CN102218578B - 基于径向偏置的机器人堆焊复杂外形工件的轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种基于径向偏置的机器人堆焊复杂外形工件的轨迹规划方法，该方法基于工件CAD模型自动规划机器人焊接路径，采用以工件截面一侧的轮廓线为偏置线，向截面另一侧轮廓线逐次进行径向偏移，自动生成该截面焊接轨迹线，以保证工件外形精度与轨迹线问的间距，消除环的自交与直线段消失等问题。对于曲率变化过大的偏置线，根据曲率特征进行分段偏置以适应复杂轮廓；根据焊接工艺要求以及工件模型的外形特征，设计修复算法，对偏移后的轨迹线进行调整以修复盲区，减少补焊和打磨所需的工作量。本方法适用于利用弧焊机器人堆焊具有不同外形包括复杂外形工件的场合，可大大缩短机器人堆焊作业的编程时间，显著提高机器人的使用效率。

Description

基于径向偏置的机器人堆焊复杂外形工件的轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及的是一种基于径向偏置的机器人堆焊复杂外形工件的轨迹规划方法，该方法可基于工件CAD模型自动规划机器人焊接路径，适用于利用弧焊机器人堆焊具有不同外形包括复杂外形工件的场合，属于焊接自动化、机械制造等领域。

背景技术

堆焊是用电焊或气焊法把金属熔化，堆在工具或机器零件基座上制造工件的焊接方法。特别是某些复杂外形工件使用铸造或锻造时具有局限性，必须使用堆焊。由于堆焊形成的工件具有结合强度高、残余应力小、周期短和效率高等优点，尤其是随着工业机器人的推广和普及，越来越多的厂家开始使用焊接机器人来完成堆焊工作了。

传统的机器人堆焊示教编程由操作人员在车间现场通过示教盒操纵机器人在工件各层截面示教一系列轨迹特征点，并在示教编程器上完成编程。对于复杂外形的工件，由于轨迹数量多且复杂，这种方法所需的示教编程时间非常长。堆焊路径需要操作人员根据知识与经验进行示教，所需操作人员的层次较高，而且在堆焊大型焊件时需示教的点会非常多，误差会变大，降低了机器人使用效率，不利于降低成本。

在熔焊成型轨迹规划中，为了保证零件的强度，各焊缝之间应有一定的重叠。目前发展出了多种适合堆焊的轨迹规划方法，通常采用的轨迹规划方式有两种：

一种是采用一条一条的扫描直线，把截面实心的部分给填充起来的轨迹规划方法。这种方法生成的截面外形精度不高，连贯性不好，生成的零件的翘曲、变形较为严重，并且由于系统惯性的影响，频繁的启停焊接设备形成的零件会有毛刺；但是它算法比较简单、速度快，并且如果采用好的分区扫描的方法，能够减轻零件的变形、翘曲，以及减少生成零件的表面毛刺。

另一种则是沿着截面的轮廓环一层一层向实心部分偏置(外环向内，内环向外偏置)的轨迹规划方法，对于单调区域执行外环向内的偏置，按照这种路径生成方法形成的截面外形精度高，并能很好地解决成型过程中的变形、翘曲问题，但是对于曲线轮廓，该方法难以保证轨迹间的间距一致，并且要处理环偏置后带来的环的自交问题以及直线段消失的问题。环的自交问题带来在相交部分会产生焊料堆积，而直线段消失的问题可能影响截面外形。

传统的轨迹规划需要人工进行对轨迹线的边界截取和盲区(即焊料无法到达的区域)手动修复。这样往往会造成盲区的焊料过多需要打磨，或者盲区的焊料过少需要补焊，从而增加人工时，降低了生产效率，并影响堆焊质量。

针对上述方法存在的问题，本发明设计了新的机器人堆焊轨迹规划方法——径向偏置法，采用以工件截面一侧的轮廓线为偏置线，向截面另一侧轮廓线逐次进行径向偏移，自动生成该截面焊接轨迹线，以保证工件外形精度与轨迹线间的间距，消除环的自交与直线段消失等问题；对于曲率变化过大的偏置线，根据曲率特征进行分段偏置以适应复杂轮廓；根据焊接工艺的要求以及水斗模型的外形特征，设计修复算法，对偏移后的轨迹线进行调整以修复盲区以减少补焊和打磨所需的工作量。

发明内容

本发明的目的是提供一种机器人堆焊复杂外形工件的离线自动轨迹规划方法。该方法基于工件CAD模型自动规划机器人焊接路径，采用以工件截面一侧的轮廓线为偏置线，向截面另一侧轮廓线逐次进行径向偏移，自动生成该截面焊接轨迹线，以保证工件外形精度与轨迹线间的间距，消除环的自交与直线段消失等问题。对于曲率变化过大的偏置线，根据曲率特征进行分段偏置以适应复杂轮廓；根据焊接工艺要求以及工件模型的外形特征，设计修复算法，对偏移后的轨迹线进行调整以修复盲区，减少补焊和打磨所需的工作量。本发明的具体技术方案如下：

一种基于径向偏置的机器人堆焊复杂外形工件的离线轨迹规划方法，该方法主要包含如下步骤：

(1)导入工件的三维CAD模型，按焊道高度截取一系列的截面；

(2)在截面上，根据焊道宽度与工件截面边界线的长度自动计算偏置距离：先由左边界线长度除以默认的焊道宽度，按四舍五入确定偏置距离，该偏置距离即为该层焊道宽度，通过自动调整焊接参数(焊接电流或速度)加以实现；

(3)采用径向偏置法将轨迹向内进行偏移，产生新的轨迹；

(4)对样条属性的偏置线(即新的轨迹)进行裁剪，去除工件外多余的轨迹线；

(5)对偏置线进行盲区修复，以消除盲区；

(6)对偏置后的各轨迹线进行排序，产生该截面的堆焊轨迹；

(7)从与工件基座直接熔接的第一层截面开始直至最高层截面，重复步骤(2)-(6)，产生整个工件的堆焊轨迹。

针对复杂空间形状的工件，选择工件截面一侧的轮廓线为偏置线进行偏置，偏置方式采用径向偏置的方法，首先获得偏置线的样条控制点，然后对偏置线上每一个控制点都沿着偏置线在该点的曲率半径方向向内移动一定的偏置距离，通过控制点形成一条新的样条曲线，得到一条与该偏置线直接相邻的焊接轨迹。然后，以新形成的焊接轨迹线为偏置线按上述方法继续进行偏置，直至截面另一端的轮廓线。

当偏置线上某些控制点曲率半径小于偏置距离无法完成径向偏置时，根据曲率特征，以曲率过大(即曲率半径小于偏置距离，此时轨迹偏置计算会产生奇异点并有较大轨迹误差)的控制点为断点对偏置线进行分段，将偏置线分为几个小段，对每一小段都按同样方法进行径向偏置，然后将偏置后的轨迹连接起来，使得径向偏置法能适用于堆焊复杂外形工件的轨迹规划。

为了减少堆焊后工件需要补焊和打磨的工作量，提高堆焊效率与质量，利用焊料的短时间流体状态，根据复杂外形工件的内轮廓与偏置线的几何关系、焊接工艺的要求，进行计算处理，对偏移后的轨迹线进行调整，以修复盲区，并给出修复算法。通过盲区修复，得到不会发生漏焊的轨迹的新的末点，然后对偏移后的轨迹进行样条曲线的控制点处理，从而达到修复盲区的目的。

本发明的有益效果是：采用本发明的轨迹规划方法，对一个基于三维CAD模型、具有复杂外形的工件能自动、迅速地生成堆焊轨迹。本发明提出的堆焊路径规划方法——径向偏置法，采用以轮廓线为偏置线进行径向偏移，相比现有的扫描线法更能适应较复杂的实体外形外轮廓面，产生更好的工件表面外形；相比现有的轮廓偏置法更能保证相邻焊接轨迹之间距离的一致，产生质量更好的堆焊路径规划；根据焊接工艺的要求以及水斗模型的外形特征，对偏移后的轮廓线进行调整以修复盲区。相比普通偏移方式有更好的堆焊效果，可显著减少需要补焊和打磨所需的工作量。堆焊轨迹自动规划技术及其软件模块也是实现焊接机器人堆焊系统的自动编程的关键技术与核心，可大大缩短机器人堆焊作业的编程时间，显著提高机器人的使用效率，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为典型的机器人堆焊系统示意图。其基本组成包括：弧焊机器人1、焊枪2、送丝机3、焊接电源4、堆焊工件5和工作台6。

图3为截取的各层截面轮廓线示意图。

图4为基于径向偏置的轨迹规划方法示意图，图中边界线41、内轮廓42、基准线(外轮廓线)43、L-Line44、R-Line45、46为求交裁剪指示。

图5为径向偏置示意图。

图6为修复盲区示意图。

图7为修复盲区简化示意图。

具体实施方式

结合附图对该发明做进一步的描述。

该方法的主要流程如参考图1所示，主要包括以下步骤：

(1)导入工件CAD图形文件；

(2)对工件三维CAD图形进行截面分层，获得截面轮廓线，并生成含有轮廓线的截面草图，如图3所示；

(3)在每个截面上，根据焊道宽度与工件边界线(图4中的线段A1至M和A2至N即为边界线)的长度自动计算径向偏置距离：先由左边界线长度除以默认的焊道宽度，按四舍五入确定偏置距离，该偏置距离即为该层焊道宽度，通过自动调整焊接参数(焊接电流或速度)加以实现；

(4)选择一侧轮廓线作为基准线，以该基准线为偏置线，依据径向偏置距离对偏置线进行偏置，得到相邻的新的轨迹线；

(5)如果偏置后的轨迹线与边界线或轮廓线存在交点，则对样条属性的偏置线(即新的轨迹)进行裁剪，去除工件外多余的轨迹线；

(6)为了获得更好的堆焊效果，利用焊料的短时间流体状态，根据复杂外形工件的内轮廓与偏置线的几何关系、焊接工艺的要求，进行计算处理，对偏移后的轨迹线进行调整，以修复盲区；

(7)以新形成的焊接轨迹线为偏置线按上述方法继续进行偏置，直至新轨迹线与截面另一端的轮廓线的最大距离小于偏置距离。然后对偏置后的各轨迹线进行排序，从而完成该截面的堆焊轨迹规划。再选择下一个位于该截面上方的截面，按同样方法进行轨迹规划，不断重复以上步骤，直至完成整个工件轨迹规划。

本方法的主要特点在于使用基于径向偏置的堆焊轨迹规划方法，规划步骤如下：

(1)选择一侧轮廓线作为基准线：

先取出四个点，将轮廓线分为上下左右四部分，取点的原则是：如果存在曲率不连续的点，则以该点作为分隔点之一。如果不存在四个或四个以上的曲率不连续点，则可用曲率半径过小的点作为其余的分隔点；如果存在大于四个的曲率不连续点，则按照两个分隔点之间轮廓长度相差不大和对称的原则取出其中四个。基准线将从4段轮廓线中选出，选择的原则如下：轮廓线尽量平滑且包含尽量少的曲率半径过小的点，选取的轮廓线尽量长。所选取的轮廓线称为外轮廓线，与其相对的另一侧轮廓线称为内轮廓线，左右两端的轮廓线即称为边界线。综合使用以上两个原则完成基准线的确定。

(2)以基准线作为首条偏置线，采用径向偏置方法对偏置线进行偏置：

首先获得偏置线的样条控制点；然后对偏置线上每一个控制点都沿着偏置线在该点的曲率半径方向向内移动一定的距离——偏置距离，得到新的控制点；通过一系列新控制点形成一条新的样条曲线，得到一条与该偏置线直接相邻的焊接轨迹。如图5所示，偏置线上控制点为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7，对每一个点取其曲率半径方向，然后分别移动一段距离至B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7，然后使用这些新的样条控制点形成新的样条曲线；

(3)以新形成的焊接轨迹线为偏置线按上述方法继续进行偏置，直至新轨迹线与截面另一端的轮廓线的最大距离小于偏置距离。

当偏置线某些控制点曲率半径小于偏置距离无法完成径向偏置时，根据偏置线曲率特征，以曲率半径过小的控制点为断点对偏置线进行分段，对每一小段都按同样方法进行径向偏置，然后将偏置后的曲线连接起来，使得径向偏置法能适用于堆焊复杂外形工件的轨迹规划。然后对偏置线进行自动裁剪，由于偏置线较长，可能超出截面轮廓，所以需要对工件截面区域外的部分进行裁剪并删除。

为了使得堆焊复杂外形工件的整体外形更好，利用焊料的短时间流体状态，利用复杂外形的内轮廓与偏置线的几何关系，参照堆焊工艺知识与堆焊实验数据，进行计算处理，对偏置后的轨迹线进行调整，以修复盲区，得到不会发生漏焊的轨迹的新的末点，然后对偏移后的轨迹进行样条曲线的控制点处理，从而达到修复盲区、减少堆焊后工件需要补焊和打磨的工作量的目的。

修复盲区的具体修复方法如下：在焊接过程中，当焊接至轨迹的末端时，此时末端温度很高，焊料并不会立刻凝固，而是在短时期内还处于流体状态，使得焊料会覆盖一定区域，如图6所示，该区域为以轨迹末端P₂为圆心，半径D/2的圆域，其中D为焊道宽度。利用该特性可以实现盲区修复。设上一条已经修复好的焊接轨迹线l₁以及它所形成的宽度为D的焊道的内边界l₄，未修复的原始焊接轨迹线l₂，与内轮廓线重合的最内侧焊接轨迹线l₃以及它所形成的宽度为D的焊道的内边界为l₅，l₄与l₅之间夹角为θ。由l₄、l₅和以P₂为圆心，半径为D/2的圆所围成的区域即为焊料无法到达的盲区。

设原轨迹l₂的末点为P₂，该轨迹的盲区宽度为d，修复后该轨迹的末点为P₃，允许的残留盲区宽度为d′，d′由焊料与焊接参数等因素确定。实验表明，当盲区宽度小于等于d′时，由于焊接时焊料的短时间流动性，残留盲区面积很小且深度很浅，在打磨时能轻易消除其影响。将l₄和l₅在P₁点附近的曲线简化为直线段，并将图6中与盲区相关部分简化为图7，下面给出确定P₃的方法。

P₁点出两直线的斜率分别为两条曲线l₄和l₅在交点P₁处切线斜率，其切线的单位矢量分别为

和

两矢量之间的夹角为θ。为了使得焊料在左右分布均匀，使得P₃点在和

的角平分线上。P₁的坐标已知，通过式(1)即可计算P₃的位置。

$\stackrel{\→}{p_1{p}_3}=\frac{(\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}+\stackrel{\→}{\mathrm{\β}})}{\left|\right|\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}+\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}\left|\right|}*(\frac{d^{\′}}{2}*\frac{\left|\right|\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}+\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}}{2}\left|\right|}{\sqrt{1-{\left|\right|\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}+\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}}{2}\left|\right|}^2}}+\sqrt{r^2-{(d^{\′}/2)}^2})---\left(1\right)$

将焊接轨迹线l₂从P₂延伸到P₃，即可完成该盲区的修复，用同样方法修复其它盲区。

在盲区修复完成后，将该截面上的所有轨迹线进行排序以生成该截面焊接轨迹序列。如图4所示，首先指定基准线的方向为R-Line(向右)还是L-Line(向左)。A1A2线为R-Line，然后按照“Z字型”路径自动连接相邻的偏置线，并改变路径方向，最后焊接内轮廓；B2B1线为L-Line，反之亦然。以此类推，最终生成整个截面焊接轨迹序列。图4所示截面的焊接轨迹序列为：A1A2-R2R1-C1C2-D2D1-E1E2-F2F1-G1G2-H2H1。

Claims (4)

1.一种基于径向偏置的机器人堆焊复杂外形工件的轨迹规划方法，其特征在于包括步骤：

1）在工件的三维CAD模型中，按焊道高度截取一系列的截面；

2）在截面上，根据焊道宽度与工件截面边界线的长度自动计算偏置距离：

3）采用径向偏置法将焊接的轨迹向内进行偏移，产生新的轨迹，该轨迹是样条属性的偏置线；

4）对样条属性的偏置线即新的轨迹进行裁剪，去除工件外的多余轨迹线；

5）对所述偏置线进行盲区修复，以消除盲区；

6）对偏置后的各轨迹线进行排序，生成该截面的堆焊轨迹；

7）从与工件基座直接熔接的第一层截面开始直至最高层截面，重复步骤2）～6），产生整个工件的堆焊轨迹；

所述步骤5）中，修复盲区的方法如下：

设修复前原焊接轨迹l₂的末点为P₂，P₂点焊料可达区域为以P₂为圆心，半径D/2的圆域，其中D为焊道宽度；设上一条已经修复好的焊接轨迹线l₁以及它所形成的宽度为D的焊道的内边界l₄，与内轮廓线重合的最内侧焊接轨迹线l₃以及它所形成的宽度为D的焊道的内边界为l₅，l₄与l₅之间夹角为θ；由l₄、l₅和以P₂为圆心，半径为D/2的圆所围成的区域即为盲区；

设原焊接轨迹l₂在末点P₂处的盲区宽度为d，修复后该轨迹的末点为P₃，允许的残留盲区宽度为d'；将l₄和l₅在P₁点附近的曲线简化为直线段，并将盲区相关部分简化，简化与修复方法是：

P₁点处两直线的斜率分别为两条曲线l₄和l₅在交点P₁处切线斜率，其切线的单位矢量分别为

和

两矢量之间的夹角为θ；使得P₃点在

和

的角平分线上；P₁的坐标已知，通过式(1)即可计算P₃的位置：

$\stackrel{\→}{p_1{p}_3}=\frac{(\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}+\stackrel{\→}{\mathrm{\β}})}{\left|\right|\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}+\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}\left|\right|}*(\frac{d^{\′}}{2}*\frac{\left|\right|\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}+\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}}{2}\left|\right|}{\sqrt{1-{\left|\right|\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}+\stackrel{\→}{\mathrm{\β}}}{2}\left|\right|}^2}}+\sqrt{r^2-{(d^{\′}/2)}^2})---\left(\text{1}\right)$

将焊接轨迹线l₂从P₂延伸到P₃，即可完成该盲区的修复。

2.如权利要求1所述的基于径向偏置的机器人堆焊复杂外形工件的轨迹规划方法，其特征在于:所述步骤3）中，针对复杂空间形状的工件，选择工件截面一侧的轮廓线为偏置线进行偏置，偏置方式采用径向偏置法，径向偏置法的步骤包括：

a）获得偏置线的样条控制点；然后对偏置线上每一个控制点都沿着偏置线在该点的曲率半径方向向内移动偏置距离，得到新的控制点；通过一系列的新控制点形成一条新的样条曲线，即得到一条与该偏置线直接相邻的焊接轨迹；

b）以所述新形成的焊接轨迹线为偏置线，按步骤a）中的方法继续进行偏置；如此重复，直至截面另一侧的轮廓线；

所述步骤a）中，当偏置线上某些控制点曲率半径小于偏置距离无法完成径向偏置时，根据曲率特征，以曲率过大的控制点为断点对偏置线进行分段，将偏置线分为几个小段，对每一小段都按步骤a）中的方法进行径向偏置，然后将偏置后的曲线连接起来得到焊接轨迹。

3.如权利要求1所述的基于径向偏置的机器人堆焊复杂外形工件的轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤6）中，对偏置后的各轨迹线进行排序的方法是：

首先指定基准线的方向为向右R-Line还是向左L-Line；对于R-Line按照Z字型路径连接相邻的轨迹线，并改变路径方向，最后焊接内轮廓；对于L-Line，方向相反，其它相同；以此类推，最终生成整个截面焊接轨迹序列。

4.如权利要求1所述的基于径向偏置的机器人堆焊复杂外形工件的轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤2）中，偏置距离的计算方法是，先由左边界线长度除以默认的焊道宽度，按四舍五入确定偏置距离，该偏置距离即为该层焊道宽度，通过自动调整焊接参数加以实现。

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