專利名稱：一種焊縫自動(dòng)跟蹤方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動(dòng)焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，涉及一種焊縫自動(dòng)跟蹤方法及裝置。
背景技術(shù)：
焊接是一種將材料進(jìn)行永久連接，并成為具有給定功能結(jié)構(gòu)的制造技術(shù) 。焊接已 廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、造船、海洋開發(fā)、汽車制造、石油化工、航天技術(shù)、原子能、電力、電子 技術(shù)及建筑等各個(gè)部門。在金屬制造業(yè)中，焊接現(xiàn)在已成為僅次于裝配和機(jī)械加工的第三 大產(chǎn)業(yè)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，每年鋼鐵產(chǎn)量的45%左右要通過焊接才能轉(zhuǎn)化為最終的產(chǎn)品。 自現(xiàn)代焊接技術(shù)問世以來，焊接生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化和機(jī)器人化一直在不斷發(fā)展之中。據(jù) 統(tǒng)計(jì)，日本從1975年到1990年，焊接工人大約每10年減少27-37%，焊接工作不斷地由手 工操作轉(zhuǎn)為自動(dòng)、半自動(dòng)焊接乃至機(jī)器人焊接。隨著現(xiàn)代焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化程度越來越高 以及機(jī)器人焊接技術(shù)的發(fā)展，對(duì)焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)的需求也越來越迫切，焊縫跟蹤的優(yōu)點(diǎn) 主要表現(xiàn)在如下3方面1、提高焊接質(zhì)量由于待焊工件存在下料加工及裝配的誤差，焊接熱過程引起的變形事先也難以預(yù) 料，因此給定軌跡的目標(biāo)控制(或程序控制)方式已無能為力，具有焊縫自動(dòng)跟蹤能力的自 適應(yīng)系統(tǒng)自然成為首選目標(biāo)。2、改善焊接工人工作條件由于焊接過程產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱、煙塵和弧光，導(dǎo)致現(xiàn)場工作環(huán)境非常惡劣，對(duì)工人的 體能消耗很大。采用自動(dòng)焊接系統(tǒng)是將人從手工焊接的惡劣環(huán)境中解放出來的根本途徑。3、提高生產(chǎn)率手工焊接的效率很低，工人實(shí)際焊接的時(shí)間不足其工作時(shí)間的30%。自動(dòng)焊接系 統(tǒng)的生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于手工焊接，而采用焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的自動(dòng)焊接系統(tǒng)又可大大提高 焊接生產(chǎn)效率。這是因?yàn)榕c示教型和程序控制焊接系統(tǒng)相比，它省去了繁重的示教工作或 事先的編程工作，也降低了對(duì)工件加工精度和裝配精度的要求，從而降低了準(zhǔn)備時(shí)間，提高 了整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。目前的焊縫自動(dòng)跟蹤方法，基本都是基于圖像處理的方法，焊接過程中，對(duì)焊接弧 光進(jìn)行圖像采集、處理，得到焊縫的分布特征。然而，弧光的圖像受眾多因素的影響，如不同 焊縫位置、不同的焊條、不同焊接材料等因素，導(dǎo)致弧光圖像處理的精度較低，不確定性較 大，而且圖像處理技術(shù)的數(shù)據(jù)信息龐大，處理實(shí)時(shí)性有待提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠自適應(yīng)跟蹤焊縫的走勢， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫高精度、全自動(dòng)化跟蹤的焊縫自動(dòng)跟蹤方法及裝置。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)使用安裝有力覺傳感器的探測機(jī)構(gòu)持續(xù)獲取焊縫對(duì)探測機(jī)構(gòu)的反作用力信息；通過力覺傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置將得到的反作用力信息傳送給計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)根據(jù)得到的反 作用力信息計(jì)算出探測機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向并控制探測機(jī)構(gòu)沿計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)方向前進(jìn)；探測機(jī) 構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡即為焊縫的實(shí)際分布情況，計(jì)算機(jī)控制位于探測機(jī)構(gòu)后方的焊槍沿所述運(yùn)動(dòng)軌 跡前進(jìn)并進(jìn)行焊接。力覺傳感器是一種新型的觸覺傳感器，通常用于檢測和控制機(jī)器人關(guān)節(jié)處的力與 力矩，它是通過檢測彈性體變形來間接測量所受力及力矩，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；新近出現(xiàn) 的六維力覺傳感器更可實(shí)現(xiàn)包括三維力及三維力矩的全力信息的精確測量，因此常用于機(jī) 器人的手腕關(guān)節(jié)處。為了將力覺傳感器檢測到的力的信息轉(zhuǎn)化為空間位置信息，我們通過如下步驟實(shí) 現(xiàn)A、通過下述公式計(jì)算第η個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)xn、yn、Zn，n = 1,2,3……N，其 中N表示整個(gè)跟蹤過程的采樣點(diǎn)數(shù)xn = f Ca1F1, a2F2,....., BiFi)yn = T^1F1, b2F2,……，吼)zn = f (C1F1, C2F2,.....，CiFi)公式中，i = 1，2……I，其中I為力覺傳感器能夠檢測力信息的維度數(shù)，例如，六維 力覺傳感器中I = 6，F(xiàn)i表示第i維力分量， ，b” Ci分別表示第i維力在x、y、z方向分量 的權(quán)系數(shù)；B、同理計(jì)算第n+1個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)xn+1、yn+1、zn+1 ；C、求取第η個(gè)采樣點(diǎn)至第n+1個(gè)采樣點(diǎn)之間的位移分量Δ χη、Δ yn、Δ zn Δ χη = χη+1-χηAyn = yn+1-yn+1Δ ζη = ζη+1-ζη所得位移分量ΔΧη、Ayn、Δ ζη即構(gòu)成探測機(jī)構(gòu)在第η個(gè)采樣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向，N_1 個(gè)位移分量一起即構(gòu)成探測機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。為實(shí)施上述方法，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于力覺傳感器的焊縫自動(dòng)跟蹤裝置，包括安 裝有力覺傳感器的探測機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集裝置、計(jì)算機(jī)、多自由度機(jī)械臂；所述安裝有力覺傳 感器的探測機(jī)構(gòu)通過力覺傳感器固定在所述多自由度機(jī)械臂前端；所述多自由度機(jī)械臂與 計(jì)算機(jī)連接并受計(jì)算機(jī)控制；所述探測機(jī)構(gòu)中的力覺傳感器通過數(shù)據(jù)采集裝置與計(jì)算機(jī)連 接并發(fā)送信息。上述裝置中的力覺傳感器可以根據(jù)焊縫的實(shí)際情況選擇，例如二維力覺傳感器、 三維力覺傳感器、四維力覺傳感器、六維力覺傳感器等。上述裝置中的多自由度機(jī)械臂是為了使所述裝有力覺傳感器的探測機(jī)構(gòu)能夠沿焊縫作直線、曲線、圓弧等運(yùn)動(dòng)，因此完全可以根據(jù)實(shí)際需要選擇三自由度機(jī)械臂、四自由 度機(jī)械臂、五自由度機(jī)械臂乃至更多自由度的機(jī)械臂，只要能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的即可。


圖1是使用本發(fā)明所述焊縫自動(dòng)跟蹤裝置的自動(dòng)焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中，101是跟蹤探針，102是探針夾具，103是六維力傳感器，104是數(shù)據(jù)采集卡，105是計(jì)算機(jī)，106是運(yùn)動(dòng)控制卡，107是工作平臺(tái)，108是三自由度機(jī)械手臂，109是焊接機(jī)， 110是焊槍，111是焊接材料。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明如附圖1所示，本實(shí)施方案中所述焊縫自動(dòng)跟蹤裝置包括安裝有力覺傳感器的探測機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集卡104、計(jì)算機(jī)105、工作平臺(tái)107、三自 由度機(jī)械臂108 ；其中所述安裝有力覺傳感器的探測機(jī)構(gòu)由跟蹤探針101、探針夾具102以 及六維力覺傳感器103構(gòu)成；探針夾具102分別與跟蹤探針101、六維力覺傳感器103剛性 連接；六維力覺傳感器103固定在三自由度機(jī)械臂108前端 ’三自由度機(jī)械臂108與計(jì)算 機(jī)105通過數(shù)據(jù)線連接并受計(jì)算機(jī)105控制；六維力覺傳感器103通過數(shù)據(jù)采集卡104與 計(jì)算機(jī)105連接；三自由度機(jī)械臂108安裝在工作平臺(tái)107上。
本實(shí)施方案中，跟蹤探針101可根據(jù)焊縫寬度選用相應(yīng)尺寸；探針夾具102可與各 種尺寸的跟蹤探針剛性連接。為了能夠更清楚的說明本實(shí)施方案是如何進(jìn)行焊縫自動(dòng)跟蹤的，我們將本實(shí)施方 案中的焊縫自動(dòng)跟蹤裝置與現(xiàn)有的焊接設(shè)備結(jié)合為一套能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤以及自動(dòng) 焊接的系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上來描述本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過程。如附圖1所示，上述能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤以及自動(dòng)焊接的系統(tǒng)除了包括本實(shí)施 方案的焊縫自動(dòng)跟蹤裝置以外，還包括運(yùn)動(dòng)控制卡106、焊接機(jī)109、焊槍110 ；其中焊接機(jī) 109通過運(yùn)動(dòng)控制卡106與計(jì)算機(jī)105連接。在對(duì)焊接材料111進(jìn)行焊接時(shí)按下述步驟進(jìn)行(1)首先根據(jù)焊縫寬度選擇合適 的跟蹤探針101安裝在探針夾具102上；(2)將跟蹤探針101插入焊縫并沿焊縫移動(dòng)，碰到 焊縫壁上，產(chǎn)生反作用力，六維力覺傳感器103全面檢測這個(gè)反作用力并將之轉(zhuǎn)化為電信 號(hào)輸出至數(shù)據(jù)采集卡104 ； (3)計(jì)算機(jī)105對(duì)數(shù)據(jù)采集卡104采集到的六維力信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算 處理，判斷出跟蹤探針101的運(yùn)動(dòng)方向，驅(qū)動(dòng)三自由度機(jī)械臂108，使跟蹤探針101沿著焊縫 實(shí)際分布方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)形成跟蹤探針101的運(yùn)動(dòng)軌跡，這個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡就是焊縫的實(shí)際分 布情況；(4)計(jì)算機(jī)105根據(jù)得到的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)送控制信號(hào)給運(yùn)動(dòng)控制卡106，由運(yùn)動(dòng)控制 卡106發(fā)送位移控制信號(hào)給焊接機(jī)；(5)焊接機(jī)109按照接收到的位移信號(hào)驅(qū)動(dòng)焊槍執(zhí)行 相應(yīng)動(dòng)作，以計(jì)算機(jī)105形成的運(yùn)動(dòng)軌跡為焊接路線，完成焊接過程。上述步驟(3)是由以下各步驟實(shí)現(xiàn)的A、通過下述公式計(jì)算第η個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)xn、yn、Zn，n = 1,2,3……N，其 中N表示整個(gè)跟蹤過程的采樣點(diǎn)數(shù)xn = Ma1Fx，a2Fy, a3Fz, a4Mx, a5My, a6Mz)yn = Mb1Fx，b2Fy，b3Fz, b4Mx, b5My，b6Mz)Zn = f (C1Fx, C2Fy, C3Fz, C4Mx, C5My, C6Mz)公式中，F(xiàn)x、Fy、Fz, Mx, My、Mz分別為六維力覺傳感器檢測到的6維力分量(3維 力和3維力矩)， ，bi; Ci分別表示第i維力在χ、y、ζ方向分量的權(quán)系數(shù)，i = 1,2……6 ；B、同理計(jì)算第n+1個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)xn+1、yn+1、zn+1 ；C、求取第η個(gè)采樣點(diǎn)至第n+1個(gè)采樣點(diǎn)之間的位移分量Δ χη、Δ yn、Δ zn
Λ χη = χη+1-χηAyn = yn+1-yn+1Δ ζη = ζη+1-ζη所得位移分量Δ Χη、Δ yn、Δ ζη即構(gòu)成探測機(jī)構(gòu)在第η個(gè)采樣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向，N_1個(gè)位移分量一起即構(gòu)成探測機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
權(quán)利要求
一種焊縫自動(dòng)跟蹤方法，其特征在于使用安裝有力覺傳感器的探測機(jī)構(gòu)持續(xù)獲取焊縫對(duì)探測機(jī)構(gòu)的反作用力信息；通過力覺傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置將得到的反作用力信息傳送給計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)根據(jù)得到的反作用力信息計(jì)算出探測機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向并控制探測機(jī)構(gòu)沿計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)方向前進(jìn)；探測機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡即為焊縫的實(shí)際分布情況，計(jì)算機(jī)控制位于探測機(jī)構(gòu)后方的焊槍沿所述運(yùn)動(dòng)軌跡前進(jìn)并進(jìn)行焊接；其中所述根據(jù)得到的反作用力信息計(jì)算出探測機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向是按以下步驟實(shí)現(xiàn)A、通過下述公式計(jì)算第n個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)xn、yn、zn，n＝1，2，3……N，其中N表示整個(gè)跟蹤過程的采樣點(diǎn)數(shù)xn＝f(a1F1，a2F2，.....，aiFi)yn＝f(b1F1，b2F2，.....，biFi)zn＝f(c1F1，c2F2，.....，ciFi)公式中，i＝1，2……I，其中I為力覺傳感器能夠檢測力信息的維度數(shù)，例如，六維力覺傳感器中I＝6，F(xiàn)i表示第i維力分量，ai，bi，ci分別表示第i維力在x、y、z方向分量的權(quán)系數(shù)；B、同理計(jì)算第n+1個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)xn+1、yn+1、zn+1；C、求取第n個(gè)采樣點(diǎn)至第n+1個(gè)采樣點(diǎn)之間的位移分量Δxn、Δyn、ΔznΔxn＝xn+1-xnΔyn＝y(tǒng)n+1-yn+1Δzn＝zn+1-zn所得位移分量Δxn、Δyn、Δzn即構(gòu)成探測機(jī)構(gòu)在第n個(gè)采樣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向，N-1個(gè)位移分量一起即構(gòu)成探測機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
2.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述焊縫自動(dòng)跟蹤方法的裝置，其特征在于包括安裝有力覺傳感器(103)的探測機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集裝置(104)、計(jì)算機(jī)(105)、多自由度機(jī) 械臂(108)；所述安裝有力覺傳感器(103)的探測機(jī)構(gòu)通過力覺傳感器(103)固定在所述 多自由度機(jī)械臂(108)前端；所述多自由度機(jī)械臂(108)與計(jì)算機(jī)(105)連接并受計(jì)算機(jī) (105控制；所述探測機(jī)構(gòu)中的力覺傳感器(103)通過數(shù)據(jù)采集裝置(104)與計(jì)算機(jī)(105) 連接并發(fā)送信息。
3.如權(quán)利要求2所述的焊縫自動(dòng)跟蹤方法的裝置，其特征在于所述安裝有力覺傳感 器(103)的探測機(jī)構(gòu)由跟蹤探針(101)、探針夾具(102)以及力覺傳感器(103)構(gòu)成；其中 跟蹤探針(101)與探針夾具(102)之間剛性連接，探針夾具(102)與力覺傳感器(103)之 間剛性連接。
4.如權(quán)利要求2或3所述的焊縫自動(dòng)跟蹤方法的裝置，其特征在于所述力覺傳感器 (103)是六維力覺傳感器。
5.如權(quán)利要求2或3所述的焊縫自動(dòng)跟蹤方法的裝置，其特征在于所述多自由度機(jī) 械臂(108)是三自由度機(jī)械臂。
6.如權(quán)利要求3所述的焊縫自動(dòng)跟蹤方法的裝置，其特征在于所述跟蹤探針(101) 可根據(jù)焊縫寬度選用相應(yīng)尺寸；所述探針夾具(102)可與各種尺寸的跟蹤探針(101)剛性 連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種焊縫自動(dòng)跟蹤方法及裝置，所述焊縫自動(dòng)跟蹤方法按照以下步驟執(zhí)行使用安裝有力覺傳感器的探測機(jī)構(gòu)持續(xù)獲取焊縫對(duì)探測機(jī)構(gòu)的反作用力信息；通過力覺傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置將得到的反作用力信息傳送給計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)根據(jù)得到的反作用力信息計(jì)算出探測機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向并控制探測機(jī)構(gòu)沿計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)方向前進(jìn)；探測機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡即為焊縫的實(shí)際分布情況，計(jì)算機(jī)控制位于探測機(jī)構(gòu)后方的焊槍沿所述運(yùn)動(dòng)軌跡前進(jìn)并進(jìn)行焊接；實(shí)現(xiàn)該方法的裝置包括安裝有力覺傳感器的探測機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集裝置、計(jì)算機(jī)、多自由度機(jī)械臂。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有可以實(shí)時(shí)跟蹤以及跟蹤精度高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B23K9/127GK101829835SQ201010159059
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者劉凱, 趙東標(biāo), 陸永華 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)