本發(fā)明屬于焊接自動化領(lǐng)域，特別涉及一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運動控制方法。

背景技術(shù)：
大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接?，F(xiàn)于航天航空、船舶制造、石油化工等領(lǐng)域的設(shè)備制造過程。為獲得良好的焊接質(zhì)量，往往要求滿足以下若干目標：其一，焊接速度可在焊前預(yù)設(shè)，且在焊接過程中保持恒定；其二，在焊接過程中待焊點與焊炬末端點的距離保持恒定，且在焊前可預(yù)設(shè)，在電弧焊中表現(xiàn)為弧長恒定，在激光焊中表現(xiàn)為離焦量恒定，在攪拌摩擦焊中表現(xiàn)為攪拌頭插入深度恒定；其三，在焊接過程中焊炬軸線與待焊點法向可保持恒定的預(yù)設(shè)傾角，如在電弧焊中常需保持焊炬軸線垂直于工件表面，在攪拌摩擦焊中常需保持軸肩和工件表面成一定角度以施加一定的頂鍛壓力；其四，考慮到設(shè)備自重導(dǎo)致的精確連續(xù)驅(qū)動問題，往往不允許工件在焊接過程中運動，只能允許焊炬沿待焊軌跡運動。目前，空間曲線軌跡焊接大多采用人工焊接方式，難以保證焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。中國專利《一種沿立面內(nèi)任意曲線軌跡焊接的機器人控制方法》(專利號：201210488690.0)提出了用于平面二維曲線焊接的一種三軸聯(lián)動裝置和控制方法，待焊軌跡使用軌跡上的若干離散點表征，在焊接過程中對軌跡上的離散點進行圓弧插補，使得焊接過程中滿足焊接速度恒定、焊炬末端與工件表面距離不變、始終保持平焊位置等若干目標。但該方法僅適用于平面二維曲線軌跡焊接，且無法適用于要求焊炬存在一定前傾角或后傾角的場合，如攪拌摩擦焊過程要求軸肩與工件表面成一定夾角以給焊縫提供一定的頂鍛壓力；另外，在該方法中工件需要實時變速旋轉(zhuǎn)，在大型構(gòu)件焊接場合對設(shè)備的精確連續(xù)驅(qū)動要求極高。綜上，目前尚未有滿足焊接速度、待焊點與焊炬末端點距離、焊炬傾角等參數(shù)均可焊前預(yù)設(shè)且焊接過程中保持恒定的、用于大型構(gòu)件任意空間曲線軌跡焊接的運動控制方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)的不足之處，提出一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運動控制方法，該方法旨在解決目前技術(shù)存在的無法滿足焊接速度、弧長/離焦量/攪拌頭插入深度、焊炬傾角等均可預(yù)設(shè)且焊接過程保持恒定等問題，以求滿足焊接速度、待焊點與焊炬末端點距離、焊炬傾角等參數(shù)均可焊前預(yù)設(shè)且焊接過程中保持恒定等技術(shù)要求，并在焊接過程中根據(jù)焊接姿態(tài)實時調(diào)整焊接能量輸入?yún)?shù)，并在焊接過程中根據(jù)焊炬、待焊工件和世界坐標系的相對位姿關(guān)系實時調(diào)整焊接能量輸入?yún)?shù)，保持焊接過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運動控制方法，其特征在于，該方法采用的裝置包括底座、運動控制器、焊接能量源、焊炬、三維平移機構(gòu)和雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；所述底座與所述三維平移機構(gòu)機械連接，所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在所述三維平移機構(gòu)的運動輸出端，焊炬安裝在所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的運動輸出端；或所述底座與所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)機械連接，所述三維平移機構(gòu)安裝在所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的運動輸出端，焊炬安裝在所述三維平移機構(gòu)的運動輸出端；所述運動控制器分別與所述三維平移機構(gòu)和所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)通過導(dǎo)線連接，或通過無線傳輸方式通訊；所述焊炬與所述焊接能量源通過導(dǎo)線連接，或通過光路連接；所述三維平移機構(gòu)包括第一一維平移機構(gòu)、第二一維平移機構(gòu)和第三一維平移機構(gòu)；所述第一一維平移機構(gòu)、所述第二一維平移機構(gòu)和所述第三一維平移機構(gòu)的運動方向相互正交；所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)包括第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸相互正交；待焊工件安裝在底座上；所述方法包括以下步驟：1)建立與所述待焊工件固結(jié)的世界坐標系{W}；建立與所述焊炬固結(jié)的焊炬坐標系{P}，所述焊炬坐標系{P}的原點Op與所述焊炬末端點重合，zp軸與所述焊炬軸線重合；初始時刻所述焊炬坐標系{P}的zp軸方向與世界坐標系{W}的zw軸方向相互平行；2)在待焊軌跡上自起點至終點測量N個離散空間點的三維坐標以及各點處的單位法向量，其中N為大于或等于2的正整數(shù)，記第i個離散空間點在所述世界坐標系{W}中的三維坐標為Xi，第i個離散空間點處的單位法向量在所述世界坐標系{W}中的三維坐標為mi，其中i是小于或等于N的正整數(shù)，Xi和mi均為三維列向量；3)設(shè)焊炬軸線與待焊軌跡的交點為待焊點；在焊接前，預(yù)先設(shè)定焊接速度C、焊炬末端點與待焊點之間的有向距離h以及焊炬傾角α，其中C為任意不等于零的實數(shù)，h、α為任意實數(shù)；4)對所述離散空間點在所述世界坐標系{W}中的三維坐標Xi和所述離散空間點處的單位法向量在所述世界坐標系{W}中的三維坐標mi進行曲線插補，包括以下步驟：a)對Xi進行B樣條曲線插補，使得插補的樣條曲線Xw(u)滿足Xw(ui)＝Xi，其中u為樣條曲線Xw(u)的自變量，且：b)計算所述樣條曲線Xw(u)的一階導(dǎo)數(shù)sw(u)：c)計算：對rw,i進行B樣條曲線插補，使得插補的樣條曲線rw(u)滿足rw(ui)＝rw,i；d)計算法向量插補函數(shù)nw(u)＝sw(u)×rw(u)；5)采用焊接能量源提供焊接時的能量輸入，并使所述運動控制器發(fā)出控制信號，驅(qū)動所述三維平移機構(gòu)和所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)聯(lián)合運動；設(shè)當所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角為θ，且所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角為γ，且所述三維平移機構(gòu)的位移量為G時，所述焊炬坐標系{P}和所述世界坐標系{W}的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣和平移轉(zhuǎn)換矩陣分別為R(θ,γ)和T(θ,γ,G)，其中θ和γ為任意實數(shù)，G為任意三維列向量；設(shè)t為任意非負實數(shù)；在t時刻，運動控制器驅(qū)動所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)運動，使所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角θ(t)和所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角γ(t)滿足：R(θ(t),γ(t))·e3＝lw(t)式中，e3為所述世界坐標系{W}的zw軸的單位方向向量，lw(t)由下式確定：式中，u(t)由下式確定：式中，ξ為積分變量；在t時刻，運動控制器驅(qū)動所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)運動，使所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的瞬時角速度和所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的瞬時角速度滿足：式中，在t時刻，運動控制器驅(qū)動所述三維平移機構(gòu)運動，使所述三維平移機構(gòu)的位移量G(t)滿足：T(θ(t),γ(t),G(t))＝Xw(u(t))+h·lw(t)在t時刻，運動控制器驅(qū)動所述三維平移機構(gòu)運動，使所述三維平移機構(gòu)的瞬時速度滿足：根據(jù)所述焊炬、待焊工件和世界坐標系{W}的相對位姿關(guān)系，實時調(diào)整所述焊接能量源的能量輸入?yún)?shù)；一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運動控制方法，其特征在于：所述焊接能量源為電弧焊焊接電源、激光焊熱源或攪拌摩擦焊運動驅(qū)動器；一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運動控制方法，其特征在于：該方法采用的裝置還包括送絲機構(gòu)和送絲機構(gòu)控制器；所述送絲機構(gòu)控制器與所述送絲機構(gòu)相連；所述送絲機構(gòu)末端與所述焊炬相連；使送絲機構(gòu)控制器發(fā)出控制信號，控制送絲機構(gòu)在焊接過程進行送絲；一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運動控制方法，其特征在于：所述運動控制器為電機控制器或液壓控制器。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明可以在焊接過程中實現(xiàn)以下目標：焊接速度、焊炬傾角、焊炬末端點與待焊點距離均可預(yù)先設(shè)定，且在焊接過程中保持恒定；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適于大型構(gòu)件任意空間曲線軌跡焊縫電弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊等多種焊接場合。附圖說明圖1為本發(fā)明提出的一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運動控制方法實施例所采用 裝置的軸側(cè)圖。圖2為圖1所示裝置的正視圖。圖3為圖1所示裝置的側(cè)視圖。圖4為圖1所示裝置的俯視圖。圖5為本發(fā)明提出的一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運動控制方法實施例的流程圖。圖6為本發(fā)明實施例中第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角隨時間的變化規(guī)律。圖7為本發(fā)明實施例中第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的瞬時角速度隨時間的變化規(guī)律。圖8為本發(fā)明實施例中第一一維平移機構(gòu)、第二一維平移機構(gòu)和第三一維平移機構(gòu)的位移量隨時間的變化規(guī)律。圖9為本發(fā)明實施例中第一一維平移機構(gòu)、第二一維平移機構(gòu)和第三一維平移機構(gòu)的瞬時速度隨時間的變化規(guī)律。在圖1至圖9中：1—底座；2—運動控制器；3—焊接能量源；4—焊炬；5—三維平移機構(gòu)；51—第一一維平移機構(gòu)；52—第二一維平移機構(gòu)；53—第三一維平移機構(gòu)；6—雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；61—第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；62—第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；7—待焊工件；71—待焊軌跡；{W}—世界坐標系；Ow，xw，yw，zw—世界坐標系{W}的原點、橫軸、縱軸和豎軸；{P}—焊炬坐標系；Op，xp，yp，zp—焊炬坐標系{P}的原點、橫軸、縱軸和豎軸；t—時間；X(t)—t時刻第一一維平移機構(gòu)的位移量；時刻第一一維平移機構(gòu)的瞬時速度；Y(t)—t時刻第二一維平移機構(gòu)的位移量；時刻第二一維平移機構(gòu)的瞬時速度；Z(t)—t時刻第三一維平移機構(gòu)的位移量；時刻第三一維平移機構(gòu)的瞬時速度；θ(t)—t時刻第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角；時刻第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的瞬時角速度；γ(t)—t時刻第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角；時刻第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的瞬時角速度；C—焊接速度；α—焊炬傾角；h—焊炬末端點與待焊點之間的有向距離。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提出的一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運動控制方法原理作進一步說明。圖1為本發(fā)明提出的一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運動控制方法實施例所采用裝置的軸側(cè)圖，圖2、圖3和圖4分別為圖1所示裝置的正視圖、側(cè)視圖和俯視圖，該裝置包括底座1、運動控制器2、焊接能量源3、焊炬4、三維平移機構(gòu)5和雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)6；所述底座1與所述三維平移機構(gòu)5機械連接，所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)6安裝在所述三維平移機構(gòu)5的運動輸出端，焊炬4安裝在所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)6的運動輸出端；所述運動控制器2為電機控制器，分別與所述三維平移機構(gòu)5和所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)6通過導(dǎo)線連接；所述運動控制器2驅(qū)動所述三維平移機構(gòu)5和所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)6運動；所述焊接能量源3為鎢極氬弧焊焊接電源，提供焊接過程的能量輸入；所述焊炬4與所述焊接能量源3通過導(dǎo)線連接；所述三維平移機構(gòu)5包括第一一維平移機構(gòu)51、第二一維平移機構(gòu)52和第三一維平移機構(gòu)53；所述第一一維平移機構(gòu)51、所述第二一維平移機構(gòu)52和所述第三一維平移機構(gòu)53均采用滾珠絲桿機構(gòu)，所述滾珠絲桿機構(gòu)由電機驅(qū)動；所述第一一維平移機構(gòu)51、所述第二一維平移機構(gòu)52和所述第三一維平移機構(gòu)53的運動方向相互正交；所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)6包括第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61和第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62；所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61和所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62由電機和減速器組成；所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61和所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62的旋轉(zhuǎn)軸相互正交；待焊工件7安裝在底座1上。待焊軌跡71為一相貫線軌跡，設(shè)形成相貫線焊縫的兩個圓管分為為第一圓管和第二圓管。建立與待焊工件7固結(jié)的世界坐標系{W}，所述世界坐標系{W}的yw軸方向與第一圓管軸線方向重合，zw軸方向與第二圓管軸線方向重合；建立與焊炬4固結(jié)的焊炬坐標系{P}，所述焊炬坐標系{P}的原點Op與焊炬4末端點重合，zp軸與焊炬4軸線重合；初始時刻所述焊炬坐標系{P}的zp軸方向與世界坐標系{W}的zw軸方向相互平行，yp軸方向與第二一維平移機構(gòu)52的運動方向相互平行。在待焊軌跡71上自起點至終點測量N個離散空間點的三維坐標以及各點處的單位法向量，其中N為大于或等于2的正整數(shù)，記第i個離散空間點在世界坐標系{W}中的三維坐標為Xi，第i個離散空間點處的單位法向量在世界坐標系{W}中的三維坐標為mi，其中i是小于或等于N的正整數(shù)，Xi和mi均為三維列向量。Xi和mi可使用三坐標測量儀獲得，也可利用工件CAD模型導(dǎo)入。設(shè)焊炬4軸線與待焊軌跡71的交點為待焊點；在焊接前，預(yù)先設(shè)定焊接速度C、焊炬4末端點與待焊點之間的有向距離h以及焊炬傾角α，其中C為任意不等于零的實數(shù)，h、α為任意實數(shù)。為實現(xiàn)連續(xù)軌跡焊接，首先必須對離散空間點進行曲線插補。在本發(fā)明中，選取B樣條曲線對Xi進行插補，設(shè)插補的B樣條曲線方程為：式中，u為B樣條曲線Xw(u)的自變量，Dσ為B樣條曲線Xp(u)的控制點坐標，Dσ是三維列向量，σ為任意不大于N的正整數(shù)，Γσ,q(u)為q-1階B樣條曲線的基函數(shù)，q是任意正整數(shù)。在本實施例中采用具有重節(jié)點的B樣條曲線進行插值，B樣條曲線Xw(u)的節(jié)點值分別為：其中，β1,β2,...,βN-1-q為待求的節(jié)點值。除需確定B樣條曲線Xw(u)的節(jié)點值外，還需確定點Xi處B樣條曲線Xw(u)的自變量取值ui。在本實施例中，采用累積弦長法確定ui的值：B樣條曲線Xw(u)的節(jié)點值β1,β2,...,βN-1-q用下式確定：式中，η為任意不大于N-1-q的正整數(shù)。結(jié)合式(1)至式(4)可獲得控制點Dσ滿足的方程：根據(jù)式(3)和式(4)確定B樣條曲線的節(jié)點值，并根據(jù)式(5)計算控制點坐標，完成對Xi的B樣條曲線插補，獲得插補曲線方程Xw(u)。根據(jù)曲線方程Xw(u)可計算待焊軌跡71上任意一點處的切向量在世界坐標系{W}中的坐標sw(u)：然而，根據(jù)式(6)計算獲得的離散空間點處的切向量在世界坐標系{W}中的坐標sw(ui)不一定與離散空間點處的單位法向量在世界坐標系{W}中的三維坐標mi垂直。為保證以下理論推導(dǎo)的正確性，需對mi進行修正，計算B樣條曲線Xw(u)上任意一點處的法向量。假設(shè)B樣條曲線Xw(u)在u＝ui處的單位法向量在世界坐標系{W}中的坐標nw,i與向量sw(ui)、mi共面，則可令：nw,i＝λisw(ui)+μimi(7)式中，λi和μi為待定系數(shù)。根據(jù)nw,i與sw(ui)垂直，可得：[sw(ui)]Tnw,i＝λi[sw(ui)]Tsw(ui)+μi[sw(ui)]Tmi＝0(8)即：因此：修正后的法向量nw,i一般與mi之間的偏差較小，該偏差對實際焊炬傾角控制造成的影響可忽略不計。除了計算出u＝ui處的單位法向量在世界坐標系{W}中的坐標nw,i，還需對B樣條曲線Xw(u)上任意一點的法向量進行曲線插補。此時，必須要求法向量的插補方程nw(u)處處垂直于sw(u)，因此可令：nw(u)＝sw(u)×rw(u)(11)式中，rw(u)為待求的插補函數(shù)。根據(jù)向量外積的性質(zhì)，nw(u)處處垂直于sw(u)。在u＝ui處，rw(u)的取值為：函數(shù)rw(u)可由B樣條曲線插補獲得，其控制點在世界坐標系{W}中的坐標Fσ滿足：根據(jù)式(10)至式(13)即可完成對法向量的插補，獲得nw(u)。在完成焊接參數(shù)預(yù)設(shè)和B樣條曲線插補后，焊接能量源3提供焊接時的能量輸入，且運動控制器2發(fā)出控制信號，驅(qū)動三維平移機構(gòu)5和雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)6聯(lián)合運動。此時，必須計算第一一維平移機構(gòu)51、第二一維平移機構(gòu)52和第三一維平移機構(gòu)53的位移量和瞬時速度、以及第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61和第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62的旋轉(zhuǎn)角和瞬時角速度等參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，使得在整個焊接過程中滿足焊接速度、焊炬4末端點與待焊點之間的有向距離、焊炬 傾角等參數(shù)保持恒定等要求。由幾何關(guān)系可知，當?shù)谝恍D(zhuǎn)機構(gòu)61的旋轉(zhuǎn)角為θ，且第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62的旋轉(zhuǎn)角為γ，且三維平移機構(gòu)5的位移量為G時，其中三維平移機構(gòu)5的位移量定義為第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61和第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62的旋轉(zhuǎn)軸交點相對于世界坐標系{W}的坐標，焊炬坐標系{P}和世界坐標系{W}的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣R(θ,γ)和平移轉(zhuǎn)換矩陣T(θ,γ,G)分別等于：其中，θ和γ為任意實數(shù)，G為任意三維列向量，在本實施例中a1和a2均為常數(shù)，a1＝35mm，a2＝265mm。根據(jù)式(14)和式(15)可得：設(shè)在t時刻，三維平移機構(gòu)5的位移量為G(t)，第一一維平移機構(gòu)51、第二一維平移機構(gòu)52和第三一維平移機構(gòu)53的位移量分別為X(t)、Y(t)和Z(t)，第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61和第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62的旋轉(zhuǎn)角分別為θ(t)和γ(t)。考慮到焊炬4末端點為焊炬坐標系{P}的原點，因此由坐標變換關(guān)系可得：R(θ(t),γ(t))·0+T(θ(t),γ(t),G(t))＝Xw(u(t))+h·lw(t)(21)即：T(θ(t),γ(t),G(t))＝Xw(u(t))+h·lw(t)(22)式中，lw(t)為t時刻焊炬4軸線的單位方向向量在世界坐標系{W}中的坐標，u(t)為t時刻函數(shù)Xw(u)的自變量取值，Xw(u(t))為t時刻待焊點在世界坐標系{W}中的坐標，G(t)滿足：利用坐標變換關(guān)系，還可計算lw(t)滿足的關(guān)系式：R(θ(t),γ(t))·e3＝lw(t)(24)式中，e3為世界坐標系{W}的zw軸的單位方向向量。根據(jù)焊炬傾角為α可計算t時刻焊炬4軸線的單位方向向量與待焊點處的切向量和法向量的關(guān)系：式(22)、式(24)和式(25)分別對時間t求導(dǎo)可計算三維平移機構(gòu)5的瞬時速度第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61的瞬時角速度和第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62的瞬時角速度滿足的關(guān)系：即：式中，只要獲取u(t)的表達式，即可根據(jù)式(14)至式(30)計算第一一維平移機構(gòu)51、第二一維平移機構(gòu)52和第三一維平移機構(gòu)53的位移量和瞬時速度、以及第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61和第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62的旋轉(zhuǎn)角和瞬時角速度等參數(shù)隨時間的變化規(guī)律。u(t)可由焊接速度恒定條件計算獲得。焊炬4末端點的瞬時速度在待焊點處切向量的投影等于焊接速度，即：式中，可由式(22)計算獲得：將式(30)和式(32)代入式(31)：式中，考慮到因此：將式(34)至式(36)代入式(33)可得最終的焊接速度恒定方程：即：式(38)微分方程的解為：式中，ξ為積分變量。綜合以上分析結(jié)果，本發(fā)明提出的一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運動控制方法實施例的流程圖如圖5所示，其包括以下步驟：1)建立與所述待焊工件7固結(jié)的世界坐標系{W}；建立與所述焊炬4固結(jié)的焊炬坐標系{P}，所述焊炬坐標系{P}的原點Op與所述焊炬4末端點重合，zp軸與所述焊炬4軸線重合；初始時刻所述焊炬坐標系{P}的zp軸方向與世界坐標系{W}的zw軸方向相互平行；2)在待焊軌跡71上自起點至終點測量N個離散空間點的三維坐標以及各點處的單位法向量，其中N為大于或等于2的正整數(shù)，記第i個離散空間點在所述世界坐標系{W}中的三維坐標為Xi，第i個離散空間點處的單位法向量在所述世界坐標系{W}中的三維坐標為mi，其中i是小于或等于N的正整數(shù)，Xi和mi均為三維列向量；3)設(shè)焊炬4軸線與待焊軌跡71的交點為待焊點；在焊接前，預(yù)先設(shè)定焊接速度C、焊炬4末端點與待焊點之間的有向距離h以及焊炬傾角α，其中C為任意不等于零的實數(shù)，h、α為任意實數(shù)；4)對所述離散空間點在所述世界坐標系{W}中的三維坐標Xi和所述離散空間點處的單位 法向量在所述世界坐標系{W}中的三維坐標mi進行曲線插補，包括以下步驟：a)對Xi進行B樣條曲線插補，使得插補的樣條曲線Xw(u)滿足Xw(ui)＝Xi，其中u為樣條曲線Xw(u)的自變量，且：b)計算所述樣條曲線Xw(u)的一階導(dǎo)數(shù)sw(u)：c)計算：對rw,i進行B樣條曲線插補，使得插補的樣條曲線rw(u)滿足rw(ui)＝rw,i；d)計算法向量插補函數(shù)nw(u)＝sw(u)×rw(u)；5)采用焊接能量3源提供焊接時的能量輸入，并使所述運動控制器2發(fā)出控制信號，驅(qū)動所述三維平移機構(gòu)5和所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)6聯(lián)合運動；設(shè)當所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61的旋轉(zhuǎn)角為θ，且所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62的旋轉(zhuǎn)角為γ，且所述三維平移機構(gòu)5的位移量為G時，所述焊炬坐標系{P}和所述世界坐標系{W}的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣和平移轉(zhuǎn)換矩陣分別為R(θ,γ)和T(θ,γ,G)，其中θ和γ為任意實數(shù)，G為任意三維列向量；設(shè)t為任意非負實數(shù)；在t時刻，運動控制器2驅(qū)動所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61和所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62運動，使所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61的旋轉(zhuǎn)角θ(t)和所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62的旋轉(zhuǎn)角γ(t)滿足：R(θ(t),γ(t))·e3＝lw(t)(43)式中，e3為所述世界坐標系{W}的zw軸的單位方向向量，lw(t)由下式確定：式中，u(t)由下式確定：式中，ξ為積分變量；在t時刻，運動控制器2驅(qū)動所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61和所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62運動，使所述第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61的瞬時角速度和所述第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62的瞬時角速度滿足：式中，在t時刻，運動控制器2驅(qū)動所述三維平移機構(gòu)5運動，使所述三維平移機構(gòu)5的位移量G(t)滿足：T(θ(t),γ(t),G(t))＝Xw(u(t))+h·lw(t)(48)在t時刻，運動控制器2驅(qū)動所述三維平移機構(gòu)5運動，使所述三維平移機構(gòu)5的瞬時速度滿足：根據(jù)所述焊炬4、待焊工件7和世界坐標系{W}的相對位姿關(guān)系，實時調(diào)整所述焊接能量源3的能量輸入?yún)?shù)，如焊接電流、焊接電壓等。在本發(fā)明的實施例中，待焊軌跡71在世界坐標系{W}中的方程為：第一圓管和第二圓管的厚度均為10mm。在本發(fā)明的實施例中，選取的離散空間點坐標 為：式中，共選取N＝800個離散空間點。待焊軌跡71任意一點處的法線選取為垂直于待焊軌跡71的切向量、且與第一圓管和第二圓管的內(nèi)相貫線相交的直線，離散空間點處的單位法向量在世界坐標系{W}中的三維坐標mi等于為該離散空間點處的法線的單位方向向量。在本發(fā)明的實施例中，焊接速度C＝6mm/s，焊炬4末端點與待焊點之間的有向距離h＝8mm，焊炬傾角α＝10°，采用的B樣條曲線階次q＝3。根據(jù)式(10)計算的修正法向量np,i與真實法向量mi之間的角度偏差不超過0.004°。圖6為本發(fā)明實施例中第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61和第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62的旋轉(zhuǎn)角隨時間的變化規(guī)律；圖7為本發(fā)明實施例中第一旋轉(zhuǎn)機構(gòu)61和第二旋轉(zhuǎn)機構(gòu)62的瞬時角速度隨時間的變化規(guī)律；圖8為本發(fā)明實施例中第一一維平移機構(gòu)51、第二一維平移機構(gòu)52和第三一維平移機構(gòu)53的位移量隨時間的變化規(guī)律；圖9為本發(fā)明實施例中第一一維平移機構(gòu)51、第二一維平移機構(gòu)52和第三一維平移機構(gòu)53的瞬時速度隨時間的變化規(guī)律。應(yīng)當說明的是，以上實施例僅用于說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明描述的方案；因此，盡管本說明書參照以上的實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，仍然可以對本發(fā)明進行修改或等同替換，如本發(fā)明的控制方法可適用于激光焊、攪拌摩擦焊等多種焊接方法、采用的裝置還可包括送絲機構(gòu)和送絲機構(gòu)控制器、運動控制器可采用液壓控制器、三維平移機構(gòu)可采用懸臂式機構(gòu)等；而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。本發(fā)明在焊接過程中使用三維平移機構(gòu)調(diào)整焊炬位置，使用雙自由度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)調(diào)整焊炬姿態(tài)，并根據(jù)焊炬、待焊工件和世界坐標系的相對位姿關(guān)系實時調(diào)整焊接能量輸入?yún)?shù)，在任意空間曲線軌跡焊接中實現(xiàn)了焊接速度、焊炬傾角、焊炬末端與待焊點距離可預(yù)設(shè)且焊接過程中保持恒定等要求，保證焊接過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適于任意空間曲線軌跡焊縫電弧焊、激光焊、攪拌摩擦焊等多種焊接場合。