CN105855672A - 基于示教机器人的空间圆弧插补焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于示教机器人的空间圆弧插补焊接方法，包括：预设工件上任意空间圆弧上的任意三个点坐标值；根据三个点的坐标值确定与空间圆弧的坐标系、空间圆弧对应的空间圆的圆心、半径；根据机器人在工件坐标系下示教起始点的滚动角、俯仰角以及偏转角计算得到机器人在工件坐标系下的姿态矩阵；将姿态矩阵转换为空间圆弧坐标系下的初始矩阵；根据空间圆弧对应空间圆的圆心角确定初始矩阵绕空间圆弧坐标系的Z轴的旋转矩阵；根据初始矩阵以及旋转矩阵确定机器人插补圆弧的目标矩阵；将目标矩阵转换为工件坐标系下的插补矩阵；机器人根据插补矩阵进行圆弧插补焊接空间圆弧。本发明操作方法简单，加工精度可控，加工效率高。

Description

基于示教机器人的空间圆弧插补焊接方法

技术领域

本发明实施例涉及机器人运动控制领域，尤其涉及一种基于示教机器人的空间圆弧插补焊接方法。

背景技术

工业机器人由ISO8373[1]定义为自动控制，可编程，多用途的具有三个以上可编程轴的机器。机器人领域的工作为研究、设计和在制造中应用机器人系统。典型的应用包括焊接机器人、喷漆，装配，拾取和放置(如包装、码垛、SMT)，产品检验和测试。机器人以高耐力，高速度和高精度完成所有的工作。具有记忆再现功能的机器人。操作者预先进行示教，示教再现机器人记忆有关作业程序、位置及其他信息，然后按照再现指令，逐条取出解读，在一定精度范围内重复被示教的程序，完成工作任务。采用示教再现(te-aching/playback)方式(简称T/P方式),可使机器人具有通用性和灵活性。示教有直接示教和间接示教两种方法。直接示教是操作人员使用插入机器人手臂内的操作杆，按给定运动顺序示教动作内容，机器人自动把顺序、位置和时间等具体数值记录在存储器中。再现时，依次读出存储的信息，重复示教的动作过程。间接示教是采用示教盒(或称示教器)示教。操作者通过示教盒按键操纵完成空间作业轨迹点及其有关速度等信息的示教，然后用操作盘对机器人语言命令进行用户工作程序的编辑，并存储在示教数据区。再现时，机器人的计算机控制系统自动逐条取出示教命令与位置数据，进行解读、运算并作出判断，将各种控制信号送到相应的驱动系统或端口,使机器人忠实地再现示教动作。因此,T/P方式是用自动化机械代替人工作业的最直接的方法。教再现机器人主要用于汽车制造、机械加工等行业，在非制造业如电子工业、食品工业等也有应用。

目前科德机器人进行圆柱体低缘弧焊时主要使用示教方法，这就需要操作人员操作机器人，使工具中心点(TCP)遍历空间圆上的若干点，得到若干个小直线段来逼近圆弧。导致工作效率低下，精度不容易控制，加工效率较低等问题。

发明内容

本发明实施例提供一种基于示教机器人的空间圆弧插补焊接方法，以克服上述技术问题。

本发明提供一种基于示教机器人的空间圆弧插补焊接方法，包括：

预设工件上任意空间圆弧上的任意三个点坐标值，所述三个点包括：起始点、中间点以及结束点；

根据所述三个点的坐标值确定与所述空间圆弧的坐标系、所述空间圆弧对应的空间圆的圆心、半径；

根据机器人在所述工件坐标系下示教所述起始点的滚动角、俯仰角以及偏转角计算得到机器人在所述工件坐标系下的姿态矩阵；

将所述姿态矩阵转换为空间圆弧坐标系下的初始矩阵；

根据所述空间圆弧对应空间圆的圆心角确定所述初始矩阵绕所述空间圆弧坐标系的Z轴的旋转矩阵；

根据所述初始矩阵以及所述旋转矩阵确定所述机器人插补所述圆弧的目标矩阵；

将所述目标矩阵转换为工件坐标系下的插补矩阵；

所述机器人根据所述插补矩阵进行圆弧插补焊接所述空间圆弧。

进一步地，所述三个点的坐标值确定与所述空间圆弧的坐标系、所述空间圆弧对应的空间圆的圆心、半径，包括：

根据所述任意三个点的坐标值计算得到三个点对应的矢量值；

根据所述矢量值采用海伦公式计算得到三个点构成的三角形的面积；

根据所述三角形的面积求得所述三角形的外接圆半径；

采用起始点对应的矢量值作为空间圆弧坐标系的X轴、圆弧所在平面的法矢作为所述空间圆弧坐标系的Z轴构建所述三个点对应的圆弧在所述空间圆弧坐标系以及所述圆弧坐标系的矩阵；

设定所述圆弧为劣弧，求取所述三角形的外接圆圆心坐标；

判断中间点与所述圆心之间的距离是否等于所述外接圆半径，若是，则保存所述圆心坐标，若否，则按照所述圆弧为优弧求取所述三角形的外界圆圆心坐标。

进一步地，所述根据所述起始点与结束点对应空间圆的圆心角以及所述旋转矩阵确定所述机器人插补所述圆弧的目标矩阵，包括：

根据机器人的前端在空间圆弧上运行的线速度和所述空间圆半径计算插补所述圆弧的角速度；

根据所述角速度计算每个插补周期所对应的圆心角；

根据所述圆心角构建空间圆弧坐标系下绕z轴的目标矩阵。

本发明方法操作简单，加工精度可控，加工效率高，能够改善普通示教法的不足之处。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于示教机器人的空间圆弧插补焊接方法流程图；

图2为本发明计算空间圆弧所在的坐标系、计算圆弧的半径和圆心坐标流程图；

图3为本发明用滚动角、俯仰角以及偏转角计算机器人的初始工件坐标系流程图；

图4为本发明根据圆心角计算对应的目标坐标系流程图；

图5为本发明根据圆心角计算点到圆弧起点的矢量流程图；

图6为本发明基于示教机器人的空间圆弧插补焊接方法另一流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明基于示教机器人的空间圆弧插补焊接方法流程图，本实施例方法，包括：

步骤101、预设工件上任意空间圆弧上的任意三个点坐标值，所述三个点包括：起始点、中间点以及结束点；

步骤102、根据所述三个点的坐标值确定与所述空间圆弧的坐标系、所述空间圆弧对应的空间圆的圆心、半径；

步骤103、根据机器人在所述工件坐标系下示教所述起始点的滚动角、俯仰角以及偏转角计算得到机器人在所述工件坐标系下的姿态矩阵；

具体来说，在初始状态下可以得到起始点处在工件坐标系下的滚动角、俯仰角以及偏转角(Roll、Pitching、Yawing，以下简称RPY角)，根据这些滚动角、俯仰角以及偏转角可以计算得到机器人的初始坐标系M_T。如图3所示。

设RPY角分别为A，B，C，则可以得：

$M_T=\left[\begin{array}{ccc}1& & \\ & \cos A& \sin A\\ & -\sin A& \cos A\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos B& & -\sin B\\ & 1& \\ \sin B& & \cos B\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos C& \sin C& \\ -\sin C& \cos C& \\ & & 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

步骤104、将所述姿态矩阵转换为空间圆弧坐标系下的初始矩阵；

具体来说，计算得到M_T后，由于M_T是在全局下的工具坐标系，需要将其转换到空间圆弧所在的坐标系M_C下得到M_C下的初始坐标系M_C ^O＝M_TM^-1 _C＝M_TM^T _C。

步骤105、根据所述空间圆弧对应空间圆的圆心角确定所述初始矩阵绕所述空间圆弧坐标系的Z轴的旋转矩阵；

具体来说，矢量绕Z轴旋转的旋转转换矩阵为M_Z，设绕Z轴旋转角度为γ，则有

$M_Z=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\γ}& sin\mathrm{\γ}& \\ -sin\mathrm{\γ}& cos\mathrm{\γ}& \\ & & 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

在插补过程中，使γ等于圆弧旋转插补过程中得到的圆心角，使用M_C ^O绕Z轴旋转γ角度，得到每个插补点处的矩阵M_a＝M_C ^OM_Z，再经过变换得到工件坐标系下的目标矩阵M_A＝M_aM_C。

步骤106、根据所述初始矩阵以及所述旋转矩阵确定所述机器人插补所述圆弧的目标矩阵；

步骤107、将所述目标矩阵转换为工件坐标系下的插补矩阵；

步骤108、所述机器人根据所述插补矩阵进行圆弧插补焊接所述空间圆弧。

进一步地，所述三个点的坐标值确定与所述空间圆弧的坐标系、所述空间圆弧对应的空间圆的圆心、半径，包括：

根据所述任意三个点的坐标值计算得到三个点对应的矢量值；

根据所述矢量值采用海伦公式计算得到三个点构成的三角形的面积；

根据所述三角形的面积求得所述三角形的外接圆半径；

采用起始点对应的矢量值作为空间圆弧坐标系的X轴、圆弧所在平面的法矢作为所述空间圆弧坐标系的Z轴构建所述三个点对应的圆弧在所述空间圆弧坐标系以及所述圆弧坐标系的矩阵；

设定所述圆弧为劣弧，求取所述三角形的外接圆圆心坐标；

判断中间点与所述圆心之间的距离是否等于所述外接圆半径，若是，则保存所述圆心坐标，若否，则按照所述圆弧为优弧求取所述三角形的外界圆圆心坐标。

具体来说，如图2所示，预设工件上任意空间圆弧上的任意三个点，可以通过示教功能来实现。从而确定工件坐标系下三个点P1、P2、P3的坐标，这样就可以在工件坐标系下确定对应该三个点的空间圆弧。所述空间圆弧的坐标系、所述空间圆弧对应的空间圆的圆心、半径。本实施例中选定该圆弧为顺时针圆弧，并在此前提条件下，计算该圆所的坐标系，以及在这个坐标系下的圆心坐标值和圆的半径。在一个平面上的圆，不论它是顺时针和逆时针，总可以找到一个坐标系，使这个圆在这个坐标系中是顺时针。

首先确定圆弧所在的坐标系其中，在M_C坐标系下存在两种情况，一种是劣弧，一种是优弧。

如图5所示，在工件坐标系中，由三点坐标可得第三点到第一点的矢量为第二点到第一点的矢量为第三点到第二点的矢量为

则三角形面积由海伦公式可以求得S：

其中

外接圆半径

得到外接圆半径R后，根据该外接圆半径的求得圆心坐标。在M_C坐标系下如果为劣弧状态，圆心的坐标为

如果是优弧状态，圆心坐标为

本实施例中默认为劣弧情况计算圆心坐标P_C，然后再检测第二点到圆心的距离是否等于半径，如果不等于则实际情况为优弧状态，然后修改圆心坐标以满足实际情况。圆弧插补直接在M_C坐标系下进行，计算得到插补点后再转换到工件坐标系下输出。

进一步地，所述根据所述起始点与结束点对应空间圆的圆心角以及所述旋转矩阵确定所述机器人插补所述圆弧的目标矩阵，包括：

根据机器人的前端在空间圆弧上运行的线速度和所述空间圆半径计算插补所述圆弧的角速度；

根据所述角速度计算每个插补周期所对应的圆心角；

根据所述圆心角构建空间圆弧坐标系下绕z轴的目标矩阵。

举例说明，如图6所示，设三个点坐标依次分别为[10,10,0]、[20,20,10]、[30,10,0]，可以构建得到经过点P1、点P2、点P3的顺时针圆弧所在坐标系为

$M_C=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\\ 0& -\frac{1}{\sqrt{2}}& \frac{1}{\sqrt{2}}\end{array}\right],$

该圆弧半径根据公式计算得到R＝10.6066。

在M_C坐标系下按照假设圆弧为劣弧可以求得圆弧的圆心坐标为：

P_C＝[10，-3.53553，0]

点[20,20,10]经过计算：

[X₂-X₁ Y₂-Y₁ Z₂-Z₁]·M_C ^T＝[10,10,10]·M_C ^T

以求出在M_C坐标系下的坐标值为[10,14.1421,0]，可求得该点与圆心距离为17.67763，与求出的圆弧半径不吻合，那么认为当前圆弧为优弧，圆心坐标改为：

P_C＝[10，3.53553，0]

经过验证，和求出的圆弧半径相吻合。

如图4所示，设给定进给值F＝2000mm/min，系统插补周期为2ms，则F值转换单位为0.033mm/ms，对应角速度为0.033/10.6066＝0.003弧度/ms，可以得到每个插补周期圆心角增加的度数为Δθ＝(0.003*180/Pi)°。这样可以求得在插补过程中，任意时刻处在圆弧上插补的点距离起始点的圆心角

γ＝Δθ*T。

根据圆心角γ建立旋转矩阵

则可以根据公式(1)和(2)求出圆弧插补过程中任意时刻的在全局坐标下的目标矩阵为：

M_a＝M_TM^T _CM_ZM_C

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种基于示教机器人的空间圆弧插补焊接方法，其特征在于，包括：

预设工件上任意空间圆弧上的任意三个点坐标值，所述三个点包括：起始点、中间点以及结束点；

根据所述三个点的坐标值确定与所述空间圆弧的坐标系、所述空间圆弧对应的空间圆的圆心、半径；

根据机器人在所述工件坐标系下示教所述起始点的滚动角、俯仰角以及偏转角计算得到机器人在所述工件坐标系下的姿态矩阵；

将所述姿态矩阵转换为空间圆弧坐标系下的初始矩阵；

根据所述空间圆弧对应空间圆的圆心角确定所述初始矩阵绕所述空间圆弧坐标系的Z轴的旋转矩阵；

根据所述初始矩阵以及所述旋转矩阵确定所述机器人插补所述圆弧的目标矩阵；

将所述目标矩阵转换为工件坐标系下的插补矩阵；

所述机器人根据所述插补矩阵进行圆弧插补焊接所述空间圆弧。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三个点的坐标值确定与所述空间圆弧的坐标系、所述空间圆弧对应的空间圆的圆心、半径，包括：

根据所述任意三个点的坐标值计算得到三个点对应的矢量值；

根据所述矢量值采用海伦公式计算得到三个点构成的三角形的面积；

根据所述三角形的面积求得所述三角形的外接圆半径；

采用起始点对应的矢量值作为空间圆弧坐标系的X轴、圆弧所在平面的法矢作为所述空间圆弧坐标系的Z轴构建所述三个点对应的圆弧在所述空间圆弧坐标系以及所述圆弧坐标系的矩阵；

设定所述圆弧为劣弧，求取所述三角形的外接圆圆心坐标；

判断中间点与所述圆心之间的距离是否等于所述外接圆半径，若是，则保存所述圆心坐标，若否，则按照所述圆弧为优弧求取所述三角形的外界圆圆心坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述起始点与结束点对应空间圆的圆心角以及所述旋转矩阵确定所述机器人插补所述圆弧的目标矩阵，包括：

根据机器人的前端在空间圆弧上运行的线速度和所述空间圆半径计算插补所述圆弧的角速度；

根据所述角速度计算每个插补周期所对应的圆心角；

根据所述圆心角构建空间圆弧坐标系下绕z轴的目标矩阵。