一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的空间三角摆焊方法技术

本发明专利技术涉及机器人焊接领域，提供了一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的空间三角摆焊方法。该方法为机器人焊枪沿着圆弧焊缝方向做连续的空间三角形摆动，并不断向前移动，从而实现空间圆弧焊缝的三角摆动焊接。本方法在运动内核上层进行插补规划，利用直线拟合圆弧焊缝的空间焊接路径，算法简单且通用性好。本发明专利技术适用于圆柱体与平板之间的空间圆弧形焊缝的三角摆焊接，使用灵活性高，不仅适用于弧焊机器人的空间圆弧三角摆焊，也可用于其他能够进行直线运动的焊接装置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种焊接机器人圆弧焊缝的摆焊方法，具体是说涉及一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的空间三角摆焊方法。
技术介绍
焊接机器人不仅要求能用于直线和圆弧焊缝的焊接，在焊缝较大或特殊焊接工艺要求下往往会用到摆焊。摆焊是指焊炬沿着焊缝方向以特定角度周期性左右摆动进行焊接，以增大焊珠宽度，从而提高焊接强度和焊接效率的一种焊接方法，它在自动化焊接设备中已经得到了广泛的应用。根据摆焊运条的形状可将摆焊分为锯齿摆焊、正弦摆、三角摆焊及圆形摆焊。三角摆焊是指焊炬末端沿着焊接方向做连续的三角形运动，并不断沿着焊接方向进给，从而实现摆动焊接的一种焊接方式，它在焊接工艺中具有广泛的应用。中国专利申请201310507312.7公开了一种弧焊机器人双平面摆弧轨迹的规划方法，它基于时间连续的规划方法来确定弧焊机器人的双平面摆弧轨迹。首先，获取焊接的起点、终点及两个摆弧平面内的任意两点的位姿信息，然后设定加速度时间比例ratio、最大加速度Amax及最大速度Vmax。然后，通过积分求出起点到终点方向位置与时间的函数关系，根据正弦函数公式，确定摆弧平面内的位置规划；再经过矩阵变换，将摆弧平面内的位置点转换成机器人基坐标系下的位置点，从而控制机器人进行摆弧运动。但是此方法要求焊枪的进给方向必须为工具坐标系Z轴正方向，降低了用户使用的灵活性；并且它只能用于双平面的直线摆焊，存在极大的使用局限性。文章《弧焊机器人摆焊方法的研究》提出了一种平面三角摆焊的实现方法，但它只能应用于直线型摆焊，后面提出的空间摆焊方法同样只能用于直线摆焊，在焊接的使用中存在很大的局限性。其后面提到的“五点图形示教法”要根据多种情况分别求取中间插补点，计算过于繁琐。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的空间三角摆焊方法，拓展了机器人摆动焊接的使用场合，提高焊接效率，改善焊接工艺。圆弧焊缝三角摆焊包括平面圆弧三角摆焊和空间圆弧三角摆焊。平面圆弧三角摆焊如附图1所示，指的是圆弧焊缝的两侧均为平面板材的摆焊。空间圆弧三角摆焊附图2所示，是指平面与圆柱体间的圆弧焊缝的摆焊。本专利技术为实现专利技术目的所采用的技术方案是，一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的空间三角摆焊方法，其步骤如下：1、确定以下参数：焊接起点坐标Pstart(xs，ys，zs)、目标点坐标Ptarget(xt，yt，zt)(焊接终点)、辅助点坐标Paux(xa，ya，za)，该辅助点为焊接起点和终点间圆弧焊缝上任意一点；辅助点坐标Paux1(xa1，ya1，za1)，该辅助点为圆柱体外表面上的任意一点，圆弧焊缝的圆心为O0(x0，y0，z0)、半径为r；机器人基坐标系原点为O(0，0，0)；焊炬摆幅H、焊炬摆宽L。2、根据摆幅和摆宽计算焊接插补点Pi，i＝1，2…n，其中，奇数插补点在平面板材上(一般称为焊接底板)，偶数插补点在圆柱体外表面上。a、确定圆弧焊缝的焊接方向通过焊接起点、目标点和辅助点位置信息，可得位置向量由两位置向量确定焊缝方向。b、计算焊缝平面方向余弦值设定焊接所在平面为M，nx，ny，nz为焊缝平面方向余弦值。由M上的任意两向量叉乘可以得到其法向量，将法向量单位化后得到c、计算焊缝圆心角及单位插补角焊缝圆心角θ，单位插补角θ0(即圆弧焊缝上相邻两个中间插补点P′i-1和P′i之间所对应的圆心角；中间插补点P′i是焊接插补点Pi向圆弧焊缝作垂线得到的垂足点)。由圆心及焊接起点、目标点、辅助点得到三个位置向量设angSA为向量与向量夹角，angAT为向量与向量夹角，angST为向量与向量夹角。由向量的乘法公式可以获得angSA、angAT、angST的值，则由angSA、angAT、angST三者大小关系即可获得焊接路径所对应的圆心角θ。由设定的焊炬摆宽L、焊炬摆幅H及圆弧半径r得到单位插补角θ0。d、求取焊缝焊接插补点Pi根据焊缝圆心角θ和单位插补角θ0，计算出焊接过程中焊炬摆动次数n。采用空间坐标的旋转算法，由焊接起点Pstart绕通过圆心O0的单位法向量旋转插补角αi获取P′i的坐标值。空间坐标旋转算法的左乘矩阵如式(1)所示：R=C+nx2(1-C)nxny(1-C)-nzSnxnz(1-C)-nySx0nxny(1-C)+nzSC+ny2(1-C)nynz(1-C)-nxSy0nxnz(1-C)-nySnynz(1-C)+nxSC+nz2(1-C)z00001---(1)]]>式中C为cosαi，S为sinαi，(nx，ny，nz)为单位法向量的方向余弦值，(x0，y0，z0)为圆心O0的坐标值。则P′i(x′，y′，z′)的坐标值可通过矩阵R左乘焊缝起点Pstart坐标得到，如公式(2)所示：[x′，y′，z′，1]T＝R[xs，ys，zs，1]T(2)设定比例系数l1，由圆弧半径r及摆幅H可确定比例系数l1的值，l1＝(r+H)/r，则平面板材上的焊缝焊接插补点由公式(3)获得：此时，要求圆柱体上的插补点必须在焊接底板上方一侧，否则焊炬会与焊接工件发生碰撞。由焊接起点Pstart和Paux1可得位置向量由和法向量关系可以确定方向系数k，如下式所示：其中，简写为简写为则则圆柱体上的焊缝焊接插补点由公式(4)获取：现有技术都是基于直线焊缝的三角摆焊方法，使用场合有限，且灵活性低。本专利技术适用于空间中任意平面上的圆弧形焊缝的空间摆焊，使用灵活性高，扩大了弧焊机器人的使用场合。本专利技术采用两位置向量叉乘的方法，根据叉乘结果来确定圆弧焊缝的旋转方向。本专利技术由三个位置向量的夹角angSA、angAT、angST，根据三者之间的大小关系确定圆弧焊缝所对应的圆心角。本专利技术采用均分的思想计算插补角αi，利用空间坐标旋转算法，通过焊缝起点(Pstart)绕旋转轴旋转插补角获取中间插补点P′，然后根据摆幅H计算焊接插补点Pi。旋转轴为圆弧焊缝所在平面的单位法向量轴，且该轴过圆弧焊缝的圆心。针对空间圆弧三角摆焊，本专利技术通过另一辅助点Paux1，由向量与焊缝所在平面的单位法向量关系来确定方向系数k，由公式(3)获取圆柱体上的焊接插补点，焊接底板上的插补点采用平面圆弧插补点计算方法获取。本专利技术在运动内核上层进行插补，利用直线插补圆弧焊缝的焊接路径，算法简单且通用性好；不仅可用于弧焊机器人的圆弧三角摆焊，也可用于其他能够进行直线运动的焊接装置。附图说明图1是焊接机器人焊接圆弧焊缝平面三角摆焊示意图。图2是焊接机器人焊接圆弧焊缝空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的空间三角摆焊方法，其步骤如下：A、确定以下参数：焊接起点坐标Pstart(xs,ys,zs)、目标点坐标Ptarget(xt,yt,zt)(焊接终点)、辅助点坐标Paux(xa,ya,za)，该辅助点为焊接起点和终点间圆弧焊缝上任意一点；辅助点坐标Paux1(xa1,ya1,za1)，该辅助点为圆柱体外表面上的任意一点，圆弧焊缝的圆心为O0(x0,y0,z0)、半径为r；机器人基坐标系原点为O(0,0,0)；焊炬摆幅H、焊炬摆宽L；B、根据摆幅和摆宽计算焊接插补点Pi,i＝1,2…n，其中，奇数插补点在平面板材上，偶数插补点在圆柱体外表面上：a、由两位置向量确定圆弧焊缝的焊接方向；b、计算焊缝平面方向余弦值设定焊接所在平面为M，nx,ny,nz为焊缝平面方向余弦值；由M上的任意两向量叉乘可以得到其法向量，将法向量单位化后得到c、计算焊缝圆心角及单位插补角由圆心及焊接起点、目标点、辅助点得到三个位置向量设angSA为向量与向量夹角，angAT为向量与向量夹角，angST为向量与向量夹角。由向量的乘法公式可以获得angSA、angAT、angST的值，则由angSA、angAT、angST获得焊缝圆心角θ；由设定的焊炬摆宽L、焊炬摆幅H及圆弧半径r得到单位插补角θ0；d、求取焊缝焊接插补点Pi根据焊缝圆心角θ和单位插补角θ0，计算出焊接过程中焊炬摆动次数n；通过矩阵R左乘焊缝起点Pstart坐标得到中间插补点P′i(x′,y′,z′)的坐标值：[x′,y′,z′,1]T＝R[xs,ys,zs,1]T其中：R=C+nx2(1-C)nxny(1-C)-nzSnxnz(1-C)-nySx0nxny(1-C)+nzSC+ny2(1-C)nynz(1-C)-nxSy0nxnz(1-C)-nySnynz(1-C)+nxSC+nz2(1-C)z00001---(1)]]>式中C为cosαi，S为sinαi，nx、ny、nz为单位法向量的方向余弦值，x0、y0、z0为圆心O0的坐标值；平面板材上的焊缝焊接插补点由下式获得：其中：比例系数l1，由圆弧半径r及摆幅H确定，l1＝(r+H)/r；圆柱体上的焊缝焊接插补点由下式获得：其中，k为方向系数，由位置向量和法向量的关系确定：其中，简写为简写为则...

【技术特征摘要】
1.一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的空间三角摆焊方法，其步骤如下：
A、确定以下参数：焊接起点坐标Pstart(xs,ys,zs)、目标点坐标Ptarget(xt,yt,zt)(焊接终
点)、辅助点坐标Paux(xa,ya,za)，该辅助点为焊接起点和终点间圆弧焊缝上任意一点；辅助
点坐标Paux1(xa1,ya1,za1)，该辅助点为圆柱体外表面上的任意一点，圆弧焊缝的圆心为O0(x0,y0,z0)、半径为r；机器人基坐标系原点为O(0,0,0)；焊炬摆幅H、焊炬摆宽L；
B、根据摆幅和摆宽计算焊接插补点Pi,i＝1,2…n，其中，奇数插补点在平面板材上，偶
数插补点在圆柱体外表面上：
a、由两位置向量确定圆弧焊缝的焊接方向；
b、计算焊缝平面方向余弦值
设定焊接所在平面为M，nx,ny,nz为焊缝平面方向余弦值；由M上的任意两向量叉乘可以
得到其法向量，将法向量单位化后得到c、计算焊缝圆心角及单位插补角
由圆心及焊接起点、目标点、辅助点得到三个位置向量设
angSA为向量与向量夹角，angAT为向量与向量夹角，angST为向
量与向量夹角。由向量的乘法公式可以获得angSA、angA...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正谦，宋方方，
申请(专利权)人：南京埃斯顿机器人工程有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32