CN113634871A - 基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法 - Google Patents

基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，包括如下步骤：构建三维模型；将所述三维模型导入离线编程软件，利用所述离线编程软件完成三维模型的工作环境布局，根据机器人夹具的实际尺寸，建立机器人的工具参数，根据待焊接工件和焊接工装位置，建立机器人的用户坐标系位姿参数，在待焊接工件的焊接位置绘制样条曲线，作为焊接轨迹；将所述焊接轨迹导入完成工作环境布局的离线编程软件中，根据所述三维模型生成参考焊接轨迹；所述机器人控制器控制所述机器人对待焊接工件执行焊接过程，产生实际焊接轨迹；获取实际焊接轨迹和所述参考焊接轨迹之间的偏差值，利用所述偏差值修正所述参考焊接轨迹，从而形成标准焊接轨迹。操作简单实用，提高生产效率和焊接精确性。

Description

基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，尤其涉及基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法。
背景技术
随着重载工业机器人刚性及控制精度的提升，机器人搅拌摩擦焊技术与装备已成为近年来搅拌摩擦焊领域重要的发展方向。工业机器人具有较高的柔性，可以实现复杂轨迹运动，使复杂结构件的焊接成为可能，有力地促进机器人搅拌摩擦焊技术的推广应用。
现有技术中，用于搅拌摩擦焊的机器人主要采用手工示教的方式进行编程，一般是通过人工手持操作示教器让机器人运动到相应的目标点，然后选择机器人运动指令，记录点位，设置路径，然后工业机器人按照焊接轨迹进行焊接。示教过程繁琐，效率低下，且位置点的记录精度完全取决于操作者的目测数值，精度较低，对于复杂的空间曲线焊接，示教编程不仅占有大量的时间，人工示教过程繁琐，精确性难以保证，而且示教过程中无法确保理想的焊接姿态，难以取得满意的效果，示教点的位置及姿态主要取决于操作者的水平和熟练程度，人为影响因素较大。离线编程作为机器人应用过程中的一项关键技术，已经得到广泛应用，有力地提高机器人作业效率，降低操作人员的示教工作难度，但在搅拌摩擦焊领域，目前还没有较为实用的焊接轨迹规划方案。
发明内容
基于上述问题，本发明提供基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，旨在解决现有技术中未提供一种实用的复杂搅拌摩擦焊轨迹规划方案等技术问题。
基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，包括如下步骤：
步骤A1，在三维建模软件中构建包括机器人、待焊接工件、搅拌摩擦主轴、焊接工装的三维模型；
步骤A2，将三维模型导入离线编程软件，利用离线编程软件完成三维模型的工作环境布局，以获得机器人焊接模型，工作环境布局包括机器人、待焊接工件、搅拌摩擦主轴、焊接工装之间的相对位置关系；
步骤A3，根据机器人的夹具的实际尺寸，获取夹具末端点在世界坐标系下的位置和姿态，从而建立机器人的工具参数；
步骤A4，根据待焊接工件和焊接工装的位置，机器人的用户坐标系在世界坐标系下的位置和姿态，从而建立机器人的用户坐标系位姿参数；
步骤A5，在待焊接工件的焊接位置绘制样条曲线，作为焊接轨迹；
步骤A6，将焊接轨迹导入完成工作环境布局的离线编程软件中，根据机器人焊接模型生成参考焊接轨迹；
步骤A7，将生成的参考焊接轨迹导入机器人的控制器中，控制器控制机器人对待焊接工件执行焊接过程，产生实际焊接轨迹；
步骤A8，获取实际焊接轨迹和参考焊接轨迹之间的偏差值，利用偏差值修正参考焊接轨迹，从而形成标准焊接轨迹。
进一步的，三维建模软件为PROE、UG、Soildworks或者CATIA。
进一步的，离线编程软件为RobotStudio、Robotmaster或者ROBOGUIDE。
进一步的，在步骤A3中，采用六点法标定机器人的工具参数。
进一步的，选取搅拌摩擦主轴的搅拌针的尖端点作为夹具末端点，选取待焊接工件板厚方向的数据，采用六点法标定机器人的工具参数。
进一步的，在步骤A3中，采用六点法标定机器人的工具参数包括如下步骤：
步骤A31，在机器人工作范围内确定一固定点；
步骤A32，在夹具上确定工具中心点；
步骤A33，手动操作机器人移动工具中心点，以四种不同的工具姿态到达固定点，其中，前三种工具姿态为任意姿态，第四种工具姿态使工具中心点垂直于固定点进行，从而确定夹具末端点在世界坐标系下的位置；
步骤A34，使用第五种工具姿态使工具中心点从固定点向需要设定的工具中心点的X方向移动；使用第六种工具姿态使工具中心点从固定点向需要设定的工具中心点的Z方向移动，从而确定夹具末端点在世界坐标系下的姿态。
进一步的，采用三点法标定机器人的用户坐标系位姿参数，其中第一示教点为用户坐标系原点，第二示教点为用户坐标系X轴方向上的一点，第三示教点为用户坐标系Y轴方向上的一点。
进一步的，在步骤A8中，在修正参考焊接轨迹时考虑待焊接工件的材质信息。
进一步的，在步骤A8中，在修正参考焊接轨迹时还考虑搅拌摩擦焊的工艺参数。
进一步的，标准焊接轨迹的修正公式如下所示：
A3＝A1+P(A2-A1)；
其中，
A3表示标准焊接轨迹的坐标集；
A1表示参考焊接轨迹的坐标集；
A2表示实际焊接轨迹的坐标集；
P表示修正系数。
本发明的有益技术效果是：本发明提供基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，通过三维建模，离线生成焊接轨迹，使用过程中，只需要人工进行简单微调即可使用，大大降低了示教难度，操作简单实用，提高生产效率和焊接精确性。
附图说明
图1为本发明基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法的步骤流程图；
图2为本发明基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法的工具参数标定的步骤流程图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参见图1，本发明提供基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，包括如下步骤：
步骤A1，在三维建模软件中构建包括机器人、待焊接工件、搅拌摩擦主轴、焊接工装的三维模型；
步骤A2，将三维模型导入离线编程软件，利用离线编程软件完成三维模型的工作环境布局，以获得机器人焊接模型，工作环境布局包括机器人、待焊接工件、搅拌摩擦主轴、焊接工装之间的相对位置关系；
步骤A3，根据机器人的夹具的实际尺寸，获取夹具末端点在世界坐标系下的位置和姿态，从而建立机器人的工具参数；
步骤A4，根据待焊接工件和焊接工装的位置，机器人的用户坐标系在世界坐标系下的位置和姿态，从而建立机器人的用户坐标系位姿参数；
步骤A5，在待焊接工件的焊接位置绘制样条曲线，作为焊接轨迹；
步骤A6，将焊接轨迹导入完成工作环境布局的离线编程软件中，根据机器人焊接模型生成参考焊接轨迹；
步骤A7，将生成的参考焊接轨迹导入机器人的控制器中，控制器控制机器人对待焊接工件执行焊接过程，产生实际焊接轨迹；
步骤A8，获取实际焊接轨迹和参考焊接轨迹之间的偏差值，利用偏差值修正参考焊接轨迹，从而形成标准焊接轨迹。
具体的，在步骤A1中，与待焊接工件有关的三维模型包括：待焊接工件三维模型、焊接工装三维模型、机器人三维模型和搅拌摩擦主轴三维模型。
待焊接工件设置于焊接工装上，机器人夹住搅拌摩擦主轴。搅拌摩擦主轴的搅拌针对待焊接工件执行搅拌摩擦焊接。
进一步的，三维建模软件为PROE、UG、Soildworks或者CATIA。
在三维建模软件中建立待焊工件、焊接工装等的3D数模，三维建模软件可根据实际情况选择PROE、UG、Soildworks、CATIA等软件。
进一步的，离线编程软件为RobotStudio、Robotmaster或者ROBOGUIDE。
将待焊接工件、焊接工装、机器人及搅拌摩擦焊主轴的3D模型导入离线编程软件，根据加工场所内的实际布置情况，完成搅拌摩擦焊系统工作环境的布局。
其中，机器人离线编程软件可根据系统要求选择诸如RobotStudio、Robotmaster、ROBOGUIDE中的一种。
进一步的，在步骤A3中，采用六点法标定机器人的工具参数。
进一步的，选取搅拌摩擦主轴的搅拌针的尖端点作为夹具末端点，选取待焊接工件板厚方向的数据，采用六点法标定机器人的工具参数。
参见图2，进一步的，在步骤A3中，采用六点法标定机器人的工具参数包括如下步骤：
步骤A31，在机器人工作范围内确定一固定点；
步骤A32，在夹具上确定工具中心点；
步骤A33，手动操作机器人移动工具中心点，以四种不同的工具姿态到达固定点，其中，前三种工具姿态为任意姿态，第四种工具姿态使工具中心点垂直于固定点进行，从而确定夹具末端点在世界坐标系下的位置；
步骤A34，使用第五种工具姿态使工具中心点从固定点向需要设定的工具中心点的X方向移动；使用第六种工具姿态使工具中心点从固定点向需要设定的工具中心点的Z方向移动，从而确定夹具末端点在世界坐标系下的姿态。
采用机器人内部算法，在六点法标定中，在机器人动作范围内确定一个精确的固定点位。在工具上确定一个参考点(最好选择工具的中心点Tool Center Point，TCP)。手动操作机器人移动TCP，分别以四种不同的工具姿态到达(1)中选取的固定点。其中，前3个点可以任意姿态进行，第4个点使工具的参考点垂直于固定点，第5个点使工具参考点从固定点向需要设定的TCP的X方向移动，第6点使工具参考点从固定点向需要设定的TCP的Z方向移动。通过前4个点的位置数据可计算出TCP的位置，通过后2个点的位置数据可计算出TCP的姿态。
进一步的，采用三点法标定机器人的用户坐标系位姿参数，其中第一示教点为用户坐标系原点，第二示教点为用户坐标系X轴方向上的一点，第三示教点为用户坐标系Y轴方向上的一点。
进一步的，在步骤A8中，在修正参考焊接轨迹时考虑待焊接工件的材质以及搅拌摩擦焊的工艺参数。
进一步的，标准焊接轨迹的修正公式如下所示：
A3＝A1+P(A2-A1)；
其中，
A3表示标准焊接轨迹的坐标集；
A1表示参考焊接轨迹的坐标集；
A2表示实际焊接轨迹的坐标集；
P表示修正系数。
采用机器人离线编程工具将样条曲线导入步骤2中建立的三维模型，抽取三维模型中的特征线条，对特征线条或特征线条偏移后得到的线条作为焊接轨迹，对其进行轨迹程序生成。根据三维模型生成的程序的点位得到参考焊接轨迹的坐标集A1(x1,y1,z1,w1,p1,r1)，运行程序，由于焊接过程中的阻力和机器人刚性不足而产生轨迹偏差，在焊接完成后根据实际得到的焊道得到实际焊接轨迹的点位坐标集A2(x2,y2,z2,w2,p2,r2)，对两个坐标集求差值A2-A1(x1-x2,y1-y2,z1-z2,w1-w2,p1-p2,r1-r2)为需要进行修正的偏差，根据不同材质和工艺参数，修正偏差值。修正后的标准焊接轨迹的坐标集为A3＝A1+P(A2-A1)。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A1，在三维建模软件中构建包括机器人、待焊接工件、搅拌摩擦主轴、焊接工装的三维模型；
步骤A2，将所述三维模型导入离线编程软件，利用所述离线编程软件完成三维模型的工作环境布局，以获得机器人焊接模型，所述工作环境布局包括机器人、待焊接工件、搅拌摩擦主轴、焊接工装之间的相对位置关系；
步骤A3，根据机器人的夹具的实际尺寸，获取夹具末端点在世界坐标系下的位置和姿态，从而建立所述机器人的工具参数；
步骤A4，根据所述待焊接工件和焊接工装的位置，机器人的用户坐标系在世界坐标系下的位置和姿态，从而建立机器人的用户坐标系位姿参数；
步骤A5，在所述待焊接工件的焊接位置绘制样条曲线，作为焊接轨迹；
步骤A6，将所述焊接轨迹导入完成工作环境布局的离线编程软件中，根据所述机器人焊接模型生成参考焊接轨迹；
步骤A7，将生成的所述参考焊接轨迹导入机器人的控制器中，所述控制器控制所述机器人对所述待焊接工件执行焊接过程，产生实际焊接轨迹；
步骤A8，获取实际焊接轨迹和所述参考焊接轨迹之间的偏差值，利用所述偏差值修正所述参考焊接轨迹，从而形成标准焊接轨迹。
2.如权利要求1所述的基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，其特征在于，所述三维建模软件为PROE、UG、Soildworks或者CATIA。
3.如权利要求1所述的基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，其特征在于，所述离线编程软件为RobotStudio、Robotmaster或者ROBOGUIDE。
4.如权利要求1所述的基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，其特征在于，在所述步骤A3中，采用六点法标定所述机器人的工具参数。
5.如权利要求4所述的基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，其特征在于，选取搅拌摩擦主轴的搅拌针的尖端点作为所述夹具末端点，选取待焊接工件板厚方向的数据，采用六点法标定所述机器人的工具参数。
6.如权利要求4所述的基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，其特征在于，在所述步骤A3中，采用六点法标定所述机器人的工具参数包括如下步骤：
步骤A31，在机器人工作范围内确定一固定点；
步骤A32，在夹具上确定工具中心点；
步骤A33，手动操作机器人移动所述工具中心点，以四种不同的工具姿态到达所述固定点，其中，所述前三种工具姿态为任意姿态，第四种工具姿态使所述工具中心点垂直于所述固定点进行，从而确定夹具末端点在世界坐标系下的位置；
步骤A34，使用第五种工具姿态使所述工具中心点从所述固定点向需要设定的工具中心点的X方向移动；使用第六种工具姿态使所述工具中心点从固定点向需要设定的工具中心点的Z方向移动，从而确定夹具末端点在世界坐标系下的姿态。
7.如权利要求1所述的基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，其特征在于，采用三点法标定所述机器人的用户坐标系位姿参数，其中第一示教点为用户坐标系原点，第二示教点为用户坐标系X轴方向上的一点，第三示教点为用户坐标系Y轴方向上的一点。
8.如权利要求1所述的基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，其特征在于，在所述步骤A8中，在修正所述参考焊接轨迹时考虑所述待焊接工件的材质信息。
9.如权利要求8所述的基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，其特征在于，在所述步骤A8中，在修正所述参考焊接轨迹时还考虑搅拌摩擦焊的工艺参数。
10.如权利要求9所述的基于离线编程的机器人搅拌摩擦焊轨迹规划方法，其特征在于，所述标准焊接轨迹的修正公式如下所示：
A3＝A1+P(A2-A1)；
其中，
A3表示所述标准焊接轨迹的坐标集；
A1表示所述参考焊接轨迹的坐标集；
A2表示所述实际焊接轨迹的坐标集；
P表示修正系数。
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