專利名稱：機器人焊縫跟蹤偏差補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機器人焊縫跟蹤偏差補償方法。
背景技術(shù)：
焊縫跟蹤是焊接自動化的前提和重要保證，對于機器人焊接系統(tǒng)而言，焊縫跟蹤 無疑對于提高焊接質(zhì)量起著很大的作用?；『笝C器人焊縫跟蹤過程是一個多參數(shù)影響的復 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 接過程中的熱、電弧力、磁偏吹等導致的焊件變形、機器人示教的準確性、機器人的重復精 度等等。由于焊接過程的非線性，焊接過程的建模工作比線性系統(tǒng)復雜得多、困難得多。雖 然近年來研究人員利用各種方法建立了一些較為精確的模型，但計算過程需要花費較長的 時間，而且不一定能滿足實時控制的要求。因此，以精確數(shù)學模型為設(shè)計基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理 論及現(xiàn)代控制理論在焊接過程自動控制中都遇到了嚴重的挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種被控對象模型不確定情況下的補償靈敏度可調(diào)的焊 縫跟蹤偏差補償方法。 為了達到以上目的，本發(fā)明采用的方案是 —種基于電弧擺動焊縫跟蹤的機器人軌跡偏差補償方法，該機器人具有焊縫跟蹤 裝置，所述的焊縫跟蹤裝置包括電弧傳感器、信號處理模塊、焊縫糾偏模塊，所述的電弧傳 感器用于檢測焊接電流，所述的焊縫糾偏模塊用于對焊縫的軌跡偏差進行補償，所述的偏 差補償方法包括以下步驟 步驟1 :在焊接過程中，首先用所述的電弧傳感器即時檢測當前的焊接電流，所述 的信號處理模塊對電弧傳感器檢測到的焊接電流進行采樣，并對采集的焊接電流數(shù)據(jù)進行 濾波； 步驟2 :對濾波過的焊接電流數(shù)據(jù)進行偏差信息提取，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 法的具體方法是當電弧掃描到焊接坡口兩側(cè)時，對左、右兩側(cè)的焊接電流信號i(t)分別 進行積分，以左、右兩側(cè)焊接電流信號i(t)的積分值之和作為焊接高度信號，通過當前的 高度信號，再和高度方向的參考量進行比較，獲取高度偏差方向的補償量；以左、右兩側(cè)焊 接電流信號i(t)的積分值之差作為焊槍偏離中心線的橫向偏差信號，在得到左、右兩側(cè)焊 接電流信號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行比較，當橫向偏差值
較上次的橫向偏差值增大時，則加大補償靈敏度；當橫向偏差值較上次的橫向偏差值減小
時，則減小補償靈敏度；當橫向偏差值沒有變化時，補償靈敏度不變； 步驟4 :結(jié)合所保存的橫向偏差值和靈敏度計算本次偏差的補償量；
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步驟5:更新并累計高度方向和橫向的偏差補償量將本次計算得到的偏差補償 量加入上次累計的偏差補償量中，得到新的累計偏差補償量； 步驟6 :結(jié)合高度方向和橫向的累計偏差補償量組成空間中的三維補償量，將三 維補償量轉(zhuǎn)化為X、 y、 Z三軸的插補點； 步驟7 :將修正后的插補點發(fā)給機器人的控制部分。 上述的技術(shù)方案可優(yōu)選地，所述的步驟1對采集數(shù)據(jù)進行偏差提取時，設(shè)置有死 區(qū)帶，當提取的偏差量在所述的死區(qū)帶內(nèi)，視偏差量為O;當提取的偏差量超出所述的死區(qū) 帶，進行補償。
上述的技術(shù)方案還可優(yōu)選地，所述的步驟2對偏差補償?shù)乃俣瓤烧{(diào)，當偏差變化
趨勢增大時，偏差補償速度加快；當偏差變化趨勢減小時，偏差補償速度減小。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點 1、本發(fā)明針對的補償量不會產(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、通過經(jīng)過偏差補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)明的偏差補償流程圖； 附圖2為本發(fā)明加入偏差補償?shù)臋C器人焊縫跟蹤流程圖了 ； 附圖3為本發(fā)明的偏差補償方案示意圖； 附圖4為本發(fā)明的補償量分解示意圖； 附圖5為本發(fā)明焊槍與焊縫中心對中時的積分差值圖； 附圖6為本發(fā)明焊槍與焊縫中心對偏左的積分差值圖； 附圖7為本發(fā)明焊槍與焊縫中心對偏右的積分差值圖。
具體實施例方式下面將參照附圖詳細描述本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu) —種機器人焊縫跟蹤裝置，包括電弧傳感器、信號處理模塊、焊縫糾偏模塊，電弧 傳感器用于檢測焊接電流，焊縫糾偏模塊用于對焊縫的軌跡偏差進行補償。其中，軌跡偏差 補償方法包括以下步驟 如附圖1、2所示步驟l :啟動焊接，電弧傳感器即時檢測當前的焊接電流，信號處
理模塊對電弧傳感器檢測到的焊接電流進行采樣，并對采集的焊接電流數(shù)據(jù)進行濾波。本
實施例中，通過實驗設(shè)計了局部均值濾波和改進的滑動中值濾波兩種方法相結(jié)合的數(shù)字濾
波器。實驗表明，該濾波器能夠較好的濾除焊接電流中的干擾信號，滿足實際需要。
步驟2 :對濾波過的焊接電流數(shù)據(jù)進行偏差信息提取，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電弧掃描到焊接坡口兩側(cè)時，對左、右兩側(cè)的焊接電
流信號i (t)分別進行積分，以左、右兩側(cè)焊接電流信號i (t)的積分值之和作為焊接高度信
號，通過當前的高度信號，再和高度方向的參考量進行比較，獲取高度偏差方向的補償量；
以左、右兩側(cè)焊接電流信號i(t)的積分值之差作為焊槍偏離中心線的橫向偏差信號。如附圖5 7中S。SK，如果焊槍與焊縫中心對中，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的計算方 式如下 & = f/必=f /(f)必
& = = 由于實際的電流采樣數(shù)據(jù)是離散的，因此應該采用數(shù)值積分的方式計算S^和SK。 同時實驗中設(shè)定了較高采樣速率，導致采樣點之間的步長較小，因此可以采用梯形積分公 式計算&和SK并能保證較高的計算精度。實際采用的計算式為
& = Z (/(/) + /(/ + l))/z/2 ，M
S及=Z (/(0 + /("l))A/2
一 i=W/2 式中h是積分步長，h = 2 V/L ;V是焊接速度；L是焊槍擺動一個周期前進的距 離；N是一個周期內(nèi)采樣的點數(shù)。 借鑒于帶死區(qū)的PID補償算法(按偏差的比例P、積分I和微分D進行計算)，在 進行偏差補償算法時，本實施例也設(shè)計了一個死區(qū)帶，當提取的偏差量在這個死區(qū)帶內(nèi)時， 不進行補償，直接視偏差量為0 ;僅當提取的偏差超出了該死區(qū)帶才進行偏差補償。
補償環(huán)節(jié)的偏差e'與未補償?shù)钠頴之間關(guān)系如附圖3所示。圖中斜線為e'= e線。當偏差值為正向增大方向變化時，沿曲線OaM進行補償；當偏差值為正且向減小方向 變化時，沿曲線MbO進行補償；當偏差值為負且向減小(絕對值增大)方向變化時，沿曲線 OdN進行補償；當偏差值為負且向增大(絕對值減小)方向變化時，沿曲線NcO進行補償； 當偏差值不變化時e'二 e。這種補償方式，在偏差變化方向發(fā)生變化時，補償量不會產(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行比較。因為偏差的變 化是非線性的，所以，必須在補償過程中根據(jù)實際情況，將本次保存的偏差量與上次的偏差 量進行比較，當橫向偏差值較上次的橫向偏差值增大時，則加大補償靈敏度；當橫向偏差值 較上次的橫向偏差值減小時，則減小補償靈敏度；當橫向偏差值沒有變化時，補償靈敏度不變。 此外，提取偏差作為判斷補償方向和是否需要補償，而實際的補償量通過補償速 度求得。又考慮到焊縫跟蹤具有一定的時滯，所以補償速度設(shè)計為可調(diào)的，調(diào)節(jié)依據(jù)為偏差 的變化率。當偏差變化趨勢增大時，偏差補償速度加快；當偏差變化趨勢減小時，偏差補償 速度減小。這樣既能滿足逐步補償，穩(wěn)定跟蹤的目的，又能在一定的程度上對偏差進行預判 斷，預補償。 步驟4 :結(jié)合所保存的橫向偏差值和靈敏度計算本次偏差的補償量。 首先，先進行橫向偏差方向上的糾偏，如附圖4所示，假定機器人示教時的軌跡是
直線P。&，而實際的焊縫中心位于P。P/ 。假定被焊工件位于機器人基坐標系的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償』 的形式如式(1. 2)所示:
S分解為機器人基坐標系下的向量和



s = Kp e (1. 1)
f = M +
其中，Kp為靈敏度，M 、 A，分別為補償量f對應的坐標軸分 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
高度偏差方向的補償j
h' = H-h_ref AZ = h'
h'，利用此補償j
(1.5)
t在z方向?qū)C器人預規(guī)劃的插補點進行
(1.6) h' = H-h_ref (1.7)
Az = h' (1.8) 步驟5:更新并累計高度方向和橫向的偏差補償量將本次計算得到的偏差補償 量加入上次累計的偏差補償量中，得到新的累計偏差補償量； 步驟6 :結(jié)合高度方向和橫向的累計偏差補償量組成空間中的三維補償量，將三 轉(zhuǎn)化為x、y、z三軸的插補點；
步驟7 :將修正后的插補點發(fā)給機器人的PMAC(多軸運動控制器)。 可據(jù)此對機器人預規(guī)劃的插補點進行x、 y、 z三個方向上的修正，以完成焊縫跟蹤
維補償

任務。
目前該糾偏算法已經(jīng)模塊化應用于電弧擺動焊縫跟蹤系統(tǒng)之中，在V形坡口對接
接頭與T形角接接頭末端偏移量在10°的情況下實現(xiàn)了有效跟蹤，焊縫成型良好，跟蹤誤
差在士lmm以內(nèi)。同時，對跟蹤誤差進行了分析，給出了傳感器的適用范圍。 上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人
士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍，凡根據(jù)本發(fā)明
精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于電弧擺動焊縫跟蹤的機器人軌跡偏差補償方法，該機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、信號處理模塊、焊縫糾偏模塊，所述的電弧傳感器用于檢測焊接電流，所述的焊縫糾偏模塊用于對焊縫的軌跡偏差進行補償，其特征在于所述的偏差補償方法包括以下步驟步驟1在焊接過程中，首先用所述的電弧傳感器即時檢測當前的焊接電流，所述的信號處理模塊對電弧傳感器檢測到的焊接電流進行采樣，并對采集的焊接電流數(shù)據(jù)進行濾波；步驟2對濾波過的焊接電流數(shù)據(jù)進行偏差信息提取，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電弧掃描到焊接坡口兩側(cè)時，對左、右兩側(cè)的焊接電流信號i(t)分別進行積分，以左、右兩側(cè)焊接電流信號i(t)的積分值之和作為焊接高度信號，通過當前的高度信號，再和高度方向的參考量進行比較，獲取高度偏差方向的補償量；以左、右兩側(cè)焊接電流信號i(t)的積分值之差作為焊槍偏離中心線的橫向偏差信號，在得到左、右兩側(cè)焊接電流信號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行比較，當橫向偏差值較上次的橫向偏差值增大時，則加大補償靈敏度；當橫向偏差值較上次的橫向偏差值減小時，則減小補償靈敏度；當橫向偏差值沒有變化時，補償靈敏度不變；步驟4結(jié)合所保存的橫向偏差值和靈敏度計算本次偏差的補償量；步驟5更新并累計高度方向和橫向的偏差補償量將本次計算得到的偏差補償量加入上次累計的偏差補償量中，得到新的累計偏差補償量；步驟6結(jié)合高度方向和橫向的累計偏差補償量組成空間中的三維補償量，將三維補償量轉(zhuǎn)化為x、y、z三軸的插補點；步驟7將修正后的插補點發(fā)給機器人的控制部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人焊縫跟蹤偏差補償方法，其特征在于所述的步驟1 對采集數(shù)據(jù)進行偏差提取時，設(shè)置有死區(qū)帶，當提取的偏差量在所述的死區(qū)帶內(nèi)，視偏差量 為0 ;當提取的偏差量超出所述的死區(qū)帶，進行補償。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人焊縫跟蹤偏差補償方法，其特征在于所述的步驟2 對偏差補償?shù)乃俣瓤烧{(diào)，當偏差變化趨勢增大時，偏差補償速度加快；當偏差變化趨勢減小 時，偏差補償速度減小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于電弧擺動焊縫跟蹤的機器人軌跡偏差補償方法，包括1、檢測焊接電流，并采樣，對采集的焊接電流數(shù)據(jù)進行濾波；2、對濾波過的電流數(shù)據(jù)進行偏差提取，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償量和橫向偏差值；3、保存橫向偏差值，對靈敏度進行調(diào)節(jié)；4結(jié)合橫向偏差值和靈敏度計算本次偏差的補償量；5、更新并累計高度方向和橫向的偏差補償量；6、將三維補償量轉(zhuǎn)化為x、y、z三軸的插補點；7、將修正后的插補點發(fā)給機器人的控制部分。本發(fā)明針對的補償量不會產(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，通過經(jīng)過偏差補償后的焊縫成型良好，跟蹤誤差一般在±1mm以內(nèi)。
文檔編號B23K9/127GK101774065SQ20101012861
公開日2010年7月14日 申請日期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 申請人:昆山工研院工業(yè)機器人研究所有限公司