一种用于机器人的旋转电弧焊缝跟踪系统信息处理方法与流程

本发明属于焊接自动控制设备技术领域，具体涉及一种用于机器人的旋转电弧焊缝跟踪系统信息处理方法。

背景技术：

随着焊接自动化程度不断提高，焊接机器人也由单一的示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元(系统)方向发展。目前，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，实现焊缝纠偏功能，已成为焊缝跟踪研究领域的一大热点。

将旋转电弧技术应用于机器人的基础设备主要有旋转电弧传感器，旋转电弧焊缝跟踪系统以及一台具有外部扩展口的机器人。在已授权公开的发明专利中已经有焊缝跟踪的磁控电弧旋转传感器，专利号：201210428067.6，该发明集水冷却装置、保护气体输送装置、位置信息检测装置于一身，完全替代传统焊枪又优于传统焊枪；磁控旋转电弧传感实时焊缝跟踪系统及方法，专利号：201210363443.8，该发明由磁控旋转电弧传感器中获得表征焊枪与焊缝相对位置的特征参数，经霍尔传感器获得焊接电流信号后，送入控制系统进行数字滤波处理和相应的程序运算，控制跟踪执行机构进行适时调整焊枪，使焊枪与焊缝中心对准以实现焊缝跟踪；一种机器人示教轨迹规划方法和系统，专利号：201310745783.1，该发明所述的机器人示教轨迹规划方法包括：在对机器人进行示教过程中，采集示教轨迹的空间关键点，根据示教轨迹的空间关键点，用多结点样条插值函数以及最小二乘拟合方法，得到示教轨迹曲线。

将旋转电弧技术应用于机器人的难点主要在于旋转电弧焊缝跟踪系统实时输出的焊缝偏差信息与机器人内部语言不同，使偏差信息无法直接传输至机器人系统被识别与处理，导致机器人在焊接过程中无法自主做出路径调节。在目前已有的一篇文献中，基于旋转电弧传感的弧焊机器人焊缝跟踪系统，文章编号:1004-132x(2003)12-1039-04，提出了将高速旋转电弧传感器用于德国CLOOS公司生产的ROMAT76AW型弧焊机器人，并以此研制出了弧焊机器人焊缝跟踪系统。但该方案需要机器人控制柜的扩展内槽中提供四个专门用于纠偏信号输人的接口,分别对应左、右、上、下的驱动信号输人,适用的机器人型号少，不具备通用性。因此，本发明需提出一种新的焊缝偏差信息处理方法，能够将处理后的焊缝偏差信息直接通过机器人的一个外部扩展口传输至机器人控制系统被识别和处理，使机器人在焊接过程中自主做出路径调节。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明旨在提出一种将旋转电弧焊缝跟踪系统实时输出的焊缝偏差信息处理为机器人可识别和处理的三维坐标量的方法，研究将机器人基坐标系下焊枪的实时工具坐标与旋转电弧焊缝跟踪系统输出的焊缝偏差信息有机结合，提出了一种基于三维坐标平移变换原理的信息处理方法，发明了一种用于计算机器人纠正焊缝偏差时焊枪行进的补偿量的补偿量计算模块，与焊缝偏差信息构成三维偏差量，保证机器人纠正焊缝偏差的精确度。发明了一种矢量叠加运算模块，将机器人纠正焊缝偏差时焊枪行进的补偿量和焊缝偏差信息与机器人基坐标系下焊枪的实时工具坐标进行矢量叠加，得到机器人纠正焊缝偏差后焊枪的工具坐标，即焊枪的下一工作位置，经以太网控制器将下一工作位置转换为高/低电平信号，通过TCP协议传输至机器人控制系统，驱动各轴伺服电机实时纠偏。该方法通过得出焊枪的下一工作位置点，使机器人依据下一工作位置的坐标来驱动机械臂运动实现焊缝跟踪，为旋转电弧焊缝跟踪技术在机器人中的应用提供新方法。

本发明解决其技术问题所应用的技术方案是：保留旋转电弧焊缝跟踪系统与机器人系统原有模块，根据机器人系统路径规划的特点，将旋转电弧焊缝跟踪系统实时输出的焊缝偏差信息处理为机器人可识别和处理的坐标量，该焊缝偏差信息包含左右偏差和高度偏差，通过发明的补偿量计算模块得出机器人纠正焊缝偏差时焊枪行进的补偿量，与焊缝偏差信息构成三维偏差量，利用矢量叠加运算模块将补偿量和焊缝偏差信息与机器人基坐标系下焊枪的实时工具坐标进行矢量叠加，得到机器人纠正焊缝偏差后焊枪的工具坐标，即焊枪的下一工作位置，经矢量叠加运算模块上的通讯接口将下一工作位置的坐标传输至机器人控制系统，驱动各轴伺服电机实时纠偏。

本发明所述补偿量计算模块，主要解决机器人纠正焊缝偏差时焊枪前进行程固定不变而只与设定好的焊接速度有关，以致影响了机器人纠正焊缝偏差的精确度的问题。为了确定机器人纠正焊缝偏差时焊枪合适的前进行程，补偿量计算模块实时获取旋转电弧焊缝跟踪系统中的旋转电弧传感器扫描周期和焊接速度以及包含左右偏差和高度偏差的焊缝偏差信息，依据这四个参数对机器人纠正焊缝偏差时焊枪行进的补偿量进行计算，得出实时的补偿量，与焊缝偏差信息构成三维偏差量，保证机器人纠正焊缝偏差的精确度。

本发明所述矢量叠加运算模块，基于三维坐标平移变换原理，主要将补偿量和旋转电弧焊缝跟踪系统输出的焊缝偏差信息处理为机器人系统可识别和处理的坐标量。通过矢量叠加运算模块的坐标输入模块，将起焊点的机器人基坐标系下焊枪的实时工具坐标输入至坐标数据缓存单元，然后矢量叠加运算模块获取补偿量计算模块输出的补偿量和焊缝偏差信息，与坐标数据缓存单元中焊枪的实时工具坐标进行矢量叠加，得到机器人纠正焊缝偏差后焊枪的工具坐标，即焊枪的下一工作位置，将新工具坐标输入至坐标数据缓存单元，更新坐标值并经以太网控制器将下一工作位置的坐标转换为高/低电平信号，通过TCP协议传输至机器人控制系统。之后不断更新的补偿量和焊缝偏差信息与坐标数据缓存单元内不断更新的工具坐标依次进行矢量叠加，可得出每个旋转电弧传感器扫描周期的纠正焊缝偏差后焊枪的工作位置，焊缝跟踪结束后，矢量叠加运算模块中所有数据缓存器清零。

本发明的有益效果是：将机器人基坐标系下焊枪的实时工具坐标与旋转电弧焊缝跟踪系统输出的焊缝偏差信息有机结合，使旋转电弧焊缝跟踪系统实时输出的焊缝偏差信息处理为机器人可识别和处理的三维坐标量，补偿量计算模块实现了机器人纠正焊缝偏差时焊枪行进的补偿量的计算，与焊缝偏差信息构成三维偏差量，有效保证机器人纠正焊缝偏差的精确度，矢量叠加运算模块依据补偿量和焊缝偏差信息与机器人基坐标系下焊枪的实时工具坐标得出焊枪的下一工作位置，并通过TCP协议传输至机器人控制系统，使机器人依据下一工作位置的坐标来驱动机械臂运动，实现焊缝跟踪，有效地将旋转电弧焊缝跟踪系统与机器人结合，为旋转电弧焊缝跟踪技术在机器人中的应用提供新方法。

附图说明

图1是一种用于机器人的旋转电弧焊缝跟踪系统信息处理方法的原理结构框图。

图2是补偿量计算模块与矢量叠加运算模块工作原理图。

图3是一种用于机器人的旋转电弧焊缝跟踪系统信息处理方法的工作流程图。

具体实施方式

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。

实施例1，所述补偿量计算模块在焊接开始后，从旋转电弧焊缝跟踪系统中获取旋转电弧传感器扫描周期t和焊接速度V以及旋转电弧焊缝跟踪系统实时采集处理后所输出的包含左右偏差和焊枪高度偏差的焊缝偏差信息T_Y和T_Z，考虑让机器人纠正焊缝偏差的时间在一个旋转电弧传感器扫描周期内，利用扫描周期t和焊接速度V计算出在一个旋转电弧传感器扫描周期内机器人纠正焊缝偏差时焊枪行径长度a，计算公式如下：

a＝V*t

该焊枪行径长度a是纠正焊缝偏差后焊枪的工作位置点与原工作位置点的空间直线距离，包含了三个方向的偏差量，在已知两个方向的偏差量T_Y和T_Z后，依据勾股定理可以计算出第三个方向的偏差量，即机器人纠正焊缝偏差时焊枪行进的实时补偿量T_X,计算过程如下：

补偿量T_X与焊缝偏差信息T_Y和T_Z构成了相对于原焊枪工作位置的三维偏差量T_X、T_Y和T_Z。

基坐标系和末端连杆坐标系是工业机器人最基本的2个坐标系，对于任何一台工业机器人而言，这2个坐标系都是预先设定好而无需标定，所以根据多点标定法即可得出焊枪尖端相对于机器人基坐标系的工具坐标值，可在示教器上查看。起焊前从示教器查看起焊点的机器人基坐标系下焊枪的工具坐标(X，Y，Z)，并手动输入至矢量叠加运算模块中的坐标数据缓存单元中作为起始工具坐标。焊接开始后，矢量叠加运算模块从补偿量计算模块中实时获取补偿量T_X和焊缝偏差信息T_Y和T_Z，与坐标数据缓存单元中焊枪的实时工具坐标进行矢量叠加运算模块生成新工具坐标值：(X′，Y′，Z′),即焊枪的下一工作位置，计算过程如下：

矩阵变换过程如下：

下一步将新工具坐标输入坐标数据缓存单元中，更新坐标并经以太网控制器将下一工作位置的坐标转换为高/低电平信号，通过TCP协议传输至机器人控制系统。之后不断更新的补偿量和焊缝偏差信息与坐标数据缓存单元内不断更新的工具坐标依次进行矢量叠加，可得出每个旋转电弧传感器扫描周期的纠正焊缝偏差后焊枪的工作位置，这些工作位置构成了机器人纠正焊缝偏差的轨迹，焊缝跟踪结束后，矢量叠加运算模块中所有数据缓存单元清零。参阅图1和图2，其余同上述实施例。

实施例2，所述一种用于机器人的旋转电弧焊缝跟踪系统信息处理方法的工作流程。焊接开始前，将起焊点的机器人基坐标系下焊枪的工具坐标(X，Y，Z)输入至矢量叠加运算模块的坐标数据缓存单元中。焊接开始后，旋转电弧焊缝跟踪系统将旋转电弧传感器扫描周期t和焊接速度V以及旋转电弧焊缝跟踪系统实时采集处理后所得到的焊缝偏差信息T_Y和T_Z输入至补偿量计算模块中。利用补偿量计算模块对机器人纠正焊缝偏差时焊枪行进的补偿量进行计算，得出实时的补偿量T_X，与旋转电弧焊缝跟踪系统实时采集处理后所得到的焊缝偏差信息构成相对于原焊枪工作位置的三维偏差量T_X、T_Y和T_Z。然后矢量叠加运算模块从补偿量计算模块中获取补偿量T_X和焊缝偏差信息T_Y和T_Z，与坐标数据缓存单元中焊枪的实时工具坐标进行矢量叠加运算模块，生成新工具坐标值：(X′，Y′，Z′),即焊枪的下一工作位置，再将新工具坐标输入坐标数据缓存单元中，更新坐标并经以太网控制器将下一工作位置的坐标转换为高/低电平信号，经通讯接口与TCP协议实时传输至机器人主计算机，通过机器人内部的转换处理器和相应姿态插补运算等将新工具坐标转换为机器人轴关节坐标值，发送至各个关节，驱动各轴伺服电机执行纠偏。焊接结束后，矢量叠加运算模块的数据缓存器清零，系统复位。参阅图1至图3，其余同上述实施例。