CN109773376A - 一种焊接机器人的正弦摆焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接机器人的正弦摆焊方法，包括1)、根据机器人TCP点确定当前工具坐标系的T_z方向，T_z方向与焊缝轨迹当前点的行进方向构成第一平面，第一平面的法向量与焊缝轨迹当前点的行进方向构成的平面作为摆动的基准平面；2)、由摆动的基准平面绕焊缝轨迹当前点的行进方向旋转角度θ₁后形成的平面为摆动平面X_wO_wY_w；3)、建立动态摆动平面；4)、确定正弦形状并计算摆动增量；5)、计算基坐标系下的增量；6)、根据基坐标系下的摆动增量及焊枪行进轨迹，最终得到实时变化的正弦焊接轨迹。基于焊缝轨迹的插补点确定摆动的基准平面，进而通过旋转角度确定摆动平面，通过确定合理的正弦形状和设置合理的摆幅和摆动频率，提高焊接机器人的焊接效果。

Description

一种焊接机器人的正弦摆焊方法

技术领域

本发明涉及一种焊接机器人的正弦摆焊方法。

背景技术

焊接机器人的摆动焊接(简称摆焊)是焊枪沿着焊缝方向行进同时纵向以一定规律摆动的焊接方式。它提高了焊接强度和焊接效率，在自动化焊接技术中得到广泛的应用，具有实际工程意义。在实际工程中，直线焊缝、圆弧焊缝和抛物线焊缝是比较常见的焊缝形式。根据摆焊运条的形状可分为锯齿摆焊、正弦摆焊、三角摆焊及圆形摆焊等。其中，正弦摆焊是指焊枪末端沿着焊接方向做连续的正弦运动，并不断沿着焊接方向进给，从而实现摆焊的一种焊接方式。相比锯齿摆焊、三角摆焊、圆形摆焊等，正弦摆焊方法使得焊接机器人关节运动非常光滑，同时根据不同应用场合调整摆幅和频率，可以明显提高焊缝的强度和韧性，在焊接工艺中具有广泛的应用。

现有的焊接机器人的正弦摆焊方法中，焊接摆动平面一般要求用户自行设置，并且在一条焊缝的焊接过程中焊接平面固定不变。这种自行设置摆动平面的方法对操作人员有一定的技术要求，如果摆动平面设置不合理，将会大大降低焊接质量；而且在焊接过程中摆动平面固定不变，对于复杂的焊缝来说(如曲线焊缝)，可能需要分为多段小焊缝，设置多个焊接平面才能满足焊接工艺需求，这样大大降低了焊接的灵活性，限制了焊接的应用场合，影响了焊接的效果。

针对以上提出的不足问题，需要提出一种摆动平面与工具(焊枪)姿态及焊接行进方向相关，无需用户自行设置，且实时变化的正弦摆焊方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焊接机器人的正弦摆焊方法，解决现有技术中在焊接过程中摆动平面固定不变，需要将复杂的焊缝分为多段小焊缝，设置多个焊接平面才能满足焊接工艺需求，焊接的灵活性低，焊接的效果差的技术问题。

为了实现上述目的，本发明专利技术方案如下：

一种焊接机器人的正弦摆焊方法，包括如下步骤：

1)、建立摆动的基准平面：根据机器人TCP点确定当前工具坐标系的T_z方向，T_z方向与焊缝轨迹当前点的行进方向构成第一平面，第一平面的法向量与焊缝轨迹当前点的行进方向构成的平面作为摆动的基准平面；

2)、建立摆动平面：由摆动的基准平面绕焊缝轨迹当前点的行进方向旋转角度θ₁后形成的平面为摆动平面X_wO_wY_w；

3)、建立动态摆动平面：每隔一定时间周期T重复步骤1)和步骤2)，重新计算摆动平面，形成动态摆动平面；

4)、确定正弦形状并计算摆动增量：在焊接过程中，焊枪绕垂直摆动平面X_wO_wY_w的轴线Z_w旋转θ₂，该旋转θ₂角度决定了正弦摆线的形状，在摆动平面内根据正弦摆线的形状计算摆动增量：

5)、计算基坐标系下的增量：根据摆动平面与基标系的转换关系，将摆动空间内的增量转换为基坐标下的增量；

6)、实时生成正弦摆焊轨迹：根据基坐标系下的摆动增量及焊枪行进轨迹，最终得到实时变化的正弦焊接轨迹。

本发明基于焊缝轨迹的插补点确定摆动的基准平面，进而通过旋转角度确定摆动平面。基于摆动平面正弦轨迹的插补，通过确定合理的正弦形状和设置合理的摆幅和摆动频率，可以明显提高焊接机器人的焊接效果。本发明提出的摆动平面根据焊缝轨迹实时变化，在原轨迹上进行相应正弦插补增量叠加的方法，适应于常见焊缝的摆焊；不仅可用于焊接机器人的正弦摆焊，也可用于焊接机器人的其他摆焊方式以及其他能够进行运动的焊接装置。

进一步改进，所述步骤1)中，基准平面的建立方法如下：

1.1)、计算焊缝轨迹当前点的行进方向，该前进方向为焊缝轨迹当前点的切线方向：

其中：基坐标下的(x,y,z)为当前插补点的位置坐标，(x_last,y_last,z_last)为记录的前一个插补点的位置坐标；

1.2)、以焊缝轨迹当前点的行进方向为X_w0轴，将工具坐标系的T_z与X_w0的叉乘(T_z×X_w0)作为Y_w0轴，将当前插补点的位置(x,y,z)作为原点O_w0；平面X_w0O_w0Y_w0作为摆动的基准平面。

进一步改进，所述步骤2)中，在摆动的基准平面X_w0O_w0Y_w0基础上右乘旋转矩阵得到最终的摆动空间的各个轴X_w、Y_w及Z_w、及摆动平面X_wO_wY_w。

其中：X_w轴的单位向量(n_x,n_y,n_z)^T，Y_w轴的单位向量(s_x,s_y,s_z)^T，Z_w轴的单位向量(a_x,a_y,a_z)^T，将当前插补点的位置(x,y,z)作为原点O_w。

进一步改进，所述步骤4)中，在摆动平面内根据正弦摆线的形状按如下公式计算摆动增量：

其中：d_wx为在摆动平面内X_w轴的增量，d_wy为在摆动平面内Y_w轴的增量，d_wz为在摆动空间内Z_w轴的摆动增量，A为摆幅，f为摆动频率，t为焊接时间。

进一步改进，所述步骤5)中，根据摆动平面与基标系的转换关系，将摆动空间内的增量(d_wx,d_wy,d_wz)转换为基准坐标下的增量(d_x,d_y,d_z)，转换关系如下式：

(d_x,d_y,d_z)^T＝R·(d_wx,d_wy,d_wz)^T；

其中，R为摆动平面与机器人基坐标之间的转换矩阵，表示为(n_x,n_y,n_z)^T为X_w轴的单位向量，(s_x,s_y,s_z)^T为Y_w轴的单位向量，(a_x,a_y,a_z)^T为Z_w轴的单位向量。

本发明采用上述技术方案具有如下明显的技术效果：

1)、本发明提出的正弦摆焊方法，摆动平面无需用户自行设置，操作简单。

2)、本发明提出的正弦摆焊方法，摆动平面随工具姿态及焊接行进方向实时变化，大大提高了焊接灵活性，提高焊接质量。

3)、本发明提出的正弦摆焊方法，在基准平面的基础上，增加旋转角度，对摆动平面进行微调，更好地适用于焊接过程，提高焊接灵活性。

4)、本发明提出的正弦摆焊方法，对常规的正弦曲线，增加旋转角度以改变正弦形状，满足更多的焊接应用需求。

附图说明

图1为焊缝为曲线的正弦摆焊示意图。

图2为正弦摆实现流程图。

图3为θ₂对正弦曲线的影响图。

图4为x轴方向的摆动示意图。

图5为y轴方向的摆动示意图。

图6为焊缝的摆动轨迹示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

结合图1-6，焊接机器人的正弦摆焊方法，具体步骤如下：

1.确定摆动的基准平面：

首先，根据机器人TCP点确定当前工具坐标系的T_z方向[0.688,-0.180,-0.702]，然后，将T_z方向与焊缝轨迹当前点的行进方向构成的平面的法向量，与焊缝轨迹当前点的行进方向构成的平面作为摆动的基准平面。具体方法如下：

以焊缝轨迹当前点的行进方向为X_w0[0.688,-0.180,-0.702]，将工具坐标系的T_z与X_w0的叉乘(T_z×X_w0)作为Y_w0[0.714,-3.925,0.6996]，将当前插补点的位置(483.129,-53.315,641.986)作为原点O_w0；平面X_w0O_w0Y_w0作为摆动的基准平面。

2.确定摆动平面：

摆动平面就是基准平面绕焊缝轨迹当前点的行进方向旋转角度θ₁＝30°后形成的平面。

在摆动的基准平面X_w0O_w0Y_w0基础上右乘旋转矩阵得到最终的摆动空间的各个轴X_w、Y_w及Z_w、及摆动平面X_wO_wY_w。

3.动态摆动平面：

每隔一定时间周期T＝20ms重新计算更新一次此摆动平面，重复步骤1和步骤2动态生成摆动平面。这样就可以实现摆动平面随姿态变化而变化，机器人焊接过程中摆动平面随末端工具位姿的变化而变化。

4.确定正弦形状并计算摆动增量：

首先，确定摆动平面上的正弦形状：

绕摆动空间的轴Z_w旋转的角度θ₂＝45°。

其次，在摆动平面内根据正弦形状计算摆动增量：

其中：A为3，f为1，t为焊接时间。

5.计算基坐标系下的增量：

摆动平面与机器人基坐标之间的转换矩阵R，可表示为根据摆动平面与基坐标系的转换关系，将摆动空间内的增量(0.053,0.053,0)转换为基坐标下的增量(0.0516,0.0533,0.0133)，转换关系如下式：

(d_x,d_y,d_z)^T＝R·(d_wx,d_wy,d_wz)^T。

6.实时生成正弦摆焊轨迹：

根据基坐标系下的摆动增量及焊接行进轨迹上，最终得到实时变化的正弦焊接轨迹。具体事例为在y轴方向摆动行进了一段直线距离，如图4为x轴方向的摆动图、图5图为y轴方向的摆动、图6为焊缝的摆动轨迹图。

本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (5)

1.一种焊接机器人的正弦摆焊方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、建立摆动的基准平面：根据机器人TCP点确定当前工具坐标系的T_z方向，T_z方向与焊缝轨迹当前点的行进方向构成第一平面，第一平面的法向量与焊缝轨迹当前点的行进方向构成的平面作为摆动的基准平面；

2)、建立摆动平面：由摆动的基准平面绕焊缝轨迹当前点的行进方向旋转角度θ₁后形成的平面为摆动平面X_wO_wY_w；

3)、建立动态摆动平面：每隔一定时间周期T重复步骤1)和步骤2)，重新计算摆动平面，形成动态摆动平面；

4)、确定正弦形状并计算摆动增量：在焊接过程中，焊枪绕垂直摆动平面X_wO_wY_w的轴线Z_w旋转θ₂，该旋转θ₂角度决定了正弦摆线的形状，在摆动平面内根据正弦的形状计算摆动增量：

5)、计算基坐标系下的增量：根据摆动平面与基标系的转换关系，将摆动空间内的增量转换为基坐标下的增量；

6)、实时生成正弦摆焊轨迹：根据基坐标系下的摆动增量及焊枪行进轨迹，最终得到实时变化的正弦焊接轨迹。

2.根据权利要求1所述的焊接机器人的正弦摆焊方法，其特征在于，所述步骤1)中，基准平面的建立方法如下：

1.1)、计算焊缝轨迹当前点的行进方向，该前进方向为焊缝轨迹当前点的切线方向：

其中：基坐标下的(x,y,z)为当前插补点的位置坐标，(x_last,y_last,z_last)为记录的前一个插补点的位置坐标；

1.2)、以焊缝轨迹当前点的行进方向为X_w0轴，将工具坐标系的T_z与X_w0的叉乘(T_z×X_w0)作为Y_w0轴，将当前插补点的位置(x,y,z)作为原点O_w0；平面X_w0O_w0Y_w0作为摆动的基准平面。

3.根据权利要求2所述的焊接机器人的正弦摆焊方法，其特征在于，所述步骤2)中，在摆动的基准平面X_w0O_w0Y_w0基础上右乘旋转矩阵得到最终的摆动空间的各个轴X_w、Y_w及Z_w、及摆动平面X_wO_wY_w。

其中：X_w轴的单位向量(n_x,n_y,n_z)^T，Y_w轴的单位向量(s_x,s_y,s_z)^T，Z_w轴的单位向量(a_x,a_y,a_z)^T，将当前插补点的位置(x,y,z)作为原点O_w。

4.根据权利要求3所述的焊接机器人的正弦摆焊方法，其特征在于，所述步骤4)中，在摆动平面内根据正弦摆线的形状按如下公式计算摆动增量：

其中：d_wx为在摆动平面内X_w轴的增量，d_wy为在摆动平面内Y_w轴的增量，d_wz为在摆动空间上Z_w轴的摆动增量，A为摆幅，f为摆动频率，t为焊接时间。

5.根据权利要求4所述的焊接机器人的正弦摆焊方法，其特征在于，所述步骤5)中，根据摆动平面与基标系的转换关系，将摆动空间内的增量(d_wx,d_wy,d_wz)转换为基准坐标下的增量(d_x,d_y,d_z)，转换关系如下式：

(d_x,d_y,d_z)^T＝R·(d_wx,d_wy,d_wz)^T；

其中，R为摆动平面与机器人基坐标之间的转换矩阵，表示为(n_x,n_y,n_z)^T为X_w轴的单位向量，(s_x,s_y,s_z)^T为Y_w轴的单位向量，(a_x,a_y,a_z)^T为Z_w轴的单位向量。