一種激光識別焊縫8軸機器人空間曲線焊接系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及機器人空間曲線焊接系統(tǒng)，特別設及激光識別焊縫8軸機器人空間曲 線焊接系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002] 機器人焊接在許多生產領域得到廣泛的應用。目前機器人焊接方法主要示教 再現(xiàn)"模式為主，首先由人工引導機器人末端焊槍到達焊縫上的一個個示教點，然后編程定 義機器人在示教點之間的運動方式，如直線插補、圓弧插補等，最后通過"再現(xiàn)"命令機器人 按照示教程序，依次通過示教點，完成焊接過程。在面對復雜的空間曲線焊縫時，為保證精 度，需要選取大量的示教點，工作量大，耗時長，生產效率低。
[0003] 為解決上述問題，需要進行自動化焊縫識別，常用的方法有:接觸式傳感器識別、 電弧傳感器識別、超聲波識別、機器視覺焊縫識別等。
[0004] 接觸式傳感器識別是利用導向桿或導向輪在焊槍前方探測焊縫的位置，導向桿或 導向輪能跟隨焊縫的軌跡運動，引導焊槍跟尋焊縫軌跡進行焊接。主要的缺點是導桿和導 輪都有一定的結構尺寸，不能用于結構比較緊密的焊縫接頭;焊縫的粗糖不平容易造成探 頭的磨損和變形;焊接速度不能太快。
[0005] 電弧傳感器識別是通過電弧傳感器獲得焊接過程中的電弧電壓、電流信息，計算 出焊接電弧長度，W此獲得焊槍在焊縫高度方向上的偏差，從而在高度方向上識別焊縫位 置。主要缺點是獲得焊縫信息有限，不能完全識別焊縫在空間中的位置;結構復雜，實現(xiàn)不 易。
[0006] 超聲波識別是利用超聲波傳感器發(fā)射的超聲信號遇到金屬焊件之后發(fā)生全反射， 反射信號經(jīng)超聲探頭接收、識別并放大，利用計時器得到發(fā)射激勵脈沖與接收到回波信號 時的時間間隔，在聲速已知的情況下，即可計算出超聲探頭與掃描點之間的距離值，進而識 別出焊縫位置。主要的缺點是超聲波掃描范圍有限，而且識別精度低。
[0007] 機器視覺是使用CO)攝像機拍攝焊縫圖像，通過圖像處理的方法，提取焊縫特征， 完成焊縫識別。主要缺點是圖像處理難度大;焊縫識別精度低。
[000引上述技術方案均各有缺點，與理想的焊縫識別方法尚有差距。

【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提供一種激光識別焊縫8軸機器人空間曲線焊接系統(tǒng)，旨在解決 現(xiàn)有自動化焊縫識別方法效率低下，準確性低的問題，實現(xiàn)精確的空間曲線焊接。
[0010] 本發(fā)明的另一目的是提供一種激光識別焊縫8軸機器人空間曲線焊接方法，也旨 在解決上述問題。
[0011] 本發(fā)明的目的通過下述技術方案來實現(xiàn)：
[0012] -種激光識別焊縫軸機器人空間曲線焊接系統(tǒng)，包括用于固定工件的傾斜/旋轉 兩軸變位機、激光傳感器、激光傳感器固定元件、焊槍、焊槍固定元件、焊接機器人，工件固 定在所述傾斜/旋轉兩軸變位機上，跟隨傾斜/旋轉兩軸變位機做傾斜和/或旋轉運動，激光 傳感器安裝在激光傳感器固定元件上，激光傳感器固定元件裝夾在焊槍上，焊槍安裝在焊 槍固定元件上，焊槍固定元件安裝在焊接機器人末端法蘭盤上，激光傳感器和焊槍均可跟 隨焊接機器人末端運動。
[0013] 焊接機器人將激光傳感器帶至易于掃描工件空間曲線焊縫的位置，傾斜/旋轉兩 軸變位機通過轉動使工件空間曲線焊縫從起點到終點依次經(jīng)過激光傳感器激光掃描區(qū)，根 據(jù)掃描結果建立空間曲線焊縫參數(shù)方程，進行運動學規(guī)劃，控制焊接機器人和傾斜/旋轉兩 軸變位機完成同步協(xié)調焊接工作。
[0014] 進一步地，所述傾斜/旋轉兩軸變位機包括固定底座、可擺動的傾斜軸運動機構及 可旋轉的旋轉軸運動機構，所述的傾斜軸運動機構固定設置在固定底座上，所述的旋轉軸 運動機構固定設置在所述傾斜軸運動機構上，隨傾斜軸運動機構同步擺動。
[0015] 進一步地，所述的傾斜軸運動機構包括相對地固定設置在所述固定底座上的主動 側立板和從動側立板、固定設置在所述主動側立板上的交流伺服減速驅動機構、設置在所 述從動側立板上的回轉支撐、包括兩個腳座的旋轉軸運動機構安裝座，兩個腳座分別連結 在交流伺服驅動機構輸出端和回轉支承的外圈上，旋轉軸運動機構安裝座能夠在交流伺服 減速驅動機構帶動下，繞交流伺服減速驅動機構輸出端的軸線轉動。
[0016] 進一步地，所述的旋轉軸運動機構包括交流伺服減速驅動機構、固定設置在所述 交流伺服減速驅動機構輸出端上的固定工件工作臺，所述的固定工件工作臺在交流伺服減 速驅動機構帶動下，繞交流伺服減速驅動機構輸出端的軸線轉動。
[0017] 進一步地，所述的交流伺服減速驅動機構為蝸輪蝸桿及交流伺服電機驅動機構或 諧波減速器及交流伺服電機驅動系統(tǒng)。
[0018] 進一步地，所述的蝸輪蝸桿及交流伺服電機驅動機構包括蝸輪蝸桿機構、連接所 述蝸輪蝸桿機構輸入端的交流伺服電機、連接所述蝸輪蝸桿機構輸出端的轉盤。
[0019] 進一步地，所述諧波減速器及交流伺服電機驅動系統(tǒng)包括諧波減速器、連接所述 諧波減速器輸入端的交流伺服電機、連接所述諧波減速器輸出端的轉盤。
[0020] 本發(fā)明的另一目的采用如下技術方案實現(xiàn):基于上述激光識別焊縫軸機器人空間 曲線焊接系統(tǒng)的激光識別焊縫軸機器人空間曲線焊接方法，包括如下步驟：
[0021] S1、調整焊接機器人的位置和姿態(tài)，使固定在焊槍的激光傳感器處于掃描焊縫的 最佳位置，即讓焊縫處于激光傳感器的有效工作范圍，又保證在連續(xù)掃描焊縫的過程中，工 件不會與激光傳感器發(fā)生干設；
[0022] S2、傾斜/旋轉兩軸變位機連續(xù)轉動，使焊縫從起點到終點依次經(jīng)過激光傳感器的 掃描區(qū)；
[0023] S3、從激光傳感器掃描結果中提取焊縫的特征點，并計算激光傳感器坐標系下的 焊縫3中屯、點坐標；
[0024] S4、經(jīng)過坐標變換，將激光傳感器坐標系下的焊縫中屯、點坐標變換到固定工件工 作臺坐標系下；
[0025] S5、使用非均勻有理B樣條曲線擬合焊縫中屯、點，得到空間曲線焊縫的非均勻有理 B樣條曲線形式的參數(shù)方程表達式；
[0026] S6、按照焊接工藝要求的焊接速度、加速度及加加速度要求，使用S型加減速曲線 進行整個焊接過程的加減速運動規(guī)劃；
[0027] S7、使用參數(shù)與速度的遞推關系式，將空間曲線焊縫離散化，得到離散的插補點：
[002引
[0029] 式中：u為曲線參數(shù)，k表示第k個插補點；T為插補周期;v(t)為t時刻的插補速度； 打分別為焊縫參數(shù)方程關于參數(shù)的一階導數(shù)在x，y，z方向上的分量；
[0030] S8、根據(jù)焊接工藝要求的插補點焊接姿態(tài)，求解傾斜/旋轉兩軸變位機運動學逆 解，得到插補點對應的傾斜軸轉角Θ 7和旋轉軸轉角Θ 8 ;
[0031] S9、求解傾斜/旋轉兩軸變位機運動學正解得到插補點對應的焊槍末端位置和姿 態(tài)；
[0032] S10、求解機器人運動學逆解得到機器人六個軸的轉角目1，目2，目3，目4,目5，目6 ;
[0033] S11、傾斜/旋轉兩軸變位機和焊接機器人協(xié)調同步運動進行焊接；
[0034] S12、在焊接過程中，激光傳感器掃描焊縫，進行實時焊縫跟蹤，補償由于焊接熱變 形因素造成的焊縫位置偏差。
[0035] 本發(fā)明的工作原理是：機器人使激光傳感器處于易于掃描工件焊縫的位置和姿 態(tài)，條紋式激光傳感器掃描得到的焊縫特征點，經(jīng)過濾波之后，使用最小二乘法擬合得到焊 縫邊緣特征，經(jīng)過幾何計算后可W得到激光傳感器坐標系下焊縫的中屯、點；機器人和激光 傳感器不動，傾斜/旋轉兩軸變位機進行轉動，使焊縫從起點到終點依次經(jīng)過激光傳感器掃 描區(qū)，得到整條焊縫的離散中屯、點，將離散中屯、點的坐標變換到傾斜/旋轉兩軸變位機固定 工件工作臺坐標系下，使用非均勻有理B樣條曲線對離散中屯、點進行擬合，得到統(tǒng)一描述整 條焊縫的參數(shù)方程;依據(jù)焊接工藝要求的焊接速度、