一种基于激光传感器的焊接机器人盖面焊在线跟踪方法与流程

本发明属于焊接机器人领域，特别涉及一种基于激光传感器的焊

接机器人盖面焊在线跟踪方法。

背景技术：

机器人焊接过程中，受工件坡口加工精度、焊接过程工件热变形等因素的影响，机器人在运行示教路径时，焊枪往往会偏离焊缝中心，出现熔敷金属不均匀、焊道偏离、咬边等焊接缺陷，从而造成焊接质量下降。因此，焊接过程中要求弧焊机器人能够有效检测出焊缝的偏差并调整焊接路径，以保证焊接质量的可靠性。

近几年来，随着机器视觉、图像处理、模式识别、智能控制等技术的发展，已经提出多种应用于机器人焊接的传感器。其中激光传感器以其结构简单，信息量大、精度高及稳定性较好的特点，成为应用于厚板焊接智能控制领域的理想选择。激光传感器的基本原理是将条状激光投射到工件上，利用ccd采集工件上反射的激光条纹图像，再通过一系列的信号处理，最后得到需要的坡口特征信息。但是由于多层多道焊缝表面形貌复杂，尤其在盖面焊接时前焊道特征不明显，普通激光视觉传感器很难正确识别其形貌特征，限制了激光跟踪器在盖面焊领域的限制。

因此，提供一种可以对盖面焊之前的焊道特征进行实时识别、反馈，调整盖面焊道路径和焊缝跟踪的方法十分重要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种可以对盖面焊之前的焊道特征进行实时识别、反馈，调整盖面焊道路径和焊缝跟踪的基于激光传感器的焊接机器人盖面焊在线跟踪方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于激光传感器的焊接机器人盖面焊在线跟踪方法，其创新点在于：所述在线跟踪方法包括如下步骤：

（1）在机器人上安装焊枪和激光传感器，待安装完成后启动激光传感器，投射激光扫描光束，调试激光传感器的激光扫描光束中点到焊缝附近，并确保激光扫描光束沿焊接路径超前于焊枪末端一定距离，使焊缝在焊接前已被激光传感器预扫描；

（2）校准机器人，即机器人各轴零点校准，如果未校准或校准精度差，则会影响到机器人的运行精度和焊缝跟踪精度；

（3）调整焊枪姿态，按照机器人的标准程序标定焊枪的tcp，即焊枪安装的工具点，生成一个以工具参照点为原点的空间坐标系；

（4）把焊枪调整到垂直于工件同时激光条纹与工件焊缝垂直的姿态，测量激光传感器相对于焊枪的角度，以及投射到工件上的激光条纹与焊枪末端的水平距离；

（5）选定工件的坡口类型，选择焊道类型为盖面焊，并通过控制系统进行参数设置；

（6）开启激光传感器，控制系统的图像采集单元接收工件坡口包含结构光的原始图像；对所述原始图像进行处理，通过激光控制系统识别激光条纹投射到焊接工件上的特征点，提取有效特征点并计算其在图像中的位置；其中，所述的激光条纹上的有效特征点包括坡口顶点以及盖面焊前道焊层与坡口的交点；

（7）根据激光传感器与焊枪的相对位置，通过坐标转换，分别获得激光条纹上的有效特征点的x坐标值、y坐标值、z坐标值，计算出坡口两侧顶点之间中点的x、y坐标值为x12、y12，计算出盖面焊前道焊层与坡口交点之间中点的z坐标值为z12，则激光传感器得出的焊接路径点三维坐标为(x12,y12,z12)，根据激光传感器计算出的焊接路径点三维坐标实时调整焊枪位置。

本发明的优点在于：本发明基于激光传感器的焊接机器人盖面焊在线跟踪方法，克服了现有焊接机器人进行盖面焊时激光跟踪无法捕捉到前道焊层有效特征点的局限性，也避免了因盖面之前焊道特征不规则导致的激光在线跟踪错误，解决焊接机器人在盖面焊接时实际焊接路径偏差问题，提高跟踪精确度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例的焊枪与激光传感器标定示意图。

图2为本发明实施例的激光条纹映射特征点示意图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例

本实施例基于激光传感器的焊接机器人盖面焊在线跟踪方法，该在线跟踪方法包括如下步骤：

（1）在机器人上安装焊枪和激光传感器，待安装完成后启动激光传感器，投射激光扫描光束，调试激光传感器的激光扫描光束中点到焊缝附近，并确保激光扫描光束沿焊接路径超前于焊枪末端10cm，使焊缝在焊接前已被激光传感器预扫描；

（2）选取2块500mm×300mm的钢板作为机器人盖面焊待焊工件，工件厚度为20mm，材质为a级钢，并完成对接打底焊；然后进行机器人零点标定，为每一个轴标定零点，通过技术辅助工具可为任何一个在机械零点位置的轴指定一个基准值，如0°；这样可以使轴的机械位置和电气位置保持一致，进而使得每一个轴都有一个唯一的角度值；这样，可使机器人能达到它最高的点精度和轨迹精度或者完全能够以编程设定的动作运动；

（3）调整焊枪姿态，按照机器人的标准程序标定焊枪的tcp，即焊枪安装的工具点，生成一个以工具参照点为原点的空间坐标系，坐标系的方向如图1所示，x轴方向为焊接方向，y轴方向为焊缝横向，z轴方向为焊缝高度方向；

（4）把焊枪调整到垂直于工件，同时激光条纹与工件焊缝的x轴方向保持垂直的姿态，测量激光传感器相对于焊枪的角度β，以及投射到工件上的激光条纹与焊枪末端的水平距离s；

（5）选定工件的坡口类型，选择焊道类型为盖面焊，并通过控制系统进行参数设置；

（6）开启激光传感器，激光条纹映射到工件及焊缝表面，控制系统接收图像并对其进行处理，得到激光条纹上的特征点a、b、c、d、e点，如图2所示；并通过控制系统识别a、b、d、e有效特征点并提取其在图像中的位置；

（7）根据激光器与焊枪的相对位置，通过坐标转换，获得激光条纹上的有效特征点a、e的x坐标值分别为x1、x2，特征点a、e的y坐标值分别为y1、y2，特征点b、d的z坐标值分别为z1、z2，分别计算出x=(x2-x1)/2，y=(y2-y1)/2，z=(z2-z1)/2，则实际轨迹点三维坐标为(x,y,z)，根据实际轨迹点三维坐标在线拟合出跟踪焊接路径，实时调整焊枪偏离，保证焊接精度。

本实施例是通过焊枪tcp标定后，生成了以工具焊枪参照点为原点的坐标系；同时，机器人的机械手在控制焊枪移动时，又能够得到焊枪的实时坐标位置；并根据焊枪、激光之间的固定位置，由β、s为参数的公式计算得到激光条纹上的a、b、d、e坐标，且a、b、d、e的中心线即为上一时间段焊枪经过的实际轨迹点，利用实际轨迹点坐标拟合出跟踪焊接路径。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种基于激光传感器的焊接机器人盖面焊在线跟踪方法，包括如下步骤：（1）在机器人上安装和调试焊枪和激光传感器；（2）校准机器人；（3）调整焊枪姿态，按照机器人的标准程序标定焊枪的TCP；（4）把焊枪调整到垂直于工件同时激光条纹与工件焊缝垂直的姿态，测量激光传感器相对于焊枪的角度，以及投射到工件上的激光条纹与焊枪末端的水平距离；（5）选择焊道类型为盖面焊，并通过控制系统进行参数设置；（6）开启激光传感器，由步骤（5）的参数为公式计算得到激光条纹上的各点坐标，利用各点坐标拟合出跟踪焊接路径。本发明的优点在于：本发明可以对盖面焊之前的焊道特征进行实时识别、反馈，调整盖面焊道路径和焊缝跟踪。

技术研发人员：王炬成;顾晓波;高霆
受保护的技术使用者：江苏科技大学;江苏科技大学海洋装备研究院
技术研发日：2017.07.03
技术公布日：2017.09.22