專利名稱：機器人焊接v型工件焊接起點的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種機器人焊接V型工件焊接起點的控制方法，屬于機械自動控制領域。
背景技術：
在國內的焊接行業中，使用焊接機器人代替人工焊接已經呈趨勢，但目前普遍存在著焊件加工誤差較大，夾具精度不高，在焊接過程中，焊接產生熱變形，嚴重影響了焊縫的質量。因此保證焊接產品質量的穩定性、提高生產效率、減輕工人的勞動強度和改善勞動環境已經成為現代焊接制造工藝發展最關鍵的問題。因而對焊縫的精確的定位更顯得尤為重要，定位的第一步就是找到焊縫的起始點的問題，雖然視覺傳感器可以達到這樣的要求， 但是視覺傳感器附加成本高，使得焊接系統復雜、重量增加，且成本高，受環境影響比較大， 如，電弧，煙塵等，實際應用較少。尋找焊縫起始點的目的是為了提高焊接同一類工件的效率。當完成初始工件的焊接后，更換新工件，擺放位置上會有偏差，焊縫的位置也發生變化，為了更好地提高應用精度，就需要對初始的焊縫起點經行修正。通過觸碰尋找到焊縫起始點，就無需再重復手動示教，這樣既降低了勞動強度，也提高了效率，符合自動化生產發展的規律。專利號201010128613. 5 “機器人接觸尋找焊縫的方法”中，焊接把工件看成靜態模型，每次都要尋找6個特征點計算實際工件焊縫，在機器人控制方面加大了難度。

發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種機器人焊接V型工件焊接起點的控制方法，通過本方法可以解決大量焊接工件(工件都是指V型工件)偏移后焊縫起始點發生偏差的問題，只需尋到初始焊接工件的焊接起點，根據糾偏控制算法，后續要焊接的工件只要提供一個偏差量即可以得到新的焊接工件的焊接起點。為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種焊接機器人尋位V型焊接工件起點的控制方法，其特征在于機器人手臂中的焊槍通過機器人在導軌上的運動，對置于變位機上的待焊接初始工件進行接觸，尋找出初始工件焊縫的起始點并完成對初始工件的焊接，對后續的工件焊接時，依據初始工件焊縫的起始點通過糾偏控制算法得到后續工件位置的偏差量，用偏差量進行修正，找到后續工件的焊縫起始點，完成對新工件的焊接；包括以下步驟(1)手動操作機器人終端示教器，在空間規劃路徑下沿χ、γ、ζ軸方向下分別示教兩個點，記為起始點和輔助點，記錄這兩個示教點并計算，分別建立X方向、y方向、Z方向相
互垂直的三條搜尋向量即X 方向搜尋點 DCq (Xc^ywZci)J1 (Xl，yi，Z1)]、y 方向搜尋點[Y。(V，y0' ,Z0')， Y1U/，y/ , Z1' )]、2方向搜尋點[2。(1。〃，y。〃，z0" ),Z1(x1" ,Y1" , Z1")]，其中)(0 為X方向的起始點，&為X方向的輔助點，同樣，Yo、Y1與Zp Z1分別為Y方向與Z方向的起始點和輔助點；根據x、y、z方向的起始點和輔助點建立方向向量，分別為YJ1 ,⑵三條向量，并予以保存；(2)焊槍頭分別沿著三條向量方向前進，在觸碰到初始焊接V型工件上的三個相互垂直的平面Fl、F2、F3后，觸碰得到三個點Pfi> PF2> Pf3分別為Fl、F2、F3平面上的點，并予以保存，焊槍接觸到工件時與外部硬件電路一起形成回路，并把這一閉合狀態反饋給機器人控制器，使得機器人停止運動并返回到示教得到的起始點位置；(3)由平面點法式方程得到三個相互垂直的平面，并且初始焊縫起始點坐標值 (x、y、z)分別落在對應的Fl、F2、F3三個平面內，計算出Fl、F2、F3三個平面的交點tp0，為初始工件焊縫的起始點；(4)在變位機上放置更換的后續焊接工件，調用(1)保存的數據，機器人沿著(2) 中搜尋方向運動，與O)中的初始工件相比，由于后續工件在變位機上的位置略有偏差，得到的焊接起點的位置也存在偏差；(5)根據(4)中偏差的情況，使⑷中得到的位置偏差疊加到步驟(3)中的三平面交點工件焊縫的起始點tp(l上去，得到后續需要焊接的工件的實際焊接起點；(6)再次更換工件進行焊接時，均以初始工件焊接起點tp(l為參照，即，對初始工件一次尋點，后續工件多次糾偏。所說尋找初始工件焊縫起始點的具體方法是(1)給繼電器電路上電；配置機器人控制器擴展的I/O端口，以獲得外部閉合電路的模擬信號；(2)由軟件程序控制機器人在χ方向上依次示教并保存兩個點，稱之為起始點 X0(x0J Y0' Z0)與輔助點AOq，Y1, Z1),在機器人系統控制器支持的開發平臺上編寫尋點函數算法軟件程序，得到Χ方向搜尋向量^T1 (X1-JCMy1-Iz1-^hy方向搜尋向量
UULA ,^^^ \UUULt , ,,,, ,,,, ,,,, \
7O7I，yi'-凡，zI' "zo j >z 方向搜尋向量^1Z1 (X1" -X0",y/ -y0', Z1" -Z0")；
,_ ,., — UUUULAUULAUUULt(3)調用保存的三個點PF1、PF2、PF3及搜尋向量JTciJT1, Z0Z1 , ^1Z1，機器人沿搜
尋向量^T1移動，直至觸碰到待焊接的初始工件平面F1，記錄觸碰時的焊槍末端的空間點
位置為PF1(xfl，yfl，zfl)，同樣，機器人沿著搜尋向量@與⑵分別在待焊接的初始工件的平面F2與平面F3上得到焊槍末端與之接觸記錄下的點PF2(Xf2，yf2，zf2)與點PF3(xf3，yf3, zf3)；在機器人控制系統所支持的平臺上編寫程序，形成三個平面并計算出初始工件焊縫的
ι— UUUULL—ιι— UULl—ι
起始點，即為，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)]，平面表示的方法為點法式，綜合上述三個平面，通過編寫程序得出
初始工件的焊縫起始點。所說對后續工件糾偏的具體方法是調用建立的搜尋向量編寫軟件程序，包括；一維偏差則調用三條向量
UUUULAUULA UUULtv_. UUUULAUULAUUULt、 _.,,
X0X1, FtlF1 AtlZ1的任一條；二維偏差調用JTtlJTp Γ/ρ ^1Z1的任意兩條，有以下組合X0U0F1J，[X0X1,Z0Z1J，L Y0Y1,Z0Z1J，三維偏差則全部調用，LX0X15JXAZ1J,其中一維
偏差向量選擇有三種，二維偏差向量選擇有三種，三維偏差向量選擇只有一種，對于一維和二維來說，選擇偏差向量是依據變位機上的焊接工件放置的位置來確定，一維下選擇與V 型工件豎直平面垂直的向量，二維下選擇分別與V型工件的豎直平面和水平平面相垂直的兩條向量；啟動控制器，讓機器人沿著所調用的搜尋向量上觸碰后續的焊接工件，記錄下此時焊槍末端的空間點的位置，一維就是平面F1、平面F2或者平面F3的一個點，記為 Pfi' (xfl' ,in' 'Zfl' ) ；二維就是(F1，F2)、(F1，F3)、(F2，F3)任意一個組合平面上的兩個點，同樣可以記為點Pf/ (xf/ , yfl' , zfl‘)、點Pf2‘ (xf2'，yf2‘ , zf2‘)；三維即為(F1，F2，F3)上三個平面的三點，這里記為點Pf/ Ufl'，yfl' , zfl')、點PF2‘ (xf2'，
Yf2 ，Zf2 )禾口點 F3 (Xf3 ，Yf3 ，Zf3 )；尋找初始工件時，沿搜尋向量在平面接觸得到的點Pfi，Pf2，Pf3，求出偏差值，一維偏差值向量可以記為E1 (X。。m。ti。n，0，0)，二維偏差值向量記為E2 (X
correction' ^correction' ‘—>-佳
偏差值向量記為E3 (X correction' ^correction' ^correction )，根據現場環境及焊接工件需要的不同，選
擇偏差向量是一維、二維或者是三維偏差，把偏差量疊加到初始焊接工件的焊縫起始點tp(l 上去，即可以得到新工件新的焊縫起始點。焊接過程中，只是機器人手臂的位置發生偏移，機器人手臂姿態不能發生變化，否則影響結果的精確性。另外，注意在焊槍末端的焊絲干生長度要合適，太長容易引起碰觸變形，對上述結果計算會有影響。為了后續焊接的合理與方便，焊槍末端的位姿表現為在工件所形成焊縫角度的角平分線方向。本發明的優點及有益效果本發明方法有硬件電路提供接觸反饋信號，可以自動定位初始焊接工件的焊接起點，計算后續工件的偏差，最后找到后續焊接工件的起點。不需要重復多次示教起點，速度快、自動化程度高。


圖1是本發明中外部繼電器回路電氣示意圖；圖2是本發明中外部硬件電路電氣接線示意圖；圖3是本發明中尋點示意圖；圖4是本發明中糾偏一維示意圖；圖5是本發明中糾偏二維示意圖；圖6是本發明中糾偏三維示意圖；圖7是本發明中技術要求的控制流程圖；圖8是本發明中實際測試得到的結果圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的說明本發明的焊接機構包括外部硬件電路、6軸機器人本體、導軌和變位機，機器人本體放置在導軌上，焊槍固定在機器人第六軸的前端法蘭盤上。
參看圖7，本發明方法的流程如下(1)待焊接初始工件置于變位機上，焊槍置于靠近待焊工件起點的位置，一般稱之為安全點；(2)手動操作機器人示教器，在空間規劃路徑下沿X、y、ζ軸方向下分別示教兩個點，記做為起始點與輔助點，以這兩個點建立搜尋向量，可以建立χ方向、y方向、ζ方向相互垂直的三條搜尋向量；(3)操作示教器使機器人分別沿著O)中的三條向量方向前進，在觸碰到初始焊接V型工件上的三個相互垂直的平面后，機器人停止運動并返回到( 示教得到的起始點的位置上去，這一過程中機器人控制器得到與V型工件三個平面接觸到的三個點，由尋點控制算法控可得到待焊接初始V型工件的焊接起點；(4)更換工件，在變位機上放置后續焊接工件，調用( ，機器人沿著( 中搜尋方向運動，與(3)中的初始工件相比，由于后續工件在變位機上的位置略有偏差，得到的焊接起點的位置也存在偏差，糾偏算法中記錄這個偏差；(5)根據(4)中偏差的情況，調用糾偏算法，得到后續需要焊接的V型焊接工件的實際焊接起點；在C3)和(4)中，焊槍接觸到工件時與外部硬件電路一起形成回路，并把這一閉合狀態反饋給機器人控制器，使得機器人在焊槍觸碰到工件時及時停止并且返回到O)中所述的起始點位置。機器人6軸所裝配的焊槍頭在搜尋向量上尋找待焊接工件的時候，根據具體工作環境及安全系數的不同，手動設置不同的Time時間值來滿足實際的需要，在設置的Timer 時間內沒有找到焊接工件，即沒有觸碰到工件沒有形成閉合的回路則安全返回至起始點。尋點功能只是針對于初始工件有效，后續待焊接的工件的偏差計算都是以初始工件焊接起點為參照，即一次尋點，多次糾偏。參看圖1，圖Ia表示焊槍末端還沒有觸碰到工件的情形；圖Ib表示焊槍已經接觸到工件的情形。本發明中對繼電器進行了軟設置，即，程序中加上繼電器使能算法，在繼電器使能處于關斷狀態下，即使在圖Ib情形下，電路也沒有實際的閉合，采集信號口 I/O端口獲得不到信號。目的為了加強運動控制的可靠性與可控性。參看圖2，AM272/A為機器人控制器擴展的模擬I/O端口，AM272的X2是模擬輸出第0端口，AM272的X3是模擬輸如第二端口 ；接觸找焊縫板需要220v及Mv電壓供電，直接連接在機器人控制柜內部即可；AM272的X2通過軟件設置為打開還是關斷；本發明所表征的接觸找焊縫起始點的過程中，外部電路按如下步驟工作步驟a，軟件設置AM272的X2即模擬輸出第0端口使能，KA_SS吸合，Welding Rectifier與SENS 口形成回路，繼電器準備完畢；步驟b，當焊槍末端與待焊接工件觸碰到時，接觸找焊縫板輸口出高電平信號到 AM272的X3即模擬輸入的第二端口 ；步驟c，軟件程序中獲得AM272的X3的有效信號，表明焊槍末端已經觸碰到待焊接的工件。參看圖3，機器人尋點的過程步驟a，機器人從某一安全點開始，安全點可以根據現場情況和操作者的習慣自由選取，PTP到起點Xtl,按照示教的點位姿Lin到輔助點X1,建立搜尋向量^T1。機器人手臂焊槍末端沿著建立好的搜尋向量在設置的Timer時間值之內向前運動，直至觸碰到待焊接V 型工件的面F1，得到觸碰的點為Pfi，否則沿搜尋向量方向返回到起始點結束搜尋。同樣在不同方向上示教起始點與輔助點即可得到X，Y，Z方向的搜尋向量，依次可以得到一維、二維與三維的計算方法；步驟b，根據平面的點法式方程即可得到相對應得平面；步驟C，三個平面的交點計算得出初始工件焊縫的起始點。上述步驟的說明這里一維以平面Fl為說明對象，二維以平面Fl、F2平面為說明對象，三維即是平面F1、平面F2、平面F3。一維搜尋向量記為^T1，在平面Fl上的觸碰
rUUUUU,\
點為PF1，故觸碰平面Fl的方程即可以這樣表示平面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，解出交點即為
初始焊接工件的焊縫起始點 Lpoint oint ‘ Ypoint' ^point/ °
權利要求
1.一種機器人焊接V型工件焊接起點的控制方法，其特征在于機器人手臂中的焊槍通過機器人在導軌上的運動，對置于變位機上的待焊接初始工件進行接觸，尋找出初始工件焊縫的起始點并完成對初始工件的焊接，對后續的工件焊接時，依據初始工件焊縫的起始點通過糾偏控制算法得到后續工件位置的偏差量，用偏差量進行修正，找到后續工件的焊縫起始點，完成對新工件的焊接；包括以下步驟(1)手動操作機器人終端示教器，在空間規劃路徑下沿X、y>Z軸方向下分別示教兩個點，記為起始點和輔助點，記錄這兩個示教點并計算，分別建立χ方向、y方向、ζ方向相互垂直的三條搜尋向量即χ方向搜尋點D(o(xQ，yQ， )，AU1, ζ》]、y方向搜尋點^1Uc/ , y0' , z0')， Y1U/，y/ , Z1' )]、2方向搜尋點[2。(1。〃，y。〃，z0" ),Z1(x1" ,Y1" , Z1")]，其中)(0 為X方向的起始點，&為X方向的輔助點，同樣，Yo、Y1與Zp Z1分別為Y方向與Z方向的起始點和輔助點；根據X、y、Z方向的起始點和輔助點建立方向向量，分別為U，YJ1,⑵三條向量，并予以保存；(2)焊槍頭分別沿著三條向量方向前進，在觸碰到初始焊接V型工件上的三個相互垂直的平面Fl、F2、F3后，觸碰得到三個點Pfi、PF2、Pf3分別為Fl、F2、F3平面上的點，并予以保存，焊槍接觸到工件時與外部硬件電路一起形成回路，并把這一閉合狀態反饋給機器人控制器，使得機器人停止運動并返回到示教得到的起始點位置；(3)由平面點法式方程得到三個相互垂直的平面，并且初始焊縫起始點坐標值(x、y、 ζ)分別落在對應的F1、F2、F3三個平面內，計算出F1、F2、F3三個平面的交點tp(1，為初始工件焊縫的起始點；(4)在變位機上放置更換的后續焊接工件，調用(1)保存的數據，機器人沿著O)中搜尋方向運動，與O)中的初始工件相比，由于后續工件在變位機上的位置略有偏差，得到的焊接起點的位置也存在偏差；(5)根據(4)中偏差的情況，使(4)中得到的位置偏差疊加到步驟C3)中的三平面交點工件焊縫的起始點tp(l上去，得到后續需要焊接的工件的實際焊接起點；(6)再次更換工件進行焊接時，均以初始工件焊接起點tp(l為參照，即，對初始工件一次尋點，后續工件多次糾偏。
2.根據權利要求1所述的機器人焊接V型工件焊接起點的控制方法，其特征在于尋找初始工件焊縫起始點的具體方法是(1)給繼電器電路上電；配置機器人控制器擴展的I/O端口，以獲得外部閉合電路的模擬信號；(2)由軟件程序控制機器人在χ方向上依次示教并保存兩個點，稱之為起始點 X0(x0J y0' Z0)與輔助點AOq，Y1, Z1),在機器人系統控制器支持的開發平臺上編寫尋點函數算法軟件程序，得到χ方向搜尋向量
3.根據權利要求1所述的機器人焊接V型工件焊接起點的控制方法，其特征在于對后續工件糾偏的具體方法是調用建立的搜尋向量編寫軟件程序，包括；一維偏差則調用三條向量
4.根據權利要求1或2或3所述的機器人焊接V型工件焊接起點的控制方法，其特征在于焊接過程中，只是機器人手臂的位置發生偏移，機器人手臂姿態不發生變化，焊槍末端的位姿表現為在工件所形成焊縫角度的角平分線方向。
全文摘要
一種機器人焊接V型工件焊接起點的控制方法，機器人手臂中的焊槍通過機器人在導軌上的運動，對置于變位機上的待焊接初始工件進行接觸，尋找出初始工件焊縫的起始點并完成對初始工件的焊接，對后續的工件焊接時，依據初始工件焊縫的起始點通過糾偏控制算法得到后續工件位置的偏差量，用偏差量進行修正，找到后續工件的焊縫起始點，完成對新工件的焊接。
文檔編號B23K9/095GK102554407SQ20121000470
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者劉藝, 溫龍勝, 王海俊, 陳興云, 馬旭東 申請人:東南大學