专利名称：机器人焊接v型工件焊接起点的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人焊接V型工件焊接起点的控制方法，属于机械自动控制领域。
背景技术：
在国内的焊接行业中，使用焊接机器人代替人工焊接已经呈趋势，但目前普遍存在着焊件加工误差较大，夹具精度不高，在焊接过程中，焊接产生热变形，严重影响了焊缝的质量。因此保证焊接产品质量的稳定性、提高生产效率、减轻工人的劳动强度和改善劳动环境已经成为现代焊接制造工艺发展最关键的问题。因而对焊缝的精确的定位更显得尤为重要，定位的第一步就是找到焊缝的起始点的问题，虽然视觉传感器可以达到这样的要求， 但是视觉传感器附加成本高，使得焊接系统复杂、重量增加，且成本高，受环境影响比较大， 如，电弧，烟尘等，实际应用较少。寻找焊缝起始点的目的是为了提高焊接同一类工件的效率。当完成初始工件的焊接后，更换新工件，摆放位置上会有偏差，焊缝的位置也发生变化，为了更好地提高应用精度，就需要对初始的焊缝起点经行修正。通过触碰寻找到焊缝起始点，就无需再重复手动示教，这样既降低了劳动强度，也提高了效率，符合自动化生产发展的规律。专利号201010128613. 5 “机器人接触寻找焊缝的方法”中，焊接把工件看成静态模型，每次都要寻找6个特征点计算实际工件焊缝，在机器人控制方面加大了难度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种机器人焊接V型工件焊接起点的控制方法，通过本方法可以解决大量焊接工件(工件都是指V型工件)偏移后焊缝起始点发生偏差的问题，只需寻到初始焊接工件的焊接起点，根据纠偏控制算法，后续要焊接的工件只要提供一个偏差量即可以得到新的焊接工件的焊接起点。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种焊接机器人寻位V型焊接工件起点的控制方法，其特征在于机器人手臂中的焊枪通过机器人在导轨上的运动，对置于变位机上的待焊接初始工件进行接触，寻找出初始工件焊缝的起始点并完成对初始工件的焊接，对后续的工件焊接时，依据初始工件焊缝的起始点通过纠偏控制算法得到后续工件位置的偏差量，用偏差量进行修正，找到后续工件的焊缝起始点，完成对新工件的焊接；包括以下步骤(1)手动操作机器人终端示教器，在空间规划路径下沿χ、γ、ζ轴方向下分别示教两个点，记为起始点和辅助点，记录这两个示教点并计算，分别建立X方向、y方向、Z方向相
互垂直的三条搜寻向量即X 方向搜寻点 DCq (Xc^ywZci)J1 (Xl，yi，Z1)]、y 方向搜寻点[Y。(V，y0' ,Z0')， Y1U/，y/ , Z1' )]、2方向搜寻点[2。(1。〃，y。〃，z0" ),Z1(x1" ,Y1" , Z1")]，其中)(0 为X方向的起始点，&为X方向的辅助点，同样，Yo、Y1与Zp Z1分别为Y方向与Z方向的起始点和辅助点；根据x、y、z方向的起始点和辅助点建立方向向量，分别为YJ1 ,⑵三条向量，并予以保存；(2)焊枪头分别沿着三条向量方向前进，在触碰到初始焊接V型工件上的三个相互垂直的平面Fl、F2、F3后，触碰得到三个点Pfi> PF2> Pf3分别为Fl、F2、F3平面上的点，并予以保存，焊枪接触到工件时与外部硬件电路一起形成回路，并把这一闭合状态反馈给机器人控制器，使得机器人停止运动并返回到示教得到的起始点位置；(3)由平面点法式方程得到三个相互垂直的平面，并且初始焊缝起始点坐标值 (x、y、z)分别落在对应的Fl、F2、F3三个平面内，计算出Fl、F2、F3三个平面的交点tp0，为初始工件焊缝的起始点；(4)在变位机上放置更换的后续焊接工件，调用(1)保存的数据，机器人沿着(2) 中搜寻方向运动，与O)中的初始工件相比，由于后续工件在变位机上的位置略有偏差，得到的焊接起点的位置也存在偏差；(5)根据(4)中偏差的情况，使⑷中得到的位置偏差叠加到步骤(3)中的三平面交点工件焊缝的起始点tp(l上去，得到后续需要焊接的工件的实际焊接起点；(6)再次更换工件进行焊接时，均以初始工件焊接起点tp(l为参照，即，对初始工件一次寻点，后续工件多次纠偏。所说寻找初始工件焊缝起始点的具体方法是(1)给继电器电路上电；配置机器人控制器扩展的I/O端口，以获得外部闭合电路的模拟信号；(2)由软件程序控制机器人在χ方向上依次示教并保存两个点，称之为起始点 X0(x0J Y0' Z0)与辅助点AOq，Y1, Z1),在机器人系统控制器支持的开发平台上编写寻点函数算法软件程序，得到Χ方向搜寻向量^T1 (X1-JCMy1-Iz1-^hy方向搜寻向量
UULA ,^^^ \UUULt , ,,,, ,,,, ,,,, \
7O7I，yi'-凡，zI' "zo j >z 方向搜寻向量^1Z1 (X1" -X0",y/ -y0', Z1" -Z0")；
,_ ,., — UUUULAUULAUUULt(3)调用保存的三个点PF1、PF2、PF3及搜寻向量JTciJT1, Z0Z1 , ^1Z1，机器人沿搜
寻向量^T1移动，直至触碰到待焊接的初始工件平面F1，记录触碰时的焊枪末端的空间点
位置为PF1(xfl，yfl，zfl)，同样，机器人沿着搜寻向量@与⑵分别在待焊接的初始工件的平面F2与平面F3上得到焊枪末端与之接触记录下的点PF2(Xf2，yf2，zf2)与点PF3(xf3，yf3, zf3)；在机器人控制系统所支持的平台上编写程序，形成三个平面并计算出初始工件焊缝的
ι— UUUULL—ιι— UULl—ι
起始点，即为，平面 Fl ^X0X15Pfi (X715^15Z71)J、平面 F2 :^71,巧2^/2, 2, 2)」及平面？3
"Z^Z1 ,^3(^/3^/3^/3)]，平面表示的方法为点法式，综合上述三个平面，通过编写程序得出
初始工件的焊缝起始点。所说对后续工件纠偏的具体方法是调用建立的搜寻向量编写软件程序，包括；一维偏差则调用三条向量
UUUULAUULA UUULtv_. UUUULAUULAUUULt、 _.,,
X0X1, FtlF1 AtlZ1的任一条；二维偏差调用JTtlJTp Γ/ρ ^1Z1的任意两条，有以下组合X0U0F1J，[X0X1,Z0Z1J，L Y0Y1,Z0Z1J，三维偏差则全部调用，LX0X15JXAZ1J,其中一维
偏差向量选择有三种，二维偏差向量选择有三种，三维偏差向量选择只有一种，对于一维和二维来说，选择偏差向量是依据变位机上的焊接工件放置的位置来确定，一维下选择与V 型工件竖直平面垂直的向量，二维下选择分别与V型工件的竖直平面和水平平面相垂直的两条向量；启动控制器，让机器人沿着所调用的搜寻向量上触碰后续的焊接工件，记录下此时焊枪末端的空间点的位置，一维就是平面F1、平面F2或者平面F3的一个点，记为 Pfi' (xfl' ,in' 'Zfl' ) ；二维就是(F1，F2)、(F1，F3)、(F2，F3)任意一个组合平面上的两个点，同样可以记为点Pf/ (xf/ , yfl' , zfl‘)、点Pf2‘ (xf2'，yf2‘ , zf2‘)；三维即为(F1，F2，F3)上三个平面的三点，这里记为点Pf/ Ufl'，yfl' , zfl')、点PF2‘ (xf2'，
Yf2 ，Zf2 )禾口点 F3 (Xf3 ，Yf3 ，Zf3 )；寻找初始工件时，沿搜寻向量在平面接触得到的点Pfi，Pf2，Pf3，求出偏差值，一维偏差值向量可以记为E1 (X。。m。ti。n，0，0)，二维偏差值向量记为E2 (X
correction' ^correction' ‘—>-佳
偏差值向量记为E3 (X correction' ^correction' ^correction )，根据现场环境及焊接工件需要的不同，选
择偏差向量是一维、二维或者是三维偏差，把偏差量叠加到初始焊接工件的焊缝起始点tp(l 上去，即可以得到新工件新的焊缝起始点。焊接过程中，只是机器人手臂的位置发生偏移，机器人手臂姿态不能发生变化，否则影响结果的精确性。另外，注意在焊枪末端的焊丝干生长度要合适，太长容易引起碰触变形，对上述结果计算会有影响。为了后续焊接的合理与方便，焊枪末端的位姿表现为在工件所形成焊缝角度的角平分线方向。本发明的优点及有益效果本发明方法有硬件电路提供接触反馈信号，可以自动定位初始焊接工件的焊接起点，计算后续工件的偏差，最后找到后续焊接工件的起点。不需要重复多次示教起点，速度快、自动化程度高。
图1是本发明中外部继电器回路电气示意图；图2是本发明中外部硬件电路电气接线示意图；图3是本发明中寻点示意图；图4是本发明中纠偏一维示意图；图5是本发明中纠偏二维示意图；图6是本发明中纠偏三维示意图；图7是本发明中技术要求的控制流程图；图8是本发明中实际测试得到的结果图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的说明本发明的焊接机构包括外部硬件电路、6轴机器人本体、导轨和变位机，机器人本体放置在导轨上，焊枪固定在机器人第六轴的前端法兰盘上。
参看图7，本发明方法的流程如下(1)待焊接初始工件置于变位机上，焊枪置于靠近待焊工件起点的位置，一般称之为安全点；(2)手动操作机器人示教器，在空间规划路径下沿X、y、ζ轴方向下分别示教两个点，记做为起始点与辅助点，以这两个点建立搜寻向量，可以建立χ方向、y方向、ζ方向相互垂直的三条搜寻向量；(3)操作示教器使机器人分别沿着O)中的三条向量方向前进，在触碰到初始焊接V型工件上的三个相互垂直的平面后，机器人停止运动并返回到( 示教得到的起始点的位置上去，这一过程中机器人控制器得到与V型工件三个平面接触到的三个点，由寻点控制算法控可得到待焊接初始V型工件的焊接起点；(4)更换工件，在变位机上放置后续焊接工件，调用( ，机器人沿着( 中搜寻方向运动，与(3)中的初始工件相比，由于后续工件在变位机上的位置略有偏差，得到的焊接起点的位置也存在偏差，纠偏算法中记录这个偏差；(5)根据(4)中偏差的情况，调用纠偏算法，得到后续需要焊接的V型焊接工件的实际焊接起点；在C3)和(4)中，焊枪接触到工件时与外部硬件电路一起形成回路，并把这一闭合状态反馈给机器人控制器，使得机器人在焊枪触碰到工件时及时停止并且返回到O)中所述的起始点位置。机器人6轴所装配的焊枪头在搜寻向量上寻找待焊接工件的时候，根据具体工作环境及安全系数的不同，手动设置不同的Time时间值来满足实际的需要，在设置的Timer 时间内没有找到焊接工件，即没有触碰到工件没有形成闭合的回路则安全返回至起始点。寻点功能只是针对于初始工件有效，后续待焊接的工件的偏差计算都是以初始工件焊接起点为参照，即一次寻点，多次纠偏。参看图1，图Ia表示焊枪末端还没有触碰到工件的情形；图Ib表示焊枪已经接触到工件的情形。本发明中对继电器进行了软设置，即，程序中加上继电器使能算法，在继电器使能处于关断状态下，即使在图Ib情形下，电路也没有实际的闭合，采集信号口 I/O端口获得不到信号。目的为了加强运动控制的可靠性与可控性。参看图2，AM272/A为机器人控制器扩展的模拟I/O端口，AM272的X2是模拟输出第0端口，AM272的X3是模拟输如第二端口 ；接触找焊缝板需要220v及Mv电压供电，直接连接在机器人控制柜内部即可；AM272的X2通过软件设置为打开还是关断；本发明所表征的接触找焊缝起始点的过程中，外部电路按如下步骤工作步骤a，软件设置AM272的X2即模拟输出第0端口使能，KA_SS吸合，Welding Rectifier与SENS 口形成回路，继电器准备完毕；步骤b，当焊枪末端与待焊接工件触碰到时，接触找焊缝板输口出高电平信号到 AM272的X3即模拟输入的第二端口 ；步骤c，软件程序中获得AM272的X3的有效信号，表明焊枪末端已经触碰到待焊接的工件。参看图3，机器人寻点的过程步骤a，机器人从某一安全点开始，安全点可以根据现场情况和操作者的习惯自由选取，PTP到起点Xtl,按照示教的点位姿Lin到辅助点X1,建立搜寻向量^T1。机器人手臂焊枪末端沿着建立好的搜寻向量在设置的Timer时间值之内向前运动，直至触碰到待焊接V 型工件的面F1，得到触碰的点为Pfi，否则沿搜寻向量方向返回到起始点结束搜寻。同样在不同方向上示教起始点与辅助点即可得到X，Y，Z方向的搜寻向量，依次可以得到一维、二维与三维的计算方法；步骤b，根据平面的点法式方程即可得到相对应得平面；步骤C，三个平面的交点计算得出初始工件焊缝的起始点。上述步骤的说明这里一维以平面Fl为说明对象，二维以平面Fl、F2平面为说明对象，三维即是平面F1、平面F2、平面F3。一维搜寻向量记为^T1，在平面Fl上的触碰
rUUUUU,\
点为PF1，故触碰平面Fl的方程即可以这样表示平面Fl -[X0Xl^pm (xfl,yfl,zfl)j、同理平面
UUU/ruuuu/
Y0Y1, PF2 (xf2, 2, Zf2)」及平面F3 ^Z0Z1 ,PF3 (xf3, 3, z/3 )」。建立如下方程，解出交点即为
初始焊接工件的焊缝起始点 Lpoint oint ‘ Ypoint' ^point/ °
权利要求
1.一种机器人焊接V型工件焊接起点的控制方法，其特征在于机器人手臂中的焊枪通过机器人在导轨上的运动，对置于变位机上的待焊接初始工件进行接触，寻找出初始工件焊缝的起始点并完成对初始工件的焊接，对后续的工件焊接时，依据初始工件焊缝的起始点通过纠偏控制算法得到后续工件位置的偏差量，用偏差量进行修正，找到后续工件的焊缝起始点，完成对新工件的焊接；包括以下步骤(1)手动操作机器人终端示教器，在空间规划路径下沿X、y>Z轴方向下分别示教两个点，记为起始点和辅助点，记录这两个示教点并计算，分别建立χ方向、y方向、ζ方向相互垂直的三条搜寻向量即χ方向搜寻点D(o(xQ，yQ， )，AU1, ζ》]、y方向搜寻点^1Uc/ , y0' , z0')， Y1U/，y/ , Z1' )]、2方向搜寻点[2。(1。〃，y。〃，z0" ),Z1(x1" ,Y1" , Z1")]，其中)(0 为X方向的起始点，&为X方向的辅助点，同样，Yo、Y1与Zp Z1分别为Y方向与Z方向的起始点和辅助点；根据X、y、Z方向的起始点和辅助点建立方向向量，分别为U，YJ1,⑵三条向量，并予以保存；(2)焊枪头分别沿着三条向量方向前进，在触碰到初始焊接V型工件上的三个相互垂直的平面Fl、F2、F3后，触碰得到三个点Pfi、PF2、Pf3分别为Fl、F2、F3平面上的点，并予以保存，焊枪接触到工件时与外部硬件电路一起形成回路，并把这一闭合状态反馈给机器人控制器，使得机器人停止运动并返回到示教得到的起始点位置；(3)由平面点法式方程得到三个相互垂直的平面，并且初始焊缝起始点坐标值(x、y、 ζ)分别落在对应的F1、F2、F3三个平面内，计算出F1、F2、F3三个平面的交点tp(1，为初始工件焊缝的起始点；(4)在变位机上放置更换的后续焊接工件，调用(1)保存的数据，机器人沿着O)中搜寻方向运动，与O)中的初始工件相比，由于后续工件在变位机上的位置略有偏差，得到的焊接起点的位置也存在偏差；(5)根据(4)中偏差的情况，使(4)中得到的位置偏差叠加到步骤C3)中的三平面交点工件焊缝的起始点tp(l上去，得到后续需要焊接的工件的实际焊接起点；(6)再次更换工件进行焊接时，均以初始工件焊接起点tp(l为参照，即，对初始工件一次寻点，后续工件多次纠偏。
2.根据权利要求1所述的机器人焊接V型工件焊接起点的控制方法，其特征在于寻找初始工件焊缝起始点的具体方法是(1)给继电器电路上电；配置机器人控制器扩展的I/O端口，以获得外部闭合电路的模拟信号；(2)由软件程序控制机器人在χ方向上依次示教并保存两个点，称之为起始点 X0(x0J y0' Z0)与辅助点AOq，Y1, Z1),在机器人系统控制器支持的开发平台上编写寻点函数算法软件程序，得到χ方向搜寻向量
3.根据权利要求1所述的机器人焊接V型工件焊接起点的控制方法，其特征在于对后续工件纠偏的具体方法是调用建立的搜寻向量编写软件程序，包括；一维偏差则调用三条向量
4.根据权利要求1或2或3所述的机器人焊接V型工件焊接起点的控制方法，其特征在于焊接过程中，只是机器人手臂的位置发生偏移，机器人手臂姿态不发生变化，焊枪末端的位姿表现为在工件所形成焊缝角度的角平分线方向。
全文摘要
一种机器人焊接V型工件焊接起点的控制方法，机器人手臂中的焊枪通过机器人在导轨上的运动，对置于变位机上的待焊接初始工件进行接触，寻找出初始工件焊缝的起始点并完成对初始工件的焊接，对后续的工件焊接时，依据初始工件焊缝的起始点通过纠偏控制算法得到后续工件位置的偏差量，用偏差量进行修正，找到后续工件的焊缝起始点，完成对新工件的焊接。
文档编号B23K9/095GK102554407SQ20121000470
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者刘艺, 温龙胜, 王海俊, 陈兴云, 马旭东 申请人:东南大学