人只具备单一执行机构功能，不具备感知外界信息的能力的局限性。发明了一种旋转电弧 实时跟踪扩展串口，在保留焊接机器人原有功能模炔基础上开发机器人通讯串口，偏移量 和偏移角信号经该串口控制电路后转换为焊接机器人系统能识别的机器语言，将得到的信 号实时传输至扩增的旋转电弧实时焊缝跟踪传感器模块，由机器人系统实时处理该偏差信 号并执行相应动作。该方法通过旋转电弧传感器获取焊枪的空间位姿来实现机器人灵活多 变的实时跟踪，为旋转电弧传感技术在机器人系统中实现焊缝自动跟踪提供新方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:根据旋转电弧传感式焊缝跟踪系统 与焊接机器人系统的各自特点，本发明将其有机结合。焊接机器人保留原有功能模块，对焊 接过程中旋转电弧焊缝跟踪传感器采集到的电流信号进行滤波等预处理，增加了一种维度 分类器装置，对该处理信号进行维度分离，获取焊枪的空间位姿信号，包括电弧中心与焊缝 中心的两正交方向偏移量，焊枪高度的偏移量，焊枪焊件之间航向角、横滚角、俯仰角与理 想位姿的三个偏移角。增加了一种旋转电弧实时跟踪扩展串口，开发机器人通讯串口，信号 经该串口控制电路后转换为焊接机器人系统能识别的机器语言，将得到的偏移量和偏移角 实时传输至扩增的旋转电弧实时焊缝跟踪传感器模块，由六自由度智能焊接机器人执行纠 偏动作。
[0007] 本发明所述维度分类器，基于欧式距离最近原理。旋转电弧跟踪系统在焊接过程 中由传感头采集实时焊接电流数据信号，该信号具有多维性，对应焊枪RF、RB、RU、RD、LF、 1^、〇]、1^)、2?、28、2等的多种空间姿态。为了满足六自由度智能机器人系统的纠偏执行功 能，维度分类器首先提取未知焊枪姿态的空间特征向量，然后计算与各种经验焊枪姿态空 间特征向量之间的欧氏距离，得到一个距离集，对所有的距离进行比较，距离集中最小的 值，则将当前焊枪姿态的空间特征向量归入对应的偏移量和偏移角类型。以此类推，可得到 所有的焊前姿态对应的经验数据，且经验焊枪位姿特征空间向量必然对应一至多个未知焊 枪姿态的特征向量。若对应多个，则取距离最小的，其余均舍弃。由此可将采集到的高维度 信号转化为可由机器人系统执行的低维度焊缝跟踪偏移量(角）。
[0008] 本发明所述旋转电弧实时跟踪扩展串口，主要解决旋转电弧跟踪系统与六自由度 焊接机器人的信号语言转换和实时通讯问题。该扩展串口基于机器人系统开放式扩展接 口，与机器人系统原有模块相互独立又能实时通讯，由晶体管模块、逻辑门模块、可编程逻 辑整列模块、微码执行单元模块、解码单元模块、I/O双向模块等组成。传感电弧跟踪系统实 时采集的焊接电流信号滤波、降维后，偏移量及偏移角信号仍为电信号，经扩展串口 INPUT 端输入依次经过各单元模块，转换为多组偏移信号的机器码。该机器码由OUTPUT端实时传 输至机器人系统控制中心，通过一系列运算分析生成指令集，经逻辑门电路变为高低电平 控制信号。
[0009] 本发明的有益效果是:有机结合采集多自由度空间位姿信号的旋转电弧跟踪系统 和六轴智能焊接机器人系统，维度分类器实现了焊枪空间姿态的分离，既能满足焊枪姿态 识别，又能保证跟踪精度，旋转电弧实时跟踪扩展串口实现了两大系统间的信号通讯，使系 统充分发挥旋转电弧传感焊缝跟踪系统与机器人系统互补的综合优势，提高了机器人系统 的适应性，集成后的焊接系统稳定性高，灵活性强，实现机器人自动化、柔性化和智能化的 实时焊缝跟踪，具有重要的实际应用价值，顺应当前工业4.0高科技战略计划的全球大背景 及中国2025机械制造新潮流。
【附图说明】
[0010]图1是基于旋转电弧传感的机器人实时焊缝跟踪的原理结构框图。
[0011] 图2是维度分类器及旋转电弧实时跟踪扩展串口工作原理图。
[0012] 图3是基于旋转电弧传感的机器人实时焊缝跟踪系统示意图。
[0013]图中：1-送丝机，2-水冷系统，3-旋转电弧传感器，4-工件及装卡装置，5-气瓶，6-旋转电弧跟踪系统控制箱，7-维度分类器，8-带代码编译器的信号预处理装置，9-机械手 臂，10-霍尔传感器，11-机器人控制柜，12-焊机。
[0014] 图4是基于旋转电弧传感的智能焊接机器人实时焊缝跟踪方法流程图。
[0015] 图5是基于旋转电弧传感的机器人实时焊缝跟踪实例图。
[0016] 图中：①-机器人、旋转电弧实时焊缝跟踪传感器初始化时传感器及具有复杂焊缝 轨迹的工件的初始位姿关系，其中：19-固联于机器人上的传感器到达工件的预设路径;②-焊接开始前传感器到达焊接起始点，其中：20-焊接起始点;③-焊接过程中实际焊接工作点 与目标焊接工作点，其中：21-目标焊缝轨迹，22-实际旋转电弧传感器位置，23-纠偏方向矢 量，24-目标旋转电弧传感器位置;④-机器人系统补偿偏差量实现实时焊缝跟踪，其中：25-传感器到达理想位置;⑤-焊接结束传感器按照一定轨迹回到初始位姿，各系统复位，其中： 26-传感器复位的运动路径。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述，但不限定本发明。
[0018]