探究弧焊機器人變位機標定方法

高淑芳 李文廣 馬士國

摘要：為實現復雜空間軌跡的焊接，采用五點法對雙軸變位系統進行標定，確定出雙軸變位系統坐標系相對于機器人基座坐標系下的位姿變換關系。并且整個標定過程僅使用了機器人自身的位姿數據，不需額外的測量設備。通過對相貫線焊縫進行聯動焊接試驗，獲得的焊縫成型美觀，經過工藝檢驗滿足國標要求，證明了此標定方法切實可行。

關鍵詞：機器人；變位機；標定

1 引言

焊接是工業機器人最成功的應用之一，它使離線編程集約化研究與開發成為現實。此外，他們使用戶在沒有獲得工作單元之前，能夠完成大部分的準備工作。弧焊技術的進步促使人們將假設和慣例納入現有的離線編程方法。工件達到最佳焊接位置，使工件產焊縫切線保持水平，焊縫的法線方向與重力方向相反。靠重力吸引熔融金屬向下進入熔池，允許它沿著焊縫輪廓適當地流動，這使焊接更快更容易[1]。為了保證這一焊接位姿就需要引入變位系統來保證工件姿態。然而要想成功焊接復雜焊道，光有變位機也是不行的，還需要變位機與機器人本體的聯動作業功能，而聯動作業的前提條件就是變位機必須通過標定來確定與機器人本體之間的位姿關系。

上述變位系統的引入使得機器人能夠在有限的工作空間內，更為高效的完成復雜焊接曲線。同時，為了使得焊縫連續美觀，需要機器人與變位系統的聯動焊接，所以精準高效的標定算法在機器人實際應用中具有重要意義[2]。本文對變位系統的標定進行了翔實的理論推導，并進行了實際焊接實驗，驗證了本方法的有效性。

2 變位系統的標定

雙軸變位機（由一個旋轉軸和一個傾斜軸組成），配合6自由度焊接機器人，實現焊接機器人與變位機的聯合軌跡插補功能。首先要找出變位機坐標系到機器人坐標系的齊次變換關系。齊次關系中包含位置偏移分量和旋轉姿態分量。

2.1 變位機坐標系姿態的標定

姿態求解，變位機標定的五點法中的前三個點用于確定旋轉軸的旋轉軸線。具體的標定步驟為：i、在變位機的旋轉盤面上選取一個固定點。ii、運行機器人焊槍尖端點到此固定點出，記錄此時機器人的笛卡爾位置C1. iii、固定變位機的傾斜軸位置不變的前提下，轉動旋轉軸兩次，分別得到笛卡爾位置C2、C3點。iv、固定此時的旋轉軸位置不變，轉動傾斜軸兩次，得到另外兩點C4、C5（為保證精度，旋轉幅度可大一些）。此時記錄的五個點是機器人焊槍尖端點的位置坐標。此時記錄的三點是在同一旋轉平面上的。經過該三點所在圓圓心，且方向矢量為三點所在平面的法相矢量的軸線即為旋轉軸的旋轉軸。

空間三點坐標 ，所確定的空間圓的方程如下：

同理可得出另外兩個公式，聯立計算可得三點所在平面的法向量 .單位化該向量即旋轉軸一的單位法相矢量 可以表示為：

由這三點所確定的空間圓的圓心坐標 可以利用已知的三點確定。圓心可以認為是 和 的垂直平分線 ， 的交點，如圖1。

同理，求得C3，C4，C5所確定的圓平面的d單位法向矢量 ，圓心 。

以C3，C4，C5所確定的旋轉軸線為變位機的傾斜軸軸向，C1，C2，C3所確定的旋轉軸線為變位機的旋轉軸軸向，定義變位機基座坐標系的X軸軸向為這兩個矢量軸的叉積。即：

由坐標系的正交關系，可得出變位機基座坐標系的Y軸的方向矢量：

至此，得出變位機坐標系相對于機器人基座坐標系的姿態變換關系矩陣，即：

2.2 變位機坐標系位置的標定

要求解變位機坐標系相對于機器人基座坐標系的位置變換關系。需要找到變位機旋轉軸軸線與傾斜軸軸線的交點，根據旋轉軸軸線垂直于傾斜軸軸線的關系，那么變位機基座坐標系原點 應滿足如下的關系式：

此外，該點位于過C3，C4，C5所確定的平面圓的圓心的直線，直線的方向矢量為 ，該直線L滿足：

聯立以上兩式可以得到變位機基座坐標系原點在機器人基座坐標系下的位置：

至此，得到變位機坐標系相對于機器人基座坐標系的位姿變換關系矩陣 ：

3 實驗結果

基于我公司自行生產的機器人及變位機組成的焊接系統，采用本算法對變位系統進行標定。并基于標定數據，對管管相貫線進行焊接試驗。焊縫成型效果好，焊接質量滿足檢驗要求。

參考文獻

[1] 趙歡等基于最小二乘的變位機與焊接機器人的位置關系標定[J].電焊機，2015（1）：85-88

[2] 李宏勝等六關節工業機器人工具坐標系的標定[J]. 自動化技術與應用，2016（8）：101-104

作者簡介：高淑芳（1983-），女，漢族，山東濰坊，碩士，中級工程師，機器人電氣設計。

（作者單位：山東時代新紀元機器人有限公司）