CN104408226B - 一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法，首先确定插补起点的位置并根据所需焊接的轨迹得到插补周期与插补线速度，再根据椭圆参数方程，确定椭圆在每次插补过程中离心角的变化量，并将离心角的变化量转换为椭圆曲线中插补点坐标值的变化量，根据插补点坐标值的变化量得出下一插补点坐标和各坐标轴进给速度并传递给控制器，控制器将它们传递给各相应伺服电机，由伺服电机带动机械结构和焊机执行相应命令，完成插补。本发明可使焊机在焊接过程中速度不会发生突变，并且可以很大程度上发挥上位机的计算优势，加快系统运行速度，减小硬件部分的负担，能保证焊缝的一致性，现对焊机的柔性控制，提高焊接的质量。

Description

一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法

技术领域

本发明属于制造业自动化领域的管板焊接控制系统，尤其涉及一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法。

背景技术

随着计算机技术和自动化加工技术的发展，焊接自动化装备以及焊接机器人已经成为世界各国重点发展的重要装备，实现智能化的焊接自动化已经成为我国工业现代化发展的必然要求。在我国的焊接中小企业，普遍采用人工焊接实现对复杂焊缝的焊接，焊接质量受工人的熟练程度和技术影响较大，存在差异性，效率低，且焊接行业高辐射、金属烟尘、有害气体、射线和噪声等危害影响人体健康，造成招工难和人工成本居高不下等问题。因此实现复杂焊缝的自动化焊接是非常必要的，研究一种用于椭圆焊缝焊接的插补方法对实现散热器管板焊接具有重要意义。

焊接过程中常用的插补方法有逐点比较法与数字积分法(DDA)。逐点比较法可以保证在焊接过程中速度的平和性，但在多轴联动系统中插补不均匀，这对于对密封性要求很高的散热器管板焊接来说，很不适用；数字积分法利用弦长近似等于弧长来求插补点，在多轴联动系统中易于实现，且运算效率高，很适用于函数运算。但其在计算过程中使用了除法，使得数据处理起来比较复杂，且在实现过程中速度会随着被积函数的大小变化，插补速度不平稳，插补精度不高，很容易产生焊接缺陷。比较积分法，结合了比较法和积分法的优点，在每 一次脉冲进给时需比较各坐标进给脉冲间隔的大小，才能确定每次的具体进给的基准轴，每输出一个脉冲就得作偏差判别、坐标进给和新偏差计算，此外还需要进行过象限处理，计算繁琐。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法，可以确保焊机在焊接过程中速度不会发生突变，并最大程度上发挥上位机的计算优势，加快系统运行速度，减小硬件部分的负担，保证焊缝的一致性，提高焊接的质量。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法，其特征在于，包括以下步骤：

ST1：确定插补起点的位置；

ST2：根据所需焊接的轨迹得到插补周期与插补线速度；

ST3：结合椭圆参数方程，计算椭圆在每次插补过程中离心角的变化量；

ST4：将ST3中离心角的变化量转换为椭圆曲线中插补点坐标值的变化量，根据插补点坐标值的变化量得出下一插补点坐标和各坐标轴进给速度；

ST5：将ST4中计算出的下一个插补点的坐标和各坐标轴进给速度传递给控制器，控制器将它们传递给各相应伺服电机，由伺服电机带动机械结构和焊机执行相应命令，完成插补。

在插补开始前，如果插补起始点不是椭圆焦点，需要经过坐标变换将插补起始点转换成椭圆焦点。

在插补过程中，插补步长ΔL、插补周期T、线速度v满足：

ΔL＝v×T (1)，

所述插补线速度v满足：

其中，v_x和v_y分别是X轴方向速度与Y轴方向速度，

上述插补周期T固定，插补线速度v保持不变，则可得到保持不变的插补步长ΔL。

所述ST3中，离心角的变化量为离心角的增量，在焊接过程中，插补轨迹从M点移动到N点，离心角由θ_i变为θ_i+1，得到离心角增量Δθ_i为：

Δθ_i＝|θ_i+1-θ_i| (3)；

若插补周期T很小，且ΔL<<R,则有如下关系：

所述ST4中下一插补点坐标和各坐标轴进给速度计算如下：第i个插补点M的坐标为(x_i,y_i)，离心角为θ_i，由公式(3)可得出坐标为(x_i+1,y_i+1)的第i+1个插补点N的离心角θ_i+1，带入椭圆参数方程得到第i+1个插补点N的坐标(x_i+1,y_i+1)，进而得到第i+1个插补点的各坐标轴的进给量Δx_i+1、Δy_i+1：

所述第i+1个插补点各轴的进给量与进给速度满足：

根据式(5)得出各轴进给速度。

在ST5中，控制器控制伺服电机的速度和进给量，使其能够按照给定的速度和位移来进行移动，用有限条无限接近圆弧的直线段代替圆弧，实现椭圆轨迹的焊接。

所述焊接对象为管板。

所述椭圆焊接中插补完成的判断为：

(1)第i+1个插补点的坐标与起始点坐标一样，则表示插补即焊接结束；

或者

(2)在插补过程中将每一次插补的离心角的变化量叠加，最后得到叠加值为360°，即表示插补结束。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明将可控步长实时插补方法运用于本发明的插补方法中，减小了插补过程中的计算量，提高了焊接的插补效率和插补效果；

(2)本发明的焊接线速度保持一致，可以保证焊机在焊接过程中速度不会发生突变，保证了焊缝的一致性和均匀性，可以实现对焊机的柔性控制，因此可以适用于多轴联动和管板焊接；

(3)本发明的插补方法可以在焊接过程中很大程度的发挥上位机的计算优势，加快系统运行速度，减小硬件部分的负担。

附图说明

图1为本发明插补方法的插补流程图。

图2为椭圆离心角示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法，如图1所示，本发明包括以下步骤：

ST1：确定插补起点的位置；

ST2：根据所需焊接的轨迹得到插补周期与插补线速度；

ST3：结合椭圆参数方程，计算椭圆在每次插补过程中离心角的变化量；

ST4：将ST3中离心角的变化量转换为椭圆曲线中插补点坐标值的变化量，根据插补点坐标值的变化量得出下一插补点坐标和各坐标轴进给速度；

ST5：将ST4中计算出的下一个插补点的坐标和各坐标轴进给速度传递给控制器，控制器将它们传递给各相应伺服电机，由伺服电机带动机械结构和焊机执行相应命令，完成插补。

上述步骤的具体实施过程如下：

在本发明中，椭圆的参数方程为

其中，其长轴为a，短轴为b，θ是椭圆长轴(或短轴)所对应曲率圆半径的旋转角，即椭圆的离心角。

如图2所示，是一个以o为圆心的椭圆，和以o为圆心，分别以椭圆的长轴和短轴为半径的圆，M、N、C为椭圆圆周上的点，D 为椭圆长轴上的点，∠AOD为椭圆上点C的离心角。假设椭圆上任意点为M(x_i,y_i)、N(x_i+1,y_i+1)，则M、N点对应离心角为θ_i、θ_i+1。椭圆圆心角ψ是指椭圆上的点与椭圆焦点O之间的连线与X轴所形成的角，如图中∠COD为点C的圆心角。椭圆的离心角θ和圆心角ψ之间的关系为

tanθ＝tanψ·a/b (3)

如图2所示，椭圆上点M到焦点O距离OM为点M对应的曲率圆半径R_i，即OM＝R_i，并且有

本发明实施过程中，首先根据所需要焊接的轨迹得到插补周期T与插补线速度v，其中插补步长ΔL与插补周期T、线速度v三者满足关系式：

ΔL＝v×T (5)。

因为插补周期T一定，系统确定了插补线速度v，那么插补步长ΔL亦可确定。而插补线速度v是X轴方向速度v_x与Y轴方向速度v_y合成值，三个量之间满足三角函数关系：

在实际运行中，焊接的起始点已经确定，假设起始点的坐标为(x_i,y_i)，则起始的离心角θ_i与圆心角ψ_i也确定。如图2所示，在焊接过程中，随着插补轨迹从M点移动到N点，离心角由θ_i变为θ_i+1，离心角增量Δθ可表示为：

Δθ_i＝|θ_i+1-θ_i| (7)。

如图2所示的X、Y坐标系中，我们可以看到，如果焊接时从X的正轴采用顺时针方式进行焊接，则圆心角ψ_i和离心角θ_i会越来越小；反之，采用逆时针，圆心角ψ_i和离心角θ_i会越来越大。

有一些实施例在具体插补中，插补周期T很小，且ΔL<<R，那么离心角增量Δθ可表示为：

因此，当得到第i个插补点M的坐标(x_i,y_i)后，便可根据式(7)与式(8)得出第i+1个插补点N的离心角θ_i+1，从M点到N点的横、纵坐标的增量Δx_i+1、Δy_i+1为：

根据式(9)和式(1)，可以由椭圆第i个插补点的坐标(x_i,y_i)得到即可得出第i+1个插补点N的坐标(x_i+1,y_i+1)：

并可得到相应坐标轴进给量Δx_i+1、Δy_i+1。

X、Y轴的进给量与进给速度满足关系式为：

因此，可以由(9)、(11)推算出i+1个插补点处的各轴的进给速度。将i+1个插补点的坐标和各坐标轴进给速度传递给控制器，控制器将它们传递给各相应伺服电机，由伺服电机带动机械结构和焊机执行相应命令，进行插补，直到插补结束。

由上所述可知，本发明中的插补过程实质就是控制伺服电机的速度和进给量，使其能够按照给定的速度和位移来进行移动，用有限 条无限接近圆弧的直线段代替圆弧，实现椭圆轨迹的焊接。

在以管板为具体对象的实施例中，尤其是散热器管板的焊接中，因为管板的焊接轨迹是多个完整的椭圆，在研究焊接的方法中，只需要研究一个椭圆的焊接方法即可。

在本发明的实施过程中，焊接速度始终一致，即保持线速度v不变，避免因线速度不一致，造成的焊接轨迹不均匀，或焊不透或焊穿的现象。在插补过程中，由于插补步长ΔL和插补周期T固定，

因此由式(5)可知线速度v也可以确定，可以保证焊接过程的实际需要。

管板焊接后过程的具体插补过程流程图如附图1所示，在确定起始插补点时，由于在椭圆参数方程中，都是以椭圆焦点作为原点，但在实际插补过程中往往不能满足这个条件，因此在插补开始前需进行坐标转换，保证各点坐标可满足椭圆方程实现对其的计算。

插补过程如何结束，直接关系到插补方法的成功与否。在意散热器为对象的实施例中，插补过程的结束可通过以下两种方法来确定：

(1)计算出的第i+1个插补点的坐标与起始点坐标一样，便说明此焊孔焊接结束；

(2)在插补过程中将每一次的离心角的变化量Δθ_i叠加，每插补一次，叠加一次，通过计算，最后得到叠加值θ为360°，即表示插补结束。

综上所述，本发明所述的基于离心角变化的管板焊接椭圆插补方法，根据所需焊接轨迹得到插补周期与插补线速度，计算出插补点 下一插补点的离心角增量，进而得出插补进给量和插补速度，并将其传递给相应电机，以此来控制焊机完成相应的插补功能。该方法可保证焊机在焊接过程中速度不会发生突变，且插补方法基于软件可很大程度上发挥上位机的计算优势，加快系统运行速度，减小硬件部分的负担，能保证焊缝的一致性，从而实现对焊机的柔性控制，提高焊接的质量。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法，其特征在于，包括以下步骤：

ST1：确定插补起点的位置；

ST2：根据所需焊接的轨迹得到插补周期与插补线速度；

ST3：结合椭圆参数方程，计算椭圆在每次插补过程中离心角的变化量；

ST4：将ST3中离心角的变化量转换为椭圆曲线中插补点坐标值的变化量，根据插补点坐标值的变化量得出下一插补点坐标和各坐标轴进给速度；

ST5：将ST4中计算出的下一个插补点的坐标和各坐标轴进给速度传递给控制器，控制器将它们传递给各相应伺服电机，由伺服电机带动机械结构和焊机执行相应命令，完成插补；

所述ST3中，离心角的变化量为离心角的增量，在焊接过程中，插补轨迹从M点移动到N点，离心角由 变为，得到离心角增量为：

（3）；

所述ST4中下一插补点坐标和各坐标轴进给速度计算如下：

第i个插补点M的坐标为，离心角为，由公式（3）可得出坐标为的第i+1个插补点N的离心角，带入椭圆参数方程得到第i+1个插补点N的坐标，进而得到第i+1个插补点的各坐标轴的进给量、：

（4）

所述第i+1个插补点各轴的进给量与进给速度满足：

（5），

根据式（5）得出各轴进给速度，其中，T为插补周期，v为线速度。

2.根据权利要求1所述的一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法，其特征在于：在插补开始前，如果插补起始点不是椭圆焦点，需要经过坐标变换将插补起始点转换成椭圆焦点。

3.根据权利要求1所述的一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法，其特征在于：在插补过程中，插补步长、插补周期T 、线速度v满足：

（1），

所述插补线速度v满足：

（2），其中，和分别是X轴方向速度与Y轴方向速度，

上述插补周期T固定，插补线速度v保持不变，则可得到保持不变的插补步长。

4.根据权利要求1所述的一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法，其特征在于：在ST5中，控制器控制伺服电机的速度和进给量，使其能够按照给定的速度和位移来进行移动，用有限条无限接近圆弧的直线段代替圆弧，实现椭圆轨迹的焊接。

5.根据权利要求1所述的一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法，其特征在于：所述焊接对象为管板。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于离心角变化的管板焊接的椭圆插补方法，其特征在于：所述椭圆焊接中插补完成的判断为：

（1）第i+1个插补点的坐标与起始点坐标一样，则表示插补即焊接结束；

或者

（2）在插补过程中将每一次插补的离心角的变化量叠加，最后得到叠加值为360°，即表示插补结束。