基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感的智能焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)焊縫跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于焊接自動(dòng)控制設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感的智能 焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)焊縫跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)今，在工業(yè)4.0高科技戰(zhàn)略計(jì)劃的全球大背景及中國(guó)2025機(jī)械制造新形勢(shì)下，機(jī) 器人的推廣和應(yīng)用是必不可少的重要環(huán)節(jié)，焊接自動(dòng)化、焊接機(jī)器人以及智能化已成為焊 接技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。越來(lái)越多的焊接機(jī)器人已廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化制造的各個(gè)領(lǐng)域。但是，現(xiàn) 在工廠里大多數(shù)的焊接機(jī)器人僅維持在傳統(tǒng)的示教再現(xiàn)的水平，對(duì)于空間復(fù)雜焊縫軌跡及 復(fù)雜尺寸和形狀的工件，需花費(fèi)大量的人工時(shí)間來(lái)示教，不僅帶來(lái)巨大的人力消耗，也不利 于縮短生產(chǎn)周期、降低成本。
[0003] 示教再現(xiàn)型機(jī)器人對(duì)焊接條件的穩(wěn)定性要求極為苛刻。實(shí)際焊接生產(chǎn)中，由于不 同工件、不同焊接任務(wù)的焊縫軌跡的復(fù)雜性，難以甚至不能用具體的曲線方程設(shè)定焊接軌 跡，從而導(dǎo)致示教困難，由此難以得到優(yōu)良的焊接質(zhì)量和焊縫成形。同時(shí)，示教型機(jī)器人對(duì) 焊件裝配精度要求高，受實(shí)時(shí)焊接所引起的應(yīng)力變形干擾大。最主要的原因在于，機(jī)器人只 具備單一執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能，不具備感知外界信息的能力，由此不能通過(guò)獲取焊槍相對(duì)目標(biāo)焊 縫軌跡的空間位姿關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主修正即焊縫跟蹤。為了解決這一問(wèn)題，必須給 機(jī)器人配置外界感知傳感器，賦予其獲得外部信息的能力。
[0004]在常用的焊縫跟蹤傳感器中，電弧傳感器實(shí)時(shí)性最好，跟蹤性能穩(wěn)定且精度高，成 本低，適合于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器在進(jìn)行空間掃描采集信號(hào)時(shí)，相對(duì)其他 現(xiàn)有的傳感器，能夠減少數(shù)據(jù)樣本重疊率，提高信號(hào)特征維度，從而較準(zhǔn)確的提取焊槍的三 維位姿信息，包括多個(gè)自由度，與具有多自由度的機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)合完美互補(bǔ)。目前，將 旋轉(zhuǎn)電弧傳感技術(shù)應(yīng)用在機(jī)器人系統(tǒng)上，解決空間復(fù)雜焊縫軌跡自動(dòng)跟蹤的研究較少。針 對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧傳感式焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行研究，以機(jī)器人系統(tǒng)為主體，結(jié)合 旋轉(zhuǎn)電弧傳感式焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)糾偏，為焊縫跟蹤技術(shù)在機(jī)器人中的應(yīng)用提供理 論參考，這也是焊接機(jī)器人朝著自動(dòng)化、柔性化和智能化發(fā)展的必然要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、實(shí)用性強(qiáng)、簡(jiǎn)單且易 實(shí)現(xiàn)的基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感的智能焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)焊縫跟蹤方法。針對(duì)不同的焊縫甚至空間 復(fù)雜軌跡，研究以旋轉(zhuǎn)電弧傳感器為主體的焊縫跟蹤系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，提出了 一種基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感的智能焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)焊縫跟蹤方法，發(fā)明了一種用于旋轉(zhuǎn)電弧焊 縫跟蹤傳感器信號(hào)預(yù)處理的裝置和一種分離焊槍的空間位姿信號(hào)的維度分類器，克服機(jī)器 人只具備單一執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能，不具備感知外界信息的能力的局限性。發(fā)明了一種旋轉(zhuǎn)電弧 實(shí)時(shí)跟蹤擴(kuò)展串口，在保留焊接機(jī)器人原有功能模炔基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)機(jī)器人通訊串口，偏移量 和偏移角信號(hào)經(jīng)該串口控制電路后轉(zhuǎn)換為焊接機(jī)器人系統(tǒng)能識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言，將得到的信 號(hào)實(shí)時(shí)傳輸至擴(kuò)增的旋轉(zhuǎn)電弧實(shí)時(shí)焊縫跟蹤傳感器模塊，由機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理該偏差信 號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。該方法通過(guò)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器獲取焊槍的空間位姿來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靈活多 變的實(shí)時(shí)跟蹤，為旋轉(zhuǎn)電弧傳感技術(shù)在機(jī)器人系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤提供新方法。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:根據(jù)旋轉(zhuǎn)電弧傳感式焊縫跟蹤系統(tǒng) 與焊接機(jī)器人系統(tǒng)的各自特點(diǎn)，本發(fā)明將其有機(jī)結(jié)合。焊接機(jī)器人保留原有功能模塊，對(duì)焊 接過(guò)程中旋轉(zhuǎn)電弧焊縫跟蹤傳感器采集到的電流信號(hào)進(jìn)行濾波等預(yù)處理，增加了一種維度 分類器裝置，對(duì)該處理信號(hào)進(jìn)行維度分離，獲取焊槍的空間位姿信號(hào)，包括電弧中心與焊縫 中心的兩正交方向偏移量，焊槍高度的偏移量，焊槍焊件之間航向角、橫滾角、俯仰角與理 想位姿的三個(gè)偏移角。增加了一種旋轉(zhuǎn)電弧實(shí)時(shí)跟蹤擴(kuò)展串口，開(kāi)發(fā)機(jī)器人通訊串口，信號(hào) 經(jīng)該串口控制電路后轉(zhuǎn)換為焊接機(jī)器人系統(tǒng)能識(shí)別的機(jī)器語(yǔ)言，將得到的偏移量和偏移角 實(shí)時(shí)傳輸至擴(kuò)增的旋轉(zhuǎn)電弧實(shí)時(shí)焊縫跟蹤傳感器模塊，由六自由度智能焊接機(jī)器人執(zhí)行糾 偏動(dòng)作。
[0007] 本發(fā)明所述維度分類器，基于歐式距離最近原理。旋轉(zhuǎn)電弧跟蹤系統(tǒng)在焊接過(guò)程 中由傳感頭采集實(shí)時(shí)焊接電流數(shù)據(jù)信號(hào)，該信號(hào)具有多維性，對(duì)應(yīng)焊槍RF、RB、RU、RD、LF、 1^、〇]、1^)、2?、28、2等的多種空間姿態(tài)。為了滿足六自由度智能機(jī)器人系統(tǒng)的糾偏執(zhí)行功 能，維度分類器首先提取未知焊槍姿態(tài)的空間特征向量，然后計(jì)算與各種經(jīng)驗(yàn)焊槍姿態(tài)空 間特征向量之間的歐氏距離，得到一個(gè)距離集，對(duì)所有的距離進(jìn)行比較，距離集中最小的 值，則將當(dāng)前焊槍姿態(tài)的空間特征向量歸入對(duì)應(yīng)的偏移量和偏移角類型。以此類推，可得到 所有的焊前姿態(tài)對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且經(jīng)驗(yàn)焊槍位姿特征空間向量必然對(duì)應(yīng)一至多個(gè)未知焊 槍姿態(tài)的特征向量。若對(duì)應(yīng)多個(gè)，則取距離最小的，其余均舍棄。由此可將采集到的高維度 信號(hào)轉(zhuǎn)化為可由機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行的低維度焊縫跟蹤偏移量(角）。
[0008] 本發(fā)明所述旋轉(zhuǎn)電弧實(shí)時(shí)跟蹤擴(kuò)展串口，主要解決旋轉(zhuǎn)電弧跟蹤系統(tǒng)與六自由度 焊接機(jī)器人的信號(hào)語(yǔ)言轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)通訊問(wèn)題。該擴(kuò)展串口基于機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)放式擴(kuò)展接 口，與機(jī)器人系統(tǒng)原有模塊相互獨(dú)立又能實(shí)時(shí)通訊，由晶體管模塊、邏輯門模塊、可編程邏 輯整列模塊、微碼執(zhí)行單元模塊、解碼單元模塊、I/O雙向模塊等組成。傳感電弧跟蹤系統(tǒng)實(shí) 時(shí)采集的焊接電流信號(hào)濾波、降維后，偏移量及偏移角信號(hào)仍為電信號(hào)，經(jīng)擴(kuò)展串口 INPUT 端輸入依次經(jīng)過(guò)各單元模塊，轉(zhuǎn)換為多組偏移信號(hào)的機(jī)器碼。該機(jī)器碼由OUTPUT端實(shí)時(shí)傳 輸至機(jī)器人系統(tǒng)控制中心，通過(guò)一系列運(yùn)算分析生成指令集，經(jīng)邏輯門電路變?yōu)楦叩碗娖?控制信號(hào)。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是:有機(jī)結(jié)合采集多自由度空間位姿信號(hào)的旋轉(zhuǎn)電弧跟蹤系統(tǒng) 和六軸智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)，維度分類器實(shí)現(xiàn)了焊槍空間姿態(tài)的分離，既能滿足焊槍姿態(tài) 識(shí)別，又能保證跟蹤精度，旋轉(zhuǎn)電弧實(shí)時(shí)跟蹤擴(kuò)展串口實(shí)現(xiàn)了兩大系統(tǒng)間的信號(hào)通訊，使系 統(tǒng)充分發(fā)揮旋轉(zhuǎn)電弧傳感焊縫跟蹤系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)互補(bǔ)的綜合優(yōu)勢(shì)，提高了機(jī)器人系統(tǒng) 的適應(yīng)性，集成后的焊接系統(tǒng)穩(wěn)定性高，靈活性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化、柔性化和智能化的 實(shí)時(shí)焊縫跟蹤，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，順應(yīng)當(dāng)前工業(yè)4.0高科技戰(zhàn)略計(jì)劃的全球大背景 及中國(guó)2025機(jī)械制造新潮流。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感的機(jī)器人實(shí)時(shí)焊縫跟蹤的原理結(jié)構(gòu)框圖。
[0011] 圖2是維度分類器及旋轉(zhuǎn)電弧實(shí)時(shí)跟蹤擴(kuò)展串口工作原理圖。
[0012] 圖3是基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感的機(jī)器人實(shí)時(shí)焊縫跟蹤系統(tǒng)示意圖。
[0013]圖中：1-送絲機(jī)，2-水冷系統(tǒng)，3-旋轉(zhuǎn)電弧傳感器，4-工件及裝卡裝置，5-氣瓶，6-旋轉(zhuǎn)電弧跟蹤系統(tǒng)控制箱，7-維度分類器，8-帶代碼編譯器的信號(hào)預(yù)處理裝置，9-機(jī)械手 臂，10-霍爾傳感器，11-機(jī)器人控制柜，12-焊機(jī)。
[0014] 圖4是基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感的智能焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)焊縫跟蹤方法流程圖。
[0015] 圖5是基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感的機(jī)器人實(shí)時(shí)焊縫跟蹤實(shí)例圖。
[0016] 圖中：①-機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)電弧實(shí)時(shí)焊縫跟蹤傳感器初始化時(shí)傳感器及具有復(fù)雜焊縫 軌跡的工件的初始位姿關(guān)系，其中：19-固聯(lián)于機(jī)器人上的傳感器到達(dá)工件的預(yù)設(shè)路徑;②-焊接開(kāi)始前傳感器到達(dá)焊接起始點(diǎn)，其中：20-焊接起始點(diǎn);③-焊接過(guò)程中實(shí)際焊接工作點(diǎn) 與目標(biāo)焊接工作點(diǎn)，其中：21-目標(biāo)焊縫軌跡，22-實(shí)際旋轉(zhuǎn)電弧傳感器位置，23-糾偏方向矢 量，24-目標(biāo)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器位置;④-機(jī)器人系統(tǒng)補(bǔ)償偏差量實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)焊縫跟蹤，其中：25-傳感器到達(dá)理想位置;⑤-焊接結(jié)束傳感器按照一定軌跡回到初始位姿，各系統(tǒng)復(fù)位，其中： 26-傳感器復(fù)位的運(yùn)動(dòng)路徑。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但不限定本發(fā)明。
[0018]