CN107570847A - 一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法、控制器及*** - Google Patents

一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法、控制器及*** Download PDF

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本发明公开了一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法、控制器及***。其中该方法包括扫描焊缝，进而确定焊枪的摆动参数；所述摆动参数包括摆动幅度、摆动周期、左边界停留时间、右边界停留时间和中心摆速比；选定五次样条摆动焊波形曲线的基函数，基于五次样条摆动焊波形曲线的基函数和中心摆速比，求得电极在摆动中心的速度，即中心摆动速度；根据五次样条摆动焊波形曲线的特性，构建出五次样条摆动焊波形曲线模型，再结合摆动参数及中心摆动速度，求得电极在任意时刻的横向摆动位移；将电极在任意时刻的横向摆动位移叠加到电极轨迹中，最终得到焊枪五次样条摆动焊的轨迹。本发明大大减小了执行机构的振动和机械磨损，提高了摆动性能和生产效率。

Description

一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法、控制器及***
技术领域
本发明属于焊枪焊接轨迹规划领域，尤其涉及一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法、控制器及***。
背景技术
在生产应用中，为了保证厚钢板、大焊缝焊接的可靠性，往往会采取摆动焊的方式来提高。摆动焊是指电极在沿焊缝轴线方向运动的同时做有规律的横向摆动，摆动焊不仅可以增加焊道宽度一提高焊接的生产效率，而且可以避免侧壁熔融不足进而提高焊接质量。在填充量不大的相贯线焊接中，摆动焊比多层多道焊能实现更高的焊接效率、更好的焊接质量和更美观的焊缝外观，因此它是相贯线自动焊接过程中不可缺少的工艺。
将摆动电极的轨迹沿直线在平面铺开，可以得到电极的摆动波形，称为摆动焊的波形。摆动焊的波形一般以三角波或正弦波为基波，并在此基础上增加摆动中心及左右边界停留。
相贯线摆动焊的实现有三种方案。第一种方案是在焊枪与机械臂之间附加摆动器。这种方案的控制过程最为简单，但是体积笨重的摆动器会增加机械臂的负担，而且可能会造成干涉。第二种方案是在轨迹规划阶段将电极的摆动整合到轨迹中。第三种方案并不在预执行的轨迹中包含摆动运动，而是在轨迹控制时实时加入摆动动作。
目前弧焊机器人多配有摆动焊功能，它需要在轨迹编程阶段(多为示教)设置各段路径的摆动平面或摆动方向。对于摆动平面固定的直焊缝和圆弧焊缝，可以通过设置各段路径摆动参数实现摆动焊；而对于摆动平面持续变化的相贯线焊缝，将难以使用弧焊机器人自有的摆动焊功能。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法，其能够减小执行机构的振动和机械磨损，提高摆动性能和生产效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法，包括：
步骤1：扫描焊缝，进而确定焊枪的摆动参数；所述摆动参数包括摆动幅度、摆动周期、左边界停留时间、右边界停留时间和中心摆速比；
步骤2：选定五次样条摆动焊波形曲线的基函数，基于五次样条摆动焊波形曲线的基函数和中心摆速比，求得电极在摆动中心的速度，即中心摆动速度；
步骤3：根据五次样条摆动焊波形曲线的特性，构建出五次样条摆动焊波形曲线模型，再结合摆动参数及中心摆动速度，求得电极在任意时刻的横向摆动位移；其中，五次样条摆动焊波形曲线的特性包括：
a)五次样条摆动焊波形曲线二阶连续可微；
b)摆动周期、摆动幅度、左右边界停留时间和中心摆动速度均可调；
步骤4：将电极在任意时刻的横向摆动位移叠加到电极轨迹中，最终得到焊枪五次样条摆动焊的轨迹。
进一步的，所述步骤2中，所述五次样条摆动焊波形曲线的基函数为正弦函数或余弦函数。
其中，正余弦函数是最典型的周期性高阶连续可微函数。现有一种基于正弦波的带有左右边界停留的摆动焊波形，此类摆动焊波形分段函数简单，摆动周期及左右边界停留时间可调，电极运动速度连续，适用于弧焊机器人等自身产生摆动的执行机构。其单周期内的波形函数为：
式中：δ为横向的摆动位移；A为摆动幅度；T,Tl,Tr分别为摆动周期、左边界停留时间和右边界停留时间。
进一步的，所述步骤2中，所述五次样条摆动焊波形曲线的基函数除了正余弦函数之外，还可以选用三角函数。
进一步的，当五次样条摆动焊波形曲线的基函数为正弦函数或余弦函数时，通过求取五次样条摆动焊波形曲线的基函数的导数，即可得到中心摆动速度。
根据正弦波形函数，求其导数便可计算出电极在摆动中心的速度v：
本发明还提供了一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器。
本发明的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器，包括：
摆动参数确定模块，其用于扫描焊缝，进而确定焊枪的摆动参数；所述摆动参数包括摆动幅度、摆动周期、左边界停留时间、右边界停留时间和中心摆速比；
中心摆动速度求取模块，其用于选定五次样条摆动焊波形曲线的基函数，基于五次样条摆动焊波形曲线的基函数和中心摆速比，求得电极在摆动中心的速度，即中心摆动速度；
横向摆动位移计算模块，其用于根据五次样条摆动焊波形曲线的特性，构建出五次样条摆动焊波形曲线模型，再结合摆动参数及中心摆动速度，求得电极在任意时刻的横向摆动位移；其中，五次样条摆动焊波形曲线的特性包括：
a)五次样条摆动焊波形曲线二阶连续可微；
b)摆动周期、摆动幅度、左右边界停留时间和中心摆动速度均可调；
轨迹求取模块，其用于将电极在任意时刻的横向摆动位移叠加到电极轨迹中，最终得到焊枪五次样条摆动焊的轨迹。
进一步的，在所述中心摆动速度求取模块中，五次样条摆动焊波形曲线的基函数为正弦函数或余弦函数。
其中，正余弦函数是最典型的周期性高阶连续可微函数。现有一种基于正弦波的带有左右边界停留的摆动焊波形，此类摆动焊波形分段函数简单，摆动周期及左右边界停留时间可调，电极运动速度连续，适用于弧焊机器人等自身产生摆动的执行机构。其单周期内的波形函数为：
式中：δ为横向的摆动位移；A为摆动幅度；T,Tl,Tr分别为摆动周期、左边界停留时间和右边界停留时间。
进一步的，在所述中心摆动速度求取模块中，所述五次样条摆动焊波形曲线的基函数除了正余弦函数之外，还可以选用三角函数。
进一步的，当五次样条摆动焊波形曲线的基函数为正弦函数或余弦函数时，通过求取五次样条摆动焊波形曲线的基函数的导数，即可得到中心摆动速度。
本发明还提供了一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划***。
本发明的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划***，包括上述所述的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器。
进一步的，该***还包括显示器，其与所述焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过本发明的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法，得到的焊枪轨迹具有摆动轨迹光滑、摆动速度和加速度连续的特点，由于以上的特点，大大减小了执行机构的振动并提高了摆动性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法流程图。
图2(a)是正弦波摆动焊运动的摆动位移图；
图2(b)是正弦波摆动焊运动的摆动速度图；
图3(a)是五次样条摆动焊运动的横向的摆动位移图；
图3(b)是五次样条摆动焊运动的摆动速度图；
图3(c)是五次样条摆动焊运动的加速度图；
图4是本发明的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器的结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是本发明的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法流程图。
如图1所示，本发明的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法，包括：
步骤1：扫描焊缝，进而确定焊枪的摆动参数；所述摆动参数包括摆动幅度、摆动周期、左边界停留时间、右边界停留时间和中心摆速比；
步骤2：选定五次样条摆动焊波形曲线的基函数，基于五次样条摆动焊波形曲线的基函数和中心摆速比，求得电极在摆动中心的速度，即中心摆动速度；
在所述步骤2中，所述五次样条摆动焊波形曲线的基函数为正弦函数或余弦函数。
其中，正余弦函数是最典型的周期性高阶连续可微函数。现有一种基于正弦波的带有左右边界停留的摆动焊波形，此类摆动焊波形分段函数简单，摆动周期及左右边界停留时间可调，电极运动速度连续，适用于弧焊机器人等自身产生摆动的执行机构。其单周期内的波形函数为：
式中：δ为横向的摆动位移；A为摆动幅度；T,Tl,Tr分别为摆动周期、左边界停留时间和右边界停留时间。
在所述步骤2中，所述五次样条摆动焊波形曲线的基函数除了正余弦函数之外，还可以选用三角函数。
步骤3：根据五次样条摆动焊波形曲线的特性，构建出五次样条摆动焊波形曲线模型，再结合摆动参数及中心摆动速度，求得电极在任意时刻的横向摆动位移；其中，五次样条摆动焊波形曲线的特性包括：
a)五次样条摆动焊波形曲线二阶连续可微；
b)摆动周期、摆动幅度、左右边界停留时间和中心摆动速度均可调。
当五次样条摆动焊波形曲线的基函数为正弦函数或余弦函数时，通过求取五次样条摆动焊波形曲线的基函数的导数，即可得到中心摆动速度。
根据正弦波形函数，求其导数便可计算出电极在摆动中心的速度v：
假设五次样条摆动波形函数为：
δ＝a0t5+a1t4+a2t3+a3t2+a4t1+a5
为了保证摆动轨迹光滑、摆动速度连续、摆动加速度连续的特点，减小执行机构的振动和机械磨损并提高摆动性能和生产效率，在多数情况下，摆动焊时电极中心速度不需要很大，减慢中心摆动速度能够达到增加焊道中心熔深的目的。
根据五次样条曲线的方程及初始条件，给出其单周期内的波型函数为：
式中δ为纵向的摆动位移，A为摆动幅度，T,Tl,Tr分别为摆动周期、左边界停留时间和右边界停留时间。a0,a1,a2,a3,a4,a5为五次多项式的系数，其中a3,a5均为0故未列出。T″为中间变量。
多项式系数及中间变量的表达式为：
式中：q为中心摆速比：在其余摆动参数相同的情况下，五次样条摆动焊波形的中心摆动速度为正弦波摆动焊波形中心摆动速度的q倍，且0≤q≤1。
其中，正弦波摆动焊波形如图2(a)和图2(b)所示；五次样条摆动焊波形如图3(a)-图3(c)所示。
步骤4：将电极在任意时刻的横向摆动位移叠加到电极轨迹中，最终得到焊枪五次样条摆动焊的轨迹。
通过本发明的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法，得到的焊枪轨迹具有摆动轨迹光滑、摆动速度和加速度连续的特点，由于以上的特点，大大减小了执行机构的振动并提高了摆动性能。
图4是本发明的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器的结构示意图。
如图4所示，本发明的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器，包括：
(1)摆动参数确定模块，其用于扫描焊缝，进而确定焊枪的摆动参数；所述摆动参数包括摆动幅度、摆动周期、左边界停留时间、右边界停留时间和中心摆速比；
(2)中心摆动速度求取模块，其用于选定五次样条摆动焊波形曲线的基函数，基于五次样条摆动焊波形曲线的基函数和中心摆速比，求得电极在摆动中心的速度，即中心摆动速度。
在所述中心摆动速度求取模块中，五次样条摆动焊波形曲线的基函数为正弦函数或余弦函数。
其中，正余弦函数是最典型的周期性高阶连续可微函数。现有一种基于正弦波的带有左右边界停留的摆动焊波形，此类摆动焊波形分段函数简单，摆动周期及左右边界停留时间可调，电极运动速度连续，适用于弧焊机器人等自身产生摆动的执行机构。其单周期内的波形函数为：
式中：δ为横向的摆动位移；A为摆动幅度；T,Tl,Tr分别为摆动周期、左边界停留时间和右边界停留时间。
在所述中心摆动速度求取模块中，所述五次样条摆动焊波形曲线的基函数除了正余弦函数之外，还可以选用三角函数。
当五次样条摆动焊波形曲线的基函数为正弦函数或余弦函数时，通过求取五次样条摆动焊波形曲线的基函数的导数，即可得到中心摆动速度。
(3)横向摆动位移计算模块，其用于根据五次样条摆动焊波形曲线的特性，构建出五次样条摆动焊波形曲线模型，再结合摆动参数及中心摆动速度，求得电极在任意时刻的横向摆动位移；其中，五次样条摆动焊波形曲线的特性包括：
a)五次样条摆动焊波形曲线二阶连续可微；
b)摆动周期、摆动幅度、左右边界停留时间和中心摆动速度均可调；
(4)轨迹求取模块，其用于将电极在任意时刻的横向摆动位移叠加到电极轨迹中，最终得到焊枪五次样条摆动焊的轨迹。
本发明还提供了一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划***。
本发明的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划***，包括如图4所示的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器。
其中，该***还包括显示器，其与所述焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器相连。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法，其特征在于，包括：
步骤1：扫描焊缝，进而确定焊枪的摆动参数；所述摆动参数包括摆动幅度、摆动周期、左边界停留时间、右边界停留时间和中心摆速比；
步骤2：选定五次样条摆动焊波形曲线的基函数，基于五次样条摆动焊波形曲线的基函数和中心摆速比，求得电极在摆动中心的速度，即中心摆动速度；
步骤3：根据五次样条摆动焊波形曲线的特性，构建出五次样条摆动焊波形曲线模型，再结合摆动参数及中心摆动速度，求得电极在任意时刻的横向摆动位移；其中，五次样条摆动焊波形曲线的特性包括：
a)五次样条摆动焊波形曲线二阶连续可微；
b)摆动周期、摆动幅度、左右边界停留时间和中心摆动速度均可调；
步骤4：将电极在任意时刻的横向摆动位移叠加到电极轨迹中，最终得到焊枪五次样条摆动焊的轨迹。
2.如权利要求1所述的一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤2中，所述五次样条摆动焊波形曲线的基函数为正弦函数或余弦函数。
3.如权利要求1所述的一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤2中，所述五次样条摆动焊波形曲线的基函数为三角函数。
4.如权利要求2所述的一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划方法，其特征在于，当五次样条摆动焊波形曲线的基函数为正弦函数或余弦函数时，通过求取五次样条摆动焊波形曲线的基函数的导数，即可得到中心摆动速度。
5.一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器，其特征在于，包括：
摆动参数确定模块，其用于扫描焊缝，进而确定焊枪的摆动参数；所述摆动参数包括摆动幅度、摆动周期、左边界停留时间、右边界停留时间和中心摆速比；
中心摆动速度求取模块，其用于选定五次样条摆动焊波形曲线的基函数，基于五次样条摆动焊波形曲线的基函数和中心摆速比，求得电极在摆动中心的速度，即中心摆动速度；
横向摆动位移计算模块，其用于根据五次样条摆动焊波形曲线的特性，构建出五次样条摆动焊波形曲线模型，再结合摆动参数及中心摆动速度，求得电极在任意时刻的横向摆动位移；其中，五次样条摆动焊波形曲线的特性包括：
a)五次样条摆动焊波形曲线二阶连续可微；
b)摆动周期、摆动幅度、左右边界停留时间和中心摆动速度均可调；
轨迹求取模块，其用于将电极在任意时刻的横向摆动位移叠加到电极轨迹中，最终得到焊枪五次样条摆动焊的轨迹。
6.如权利要求5所述的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器，其特征在于，在所述中心摆动速度求取模块中，五次样条摆动焊波形曲线的基函数为正弦函数或余弦函数。
7.如权利要求5所述的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器，其特征在于，在所述中心摆动速度求取模块中，五次样条摆动焊波形曲线的基函数为三角函数。
8.如权利要求6所述的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器，其特征在于，当五次样条摆动焊波形曲线的基函数为正弦函数或余弦函数时，通过求取五次样条摆动焊波形曲线的基函数的导数，即可得到中心摆动速度。
9.一种焊枪五次样条摆动焊轨迹规划***，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器。
10.如权利要求9所述的焊枪五次样条摆动焊轨迹规划***，其特征在于，该***还包括显示器，其与所述焊枪五次样条摆动焊轨迹规划控制器相连。
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