CN111360835B - 一种焊接机械臂的焊接自动控制方法 - Google Patents

一种焊接机械臂的焊接自动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种焊接机械臂的焊接自动控制方法,该方法通过对预设的焊枪空间运动轨迹在坐标系内进行切割形成等长段,然后在等长段内进行建模,并设置一个空心管将对应的等长轨迹段圈套在空心管内,然后,启动焊接机械臂,并控制焊枪在设定轨迹上运行,系统通过检测焊枪的空间位置,并根据焊枪的空间位置与虚拟的空心管的位置关系进行输出和修正,从而将焊枪的移动误差控制在有限范围内。本发明能有效运用离线编程方法进行模糊控制,减少了焊接机械手的焊枪轨迹误差,能有效提高了焊接机械臂工作效率和工作精度。

Description

一种焊接机械臂的焊接自动控制方法
技术领域
本发明涉及工程机械技术领域中的焊接机械臂控制技术,具体涉及一种焊接机械臂的焊接自动控制方法。
背景技术
随着科学技术不断发展,以及焊接机械臂取代人工的领域迅速增加,采用焊接机械臂进行作业,降低处理难度,避免工作人员的意外发生,对提高科技整体技术水平和作业效率具有重要意义。而在焊接技术领域,机器焊接的方式主要通过焊接机械臂的方法实现,通过将焊枪安装在焊接机械臂上,通过对焊接机械臂的关节进行控制,从而使焊接机械臂的焊枪在设定的坐标范围内进行移动,进而实现高精度焊接。这种机械设备的控制大多采用可编程的控制程序,在人工输入参数后进行作业,焊接质量可靠、精度高、环境适应性好,可以大幅度提高焊接效率和质量,也便于实现重复的高精度的批量化作业。
而为了实现高精度的作业,对焊接机械臂的控制是至关重要的一部分,其控制的核心是焊接机械臂端的焊枪的连续轨迹运动的规划以及焊接时针对不同焊接位置的焊接强度或者方法的控制,其好坏程度直接影响着焊接机械臂的精度、可靠性以及效率。为了使焊枪能在焊接机械臂的控制下沿着预定焊接路径完成焊接工作,焊枪的运行轨迹数据需要被提前设定,然而在焊接机械臂实际运行过程中,由于测量误测、控制误差等各种原因,使得焊接机械臂的实际运行路径与预定焊接路径之间存在一定的误差,随着焊接机械臂带动焊枪的移动,会进一步导致焊接精度的下降,且在采用的焊接机械臂的关节越多(即焊接机械臂的自由度越高)的情况下,这种精度的下降越明显,需要通过焊缝跟踪来在焊接时实时检测出焊缝的偏差,并调整焊接路径和焊接参数来将焊接误差尽可能的降低到最小,而现阶段中的焊缝跟踪,一般是在焊缝焊接过程中通过传感器实时检测焊缝的状况,如工件间的尺寸差异、坡口的准备情况等参数,然后,传送给处理器,再通过处理器进行焊接机械臂的实时反馈控制,会产生巨大工作量,造成不同程度的矫正延迟,而减少这种矫正延迟的方法主要是提升硬件或者通过动态在线的实时编程进行控制,也就导致了用于进行焊缝跟踪的设备和/或方法的成本高、控制复杂且操作效率较低的现象。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种焊接机械臂的焊接自动控制方法,以解决上述技术背景中的技术缺陷。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
一种焊接机械臂的焊接自动控制方法,应用于焊接机械臂组件上,其对应的焊接机械臂组件应当包括:
通过程序控制、具有若干活动关节的焊接机械臂;
设置于焊接机械臂末端的稳定架,稳定架与焊接机械臂固连,并具有X轴、Y轴、Z轴上进行位置微调的调整自由度;
安装于稳定架上,并能随稳定架进行位置微调的焊枪;
以及控制单元和若干位置检测单元;
方法包括以下步骤:
S1、对预设的焊接机械臂焊枪的空间运动轨迹在空间坐标系内进行等长度切割处理,其对应的等长运动轨迹的长度L为预设长度,分别记录起始点的坐标为A0(0、0、0)以及每个切断点的坐标为An(x、y、z),其中,n为整数,对应自起始位置开始的第n个切断点;
S2、在空间坐标系内进行区域段建模,每个区域段建模时连接坐标点Ai以及Ai-1,i为大于1的整数,然后以线段AiAi-1的长度方向为轴向虚拟出空心管,空心管以最小的管径将坐标点Ai以及坐标点Ai-1内的焊接机械臂焊枪运动轨迹限制在空心管内;
S3、启动焊接机械臂,使得焊枪在焊接机械臂控制下沿预设的焊枪的空间运动轨迹运动,在轨迹运动过程中利用位置检测单元在焊接机械臂的运行周期内连续采样焊枪的坐标位置,并保存到数据队列中,保证在每个区域段内至少有三个数据监测点,且焊枪在经过相邻的数据监测点之间的时间周期恒定为t,记录相应的数据监测点的位置的坐标为Bn(x、y、z);
比较Bn(x、y、z)与对应区域段上虚拟出来的空心管的位置关系:
若Bn(x、y、z)位于对应区域段上虚拟出来的空心管内侧,则不做处理;
若Bn(x、y、z)位于对应区域段上虚拟出来的空心管外侧,则进行坐标自动修正,进行修正时按照修正方向为对应区域段上虚拟出来的空心管的径向,修正的距离为
Figure GDA0002902049780000031
并通过稳定架进行修正,其中,R为对应区域段上虚拟出来的空心管的半径,而T为焊枪经过该区域段的总时长,d为对应的数据监测点与虚拟出来的空心管之间的最短间距;
S4、在焊接机械臂运行的过程中,连续更新Bn(x、y、z)的终端数据队列并进行连续修正同步,直至焊接机械臂上的焊枪完成空间运动轨迹的行进,并回退初始位置。
作为进一步限定,所述控制单元选择PC或者PLC或者DCS作为工业控制设备,也可以使用各种嵌入式处理器。
作为进一步限定,当数据监测点的Bn(x、y、z)与对应区域段上虚拟出来的空心管的最短距离大于设定值D时,判定焊接机械臂错位,强制焊接机械臂停机,并发出警报。
作为进一步限定,虚拟出来的所述空心管内径与坐标点Ai以及坐标点Ai-1内的焊接机械臂焊枪运动轨迹的最大外径之间留有3~5mm的余量。
作为进一步限定,焊枪在经过相邻的数据监测点之间的时间周期t的范围为0.2S~1S。
作为进一步限定,所述焊接机械臂在焊枪后部利用超声波对已焊部位进行检测,当焊接位置不符合要求时,通过焊接机械臂控制回退至初始位置的焊枪对对应已焊部位进行补焊。
有益效果:本发明的焊接自动控制方法通过算法来弥补现阶段中的焊缝跟踪过程中普遍存在的反馈延迟缺陷,对待焊接物品焊缝跟踪过程中的实际参数进行补偿修正,且补偿量与与实际尺寸的误差可控,有利于进一步提高焊接精度,使得焊缝路径更加贴近于预设焊缝路径,缓解了现有的焊接机械臂在焊机过程中因为算法复杂所导致的反馈迟缓,不能根据具体工作环境进行快速有效的修正的问题。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例中焊接机械臂的轨迹建模图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体图示,进一步阐述本发明。
在下述实施例中,本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
在本实施例中,一种焊接机械臂的焊接自动控制方法应用于焊接机械臂组件上,其对应的焊接机械臂组件包括:
通过程序控制、具有若干活动关节的焊接机械臂;
设置于焊接机械臂末端的稳定架,稳定架与焊接机械臂固连,并具有X轴、Y轴、Z轴上进行位置微调的调整自由度;
安装于稳定架上,并能随稳定架进行位置微调的焊枪;
以及作为控制单元的PC和若干位置检测单元。
同时还基于按照方法建立的轨迹建模图,参见图1的较佳实施例的焊接机械臂的轨迹建模图,在图1中实线表示预设的焊枪运行轨迹中的一段,该段为起始段,包括两段完整的预设长度L,包括记录的起始点A0以及两个记录的切断点A1和A2,其中,A0与A1之间对应的轨迹段为弧线轨迹段,A1与A2之间对应的轨迹段为折线轨迹段。
以A0与A1之间的弧线轨迹段进行区域段建模,以直线连接A0与A1,得到线段A0A1,然后以A0A1的长度方向为轴向虚拟出空心管,空心管以最小的管径将坐标点A0以及坐标点A1内的焊接机械臂焊枪运动轨迹限制在空心管内,得到第一虚拟空心管;然后同样的方式以A1与A2之间的弧线轨迹段进行区域段建模得到第二虚拟空心管。
在本实施例中,为了减少虚拟空心管与焊枪运行轨迹的切线位置误差,造成该位置的循环错位,虚拟出来的第一虚拟空心管以及第二虚拟空心管的内径与对应的A0~A1段焊枪运行轨迹以及对应的A1~A2段焊枪运行轨迹的最大外径之间均留有4mm的余量。
区域段建模完成后,启动焊接机械臂进行工作,使得焊枪在焊接机械臂控制下沿预设的焊枪的空间运动轨迹运动,在轨迹运动过程中利用位置检测单元在焊接机械臂的运行周期内连续采样焊枪的坐标位置,并保存到数据队列中,保证在每个区域段内至少有三个数据监测点,且焊枪在经过相邻的数据监测点之间的时间周期恒定为t,在本实施例中,设定为0.5S,记录相应的数据监测点的位置的坐标为Bn(x、y、z);
比较Bn(x、y、z)与对应区域段上虚拟出来的空心管的位置关系:
若Bn(x、y、z)位于对应区域段上虚拟出来的空心管内侧,则不做处理;
若Bn(x、y、z)位于对应区域段上虚拟出来的空心管外侧,则进行坐标自动修正,进行修正时按照修正方向为对应区域段上虚拟出来的空心管的径向,修正的距离为
Figure GDA0002902049780000051
并通过稳定架进行修正,其中,R为对应区域段上虚拟出来的空心管的半径,而T为焊枪经过该区域段的总时长,d为对应的数据监测点与虚拟出来的空心管之间的最短间距;
在焊接机械臂运行的过程中,连续更新Bn(x、y、z)的终端数据队列并进行连续修正同步,直至焊接机械臂上的焊枪完成空间运动轨迹的行进,并回退初始位置,直至完成焊接。
而为了防止出现焊接脱位以及应对应急情况,在PC控制控制单元上还设置有最大差距值D,当数据监测点的Bn(x、y、z)与对应区域段上虚拟出来的空心管的最短距离大于该最大差距值D时,判定焊接机械臂错位,强制焊接机械臂停机,并发出声光警报。同时,为了防止发生虚焊或者焊接不合格,焊接机械臂在焊枪后部利用超声波对已焊部位进行检测,若焊接位置不合格,则通过焊接机械臂控制回退至初始位置的焊枪对对应已焊部位进行补焊。
本实施例的模型通过对焊接轨迹进行分段建模,并在建模的基础上通过虚拟空心管来设置阈值,通过栅格化处理在设定时间窗内进行数据间隔采集,有效降低计算复杂度,并通过匹配差值并进行均值化处理来确定修正量,同时根据轨迹与虚拟空心管来确定进行最优化的修正方向,减少在其他方向上的修正量来减少修正误差,防止修正过量或者修正偏移,使偏移后的机械臂呈现规则回归状态,虽然不能在焊接机械臂运行的过程中保证焊枪的运行轨迹与预设轨迹完全一致,但是能有效将两者的差值控制在有限范围内,从而提高轨迹方向识别的准确度。
另外,本实施例的该中模型还能通过对预设长度L以及焊枪经过预设区域的时长T进行控制,可控制该方法条件下的控制精度和效率,当控制精度足够时,通过增加L的值和降低T的值来有效减少焊枪的工作负担,提高焊接速率;当需要提高控制精度时,则可通过降低L的值和增加T的值来提高焊接的精度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点,显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种焊接机械臂的焊接自动控制方法,其特征在于,方法应用于焊接机械臂组件上,其对应的焊接机械臂组件应当包括:
通过程序控制、具有若干活动关节的焊接机械臂;
设置于焊接机械臂末端的稳定架,稳定架与焊接机械臂固连,并具有X轴、Y轴、Z轴上进行位置微调的调整自由度;
安装于稳定架上,并能随稳定架进行位置微调的焊枪;
以及控制单元和若干位置检测单元;
方法包括以下步骤:
S1、对预设的焊接机械臂焊枪的空间运动轨迹在空间坐标系内进行等长度切割处理,其对应的等长运动轨迹的长度L为预设长度,分别记录起始点的坐标为A0(0、0、0)以及每个切断点的坐标为An(x、y、z),其中,n为整数,对应自起始位置开始的第n个切断点;
S2、在空间坐标系内进行区域段建模,每个区域段建模时连接坐标点Ai以及Ai-1,i为大于1的整数,然后以线段AiAi-1的长度方向为轴向虚拟出空心管,空心管以最小的管径将坐标点Ai以及坐标点Ai-1内的焊接机械臂焊枪运动轨迹限制在空心管内;
S3、启动焊接机械臂,使得焊枪在焊接机械臂控制下沿预设的焊枪的空间运动轨迹运动,在轨迹运动过程中利用位置检测单元在焊接机械臂的运行周期内连续采样焊枪的坐标位置,并保存到数据队列中,保证在每个区域段内至少有三个数据监测点,且焊枪在经过相邻的数据监测点之间的时间周期恒定为t,记录相应的数据监测点的位置的坐标为Bn(x、y、z);
比较Bn(x、y、z)与对应区域段上虚拟出来的空心管的位置关系:
若Bn(x、y、z)位于对应区域段上虚拟出来的空心管内侧,则不做处理;
若Bn(x、y、z)位于对应区域段上虚拟出来的空心管外侧,则进行坐标自动修正,进行修正时按照修正方向为对应区域段上虚拟出来的空心管的径向,修正的距离为
Figure FDA0002902049770000011
并通过稳定架进行修正,其中,R为对应区域段上虚拟出来的空心管的半径,而T为焊枪经过该区域段的总时长,d为对应的数据监测点与虚拟出来的空心管之间的最短间距;
S4、在焊接机械臂运行的过程中,连续更新Bn(x、y、z)的终端数据队列并进行连续修正同步,直至焊接机械臂上的焊枪完成空间运动轨迹的行进,并回退初始位置。
2.根据权利要求1所述的焊接机械臂的焊接自动控制方法,其特征在于,所述控制单元选择PC或者PLC或者DCS作为工业控制设备。
3.根据权利要求1所述的焊接机械臂的焊接自动控制方法,其特征在于,当数据监测点的Bn(x、y、z)与对应区域段上虚拟出来的空心管的最短距离大于设定值D时,判定焊接机械臂错位,强制焊接机械臂停机,并发出警报。
4.根据权利要求1所述的焊接机械臂的焊接自动控制方法,其特征在于,虚拟出来的所述空心管内径与坐标点Ai以及坐标点Ai-1内的焊接机械臂焊枪运动轨迹的最大外径之间留有3~5mm的余量。
5.根据权利要求1所述的焊接机械臂的焊接自动控制方法,其特征在于,焊枪在经过相邻的数据监测点之间的时间周期t的范围为0.2S~1S。
6.根据权利要求1所述的焊接机械臂的焊接自动控制方法,其特征在于,所述焊接机械臂在焊枪后部利用超声波对已焊部位进行检测,当焊接位置不符合要求时,通过焊接机械臂控制回退至初始位置的焊枪对对应已焊部位进行补焊。
7.一种可读存储介质,其特征在于,所述存储介质内存储有可运行权利要求1所述自动控制方法的运行软件,所述运行软件能应用于焊接机械臂的嵌入式处理器中对焊接机械臂进行控制。
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