CN108153707B - 一种基于空间变换原理的弧焊机器人直线摆焊方法 - Google Patents

一种基于空间变换原理的弧焊机器人直线摆焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于空间变换原理的弧焊机器人直线摆焊方法，通过建立摆动基础平面的方式将三维空间摆动问题化简到二维空间中求解，先通过部分示教参数求出摆动基础平面中的基础摆动点，后利用示教参数求解摆动平面与摆动基础平面的坐标变换矩阵。通过坐标变换矩阵将摆动基础平面中的基础摆动点映射到摆动平面，得到最终的摆焊轨迹。本发明方法具有输入参数多，轨迹运算速度快的特点。

Description

一种基于空间变换原理的弧焊机器人直线摆焊方法
技术领域
本发明属于弧焊作业技术领域，尤其涉及一种基于空间变换原理的弧焊机器人直线摆焊方法。
背景技术
摆弧运动是进行弧焊作业时特有的一种运动形式，用摆弧技术进行宽焊缝或空间中焊缝焊接；焊接效果更好，同时该技术也是实现焊接自动化的重要技术之一。目前，针对弧焊机器人摆弧算法的研究相对较少。哈尔滨工业大学的杨海涛提出了基于空间矢量位置法的摆弧运动方案，可以实现基础的空间摆弧运动；华中科技大学的熊烁针对这个问题提出了一种基于轨迹叠加思路的运动方案；这些算法虽然都能完成摆焊的基础动作，但是均有着输入参数少，摆动轨迹简单，运算量大的缺点。
发明内容
本发明提出了一种基于空间变换原理的弧焊机器人直线摆焊方法，可以克服上述摆弧方案缺点，实现多种控制参数输入，完成复杂的直线轨迹摆焊。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案:
一种基于空间变换原理的弧焊机器人直线摆焊方法，包括以下步骤：
步骤1、摆动平面模型的建立
(1.1)首先建立基础平面，使示教路径
Figure GDA0002952012420000021
与基础平面的X轴重合， XOY即为摆动基础平面，在基础平面根据摆动参数得出摆动的所有节点；
(1.2)XOY平面绕基础坐标系三次旋转后平移得到摆动平面，这三次旋转依次是，先绕着基础坐标系X轴旋转对应倾斜角角度γ，然后绕Y轴旋转β，最后绕着Z轴旋转α；
(1.3)求解摆动平面的旋转平移矩阵，假设示教两点的坐标分别为PA(xA,yA,zA)和PB(xB,yB,zB)，分别对α，β，γ求解，其中，γ为倾斜角的角度，β角与
Figure GDA0002952012420000022
和Z轴所成的角度互余，设线段AB的长度为d，则：
Figure GDA0002952012420000023
假设
Figure GDA0002952012420000024
与X轴的夹角为δ，根据最小角定理可得：
cosδ＝cosγ·cosα
其中：
Figure GDA0002952012420000025
联立可得：
Figure GDA0002952012420000026
得：
Figure GDA0002952012420000027
Figure GDA0002952012420000031
求解出(α，β，γ)之后，可得由基础平面到摆动平面的旋转矩阵，即：
Figure GDA0002952012420000032
在建立模型时，假设条件是dxy≠0，当dxy＝0时，即焊接方向为沿着机器人坐标系Z轴的焊接，此时旋转矩阵有两种情况：
当ZB>ZA时：
Figure GDA0002952012420000033
当ZB＜ZA时：
Figure GDA0002952012420000034
通过上述分析可以得到由基础平面XOY到摆动平面的齐次变换矩阵：
Figure GDA0002952012420000035
可以通过在基础平面计算出摆动节点，然后每个点经过旋转平移得到相应的直线摆动点；
步骤2、平面摆动点的计算
(2.1)首先确定单次摆动周期运动距离：单周期运动距离由单次波形周期运动距离和三个停留时间运动距离组成，设三次停留时间分别为(T1，T2，T3),单次波形频率可由上位输入设为f，上位传输的焊接速度为v，则单次摆动周期运动距离为：
Figure GDA0002952012420000041
(2)确定AB段运动的正周期数N：
Figure GDA0002952012420000042
(3)求出剩余段的距离：
LS＝d-L×N
(4)根据摆动参数求出周期内8个基本点坐标的递推公式,设上位输入左右前后角为φL和φR，单次波形四分之一周期走过距离为 ZS＝v/4f，
(5)计算所有摆动点：假设StepI代表这个步骤所要计算的坐标 (xi,yi,zi)，LS为StepI(I＝1...8)得到相应坐标后所剩余的距离，Step9表示循环进入最后一个点的计算，最后一个点的坐标为示教点B的坐标，周期内8个基本点的坐标为：
Figure GDA0002952012420000043
式中i＝1,2,3...n；
步骤3、空间摆动点的求解
假设基础点为pi(xi,yi,zi)，摆动点为Pi(Xi,Yi,Zi)，
Figure GDA0002952012420000051
为3×3旋转矩阵，则空间摆动点的计算公式为：
Figure GDA0002952012420000052
本发明基于空间变换原理的弧焊机器人直线摆焊方法，通过建立摆动基础平面的方式将三维空间摆动问题化简到二维空间中求解，先通过部分示教参数求出摆动基础平面中的基础摆动点，后利用示教参数求解摆动平面与摆动基础平面的坐标变换矩阵。通过坐标变换矩阵将摆动基础平面中的基础摆动点映射到摆动平面，得到最终的摆焊轨迹。经仿真验证，此算法具有输入参数多，轨迹运算速度快，是一种具有实用价值的直线摆焊方法。
附图说明
图1(a)本发明弧焊机器人直线摆焊方法的焊接摆动参数振幅示意图；
图1(b)本发明弧焊机器人直线摆焊方法的焊接摆动参数停留时间示意图；
图1(c)本发明弧焊机器人直线摆焊方法的焊接摆动参数倾斜角示意图；
图1(d )本发明弧焊机器人直线摆焊方法的焊接摆动参数前后角示意图；
图2本发明弧焊机器人直线摆焊方法的摆动平面；
图3摆动点计算流程图；
图4为本发明的流程图。
具体实施方式
采用摆焊焊缝的质量与焊接摆动参数有很大的关系，示教轨迹与摆动参数的设置共同决定了焊接机器人的摆动类型和轨迹。本发明提出的基于空间变换原理的摆焊算法可以实现以下参数的设置：
(1)摆动频率。
(2)摆动类型：摆动的基本类型有正弦波摆动、三角波(锯齿波) 摆动两种。通过其他参数的不同设置组合，可以实现更复杂的轨迹，诸如L型摆动，梯形摆动等。
(3)振幅：即摆焊时从焊缝中心往左右摆动的最大距离，如图 1(a)所示。
(4)停止时间：停止时间指的是在每个周期的1/4,2/4，3/4处摆弧停止的时间，如图1(b)所示。通过停留时间的设置可以实现梯形摆动及其他摆动类型。
(5)倾斜角：如果将焊缝平面定义为垂直于焊枪方向且与焊缝共面的平面，倾斜角指的是摆动所在平面与焊缝平面的角度，如图1 (c)所示。可以通过倾斜角设置指定摆焊的摆动面，左右倾斜角不同时，可以实现L型摆动等复杂摆动形式。
(6)前后角：指的是摆动方向与前进方向的垂直方向的角度，如图1(d)所示。当前后角不为零时，摆动偏离焊缝中心的最大距离将小于振幅的值。
如图4所示，本发明提供一种基于空间变换原理的弧焊机器人直线摆焊方法，包括以下步骤：
步骤1、摆动平面模型的建立
(1.1)首先建立基础平面，使示教路径
Figure GDA0002952012420000071
与基础平面的X轴重合， XOY即为摆动基础平面，在基础平面根据摆动参数得出摆动的所有节点。
(1.2)XOY平面绕基础坐标系三次旋转后平移得到摆动平面，这三次旋转依次是，先绕着基础坐标系X轴旋转对应倾斜角角度γ，然后绕Y轴旋转β，最后绕着Z轴旋转α，三次旋转都是绕固定坐标系进行的。摆动平面与基础坐标系的变换关系如图2所示:
(1.3)求解摆动平面的旋转平移矩阵，由图2可得，只要求出了对应的三个旋转角度，就可求出矩阵。假设示教两点的坐标分别为 PA(xA,yA,zA)和PB(xB,yB,zB)，分别对α，β，γ求解。由倾斜角的定义可得，γ的角度就是倾斜角的角度，由上位示教盒输入。β角与
Figure GDA0002952012420000072
和Z轴所成的角度互余，设线段AB的长度为d，则：
Figure GDA0002952012420000073
假设
Figure GDA0002952012420000074
与X轴的夹角为δ，根据最小角定理可得：
cosδ＝cosγ·cosα
其中：
Figure GDA0002952012420000075
联立可得：
Figure GDA0002952012420000076
得：
Figure GDA0002952012420000077
Figure GDA0002952012420000081
求解出(α，β，γ)之后，可得由基础平面到摆动平面的旋转矩阵：
Figure GDA0002952012420000082
在建立模型时，假设条件是dxy≠0，当dxy＝0时，即焊接方向为沿着机器人坐标系Z轴的焊接。此时旋转矩阵有两种情况：
当ZB>ZA时：
Figure GDA0002952012420000083
当ZB＜ZA时：
Figure GDA0002952012420000084
通过上述分析可以得到由基础平面XOY到摆动平面的齐次变换矩阵：
Figure GDA0002952012420000085
这样就可以通过在基础平面计算出摆动节点，然后每个点经过旋转平移得到相应的直线摆动点。
步骤2、平面摆动点的计算
通过建立摆动基础平面简化复杂的空间问题，基础平面摆动点计算如下：
(2.1)首先确定单次摆动周期运动距离：单周期运动距离由单次波形周期运动距离和三个停留时间运动距离组成，设三次停留时间分别为(T1，T2，T3),单次波形频率可由上位输入设为f，上位传输的焊接速度为v，则单次摆动周期运动距离为：
Figure GDA0002952012420000091
(2)确定AB段运动的正周期数N：
Figure GDA0002952012420000092
(3)求出剩余段的距离：
LS＝d-L×N
(6)根据摆动参数求出周期内8个基本点坐标的递推公式,设上位输入左右前后角为φL和φR，单次波形四分之一周期走过距离为 ZS＝v/4f，
(7)计算所有摆动点：假设StepI代表这个步骤所要计算的坐标 (xi,yi,zi)，LS为StepI(I＝1...8)得到相应坐标后所剩余的距离，Step9表示循环进入最后一个点的计算，其中最后一个点的坐标为示教点B的坐标，根据图3求出全部基本摆动点,即周期内8个基本点的坐标：
Figure GDA0002952012420000101
式中i＝1,2,3...n。
步骤3、空间摆动点的求解
假设基础点为pi(xi,yi,zi)，摆动点为Pi(Xi,Yi,Zi)，
Figure GDA0002952012420000102
为3×3旋转矩阵，则空间摆动点的计算公式为：
Figure GDA0002952012420000103
其中，zi和Zi均为0
本发明方法验证
通过验证，单段直线与空间多段直线摆动轨迹的测试结果均符合预期。
本发明弧焊机器人的直线摆焊算法，在计算机仿真环境中进行了验证；验证结果表明该算法实用可行，支持的摆动参数多，摆动点运算速度快，可以用于求解相对复杂的直线轨迹摆焊。

Claims (1)

1.一种基于空间变换原理的弧焊机器人直线摆焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、摆动平面模型的建立
(1.1)首先建立基础平面，使示教路径
Figure FDA0002952012410000011
与基础平面的X轴重合，XOY即为摆动基础平面，在基础平面根据摆动参数得出摆动的所有节点；
(1.2)XOY平面绕基础坐标系三次旋转后平移得到摆动平面，这三次旋转依次是，先绕着基础坐标系X轴旋转对应倾斜角角度γ，然后绕Y轴旋转β，最后绕着Z轴旋转α；
(1.3)求解摆动平面的旋转平移矩阵，假设示教两点的坐标分别为PA(xA,yA,zA)和PB(xB,yB,zB)，分别对α，β，γ求解，其中，γ为倾斜角的角度，β角与
Figure FDA0002952012410000012
和Z轴所成的角度互余，设线段AB的长度为d，则：
Figure FDA0002952012410000013
假设
Figure FDA0002952012410000014
与X轴的夹角为δ，根据最小角定理可得：
cosδ＝cosγ·cosα
其中：
Figure FDA0002952012410000015
联立可得：
Figure FDA0002952012410000016
得：
Figure FDA0002952012410000017
Figure FDA0002952012410000018
求解出(α，β，γ)之后，可得由基础平面到摆动平面的旋转矩阵，即：
Figure FDA0002952012410000021
在建立模型时，假设条件是dxy≠0，当dxy＝0时，即焊接方向为沿着机器人坐标系Z轴的焊接，此时旋转矩阵有两种情况：
当ZB>ZA时：
Figure FDA0002952012410000022
当ZB＜ZA时：
Figure FDA0002952012410000023
通过上述步骤1.1至1.3的分析可以得到由基础平面XOY到摆动平面的齐次变换矩阵：
Figure FDA0002952012410000024
可以通过在基础平面计算出摆动节点，然后每个点经过旋转平移得到相应的直线摆动点；
步骤2、平面摆动点的计算
(2.1)首先确定单次摆动周期运动距离：单周期运动距离由单次波形周期运动距离和三个停留时间运动距离组成，设三次停留时间分别为(T1，T2，T3),单次波形频率可由上位输入设为f，上位传输的焊接速度为v，则单次摆动周期运动距离为：
Figure FDA0002952012410000031
(2)确定AB段运动的正周期数N：
Figure FDA0002952012410000032
(3)求出剩余段的距离：
LS＝d-L×N
(4)根据摆动参数求出周期内8个基本点坐标的递推公式,设上位输入左前后角为φL、右前后角为φR，单次波形四分之一周期走过距离为ZS＝v/4f，
(5)计算所有摆动点：假设StepI代表这个步骤所要计算的坐标(xi,yi,zi)，LS为StepI(I＝1...8)得到相应坐标后所剩余的距离，Step9表示循环进入最后一个点的计算，最后一个点的坐标为示教点B的坐标，周期内8个基本点的坐标为：
Figure FDA0002952012410000033
Figure FDA0002952012410000034
Figure FDA0002952012410000035
Figure FDA0002952012410000036
式中i＝1,2,3...n；
步骤3、空间摆动点的求解
假设基础点为pi(xi,yi,zi)，摆动点为Pi(Xi,Yi,Zi)，
Figure FDA0002952012410000037
为3×3旋转矩阵，则空间摆动点的计算公式为：
Figure FDA0002952012410000041
其中，Zi和zi均为0。
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