一種用于機器人的旋轉電弧焊縫跟蹤系統信息處理方法與流程
本發明屬于焊接自動控制設備技術領域，具體涉及一種用于機器人的旋轉電弧焊縫跟蹤系統信息處理方法。
背景技術：
隨著焊接自動化程度不斷提高，焊接機器人也由單一的示教再現型向以智能化為核心的多傳感、智能化的柔性加工單元(系統)方向發展。目前，針對旋轉電弧傳感式焊縫實時跟蹤系統與機器人系統進行研究，以機器人系統為主體，結合旋轉電弧傳感式焊縫實時跟蹤系統，實現焊縫糾偏功能，已成為焊縫跟蹤研究領域的一大熱點。
將旋轉電弧技術應用于機器人的基礎設備主要有旋轉電弧傳感器，旋轉電弧焊縫跟蹤系統以及一臺具有外部擴展口的機器人。在已授權公開的發明專利中已經有焊縫跟蹤的磁控電弧旋轉傳感器，專利號：201210428067.6，該發明集水冷卻裝置、保護氣體輸送裝置、位置信息檢測裝置于一身，完全替代傳統焊槍又優于傳統焊槍；磁控旋轉電弧傳感實時焊縫跟蹤系統及方法，專利號：201210363443.8，該發明由磁控旋轉電弧傳感器中獲得表征焊槍與焊縫相對位置的特征參數，經霍爾傳感器獲得焊接電流信號后，送入控制系統進行數字濾波處理和相應的程序運算，控制跟蹤執行機構進行適時調整焊槍，使焊槍與焊縫中心對準以實現焊縫跟蹤；一種機器人示教軌跡規劃方法和系統，專利號：201310745783.1，該發明所述的機器人示教軌跡規劃方法包括：在對機器人進行示教過程中，采集示教軌跡的空間關鍵點，根據示教軌跡的空間關鍵點，用多結點樣條插值函數以及最小二乘擬合方法，得到示教軌跡曲線。
將旋轉電弧技術應用于機器人的難點主要在于旋轉電弧焊縫跟蹤系統實時輸出的焊縫偏差信息與機器人內部語言不同，使偏差信息無法直接傳輸至機器人系統被識別與處理，導致機器人在焊接過程中無法自主做出路徑調節。在目前已有的一篇文獻中，基于旋轉電弧傳感的弧焊機器人焊縫跟蹤系統，文章編號:1004-132x(2003)12-1039-04，提出了將高速旋轉電弧傳感器用于德國CLOOS公司生產的ROMAT76AW型弧焊機器人，并以此研制出了弧焊機器人焊縫跟蹤系統。但該方案需要機器人控制柜的擴展內槽中提供四個專門用于糾偏信號輸人的接口,分別對應左、右、上、下的驅動信號輸人,適用的機器人型號少，不具備通用性。因此，本發明需提出一種新的焊縫偏差信息處理方法，能夠將處理后的焊縫偏差信息直接通過機器人的一個外部擴展口傳輸至機器人控制系統被識別和處理，使機器人在焊接過程中自主做出路徑調節。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明旨在提出一種將旋轉電弧焊縫跟蹤系統實時輸出的焊縫偏差信息處理為機器人可識別和處理的三維坐標量的方法，研究將機器人基坐標系下焊槍的實時工具坐標與旋轉電弧焊縫跟蹤系統輸出的焊縫偏差信息有機結合，提出了一種基于三維坐標平移變換原理的信息處理方法，發明了一種用于計算機器人糾正焊縫偏差時焊槍行進的補償量的補償量計算模塊，與焊縫偏差信息構成三維偏差量，保證機器人糾正焊縫偏差的精確度。發明了一種矢量疊加運算模塊，將機器人糾正焊縫偏差時焊槍行進的補償量和焊縫偏差信息與機器人基坐標系下焊槍的實時工具坐標進行矢量疊加，得到機器人糾正焊縫偏差后焊槍的工具坐標，即焊槍的下一工作位置，經以太網控制器將下一工作位置轉換為高/低電平信號，通過TCP協議傳輸至機器人控制系統，驅動各軸伺服電機實時糾偏。該方法通過得出焊槍的下一工作位置點，使機器人依據下一工作位置的坐標來驅動機械臂運動實現焊縫跟蹤，為旋轉電弧焊縫跟蹤技術在機器人中的應用提供新方法。
本發明解決其技術問題所應用的技術方案是：保留旋轉電弧焊縫跟蹤系統與機器人系統原有模塊，根據機器人系統路徑規劃的特點，將旋轉電弧焊縫跟蹤系統實時輸出的焊縫偏差信息處理為機器人可識別和處理的坐標量，該焊縫偏差信息包含左右偏差和高度偏差，通過發明的補償量計算模塊得出機器人糾正焊縫偏差時焊槍行進的補償量，與焊縫偏差信息構成三維偏差量，利用矢量疊加運算模塊將補償量和焊縫偏差信息與機器人基坐標系下焊槍的實時工具坐標進行矢量疊加，得到機器人糾正焊縫偏差后焊槍的工具坐標，即焊槍的下一工作位置，經矢量疊加運算模塊上的通訊接口將下一工作位置的坐標傳輸至機器人控制系統，驅動各軸伺服電機實時糾偏。
本發明所述補償量計算模塊，主要解決機器人糾正焊縫偏差時焊槍前進行程固定不變而只與設定好的焊接速度有關，以致影響了機器人糾正焊縫偏差的精確度的問題。為了確定機器人糾正焊縫偏差時焊槍合適的前進行程，補償量計算模塊實時獲取旋轉電弧焊縫跟蹤系統中的旋轉電弧傳感器掃描周期和焊接速度以及包含左右偏差和高度偏差的焊縫偏差信息，依據這四個參數對機器人糾正焊縫偏差時焊槍行進的補償量進行計算，得出實時的補償量，與焊縫偏差信息構成三維偏差量，保證機器人糾正焊縫偏差的精確度。
本發明所述矢量疊加運算模塊，基于三維坐標平移變換原理，主要將補償量和旋轉電弧焊縫跟蹤系統輸出的焊縫偏差信息處理為機器人系統可識別和處理的坐標量。通過矢量疊加運算模塊的坐標輸入模塊，將起焊點的機器人基坐標系下焊槍的實時工具坐標輸入至坐標數據緩存單元，然后矢量疊加運算模塊獲取補償量計算模塊輸出的補償量和焊縫偏差信息，與坐標數據緩存單元中焊槍的實時工具坐標進行矢量疊加，得到機器人糾正焊縫偏差后焊槍的工具坐標，即焊槍的下一工作位置，將新工具坐標輸入至坐標數據緩存單元，更新坐標值并經以太網控制器將下一工作位置的坐標轉換為高/低電平信號，通過TCP協議傳輸至機器人控制系統。之后不斷更新的補償量和焊縫偏差信息與坐標數據緩存單元內不斷更新的工具坐標依次進行矢量疊加，可得出每個旋轉電弧傳感器掃描周期的糾正焊縫偏差后焊槍的工作位置，焊縫跟蹤結束后，矢量疊加運算模塊中所有數據緩存器清零。
本發明的有益效果是：將機器人基坐標系下焊槍的實時工具坐標與旋轉電弧焊縫跟蹤系統輸出的焊縫偏差信息有機結合，使旋轉電弧焊縫跟蹤系統實時輸出的焊縫偏差信息處理為機器人可識別和處理的三維坐標量，補償量計算模塊實現了機器人糾正焊縫偏差時焊槍行進的補償量的計算，與焊縫偏差信息構成三維偏差量，有效保證機器人糾正焊縫偏差的精確度，矢量疊加運算模塊依據補償量和焊縫偏差信息與機器人基坐標系下焊槍的實時工具坐標得出焊槍的下一工作位置，并通過TCP協議傳輸至機器人控制系統，使機器人依據下一工作位置的坐標來驅動機械臂運動，實現焊縫跟蹤，有效地將旋轉電弧焊縫跟蹤系統與機器人結合，為旋轉電弧焊縫跟蹤技術在機器人中的應用提供新方法。
附圖說明
圖1是一種用于機器人的旋轉電弧焊縫跟蹤系統信息處理方法的原理結構框圖。
圖2是補償量計算模塊與矢量疊加運算模塊工作原理圖。
圖3是一種用于機器人的旋轉電弧焊縫跟蹤系統信息處理方法的工作流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的描述，但不限定本發明。
實施例1，所述補償量計算模塊在焊接開始后，從旋轉電弧焊縫跟蹤系統中獲取旋轉電弧傳感器掃描周期t和焊接速度V以及旋轉電弧焊縫跟蹤系統實時采集處理后所輸出的包含左右偏差和焊槍高度偏差的焊縫偏差信息TY和TZ，考慮讓機器人糾正焊縫偏差的時間在一個旋轉電弧傳感器掃描周期內，利用掃描周期t和焊接速度V計算出在一個旋轉電弧傳感器掃描周期內機器人糾正焊縫偏差時焊槍行徑長度a，計算公式如下：
a＝V*t
該焊槍行徑長度a是糾正焊縫偏差后焊槍的工作位置點與原工作位置點的空間直線距離，包含了三個方向的偏差量，在已知兩個方向的偏差量TY和TZ后，依據勾股定理可以計算出第三個方向的偏差量，即機器人糾正焊縫偏差時焊槍行進的實時補償量TX,計算過程如下：
補償量TX與焊縫偏差信息TY和TZ構成了相對于原焊槍工作位置的三維偏差量TX、TY和TZ。
基坐標系和末端連桿坐標系是工業機器人最基本的2個坐標系，對于任何一臺工業機器人而言，這2個坐標系都是預先設定好而無需標定，所以根據多點標定法即可得出焊槍尖端相對于機器人基坐標系的工具坐標值，可在示教器上查看。起焊前從示教器查看起焊點的機器人基坐標系下焊槍的工具坐標(X，Y，Z)，并手動輸入至矢量疊加運算模塊中的坐標數據緩存單元中作為起始工具坐標。焊接開始后，矢量疊加運算模塊從補償量計算模塊中實時獲取補償量TX和焊縫偏差信息TY和TZ，與坐標數據緩存單元中焊槍的實時工具坐標進行矢量疊加運算模塊生成新工具坐標值：(X′，Y′，Z′),即焊槍的下一工作位置，計算過程如下：
矩陣變換過程如下：
下一步將新工具坐標輸入坐標數據緩存單元中，更新坐標并經以太網控制器將下一工作位置的坐標轉換為高/低電平信號，通過TCP協議傳輸至機器人控制系統。之后不斷更新的補償量和焊縫偏差信息與坐標數據緩存單元內不斷更新的工具坐標依次進行矢量疊加，可得出每個旋轉電弧傳感器掃描周期的糾正焊縫偏差后焊槍的工作位置，這些工作位置構成了機器人糾正焊縫偏差的軌跡，焊縫跟蹤結束后，矢量疊加運算模塊中所有數據緩存單元清零。參閱圖1和圖2，其余同上述實施例。
實施例2，所述一種用于機器人的旋轉電弧焊縫跟蹤系統信息處理方法的工作流程。焊接開始前，將起焊點的機器人基坐標系下焊槍的工具坐標(X，Y，Z)輸入至矢量疊加運算模塊的坐標數據緩存單元中。焊接開始后，旋轉電弧焊縫跟蹤系統將旋轉電弧傳感器掃描周期t和焊接速度V以及旋轉電弧焊縫跟蹤系統實時采集處理后所得到的焊縫偏差信息TY和TZ輸入至補償量計算模塊中。利用補償量計算模塊對機器人糾正焊縫偏差時焊槍行進的補償量進行計算，得出實時的補償量TX，與旋轉電弧焊縫跟蹤系統實時采集處理后所得到的焊縫偏差信息構成相對于原焊槍工作位置的三維偏差量TX、TY和TZ。然后矢量疊加運算模塊從補償量計算模塊中獲取補償量TX和焊縫偏差信息TY和TZ，與坐標數據緩存單元中焊槍的實時工具坐標進行矢量疊加運算模塊，生成新工具坐標值：(X′，Y′，Z′),即焊槍的下一工作位置，再將新工具坐標輸入坐標數據緩存單元中，更新坐標并經以太網控制器將下一工作位置的坐標轉換為高/低電平信號，經通訊接口與TCP協議實時傳輸至機器人主計算機，通過機器人內部的轉換處理器和相應姿態插補運算等將新工具坐標轉換為機器人軸關節坐標值，發送至各個關節，驅動各軸伺服電機執行糾偏。焊接結束后，矢量疊加運算模塊的數據緩存器清零，系統復位。參閱圖1至圖3，其余同上述實施例。
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