CN113118675B - 一种基于移动平台的机器人焊接***任务分配与路径规划方法 - Google Patents

一种基于移动平台的机器人焊接***任务分配与路径规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于移动平台的机器人焊接***任务分配与方法，通过采用各种移动部件，如机器人、龙门、AGV来改变焊枪的位置，根据不同焊接需求，选择对应的焊接模式。机器人焊接***可以在三种模式下工作:纯机器人模式、AGV/龙门模式和协作模式。根据不同焊接操作方式的特点和工件的几何特征，将任务分配给不同的焊接部件。焊接任务分配完成后，通过遗传算法优化每个可移动部件的焊接路径，减少焊接时间，简化焊接过程。

Description

一种基于移动平台的机器人焊接***任务分配与路径规划 方法
技术领域
本发明属于工业机器人焊接领域，特别涉及一种基于移动平台的机器人焊接***任务分配与路径规划方法。
背景技术
在船舶制造工业中，焊接工件具有尺寸跨度大，形状复杂多样，工艺质量要求高，工件无批量，装配精度差，焊接热变形严重，无法用专用夹具进行定位等一系列特点，这给船舶工件自动化焊接造成了诸多困难。单一焊接机器人基座固定，只能负责一个工位，只适用于所有焊缝都位于机器人的工作空间内的情况。虽然当焊缝超出焊枪的范围时，可以通过移动平台改变机器人的位置，但是这种改变位置的过程会导致熔合线的不连续性，对焊缝的最终质量产生负面影响。因此，纯机器人焊接无法满足船体焊接领域中大尺寸工件的焊接需求。
采用基于AGV/龙门移动平台的焊接模式，焊枪的位置仅由移动平台来改变。焊枪到达焊缝起点后，机器人的姿态保持不变，焊枪的位置仅通过PLC完成实时轨迹生成和插补功能，通过AGV/龙门的运动来控制。这种操作方式不受机器人工作空间的限制，对长直焊缝具有很高的效率。然而，很难控制移动平台的曲线移动。因此，这种操作方式无法实现弧焊或全焊工艺。
采用基于移动式作业平台和工业机器人协同运动的焊接模式，将移动式作业平台可以大跨度移动的优点与工业机器人小范围内灵活运动的优点相结合，使焊枪能够沿着复杂的轨迹移动。该协同焊接模式被认为是提高焊接工艺灵活性的有效解决方案。但是由于需要更多的关注机器人与机架之间的交互，所以程序的生成需要很长的时间。因此，应根据工件的实际情况合理分配焊接任务，以最大程度的提高焊接效率。、焊接任务分配完成后，应规划每个可移动部件的焊接路径。为了进行路径规划，需要同时考虑三个目标函数，即最小焊接时间、平衡焊接任务和最大焊接效率比。因此，焊接路径规划可以看作是一个多目标优化问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决现有技术的不足，本发明提出一种基于移动平台的机器人焊接***任务分配与路径规划方法。
本发明的技术方案是：一种基于移动平台的机器人焊接***任务分配与路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：进行工件基准检测，确定工件在工作台上的位置。构建工件的三维模型，并确定初始设置参数。
步骤2：通过离线仿真软件计算焊接机器人的工作空间。结合步骤1提取的工件位置信息和几何特征信息，判断工件焊缝是否可以完全被包含在机器人的工作空间中，是，则选择纯机器人模式，机器人在进行焊接任务之前通过机架移动到机器人可达到的工件工作空间中，焊接过程中机架位置不变；一旦焊接任务完成，机器人将通过龙门移动到下一个工作空间进行后续焊接任务；否，则进入下一步。
步骤3：根据第一步提取的几何特征信息，判断是否为曲线焊缝或综合类型的焊缝，是，则选择协作模式，机器人与移动平台同时运动；否，则选择AGV/龙门模式，焊枪的位置仅由AGV/龙门来改变；
步骤4：根据第j个工件的焊缝几何特征信息计算其第i条焊缝的长度li以及第i条焊缝终点与第i+1条焊缝起点之间的直线距离di，进一步地，结合焊接速度V1以及焊枪在相邻焊缝之间的移动速度V2可以获得整体焊接时间的Tj函数表达式：
Figure BDA0003026142280000021
其中n为当前工件的焊缝总数；
将焊接时间作为第一目标函数：
F1＝Max{Tj，j＝1，2，...，m} (2)
步骤5：根据第一步提取的几何特征信息，计算工件焊接路径长度的方差函数，将焊接路径方差函数作为第二目标函数：
Figure BDA0003026142280000031
其中，Lij为第j个工件的第i条焊缝的直线长度；
步骤6：根据第一步提取的几何特征信息，计算焊接效率比，即单一焊缝长度与整体焊接路径长度的比值的和，将其视为优化焊接路径的第三目标函数：
Figure BDA0003026142280000032
其中，dij为第j个工件的第i条焊缝终点与第i+1条焊缝起点之间的直线距离；
步骤7：添加约束条件，约束条件C1规定两个相邻的不对称焊缝不能同时焊接，约束条件C2规定两个相邻的对称焊缝应该同时焊接；
步骤8：通过上述三个目标函数和两个约束条件，求解得到最优焊接路径
本发明进一步的技术方案是：所述步骤1中，通过计算机辅助设计软件提取包含工件厚度，焊缝数量，焊缝形状，焊缝起点、终点坐标的几何特征信息，根据上述信息确定具体的焊缝类型和焊接参数。
本发明进一步的技术方案是：在进行焊接任务之前，机器人通过机架移动到机器人可达到的工件工作空间中，焊接过程中机架位置不变。一旦焊接任务完成，机器人将通过龙门移动到下一个工作空间进行后续焊接任务。
本发明进一步的技术方案是：焊枪的位置仅由AGV/龙门来改变。焊枪到达焊缝起点后，机器人的姿态保持不变，焊枪的位置仅通过PLC完成实时轨迹生成和插补功能，通过移动平台的运动来控制。
本发明进一步的技术方案是：将上述的两种焊接操作模式相结合，要求机器人与移动平台同时运动，使焊枪能够沿着复杂的轨迹移动。对于纯机器人和AGV/龙门模式无法实现的弧形或综合型焊缝时，采用协作模式。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明提出的焊接***任务分配与路径规划方法克服了船舶制造工业中传统机器人焊接方法的局限，该方法将移动式作业平台可以大跨度移动的优点与工业机器人小范围内灵活运动的优点相结合，并根据工件的实际情况将焊接任务灵活分配给不同焊接组件，保证了机器人与移动平台能够高效协同作业，从而最大程度的提高了焊接效率。通过多目标问题优化方法规划焊接路径，进一步减少了焊接时间，简化了焊接过程。团队已将所提出的焊接任务分配与路径规划方法集成到一个分装配焊接机器人***中，验证了该方法的有效性。实验结果表明，该方法可以显著提高焊接***的焊接效率、精度和灵活性。
附图说明
图1基于移动平台的机器人焊接***任务分配与路径规划流程图
图2判断焊缝是否位于机器人工作空间中,(a)为机器人的工作空间，(b)为工件的CAD模型
图3焊接路径规划的多目标优化问题
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图3，本发明提出了一种基于移动平台的机器人焊接***任务分配与路径规划方法。本发明中的机器人焊接***可以在三种模式下工作:纯机器人模式、AGV/龙门模式和协作模式。***通过各种移动部件，如机器人、龙门、AGV来改变焊枪的位置，并根据不同焊接操作方式的特点和工件的几何特征，将任务分配给不同的焊接部件。焊接任务分配完成后，规划每个可移动部件的焊接路径。所述方法包括如下步骤：
首先，进行工件基准检测，确定工件在工作台上的位置。进一步地，构建工件的三维模型，通过计算机辅助设计软件提取包含工件厚度，焊缝数量，焊缝形状，焊缝起点、终点坐标的几何特征信息，根据上述信息确定焊缝类型、焊接电流、电压、焊接速度。
进一步地，通过离线仿真软件计算焊接机器人的工作空间。结合基准检测获得的工件位置信息和几何特征信息，判断工件焊缝是否可以完全被包含在机器人的工作空间中，是，则选择纯机器人模式，机器人在进行焊接任务之前通过机架移动到机器人可达到的工件工作空间中，焊接过程中机架位置不变。焊接任务完成后，机器人将通过龙门移动到下一个工作空间进行后续焊接任务。否，则进入下一步。
进一步地，根据提取的焊缝几何特征信息，判断是否为曲线焊缝或综合类型的焊缝，是，则选择协作模式，机器人与移动平台同时运动，使焊枪能够沿着复杂的轨迹移动。对于纯机器人和AGV/龙门模式无法实现的弧形或综合型焊缝时，采用协作模式。否，则选择AGV/龙门模式，焊枪的位置仅由AGV/龙门来改变。焊枪到达焊缝起点后，机器人的姿态保持不变，焊枪的位置仅通过PLC完成实时轨迹生成和插补功能，通过移动平台的运动来控制。
根据焊缝起点和终点坐标计算焊缝长度以及相邻焊缝起点与终点之间的直线距离，结合焊接速度和焊枪在相邻焊缝之间的移动速度，获得整体焊接时间的目标函数。进一步地，计算每个机器人焊接路径长度的方差目标函数。进一步地，计算焊接效率比，即单一焊缝长度与整体焊接路径长度的比值之和的目标函数。进一步地，添加约束条件，规定两个相邻的不对称焊缝不能同时焊接，而两个相邻的对称焊缝应该同时焊接。进一步地，根据上述三个目标函数和两个约束条件，求解焊接路径。
结合附图对本发明做进一步的说明，本发明提出了一种基于移动平台的机器人焊接***任务分配与路径规划方法，参照附图1。具体方案如下：
步骤1：进行工件基准检测，确定工件在工作台上的位置。构建工件的三维模型，通过计算机辅助设计软件提取包含工件厚度，焊缝数量，焊缝形状，焊缝起点、终点坐标的几何特征信息，根据上述信息确定具体的焊缝类型和焊接参数。
步骤2：通过离线仿真软件计算焊接机器人的工作空间。结合步骤1提取的工件位置信息和几何特征信息，判断工件焊缝是否可以完全被包含在机器人的工作空间中，其过程见附图2所示。是，则选择纯机器人模式，机器人在进行焊接任务之前通过机架移动到机器人可达到的工件工作空间中，焊接过程中机架位置不变。一旦焊接任务完成，机器人将通过龙门移动到下一个工作空间进行后续焊接任务。否，则进入下一步。
步骤3：根据第一步提取的几何特征信息，判断是否为曲线焊缝或综合类型的焊缝，是，则选择协作模式，机器人与移动平台同时运动，使焊枪能够沿着复杂的轨迹移动。对于纯机器人和AGV/龙门模式无法实现的弧形或综合型焊缝时，采用协作模式。否，则选择AGV/龙门模式，焊枪的位置仅由AGV/龙门来改变。焊枪到达焊缝起点后，机器人的姿态保持不变，焊枪的位置仅通过PLC完成实时轨迹生成和插补功能，通过移动平台的运动来控制。
步骤4：根据第j个工件的焊缝几何特征信息计算其第i条焊缝的长度li以及第i条焊缝终点与第i+1条焊缝起点之间的直线距离di，进一步地，结合焊接速度V1以及焊枪在相邻焊缝之间的移动速度V2可以获得整体焊接时间的Tj函数表达式：
Figure BDA0003026142280000071
其中n为当前工件的焊缝总数。
将焊接时间作为第一目标函数：
F1＝Max{Tj，j＝1，2，...，m} (2)
步骤5：根据第一步提取的几何特征信息，计算工件焊接路径长度的方差函数，将焊接路径方差函数作为第二目标函数：
Figure BDA0003026142280000072
其中，Lij为第j个工件的第i条焊缝的直线长度。
步骤6：根据第一步提取的几何特征信息，计算焊接效率比，即单一焊缝长度与整体焊接路径长度的比值的和，将其视为优化焊接路径的第三目标函数：
Figure BDA0003026142280000073
其中，dij为第j个工件的第i条焊缝终点与第i+1条焊缝起点之间的直线距离。
步骤7：添加约束条件。约束条件C1规定两个相邻的不对称焊缝不能同时焊接，约束条件C2规定两个相邻的对称焊缝应该同时焊接，从而可以将板材的变形控制在可接受的范围内。
步骤8：通过上述三个目标函数和两个约束条件，求解得到最优焊接路径，参照附图3。

Claims (2)

1.一种基于移动平台的机器人焊接***任务分配与路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：进行工件基准检测，确定工件在工作台上的位置；构建工件的三维模型，并确定初始设置参数；通过计算机辅助设计软件提取包含工件厚度，焊缝数量，焊缝形状，焊缝起点、终点坐标的几何特征信息，根据上述信息确定具体的焊缝类型和焊接参数；
步骤2：通过离线仿真软件计算焊接机器人的工作空间；结合步骤1提取的工件位置信息和几何特征信息，判断工件焊缝是否可以完全被包含在机器人的工作空间中，是，则选择纯机器人模式，机器人在进行焊接任务之前通过机架移动到机器人可达到的工件工作空间中，焊接过程中机架位置不变；一旦焊接任务完成，机器人将通过龙门移动到下一个工作空间进行后续焊接任务；否，则进入下一步；
步骤3：根据第一步提取的几何特征信息，判断是否为曲线焊缝或综合类型的焊缝，是，则选择协作模式，机器人与移动平台同时运动；否，则选择AGV/龙门模式，焊枪的位置仅由AGV/龙门来改变；
步骤4：根据第j个工件的焊缝几何特征信息计算其第i条焊缝的长度li以及第i条焊缝终点与第i+1条焊缝起点之间的直线距离di，进一步地，结合焊接速度V1以及焊枪在相邻焊缝之间的移动速度V2可以获得整体焊接时间的Tj函数表达式：
Figure FDA0003679692770000011
其中n为当前工件的焊缝总数；
将焊接时间作为第一目标函数：
F1＝Max{Tj，j＝1，2，...，m} (2)
步骤5：根据第一步提取的几何特征信息，计算工件焊接路径长度的方差函数，将焊接路径方差函数作为第二目标函数：
Figure FDA0003679692770000021
其中，Lij为第j个工件的第i条焊缝的直线长度；
步骤6：根据第一步提取的几何特征信息，计算焊接效率比，即单一焊缝长度与整体焊接路径长度的比值的和，将其视为优化焊接路径的第三目标函数:
Figure FDA0003679692770000022
其中，dij为第j个工件的第i条焊缝终点与第i+1条焊缝起点之间的直线距离；
步骤7：添加约束条件，约束条件C1规定两个相邻的不对称焊缝不能同时焊接，约束条件C2规定两个相邻的对称焊缝应该同时焊接；
步骤8：通过上述三个目标函数和两个约束条件，求解得到最优焊接路径。
2.如权利要求1所述的一种基于移动平台的机器人焊接***任务分配与路径规划方法，其特征在于，焊枪的位置仅由AGV/龙门来改变；焊枪到达焊缝起点后，机器人的姿态保持不变，焊枪的位置仅通过PLC完成实时轨迹生成和插补功能，通过移动平台的运动来控制。
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