CN105834629A - 一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的平面三角摆焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人焊接领域，提供了一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的平面三角摆焊方法。该方法为机器人焊枪沿着平面圆弧焊缝方向做连续的三角形摆动，并不断向前移动，从而实现平面圆弧焊缝的三角摆动焊接。本方法在运动内核上层进行插补规划，利用直线拟合圆弧焊缝的焊接路径，算法简单且通用性好。本发明适用于空间中任意平面圆弧焊缝的三角摆焊接，使用灵活性高，不仅适用于弧焊机器人的圆弧三角摆焊，也可用于其他能够进行直线运动的焊接装置。

Description

一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的平面三角摆焊方法

技术领域

本发明涉及一种焊接机器人圆弧焊缝的摆焊方法，具体是说涉及一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的平面三角摆焊方法。

背景技术

焊接机器人不仅要求能用于直线和圆弧焊缝的焊接，在焊缝较大或特殊焊接工艺要求下往往会用到摆焊。摆焊是指焊炬沿着焊缝方向以特定角度周期性左右摆动进行焊接，以增大焊珠宽度，从而提高焊接强度和焊接效率的一种焊接方法，它在自动化焊接设备中已经得到了广泛的应用。根据摆焊运条的形状可将摆焊分为锯齿摆焊、正弦摆、三角摆焊及圆形摆焊。三角摆焊是指焊炬末端沿着焊接方向做连续的三角形运动并不断沿着焊接方向进给从而实现摆动焊接的一种焊接方式，它在焊接工艺中具有广泛的应用。

中国专利申请201310507312.7公开了一种弧焊机器人双平面摆弧轨迹的规划方法，它基于时间连续的规划方法来确定弧焊机器人的双平面摆弧轨迹。首先，获取焊接的起点、终点及两个摆弧平面内的任意两点的位姿信息，然后设定加速度时间比例ratio、最大加速度Amax及最大速度Vmax。然后，通过积分求出起点到终点方向位置与时间的函数关系，根据正弦函数公式，确定摆弧平面内的位置规划；再经过矩阵变换，将摆弧平面内的位置点转换成机器人基坐标系下的位置点，从而控制机器人进行摆弧运动。但是此方法要求焊枪的进给方向必须为工具坐标系Z轴正方向，降低了用户使用的灵活性；并且它只能用于双平面的直线摆焊，存在极大的使用局限性。

文章《弧焊机器人摆焊方法的研究》提出了一种平面三角摆焊的实现方法，但它只能应用于直线型摆焊，在焊接的使用中存在很大的局限性。其后面提到的“五点图形示教法”要根据多种情况分别求取中间插补点，计算过于繁琐。

发明内容

本发明的发明目的，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的平面三角摆焊方法，拓展了机器人摆动焊接的使用场合，提高焊接效率，改善焊接工艺。

圆弧焊缝三角摆焊包括平面圆弧三角摆焊和空间圆弧三角摆焊。平面圆弧三角摆焊如附图1所示，指的是圆弧焊缝的两侧均为平面板材。

本发明为实现发明目的所采用的技术方案是，一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的平面三角摆焊方法，其步骤如下：

1、确定以下参数：焊接起点坐标P_start(x_s,y_s,z_s)、目标点坐标P_target(x_t,y_t,z_t)(焊接终点)、 辅助点坐标P_aux(x_a,y_a,z_a)，辅助点为焊接起点和终点间圆弧焊缝上的任意一点；圆弧焊缝的圆心为O₀(x₀,y₀,z₀)、半径为r；机器人基坐标系原点为O(0,0,0)；焊炬摆幅H、焊炬摆宽L。

2、根据摆幅和摆宽计算焊接插补点P_i,i＝1,2…n,其中，奇数插补点在圆弧焊缝的外侧，偶数插补点在圆弧焊缝的内侧：

a、确定圆弧焊缝的焊接方向；

通过焊接起点、目标点和辅助点位置信息，可得位置向量由两位置向量确定焊缝方向。

b、计算焊缝平面方向余弦值

设定焊接所在平面为M，n_x,n_y,n_z为焊缝平面方向余弦值。由M上的任意两向量叉乘可以得到其法向量，将法向量单位化后得到

c、计算焊缝圆心角及单位插补角

圆弧形焊缝对应的圆心角θ即为焊缝圆心角，单位插补角θ₀(即位于圆弧焊缝上相邻两个中间插补点P′_i-1和P′_i之间所对应的圆心角)。由圆心及焊接起点、目标点、辅助点得到三个位置向量设angSA为向量与向量夹角，angAT为向量与向量夹角，angST为向量与向量夹角。由向量的乘法公式可以获得angSA、angAT、angST的值，则由angSA、angAT、angST三者大小关系即可获得焊接路径所对应的圆心角θ。

由设定的焊炬摆宽L、焊炬摆幅H及圆弧半径r得到单位插补角θ₀。

d、求取焊缝焊接插补点P_i

根据圆弧形焊缝对应的圆心角θ和单位插补角θ₀，计算出焊接过程中焊炬摆动次数n。

采用空间坐标的旋转算法，由焊接起点P_start绕通过圆心O₀的单位法向量旋转插补角α_i获取圆弧焊缝上的中间插补点P_i′的坐标值。空间坐标旋转算法左乘矩阵如式(1)所示：

$R=\left[\begin{array}{cccc}C+n_x^2(1-C)& n_x{n}_y(1-C)-n_{z}S& n_x{n}_z(1-C)-n_{y}S& x_0\\ n_x{n}_y(1-C)+n_{z}S& C+n_y^2(1-C)& n_y{n}_z(1-C)-n_{x}S& y_0\\ n_x{n}_z(1-C)-n_{y}S& n_y{n}_z(1-C)+n_{x}S& C+n_z^2(1-C)& z_0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中C为cosα_i，S为sinα_i，(n_x,n_y,n_z)为单位法向量的方向余弦值，(x₀,y₀,z₀)为圆心O₀的坐标值。

则中间插补点P_i′(x′,y′,z′)的坐标值可通过矩阵R左乘焊缝起点P_start坐标得到，如公式(2)所示：

[x′,y′,z′,1]^T＝R[x_s,y_s,z_s,1]^T (2)

由附图1可知道，焊缝焊接插补点分为圆弧焊缝的内侧点和外侧点两种，此处设定比例系数依次为l₁、l₂，由圆弧半径r及摆幅H可确定比例系数l₁、l₂值，其中l₁＝(r+H)/r、l₂＝(r-H)/r。则焊缝焊接插补点由公式(3)获得：

$P_i(x_i,y_i,z_i)=\left\{\begin{array}{c}{l}_1*\stackrel{\→}{O_0{P}_i^{\′}}+O_0(x_0,y_0,z_0),i=\mathrm{1,3,5}\·\·\·\\ l_2*\stackrel{\→}{O_0{P}_i^{\′}}+O_0(x_0,y_0,z_0),i=\mathrm{2,4,6}\·\·\·\end{array}\right.---\left(3\right)$

本发明适用于圆弧形焊缝的平面摆焊，使用灵活性高，扩大了弧焊机器人的使用场合。

本算法基于运动内核上层进行规划，通用性强，计算简单，且易于实现。并且对用户的使用没有限制，不仅可用于弧焊机器人，也可用于其他可进行直线运动的焊接装置。

本发明采用两位置向量叉乘的方法，根据叉乘结果来确定圆弧焊缝的旋转方向。由三个位置向量的夹角angSA、angAT、angST，根据三者之间的大小关系确定圆弧焊缝所对应的圆心角。本发明采用均分的思想计算插补角α_i，利用空间坐标旋转算法，通过焊缝起点(P_start)绕旋转轴旋转插补角获取中间插补点P′，然后根据摆幅H计算焊接插补点P_i。旋转轴为圆弧焊缝所在平面的单位法向量轴，且该轴通过圆弧焊缝的圆心。本发明在运动内核上层进行插补规划，利用直线插补圆弧焊缝的焊接路径，算法简单且通用性好；不仅可用于弧焊机器人的圆弧三角摆焊，也可用于其他能够进行直线运动的焊接装置。

附图说明

图1是焊接机器人焊接圆弧焊缝平面三角摆焊示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明做进一步详细说明。

实施例：本实施例是焊接机器人焊接圆弧焊缝，采用平面三角摆焊方法。

1、确定以下参数：焊接起点坐标P_start(901.7880,182.9200,932.7880)、目标点坐标P_target(901.7880,210.9640,960.6240)、辅助点坐标P_aux(918.1900,194.9720,948.5460)；圆弧焊缝的圆心为O₀(898.4030,197.3336,946.3114)、半径为20.0523；机器人基坐标系原点为O(0,0,0)；焊炬摆幅H为8cm、焊炬摆宽L为3cm。

2、根据摆幅和摆宽计算焊接插补点P_i,i＝1,2…n,其中，奇数插补点在圆弧焊缝的外侧，偶数插补点在圆弧焊缝的内侧。

a、确定圆弧焊缝的焊接方向

通过焊接起点、目标点和辅助点位置信息，可得位置向量 由两位置向量确定焊缝方向为逆时针。

b、计算焊缝平面方向余弦值

设定焊接所在平面为M，n_x,n_y,n_z为方向余弦值。由M上的任意两向量叉乘可以得到其法向量，将法向量单位化后得到

c、计算焊缝圆心角及单位插补角

圆弧形焊缝对应的圆心角θ即为焊缝圆心角，单位插补角θ₀。由圆心及焊接起点、目标点、辅助点得到三个位置向量 由向量的乘法公式可以获得angSA(1.393798)、angAT(1.403967)、angST(2.797766)的值，则由angSA、angAT、angST三者大小关系即可获得焊接路径所对应的圆心角θ为2.797766。

由设定的焊炬摆宽3、焊炬摆幅8及圆弧半径20.0523得到单位插补角θ₀为0.149749。

d、求取焊缝焊接插补点P_i

根据焊接路径所对应的圆心角θ和单位插补角θ₀，计算出焊接过程中焊炬摆动次数n为19。

采用空间坐标的旋转算法，由焊接起点P_start绕通过圆心O₀的单位法向量旋转插补角α_i获取圆弧焊缝上的中间插补点P_i′的坐标值。

由附图1可知道，焊缝焊接插补点分为圆弧焊缝的内侧点和外侧点两种，此处设定比例系数依次为l₁、l₂，由圆弧半径r及摆幅H可确定比例系数l₁、l₂的值，将r及H的值代入公式l₁＝(r+H)/r、l₂＝(r-H)/r中，可得l₁为1.398957、l₂为0.601043。则焊缝焊接插补点如下表所示：

Claims (1)

1.一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的平面三角摆焊方法，其步骤如下：

A、确定以下参数：焊接起点坐标P_start(x_s,y_s,z_s)、目标点坐标P_target(x_t,y_t,z_t)(焊接终点)、辅助点坐标P_aux(x_a,y_a,z_a)，该辅助点为焊接起点和终点间圆弧焊缝上任意一点；辅助点坐标P_aux1(x_a1,y_a1,z_a1)，该辅助点为圆柱体外表面上的任意一点，圆弧焊缝的圆心为O₀(x0,y0,z0)、半径为r；机器人基坐标系原点为O(0,0,0)；焊炬摆幅H、焊炬摆宽L；

B、根据摆幅和摆宽计算焊接插补点P_i,i＝1,2…n,其中，奇数插补点在平面板材上，偶数插补点在圆柱体外表面上：

a、由两位置向量确定圆弧焊缝的焊接方向；

b、计算焊缝平面方向余弦值

设定焊接所在平面为M，n_x,n_y,n_z为焊缝平面方向余弦值；由M上的任意两向量叉乘可以得到其法向量，将法向量单位化后得到

c、计算焊缝圆心角及单位插补角

由圆心及焊接起点、目标点、辅助点得到三个位置向量设angSA为向量与向量夹角，angAT为向量与向量夹角，angST为向量与向量夹角；由向量的乘法公式得angSA、angAT、angST的值，则由angSA、angAT、angST获得焊缝圆心角θ；

由设定的焊炬摆宽L、焊炬摆幅H及圆弧半径r得到单位插补角θ₀；

d、求取焊缝焊接插补点P_i

根据焊缝圆心角θ和单位插补角θ₀，计算出焊接过程中焊炬摆动次数n；

通过矩阵R左乘焊缝起点P_start坐标得到中间插补点P′_i(x′,y′,z′)的坐标值：

[x′,y′,z′,1]^T＝R[x_s,y_s,z_s,1]^T

其中：

式中C为cosα_i，S为sinα_i，n_x、n_y、n_z为单位法向量的方向余弦值，x₀、y₀、z₀为圆心O₀的坐标值；

设定内侧点比例系数l₁、内侧点比例系数l₂，由圆弧半径r及摆幅H确定比例系数l₁、l₂值，其中l₁＝(r+H)/r、l₂＝(r-H)/r；则