CN112008305B - 一种焊接机器人的摆焊轨迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接机器人的摆焊轨迹规划方法，在机器人运行过程中通过实时建立动态局部摆动坐标系并构建空间叠加向量形成复合运动，能够使机器人末端焊枪以“L”型轨迹在焊件表面进行交替摆焊。本发明公开的方法示教操作简便，在控制系统中运算量小，逻辑简单，易于实现；能够实现空间曲面与平面形成的曲线摆焊轨迹，具有良好的通用性；最终的摆焊轨迹截面呈现“L”型，能够保证焊枪与焊件表面的贴合，实现焊料的充分填充；在规划中支持引入任意形式的摆焊轨迹位移函数，该位移函数呈现的摆动类型支持用户根据实际焊接需求灵活选择，支持速度规划的运算逻辑，能够保证机器人在焊接作业过程中运动的平稳性。

Description

一种焊接机器人的摆焊轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及一种焊接机器人的摆焊轨迹规划方法。

背景技术

焊接机器人目前已广泛应用于自动化焊接作业中，焊接机器人的摆动焊接是指机器人的末端工具在沿焊缝方向行进的同时，以设定的幅值与频率不断摆动进行焊接，简称摆焊。在焊接作业中，往往存在曲面焊件与平板焊件组合的情况，此时焊缝呈曲线，焊件与焊件之间存在一定夹角，甚至焊缝会存在间隙，在此情况下通过摆焊轨迹运动能够扩大实际焊接范围，实现高强度与高效率的焊接效果，具有实际工程意义。

目前，针对焊接机器人摆弧轨迹规划方法的研究相对较少。在现有技术中，中国专利CN201310507312.7公开了一种弧焊机器人双平面摆弧轨迹规划方法，该方法主要针对平板焊件间的摆焊轨迹规划方法开展了研究，仅适用于直线摆焊轨迹，当焊件为曲面时则无法实现摆动焊接。中国专利CN201610219466.X公开了一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的空间三角摆方法，该方法利用直线拟合圆弧焊缝的空间焊接路径，规划得出了焊接路径中所有的摆动幅值插补点。然而该方法是根据三角摆的轨迹特点求解了空间路径中的各插补点，因此仅适用于三角摆弧焊，无法适用于正弦摆、梯形摆等其他摆动形式，且实际规划过程中摆动平面与焊缝存在距离，一方面会导致摆动幅度受限，另一方面会导致焊料无法充分填充，影响焊接的牢固性。此外，由于该方法仅仅是确定了摆动幅值处的插补点，需要控制器以多条直线运动指令的形式使机器人末端通过这些点，没有引入速度规划，在运行过程中无法保证机器人具备较好的运动性能。中国专利CN201810984979.9公开了一种弧焊机器人空间圆弧摆焊插补方法，该方法采用“L”型摆焊的方式得到了在圆柱面与平面上交替摆动的正弦摆焊轨迹，然而该专利中的实现方式是基于正弦摆，也属于一种特殊的摆焊类型，当摆焊类型发生变化时，无法直接运用正弦曲线的弧长计算式，解算难度随之增加，不具有通用性，且该方法在规划过程中采用了大量数值运算方法，运算方式与逻辑较为复杂，在实际应用过程中的可实现性较差。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提出一种焊接机器人的摆焊轨迹规划方法。该方法能够满足曲面焊件与平板焊件组合的情况，适用于曲线焊缝焊接，扩大了焊接作业的应用范围，同时能够支持多种摆焊形式，且运算量小易于实现；此外，本发明提供了速度规划函数接口，能够引入控制器的速度规划，进而使机器人的轨迹更加平滑，运动更平稳，降低运行过程中的抖动。

本发明提出的焊接机器人的摆焊轨迹规划方法，基于空间向量叠加原理，在曲面焊件与平面焊件之间采用“L”型摆焊的方式交替进给，适用于曲线焊缝焊接；其中曲线焊缝由曲面焊件的形状决定，曲面焊件包括圆柱面、椭圆柱面、抛物面等；本发明方法对于具体的摆焊类型无特殊要求，运算量小易于实现，具有良好的通用性，并且在焊接过程中焊枪始终贴合焊件表面，能够保证焊料分布的均匀性以及焊接的可靠性。

本发明所提供的技术方案如下：

一种焊接机器人的摆焊轨迹规划方法，其步骤是：

步骤1.确定焊接参数条件，具体包括：通过机器人示教器示教确定曲线焊缝上三个不共线的点，取其位姿信息中的位置信息，分别确定为焊接起始点P_s＝(x_s,y_s,z_s)(其三维坐标系中的坐标值分别为x_s、y_s、z_s)、焊接终止点P_e＝(x_e,y_e,z_e)(其三维坐标系中的坐标值分别为x_e、y_e、z_s)以及焊接辅助点P_a＝(x_a,y_a,z_a)(其三维坐标系中的坐标值分别为x_a、y_a、z_a)；摆焊幅值A；摆焊周期T；摆焊轨迹位移函数weave(t)，该函数可根据用户的焊接需求灵活选择，内部运算逻辑支持速度规划平滑处理，最终的呈现类型可以为正弦摆、三角摆、梯形摆等。

步骤2.确定曲线焊缝所在平面的法向量：由已知的焊接起始点P_s、焊接终止点P_e以及焊接辅助点P_a分别计算位置向量

与

两个向量的叉乘

并单位化得到曲线焊缝所在平面的法向量，即平板焊件的法向量

(其中n_x、n_y、n_z分别为三维坐标系中的分量)。

步骤3.在当前插补时刻t_i处建立动态局部摆动坐标系{w_i}，具体步骤如下：

步骤3.1根据机器人控制系统的位置插补算法，确定沿焊缝曲线插补过程中当前插补时刻t_i处的插补点P_i＝(x_i,y_i,z_i)(其三维坐标系中的坐标值分别为x_i、y_i、z_i)以及上一插补时刻t_i-1处的插补点P_i-1＝(x_i-1,y_i-1,z_i-1)(其三维坐标系中的坐标值分别为x_i-1、y_i-1、z_i-1)；

步骤3.2由控制系统中存储的当前插补时刻t_i处的插补点P_i＝(x_i,y_i,z_i)以及上一插补时刻t_i-1处的插补点P_i-1＝(x_i-1,y_i-1,z_i-1)计算当前插补点的行进方向

其三维坐标系中的分量a_x、a_y、a_z及模参数λ可分别表示为：

步骤3.3由当前插补点的行进方向

与曲线焊缝所在平面的法向量

的叉乘确定平面方向向量

(其中s_x、s_y、s_z分别为三维坐标系中的分量)；

步骤3.4以当前插补时刻t_i处的插补点P_i为坐标原点，平面方向向量

为x_w轴，行进方向

为y_w轴，曲线焊缝所在平面的法向量

为z_w轴建立动态局部摆动坐标系{w_i}。

步骤4.构建空间叠加向量

设当前插补时刻t_i处的轨迹摆动点为W_i，其与焊接起始点P_s构成了空间叠加向量

该空间叠加向量由两个部分组成，第一部分为摆焊主运动向量

该向量可由控制系统中存储的当前插补时刻t_i处的插补点P_i以及焊接起始点P_s确定；第二部分为摆焊分运动向量

本发明提出的摆焊轨迹是以“L”型的形式交替分布于两个焊件的表面，为了保证摆焊时焊料分布的均匀性，在一个摆焊周期T中，将其等分为前半周期与后半周期；也可以根据不同焊接现场的需求，将T分配为其他比例；

当摆焊时刻t位于摆焊周期T的前半周期，即t位于0至T/2之间时，令摆焊轨迹分布于曲面焊件的表面，此时在动态局部摆动坐标系{w_i}中以z_w轴(曲线焊缝所在平面的法向量

)为叠加项构建空间叠加向量，即

当摆焊时刻t位于摆焊周期T的后半周期，即t位于T/2至T之间时，令摆焊轨迹分布于平板焊件的表面，此时在动态局部摆动坐标系{w_i}中以x_w轴(平面方向向量

)为叠加项构建空间叠加向量，即

步骤5.叠加至主运动形成复合运动：由已完成构建的空间叠加向量，在当前插补时刻插补点P_i的基础上引入实际摆焊轨迹函数；为了保证机器人运动的平稳性，可根据焊接现场的需求对实际摆焊轨迹函数进行速度规划设计；对于摆焊分运动向量

其模的大小即为摆焊轨迹分运动的位移；设焊接起始点P_s与焊接终止点P_e之间的运动轨迹一共有n个摆焊周期，当前摆焊时刻t所处的周期数为k，令

进一步将摆焊分运动叠加至主运动中，具体表示为：

步骤6.判断主运动是否到达设定的焊接终止点P_e；若尚未到位，则在下一个插补时刻t_i+1处重复步骤3至步骤5以实现动态局部摆动坐标系{w_i}的实时更新、空间叠加向量的建立与复合运动的生成；若已到位，则结束当前运动路径的摆焊规划。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)用户仅需在曲线焊缝上示教焊接起始点P_s、焊接终止点P_e以及焊接辅助点P_a，确保三点不共线即可，无需另外在焊件的表面示教其他辅助点，示教操作简便。

(2)在当前控制系统支持机器人实现空间复杂曲线运动的基础上，能够实现空间曲面与平面形成的曲线摆焊轨迹，具有良好的通用性。

(3)摆焊轨迹截面呈现“L”型，能够保证焊枪与焊件表面的贴合，实现焊料的充分填充。

(4)由于摆焊轨迹运动是基于空间向量叠加的思想，因此能够引入任意形式的摆焊轨迹位移函数；一方面，可以在该函数中设计速度规划的运算逻辑，从而保证机器人在焊接作业过程中运动的平稳性；另一方面，该位移函数最终呈现的摆动类型可以为正弦摆、三角摆、梯形摆等，使用户能够根据实际焊接需求灵活选择。

(5)整体规划方法在控制系统中运算量小，逻辑简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明中摆焊轨迹实现流程图。

图2为本发明中曲面焊件与平面焊件之间的摆焊轨迹示意图。

图3为本发明中“L”型摆焊轨迹的截面示意图。

图4为本发明中摆焊轨迹局部坐标系下空间向量叠加示意图。

图5为本发明中摆焊轨迹三维空间曲线示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的内容进一步详细说明。

如图2所示，焊件1为曲面焊件，焊件2为平板焊件，P_s为焊接起始点，P_a为焊接辅助点，P_e为焊接终止点，该三点不共线。

如图3所示，在曲面焊件(焊件1)与平板焊件(焊件2)所构成的截面中，机器人末端焊枪5以“L”型的运动方式在焊件之间往复交替摆动，图中的序号①②③④表示摆焊路径的顺序，在焊接过程中焊枪始终与焊件表面贴合。

由于目前绝大多数品牌的机器人控制器均能实现空间圆弧轨迹插补，因此本实施例中以焊件1为圆柱面焊件，焊缝曲线3呈现为空间圆弧的形式进行说明；此外，本实施例中将摆焊类型取为现场应用中最常见的正弦摆，令摆焊轨迹4位移函数

具体规划步骤如下：

(1)确定摆焊轨迹4给定条件：

通过机器人示教器示教获取关键点位的位置信息，在本实施例中，确定焊接起始点P_s＝(1151.5205,-234.6337,1079.5716)、焊接辅助点P_a＝(1181.5205,18.5999,1053.7547)、焊接终止点P_e＝(1260.1375,305.4335,1101.7714)，示教的三点不共线；此外，设定摆焊幅值A＝20mm，摆焊周期T＝2s。

(2)确定焊缝所在平面的法向量：

由示教获取的焊接起始点P_s、焊接终止点P_e以及焊接辅助点P_a分别计算位置向量可得

由两个向量的叉乘结果

并单位化得到曲线焊缝所在平面的法向量，即平板焊件的法向量

(3)在当前插补时刻t_i处建立动态局部摆动坐标系{w_i}，具体步骤如下：

(3.1)根据焊接起始点P_s、焊接终止点P_e以及焊接辅助点P_a预先规划得出路径中每个插补时刻所对应的插补点并存储在系统中；

(3.2)由当前插补时刻t_i处的插补点P_i＝(x_i,y_i,z_i)以及上一插补时刻t_i-1处的插补点P_i-1＝(x_i-1,y_i-1,z_i-1)计算得到当前主运动插补点的行进方向

其中：

(3.3)由当前插补点的行进方向

与曲线焊缝所在平面的法向量

的叉乘确定平面方向向量

(3.4)以当前插补时刻t_i处的插补点P_i为坐标原点，平面方向向量

为x_w轴，行进方向

为y_w轴，曲线焊缝所在平面的法向量

为z_w轴建立动态局部摆动坐标系{w_i}。

(4)构建空间叠加向量

设当前插补时刻t_i处的轨迹摆动点为W_i，其与焊接起始点P_s构成了空间叠加向量

该空间叠加向量由两个部分组成，第一部分为摆焊主运动向量

该向量可由控制系统中存储的当前插补时刻t_i处的插补点P_i以及焊接起始点P_s确定；第二部分为摆焊分运动向量

摆焊轨迹是以“L”型的形式交替分布于两个焊件的表面，为了确保摆焊时焊料的均匀分布，在一个摆焊周期T中，将其等分为前半周期与后半周期。

(4.1)当摆焊时刻t位于摆焊周期T的前半周期，即t位于0至T/2之间时，令摆焊轨迹分布于曲面焊件的表面，此时在动态局部摆动坐标系{w_i}中以z_w轴(曲线焊缝所在平面的法向量

)为叠加项构建空间叠加向量，即

(4.2)当摆焊时刻t位于摆焊周期T的后半周期，即t位于T/2至T之间时，令摆焊轨迹分布于平板焊件的表面，此时在动态局部摆动坐标系{w_i}中以x_w轴(平面方向向量

)为叠加项构建空间叠加向量，即

(5)叠加至主运动形成复合运动：

由已完成构建的空间叠加向量，在当前插补时刻插补点P_i的基础上引入实际摆焊轨迹函数weave(t)，对于摆焊分运动向量

其模的大小即为摆焊轨迹分运动的位移，设焊接起始点P_s与焊接终止点P_e之间的运动轨迹一共有n个摆焊周期，当前摆焊时刻t所处的周期数为k，令

将摆焊分运动叠加至主运动中，具体表示为：

如图4所示，P_i与P_j分别为插补时刻t_i处与t_j处的插补点，其中P_i所对应的摆焊时刻在单个摆动周期T中位于0至T/2之间，P_j所对应的摆焊时刻在单个摆动周期T中位于T/2至T之间；基于步骤(4)，在P_i处建立动态局部摆动坐标系{w_i}后，以曲线焊缝所在平面的法向量

为叠加项构建空间叠加向量，引入摆焊轨迹函数weave(t)后的实际摆焊插补点为W_i，此时

在P_j处建立动态局部摆动坐标系{w_j}后，以平面方向向量

为叠加项构建空间叠加向量，引入摆焊轨迹函数weave(t)后的实际摆焊插补点为W_j，此时

将摆焊分运动叠加至主运动后的三维曲线示意图如图5所示。

(6)判断主运动是否到达设定的焊接终止点P_e；若尚未到位，则在下一个插补时刻t_i+1处重复步骤(3)至步骤(5)以实现动态局部摆动坐标系{w_i}的实时更新、空间叠加向量的建立与复合运动的生成；若已到位，则结束当前运动路径的摆焊规划。

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例仅为本发明的较佳实施例而已，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做的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (1)

1.一种焊接机器人的摆焊轨迹规划方法，其步骤是：

步骤1.确定焊接参数条件

通过机器人示教器示教确定曲线焊缝上三个不共线的点，取其位姿信息中的位置信息，分别确定为：

焊接起始点P_s＝(x_s,y_s,z_s)，x_s、y_s、z_s分别为P_s在三维坐标系中的坐标值；

焊接终止点P_e＝(x_e,y_e,z_e)，x_e、y_e、z_e分别为P_e在三维坐标系中的坐标值；

焊接辅助点P_a＝(x_a,y_a,z_a)，x_a、y_a、z_a分别为P_a在三维坐标系中的坐标值；

摆焊幅值A；摆焊周期T；摆焊轨迹位移函数weave(t)；

步骤2.确定曲线焊缝所在平面的法向量

由已知的焊接起始点P_s、焊接终止点P_e以及焊接辅助点P_a分别计算位置向量

与

两个向量的叉乘

并单位化得到曲线焊缝所在平面的法向量

其中n_x、n_y、n_z分别为三维坐标系中的分量；

步骤3.在当前插补时刻t_i处建立动态局部摆动坐标系{w_i}；其步骤如下：

步骤3.1根据机器人控制系统的位置插补算法，确定沿焊缝曲线插补过程中当前插补时刻t_i处的插补点P_i＝(x_i,y_i,z_i)，其三维坐标系中的坐标值分别为x_i、y_i、z_i，以及上一插补时刻t_i-1处的插补点P_i-1＝(x_i-1,y_i-1,z_i-1)，其三维坐标系中的坐标值分别为x_i-1、y_i-1、z_i-1；

步骤3.2由控制系统中存储的当前插补时刻t_i处的插补点P_i＝(x_i,y_i,z_i)以及上一插补时刻t_i-1处的插补点P_i-1＝(x_i-1,y_i-1,z_i-1)计算当前插补点的行进方向

其三维坐标系中的分量a_x、a_y、a_z及模参数λ可分别表示为：

步骤3.3由当前插补点的行进方向

与曲线焊缝所在平面的法向量

的叉乘确定平面方向向量

其中s_x、s_y、s_z分别为三维坐标系中的分量；

步骤3.4以当前插补时刻t_i处的插补点P_i为坐标原点，平面方向向量

为x_w轴，行进方向

为y_w轴，曲线焊缝所在平面的法向量

为z_w轴建立动态局部摆动坐标系{w_i}；

步骤4.构建空间叠加向量

设当前插补时刻t_i处的轨迹摆动点为W_i，其与焊接起始点P_s构成了空间叠加向量

该空间叠加向量由两个部分组成，第一部分为摆焊主运动向量

该向量可由控制系统中存储的当前插补时刻t_i处的插补点P_i以及焊接起始点P_s确定；第二部分为摆焊分运动向量

本发明提出的摆焊轨迹是以“L”型的形式交替分布于两个焊件的表面，在一个摆焊周期T中分为前半周期与后半周期；或将周期T分配为如下比例：

当摆焊时刻t位于摆焊周期T的前半周期，即t位于0至T/2之间时，令摆焊轨迹分布于曲面焊件的表面，此时在动态局部摆动坐标系{w_i}中以z_w轴为叠加项构建空间叠加向量，曲线焊缝所在平面的法向量

即

当摆焊时刻t位于摆焊周期T的后半周期，即t位于T/2至T之间时，令摆焊轨迹分布于平板焊件的表面，此时在动态局部摆动坐标系{w_i}中以x_w轴为叠加项构建空间叠加向量，平面方向向量

即

步骤5.将空间叠加向量

叠加至主运动形成复合运动；具体步骤如下：

由已完成构建的空间叠加向量，在当前插补时刻插补点P_i的基础上引入实际摆焊轨迹函数；对于摆焊分运动向量

其模的大小即为摆焊轨迹分运动的位移；设焊接起始点P_s与焊接终止点P_e之间的运动轨迹一共有n个摆焊周期，当前摆焊时刻t所处的周期数为k，令

进一步将摆焊分运动叠加至主运动中，具体表示为：

步骤6.判断主运动是否到达设定的焊接终止点P_e；若尚未到位，则在下一个插补时刻t_i+1处重复步骤3至步骤5，以实现动态局部摆动坐标系{w_i}的实时更新、空间叠加向量的建立与复合运动的生成；若已到位，则结束当前运动路径的摆焊规划。

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