專利名稱：機(jī)器人焊縫跟蹤偏差補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人焊縫跟蹤偏差補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
焊縫跟蹤是焊接自動(dòng)化的前提和重要保證，對(duì)于機(jī)器人焊接系統(tǒng)而言，焊縫跟蹤 無(wú)疑對(duì)于提高焊接質(zhì)量起著很大的作用。弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤過(guò)程是一個(gè)多參數(shù)影響的復(fù) 雜系統(tǒng)，其中存在著大量不確定性因素的影響，如焊接工件坡口的加工精度、裝配精度、焊 接過(guò)程中的熱、電弧力、磁偏吹等導(dǎo)致的焊件變形、機(jī)器人示教的準(zhǔn)確性、機(jī)器人的重復(fù)精 度等等。由于焊接過(guò)程的非線性，焊接過(guò)程的建模工作比線性系統(tǒng)復(fù)雜得多、困難得多。雖 然近年來(lái)研究人員利用各種方法建立了一些較為精確的模型，但計(jì)算過(guò)程需要花費(fèi)較長(zhǎng)的 時(shí)間，而且不一定能滿足實(shí)時(shí)控制的要求。因此，以精確數(shù)學(xué)模型為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理 論及現(xiàn)代控制理論在焊接過(guò)程自動(dòng)控制中都遇到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種被控對(duì)象模型不確定情況下的補(bǔ)償靈敏度可調(diào)的焊 縫跟蹤偏差補(bǔ)償方法。 為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的方案是 —種基于電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤的機(jī)器人軌跡偏差補(bǔ)償方法，該機(jī)器人具有焊縫跟蹤 裝置，所述的焊縫跟蹤裝置包括電弧傳感器、信號(hào)處理模塊、焊縫糾偏模塊，所述的電弧傳 感器用于檢測(cè)焊接電流，所述的焊縫糾偏模塊用于對(duì)焊縫的軌跡偏差進(jìn)行補(bǔ)償，所述的偏 差補(bǔ)償方法包括以下步驟 步驟1 :在焊接過(guò)程中，首先用所述的電弧傳感器即時(shí)檢測(cè)當(dāng)前的焊接電流，所述 的信號(hào)處理模塊對(duì)電弧傳感器檢測(cè)到的焊接電流進(jìn)行采樣，并對(duì)采集的焊接電流數(shù)據(jù)進(jìn)行 濾波； 步驟2 :對(duì)濾波過(guò)的焊接電流數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差信息提取，擬合偏差方向，判斷采集的 焊接電流數(shù)據(jù)是否存在偏差，此處的偏差信息提取按照積分差值法提取，所述的積分差值 法的具體方法是當(dāng)電弧掃描到焊接坡口兩側(cè)時(shí)，對(duì)左、右兩側(cè)的焊接電流信號(hào)i(t)分別 進(jìn)行積分，以左、右兩側(cè)焊接電流信號(hào)i(t)的積分值之和作為焊接高度信號(hào)，通過(guò)當(dāng)前的 高度信號(hào)，再和高度方向的參考量進(jìn)行比較，獲取高度偏差方向的補(bǔ)償量；以左、右兩側(cè)焊 接電流信號(hào)i(t)的積分值之差作為焊槍偏離中心線的橫向偏差信號(hào)，在得到左、右兩側(cè)焊 接電流信號(hào)i(t)的積分差值之后，即可根據(jù)該積分差值與偏差的關(guān)系算出焊槍偏離焊縫 中心線的橫向偏差值； 步驟3 :保存此次橫向偏差值，并與上一次的橫向偏差值進(jìn)行比較，當(dāng)橫向偏差值
較上次的橫向偏差值增大時(shí)，則加大補(bǔ)償靈敏度；當(dāng)橫向偏差值較上次的橫向偏差值減小
時(shí)，則減小補(bǔ)償靈敏度；當(dāng)橫向偏差值沒(méi)有變化時(shí)，補(bǔ)償靈敏度不變； 步驟4 :結(jié)合所保存的橫向偏差值和靈敏度計(jì)算本次偏差的補(bǔ)償量；
3
步驟5:更新并累計(jì)高度方向和橫向的偏差補(bǔ)償量將本次計(jì)算得到的偏差補(bǔ)償 量加入上次累計(jì)的偏差補(bǔ)償量中，得到新的累計(jì)偏差補(bǔ)償量； 步驟6 :結(jié)合高度方向和橫向的累計(jì)偏差補(bǔ)償量組成空間中的三維補(bǔ)償量，將三 維補(bǔ)償量轉(zhuǎn)化為X、 y、 Z三軸的插補(bǔ)點(diǎn)； 步驟7 :將修正后的插補(bǔ)點(diǎn)發(fā)給機(jī)器人的控制部分。 上述的技術(shù)方案可優(yōu)選地，所述的步驟1對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差提取時(shí)，設(shè)置有死 區(qū)帶，當(dāng)提取的偏差量在所述的死區(qū)帶內(nèi)，視偏差量為O;當(dāng)提取的偏差量超出所述的死區(qū) 帶，進(jìn)行補(bǔ)償。
上述的技術(shù)方案還可優(yōu)選地，所述的步驟2對(duì)偏差補(bǔ)償?shù)乃俣瓤烧{(diào)，當(dāng)偏差變化
趨勢(shì)增大時(shí)，偏差補(bǔ)償速度加快；當(dāng)偏差變化趨勢(shì)減小時(shí)，偏差補(bǔ)償速度減小。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn) 1、本發(fā)明針對(duì)的補(bǔ)償量不會(huì)產(chǎn)生跳躍變化，可以在一定的程度上保證系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。 2、通過(guò)經(jīng)過(guò)偏差補(bǔ)償后的焊縫成型良好，跟蹤誤差一般在士lmm以內(nèi)。


附圖1為本發(fā)明的偏差補(bǔ)償流程圖； 附圖2為本發(fā)明加入偏差補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人焊縫跟蹤流程圖了 ； 附圖3為本發(fā)明的偏差補(bǔ)償方案示意圖； 附圖4為本發(fā)明的補(bǔ)償量分解示意圖； 附圖5為本發(fā)明焊槍與焊縫中心對(duì)中時(shí)的積分差值圖； 附圖6為本發(fā)明焊槍與焊縫中心對(duì)偏左的積分差值圖； 附圖7為本發(fā)明焊槍與焊縫中心對(duì)偏右的積分差值圖。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu) —種機(jī)器人焊縫跟蹤裝置，包括電弧傳感器、信號(hào)處理模塊、焊縫糾偏模塊，電弧 傳感器用于檢測(cè)焊接電流，焊縫糾偏模塊用于對(duì)焊縫的軌跡偏差進(jìn)行補(bǔ)償。其中，軌跡偏差 補(bǔ)償方法包括以下步驟 如附圖1、2所示步驟l :啟動(dòng)焊接，電弧傳感器即時(shí)檢測(cè)當(dāng)前的焊接電流，信號(hào)處
理模塊對(duì)電弧傳感器檢測(cè)到的焊接電流進(jìn)行采樣，并對(duì)采集的焊接電流數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。本
實(shí)施例中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了局部均值濾波和改進(jìn)的滑動(dòng)中值濾波兩種方法相結(jié)合的數(shù)字濾
波器。實(shí)驗(yàn)表明，該濾波器能夠較好的濾除焊接電流中的干擾信號(hào)，滿足實(shí)際需要。
步驟2 :對(duì)濾波過(guò)的焊接電流數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差信息提取，擬合偏差方向，判斷采集的
焊接電流數(shù)據(jù)是否存在偏差。此處的偏差信息提取按照積分差值法提取。 積分差值法的具體方法是當(dāng)電弧掃描到焊接坡口兩側(cè)時(shí)，對(duì)左、右兩側(cè)的焊接電
流信號(hào)i (t)分別進(jìn)行積分，以左、右兩側(cè)焊接電流信號(hào)i (t)的積分值之和作為焊接高度信
號(hào)，通過(guò)當(dāng)前的高度信號(hào)，再和高度方向的參考量進(jìn)行比較，獲取高度偏差方向的補(bǔ)償量；
以左、右兩側(cè)焊接電流信號(hào)i(t)的積分值之差作為焊槍偏離中心線的橫向偏差信號(hào)。如附圖5 7中S。SK，如果焊槍與焊縫中心對(duì)中，則兩側(cè)電流積分值基本相等，差值接近于0 ;若
焊槍相對(duì)焊縫中心偏左，則左側(cè)電流積分值大于右側(cè)電流積分值，差值為一大于0的值；若
焊槍相對(duì)焊縫中心偏右，則左側(cè)電流積分值小于右側(cè)的，差值為一小于o的值。這樣再根據(jù)
積分差值與偏差的關(guān)系即可得到焊槍偏離焊縫中心線的橫向偏差值。其中S。 SK的計(jì)算方 式如下 & = f/必=f /(f)必
& = = 由于實(shí)際的電流采樣數(shù)據(jù)是離散的，因此應(yīng)該采用數(shù)值積分的方式計(jì)算S^和SK。 同時(shí)實(shí)驗(yàn)中設(shè)定了較高采樣速率，導(dǎo)致采樣點(diǎn)之間的步長(zhǎng)較小，因此可以采用梯形積分公 式計(jì)算&和SK并能保證較高的計(jì)算精度。實(shí)際采用的計(jì)算式為
& = Z (/(/) + /(/ + l))/z/2 ，M
S及=Z (/(0 + /("l))A/2
一 i=W/2 式中h是積分步長(zhǎng)，h = 2 V/L ;V是焊接速度；L是焊槍擺動(dòng)一個(gè)周期前進(jìn)的距 離；N是一個(gè)周期內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)。 借鑒于帶死區(qū)的PID補(bǔ)償算法(按偏差的比例P、積分I和微分D進(jìn)行計(jì)算)，在 進(jìn)行偏差補(bǔ)償算法時(shí)，本實(shí)施例也設(shè)計(jì)了一個(gè)死區(qū)帶，當(dāng)提取的偏差量在這個(gè)死區(qū)帶內(nèi)時(shí)， 不進(jìn)行補(bǔ)償，直接視偏差量為0 ;僅當(dāng)提取的偏差超出了該死區(qū)帶才進(jìn)行偏差補(bǔ)償。
補(bǔ)償環(huán)節(jié)的偏差e'與未補(bǔ)償?shù)钠頴之間關(guān)系如附圖3所示。圖中斜線為e'= e線。當(dāng)偏差值為正向增大方向變化時(shí)，沿曲線OaM進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)偏差值為正且向減小方向 變化時(shí)，沿曲線MbO進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)偏差值為負(fù)且向減小(絕對(duì)值增大)方向變化時(shí)，沿曲線 OdN進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)偏差值為負(fù)且向增大(絕對(duì)值減小)方向變化時(shí)，沿曲線NcO進(jìn)行補(bǔ)償； 當(dāng)偏差值不變化時(shí)e'二 e。這種補(bǔ)償方式，在偏差變化方向發(fā)生變化時(shí)，補(bǔ)償量不會(huì)產(chǎn)生跳 躍變化，可以在一定的程度上保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 步驟3 :保存此次橫向偏差值，并與上一次的橫向偏差值進(jìn)行比較。因?yàn)槠畹淖?化是非線性的，所以，必須在補(bǔ)償過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況，將本次保存的偏差量與上次的偏差 量進(jìn)行比較，當(dāng)橫向偏差值較上次的橫向偏差值增大時(shí)，則加大補(bǔ)償靈敏度；當(dāng)橫向偏差值 較上次的橫向偏差值減小時(shí)，則減小補(bǔ)償靈敏度；當(dāng)橫向偏差值沒(méi)有變化時(shí)，補(bǔ)償靈敏度不變。 此外，提取偏差作為判斷補(bǔ)償方向和是否需要補(bǔ)償，而實(shí)際的補(bǔ)償量通過(guò)補(bǔ)償速 度求得。又考慮到焊縫跟蹤具有一定的時(shí)滯，所以補(bǔ)償速度設(shè)計(jì)為可調(diào)的，調(diào)節(jié)依據(jù)為偏差 的變化率。當(dāng)偏差變化趨勢(shì)增大時(shí)，偏差補(bǔ)償速度加快；當(dāng)偏差變化趨勢(shì)減小時(shí)，偏差補(bǔ)償 速度減小。這樣既能滿足逐步補(bǔ)償，穩(wěn)定跟蹤的目的，又能在一定的程度上對(duì)偏差進(jìn)行預(yù)判 斷，預(yù)補(bǔ)償。 步驟4 :結(jié)合所保存的橫向偏差值和靈敏度計(jì)算本次偏差的補(bǔ)償量。 首先，先進(jìn)行橫向偏差方向上的糾偏，如附圖4所示，假定機(jī)器人示教時(shí)的軌跡是
直線P。&，而實(shí)際的焊縫中心位于P。P/ 。假定被焊工件位于機(jī)器人基坐標(biāo)系的xoy平面內(nèi)，每次提取出偏差后，將每次的橫向偏差方向的補(bǔ)償』 的形式如式(1. 2)所示:
S分解為機(jī)器人基坐標(biāo)系下的向量和



s = Kp e (1. 1)
f = M +
其中，Kp為靈敏度，M 、 A，分別為補(bǔ)償量f對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸分 A x = s sin a(1. 3) A y = s cos a(1. 4) 尺
(1.2)
修正即可
= arctan」
^e 一 X0
高度偏差方向的補(bǔ)償j
h' = H-h_ref AZ = h'
h'，利用此補(bǔ)償j
(1.5)
t在z方向?qū)C(jī)器人預(yù)規(guī)劃的插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)行
(1.6) h' = H-h_ref (1.7)
Az = h' (1.8) 步驟5:更新并累計(jì)高度方向和橫向的偏差補(bǔ)償量將本次計(jì)算得到的偏差補(bǔ)償 量加入上次累計(jì)的偏差補(bǔ)償量中，得到新的累計(jì)偏差補(bǔ)償量； 步驟6 :結(jié)合高度方向和橫向的累計(jì)偏差補(bǔ)償量組成空間中的三維補(bǔ)償量，將三 轉(zhuǎn)化為x、y、z三軸的插補(bǔ)點(diǎn)；
步驟7 :將修正后的插補(bǔ)點(diǎn)發(fā)給機(jī)器人的PMAC(多軸運(yùn)動(dòng)控制器)。 可據(jù)此對(duì)機(jī)器人預(yù)規(guī)劃的插補(bǔ)點(diǎn)進(jìn)行x、 y、 z三個(gè)方向上的修正，以完成焊縫跟蹤
維補(bǔ)償

任務(wù)。
目前該糾偏算法已經(jīng)模塊化應(yīng)用于電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤系統(tǒng)之中，在V形坡口對(duì)接
接頭與T形角接接頭末端偏移量在10°的情況下實(shí)現(xiàn)了有效跟蹤，焊縫成型良好，跟蹤誤
差在士lmm以內(nèi)。同時(shí)，對(duì)跟蹤誤差進(jìn)行了分析，給出了傳感器的適用范圍。 上述實(shí)施例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人
士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明
精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤的機(jī)器人軌跡偏差補(bǔ)償方法，該機(jī)器人具有焊縫跟蹤裝置，所述的焊縫跟蹤裝置包括電弧傳感器、信號(hào)處理模塊、焊縫糾偏模塊，所述的電弧傳感器用于檢測(cè)焊接電流，所述的焊縫糾偏模塊用于對(duì)焊縫的軌跡偏差進(jìn)行補(bǔ)償，其特征在于所述的偏差補(bǔ)償方法包括以下步驟步驟1在焊接過(guò)程中，首先用所述的電弧傳感器即時(shí)檢測(cè)當(dāng)前的焊接電流，所述的信號(hào)處理模塊對(duì)電弧傳感器檢測(cè)到的焊接電流進(jìn)行采樣，并對(duì)采集的焊接電流數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；步驟2對(duì)濾波過(guò)的焊接電流數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差信息提取，擬合偏差方向，判斷采集的焊接電流數(shù)據(jù)是否存在偏差，此處的偏差信息提取按照積分差值法提取，所述的積分差值法的具體方法是當(dāng)電弧掃描到焊接坡口兩側(cè)時(shí)，對(duì)左、右兩側(cè)的焊接電流信號(hào)i(t)分別進(jìn)行積分，以左、右兩側(cè)焊接電流信號(hào)i(t)的積分值之和作為焊接高度信號(hào)，通過(guò)當(dāng)前的高度信號(hào)，再和高度方向的參考量進(jìn)行比較，獲取高度偏差方向的補(bǔ)償量；以左、右兩側(cè)焊接電流信號(hào)i(t)的積分值之差作為焊槍偏離中心線的橫向偏差信號(hào)，在得到左、右兩側(cè)焊接電流信號(hào)i(t)的積分差值之后，即可根據(jù)該積分差值與偏差的關(guān)系算出焊槍偏離焊縫中心線的橫向偏差值；步驟3保存此次橫向偏差值，并與上一次的橫向偏差值進(jìn)行比較，當(dāng)橫向偏差值較上次的橫向偏差值增大時(shí)，則加大補(bǔ)償靈敏度；當(dāng)橫向偏差值較上次的橫向偏差值減小時(shí)，則減小補(bǔ)償靈敏度；當(dāng)橫向偏差值沒(méi)有變化時(shí)，補(bǔ)償靈敏度不變；步驟4結(jié)合所保存的橫向偏差值和靈敏度計(jì)算本次偏差的補(bǔ)償量；步驟5更新并累計(jì)高度方向和橫向的偏差補(bǔ)償量將本次計(jì)算得到的偏差補(bǔ)償量加入上次累計(jì)的偏差補(bǔ)償量中，得到新的累計(jì)偏差補(bǔ)償量；步驟6結(jié)合高度方向和橫向的累計(jì)偏差補(bǔ)償量組成空間中的三維補(bǔ)償量，將三維補(bǔ)償量轉(zhuǎn)化為x、y、z三軸的插補(bǔ)點(diǎn)；步驟7將修正后的插補(bǔ)點(diǎn)發(fā)給機(jī)器人的控制部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人焊縫跟蹤偏差補(bǔ)償方法，其特征在于所述的步驟1 對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差提取時(shí)，設(shè)置有死區(qū)帶，當(dāng)提取的偏差量在所述的死區(qū)帶內(nèi)，視偏差量 為0 ;當(dāng)提取的偏差量超出所述的死區(qū)帶，進(jìn)行補(bǔ)償。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人焊縫跟蹤偏差補(bǔ)償方法，其特征在于所述的步驟2 對(duì)偏差補(bǔ)償?shù)乃俣瓤烧{(diào)，當(dāng)偏差變化趨勢(shì)增大時(shí)，偏差補(bǔ)償速度加快；當(dāng)偏差變化趨勢(shì)減小 時(shí)，偏差補(bǔ)償速度減小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于電弧擺動(dòng)焊縫跟蹤的機(jī)器人軌跡偏差補(bǔ)償方法，包括1、檢測(cè)焊接電流，并采樣，對(duì)采集的焊接電流數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波；2、對(duì)濾波過(guò)的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差提取，擬合偏差方向，按照積分差值法提取，獲取高度偏差方向的補(bǔ)償量和橫向偏差值；3、保存橫向偏差值，對(duì)靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)；4結(jié)合橫向偏差值和靈敏度計(jì)算本次偏差的補(bǔ)償量；5、更新并累計(jì)高度方向和橫向的偏差補(bǔ)償量；6、將三維補(bǔ)償量轉(zhuǎn)化為x、y、z三軸的插補(bǔ)點(diǎn)；7、將修正后的插補(bǔ)點(diǎn)發(fā)給機(jī)器人的控制部分。本發(fā)明針對(duì)的補(bǔ)償量不會(huì)產(chǎn)生跳躍變化，可以在一定的程度上保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)經(jīng)過(guò)偏差補(bǔ)償后的焊縫成型良好，跟蹤誤差一般在±1mm以內(nèi)。
文檔編號(hào)B23K9/127GK101774065SQ20101012861
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者朱偉, 郭祖魁, 齊榮懷 申請(qǐng)人:昆山工研院工業(yè)機(jī)器人研究所有限公司