CN108994418A - 一种管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人运动控制的技术领域，公开了一种管‑管相贯线机器人运动轨迹规划方法，包括以下步骤：步骤一、按照设定安放规则，利用夹具将管‑管工件固定在工作台上，设置六轴弧焊机器人的焊枪与所述管‑管工件的相贯线的空间位置；步骤二、在工件坐标系下，把相贯线按照弧长等分原则划分得到偶数个相贯线特征位置点，在六轴弧焊机器人坐标系下，根据所述空间位置，确定对应所述相贯线特征位置点的焊枪位置点；步骤三、利用MATLAB软件拟合出与所述管‑管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的焊枪姿态方程。本发明提高了焊接效率，改善了焊接质量，对实际的工业生产应用具有重要的意义。

Description

一种管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法
技术领域
本发明属于机器人运动控制的技术领域，具体涉及一种管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法。
背景技术
焊接机器人的轨迹规划是焊接机器人在规定时间内按照一定的速度和加速度，从初始状态移动到某个规定的目标状态的过程。焊接机器人的空间轨迹规划方法主要有关节空间轨迹规划法和笛卡尔空间轨迹规划法两种，无论是哪种方法，均需保证所规划的轨迹在时间上满足实时性，又可以平滑调速，并且满足焊接工艺参数的要求，保证焊接机器人按照最优路径进行施焊。而相贯线焊缝在实际工业生产中是十分常见的典型焊缝形式，尤其在管道工程和大型压力容器生产过程中，焊接这种空间曲面焊缝劳动强度大且焊接质量不易保证，所以越来越多地采用焊接机器人来进行相贯线的焊接；而目前针对管-管相贯线的焊接，还没有一种针对它的比较好的机器人的运动轨迹规划方法。
经对现有技术文献检索分析，发现现有的机器人轨迹规划方法很难有一种通用的轨迹插补算法，使得既能在时间上满足实时性，又可以平滑调速，同时完成笛卡尔空间和关节空间各种类型的插补；焊接机器人又要综合考虑焊接工艺参数对焊接枪体姿态和运动轨迹的影响，现有的机器人焊接空间轨迹与焊接工艺参数的联合规划也很难将两者有机的统一结合起来，从而进一步提高焊接效率、改善焊接质量。冯日月、王继虎的“一种工业机器人轨迹五次多项式规划方法”(申请号201710770454.0)中提出一种工业机器人轨迹五次多项式规划方法，保证了规划曲线运动趋势类似S型规划，形状固定，同时保留了五次曲线固有的优势，有利于保证各个轴及焊接枪头的平稳性，对进行最优路径焊接是有所帮助的，但该方法是基于时间进行规划的，很难保证机器人各轴的精确位置，尤其是轴末端在空间的具体位置，从而也就无法保证其上的焊接枪头的精确位置，无法保证精确施焊；而刘志峰、许静静的“一种考虑末端运动误差的六自由度机器人轨迹规划方法”(申请号201710047955.6)中提出的采用关键路径点来保证追踪精度，从而进一步减小机器人轴末端空间位置的追踪误差，但其没有考虑到轴上连接焊枪之后由于焊枪位置而带来的累积误差，并且该方法在保证末端精度的情况下，很难兼顾各个轴的姿态及误差，从而不能够很好的调节焊枪姿态来达到最佳轨迹进行施焊。
发明内容
本发明提供了一种管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法，解决了现有规划方法的空间曲线焊接精度及焊接质量难以兼顾等问题。
本发明可通过以下技术方案实现：
一种管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法，包括以下步骤：
步骤一、按照设定安放规则，利用夹具将管-管工件固定在工作台上，设置六轴弧焊机器人的焊枪与所述管-管工件的相贯线的空间位置；
步骤二、在工件坐标系下，把相贯线按照弧长等分原则划分得到偶数个相贯线特征位置点，在六轴弧焊机器人坐标系下，根据所述空间位置，确定对应所述相贯线特征位置点的焊枪位置点；
步骤三、利用MATLAB软件拟合出与所述管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的焊枪姿态方程。
进一步，所述相贯线特征位置点包括相贯线的最高点、最低点，共四个。
进一步，所述空间位置设置为六轴弧焊机器人的焊枪中心轴线平分相贯线的焊缝角，且垂直于相贯线的焊缝所在切面，所述设定安放规则设置为将管-管工件的横管水平放置，使其相贯线的开口向上，再将管-管工件的竖管垂直放入所述开口。
进一步，将所述相贯线特征位置点及其对应的焊枪位置点等分成两个部分，利用MATLAB软件对两个所述部分分别进行二次多项式拟合，获得与所述管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的焊枪姿态方程。
进一步，所述步骤三中的利用MATLAB软件拟合出与所述管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的焊枪姿态方程的方法包括：
步骤Ⅰ、以所述相贯线的两个最低点为界，将所有所述相贯线特征位置点均分为二；
步骤Ⅱ、以其中一个最低点为起点，另一个最低点为终点，所述焊枪沿相贯线的轨迹从起点经所述相贯线的一个最高点移动到终点，再从终点经所述相贯线的另一个最高点移动到起点，结合所有的相贯线特征位置点以及对应的焊枪位置点，利用如下方程式1进行二次多项式拟合，获得常数系数a0～a9，
Xi＝a0+a1x+a2x2+a3y+a4y2+a5z+a6z2+a7xy+a8xz+a9yz (1)
其中，Xi表示所述六轴弧焊机器人的第i个轴的坐标值，i＝1,2...6，x,y,z表示工件坐标系下对应的坐标值；
步骤Ⅲ，将所述常数系数a0～a9代入所述方程式1，即可得到与所述管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的关于x、y、z的焊枪姿态方程。
进一步，以所述横管和竖管的轴向中心线的交点为原点，建立三轴的工件坐标系，在所述工件坐标系，相贯线的轨迹方程式表示为R1,R2分别表示横管、竖管的外径，执行权利要求3所述的方法，拟合出Xi关于x的单值拟合曲线，如下方程式2所示，即为与所述管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的关于x的焊枪姿态方程
其中，Xi表示所述六轴弧焊机器人的第i个轴的坐标值，i＝1,2...6，x表示工件坐标系下对应的坐标值。
本发明有益的技术效果如下：
通过弧线长度等分原则，对管-管相贯线进行分段，找出相贯线特征位置点，至少包括两个最高点、两个最低点以及对应该相贯线特征位置点的焊枪位置点，利用MATLAB软件对相贯线特征位置点及其对应的焊枪位置点进行二次多项式拟合，获得与管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的焊枪姿态方程。本方法以相贯线的最高点、最低点为界进行拟合，包含了整个焊接过程下降-上升-下降-上升的四个阶段，涵盖了全位置焊接的各种方式，获得六轴弧焊机器人的较优施焊路径，使得六轴弧焊机器人针对管-管相贯线的自动施焊及姿态调整和后续的编程改进更为便捷，并且提高了焊接效率，改善了焊接质量，对实际的工业生产应用具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的总体方案流程图；
图2为本发明的工件坐标系的示意图，其中，标识Ⅰ、Ⅱ分别标识左视图、和右视图，A、C、B、D分别表示相贯线的最高点和最低点；
图3为本发明的六轴弧焊机器人六个轴的轴坐标分别关于x轴坐标的拟合曲线，在工件坐标系下x轴的值从16.7逆时针向-16.7变化的状况下，其中，米点表示原始数据，点状线表示拟合曲线，标识a、b、c、d、e、f分别代表轴弧焊机器人第1、2、3、4、5、6轴；
图4为本发明的六轴弧焊机器人六个轴的轴坐标分别关于x轴坐标的拟合曲线，在工件坐标系下x轴的值从16.7逆时针向-16.7变化的状况下，其中，米点表示原始数据，点状线表示拟合曲线，标识α、β、γ、δ、ε、ζ分别代表轴弧焊机器人第1、2、3、4、5、6轴。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
对管-管相贯线的焊接属于空间曲面的焊缝，包括平焊、立焊、仰焊等过程，需要采用全位置焊接的方式，在整个焊接过程中，焊枪姿态的偏差会对最后成形的焊缝质量造成很大的影响，因此，需要规划一种较优的施焊路径，既可以保证焊接质量，又可以提高焊接效率。
如图1所示，本发明的总体方案流程图。本发明提供了一种管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法，包括以下步骤：
步骤一、按照设定安放规则，利用夹具将管-管工件固定在工作台上，设置六轴弧焊机器人的焊枪与管-管工件的相贯线的空间位置；
该设定安放规则设置为将管-管工件的横管水平放置，使其相贯线的开口向上，再将管-管工件的竖管垂直放入开口，即整个管-管工件垂直于工作台固定，该空间位置设置为六轴弧焊机器人的焊枪中心轴线平分相贯线的焊缝角，且垂直于相贯线的焊缝所在切面，即采取焊枪既不前倾也不后倾的方式对相贯线进行焊接。
步骤二、在工件坐标系下，把相贯线按照弧长等分原则划分得到偶数个相贯线特征位置点，在六轴弧焊机器人坐标系下，根据上述空间位置，确定对应相贯线特征位置点的焊枪位置点；
以横管和竖管的轴向中心线的交点为原点，建立三轴的工件坐标系，如图2所示，其中，x轴平行于横管的轴向中心线，y轴垂直于横管的轴向中心线，z轴平行于竖管的轴向中心线，在该工件坐标系下，相贯线的轨迹方程式表示为R1,R2分别表示横管、竖管的外径，利用弧长等分原则，对管-管相贯线进行分段，找出50个相贯线特征位置点，然后，在六轴弧焊机器人坐标系下，手动调整六轴弧焊机器人的焊枪，使其对准相贯线特征位置点，根据上述空间位置，确定对应相贯线特征位置点的50个焊枪位置点。
为了保证焊接质量，相贯线特征位置点需要包括相贯线的两个最高点A、B，两个最低点C、D，即与横管或者竖管的轴向中心线平行的平行线与相贯线的交点。
步骤三、将所述相贯线特征位置点及其对应的焊枪位置点等分成两个部分，利用MATLAB软件对两个部分分别进行二次多项式拟合，获得与管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的焊枪姿态方程。具体过程如下：
步骤Ⅰ、以相贯线的两个最低点为界，将所有的相贯线特征位置点均分为二；
步骤Ⅱ、以其中一个最低点为起点，另一个最低点为终点，焊枪沿相贯线的轨迹从起点经相贯线的一个最高点移动到终点，再从终点经相贯线的另一个最高点移动到起点，即以工件坐标系下x的坐标从16.7mm到-16.7mm的相贯线的一侧运动，和x坐标从-16.7mm到16.7mm的相贯线的另一侧运动，包含了整个焊接过程下降-上升-下降-上升的四个阶段，涵盖了全位置焊接过程中焊枪可能出现的各种姿势，是一种较好的施焊路径，为获取最优的姿态方程打下良好的基础，结合所有的相贯线特征位置点以及对应的焊枪位置点，利用如下方程式1进行二次多项式拟合，获得常数系数a0～a9，
Xi＝a0+a1x+a2x2+a3y+a4y2+a5z+a6z2+a7xy+a8xz+a9yz (1)
其中，Xi表示六轴弧焊机器人的第i个轴的坐标值，i＝1,2...6，x,y,z表示工件坐标系下对应的坐标值；
步骤Ⅲ，将计算得到的常数系数a0～a9代入方程式1，即可得到与管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的关于x、y、z的焊枪姿态方程。
基于工件坐标系下，管-管马鞍形相贯线轨迹方程将式中的y、z坐标用x坐标表示，即执行步骤三所述的方法，拟合出Xi关于x的单值拟合曲线，如下方程式2所示，即为与管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的关于x的焊枪姿态方程
其中，Xi表示所述六轴弧焊机器人的第i个轴的坐标值，i＝1,2...6，x表示工件坐标系下对应的坐标值。
如图3和4所示，通过MATLAB软件进行二次多项式拟合，当工件坐标系下x轴的值从16.7逆时针向-16.7变化时，即焊枪从相贯线的最高点A，经过最低点D移动到达最高点C，得到的六轴弧焊机器人六个轴的轴坐标分别关于x轴坐标的拟合曲线如图3所示，当工件坐标系下x轴的值从-16.7逆时针向16.7变化时，即焊枪从从相贯线的最高点C，经过最低点B移动到达最高点A，得到的六轴弧焊机器人六个轴的轴坐标分别关于x轴坐标的拟合曲线如图4所示，由x轴坐标分段的两部分图可以看出，六条拟合曲线与50组原始数据即50个相贯线特征位置点及其对应的50个焊枪位置点的同步性良好，表明拟合函数较为合理有效。
本发明通过弧线长度等分原则，对管-管相贯线进行分段，找出相贯线特征位置点，至少包括两个最高点、两个最低点以及对应该相贯线特征位置点的焊枪位置点，利用MATLAB软件对相贯线特征位置点及其对应的焊枪位置点进行二次多项式拟合，获得与管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的焊枪姿态方程。本方法以相贯线的最高点、最低点为界进行拟合，包含了整个焊接过程下降-上升-下降-上升的四个阶段，涵盖了全位置焊接的各种方式，获得六轴弧焊机器人的较优施焊路径，使得六轴弧焊机器人针对管-管相贯线的自动施焊及姿态调整和后续的编程改进更为便捷，并且提高了焊接效率，改善了焊接质量，对实际的工业生产应用具有重要的意义。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、按照设定安放规则，利用夹具将管-管工件固定在工作台上，设置六轴弧焊机器人的焊枪与所述管-管工件的相贯线的空间位置；
步骤二、在工件坐标系下，把相贯线按照弧长等分原则划分得到偶数个相贯线特征位置点，在六轴弧焊机器人坐标系下，根据所述空间位置，确定对应所述相贯线特征位置点的焊枪位置点；
步骤三、利用MATLAB软件拟合出与所述管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的焊枪姿态方程。
2.根据权利要求1所述的管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法，其特征在于：所述相贯线特征位置点包括相贯线的最高点、最低点，共四个。
3.根据权利要求1所述的管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法，其特征在于：所述空间位置设置为六轴弧焊机器人的焊枪中心轴线平分相贯线的焊缝角，且垂直于相贯线的焊缝所在切面，所述设定安放规则设置为将管-管工件的横管水平放置，使其相贯线的开口向上，再将管-管工件的竖管垂直放入所述开口。
4.根据权利要求1所述的管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法，其特征在于：将所述相贯线特征位置点及其对应的焊枪位置点等分成两个部分，利用MATLAB软件对两个所述部分分别进行二次多项式拟合，获得与所述管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的焊枪姿态方程。
5.根据权利要求4所述的管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤三中的利用MATLAB软件拟合出与所述管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的焊枪姿态方程的方法包括：
步骤Ⅰ、以所述相贯线的两个最低点为界，将所有所述相贯线特征位置点均分为二；
步骤Ⅱ、以其中一个最低点为起点，另一个最低点为终点，所述焊枪沿相贯线的轨迹从起点经所述相贯线的一个最高点移动到终点，再从终点经所述相贯线的另一个最高点移动到起点，结合所有的相贯线特征位置点以及对应的焊枪位置点，利用如下方程式1进行二次多项式拟合，获得常数系数a0～a9，
Xi＝a0+a1x+a2x2+a3y+a4y2+a5z+a6z2+a7xy+a8xz+a9yz (1)
其中，Xi表示所述六轴弧焊机器人的第i个轴的坐标值，i＝1,2...6，x,y,z表示工件坐标系下对应的坐标值；
步骤Ⅲ，将所述常数系数a0～a9代入所述方程式1，即可得到与所述管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的关于x、y、z的焊枪姿态方程。
6.根据权利要求5所述的管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法，其特征在于：以所述横管和竖管的轴向中心线的交点为原点，建立三轴的工件坐标系，在所述工件坐标系，相贯线的轨迹方程式表示为R1,R2分别表示横管、竖管的外径，执行权利要求3所述的方法，拟合出Xi关于x的单值拟合曲线，如下方程式2所示，即为与所述管-管工件的相贯线对应的六轴弧焊机器人的关于x的焊枪姿态方程
其中，Xi表示所述六轴弧焊机器人的第i个轴的坐标值，i＝1,2...6，x表示工件坐标系下对应的坐标值。
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