CN115284330B - 一种焊接机器人标定激光轮廓仪的方法 - Google Patents

Abstract

提供一种焊接机器人标定激光轮廓仪的方法，该激光轮廓仪的标定主要分为两个步骤：步骤一：标定激光轮廓仪原点在法兰坐标系下的位置：采用测量的方法标定激光轮廓仪坐标系统的原点在法兰坐标系下的位置ΔX,ΔY,ΔZ，激光轮廓仪原点标定误差为0‑1mm；步骤二：建立激光轮廓仪的坐标系统：采用ABC‑2点法标定激光轮廓仪的坐标系姿态，激光轮廓仪坐标姿态的标定误差控制在0‑1°。本方法采用测量的方法标定激光轮廓仪坐标系统的原点，标定方式更为简单，误差更小，同时应用ABC‑2点法标定激光轮廓仪坐标系姿态的标准，能够更好地应用激光轮廓仪，实现机器人对其的精确控制。

Description

一种焊接机器人标定激光轮廓仪的方法

技术领域

本发明属于激光轮廓仪在焊接机器人上标定技术领域，具体涉及一种焊接机器人标定激光轮廓仪的方法。

背景技术

随着焊接机器人应用的越来越广泛，往往要在机器人上附加各种辅助工具，激光轮廓仪作为一种辅助工具，可以帮助机器人测量焊缝的形貌，是实现焊接自动化的一种必不可少的工具。将激光轮廓仪安装在机器人上后，需要标定激光轮廓仪，即确定激光轮廓仪坐标系统的原点在法兰坐标下的位置，并确定其坐标系的姿态。

现有标定工具坐标系统原点的方法主要有两种：1、XYZ 4点法；2、XYZ参照法，这两种方法误差约在1-5mm。现有标定工具坐标系姿态的方法主要有两种：1、ABC-2点法；2、ABC-World。现有技术存在问题：1、XYZ 4点法和XYZ参照法的标准有些模糊，不同的工程师的标定标准或观察标准往往是不一致的，这两种方法的标定误差约为1-5mm，误差过大，影响机器人系统对工具的精准控制；2、标定工具坐标系姿态的两种方法也是标准不够清晰，不同的工程师标定出来的结果往往差距较大。 目前市场上还没有系统地标定激光轮廓仪的方法，因此有必要提出改进。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种焊接机器人标定激光轮廓仪的方法，本发明采用测量的方法标定激光轮廓仪坐标系统的原点，标定方式更为简单，误差更小，同时应用ABC-2点法标定激光轮廓仪坐标系姿态的标准，能够更好地应用激光轮廓仪，实现机器人对其的精确控制。

本发明采用的技术方案：一种焊接机器人标定激光轮廓仪的方法，该激光轮廓仪的标定主要分为两个步骤：

步骤一：标定激光轮廓仪原点在法兰坐标系下的位置：采用测量的方法标定激光轮廓仪坐标系统的原点在法兰坐标系下的位置ΔX, ΔY, ΔZ，所述激光轮廓仪原点标定误差为0-1mm；

步骤二：建立激光轮廓仪的坐标系统：采用ABC-2点法标定激光轮廓仪的坐标系姿态，所述激光轮廓仪坐标姿态的标定误差控制在0-1°。

上述步骤一中，所述标定激光轮廓仪原点在法兰坐标系下的位置ΔX, ΔY, ΔZ的具体方法如下：

1）准备一张干净平整的面板，利用水平仪将面板上表面调至与水平面平行；

2）利用机器人将法兰以及与法兰连接的焊枪和激光轮廓仪整体运动至面板上方，调整法兰平面平行于水平面，标准为：法兰坐标系下A、B、C三个旋转量为90°的整数倍；

3）在保证法兰平面一直平行于水平面的前提下，利用激光轮廓仪实时采集激光轮廓数据，激光采集数据的对象为平整的面板，机器人带着激光轮廓仪反复调整激光轮廓仪的空间位置，主要是竖直方向的位置，使轮廓数据为一条水平直线且Z轴数据为0值，再找到X轴的0点，定义O点即为激光轮廓仪的原点，标记O点；

4）通过机器人示教器旋转法兰180°，同样找到激光轮廓仪的坐标原点，标记为O′，测量得到OO′，实际上ΔY=OO′/2，即为激光轮廓仪坐标原点相对于法兰坐标原点在Y方向的偏差；

5）在全局坐标系下，沿着法兰坐标系下的X轴方向移动法兰及焊枪和激光轮廓仪整体，将激光轮廓仪的坐标原点由O′点移动至O点附近，此时激光线与3）步骤时的激光线重合，激光轮廓仪的坐标原点在O点的上方或下方，标记为O＂，测量得到 OO＂，实际上ΔX=OO＂/2，即为激光轮廓仪坐标原点相对于法兰坐标原点在X方向的偏差；

6）最后用直尺直接测量法兰平面与平整面板之间的竖直距离ΔZ，即为激光轮廓仪坐标原点相对于法兰坐标原点在Z方向的偏差。

上述步骤二中，所述建立激光轮廓仪的坐标系统的具体方法如下：

1）利用水平仪调整激光轮廓仪上表面平行于水平面平行于面板，此时法兰平面与水平面并不平行；

2）在全局坐标系下，将激光轮廓仪沿着竖直方向向上运动，激光轮廓仪的原位置和运动后的位置形成一个方向向量，作为激光轮廓仪的Z轴正方向；

3）将激光轮廓仪沿着激光线的其中一个方向运动，且保持激光轮廓的Z值保持不变，那么激光轮廓仪的原位置和运动后的位置形成一个方向向量，作为激光轮廓仪的X轴正方向；

4）利用右手守则确定激光轮廓仪的Y轴方向，这样激光轮廓仪的坐标系就建立了。

本发明与现有技术相比的优点：

1、本方法采用测量的方法标定激光轮廓仪坐标系统的原点，该标定方法下，激光轮廓仪坐标系统原点的标定精度得到了较大的提高，误差0-1mm，标定方式更为简单，误差更小；同时，应用ABC-2点法标定激光轮廓仪坐标系姿态的标准，该标定方法下，激光轮廓仪坐标姿态的标定标准更加清晰，误差0-1°，能够更好地应用激光轮廓仪，实现机器人对其的精确控制；

2、本方法的标定方法标准清晰，方法简单，误差较小，适用于机器人多种工具的标定，其他工具如非异型工具也可以参照本标定方法标定，且不同工具间标定的相对误差都会很小。

附图说明

图1为本发明步骤一中2）的示意图；

图2为本发明步骤一中3）的示意图；

图3为本发明步骤一中4）的示意图；

图4为本发明步骤一中5）的示意图；

图5为本发明步骤一中6）的示意图；

图6为本发明步骤二中2）的示意图；

图7为本发明步骤二中3）的示意图；

图8为本发明步骤二中4）的示意图。

具体实施方式

下面将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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参阅图1-8，详述本发明的实施例。

一种焊接机器人标定激光轮廓仪的方法，该激光轮廓仪的标定主要分为两个步骤：

步骤一：标定激光轮廓仪原点在法兰坐标系下的位置：采用测量的方法标定激光轮廓仪坐标系统的原点在法兰坐标系下的位置ΔX, ΔY, ΔZ，具体方法如下：

1）准备一张干净平整的面板1，利用水平仪将面板上表面调至与水平面平行；

2）利用机器人将法兰2以及与法兰2连接的焊枪3和激光轮廓仪4整体运动至面板1上方，调整法兰2平面平行于水平面，标准为：法兰2坐标系下A、B、C三个旋转量为90°的整数倍；其中，A、B、C为机器人欧拉表达式中的Z,Y,X轴旋转角；如图1所示；

3）在保证法兰2平面一直平行于水平面的前提下，利用激光轮廓仪4自带软件实时采集激光轮廓数据，激光采集数据的对象为上述平整的面板1，机器人带着激光轮廓仪4反复调整激光轮廓仪4的空间位置，主要是竖直方向的位置，使轮廓数据为一条水平直线且Z轴数据为0值，再找到X轴的0点，定义O点即为激光轮廓仪4的原点，标记O点；如图2所示；

4）通过机器人示教器旋转法兰2 180°，同样找到激光轮廓仪4的坐标原点，标记为O′，测量得到OO′，实际上ΔY=OO′/2，即为激光轮廓仪坐标原点相对于法兰坐标原点在Y方向的偏差；如图3所示；

5）在全局坐标系下，沿着法兰坐标系下的X轴方向移动法兰2及焊枪3和激光轮廓仪4整体，将激光轮廓仪4的坐标原点由O′点移动至O点附近，此时激光线与3）步骤时的激光线重合，激光轮廓仪4的坐标原点在O点的上方或下方，标记为O＂，测量得到 OO＂，实际上ΔX=OO＂/2，即为激光轮廓仪坐标原点相对于法兰坐标原点在X方向的偏差；如图4所示；

6）最后用直尺直接测量法兰平面与平整面板之间的竖直距离ΔZ，即为激光轮廓仪坐标原点相对于法兰坐标原点在Z方向的偏差；如图5所示；

这样就标定出来激光轮廓仪的坐标原点在法兰坐标系统下的位置，因为标定过程中误差主要来源于激光轮廓仪的原点标记误差和测量读数误差，原点标记只有在测量ΔY时才会引入误差，记为0-0.5mm，再加上测量读数的误差0-0.5mm，在标定过程中读数三次，那么最终激光轮廓仪的原点标定误差为0-1mm。

步骤二：建立激光轮廓仪的坐标系统：采用ABC-2点法标定激光轮廓仪的坐标系姿态，具体方法如下：

1）利用水平仪调整激光轮廓仪4上表面平行于水平面平行于面板，此时法兰平面与水平面并不平行；

2）在全局坐标系下，将激光轮廓仪4沿着竖直方向（垂直水平面的方向）向上运动，激光轮廓仪4的原位置和运动后的位置形成一个方向向量（运动后位置—运动前位置），作为激光轮廓仪的Z轴正方向；如图6所示，

3）将激光轮廓仪4沿着激光线的其中一个方向运动（激光轮廓仪的正方向），且保持激光轮廓的Z值保持不变，那么激光轮廓仪的原位置和运动后的位置形成一个方向向量（运动后位置—运动前位置），作为激光轮廓仪4的X轴正方向；如图7所示；

4）利用右手守则就能唯一确定激光轮廓仪4的Y轴方向，这样激光轮廓仪的坐标系就建立了，如图8所示。

在激光轮廓仪的坐标系姿态标定过程中，误差主要来源于水平仪的精度和系统误差，激光轮廓仪坐标姿态的标定误差可以控制在0-1°。

本发明采用测量的方法标定激光轮廓仪坐标系统的原点，该标定方法下，激光轮廓仪坐标系统原点的标定精度得到了较大的提高，标定方式更为简单，误差更小；同时，应用ABC-2点法标定激光轮廓仪坐标系姿态的标准，该标定方法下，激光轮廓仪坐标姿态的标定标准更加清晰，能够更好地应用激光轮廓仪，实现机器人对其的精确控制。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种焊接机器人标定激光轮廓仪的方法，其特征在于：该激光轮廓仪的标定分为两个步骤：

步骤一：标定激光轮廓仪原点在法兰坐标系下的位置：采用测量的方法标定激光轮廓仪坐标系统的原点在法兰坐标系下的位置ΔX,ΔY,ΔZ，所述激光轮廓仪(4)原点标定误差为0-1mm；

上述步骤一中，所述标定激光轮廓仪原点在法兰坐标系下的位置ΔX,ΔY,ΔZ的具体方法如下：

1)准备一张干净平整的面板(1)，利用水平仪将面板上表面调至与水平面平行；

2)利用机器人将法兰(2)以及与法兰(2)连接的焊枪(3)和激光轮廓仪(4)整体运动至面板(1)上方，调整法兰(2)平面平行于水平面，标准为：法兰(2)坐标系下A、B、C三个旋转量为90°的整数倍；

3)在保证法兰(2)平面一直平行于水平面的前提下，利用激光轮廓仪(4)实时采集激光轮廓数据，激光采集数据的对象为平整的面板(1)，机器人带着激光轮廓仪(4)反复调整激光轮廓仪(4)的空间位置，使轮廓数据为一条水平直线且Z轴数据为0值，再找到X轴的O点，定义O点即为激光轮廓仪(4)的原点，标记O点；

4)通过机器人示教器旋转法兰(2)180°，同样找到激光轮廓仪(4)的坐标原点，标记为O′，测量得到OO′，实际上ΔY＝OO′/2，即为激光轮廓仪坐标原点相对于法兰坐标原点在Y方向的偏差；

5)在全局坐标系下，沿着法兰坐标系下的X轴方向移动法兰(2)及焊枪(3)和激光轮廓仪(4)整体，将激光轮廓仪(4)的坐标原点由O′点移动至O点附近，此时激光线与3)步骤时的激光线重合，激光轮廓仪(4)的坐标原点在O点的上方或下方，标记为O＂，测量得到OO＂，实际上ΔX＝OO＂/2，即为激光轮廓仪坐标原点相对于法兰坐标原点在X方向的偏差；

6)最后用直尺直接测量法兰平面与平整面板之间的竖直距离ΔZ，即为激光轮廓仪坐标原点相对于法兰坐标原点在Z方向的偏差；

步骤二：建立激光轮廓仪的坐标系统：采用ABC-2点法标定激光轮廓仪的坐标系姿态，所述激光轮廓仪(4)坐标姿态的标定误差控制在0-1°；

上述步骤二中，所述建立激光轮廓仪的坐标系统的具体方法如下：

1)利用水平仪调整激光轮廓仪(4)上表面平行于水平面平行于面板，此时法兰平面与水平面并不平行；

2)在全局坐标系下，将激光轮廓仪(4)沿着竖直方向向上运动，激光轮廓仪(4)的原位置和运动后的位置形成一个方向向量，作为激光轮廓仪的Z轴正方向；

3)将激光轮廓仪(4)沿着激光线的其中一个方向运动，且保持激光轮廓的Z值保持不变，那么激光轮廓仪的原位置和运动后的位置形成一个方向向量，作为激光轮廓仪(4)的X轴正方向；

4)利用右手守则确定激光轮廓仪(4)的Y轴方向，这样激光轮廓仪的坐标系就建立了。