安龍 鄒尚博 劉少印

摘要：對比了激光飛行焊和傳統(tǒng)接觸式焊接區(qū)別，提出了一種激光飛行焊機(jī)器人工具坐標(biāo)系設(shè)定方法，可以節(jié)省仿真建模時(shí)間和工裝開發(fā)成本。機(jī)器人虛擬工具的校準(zhǔn)方法與實(shí)體工具有所不同，在機(jī)器人傳統(tǒng)實(shí)體工具校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上開發(fā)了適用于此類工具的校準(zhǔn)方法。該方法能夠節(jié)省焊縫批量偏移時(shí)的工藝調(diào)試時(shí)間，快速解決序列化生產(chǎn)中常見的工具偏移問題，在汽車制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 激光飛行焊 工具坐標(biāo)系 工具校準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：TH17? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220412

Abstract： This paper compared the difference between laser scanner welding and traditional contact welding， proposed a setting method of robot coordinate system with laser scanner welding optic. This method can shorten modeling time and reduce tooling development cost. Robot virtual tool calibration is different from physical tool. A new calibration method suitable for such virtual tools was developed based on the calibration method of traditional physical tools of robot. This method can shorten process debugging time to eliminate welding seam deviation， rapidly solve tool deviation which frequently occurs in series production， therefore has broad application in automobile production.

Key words： Industrial robot， Laser scanner welding， Tool coordinate system， Tool calibration

作者簡介：安龍（1993—），男，工程師，碩士學(xué)位，研究方向?yàn)闄C(jī)器人應(yīng)用及激光焊接技術(shù)。

參考文獻(xiàn)引用格式：

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1 前言

激光飛行焊使用的可編程聚焦光學(xué)頭（Programmable Focus Optic，PFO）是激光焊接中常用的加工頭，可以將激光聚焦在工件表面熔化板材實(shí)現(xiàn)焊接。在焊接過程中PFO從工件上方掃過，故稱之為激光飛行焊。激光飛行焊有激光焊的通用優(yōu)勢：能量密度高、熱變形小、焊縫美觀、焊接精度高。同時(shí)由于其內(nèi)部鏡組在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)能夠改變光斑大小和焊接圖形，使其具有多種應(yīng)用場合，如打標(biāo)和白車身外覆蓋件焊接[1]。與傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊比，PFO不需要與工件接觸即可進(jìn)行焊接，因此機(jī)器人不必精確到達(dá)每個(gè)焊縫位置，節(jié)拍快。同時(shí)PFO焊縫形狀多樣的優(yōu)點(diǎn)使其能適應(yīng)更多工件形狀和連接強(qiáng)度，在白車身焊接領(lǐng)域逐漸取代電阻點(diǎn)焊，成為更多主機(jī)廠的選擇[2]。

PFO實(shí)現(xiàn)焊接需要預(yù)先編寫焊接程序、任務(wù)程序和激光程序，焊接程序包含了焊接圖形、掃描速度、功率；任務(wù)程序包含焊縫位置和所調(diào)用焊接程序；激光程序包含功率波形和光路信息，這些程序都保存在PFO里。然后在機(jī)器人上建立示教程序和焊接程序。示教程序用于讓PFO知道每個(gè)焊縫坐標(biāo)并記錄在任務(wù)程序里[3]；焊接程序用于編寫焊接軌跡，指定觸發(fā)焊接的軌跡點(diǎn)。需要注意的是焊接軌跡不必使工具參考點(diǎn)（Tool Center Point，TCP）精確到達(dá)每條焊縫，只需保證焊縫能被PFO掃描范圍覆蓋，且軌跡盡可能接近直線，這樣有助于節(jié)拍提升[4]。

在建立了PFO工具坐標(biāo)系后就可以示教焊縫位置。焊接過程中機(jī)器人帶PFO在工件上方運(yùn)行，同時(shí)將工具參考點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)時(shí)傳輸給PFO，PFO根據(jù)工具參考點(diǎn)當(dāng)前坐標(biāo)和焊縫示教坐標(biāo)的差值，經(jīng)過計(jì)算驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)鏡組使焦點(diǎn)移動(dòng)到焊縫位置，在示教焊縫位置進(jìn)入PFO掃描范圍就開始焊接，從而達(dá)到了提升節(jié)拍效果[5]。

2 機(jī)器人坐標(biāo)系基礎(chǔ)

機(jī)器人有5個(gè)笛卡爾坐標(biāo)系：足坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系、法蘭坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、基坐標(biāo)系，其中足坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系、法蘭坐標(biāo)系在機(jī)器人出廠時(shí)已經(jīng)建立完成。使用前需要根據(jù)機(jī)器人所帶工具和作業(yè)的工裝胎來建立工具坐標(biāo)系和基坐標(biāo)系。庫卡機(jī)器人系統(tǒng)描述工具坐標(biāo)系的方式： tool data[1]=[x， y， z， a， b， c]。x， y， z代表工具坐標(biāo)系原點(diǎn)在法蘭坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；工具坐標(biāo)系方向由法蘭坐標(biāo)系先繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度a，再繞Y軸旋轉(zhuǎn)角度b，繞X軸旋轉(zhuǎn)角度c得到；a， b， c稱之為歐拉角。需要注意的是x， y， z的平移沒有順序，但旋轉(zhuǎn)順序會(huì)影響最終工具坐標(biāo)系方向，必須按上述順序進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換。

建立工具坐標(biāo)系可以讓機(jī)器人知道TCP的位置和工具方向，方便操作者靈活地調(diào)整機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)姿態(tài)，更加精確地控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡。

工具坐標(biāo)系基于機(jī)器人法蘭坐標(biāo)系進(jìn)行變換。即工具坐標(biāo)系由法蘭坐標(biāo)系沿位置矢量平移，根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)得到，求出位置矢量和旋轉(zhuǎn)矩陣可用于工具坐標(biāo)系校正。

圖1為工具坐標(biāo)系和法蘭坐標(biāo)系關(guān)系，{A}表示法蘭坐標(biāo)系；{B}表示工具坐標(biāo)系；[ABR]表示工具坐標(biāo)系相對法蘭坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。[ABP]表示工具坐標(biāo)系相對法蘭坐標(biāo)系位置矢量。則有如下計(jì)算公式[6]：

3 傳統(tǒng)工具坐標(biāo)系設(shè)定方法

傳統(tǒng)工具例如點(diǎn)焊焊鉗，由于存在實(shí)體工具參考點(diǎn)，可以通過4點(diǎn)法測量TCP位置，6D法測量工具方向得到工具坐標(biāo)系[7]。操作機(jī)器人將焊鉗靜臂電極帽圓心以4個(gè)姿態(tài)分別對準(zhǔn)同一個(gè)尖端，機(jī)器人能夠獲得x，y，z值[8]。實(shí)際每3個(gè)姿態(tài)可以測出1個(gè)工具坐標(biāo)系，4個(gè)姿態(tài)任意3組數(shù)據(jù)組合測出4組工具坐標(biāo)值，從而可以算出平均誤差和最大誤差。移動(dòng)機(jī)器人使[+XTOOL]與[-ZWORLD]重合，[+YTOOL]與[+YWORLD]重合，[+ZTOOL]與[+XWORLD]重合機(jī)器人得到a，b，c值。通常[+ZTOOL]是工具所指方向，[+XTOOL]是焊接時(shí)前進(jìn)方向[9]。

4 虛擬工具坐標(biāo)系設(shè)定方法

激光飛行焊工具參考點(diǎn)是光的焦點(diǎn)，實(shí)際無法利用焦點(diǎn)對準(zhǔn)物理尖端來建立PFO工具坐標(biāo)系，這種情況有3種方法建立工具坐標(biāo)系：制作工裝與工具參考點(diǎn)重合；計(jì)算機(jī)仿真；通過連接件和PFO機(jī)械圖紙尺寸計(jì)算。下文介紹根據(jù)連接件和PFO機(jī)械圖紙尺寸計(jì)算得到工具坐標(biāo)系方法。

機(jī)器人法蘭坐標(biāo)系如圖2所示；PFO坐標(biāo)系和尺寸分別如圖3和圖4所示所示；焦距為450 mm的PFO通過連接件和B8板安裝在法蘭端，如圖5所示。由圖6可知B8板厚度為27 mm，從圖7可知適配塊厚度為35 mm；由圖4可知焦點(diǎn)在法蘭坐標(biāo)系X方向距法蘭中心666.4 mm，焦點(diǎn)在法蘭坐標(biāo)系Y方向距法蘭中心0 mm，焦點(diǎn)在法蘭坐標(biāo)系Z方向距法蘭中心（257+27+35） mm。

根據(jù)圖5可得：

將計(jì)算結(jié)果輸入機(jī)器人工具坐標(biāo)系，如圖8所示。

將工具坐標(biāo)系數(shù)值帶入式（1）和（2）得到旋轉(zhuǎn)矩陣和位置矢量：

焦距為450 mm的PFO通過45°連接塊安裝在機(jī)器人法蘭端，如圖9所示。PFO和機(jī)器人法蘭安裝關(guān)系在工具坐標(biāo)系X-Y和X-Z平面的投影如圖10和圖11所示，其中EF是PFO安裝面，GH是法蘭安裝面，P是PFO焦點(diǎn)在該平面投影。以下是解[ΔPRQ]的公式：

式中，PR為焦點(diǎn)到連接塊R點(diǎn)在機(jī)器人法蘭坐標(biāo)系Y-Z平面投影距離；PQ為焦點(diǎn)到連接塊R點(diǎn)在工具坐標(biāo)系X方向上投影距離。

經(jīng)計(jì)算，PR=453.29 mm；∠PRQ=61.89°；X=666.4 mm；Y=181.73 mm；Z=470.73 mm。

根據(jù)圖10，PFO安裝方式可得

將計(jì)算結(jié)果輸入機(jī)器人工具坐標(biāo)系如圖12所示。

將工具坐標(biāo)系數(shù)值帶入式（1）和（2）得到旋轉(zhuǎn)矩陣和位置矢量：

5 傳統(tǒng)工具校準(zhǔn)方法

傳統(tǒng)工具如點(diǎn)焊焊槍，在焊槍發(fā)生碰撞或機(jī)械拆裝后工具參考點(diǎn)和機(jī)器人工具坐標(biāo)系原點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)偏差。為了快速恢復(fù)生產(chǎn)，減少工藝調(diào)整，需要設(shè)置工具校準(zhǔn)方法。

如圖13所示，即：

按圖14編寫工具檢查程序，用靜臂電極帽移動(dòng)到固定檢具圓環(huán)中心，機(jī)器人記錄此時(shí)工具參考點(diǎn)的位置OB。焊槍發(fā)生碰撞后工具參考點(diǎn)由OB偏移到P，運(yùn)行工具檢查程序，測量此時(shí)工具參考點(diǎn)相對工具坐標(biāo)系原點(diǎn)的偏移量[OBP]。通過式（15）求出P點(diǎn)在{A}坐標(biāo)系下的位置，即可實(shí)現(xiàn)工具坐標(biāo)系由B到P的校正[10]。以下是坐標(biāo)系變換公式：

6 虛擬工具校準(zhǔn)方法

對于虛擬工具或TCP在工具之外的情況需要使用特殊方法找工具參考點(diǎn)位置。決定PFO基準(zhǔn)位置有2個(gè)參數(shù)，垂直度和焦距。PFO有專用工具檢驗(yàn)垂直度（圖15）。繞TCP旋轉(zhuǎn)PFO直到導(dǎo)航光同時(shí)落在上方光屏中心和工具底座尖端，此時(shí)PFO位于垂直位置。PFO上有2個(gè)輔助光源，能和導(dǎo)航光呈固定角度發(fā)射2束面激光（圖16），2束線激光在任意水平面上相互垂直。保證導(dǎo)航光垂直的情況下機(jī)器人在PFO坐標(biāo)系Z方向移至線激光交點(diǎn)和導(dǎo)航光重合（圖17），該點(diǎn)即為PFO工具參考點(diǎn)[11]。

找到工具參考點(diǎn)位置即可編寫工具檢查程序，將工具參考點(diǎn)與固定十字刻線中心重合，機(jī)器人記錄此時(shí)位置（圖18）。在多次運(yùn)行或機(jī)械拆裝后運(yùn)行工具檢查程序，如發(fā)現(xiàn)工具參考點(diǎn)位置偏離十字刻線中心，可用第5節(jié)方法進(jìn)行工具校準(zhǔn)。

7 結(jié)束語

本文闡述的機(jī)器人工具坐標(biāo)系設(shè)定和校準(zhǔn)方法適用于參考點(diǎn)不在工具上。對于這種情況可以開發(fā)定位工裝確定工具參考點(diǎn)物理位置，也可以根據(jù)設(shè)備廠家給出的尺寸參數(shù)進(jìn)行計(jì)算或仿真。本文闡述的方法節(jié)省了工裝成本，相比建模仿真工作量更小，能快速解決加工頭后續(xù)應(yīng)用中出現(xiàn)的工具偏移問題。該方法已經(jīng)在20余臺(tái)PFO上得到應(yīng)用。在焊縫位置調(diào)試上方便快捷，并多次在工具偏移的情況下成功糾偏，快速恢復(fù)生產(chǎn)?？梢越o行業(yè)中相似應(yīng)用場合提供參考。

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