CN111037069B

CN111037069B - 一种基于焊枪自转角的焊接机器人能量优化方法

Info

Publication number: CN111037069B
Application number: CN201911276558.1A
Authority: CN
Inventors: 吕小青; 张梦龙; 徐连勇; 韩永典; 荆洪阳
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: CN111037069A

Abstract

本发明公开了一种基于焊枪自转角的焊接机器人能量优化方法：步骤1，搭建弧焊机器人功率测量平台；步骤2，确定待优化的弧焊机器人作业路径轨迹；步骤3，改变焊接起点和终点的焊枪自转角，在满足弧焊机器人可达性的条件下，确定焊枪自转角的取值范围；步骤4，根据焊枪自转角的取值范围进行功率消耗测量实验；步骤5，结合实验数据，对比平均功率消耗，得到能量最优的焊接起点和终点焊枪自转角。本发明通过少量试验得出功率消耗最小的焊接起点和终点焊枪自转角组合，减少弧焊机器人在焊接作业过程中的功率消耗，对实际焊接生产过程中的能源节约有重要意义。

Description

一种基于焊枪自转角的焊接机器人能量优化方法

技术领域

本发明涉及弧焊机器人，特别涉及一种基于焊枪自转角的焊接机器人能量优化方法，通过改变焊枪自转角减少机器人能量消耗。

背景技术

随着工业生产自动化程度提高，机器人在工业生产中的应用日渐广泛。节约能量一直是学术界和工业界关注的重点。因此，随着机器人的大范围的应用，如何更好地节约能量必将是未来工业发展关注的核心。

机器人节约能量本质上同机器人本身运动学和动力学紧密联系；但由于不同加工工艺固有特性不同，在能量优化时关注重点又存在较大差别。

许多研究者对工业机器人能量消耗的影响因素进行了研究。如Grebers R等人通过对比同一厂家的直流和交流供电机器人的能量消耗，发现直流供电可以节省12.52％的能量消耗。Chemnitz M等人通过对比不同厂家规格相似的机器人能量消耗，发现机器人虽然规格相似，但能量消耗至少相差两倍，机器人模型对机器人的能量消耗有显著影响。Garcia R R等人研究了影响工业机器人能耗的因素，在仿真环境中分别测量机器人在静止、运动和不同温度下的能量消耗，分析得出在静止状态下，机器人停顿时间和停留位置对机器人的能量消耗影响最大；在不同的运动状态下，机器人的运动速度直接影响机器人的运行时间，是能量消耗最大的影响因素。宫百香等人使用正交试验研究了焊接机器人的能量消耗，试验在ROBOGUIDE仿真软件中进行，最终确定了优化的空载和焊接速度，减少了机器人的能量消耗。

针对点焊中多个目标焊接工作点的焊接作业过程，Wang X等人以能量最优和最短路径为优化目标，将避障作为约束条件，将聚类制导多目标粒子群算法运用于点焊机器人的路径规划。邓乾旺等人使用五次多项式曲线插值的方法连接多个焊接点，并基于机器人动力学建立点焊机器人轨迹能耗模型，使用蜜蜂进化型遗传算法求解点焊机器人最优能耗轨迹。刘云郎等人使用多目标算法NSGA-II和PSO粒子群算法，以机器人路径、时间最短，动能最低为优化目标，对点焊机器人的焊接机械臂轨迹进行优化。

而在弧焊领域，关于机器人能量优化工作几乎是一片空白。弧焊焊接过程中机器人能量优化与其他焊接工艺优化过程的重点不同，这是由于弧焊焊接作业过程中，待焊接坡口的位置确定了机器人的作业路径，机器人的运动速度由焊接速度确定。即在焊接质量不变的前提下，弧焊焊接过程中的机器人作业路径和速度不能改变。

显然，在弧焊焊接作业过程中，保持机器人焊枪朝向不变，焊丝绕着轴心转动(简称焊枪自转角)，并不影响焊接过程的质量，那么就意味着在弧焊过程中，必定存在一个自由度。探讨该自由度(即焊枪自转角)对机器人焊接过程能量消耗的影响，虽然可从机器人动力学和运动学着手，但首先该路线计算复杂；其次精确的机器人模型难以获得，基于现有厂家提供模型获得能量消耗并不准确。故可以主要通过试验进行分析和验证。

发明内容

本发明的目的是在弧焊焊接作业过程中，减少弧焊机器人的能量消耗，提供一种基于焊枪自转角的弧焊机器人能量优化方法，通过改变焊接起点和终点的焊枪自转角，减少弧焊机器人的功率消耗。

本发明所采用的技术方案是：一种基于焊枪自转角的焊接机器人能量优化方法，包括以下步骤：

步骤1，搭建弧焊机器人功率测量平台；

步骤2，确定待优化的弧焊机器人作业路径轨迹；

步骤3，改变焊接起点和终点的焊枪自转角，在满足弧焊机器人可达性的条件下，确定焊枪自转角的取值范围；

步骤4，根据焊枪自转角的取值范围进行功率消耗测量实验；

步骤5，结合实验数据，对比平均功率消耗，得到能量最优的焊接起点和终点焊枪自转角。

步骤1中，所述弧焊机器人功率测量平台包括相互连接的三相功率分析仪和计算机，所述弧焊机器人功率测量平台连接在弧焊机器人的机器人控制器与三相电网之间，用于测量和记录所述弧焊机器人在弧焊焊接作业过程中的实时功率消耗。

步骤2中，所述的待优化的弧焊机器人作业路径轨迹为：

对于平焊位置、长为1m的直焊缝，待优化的弧焊机器人作业路径轨迹为C₁D₁，C₁为平焊位置的焊接起点，C₁在世界坐标系中的坐标为(750,-500,100)，D₁为平焊位置的焊接终点，D₁在世界坐标系中的坐标为(750,500,100)；

对于横焊位置、长为1m的直焊缝，待优化的弧焊机器人作业路径轨迹为C₂D₂，C₂为横焊位置的焊接起点，C₂在世界坐标系中的坐标为(1000,-500,500)，D₂为横焊位置的焊接终点，D₂在世界坐标系中的坐标为(1000,500,500)；

对于立向下焊位置、长为1m的直焊缝，待优化的弧焊机器人作业路径轨迹为C₃D₃，C₃为立向下焊位置的焊接起点，C₃在世界坐标系中的坐标为(600,200,1200)，D₃为立向下焊位置的焊接终点，D₃在世界坐标系中的坐标为(600,200,200)。

步骤3中，所述的焊枪自转角的取值范围为：

对于平焊位置、长为1m的直焊缝，弧焊机器人在焊接起点C₁的焊枪自转角取值范围γ_C1为[-180°,0]，弧焊机器人在焊接终点D₁的焊枪自转角取值范围γ_D1为[-180°,0]；

对于横焊位置、长为1m的直焊缝，弧焊机器人在焊接起点C₂的焊枪自转角取值范围γ_C2为[0,180°]，弧焊机器人在焊接终点D₂的焊枪自转角取值范围γ_D2为[0,180°]；

对于立向下焊位置、长为1m的直焊缝，弧焊机器人在焊接起点C₃的焊枪自转角取值范围γ_C3为[-30°,90°]，弧焊机器人在焊接终点D₃的焊枪自转角取值范围γ_D3为[-150°,180°]。

步骤4中，所述的功率消耗测量实验为：在焊枪自转角的取值范围内，改变焊接起点和终点的焊枪自转角大小，采用步骤1搭建的弧焊机器人功率测量平台测量不同的焊接起点和终点的焊枪自转角组合下，弧焊机器人弧焊作业过程中的实时功率消耗。

步骤5中，所述的结合实验数据，对比平均功率消耗，得到能量最优的焊接起点和终点焊枪自转角包括：根据步骤4功率消耗测量实验得到的实时功率消耗数据，计算每个焊接起点和终点的焊枪自转角组合下弧焊机器人的平均功率消耗，根据焊接起点焊枪自转角和焊接终点焊枪自转角两个自变量以及因变量平均功率消耗，得到平均功率消耗等高图，通过对比平均功率消耗等高图中平均功率的大小，得到平均功率消耗最小所对应的焊接起点和终点的焊枪自转角组合。

本发明的有益效果是：

1、拓宽了弧焊领域焊接机器人能量优化方法。根据弧焊焊接作业过程的中机器人作业路径和速度已确定的特点，在不改变焊枪倾角的前提下，保证焊接质量不变，通过改变焊接起点和终点的焊枪自转角，减少机器人的能量消耗。

2、避免运动学和动力学的大量计算。在机器人的精确的运动学和动力学模型未知的情况下，通过少量试验减少机器人的能量消耗。

3、在实际生产中有较强的实用性。本发明涉及设备简单，数据处理方法简便，且试验时间较短。适合在实际的焊接生产过程中使用。

附图说明

图1为焊枪自转角示意图；

图2为弧焊机器人功率测量平台示意图；

图3a为平焊位置弧焊机器人作业路径轨迹；

图3b为横焊位置弧焊机器人作业路径轨迹；

图3c为立向下焊位置弧焊机器人作业路径轨迹；

图4为平焊位置弧焊机器人平均功率消耗等高图；

图5为横焊位置弧焊机器人平均功率消耗等高图；

图6为立向下焊位置弧焊机器人平均功率消耗等高图。

附图标注：1、弧焊机器人；2、机器人控制器；3、三相功率分析仪；4、计算机；5、三相电网。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

在研究本能量优化方法之前，首先给出弧焊机器人焊枪自转角的定义。如附图1所示，工具坐标系是以工具中心点为原点建立的坐标系，是用来表示工具中心点和工具姿势的直角坐标系。在弧焊机器人1中，一般将工具坐标系原点O定义在焊丝伸出导电嘴10mm处，工具坐标系的z轴定义为焊枪轴向(即焊丝伸出方向)，将焊枪自转角的大小定义为焊枪末端在工具坐标系xOy面上的投影与焊接方向的夹角。在附图1中，ON为焊枪末端在xOy面上的投影，OM为焊接方向，ON与OM之间的夹角γ即为焊枪自转角。焊枪绕焊枪轴向转动可以改变焊枪自转角的大小。

一种基于焊枪自转角的焊接机器人能量优化方法，通过改变焊枪自转角选择功率消耗最小的焊枪自转角，进而优化弧焊机器人1的功率消耗。试验中使用由三相功率分析仪3和计算机4组成的弧焊机器人功率测量平台，测量并记录弧焊机器人1的实时功率消耗，进而计算弧焊机器人1在不同焊枪自转角对应的平均功率消耗；通过对比平均功率消耗，可以得出功率消耗最小对应的焊枪自转角组合。具体包括以下步骤：

步骤1，搭建弧焊机器人功率测量平台。所述弧焊机器人功率测量平台用于测量和记录弧焊机器人1在弧焊焊接作业过程中的实时功率消耗，包括通过USB连接线相互连接的三相功率分析仪3和计算机4，采样频率为f＝1Hz。所述三相功率分析仪3采用三相四线式接法，输入端接在三相电网5的三相电路中，输出端接在机器人控制器2的输入端，中性线与地线连接，如附图2所示。本实施例中，所述三相功率分析仪3采用Aitek AWS2103三相功率分析仪，所述机器人控制器2采用FANUC R-30iB机器人控制柜；所述弧焊机器人功率测量平台的功率测量对象为FANUC M10iA/12机器人和安装在机器人法兰盘的Fronius CMT 4000Advanced焊机的CMT焊枪组成的弧焊机器人1。

步骤2，确定待优化的弧焊机器人作业路径轨迹。分别选取平焊(1G)、横焊(2G)和立向下焊(3G)三种焊接位置，长为1m的直焊缝作为弧焊机器人1的作业对象，如图3a至图3c所示，Am→Bm→Cm→Dm→Em→Am(m＝1代表焊缝在平焊位置，m＝2代表焊缝在横焊位置，m＝3代表焊缝在立向下焊位置)为焊接作业的一个完整过程，Am→Bm→Cm和Dm→Em→Am为空载阶段，Cm→Dm为焊缝段，全为直线运动，弧焊机器人1的焊接速度为20mm/s。由于只讨论焊缝段功率消耗，故只给出焊接起点和终点在世界坐标系中的坐标如下：C₁(750,-500,100)，D₁(750,500,100)；C₂(1000,-500,500)，D₂(1000,500,500)；C₃(600,200,1200)，D₃(600,200,200)。其中，世界坐标系是被固定在空间上的标准直角坐标系，其被固定在由弧焊机器人1事先确定的位置。

步骤3，改变焊接起点和终点的焊枪自转角，在满足弧焊机器人1可达性的条件下，确定焊枪自转角的取值范围。

对于已选定的平焊、横焊和立向下焊位置长1m的直焊缝，将弧焊机器人1的焊枪工具中心点分别移动至焊接起点(C₁、C₂、C₃)和焊接终点(D₁、D₂、D₃)，使用示教器使弧焊机器人1绕着工具坐标系z轴旋转，确定焊接起点和终点的焊枪自转角取值范围为：对于平焊位置长1m的直焊缝，弧焊机器人1在焊接起点C₁的焊枪自转角取值范围γ_C1为[-180°,0]，弧焊机器人1在焊接终点D₁的焊枪自转角取值范围γ_D1为[-180°,0]；对于横焊位置长1m的直焊缝，弧焊机器人1在焊接起点C₂的焊枪自转角取值范围γ_C2为[0,180°]，弧焊机器人1在焊接终点D₂的焊枪自转角取值范围γ_D2为[0,180°]；对于立向下焊位置长1m的直焊缝，弧焊机器人1在焊接起点C₃的焊枪自转角取值范围γ_C3为[-30°,90°]，弧焊机器人1在焊接终点D₃的焊枪自转角取值范围γ_D3为[-150°,180°]。

步骤4，根据焊枪自转角的取值范围设计一组功率消耗测量实验。

首先，根据步骤3中在平焊、横焊和立向下焊位置的焊接和终点焊枪自转角的取值范围，改变焊接起点和终点的焊枪自转角大小，即，使焊枪自转角在该取值范围内等间距取值。具体取值如下：

4.1)在平焊位置，焊接起点和终点的取值分别为：γ_C1＝-180°、-150°、-120°、-90°、-60°、-30°和0，7个水平，γ_D1＝-180°、-150°、-120°、-90°、-60°、-30°和0，7个水平；

4.2)在横焊位置，焊接起点和终点的取值分别为：γ_C2＝0、30°、60°、90°、120°、150°和180°，7个水平，γ_D2＝0、30°、60°、90°、120°、150°和180°，7个水平；

4.3)在立向下焊位置，焊接起点和终点的取值分别为：γ_C3＝-30°、0、30°、60°和90°，5个水平，γ_D3＝-150°、-120°、-90°、-60°、-30°、0、30°、60°、90°、120°、150°和180°，12个水平。

其次，使用步骤1搭建的弧焊机器人功率测量平台，在平焊、横焊和立向下焊位置，测量所有焊接起点和终点的焊枪自转角组合下，弧焊机器人1在弧焊作业过程中的实时功率消耗。

由于采样频率的限制，步骤4功率消耗测量实验得到的实时功率为焊接过程中一系列离散点处的功率消耗，由测量得到的一系列离散点处的功率消耗求算术平均值作为每个焊接起点和终点的焊枪自转角组合下弧焊机器人1的平均功率消耗。根据焊接起点焊枪自转角和焊接终点焊枪自转角两个自变量以及因变量平均功率消耗，使用Origin作图软件做出弧焊机器人1在平焊、横焊和立向下焊位置的平均功率消耗等高图，如图4、图5和图6所示。

通过对比平均功率消耗等高图中平均功率的大小，得到平均功率消耗最小所对应的焊接起点和终点的焊枪自转角组合，结果如下：

5.1)如图4所示，在平焊位置，平均功率消耗的最小值为302.9W(γ_C1＝0、γ_D1＝-120°)，最大值为338.3W(γ_C1＝-150°、γ_D1＝-180°)，所有焊接起点和终点焊枪自转角组合对应平均功率消耗的平均值为319.4W。平均值与最小值的差为16.5W，占所有组合平均值的5.2％；

5.2)如图5所示，在横焊位置，平均功率消耗的最小值为310.9W(γ_C2＝60°、γ_D2＝180°)，最大值为329.9W(γ_C2＝120°、γ_D2＝150°)，所有焊接起点和终点焊枪自转角组合对应平均功率消耗的平均值为320.1W。平均值与最小值的差为9.2W，占所有组合平均值的2.9％；

5.3)如图6所示，在立向下焊位置，平均功率消耗的最小值为284.3W(γ_C3＝90°、γ_D3＝90°)，最大值为309.0W(γ_C3＝90°、γ_D3＝-90°)，所有焊接起点和终点焊枪自转角组合对应平均功率消耗的平均值为297.5W。平均值与最小值的差为13.2W，占所有组合平均值的4.4％。

由5.1)、5.2)和5.3)可知：

对于实验中平焊位置的焊缝，弧焊机器人1平均功率消耗最小的焊接起点和终点的焊枪自转角组合为γ_C1＝0、γ_D1＝-120°，对应的平均功率消耗最小值为302.9W；

对于实验中横焊位置的焊缝，弧焊机器人1平均功率消耗最小的焊接起点和终点的焊枪自转角组合为γ_C2＝60°、γ_D2＝180°，对应的平均功率消耗最小值为310.9W；

对于实验中立向下焊位置的焊缝，弧焊机器人1平均功率消耗最小的焊接起点和终点的焊枪自转角组合为γ_C3＝90°、γ_D3＝90°，对应的平均功率消耗最小值为284.3W。

综上，本发明为在弧焊机器人1焊接过程中通过改变焊枪自转角减少弧焊机器人1能量消耗的方法，改变焊枪自转角是通过改变焊接起点和终点的焊枪自转角大小实现，不同的焊接起点和终点的焊枪自转角组合对应的弧焊机器人1功率消耗不同。首先使用三相功率分析仪3和计算机4搭建弧焊机器人功率测量平台，在弧焊机器人1焊接过程中，使用弧焊机器人功率测量平台对弧焊机器人1的实时功率消耗采样；接着在平焊、横焊和立向下焊焊接位置，改变弧焊机器人1在焊接起点和终点的焊枪自转角，测量弧焊机器人1的实时功率消耗。使用弧焊机器人1的实时功率数据，求得每个焊接起点和终点焊枪自转角组合下的平均功率消耗；通过对比弧焊机器人1的平均功率消耗，得出弧焊机器人1能量消耗最小的焊接起点和终点的焊枪自转角组合。本发明的目的是通过少量试验得出功率消耗最小的焊接起点和终点焊枪自转角组合，减少弧焊机器人1在焊接作业过程中的功率消耗，对实际焊接生产过程中的能源节约有重要意义。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于焊枪自转角的焊接机器人能量优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，搭建弧焊机器人功率测量平台；

步骤2，确定待优化的弧焊机器人(1)作业路径轨迹；

步骤3，改变焊接起点和终点的焊枪自转角，在满足弧焊机器人(1)可达性的条件下，确定焊枪自转角的取值范围；

步骤4，根据焊枪自转角的取值范围进行功率消耗测量实验；

2.根据权利要求1所述的一种基于焊枪自转角的焊接机器人能量优化方法，其特征在于，步骤1中，所述弧焊机器人功率测量平台包括相互连接的三相功率分析仪(3)和计算机(4)，所述弧焊机器人功率测量平台连接在弧焊机器人(1)的机器人控制器(2)与三相电网(5)之间，用于测量和记录所述弧焊机器人(1)在弧焊焊接作业过程中的实时功率消耗。

3.根据权利要求1所述的一种基于焊枪自转角的焊接机器人能量优化方法，其特征在于，步骤2中，所述的待优化的弧焊机器人(1)作业路径轨迹为：

对于平焊位置、长为1m的直焊缝，待优化的弧焊机器人(1)作业路径轨迹为C₁D₁，C₁为平焊位置的焊接起点，C₁在世界坐标系中的坐标为(750,-500,100)，D₁为平焊位置的焊接终点，D₁在世界坐标系中的坐标为(750,500,100)；

对于横焊位置、长为1m的直焊缝，待优化的弧焊机器人(1)作业路径轨迹为C₂D₂，C₂为横焊位置的焊接起点，C₂在世界坐标系中的坐标为(1000,-500,500)，D₂为横焊位置的焊接终点，D₂在世界坐标系中的坐标为(1000,500,500)；

对于立向下焊位置、长为1m的直焊缝，待优化的弧焊机器人(1)作业路径轨迹为C₃D₃，C₃为立向下焊位置的焊接起点，C₃在世界坐标系中的坐标为(600,200,1200)，D₃为立向下焊位置的焊接终点，D₃在世界坐标系中的坐标为(600,200,200)。

4.根据权利要求1所述的一种基于焊枪自转角的焊接机器人能量优化方法，其特征在于，步骤3中，所述的焊枪自转角的取值范围为：

对于平焊位置、长为1m的直焊缝，弧焊机器人(1)在焊接起点C₁的焊枪自转角取值范围γ_C1为[-180°,0]，弧焊机器人(1)在焊接终点D₁的焊枪自转角取值范围γ_D1为[-180°,0]；

对于横焊位置、长为1m的直焊缝，弧焊机器人(1)在焊接起点C₂的焊枪自转角取值范围γ_C2为[0,180°]，弧焊机器人(1)在焊接终点D₂的焊枪自转角取值范围γ_D2为[0,180°]；

对于立向下焊位置、长为1m的直焊缝，弧焊机器人(1)在焊接起点C₃的焊枪自转角取值范围γ_C3为[-30°,90°]，弧焊机器人(1)在焊接终点D₃的焊枪自转角取值范围γ_D3为[-150°,180°]。

5.根据权利要求1所述的一种基于焊枪自转角的焊接机器人能量优化方法，其特征在于，步骤4中，所述的功率消耗测量实验为：在焊枪自转角的取值范围内，改变焊接起点和终点的焊枪自转角大小，采用步骤1搭建的弧焊机器人功率测量平台测量不同的焊接起点和终点的焊枪自转角组合下，弧焊机器人(1)弧焊作业过程中的实时功率消耗。

6.根据权利要求1所述的一种基于焊枪自转角的焊接机器人能量优化方法，其特征在于，步骤5中，所述的结合实验数据，对比平均功率消耗，得到能量最优的焊接起点和终点焊枪自转角包括：根据步骤4功率消耗测量实验得到的实时功率消耗数据，计算每个焊接起点和终点的焊枪自转角组合下弧焊机器人(1)的平均功率消耗，根据焊接起点焊枪自转角和焊接终点焊枪自转角两个自变量以及因变量平均功率消耗，得到平均功率消耗等高图，通过对比平均功率消耗等高图中平均功率的大小，得到平均功率消耗最小所对应的焊接起点和终点的焊枪自转角组合。