一種焊接機器人焊接圓弧焊縫的平面三角擺焊方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及機器人焊接領域，提供了一種焊接機器人焊接圓弧焊縫的平面三角擺焊方法。該方法為機器人焊槍沿著平面圓弧焊縫方向做連續(xù)的三角形擺動，并不斷向前移動，從而實現平面圓弧焊縫的三角擺動焊接。本方法在運動內核上層進行插補規(guī)劃，利用直線擬合圓弧焊縫的焊接路徑，算法簡單且通用性好。本發(fā)明適用于空間中任意平面圓弧焊縫的三角擺焊接，使用靈活性高，不僅適用于弧焊機器人的圓弧三角擺焊，也可用于其他能夠進行直線運動的焊接裝置。
【專利說明】
-種焊接機器人焊接圓弧焊縫的平面Ξ角擺焊方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種焊接機器人圓弧焊縫的擺焊方法，具體是說設及一種焊接機器人 焊接圓弧焊縫的平面Ξ角擺焊方法。
【背景技術】
[0002] 焊接機器人不僅要求能用于直線和圓弧焊縫的焊接，在焊縫較大或特殊焊接工藝 要求下往往會用到擺焊。擺焊是指焊炬沿著焊縫方向W特定角度周期性左右擺動進行焊 接，W增大焊珠寬度，從而提高焊接強度和焊接效率的一種焊接方法，它在自動化焊接設備 中已經得到了廣泛的應用。根據擺焊運條的形狀可將擺焊分為銀齒擺焊、正弦擺、Ξ角擺焊 及圓形擺焊。Ξ角擺焊是指焊炬末端沿著焊接方向做連續(xù)的Ξ角形運動并不斷沿著焊接方 向進給從而實現擺動焊接的一種焊接方式，它在焊接工藝中具有廣泛的應用。
[0003] 中國專利申請201310507312.7公開了一種弧焊機器人雙平面擺弧軌跡的規(guī)劃方 法，它基于時間連續(xù)的規(guī)劃方法來確定弧焊機器人的雙平面擺弧軌跡。首先，獲取焊接的起 點、終點及兩個擺弧平面內的任意兩點的位姿信息，然后設定加速度時間比例ratio、最大 加速度Amax及最大速度Vmax。然后，通過積分求出起點到終點方向位置與時間的函數關系， 根據正弦函數公式，確定擺弧平面內的位置規(guī)劃;再經過矩陣變換，將擺弧平面內的位置點 轉換成機器人基坐標系下的位置點，從而控制機器人進行擺弧運動。但是此方法要求焊槍 的進給方向必須為工具坐標系Z軸正方向，降低了用戶使用的靈活性;并且它只能用于雙平 面的直線擺焊，存在極大的使用局限性。
[0004] 文章《弧焊機器人擺焊方法的研究》提出了一種平面Ξ角擺焊的實現方法，但它只 能應用于直線型擺焊，在焊接的使用中存在很大的局限性。其后面提到的"五點圖形示教 法"要根據多種情況分別求取中間插補點，計算過于繁瑣。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的發(fā)明目的，在于克服現有技術存在的缺陷，提出了一種焊接機器人焊接 圓弧焊縫的平面Ξ角擺焊方法，拓展了機器人擺動焊接的使用場合，提高焊接效率，改善焊 接工藝。
[0006] 圓弧焊縫Ξ角擺焊包括平面圓弧Ξ角擺焊和空間圓弧Ξ角擺焊。平面圓弧Ξ角擺 焊如附圖1所示，指的是圓弧焊縫的兩側均為平面板材。
[0007] 本發(fā)明為實現發(fā)明目的所采用的技術方案是，一種焊接機器人焊接圓弧焊縫的平 面Ξ角擺焊方法，其步驟如下：
[000引1、確定W下參數：焊接起點坐標Pstart ( Xs，ys，Zs )、目標點坐標Ptarget ( Xt，y t，Zt )(焊 接終點）、輔助點坐標Paux(?，ya，Za)，輔助點為焊接起點和終點間圓弧焊縫上的任意一點； 圓弧焊縫的圓屯、為Oo(xo，yo，zo)、半徑為r;機器人基坐標系原點為0(0,0,0);焊炬擺幅H、焊 炬擺寬L。
[0009] 2、根據擺幅和擺寬計算焊接插補點口14 = 1，2-，11，其中，奇數插補點在圓弧焊縫 的外側，偶數插補點在圓弧焊縫的內側：
[0010] a、確定圓弧焊縫芯《.?. Pw三7的焊接方向;
[0011] 通過焊接起點、目標點和輔助點位置信息，可得位置向量'^^^；7巧7、,由兩 位置向量確定焊縫方向。
[001 ^ b、計算焊縫平面方向余弦值
[oou]設定焊接所在平面為1，心町，山為焊縫平面方向余弦值。由1上的任意兩向量叉乘 可W得到其法向量，將法向量單位化后得到3如，。
[0014] C、計算焊縫圓屯、角及單位插補角
[0015] 圓弧形焊縫對應的圓屯、角Θ即為焊縫圓屯、角，單位插補角θ〇(即位于圓弧焊縫 立心三:上相鄰兩個中間插補點PVi和ρ/之間所對應的圓屯、角）。由圓屯、及焊接起 點、目標點、輔助點得到S個位置向量0。Α。,，、0)巧,,，、wgf,，設曰ngSA為向量巧瓦：與向 量茍?!Γ夾角，angAT為向量茍ζ：與向量0。貨夾角，angST為向量茍巧三與向量〇。巧恥 夾角。由向量的乘法公式可W獲得angSA、angAT、angST的值，則由angSA、angAT、angSTS者 大小關系即可獲得焊接路徑所對應的圓屯、角9。
[0016] 由設定的焊炬擺寬L、焊炬擺幅Η及圓弧半徑r得到單位插補角θ〇。
[0017] d、求取焊縫焊接插補點Pi
[0018] 根據圓弧形焊縫對應的圓屯、角Θ和單位插補角θ〇,計算出焊接過程中焊炬擺動次 數η。
[0019]采用空間坐標的旋轉算法，由焊接起點Pstart繞通過圓屯、0日的單位法向量旋轉插補 角曰1獲取圓弧焊縫上的中間插補點P/的坐標值?？臻g坐標旋轉算法左乘矩陣如式(1 )所示：
[0020]
[0021 ] 式中坊Jcosai，S為sinai，（ηχ,Πγ,Πζ)為單位法向量的方向余弦值，（xo，yo，zo)為圓 屯、0〇的坐標值。
[0022] 貝忡間插補點P/ (χ/ y y )的坐標值可通過矩陣R左乘焊縫起點Pstart坐標得到， 如公式(2)所示：
[0023] [X'，y'，z'，l]T=R[Xs，ys，Zs，l]T (2)
[0024] 由附圖1可知道，焊縫焊接插補點分為圓弧焊縫的內側點和外側點兩種，此處設定 比例系數依次為h、l2,由圓弧半徑r及擺幅Η可確定比例系數h、l2值，其中h = (r+H)/r、b = (r-H)/r。則焊縫焊接插補點由公式(3)獲得：
[0025]
[0026] 本發(fā)明適用于圓弧形焊縫的平面擺焊，使用靈活性高，擴大了弧焊機器人的使用 場合。
[0027]本算法基于運動內核上層進行規(guī)劃，通用性強，計算簡單，且易于實現。并且對用 戶的使用沒有限制，不僅可用于弧焊機器人，也可用于其他可進行直線運動的焊接裝置。
[002引本發(fā)明采用兩位置向量巧：,~巧7 /巧Γ巧。;^義乘的方法，根據叉乘結果來確定圓弧 焊縫的旋轉方向。由Ξ個位置向Μ々，巧,,,,，、馬巧,,,.、、馬的夾角日叫54、日叫41'、日叫51'，根 據Ξ者之間的大小關系確定圓弧焊縫所對應的圓屯、角。本發(fā)明采用均分的思想計算插補角 αι，利用空間坐標旋轉算法，通過焊縫起點(Pstart)繞旋轉軸旋轉插補角獲取中間插補點P/， 然后根據擺幅的十算焊接插補點Pi。旋轉軸為圓弧焊縫所在平面的單位法向量軸，且該軸通 過圓弧焊縫的圓屯、。本發(fā)明在運動內核上層進行插補規(guī)劃，利用直線插補圓弧焊縫的焊接 路徑，算法簡單且通用性好;不僅可用于弧焊機器人的圓弧Ξ角擺焊，也可用于其他能夠進 行直線運動的焊接裝置。
【附圖說明】
[0029] 圖1是焊接機器人焊接圓弧焊縫平面Ξ角擺焊示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合具體實施例，對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0031] 實施例:本實施例是焊接機器人焊接圓弧焊縫，采用平面Ξ角擺焊方法。
[00創(chuàng) 1、確定W下參數:焊接起點坐標Pstart(901.7880，182.9200，932.7880)、目標點坐 標 Ptarget( 901.7880,210.9640,960.6240)、輔助點坐標 Paux( 918.1900,194.9720， 948.5460);圓弧焊縫的圓屯、為00(898.4030，197.3336，946.3114)、半徑為20.0523;機器人 基坐標系原點為0(0，0,0);焊炬擺幅Η為8cm、焊炬擺寬L為3cm。
[0033] 2、根據擺幅和擺寬計算焊接插補點口14 = 1，2-，11，其中，奇數插補點在圓弧焊縫 的外側，偶數插補點在圓弧焊縫的內側。
[0034] a、確定圓弧焊縫完的焊接方向
[0035] 通過焊接起點、目標點和輔助點位置信息，可得位置向量.二〇換402，12 Μ ().402J 5.W2,12.07巧由兩位置向量確定焊縫方向為逆時針。
[0036] b、計算焊縫平面方向余弦值
[0037] 設定焊接所在平面為1，心町山為方向余弦值。由1上的任意兩向量叉乘可^得到 其法向量，將法向量單位化后得到獅-0.1旋0娜，-0.敵51巧，訊7〇擬進）。
[0038] C、計算焊縫圓屯、角及單位插補角
[0039] 圓弧形焊縫對應的圓屯、角Θ即為焊縫圓屯、角，單位插補角Θ 0。由圓屯、 及焊接起點、目標點、輔助點得到S個位置向量二巧3S3,….14..4 琴寫;；二(巧.7的，-2.3616,2.2346)、巧瓦;；；二口.385,13.6304, N.3 似)>，由向量的乘法公式 可 W獲得angSA(1.393798)、angAT(1.403967)、angST(2.797766)的值，則由angSA、angAT、 angSTS者大小關系即可獲得焊接路徑所對應的圓屯、角目為2.797766。
[0040] 由設定的焊炬擺寬3、焊炬擺幅8及圓弧半徑20.0523得到單位插補角θ〇為 0.149749。
[0041 ] d、求取焊縫焊接插補點Pi
[0042] 根據焊接路徑所對應的圓屯、角θ和單位插補角θ〇,計算出焊接過程中焊炬擺動次 數η為19。
[0043] 采用空間坐標的旋轉算法，由焊接起點Pstart繞通過圓屯、〇0的單位法向量旋轉插補 角曰1獲取圓弧焊縫上的中間插補點P/的坐標值。
[0044] 由附圖1可知道，焊縫焊接插補點分為圓弧焊縫的內側點和外側點兩種，此處設定 比例系數依次為h、l2,由圓弧半徑r及擺幅Η可確定比例系數h、b的值，將r及Η的值代入公 式h=(r+H)/r、l2=(r-H)/r中，可得h為1.398957、l2為0.601043。則焊縫焊接插補點如下 表所示：
【主權項】
1. 一種焊接機器人焊接圓弧焊縫的平面Ξ角擺焊方法，其步驟如下： A、 確定W下參數：焊接起點坐標Pstart ( Xs，ys，Zs )、目標點坐標Ptarget ( Xt，y t，Ζ t)(焊接終 點）、輔助點坐標Paux(Xa，ya，Za)，該輔助點為焊接起點和終點間圓弧焊縫上任意一點；輔助 點坐標Pauxl(Xal，yal，Zal)，該輔助點為圓柱體外表面上的任意一點，圓弧焊縫的圓屯、為Oo (x0，y0，z0)、半徑為r;機器人基坐標系原點為0(0,0,0);焊炬擺幅H、焊炬擺寬レ B、 根據擺幅和擺寬計算焊接插補點口14 = 1，2-11，其中，奇數插補點在平面板材上，偶 數插補點在圓柱體外表面上： a、 由兩位置向量巧。，乂" 1巧兒gd確定圓弧焊縫;三:的焊接方向; b、 計算焊縫平面方向余弦值 設定焊接所在平面為1，^，町，^為焊縫平面方向余弦值；由1上的任意兩向量叉乘可^ 得到其法向量，將法向量單位化后得到巧("，，",，; C、 計算焊縫圓屯、角及單位插補角 由圓屯、及焊接起點、目標點、輔助點得到Ξ個位置向量巧巧：；、商巧,；：、奇巧;設 angSA為向量巧友與向量竊日忘^夾角，angAT為向量公0巧與向量與啤3夾角，angST為向 量0尤《。與向量OoCigrf夾角；由向量的乘法公式得曰ngSA、angAT、angST的值，則由angSA、 angAT、angST獲得焊縫圓屯、角白； 由設定的焊炬擺寬L、焊炬擺幅Η及圓弧半徑r得到單位插補角θ〇; d、求取焊縫焊接插補點Pi 根據焊縫圓屯、角e和單位插補角00,計算出焊接過程中焊炬擺動次數η; 通過矩陣R左乘焊縫起點Pstart坐標得到中間插補點ρ^ι(χ/ y y)的坐標值： [X'，y'，z'，l]T = R[Xs，ys，Zs，l]T 其中：式中C為cosai，S為sinαi，nx、ny、nz為單位法向量的方向余弦值，x日、y日、z日為圓屯、0日的坐 標值； 設定內側點比例系數h、內側點比例系數12,由圓弧半徑r及擺幅郵角定比例系數h、l2 值，其中 li=(r+H)/r、b=(r-H)/。則
【文檔編號】B23K37/02GK105834629SQ201610222344
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】王正謙, 宋方方
【申請人】南京埃斯頓機器人工程有限公司