[发明专利]一种焊接机器人与变位机位姿关系的标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光焊接加工切割领域，尤其是一种激光熔覆机器人与外部轴的位姿关系标定方法，具体是一种焊接机器人与2轴变位机之间的位姿关系标定方法。

背景技术

激光再制造过程以激光熔覆为修复技术平台，结合激光快速成型技术和现代先进制造技术，对零件进行修复和提高。激光再制造机器人是基于激光技术和机器人技术的高度集成系统，它将机器人与激光器耦合，具有良好的加工柔性。机器人提供五个或六个可编程的运动轴，其有效工作空间和容许空间受到运动学约束的限制，因此需要利用变位机等辅助设备来提供冗余自由度，如图1所示。

基于机器人的激光再制造系统，机器人与变位机位姿关系的标定是机器人与变位机高效协调运动的前提，也是离线编程技术实用化的关键。哈尔滨工业大学刘圣祥硕士论文“弧焊机器人离线编程实用化研究”提出了基于旋倾变位机的五点标定法，记录TCP点在五个不同的位置的位姿数据，通过计算即可实现标定。该方法简单快速，但易受偶然因素的影响，随机误差较大，难以满足高精度激光熔覆的需求。文中提出了基于最小二乘法的球面拟合标定法，对机器人与旋倾变位机的位姿关系进行标定。

通过激光熔覆技术对重要的零部件进行表面改性是降低成本，提高性能的一种非常重要的手段，但一些工件曲面非常复杂，零件尺寸大，仅仅依靠机器人本身的6个自由度难以有效地完成这种复杂的运动，其有效工作空间和容许空间受到运动学约束的限制，因此需要利用变位机等辅助设备来提供冗余自由度。机器人与变位机位姿关系的标定是机器人与变位机高效协调运动的前提，也是离线编程技术实用化的关键。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种激光熔覆机器人与旋倾两轴变位机的位姿标定方法，具有较高的精度，完全满足高精度激光熔覆的离线编程的实际应用生产需要。

根据本发明的一个方面，提供一种焊接机器人与变位机位姿关系的标定方法，包括如下步骤：

步骤1：通过机器人控制器使变位机分别绕旋转轴和倾斜轴分别旋转到多个位置，记录TCP点在对应位置的位姿数据并建立球面方程，基于最小二乘法拟合最优球面，从而求得变位机坐标系原点；

步骤2：通过机器人控制器使变位机分别绕旋转轴和倾斜轴分别旋转到多个位置，让TCP点在变位机的旋转轴轴向和倾斜轴轴向作多点标记，基于矢量叉乘的方法进一步求得各坐标轴的方向矢量，从而实现位姿关系标定。

优选地，所述基于矢量叉乘的方法进一步求得各坐标轴的方向矢量的步骤，具体为，先让变位机处于旋转轴和倾斜轴的零位，并使TCP点与变位机标记点重合，记录下此时的TCP位置；然后使变位机绕旋转轴运动到两个新的位置，分别使TCP点与标记点重合，记录下此时TCP的位置；然后保持当前旋转轴的位置不动，让变位机绕倾斜轴旋转到两个不同的位置，并使机器人TCP点与标记点重合，记录下此时TCP的位置数据；然后基于同一平面上两个不同的矢量叉乘得到垂直于该平面的法向矢量，分别求得变位机坐标轴的方向矢量。

优选地，在求取坐标轴的方向矢量时，如果所取点到坐标系原点的距离值与期望值差别较大，则重新取点；其中，所采用的方法是误差阈值的方法，当实际值与期望值的差值除以期望值大于设定的阈值时，则重新取点，这进该方法可以有效减小随机误差，避免偶然因素的影响，具有较高的标定精度。

优选地，所述步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1：首先在变位机卡盘上做一标记点，当变位机倾斜轴J₂处于0°、-40°、-30°、-20°、-10°、10°、20°、30°、40°、50°、60°时，执行步骤：设置变位机协调功能，变位机为主动组，机器人为从动组；示教机器人TCP点与标记点重合，启用变位协调功能，使变位机绕旋转轴J₁旋转，在运动的过程中TCP点会始终保持与标记点重合；变位机随机转动到20个位置，记录相应TCP点的位姿数据；

步骤1.2：将采集的TCP点位姿数据整理，建立球面误差方程，基于最小二乘法误差的平方和最小原则，建立线性方程组从而求得球心在机器人基坐标系中的位置和球面半径，其中，所述球心即为变位机基坐系原点。

优选地，所述步骤2具体包括如下步骤：