一种焊接姿态自动纠偏的方法及装置与流程

本发明涉及机器人自动化领域，特别是涉及一种搭配识别相机的焊接姿态自动纠偏的方法及装置。

背景技术：

1、随着工业行业向高精细发展，对焊接技术及质量提出了更高的要求，越来越多的薄板异型工件需要工业机器人代替人工焊接。焊接厚度2mm以下薄板对接的结构中，均具有面积大、焊缝小、焊缝长和焊接精度要求高等特点，在化工企业、汽车制造行业中是重大难题，这种类型工件对焊工的技能熟练度要求非常高，而且传统的人工焊接存在不稳定性，因此使用机器人替代工人是主流方向。

2、在薄板焊接的自动焊接中常常面临一些难题和缺陷，机器人在焊接作业过程中常遇到工件夹具偏差、钣金件热变形，人工预点焊偏差等各种技术情况，现有解决上述精度偏差问题的最佳方式是机器人搭配外置识别装置引导机器人对焊接进行实时纠偏。

3、目前较为常用的焊接过程中引导机器人纠偏的方法有：电弧跟踪法、激光跟踪法、激光寻位法。

4、电弧跟踪法是一种通过摆焊过程中焊枪根据电流和电压传感器反馈纠偏焊缝位置的方法。一般用于厚板大坡口工件，使用电流和电压传感器的反馈来识别焊枪位置的变化，当焊枪偏离焊缝中心时，则焊枪到工件两侧的距离不同，系统不断地对焊缝左侧和右侧的焊接电流进行比较，实时调整确保摆焊位于中心位置。其缺点在于，对焊接母材与焊缝类型有要求，只适用于焊接厚度大于5mm的工件，且只能焊接v形焊缝类型且焊缝变换角度不能连续大于20°，否则无法稳定进行跟踪作业。

5、激光寻位法是一种激光识别相机非接触式测量左右前后高低三维偏差焊缝实时位置，机器人在工件表面多次寻位焊缝存储数据组成焊缝的方法。通过示教机器人在工件表面不同位置进行寻位拟合实际焊缝位置，通过机器人不同功能可以拟合直线曲线轨迹或者复合轨迹对工件发生形变与热变形时进行自动纠偏轨迹。其缺点在于，只对整体轨迹进行纠偏，当寻位点与寻位点中间在热变形时无法继续纠偏。

6、激光跟踪法是一种通过激光识别相机实现非接触式测量左右前后高低三维偏差焊缝实时位置并引导机器人进行焊接的方法。通过提前设置大致路径与运行的姿态，以实际焊接过程已示教的路径为范围，以姿态为参考进行细致纠偏跟踪，从而实现焊接过程中激光识别相机在姿态设置范围内可以稳定纠偏。其缺点在于，面对焊缝形变超出相机识别范围时会不能识别或者识别错误位置。

7、现有的机器人纠偏方法的局限性较大，都无法应用于焊接过程中形变量较大的工件上，常常需要人工调整，生产效率低。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的在于，提供一种焊接姿态自动纠偏的方法及装置，适用范围广泛，可以使机器人跟踪焊接变形量较大的工件，降低人工成本。

2、一种焊接姿态自动纠偏的装置，包括识别相机、焊枪和机器人，所述机器人包括机械臂、图像分析单元、比对单元和计算单元；所述焊枪设置在机械臂末端，所述识别相机在焊接时处于焊枪的焊接方向前端；所述图像分析单元与识别相机相连接，分析识别相机每次拍摄获得的焊缝图像得到每个位置点的反馈值，所述比对单元与图像分析单元相连接，判断当前位置点的反馈值是否处于纠偏区间内，若是，则继续分析下一位置点的焊缝图像，若否，则生成纠偏指令；所述计算单元接收纠偏指令后，计算纠偏角度；机械臂根据纠偏角度旋转自身姿态矩阵使得反馈值减小至纠偏区间内。

3、进一步地，计算单元包括标定模块、预测模块和角度计算模块，所述标定模块用于标定相机的坐标数据与机械臂末端的关系，所述预测模块用于计算下一位置点坐标，所述角度计算模块用于计算纠偏角度。

4、进一步地，所述标定模块具体以每个位置点为原点建立焊缝坐标系，得到每个位置点处对应的机械臂末端坐标和相机坐标，与此同时，以机械臂末端在每个位置点上方时为原点建立机械臂坐标系，得到相机相对坐标，根据机械臂末端坐标、相机坐标以及相机相对坐标标定机械臂姿态矩阵。

5、进一步地，所述预测模块具体假定焊缝中心点和焊枪末端点为一固定距离，且激光扫描长度已知，则可以提前获得n个数据点，这些数据点将作为焊枪路径上的一个个位置点p0,p1...pn+1；

6、焊枪当前位置点pi与焊接起始位置点p0的距离为distance；

7、当前需要运动到的长度length，那么delta＝length–distance；

8、计算两个数据点(pi,pi+k)之间的距离

9、dis＝|pipi+1|+|pi+1pi+2|+...+|pi+k-1pi+k|；

10、当dis>delta时,那么p应该在pi+k-1,，pi+k两点之间，如果pi+k-1到p0的折线长度为disk，且pi+k-1，pi+k两点之间的距离为ds，那么下一位置点的坐标为

11、

12、进一步地，所述角度计算模块具体设焊枪起点位置ps(x,y,z)，如果此时焊枪从ps点运动到p点，其中ps.z≠p.z，那么ps点和p点在o-xy平面上的投影为点ps0(x,y)和点p0(x,y)；

13、由此计算点ps0(x,y)到o-xy平面原点的直线和p0(x,y)到o-xy平面原点的直线夹角，根据余弦公式可得：

14、

15、查阅余弦角度表即可得到纠偏角度。

16、进一步地，所述比对单元根据识别相机在正常状态下的识别范围，以其中间值为准，将相机的识别范围分为正值区间和负值区间，把正值区间和负值区间各划分为十等份，根据设置的纠偏对接度选取一定等份的区间作为比对单元的纠偏区间。

17、进一步地，所述识别相机包括激光器和相机，所述激光器持续发射出激光照射在焊缝上，所述相机接收焊缝反射的激光得到焊缝每个位置点包含三维信息的焊缝图像，所述激光器沿焊接方向设置在相机的前端，所述相机通过一连接杆与机械臂连接。

18、本发明还提供了一种焊接姿态自动纠偏的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时执行以下步骤：

19、标定相机的坐标数据与机械臂末端的关系；

20、计算下一位置点坐标；

21、计算纠偏角度。

22、进一步地，还包括：根据识别相机在正常状态下的识别范围，以其中间值为准，将相机的识别范围分为正值区间和负值区间，把正值区间和负值区间各划分为十等份，根据设置的纠偏对接度选取一定等份的区间作为比对单元的纠偏区间。

23、本发明还提供了一种焊接姿态自动纠偏的方法，包括：每次拍摄获得焊缝图像从而得到每个位置点的反馈值，判断当前位置点的反馈值是否处于纠偏区间内，若是，则继续分析下一位置点的焊缝图像，若否，则生成纠偏指令；在接收纠偏指令后，计算纠偏角度；根据纠偏角度旋转姿态矩阵使得反馈值减小至纠偏区间内。

24、为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

技术特征：

1.一种焊接姿态自动纠偏的装置，其特征在于：包括识别相机、焊枪和机器人，所述机器人包括机械臂、图像分析单元、比对单元和计算单元；所述焊枪设置在机械臂末端，所述识别相机在焊接时处于焊枪的焊接方向前端；所述图像分析单元与识别相机相连接，分析识别相机每次拍摄获得的焊缝图像得到每个位置点的反馈值，所述比对单元与图像分析单元相连接，判断当前位置点的反馈值是否处于纠偏区间内，若是，则继续分析下一位置点的焊缝图像，若否，则生成纠偏指令；所述计算单元接收纠偏指令后，计算纠偏角度；机械臂根据纠偏角度旋转自身姿态矩阵使得反馈值减小至纠偏区间内。

2.根据权利要求1所述的焊接姿态自动纠偏的装置，其特征在于：计算单元包括标定模块、预测模块和角度计算模块，所述标定模块用于标定相机的坐标数据与机械臂末端的关系，所述预测模块用于计算下一位置点坐标，所述角度计算模块用于计算纠偏角度。

3.根据权利要求2所述的焊接姿态自动纠偏的装置，其特征在于：所述标定模块具体以每个位置点为原点建立焊缝坐标系，得到每个位置点处对应的机械臂末端坐标和相机坐标，与此同时，以机械臂末端在每个位置点上方时为原点建立机械臂坐标系，得到相机相对坐标，根据机械臂末端坐标、相机坐标以及相机相对坐标标定机械臂姿态矩阵。

4.根据权利要求3所述的焊接姿态自动纠偏的装置，其特征在于：所述预测模块具体假定焊缝中心点和焊枪末端点为一固定距离，且激光扫描长度已知，则可以提前获得n个数据点，这些数据点将作为焊枪路径上的一个个位置点p0,p1...pn+1；

5.根据权利要求4所述的焊接姿态自动纠偏的装置，其特征在于：所述角度计算模块具体设焊枪起点位置ps(x,y,z)，如果此时焊枪从ps点运动到p点，其中ps.z≠p.z，那么ps点和p点在o-xy平面上的投影为点ps0(x,y)和点p0(x,y)；

6.根据权利要求5所述的焊接姿态自动纠偏的装置，其特征在于：所述比对单元根据识别相机在正常状态下的识别范围，以其中间值为准，将相机的识别范围分为正值区间和负值区间，把正值区间和负值区间各划分为十等份，根据设置的纠偏对接度选取一定等份的区间作为比对单元的纠偏区间。

7.根据权利要求6所述的焊接姿态自动纠偏的装置，其特征在于：所述识别相机包括激光器和相机，所述激光器持续发射出激光照射在焊缝上，所述相机接收焊缝反射的激光得到焊缝每个位置点包含三维信息的焊缝图像，所述激光器沿焊接方向设置在相机的前端，所述相机通过一连接杆与机械臂连接。

8.一种焊接姿态自动纠偏的计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时执行以下步骤：

9.根据权利要求8所述的焊接姿态自动纠偏的计算机可读存储介质，其特征在于：还包括：根据识别相机在正常状态下的识别范围，以其中间值为准，将相机的识别范围分为正值区间和负值区间，把正值区间和负值区间各划分为十等份，根据设置的纠偏对接度选取一定等份的区间作为比对单元的纠偏区间。

10.一种焊接姿态自动纠偏的方法，其特征在于：每次拍摄获得焊缝图像从而得到每个位置点的反馈值，判断当前位置点的反馈值是否处于纠偏区间内，若是，则继续分析下一位置点的焊缝图像，若否，则生成纠偏指令；在接收纠偏指令后，计算纠偏角度；根据纠偏角度旋转姿态矩阵使得反馈值减小至纠偏区间内。

技术总结本发明涉及一种焊接姿态自动纠偏的方法，每次拍摄获得焊缝图像从而得到每个位置点的反馈值，判断当前位置点的反馈值是否处于纠偏区间内，若是，则继续分析下一位置点的焊缝图像，若否，则生成纠偏指令；在接收纠偏指令后，计算纠偏角度；根据纠偏角度旋转姿态矩阵使得反馈值减小至纠偏区间内。采用本发明的方法可以使跟踪焊接变形量较大的工件，降低人工成本。技术研发人员：谭文毅受保护的技术使用者：伯朗特机器人股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11