一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法与流程

1.本发明涉及机器人领域技术，尤其是指一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法。


背景技术：

2.激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。
3.随着激光焊接工艺的发展，对激光焊接技术及质量提出了更高的要求，激光焊接技术由于其焊接稳定合格率高、成形美观、焊接速度快、污染较少、在核电工程、工程公司中使用逐渐普及，但激光焊接使用机器人焊接时无法测定焦点距离，而且人工焊接存在不稳定性。
4.目前，中国实用新型专利201020637764.9公开了一种激光焊接设备中的焦点指示装置,包括准直腔体、安装在准直腔体内的准直光学镜组、聚焦腔体及安装在聚焦腔体内的聚焦光学镜组,准直腔体与聚焦腔体相连；所述准直光学镜组与聚焦光学镜组之间设有指示光源,指示光源发射的指示光与传导光纤输入部分输出的光平行、且经聚焦光学镜组后汇聚于焦点处。这种焦点指示装置的缺点：1.无法反馈激光位置给机器人补偿位置误差，并且通过发射激光重合光斑，只能通过目视来校准误差，2.调整不方便，只能通过机器人示教器手动编程调节激光位置来实现对激光的调焦与校准，不能反馈数值通过机器人编程算法补偿位置。因此，有必要研究一种方案以解决上述问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法，其可以通过机器人控制系统调节补偿激光头焦点高度、测量精度高、光源接收稳定、补偿效果好。
6.为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
7.一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法，采用机器人激光焊接测距补偿装置，该机器人激光焊接测距补偿装置包括有激光头、ccd传感器，该激光头安装在机器人上，该激光头上具有导流喷嘴、保护镜片、ccd相机和光纤，该ccd传感器通过镜头固定支架可调节位置地安装在导流喷嘴上，ccd传感器上具有镜头镜片；
8.包括以下步骤：
9.s110：焊接前设备检查清理焊缝异物与杂质，清理保护镜片与镜头镜片表面脏污；
10.s120：移动机器人校准激光头与焊缝焦点位置，使焊缝与激光焦点合焦；
11.s130：校准镜头固定支架以调节ccd传感器，使激光焦点对准ccd相机十字中心点；
12.s140：使用示教器记录焦点中心为合焦点；
13.s150：使用示教器编写焊接程序并开启焦点距离补偿功能。
14.作为一种优选方案，所述镜头固定支架为六自由度固定支架。
15.作为一种优选方案，所述镜头镜片为红光滤光镜片。
16.作为一种优选方案，所述步骤s110中：焊前设备检查，检查设备是否接地，气体气流量是否正常，线路是否牢固可靠，镜头镜片是否有脏污，激光器出光是否正常，将焊接工件清理干净，确保焊接工件无脏污；
17.作为一种优选方案，所述步骤s120中：由机器人将激光头移动至焊接工件的上方，上下移动激光头使其在监视器中的焊接工件变得清晰可靠，寻找焊接合焦的焦点位置。
18.作为一种优选方案，所述步骤s130中：调节镜头固定支架使测距镜头监视器的ccd十字辅助线中心对齐s120步骤中寻找到的焊接合焦位置。
19.作为一种优选方案，所述步骤s140中：在机器人控制器的激光焊接工艺中选择校准测距镜头，使其高度参数清零，记录当前焦点中心为合焦提示点。
20.作为一种优选方案，所述步骤s150中：在机器人控制器的激光焊接工艺中编写激光焊接程序，并在“开始激光焊接”至“结束激光焊接”中插入“开启合焦补偿”与“结束合焦补偿”使其p1至p2点位焊接的过程中计算当前焊缝高度基准与机器人焊枪末端tcp工具坐标位置相对向上与相对向下的位置进行路径合焦补偿。
21.本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：
22.本发明采用激光三角测距法测量，测量精度高，反应灵敏，通过凸透镜成像原理与小孔成像原理使得激光器发射的激光焦点在不同高度下，可以通过记录镜片对焦在ccd传感器表面的焦点中心位置，从而计算偏移量来补偿移动机器人将焦点合焦，当距离发生改变时ccd上成像位置将发生偏移，可通过软件编程算法实现对焦点的实时距离的计算测量，不需要人工调节焦点位置，为使用带来便利。
23.为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
24.图1是本发明之较佳实施例中机器人激光焊接测距补偿装置的结构示意图；
25.图2是本发明之较佳实施例中机器人激光焊接测距补偿装置的光路原理示意图；
26.图3是本发明之较佳实施例中机器人激光焊接测距补偿方法的流程图；
27.图4是本发明之较佳实施例中ccd传感器成像区域示意图；
28.图5是本发明之较佳实施例的计算原理流程图。
29.附图标识说明：
30.1、ccd传感器2、镜头固定支架
31.3、镜头镜片4、光圈
32.5、焊接工件6、导流喷嘴
33.7、连接法兰8、ccd相机
34.9、光纤10、保护镜片。
具体实施方式
35.本发明揭示了一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法，采用机器人激光焊接测距补偿装置，如图1所示，该机器人激光焊接测距补偿装置包括有激光头和ccd传感器1，该激光头安装在机器人上，该激光头上具有导流喷嘴6、保护镜片10、ccd相机8和光纤9，该ccd传感器1通过镜头固定支架2可调节位置地安装在导流喷嘴6上，ccd传感器1上具有镜头镜片3和光圈4。在本实施例中，该镜头固定支架2为六自由度固定支架，可实现更多角度的变化，镜头固定支架2可上下调节地设置于导流喷嘴6上；该镜头镜片3为红光滤光镜片，可以通过红光光线，过滤蓝光与其它色温波长的光线，从而减小其他光线的干扰与增加测量灵敏度；该保护镜片10采用氟涂层镜片可有效防止焊接过程中的灰尘附着在镜片表面产生测量误差；该激光头通过连接法兰7安装在机器人上，可以对焊枪角度与位置进行编程示教。焊接工件5使用工装夹具固定在焊接平台上，防止焊接时工件发生热变形影响焦点位置。该导流喷嘴6通过保护镜片10前端的螺纹固定，该光纤9通过与激光头连接，为测距准直焦点的方向。该保护镜片10通过螺栓固定在激光头镜头组前端。该ccd相机8通过螺栓固定在激光头ccd镜头上，可水平调节焦点中心位置。
36.机器人激光焊接测距补偿装置的主要工作原理如下：
37.通过镜头固定支架2可调节镜头焦点中心位置与相邻附件的连接角度，可以实现测距镜头位置的角度调节。在作业时使用机器人示教编程，激光经过导流喷嘴6末端，焦点聚焦在焊接工件5的表面上，激光经过焊接工件5表面漫反射至镜头中，通过光线折射，经过镜头镜片3滤光后只接收红光波长光线，隔绝蓝光与其它光线干扰，通过激光在ccd传感器1上的成像位置来判断激光高度，通过modbus或rs485通讯将数字量测量结果发送给机器人控制器，示教屏幕可以指示合焦点与上下高度相对偏移量与理论焦点位置，路径试运行过程中记录偏移位置，从而实现路径自动合焦补偿。
38.本发明方法包括以下步骤：
39.s110：焊接前设备检查清理焊缝异物与杂质，清理保护镜片10与镜头镜片3表面脏污，以提升焊接质量。
40.s120：移动机器人校准激光头与焊缝焦点位置，使焊缝与激光焦点合焦。
41.s130：校准镜头固定支架以调节ccd传感器1，使激光焦点对准ccd相机8十字中心点。
42.s140：使用示教器记录焦点中心为合焦点。
43.s150：使用示教器编写焊接程序并开启焦点距离补偿功能。
44.具体地：
45.在步骤s110中：焊前设备检查，检查设备是否接地，气体气流量是否正常，线路是否牢固可靠，镜头镜片是否有脏污，激光器出光是否正常，将焊接工件清理干净，确保焊接工件无脏污。
46.在步骤s120中：由机器人将激光头移动至焊接工件5的上方，上下移动激光头使其在监视器中的焊接工件5变得清晰可靠，寻找焊接合焦的焦点位置。
47.在步骤s130中：调节镜头固定支架2使测距镜头监视器的ccd十字辅助线中心对齐s120步骤中寻找到的焊接合焦位置。
48.在步骤s140中：在机器人控制器的激光焊接工艺中选择校准测距镜头，使其高度
参数清零，记录当前焦点中心为合焦提示点。
49.在步骤s150中：在机器人控制器的激光焊接工艺中编写激光焊接程序，并在“开始激光焊接”至“结束激光焊接”中插入“开启合焦补偿”与“结束合焦补偿”使其p1至p2点位焊接的过程中计算当前焊缝高度基准与机器人焊枪末端tcp工具坐标位置相对向上与相对向下的位置进行路径合焦补偿。
50.本发明的补偿计算原理具体如下：
51.1.操作机器人至焦点合焦位置。
52.2.观察ccd监视器中激光成像位置，通过调节镜头固定支架2位置使激光成像于测距ccd传感器中心零位十字辅助线。
53.3.操作机器人的控制器编程设入大致焊接路径。
54.4.程序试运行一遍，ccd传感器1记录起弧与收弧之间路径高度(通过起弧与收弧启动ccd相机2，实时记录激光在ccd传感器1中的成像位置，通过图4激光在ccd传感器1成像区域，进行判断焊缝高度)。
55.5.激光实时触发的ccd传感器1像素点高电平信号，将扫描的像素位置通过rs485或modbus通讯将报文发送至机器人的运动控制器。
56.6.机器人的运动控制器通过报文获取激光头高度，基于tcp坐标位置相对于反馈的报文位置修改路径中tcp坐标z方向位置，位置设入程序路径点，使用直线运动完成坐标偏移补偿。
57.计算原理为：第一个焊接点位，根据点位的坐标齐次变换算出一个tcp，tcp与这个焊接点位重合。焊接移动过程中的下一个点位坐标换算出新的tcp。这样每个点位自动生成一个tcp与直线路径，比如焊接100mm长的焊缝，机器人通过相机z方向标定的坐标加上机器人z方向的tcp坐标算法把这100mm，相机分别以设定的快门速度进行采样快门速度1/15s至1/4000s，每次采样都计算补偿tcp坐标点位，这样就实现了tcp坐标的动态赋值与动态寻位。
58.本发明的设计重点在于：本发明采用激光三角测距法测量，测量精度高，反应灵敏，通过凸透镜成像原理与小孔成像原理使得激光器发射的激光焦点在不同高度下，可以通过记录镜片对焦在ccd传感器表面的焦点中心位置，从而计算偏移量来补偿移动机器人将焦点合焦，当距离发生改变时ccd上成像位置将发生偏移，可通过软件编程算法实现对焦点的实时距离的计算测量，不需要人工调节焦点位置，为使用带来便利。
59.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法，其特征在于：采用机器人激光焊接测距补偿装置，该机器人激光焊接测距补偿装置包括有激光头、ccd传感器，该激光头安装在机器人上，该激光头上具有导流喷嘴、保护镜片、ccd相机和光纤，该ccd传感器通过镜头固定支架可调节位置地安装在导流喷嘴上，ccd传感器上具有镜头镜片；包括以下步骤：s110：焊接前设备检查清理焊缝异物与杂质，清理保护镜片与镜头镜片表面脏污；s120：移动机器人校准激光头与焊缝焦点位置，使焊缝与激光焦点合焦；s130：校准镜头固定支架以调节ccd传感器，使激光焦点对准ccd相机十字中心点；s140：使用示教器记录焦点中心为合焦点；s150：使用示教器编写焊接程序并开启焦点距离补偿功能。2.根据权利要求1所述的一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法，其特征在于：所述镜头固定支架为六自由度固定支架。3.根据权利要求1所述的一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法，其特征在于：所述镜头镜片为红光滤光镜片。4.根据权利要求1所述的一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法，其特征在于：所述步骤s110中：焊前设备检查，检查设备是否接地，气体气流量是否正常，线路是否牢固可靠，镜头镜片是否有脏污，激光器出光是否正常，将焊接工件清理干净，确保焊接工件无脏污。5.根据权利要求1所述的一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法，其特征在于：所述步骤s120中：由机器人将激光头移动至焊接工件的上方，上下移动激光头使其在监视器中的焊接工件变得清晰可靠，寻找焊接合焦的焦点位置。6.根据权利要求5所述的一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法，其特征在于：所述步骤s130中：调节镜头固定支架使测距镜头监视器的ccd十字辅助线中心对齐s120步骤中寻找到的焊接合焦位置。7.根据权利要求1所述的一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法，其特征在于：所述步骤s140中：在机器人控制器的激光焊接工艺中选择校准测距镜头，使其高度参数清零，记录当前焦点中心为合焦提示点。8.根据权利要求1所述的一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法，其特征在于：所述步骤s150中：在机器人控制器的激光焊接工艺中编写激光焊接程序，并在“开始激光焊接”至“结束激光焊接”中插入“开启合焦补偿”与“结束合焦补偿”使其p1至p2点位焊接的过程中计算当前焊缝高度基准与机器人焊枪末端tcp工具坐标位置相对向上与相对向下的位置进行路径合焦补偿。

技术总结
本发明公开一种实现机器人激光焊接测距补偿的方法，采用机器人激光焊接测距补偿装置，包括以下步骤：S110：焊接前设备检查清理焊缝异物与杂质，清理保护镜片与镜头镜片表面脏污；S120：移动机器人校准激光头与焊缝焦点位置，使焊缝与激光焦点合焦；本发明采用激光三角测距法测量，测量精度高，反应灵敏，通过凸透镜成像原理与小孔成像原理使得激光器发射的激光焦点在不同高度下，可以通过记录镜片对焦在CCD传感器表面的焦点中心位置，从而计算偏移量来补偿移动机器人将焦点合焦，当距离发生改变时CCD上成像位置将发生偏移，可通过软件编程算法实现对焦点的实时距离的计算测量，不需要人工调节焦点位置，为使用带来便利。为使用带来便利。为使用带来便利。


技术研发人员：夏子豪
受保护的技术使用者：伯朗特机器人股份有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/13