基于激光传感器的变姿态实时焊缝跟踪方法与流程

本发明公开涉及自动化焊接的技术领域，尤其涉及一种基于激光传感器的变姿态实时焊缝跟踪方法。

背景技术：

焊接是现代制造业中最为重要的材料成型和加工技术之一，焊接制造技术的发展对我国成为制造强国有着极为重要的意义。但焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高、重复性强的工作，同时随着焊接制造业呈现出多批次、小批量和人员缺乏问题的日益突出，如何实现焊接过程的自动化已成为推动制造业发展的关键技术。

当前焊接机器人应用中大多是通过示教方式工作的，比如汽车制造、重型机械生产、造船等领域，需要对机器人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业顺序等进行预先示教，并且对被焊工件的工装、夹具的安装定位精度要求十分苛刻。另外，多数板材在焊接过程中由于受到热变形因素的影响，使得初始的示教焊接路径相较真实焊缝必然存在不同程度的偏差，这对高精度焊接工艺(激光焊、氩弧焊等)而言并不能满足精度要求。如果通过一套高精度的工装形成完整的焊接自动化系统，不仅制造成本过高，会降低生产效率，而且设备改造升级难度大。因此，赋予焊接机器人敏锐地环境感知和智能地分析处理能力，实现焊接制造过程的自动化、柔性化与智能化已经成为当前众多行业的迫切需求。

随着视觉测量技术和工业机器人的不断发展，如果将视觉测量传感器的非接触、高速度、高精度优点与工业机器人的高自由度优势相结合，并通过研发相应的焊缝识别、在线跟踪、实时反馈和智能控制等算法来解决在线引导焊接过程。这样不仅可以提高生产效率、保证焊接质量，还可以降低由高精度工装而带来的生产成本，实现真正的自动化、柔性化与智能化。

但在实际生产过程中发现：在焊缝的实时跟过程中，特别是涉及焊接过程中需要变换焊接姿态或速度的焊缝实时跟踪主要还存在以下问题：

1)焊枪和传感器激光线之间存在一定的前置距离，这使得传感器检测的焊缝数据不能立即用于焊枪偏差纠正；

2)针对变姿态焊接应用，在焊接过程中，焊枪的前进方向和焊接姿态需要适当调整，以满足焊缝始终处于传感器视野范围内同时焊枪也能以一种合适的姿态进行焊接作业。这种改变姿态的焊接需求增加了实时焊缝跟踪的难度；

3)焊接过程中可能出现焊接速度变化的情况，导致传感器采集点间距不均匀，跟踪精度低，焊接质量差等问题。

因此，如何研发一种新型的焊缝跟踪方法，以至少解决上述一个或多个问题，成为人们亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于此，本发明公开提供了一种基于激光传感器的变姿态实时焊缝跟踪方法，以至少解决现有的跟踪方法无法适用于需要变换焊接姿态或速度的工况下，存在跟踪精度低，导致焊接质量差等问题。

本发明提供的技术方案具体为，一种基于激光传感器的变姿态实时焊缝跟踪方法，该跟踪方法包括如下步骤：

1)创建fifo堆栈，并根据激光传感器相对焊枪的前置距离和激光传感器的采样帧率分配fifo堆栈的大小，用于缓存绝对焊缝轨迹；

2)获取激光传感器的焊缝采样点坐标；

3)依据激光传感器坐标系与焊接机器人坐标系之间的变换关系，将步骤2)中的焊缝采样点坐标转换到焊接机器人坐标系下，获得新焊缝采样点坐标，并将所述新焊缝采样点坐标压入fifo堆栈中；

4)获取焊接机器人中焊枪的实际位置坐标pt，在所述fifo堆栈中搜索与所述焊枪的实际位置坐标最近的位置坐标后，以所述最近的位置坐标及所述最近的位置坐标前后临近的3个位置坐标为控制点，进行非均匀有理b样条插值，得到所述焊接机器人中焊枪的实际位置坐标pt在焊缝轨迹上的对应位置坐标p′t

5)利用如下公式计算获得当前焊接机器人中焊枪的位置偏差err，将所述焊枪的位置偏差err转换到焊枪机器人中焊枪坐标系下，并进行焊接机器人的纠偏；

err＝p′t-pt；

6)循环执行步骤2)～步骤5)，直到焊缝完全跟踪结束为止。

优选，步骤2)中所述激光传感器的焊缝采样点为所述激光传感器中激光线与焊缝的相交位置点。

进一步优选，步骤3)中所述激光传感器坐标系与焊接机器人坐标系之间的变换关系，具体为：

其中，pr为新焊缝采样点的齐次坐标值、为焊接机器人中焊枪坐标系到焊接机器人坐标系的变换矩阵、为激光传感器坐标系到焊接机器人中焊枪坐标系的变换矩阵、ps为激光传感器焊缝采样点的齐次坐标值。

进一步优选，所述焊接机器人中焊枪坐标系到焊接机器人坐标系的变换矩阵是依据焊接机器人中焊枪的实际位置坐标pt以及所述焊枪的姿态计算获得。

进一步优选，步骤3)中将所述新焊缝采样点坐标压入所述fifo堆栈中之前，基于卡尔曼滤波算法对所述新焊缝采样点坐标进行滤波处理，如果所述新焊缝采样点坐标与预估点坐标差异大于阈值，则将其视为噪声点坐标进行滤除，并返回步骤2)；

否则，继续进行步骤4)。

本发明提供的基于激光传感器的变姿态实时焊缝跟踪方法，具有以下有益效果：

1)提出基于绝对焊缝路径的焊缝跟踪方法，可以适应变换姿态和变化速度的焊接跟踪过程；

2)在焊缝跟踪过程中，提出使用样条插值算法实现当前焊枪在焊缝轨迹中的准确对应点计算方法；

3)算法中引入非均匀有理b样条插值方式，使得本发明的跟踪方法同样适应于激光传感器采集数据间距不等的情况。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实时焊缝跟踪的过程示意图；

图2为本发明公开实施例提供的一种基于激光传感器的变姿态实时焊缝跟踪方法中的焊缝跟踪系统原理示意图；

图3为采用本发明公开实施例中的跟踪方法进行圆形焊缝跟踪的工件实物图；

图4为采用本发明公开实施例中的跟踪方法进行圆形焊缝跟踪的绝对路径曲线；

图5为采用本发明公开实施例中的跟踪方法进行圆形焊缝跟踪的跟踪误差曲线；

图6为采用本发明公开实施例中的跟踪方法进行异形焊缝跟踪的工件实物图；

图7为采用本发明公开实施例中的跟踪方法进行异形焊缝跟踪的绝对路径曲线；

图8为采用本发明公开实施例中的跟踪方法进行异形焊缝跟踪的跟踪误差曲线；

图9为采用本发明公开实施例中的跟踪方法进行s形焊缝跟踪的工件实物图；

图10为采用本发明公开实施例中的跟踪方法进行s形焊缝跟踪的绝对路径曲线；

图11为采用本发明公开实施例中的跟踪方法进行s形焊缝跟踪的跟踪误差曲线。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的方法的例子。

为了解决现有的跟踪方法无法适用于需要变换焊接姿态或速度的工况下，存在跟踪精度低，导致焊接质量差等问题，参见图1，orbxrbyrbzrb表示焊接机器人坐标系；ortxrtyrtzrt表示焊接机器人中焊枪坐标系；表示第i个焊缝采样点坐标，对应图中的实心圆；空心圆表示当前焊枪的实际位置坐标pt，可以看出焊枪位置和焊缝路径之间存在一定偏差。鉴于此，本实施方案提供了一种基于激光传感器的变姿态实时焊缝跟踪方法，该方法是基于绝对位置的焊缝跟踪方法，该跟踪方法中使用的跟踪平台，参见图2，该跟踪平台包括：焊接机器人控制器1、传感器控制2、焊接机器人3、激光传感器4、安装架5、焊枪6以及焊机7，其中,a代表板材。从图1可以看出，激光传感器4实时采集焊缝位置数据，并将位置信息通过tcp发送给传感器控制器2进行实时跟踪控制量的计算，再通过tcp传输给焊接机器人控制器1实现焊接机器人3相对焊缝位置的实时修正，形成闭环控制系统。

上述基于激光传感器的变姿态实时焊缝跟踪方法，具体包括如下步骤：

1)创建fifo堆栈，并根据激光传感器相对焊枪的前置距离和激光传感器的采样帧率分配fifo堆栈的大小，用于缓存绝对焊缝轨迹，以解决激光传感器和焊枪间的前置距离问题；

2)获取激光传感器的焊缝采样点坐标；

3)依据激光传感器坐标系与焊接机器人坐标系之间的变换关系，将步骤2)中的焊缝采样点坐标转换到焊接机器人坐标系下，获得新焊缝采样点坐标，并将新焊缝采样点坐标压入所述fifo堆栈中，如图1中的方块点；

4)获取焊接机器人中焊枪的实际位置坐标pt，在fifo堆栈中搜索与焊枪的实际位置坐标pt最近的位置坐标后，以最近的位置坐标及最近的位置坐标前后临近的3个位置坐标为控制点，即以为控制点，进行非均匀有理b样条插值，得到焊接机器人中焊枪的实际位置坐标pt在焊缝轨迹上的对应位置坐标p′t；

5)利用如下公式计算获得当前焊接机器人中焊枪的位置偏差err，将焊枪的位置偏差err转换到焊枪机器人中焊枪坐标系下，并进行焊接机器人的纠偏；

err＝p′t-pt；

6)循环执行步骤2)～步骤5)，直到焊缝完全跟踪结束为止。

其中，步骤3)中激光传感器坐标系与焊接机器人坐标系之间的变换关系，具体为：

其中，pr为新焊缝采样点的齐次坐标值、为焊接机器人中焊枪坐标系到焊接机器人坐标系的变换矩阵、为激光传感器坐标系到焊接机器人中焊枪坐标系的变换矩阵、ps为激光传感器焊缝采样点的齐次坐标值。

上述焊接机器人中焊枪坐标系到焊接机器人坐标系的变换矩阵是依据焊接机器人中焊枪的实际位置坐标pt以及焊枪的姿态计算获得。

为了去除噪声点，步骤3)中将新焊缝采样点坐标压入所述fifo堆栈中之前，基于卡尔曼滤波算法对新焊缝采样点坐标进行滤波处理，如果新焊缝采样点坐标与预估点坐标差异大于阈值，则将其视为噪声点坐标进行滤除，并返回步骤2)；否则，继续进行步骤4)。其中，差异大小的阈值可根据不同焊接条件进行调整，如不同焊接速度、焊缝的形状等，通常阈值为0.6～1.5mm。

为了验证上述方法的可行性和精度，搭建一套焊缝跟踪测试平台。实验平台主要由安川dx200控制柜、motoman-ma1440通用型机器人(已开通网络通讯和motoplus等功能模块)、线式激光焊缝跟踪传感器、多种焊接试验件、焊缝跟踪控制软件等。

焊接过程中，焊接机器人的前进速度设置为10mm/s，这个速度能满足大部分氩弧焊、气保焊的焊接速度要求。为了验证上述实施方案中提供的方法的可行性和精度，分别对圆弧、异形、s形焊缝进行跟踪实验。跟踪过程中将计算的绝对焊缝轨迹以及焊枪位置的偏差量进行显示和分析，实验结果分别如图3～11所示。

图3～图5所示是一个直径400mm的标准部分圆工件；图6～图8是一个异形工件，其具有直边、斜边、r角以及需要完整跟踪一周的特点；图8～图11是一个包含波浪曲线的跟踪对象。从各图的跟踪误差曲线可以看出，跟踪过程只有在起始阶段存在较大误差，这主要是由于焊枪和待跟踪工件之间存在较大的初始位置偏差，但随着跟踪算法的介入，焊枪位置误差迅速减小。在忽略初始位置偏差的情况下，正常跟踪过程的误差均可以控制在0.5mm以内。当然焊缝跟踪的精度也受激光传感器的检测精度、焊接前进速度、焊枪工具坐标系标定精度等因素的影响，因此，在实际焊接应用中应综合考虑多方面因素以达到最优的结果。

由实验结果可以看出上述实施方案提供的方法可以很好地解决变姿态焊缝跟踪问题，分别实现对圆弧、异形、s形焊缝进行连续不间断跟踪，跟踪精度优于0.5mm，表明提出的跟踪技术能够满足一般焊接应用的要求。

需要注意：本发明的实时跟踪算法不仅适用于文中所述的焊接机器人作为执行机构的情况，同样适用于焊接专机等具有多自由度的执行机构情况，因此，本发明的跟踪技术具有应用对象的扩展性，凡使用本发明的跟踪技术，即使执行机构有所变化，也应视为本发明的保护范围之内。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。