申请号：CN201510058586.1

申请日： 2015-02-04

公开（公告）号：CN104646799B

公开（公告）日：2016-08-17

发明人：朱加雷;徐世龙;焦向东;李卫强;马正住

申请（专利权）人：北京石油化工学院 , 唐山开元焊接自动化技术研究所有限公司

代理机构：北京凯特来知识产权代理有限公司

代理人：郑立明;郑哲

申请人地址：北京市大兴区黄村清源北路19号

1.一种基于激光跟踪仪的电弧跟踪测试系统，其特征在于，该系统包括：激光跟踪仪(1)及配套的靶球(2)、工业焊接机器人(4)、焊接电源(8)及集成在该焊接电源(8)中的电弧跟踪模块(7)；该靶球(2)与工业焊接机器人(4)最前端的焊枪夹持机构固定连接；该工业焊接机器人(4)与焊接电源(8)及其电弧跟踪模块(7)相连；该激光跟踪仪(1)固定放置在离该靶球(2)一定距离处；激光跟踪仪(1)实时跟踪和测量靶球(2)的位置信息，根据靶球(2)的位置信息以及预先设定的工业焊接机器人(4)前端焊枪(5)的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置之间的偏差值及跟踪功能开启情况，获得电弧跟踪精度以及跟踪策略调整信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光跟踪仪(1)实时跟踪和测量靶球(2)的位置信息，根据靶球(2)的位置信息以及预先设定的工业焊接机器人(4)前端焊枪(5)的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置之间的偏差值及跟踪功能开启情况，获得电弧跟踪精度以及跟踪策略调整信息，包括：进行工业焊接机器人(4)基础坐标系与激光跟踪仪(1)本体坐标系之间的转换，建立工业焊接机器人(4)电弧跟踪时的测量坐标系；焊接开始前，通过机器人控制器设定工业焊接机器人(4)前端焊枪(5)的示教运动轨迹，调整焊接平台(6)上焊接试板(9)的待焊坡口至实际焊接位置，示教运动轨迹与待焊坡口实际位置末端在高低方向和左右方向上存在一定偏差值；正式测量过程中，激光跟踪仪(1)采用单点测量方式；首先通过跟踪靶球(2)各记录一组未焊接情况下和焊接未跟踪情况下工业焊接机器人(4)运行轨迹的测量数据；再通过跟踪靶球(2)分别进行焊接情况下高低方向和左右方向中一个方向或者同时两个方向的电弧跟踪数据测量；在数据处理过程中，将上述激光跟踪仪(1)测量到的X、Y、Z不同坐标方向上未焊接情况下示教运动轨迹测量数据和焊接未跟踪以及焊接加电弧跟踪获得的实际运动轨迹测量数据，并结合预先设置的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置的偏差值进行综合对比分析，从而获得电弧跟踪精度、跟踪调整速度以及可调整范围的数据信息。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述靶球(2)与工业焊接机器人(4)最前端的焊枪夹持机构固定连接，包括：该靶球(2)通过靶球连接装置(3)与工业焊接机器人(4)最前端的焊枪夹持机构固定连接；当工业焊接机器人(4)在运动时，其前端焊枪(5)与该靶球(2)保持相对静止。

4.一种基于激光跟踪仪的电弧跟踪测试方法，其特征在于，该方法包括：在工业焊接机器人最前端的焊枪夹持机构上固定设置一靶球，该工业焊接机器人还与焊接电源及集成在该焊接电源中的电弧跟踪模块相连；由固定放置在离该靶球一定距离处，且与该靶球配套的激光跟踪仪实时跟踪和测量靶球的位置信息；由该激光跟踪仪根据靶球的位置信息以及预先设定的工业焊接机器人前端焊枪的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置之间的偏差值及跟踪功能开启情况，获得电弧跟踪精度以及跟踪策略调整信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述由该激光跟踪仪根据靶球的位置信息以及预先设定的工业焊接机器人前端焊枪的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置之间的偏差值及跟踪功能开启情况，获得电弧跟踪精度以及跟踪策略调整信息，包括：进行工业焊接机器人基础坐标系与激光跟踪仪本体坐标系之间的转换，建立工业焊接机器人电弧跟踪时的测量坐标系；焊接开始前，通过机器人控制器设定工业焊接机器人前端焊枪的示教运动轨迹，调整焊接平台上焊接试板的待焊坡口至实际焊接位置，示教运动轨迹与待焊坡口实际位置末端在高低方向和左右方向上存在一定偏差值；正式测量过程中，激光跟踪仪采用单点测量方式；首先通过跟踪靶球各记录一组未焊接情况下和焊接未跟踪情况下工业焊接机器人运行轨迹的测量数据；再通过跟踪靶球分别进行焊接情况下高低方向和左右方向中一个方向或者同时两个方向的电弧跟踪数据测量；在数据处理过程中，将上述激光跟踪仪测量到的X、Y、Z不同坐标方向上未焊接情况下示教运动轨迹测量数据和焊接未跟踪以及焊接加电弧跟踪获得的实际运动轨迹测量数据，并结合预先设置的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置的偏差值进行综合对比分析，从而获得电弧跟踪精度、跟踪调整速度以及可调整范围的数据信息。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在工业焊接机器人最前端的焊枪夹持机构上固定设置一靶球，包括：将该靶球通过靶球连接装置与工业焊接机器人最前端的焊枪夹持机构固定连接；当工业焊接机器人在运动时，其前端焊枪与该靶球保持相对静止。

技术领域

 本发明涉及焊接电弧跟踪测试技术领域，尤其涉及一种基于激光跟踪仪的电弧跟踪测试系统及方法。

背景技术

 随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化与智能化己成为必然趋势。在焊接生产中采用机器人技术，可以提高生产效率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、实现大批量产品的焊接自动化。目前，采用机器人焊接已成为焊接技术自动化、现代化的主要标志。

 然而，焊接机器人的应用并不能保证一定可以获得满意的焊接质量，因为实际电弧焊接过程中，存在着许多干扰因素。包括工件尺寸精度、装夹精度、间隙、坡口精度、示教误差等，并且在焊接过程中，先焊合的焊缝产生的变形会作用在工件上，使后焊合的焊缝偏离组对时的位置，为了保证焊接质量，必须对机器人焊接过程进行焊缝实时跟踪。

 由于焊接过程是高度非线性、多变量耦合作用、同时具有大量随机不确定因素的复杂工艺过程，长期以来焊接过程的检测一直是焊接界的研究热点。到目前为止，主要有两大类检测方法：一是利用各种外部传感器，如视觉传感器、声学传感器和远红外摄像机等，检测反映焊接质量的各种信息。二是基于电弧自身的传感方法，只通过检测焊接过程固有的焊接电流和焊接电压信号来提取反映焊接质量的各种信息。电弧传感直接从焊接电弧中获取过程特征信息，通过检测焊接电压、焊接电流来实现焊接过程质量的监测与控制，不受焊接过程弧光、磁场、温度的影响，无须附加传感器，对焊接环境干涉小，焊枪的可达性好，结构简单、成本低且可靠性强。因此，机器人焊接时多采用电弧跟踪传感器对焊接过程监控。

 焊接电弧跟踪是保证焊接质量的重要环节，跟踪的精度和策略一直是相关研究和技术开发的重点。电弧跟踪效果的衡量和检测方式包括录制视频、采集焊接电参数以及观察最终的焊缝成型判断跟踪效果等，上述方法虽然在一定程度上能够检验跟踪效果，但基本都是给定一个定性研究，无法对跟踪过程中的实时位置数据进行量化记录和分析。

发明内容

 本发明的目的是提供一种基于激光跟踪仪的电弧跟踪测试系统及方法，通过激光跟踪仪实时跟踪并采集工业焊接机器人不同情形下运动过程中的三维空间位置信息，经过后期处理分析，获得电弧跟踪精度、跟踪调整速度以及可调整范围的数据信息，为工业机器人、焊接专机和焊接电弧跟踪模块的开发及完善等提供试验和理论分析基础。

 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

 一种基于激光跟踪仪的电弧跟踪测试系统，该系统包括：激光跟踪仪1及配套的靶球2、工业焊接机器人4、焊接电源8及集成在该焊接电源8中的电弧跟踪模块7；

 该靶球2与工业焊接机器人4最前端的焊枪夹持机构固定连接；该工业焊接机器人4与焊接电源8及其电弧跟踪模块7相连；该激光跟踪仪1固定放置在离该靶球2一定距离处；

 激光跟踪仪1实时跟踪和测量靶球2的位置信息，根据靶球2的位置信息以及预先设定的工业焊接机器人4前端焊枪5的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置之间的偏差值及跟踪功能开启情况，获得电弧跟踪精度以及跟踪策略调整信息。

 进一步的，所述激光跟踪仪1实时跟踪和测量靶球2的位置信息，根据靶球2的位置信息以及预先设定的工业焊接机器人4前端焊枪5的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置之间的偏差值及跟踪功能开启情况，获得电弧跟踪精度以及跟踪策略调整信息，包括：

 进行工业焊接机器人4基础坐标系与激光跟踪仪1本体坐标系之间的转换，建立工业焊接机器人4电弧跟踪时的测量坐标系；

 焊接开始前，通过机器人控制器设定工业焊接机器人4前端焊枪5的示教运动轨迹，调整焊接平台6上焊接试板9的待焊坡口至实际焊接位置，示教运动轨迹与待焊坡口实际位置末端在高低方向和左右方向上存在一定偏差值；

 正式测量过程中，激光跟踪仪1采用单点测量方式；首先通过跟踪靶球2各记录一组未焊接情况下和焊接未跟踪情况下工业焊接机器人4运行轨迹的测量数据；再通过跟踪靶球2分别进行焊接情况下高低方向和左右方向中一个方向或者同时两个方向的电弧跟踪数据测量；

 在数据处理过程中，将上述激光跟踪仪1测量到的X、Y、Z不同坐标方向上未焊接情况下示教运动轨迹测量数据和焊接未跟踪以及焊接加电弧跟踪获得的实际运动轨迹测量数据，并结合预先设置的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置的偏差值进行综合对比分析，从而获得电弧跟踪精度、跟踪调整速度以及可调整范围的数据信息。

 进一步的，所述该靶球2与工业焊接机器人4最前端的焊枪夹持机构固定连接，包括：

 该靶球2通过靶球连接装置3与工业焊接机器人4最前端的焊枪夹持机构固定连接；当工业焊接机器人4在运动时，其前端焊枪5与该靶球2保持相对静止。

 一种基于激光跟踪仪的电弧跟踪测试方法，该方法包括：

 在工业焊接机器人最前端的焊枪夹持机构上固定设置一靶球，该工业焊接机器人还与焊接电源及集成在该焊接电源中的电弧跟踪模块相连；

 由固定放置在离该靶球一定距离处，且与该靶球配套的激光跟踪仪实时跟踪和测量靶球的位置信息；

 由该激光跟踪仪根据靶球的位置信息以及预先设定的工业焊接机器人前端焊枪的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置之间的偏差值及跟踪功能开启情况，获得电弧跟踪精度以及跟踪策略调整信息。

 进一步的，所述由该激光跟踪仪根据靶球的位置信息以及预先设定的工业焊接机器人前端焊枪的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置之间的偏差值及跟踪功能开启情况，获得电弧跟踪精度以及跟踪策略调整信息，包括：

 进行工业焊接机器人基础坐标系与激光跟踪仪本体坐标系之间的转换，建立工业焊接机器人电弧跟踪时的测量坐标系；

 焊接开始前，通过机器人控制器设定工业焊接机器人前端焊枪的示教运动轨迹，调整焊接平台上焊接试板的待焊坡口至实际焊接位置，示教运动轨迹与待焊坡口实际位置末端在高低方向和左右方向上存在一定偏差值；

 正式测量过程中，激光跟踪仪采用单点测量方式；首先通过跟踪靶球各记录一组未焊接情况下和焊接未跟踪情况下工业焊接机器人运行轨迹的测量数据；再通过跟踪靶球分别进行焊接情况下高低方向和左右方向中一个方向或者同时两个方向的电弧跟踪数据测量；

 在数据处理过程中，将上述激光跟踪仪测量到的X、Y、Z不同坐标方向上未焊接情况下示教运动轨迹测量数据和焊接未跟踪以及焊接加电弧跟踪获得的实际运动轨迹测量数据，并结合预先设置的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置的偏差值进行综合对比分析，从而获得电弧跟踪精度、跟踪调整速度以及可调整范围的数据信息。

 进一步的，所述在工业焊接机器人最前端的焊枪夹持机构上固定设置一靶球，包括：

 将该靶球通过靶球连接装置与工业焊接机器人最前端的焊枪夹持机构固定连接；当工业焊接机器人在运动时，其前端焊枪与该靶球保持相对静止。

 由上述本发明提供的技术方案可以看出，激光跟踪仪可以实时跟踪与机器人末端焊枪同步固定连接的靶球并高频次记录其运动过程中各点的三维空间位置信息，通过对上述众多位置信息的数据处理和分析，进而获得焊枪的实际空间运动轨迹，将其与设定的示教运动轨迹以及实际焊缝位置进行综合分析，从而可获得机器人电弧跟踪的跟踪调整策略及精度信息，对于焊接机器人电弧跟踪功能的进一步开发提供依据。

附图说明

 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

 图1为本发明实施例提供的一种基于激光跟踪仪的电弧跟踪测试系统的示意图；

 图2为本发明实施例提供的待焊坡口实际位置和示教位置在左右方向和高低方向的预置偏差示意图；

 图3为本发明实施例提供的一种基于激光跟踪仪的电弧跟踪测试方法的流程图。

具体实施方式

 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

 实施例

 图1为本发明实施例提供的一种基于激光跟踪仪的电弧跟踪测试系统的示意图。如图1所示，该系统主要包括：激光跟踪仪1及配套的靶球2、工业焊接机器人4、焊接电源8及集成在该焊接电源8中的电弧跟踪模块7。

 该靶球2与工业焊接机器人4最前端的焊枪夹持机构固定连接，当工业焊接机器人4在运动时，其前端焊枪5与该靶球2保持相对静止；具体来说，该靶球2通过靶球连接装置3与工业焊接机器人4最前端的焊枪夹持机构固定连接(位于焊枪5上方)，以避免焊接电弧和烟尘对靶球2的污染和损伤，同时防止靶球2的安装影响工业焊接机器人4的焊接运动。

 该工业焊接机器人4与焊接电源8协调运行，焊接过程中，集成于焊接电源8上的电弧跟踪模块7采集焊接电信号，并反馈到工业焊接机器人4的控制系统，调整工业焊接机器人4的运动轨迹。

 该激光跟踪仪1固定放置在离该靶球2一定距离处；激光跟踪仪1实时跟踪和测量靶球2的位置信息，根据靶球2的位置信息以及预先设定的工业焊接机器人4前端焊枪5的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置之间的偏差值及跟踪功能开启情况，获得电弧跟踪精度以及跟踪策略调整信息。

 具体来说，为确保激光跟踪仪1在工业焊接机器人4的整个运动范围内都能够实时跟踪靶球2，需要提前在全行程范围内空运行工业焊接机器人4，并调整激光跟踪仪1的放置位置。

 为了更好的进行数据分析和处理，需要进行工业焊接机器人4基础坐标系与激光跟踪仪1本体坐标系之间的转换，建立工业焊接机器人4电弧跟踪时的测量坐标系：通过激光跟踪仪1软件系统的构建坐标系功能，将激光跟踪仪1测量的靶球2数据从其本体坐标系显示转化为以工业焊接机器人4基础坐标系显示，同时将已经计算获得的靶球2安装位置相对于实际电弧位置在X/Y/Z三个方向的坐标偏移量输入到构建坐标系的坐标偏移处。

 焊接开始前，根据电弧跟踪测量要求，通过机器人控制器设定工业焊接机器人4前端焊枪5的示教运动轨迹(图2中的10-1)，调整焊接平台6上焊接试板9的待焊坡口至实际焊接位置(图2中的9-1)，示教运动轨迹与待焊坡口实际位置末端在左右方向和高低方向上存在一定偏差值(图2a中的δ1、图2b中的δ2)；

 正式测量过程中，激光跟踪仪1采用单点测量方式；首先通过跟踪靶球2各记录一组未焊接情况下和焊接未跟踪情况下工业焊接机器人4前端焊枪5的运行轨迹测量数据；随后再通过跟踪靶球2分别进行焊接情况下高低方向和左右方向中一个方向或者同时两个方向的电弧跟踪数据测量；

 在数据处理过程中，将上述激光跟踪仪1测量到的X、Y、Z不同坐标方向上未焊接情况下示教运动轨迹测量数据和焊接未跟踪以及焊接加电弧跟踪获得的实际运动轨迹测量数据，并结合预先设置的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置的偏差值进行综合对比分析，从而获得电弧跟踪精度、跟踪调整速度以及可调整范围的数据信息，据此分析机器人电弧跟踪行为策略，为提高焊接质量及相关焊接设备开发提供理论依据。

 本实施例的上述技术方案，主要具有以下优点和效果：

 (1)该系统可以实现电弧三维位置信息的实时测量和数据记录，并能够以数据表的形式导出数据，为后期的数据分析处理奠定了基础。

 (2)该系统可以实现对测量目标的长距离、实时、快速、准确跟踪功能。激光跟踪仪本体可以远离焊接机器人，使得整个测试过程中机器人的位姿变化能够更加灵活，可操作性更好。

 (3)该系统可以实现对测量目标位置的高速、精确测量。为提高测试分析精度，降低测试误差提供了条件。

 (4)该系统中的激光跟踪仪自带测量软件可以比较方便的实现测量数据从激光跟踪仪坐标系向机器人基础坐标系的转换，并实现靶球位置和实际焊接电弧位置之间的坐标偏移，将测量的所有数据统一到机器人基础坐标系下存储和显示，有利于直接与机器人设定的示教轨迹进行对比分析，获得需要的测试精度。

 (5)该系统结合工业焊接机器人自身电弧跟踪设置功能，可以比较方便的实现对高低方向、左右方向、高低和左右方向电弧跟踪的精度检测，也可实现对非焊接情况下机器人自身运动精度的测试。

 实施例二

 本发明实施例还提供一种基于前述图1所示系统来实现电弧跟踪测试的方法，如图3所示，该方法主要包括如下步骤：

 步骤31、在工业焊接机器人最前端的焊枪夹持机构上固定设置一靶球，该工业焊接机器人还与焊接电源及集成在该焊接电源中的电弧跟踪模块相连。

 本实施例中，将该靶球通过靶球连接装置与工业焊接机器人最前端的焊枪夹持机构固定连接；当工业焊接机器人在运动时，其前端焊枪与该靶球保持相对静止。

 步骤32、由固定放置在离该靶球一定距离处，且与该靶球配套的激光跟踪仪实时跟踪和测量靶球的位置信息。

 步骤33、由该激光跟踪仪根据靶球的位置信息以及预先设定的工业焊接机器人前端焊枪的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置之间的偏差值及跟踪功能开启情况，获得电弧跟踪精度以及跟踪策略调整信息。

 具体来说，该步骤33主要通过如下方式来实现：

 进行工业焊接机器人基础坐标系与激光跟踪仪本体坐标系之间的转换，建立工业焊接机器人电弧跟踪时的测量坐标系；

 焊接开始前，通过机器人控制器设定工业焊接机器人前端焊枪的示教运动轨迹，调整焊接平台上焊接试板的待焊坡口至实际焊接位置，示教运动轨迹与待焊坡口实际位置末端在高低方向和左右方向上存在一定偏差值；

 正式测量过程中，激光跟踪仪采用单点测量方式；首先通过跟踪靶球各记录一组未焊接情况下和焊接未跟踪情况下工业焊接机器人运行轨迹的测量数据；再通过跟踪靶球分别进行焊接情况下高低方向和左右方向中一个方向或者同时两个方向的电弧跟踪数据测量；

 在数据处理过程中，将上述激光跟踪仪测量到的X、Y、Z不同坐标方向上未焊接情况下示教运动轨迹测量数据和焊接未跟踪以及焊接加电弧跟踪获得的实际运动轨迹测量数据，并结合预先设置的示教运动轨迹与待焊坡口实际位置的偏差值进行综合对比分析，从而获得电弧跟踪精度、跟踪调整速度以及可调整范围的数据信息。

 需要强调的是，与该方法相关的系统已在前述实施例中进行了详细的介绍，故不再赘述。

 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。