專利名稱：機(jī)器人接觸尋找焊縫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人接觸尋找焊縫的方法，屬于機(jī)械自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)前工業(yè)焊接生產(chǎn)中機(jī)器人焊接正在占據(jù)越來(lái)越大的比例?，F(xiàn)在機(jī)器人焊接已經(jīng) 向批量更大，精度更高，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜方向發(fā)展。機(jī)器人的軌跡規(guī)劃目前主要通過(guò)示教或者三 維模型導(dǎo)入等手段完成，但是在實(shí)際生產(chǎn)中由于工件個(gè)體和夾具公差以及安裝誤差導(dǎo)致機(jī) 器人的規(guī)劃軌跡與工件實(shí)際位置存在偏差。為了減小此類偏差，提高機(jī)器人焊接的質(zhì)量和 精度，機(jī)器人需要一種方法完成焊縫的定位和偏差糾正。目前機(jī)器人主要用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng) 進(jìn)行定位和偏差糾正，但是在大型結(jié)構(gòu)件或者復(fù)雜空間區(qū)域內(nèi)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的安裝比較 困難，特征提取難度比較高，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和系統(tǒng)布局也有很高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種機(jī)器人接觸尋找焊縫的方法，通過(guò)該方法 可解決大批量工件焊接時(shí)焊縫偏移問(wèn)題，并且無(wú)須安裝其他設(shè)備。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種機(jī)器人接觸尋找焊縫的方法，其中，待尋找的焊縫在各自工件上的位置相同， 該尋找方法包括以下步驟步驟一、首先建立一個(gè)三維坐標(biāo)系，選定一基準(zhǔn)焊接工件，該基準(zhǔn)焊接工件上的焊 縫位置為基準(zhǔn)焊縫位置，在該基準(zhǔn)焊接工件上的任意平面Fl內(nèi)任意找至少3個(gè)不共線的特 征點(diǎn)PP1、PP2和PP3，再在基準(zhǔn)焊接工件上尋找與Fl垂直的任意平面F2，在平面F2上任意 找至少2個(gè)特征點(diǎn)PP4和PP5，在基準(zhǔn)焊接工件尋找與平面F1、平面F2均垂直的平面F3，在 其上任意找至少1個(gè)特征點(diǎn)PP6，記下這六個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)這六個(gè)特征點(diǎn)的三維 坐標(biāo)來(lái)標(biāo)定所述的基準(zhǔn)焊接工件在三維坐標(biāo)系中的空間位置；步驟二、在當(dāng)前待焊接的工件上，按照與所述的步驟一中尋找特征點(diǎn)PP1、PP2、 PP3、PP4、PP5和PP6相同的方法尋找六個(gè)實(shí)際特征點(diǎn)PPl，、PP2，、PP3，、PP4，、PP5，、PP6， 以及對(duì)應(yīng)的平面Fl’、F2’、F3’，記下該六個(gè)實(shí)際特征點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo)，將其與所述的步驟 一中尋找到的六個(gè)特征點(diǎn)PP1、PP2、PP3、PP4、PP5和PP6的三維坐標(biāo)進(jìn)行比較，計(jì)算得出當(dāng) 前待焊接工件相對(duì)于所述的步驟一中的基準(zhǔn)焊接工件在三維坐標(biāo)系中的偏移距離以及旋 轉(zhuǎn)角度，該偏移距離和旋轉(zhuǎn)角度也是當(dāng)前待焊工件上的焊縫相對(duì)于所述的基準(zhǔn)焊縫的偏移 距離和旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)所述的步驟一中的基準(zhǔn)焊縫位置與所述的偏移距離和旋轉(zhuǎn)角度即可 得尋找到當(dāng)前待焊接工件上的焊縫位置；上述的所述的步驟一和步驟二中尋找所述的特征點(diǎn)ΡΡΓ、PP2，、PP3，、PP4，、PP5，、 PP6，、PP1、PP2、PP3、PP4、PP5和PP6的方法按照如下步驟進(jìn)行步驟a、準(zhǔn)備工作在焊絲與工件之間接入電壓，確保當(dāng)焊槍上的焊絲與工件接觸 時(shí)能形成電流回路，將焊絲與工件回路間的接觸器Kl觸點(diǎn)接入機(jī)器人I/O端口，編寫程序使當(dāng)Kl閉合時(shí)，機(jī)器人能停止運(yùn)動(dòng)并記錄當(dāng)前工件與焊絲相接觸的點(diǎn)的坐標(biāo)位置；
步驟b、實(shí)際尋找首先設(shè)定機(jī)器人尋找特征點(diǎn)時(shí)的起始點(diǎn)的三維坐標(biāo)，給機(jī)器人 設(shè)定尋找特征點(diǎn)的尋找方向以及最大尋找距離，焊槍按照所述的尋找方向和最大尋找距離 尋找特征點(diǎn)，如果機(jī)器人沿著所述的尋找方向上運(yùn)行小于等于最大尋找距離時(shí)，Ki觸點(diǎn)閉 合，即焊絲與工件接觸，則焊絲與工件的接觸點(diǎn)即為要尋找的特征點(diǎn)，機(jī)器人記錄下當(dāng)前特 征點(diǎn)的三維坐標(biāo)；如果機(jī)器人沿著所述的尋找方向上運(yùn)行超過(guò)最大尋找距離，Kl觸點(diǎn)還未 閉合，即焊絲未與工件接觸，則尋找特征點(diǎn)失敗，重新設(shè)定尋找方向和最大尋找距離按照上 述方法繼續(xù)尋找特征點(diǎn)。優(yōu)選地，在步驟b中，給機(jī)器人設(shè)定尋找特征點(diǎn)的尋找方向以及最大尋找距離之 前，先在選定輔助點(diǎn)，從所述的起始點(diǎn)到所述的輔助點(diǎn)的連線即為所述的尋找方向，所述的 最大尋找距離大于所述的起始點(diǎn)到所述的輔助點(diǎn)的直線距離。優(yōu)選地，所述的步驟a中，在焊絲與工件之間接入的電壓為安全電壓。優(yōu)選地，所述的安全電壓選用12-30V的交流電。優(yōu)選地，在尋找所述的特征點(diǎn)過(guò)程中，所述的焊槍的槍管所在的中心線與平面F1、 平面F2、平面F3、平面F1’、平面F2’、平面F3’之間均呈20-70度的夾角。通過(guò)上述技術(shù)方案，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果本發(fā)明無(wú)需在機(jī)器人末端安裝機(jī) 械或者電子傳感器，簡(jiǎn)化了機(jī)器人末端結(jié)構(gòu)和體積，擴(kuò)大了機(jī)器人的可達(dá)性和靈活性；該方 法操作簡(jiǎn)單，不依靠外部設(shè)備；機(jī)器人使用該方法可以確定焊縫在三維空間內(nèi)的位置，精度 高，簡(jiǎn)單易用。


附圖1是本發(fā)明中接觸回路的電氣接線示意圖；附圖2是本發(fā)明中機(jī)器人尋找特征點(diǎn)示教方法示意圖；附圖3是本發(fā)明中機(jī)器人單特征點(diǎn)的尋找流程圖。附圖4是本發(fā)明中機(jī)器人特征點(diǎn)的示意圖。其中1、焊絲。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合對(duì)圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。圖1是本發(fā)明中機(jī)器人接觸回路的電氣接線示意圖。將焊絲1(可以直接接在送 絲機(jī)上，也可接在焊槍末端)與工件之間接入電壓，確保焊絲1與工件接觸時(shí)能形成電流回 路。該電壓必須為安全電壓，防止人員觸電，一般選擇12-30V的交流電。選擇交流電的原 因是為了防止接觸回路導(dǎo)通時(shí)的電火花。圖2是本發(fā)明中機(jī)器人尋找特征點(diǎn)示教方法示意圖。起始點(diǎn)Ml和輔助點(diǎn)W是需 要手工示教的，并且起始點(diǎn)Mi和輔助點(diǎn)m必須在相同的坐標(biāo)系下示教。輔助點(diǎn)m到接觸 點(diǎn)ο的距離由操作者自己估值，但是必須小于最大尋找距離，接觸點(diǎn)ο不需要示教。在發(fā)明 舉例中采用的是焊絲接觸工件的方式，焊絲比較容易因?yàn)榕鲎舶l(fā)生形變導(dǎo)致后續(xù)的尋找發(fā) 生誤差，所以在起始點(diǎn)和輔助點(diǎn)的示教時(shí)，建議將焊槍與工件的接觸面之間傾斜接觸，以減 小因?yàn)楹附z形變產(chǎn)生的誤差。
圖3是本發(fā)明中機(jī)器人單特征點(diǎn)的尋找流程圖。該流程僅用于說(shuō)明本發(fā)明的機(jī)器 人最基本操作流程，對(duì)應(yīng)不同機(jī)器人或者不同的應(yīng)用環(huán)境，可能需要增加相應(yīng)的操作以滿 足要求。本發(fā)明的尋找焊縫的方法尤其適應(yīng)于大批量工件焊接，大批量工件焊接時(shí)，每一 個(gè)工件上的焊縫位置均固定。該尋找焊縫的方法能解決由于工件加載時(shí)位置偏移而產(chǎn)生的 焊縫偏移問(wèn)題，下面列舉在機(jī)器人尋找一個(gè)待焊接工件上的焊縫的方法步驟一、準(zhǔn)備工作如圖1所示，在焊絲1與工件(包括下述提到的基準(zhǔn)焊接工件 和待焊接的工件)之間接入電壓(對(duì)人體安全的電壓)，確保當(dāng)焊絲1與工件接觸時(shí)能形成 電流回路，將焊絲1與工件回路間的接觸器Kl觸點(diǎn)接入機(jī)器人I/O端口，編寫程序使當(dāng)Kl 閉合時(shí)，機(jī)器人能停止運(yùn)動(dòng)并記錄當(dāng)前工件與焊絲1相接觸的點(diǎn)的坐標(biāo)位置；步驟二、確定基準(zhǔn)焊接工件的空間位置首先建立三維坐標(biāo)系(包括設(shè)定該坐標(biāo) 系中的原點(diǎn))，選定一基準(zhǔn)焊接工件，在該基準(zhǔn)焊接工件上首先任意尋找一個(gè)平面Fl，在該 平面Fl內(nèi)任意尋找3個(gè)共面但不共線的特征點(diǎn)PP1、PP2和PP3，再在基準(zhǔn)焊接工件上尋找 與Fl垂直的任意平面F2，在平面F2上任意找至少2個(gè)特征點(diǎn)PP4和PP5，再在基準(zhǔn)焊接工 件尋找與Fl、F2均垂直的平面F3，在平面F3上任意找至少1個(gè)特征點(diǎn)PP6，記下這六個(gè)特 征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)這六個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)來(lái)標(biāo)定該基準(zhǔn)焊接工件在三維坐標(biāo)系中的 空間位置。下面詳細(xì)介紹一下尋找特征點(diǎn)PPl的過(guò)程，如圖2所示，首先設(shè)定機(jī)器人在該基準(zhǔn) 焊接工件上尋找第一個(gè)特征點(diǎn)Pl時(shí)的起始點(diǎn)M1，記下該起始點(diǎn)Ml的三維坐標(biāo)，在起始點(diǎn)與 該基準(zhǔn)焊接工件上任意確定一個(gè)輔助點(diǎn)m，并記錄下輔助點(diǎn)m的三維坐標(biāo)，以從MI點(diǎn)指向 Nl點(diǎn)的方向?yàn)閷ふ业谝惶卣鼽c(diǎn)Pl的尋找方向，以大于Ml到m兩點(diǎn)間的直線距離為最大尋 找距離L (如Ml到m的距離為5cm，則可以將最大尋找距離示教為8cm)，焊槍在機(jī)器人的 示教下按照該尋找方向和最大尋找距離尋找特征點(diǎn)P1，如果機(jī)器人沿著該尋找方向上運(yùn)行 小于等于最大尋找距離L時(shí)(如最大尋找距離示教為8cm，實(shí)際運(yùn)行時(shí)為7cm)，Kl觸點(diǎn)閉 合，即焊絲與工件接觸，則焊絲與工件的接觸點(diǎn)即為待尋找的特征點(diǎn)P1，機(jī)器人記錄下當(dāng)前 特征點(diǎn)Pl的三維坐標(biāo)；此時(shí)，如果機(jī)器人沿著尋找方向上運(yùn)行超過(guò)最大尋找距離，Kl觸點(diǎn) 還未閉合，即焊絲未與工件接觸，則尋找特征點(diǎn)Pl失敗，此時(shí)需要人為重新設(shè)定尋找方向 和最大尋找距離按照上述方法繼續(xù)尋找特征點(diǎn)Pl。繼續(xù)按照相同的方法尋找另五個(gè)特征點(diǎn)PP2、PP3、PP4、PP5和PP6，并記錄下這五 個(gè)特征點(diǎn)PP2、PP3、PP4、PP5和PP6的三維坐標(biāo)位置。上述步驟完成后，即可確定了基準(zhǔn)焊接工件在三維坐標(biāo)系中的空間位置，由于每條焊縫在對(duì)應(yīng)工件上的位置都是相同的，這樣該基準(zhǔn)焊接工件上的焊縫位置也能夠確定， 此焊縫位置為基準(zhǔn)焊縫位置，存儲(chǔ)在機(jī)器人內(nèi)作為后續(xù)實(shí)際尋找焊縫的比較基準(zhǔn)。步驟三、在當(dāng)前待焊接的工件上，按照與上述尋找特征點(diǎn)PP1、PP2、PP3、PP4、PP5 和PP6相同的方法尋找六個(gè)實(shí)際特征點(diǎn)ΡΡΓ、PP2，、PP3，、PP4，、PP5，、PP6，以及所對(duì)應(yīng)的 平面Fl’、F2’、F3’，記下該六個(gè)實(shí)際特征點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)位置，將其與六個(gè)特征點(diǎn)PP1、PP2、 PP3、PP4、PP5和PP6進(jìn)行比較，計(jì)算得出當(dāng)前待焊接工件相對(duì)于上述的基準(zhǔn)焊接工件在三 維空間中的偏移距離以及旋轉(zhuǎn)角度。如附圖4所示，具體的求解步驟如下
1. PP1 (Xl, Z1), PP2 (χ2, y2, ζ2), PP3 (χ3, Y3, ζ3)確定平面方程 AlX+Biy+ClZ = D1 (平 面法向向量為ζ )。由原理圖可知 = ±(梗><萌),根據(jù)條件K力>4 > 0唯一確定€。由點(diǎn) 法式確定平面方程AlX+Biy+ClZ = D1。2·ΡΡ4(χ4，y4, z4)，PP5 (x5，y5, z5)，ζ確定平面方程 A2x+B2y+C2z = D2 (平面法向 向量為;ζ)。由原理圖可知，如果咫咫"ζ，則此時(shí)方程無(wú)唯一的確定解。否則有平面 A2x+B2y+C2z = D2的法向向量〒=±{PP,PP, x )，根據(jù)條件〒2 0唯一確定f。由點(diǎn) 法式確定平面方程A2x+B2y+C2z = D2。3. ΡΡ6(χ6,76，ζ6) 確定平面方程A3x+B3y+C3z = D3(平面法向向量為f)。由原 理圖可知，i = χζ (右手關(guān)系)。由點(diǎn)法式確定平面方程A3x+B3y+C3z = D3。
J1X + Β γ + C1Z = D14.方程組+ + =馬的解即為T。bj坐標(biāo)系原點(diǎn)在Base坐標(biāo)系下的描述
<formula>formula see original document page 6</formula>5.確定1^坐標(biāo)系在Base坐標(biāo)系下的描述為^3其中<formula>formula see original document page 6</formula>
niz」3X3，nix，niy' niz 分別為\，ny, \單位化后的列向量。6.同樣可以求出偏移后T'。bj坐標(biāo)系在Base'坐標(biāo)系下的描述為T'7.確定 Base 偏移量Δ5似e = T7'.T0-1由于每條焊縫在對(duì)應(yīng)的工件上的位置都是相同的，因此步驟三中得出的當(dāng)前待焊 接的工件相對(duì)于基準(zhǔn)焊接工件在三維空間中的偏移距離以及旋轉(zhuǎn)角度，也就是該當(dāng)前待焊 接工件上的焊縫相對(duì)于基準(zhǔn)焊接工件上的基準(zhǔn)焊縫位置的偏移距離以及旋轉(zhuǎn)角度，由于在 機(jī)器人中已存儲(chǔ)了基準(zhǔn)工件上的基準(zhǔn)焊縫位置，所以根據(jù)這個(gè)偏移距離和旋轉(zhuǎn)角度即可得 到當(dāng)前待焊接工件上的焊縫位置。上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人 士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明 精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種機(jī)器人接觸尋找焊縫的方法，其中，待尋找的焊縫在各自工件上的位置相同，其特征在于，該尋找方法包括以下步驟步驟一、首先建立一個(gè)三維坐標(biāo)系，選定一基準(zhǔn)焊接工件，該基準(zhǔn)焊接工件上的焊縫位置為基準(zhǔn)焊縫位置，在該基準(zhǔn)焊接工件上的任意平面F1內(nèi)任意找至少3個(gè)不共線的特征點(diǎn)PP1、PP2和PP3，再在基準(zhǔn)焊接工件上尋找與F1垂直的任意平面F2，在平面F2上任意找至少2個(gè)特征點(diǎn)PP4和PP5，在基準(zhǔn)焊接工件尋找與平面F1、平面F2均垂直的平面F3，在其上任意找至少1個(gè)特征點(diǎn)PP6，記下這六個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)這六個(gè)特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)來(lái)標(biāo)定所述的基準(zhǔn)焊接工件在三維坐標(biāo)系中的空間位置；步驟二、在當(dāng)前待焊接的工件上，按照與所述的步驟一中尋找特征點(diǎn)PP1、PP2、PP3、PP4、PP5和PP6相同的方法尋找六個(gè)實(shí)際特征點(diǎn)PP1’、PP2’、PP3’、PP4’、PP5’、PP6’以及對(duì)應(yīng)的平面F1’、F2’、F3’，記下該六個(gè)實(shí)際特征點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo)，將其與所述的步驟一中尋找到的六個(gè)特征點(diǎn)PP1、PP2、PP3、PP4、PP5和PP6的三維坐標(biāo)進(jìn)行比較，計(jì)算得出當(dāng)前待焊接工件相對(duì)于所述的步驟一中的基準(zhǔn)焊接工件在三維坐標(biāo)系中的偏移距離以及旋轉(zhuǎn)角度，該偏移距離和旋轉(zhuǎn)角度也是當(dāng)前待焊工件上的焊縫相對(duì)于所述的基準(zhǔn)焊縫的偏移距離和旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)所述的步驟一中的基準(zhǔn)焊縫位置與所述的偏移距離和旋轉(zhuǎn)角度即可得尋找到當(dāng)前待焊接工件上的焊縫位置；上述的所述的步驟一和步驟二中尋找所述的特征點(diǎn)PP1’、PP2’、PP3’、PP4’、PP5’、PP6’、PP1、PP2、PP3、PP4、PP5和PP6的方法按照如下步驟進(jìn)行步驟a、準(zhǔn)備工作在焊絲與工件之間接入電壓，確保當(dāng)焊槍上的焊絲與工件接觸時(shí)能形成電流回路，將焊絲與工件回路間的接觸器K1觸點(diǎn)接入機(jī)器人I/O端口，編寫程序使當(dāng)K1閉合時(shí)，機(jī)器人能停止運(yùn)動(dòng)并記錄當(dāng)前工件與焊絲相接觸的點(diǎn)的坐標(biāo)位置；步驟b、實(shí)際尋找首先設(shè)定機(jī)器人尋找特征點(diǎn)時(shí)的起始點(diǎn)的三維坐標(biāo)，給機(jī)器人設(shè)定尋找特征點(diǎn)的尋找方向以及最大尋找距離，焊槍按照所述的尋找方向和最大尋找距離尋找特征點(diǎn)，如果機(jī)器人沿著所述的尋找方向上運(yùn)行小于等于最大尋找距離時(shí)，K1觸點(diǎn)閉合，即焊絲與工件接觸，則焊絲與工件的接觸點(diǎn)即為要尋找的特征點(diǎn)，機(jī)器人記錄下當(dāng)前特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)；如果機(jī)器人沿著所述的尋找方向上運(yùn)行超過(guò)最大尋找距離，K1觸點(diǎn)還未閉合，即焊絲未與工件接觸，則尋找特征點(diǎn)失敗，重新設(shè)定尋找方向和最大尋找距離按照上述方法繼續(xù)尋找特征點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人接觸尋找焊縫的方法，其特征在于在步驟b中，給機(jī) 器人設(shè)定尋找特征點(diǎn)的尋找方向以及最大尋找距離之前，先在選定輔助點(diǎn)，從所述的起始 點(diǎn)到所述的輔助點(diǎn)的連線即為所述的尋找方向，所述的最大尋找距離大于所述的起始點(diǎn)到 所述的輔助點(diǎn)的直線距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的機(jī)器人接觸尋找焊縫的方法，其特征在于所述的步驟a 中，在焊絲與工件之間接入的電壓為安全電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)器人接觸尋找焊縫的方法，其特征在于所述的安全電壓 選用12-30V的交流電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人接觸尋找焊縫的方法，其特征在于在尋找所述的特 征點(diǎn)過(guò)程中，所述的焊槍的槍管所在的中心線與平面F1、平面F2、平面F3、平面F1’、平面 2’、平面？3’之間均呈20-70度的夾角。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人接觸尋找焊縫的方法，其中，待尋找的焊縫在各自工件上的位置相同，包括以下步驟一、首先建立一個(gè)三維坐標(biāo)系，尋找6個(gè)特征點(diǎn)，二、在待焊接的工件上，尋找六個(gè)實(shí)際特征點(diǎn)，尋找方法如下a、確保當(dāng)焊槍上的焊絲與工件接觸時(shí)能形成電流回路，b、實(shí)際尋找設(shè)定起始點(diǎn)的三維坐標(biāo)，設(shè)定尋找特征點(diǎn)尋找方向以及最大尋找距離，焊槍按照所述的尋找方向和最大尋找距離尋找特征點(diǎn)。本發(fā)明簡(jiǎn)化了機(jī)器人末端結(jié)構(gòu)和體積，擴(kuò)大了機(jī)器人的可達(dá)性和靈活性；該方法操作簡(jiǎn)單，精度高，簡(jiǎn)單易用。
文檔編號(hào)B23K9/127GK101804498SQ20101012861
公開日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者張弢 申請(qǐng)人:昆山工研院工業(yè)機(jī)器人研究所有限公司