CN114161047B - 一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法 - Google Patents

一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法，包括以下步骤：S1.环境预设：构建基准坐标系以及待加工产品的三维模型；S2.焊接路径获取；S3.焊枪尺寸预设；S4.焊枪姿态设定；S5.焊枪姿态选取：将O与其中一焊接点重合，移动K，直至枪体与产品三维模型之间无交点，记录该K点与三维模型之间的相对位置，在所有焊接点处遍历获取K点形成位置集合{P1，P2,...,PN}；S6.焊枪避让路径生成：O点沿焊枪的移动路径移动，K点沿球体C表面上PN‑1与PN之间最短距离移动。本发明具有在焊接时有效的控制焊枪头的姿态变化，从而避免枪体与零件之间碰撞，提升产品质量的效果。

Description

一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法
技术领域
本发明涉及增材制造的技术领域，尤其是涉及一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法。
背景技术
增材制造，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
现有增材制造的方案多种多样，对于特别复杂的零件，通常会将零件分解成多个简单的零件，先制造各个简单的零件，最后再将各个简单零件通过增材制造的方式连接起来，最终生产出需要的零件。
但是在实际生产过程中几个简单零件之间连接为凹腔的状况，如图1中的零件并分为部件一与部件二，在部件一与部件二之间的连接处呈现V形的凹腔状，而增材制造实现枪头需要伸入凹腔处，并控制枪头沿部件一与部件二之间形成连接轨迹移动，由于枪头始终处于竖直向下进行焊接的状态，会出现枪头下端边缘与部件一与部件二之间出现碰撞的状况，从而影响产品质量以及损坏枪头。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一是提供一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法，在焊接时有效的控制焊枪头的姿态变化，从而避免枪体与零件之间碰撞，提升产品质量。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法，包括以下步骤：
S1.环境预设：构建基准坐标系以及待加工产品的三维模型；
S2.焊接路径获取：在三维模型中焊接连接线上间隔获取若干焊接点，相邻焊接点之间连线构成焊枪的移动路径；
S3.焊枪尺寸预设：焊枪包括呈圆柱状的枪体以及伸出枪体的呈直线的焊丝，预设枪体的半径为R、枪体的高度为H、焊丝的长度为L；
S4.焊枪姿态设定：焊丝伸出枪体的一端设为原点O，枪体轴线上距离O最远一点设为K，以O为圆心，以O至K之间的距离为半径构建球体C，K点沿球体C表面移动；
S5.焊枪姿态选取：将O与其中一焊接点重合，移动K，直至枪体与产品三维模型之间无交点，记录该K点与三维模型之间的相对位置P1，在所有N个焊接点处遍历获取K点与三维模型之间形成的相对位置集合{P1，P2,...,PN}；
S6.焊枪避让路径生成：O点沿焊枪的移动路径移动，K点沿球体C表面上位置PN-1与位置PN之间最短距离移动。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：
步骤S5中：移动K的方法为：
步骤一：预设以O为圆心，且以O点竖直向上的射线为基准轴线M，O与K之间连线为m；
步骤二：沿球体C表面并以m与M在竖直平面夹角为na移动K点,所有K点的集合构成若干个水平圆，其中n为自然数；
步骤三：沿其中一水平圆并以定弧长b移动K点，计算该K点位置枪体与三维模型之间是否存在交点，并获取当枪体与三维模型之间不存在交点时，K点在基准坐标系中的坐标，所有水平圆上遍历获取的K点坐标，并得到基准坐标集合
Figure BDA0003427879770000021
Figure BDA0003427879770000022
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：
移动K的方法步骤三中：建立以O为原点的参考坐标系，同时获取基准坐标集合
Figure BDA0003427879770000023
中对应K点位置在参考坐标系中的坐标，并得到参考坐标集合
Figure BDA0003427879770000024
步骤S5中：选取各焊接点处K点的位置方法如下：
任意选取一焊接点作为第一焊接点，任意选取第一焊接点处属于PN中一个K点位置坐标，并获取K点的基准坐标与参考坐标；
其余焊接点处，选取K点沿球体表面移动且最靠近上一焊接点处对应K点参考坐标的该焊点对应K点参考坐标，并对应获取该焊点处K点基准坐标及其位置。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：步骤S3中：预设枪体的半径与高度的尺寸均大于实际枪体的半径与高度尺寸。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述预设枪体的半径与高度的尺寸与实际枪体的半径与高度尺寸的对应差值为c，以c为间隔向相邻的焊接点之间差入若干新的焊接点，所有相邻焊接点之间连线构成焊枪的移动路径。
本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：
步骤S5的选取各焊接点处K点的位置方法还包括焊枪姿态验证排除：
一：相邻焊接点之间连接形成直线段n1，n1长度为m1，两相邻焊接点对应的K点坐标之间连接形成直线段n2，n2长度为m2；
二：比较m2与c之间的大小，
若m2小于等于c，则继续进行步骤S6；
若m2大于c，在n2上，以长度c为间距从焊接方向上第一K点出发插入若干检测点；在n1上，以长度
Figure BDA0003427879770000031
为间距从焊接方向上第一焊接点出发插入若干检测点二，检测点一与检测点二按照插入顺序一一对应并构成焊枪的若干个待检测姿态，计算每个待检测姿态中，焊枪与三维模型是否存在交点，若存在交点，则集合
Figure BDA0003427879770000032
Figure BDA0003427879770000033
与集合
Figure BDA0003427879770000034
中排除从焊接方向上第二K点的坐标。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：
1.获取每一焊接点处焊枪对应的姿态，从而实现焊接时焊枪自动移动避让零件的目的；
2.焊枪预设尺寸大于实际尺寸，能够最为有效的避免实际焊接时，焊枪与零件之间碰撞；
3.K点的移动方法以及筛选方法，能够在保证焊枪姿态变化最小的前提下，避免枪体移动过程中与零件之间发生碰撞。
附图说明
图1是零件结构及其焊接路径示意图；
图2是焊枪结构示意图；
图3是展现球体C以及角度na；
图4是展现弧长nb。
附图标记：1、零件；2、焊接路径。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1-4所示，本发明公开的一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法，并且为了更好展现本发明的方案结合附图1中的零件结构，具体的包括以下步骤实现焊接避障路径的规划：
上述避障路径是指：在焊接过程中，调整焊枪的摆放角度，从而有效的避免焊枪与零件之间发生碰撞。
步骤S1，环境预设：构建基准坐标系，基准坐标系采用原点固定的直角坐标系，并在该直角坐标系内预设待焊接的三维模型结构，此实施例中三维模型为附图1中的零件。
步骤S2，焊接路径获取：通过计算得到零件中部件一与部件二的之间连接处的焊接连接线，并在焊接连接线上等间隔获取若干个焊接点，相邻的焊接点之间采用直线连接，最后形成一个闭环的移动路径，该路径为焊枪的移动路径。
步骤S3,焊枪的尺寸预设，该步骤与前两步之间不存在先后，并可以任意调换顺序，在该步骤中：在直角坐标系内构建焊枪，将焊枪分为两部分，第一部分为枪体，另一部分为伸出枪体的焊丝，枪体与焊丝均构建为半径不同的圆柱体，其中枪体的半径预设为R、枪体的高度预设为H、焊丝的长度预设为L；焊接时，焊丝伸出枪体的一端与焊接路径重合，持续送出焊丝且焊丝不断融化，焊丝的长度L可认为是一个固定值；
其中预设枪体的半径与高度的尺寸均大于实际枪体的半径与高度尺寸，预设枪体的半径与高度的尺寸与实际枪体的半径与高度尺寸的对应差值为c，以c为间隔向相邻的焊接点之间差入若干新的焊接点，所有相邻焊接点之间连线构成焊枪的移动路径；通过焊枪尺寸预设增大且相邻焊接点之间距离缩小，从而有效的避免焊接时枪体与零件之间碰撞。
步骤S4，焊枪姿态设定，通过S3可得到，焊枪的尺寸数据在焊接时是不变化的，故确定焊枪上任意两点在直角坐标系中的基准坐标，即可得到焊枪在直角左边系中的位置，故设定焊枪姿态为焊枪任意两点的基准坐标。在本实施例中，为了便于焊枪坐标的计算和获取，设置焊丝焊接端为O点，设置枪体原理焊丝一侧的圆心为K点，并且构建以O为圆心，以O至K之间的距离为半径构建球体C；
在焊接时，O点始终焊接路径重合，K点则可在球体C的表面移动，并在直角坐标系中获取0与K的基准坐标，从而实现确定焊枪姿态，故通过。
步骤S5，焊枪姿态选取：将O与其中一焊接点重合，移动K，直至枪体与产品三维模型之间无交点，记录该K点与三维模型之间的相对位置，在所有焊接点处遍历获取K点形成位置集合{P1，P2,...,PN}。
但是在实际焊接中，每一个焊接点处，K点基本都会存在多个位置可以选取同时保证枪体与零件之间不碰撞，除此之外，还需要控制每次K点变化时移动的距离最小，从而提升加工效率，为此提供以下具体步骤：
一、构建与O点始终重合的参考坐标系，此实施例中参考坐标系设置为球体坐标系；
二、将O点与其中一焊接点重合；
三、移动K点与记录K点位置集合，并包含以下具体步骤：预设以O为圆心，且以O点竖直向上的射线为基准轴线M，O与K之间连线为m；沿球体C表面并以m与M在竖直平面夹角为na移动K点,所有K点的集合构成若干个水平圆，其中n为自然数；沿其中一水平圆并以定弧长b移动K点，计算该K点位置枪体与三维模型之间是否存在交点，并获取当枪体与三维模型之间不存在交点时，K点在基准坐标系中的坐标，所有水平圆上遍历获取的K点坐标，并得到基准坐标集合
Figure BDA0003427879770000041
同时获取基准坐标集合
Figure BDA0003427879770000042
中对应K点位置在参考坐标系中的坐标，并得到参考坐标集合
Figure BDA0003427879770000043
四、选取K点的位置，并包括以下具体步骤：任意选取一焊接点作为第一焊接点，任意选取第一焊接点处属于PN中一个K点位置，并获取K点在基准坐标与参考坐标；
其余焊接点处，选取K点沿球体表面移动且最靠近上一焊接点处对应K点参考坐标的该焊点对应K点参考坐标，并对应获取该焊点处K点基准坐标及其位置，遍历上述步骤获取每一焊接点处对应K点的基准坐标及位置；
五、筛选K点位置集合：
第一，相邻焊接点之间连接形成直线段n1，n1长度为m1，两相邻焊接点对应的K点坐标之间连接形成直线段n2，n2长度为m2；
第二，比较m2与c之间的大小，
若m2小于等于c，则能够保证枪体与零件之间不会碰撞；
若m2大于c，在n2上，以长度c从焊接方向上第一K点出发插入若干检测点；在n1上，以长度
Figure BDA0003427879770000051
从焊接方向上第一焊接点出发插入若干检测点二，检测点一与检测点二按照插入顺序一一对应并构成焊枪的若干个待检测姿态，计算每个待检测姿态中，焊枪与三维模型是否存在交点，若存在交点，则集合
Figure BDA0003427879770000052
与集合
Figure BDA0003427879770000053
Figure BDA0003427879770000054
中排除从焊接方向上第二K点的坐标。
六、重新选取K点位置：若在第五步中存在被排除的K点位置，则重复第4步获取新的K点位置；若在第五步中不存在被排除的K点位置，则跳过该步骤。
步骤S6，焊枪避让路径生成：O点沿焊枪的移动路径移动，K点沿球体C表面上PN-1与PN之间最短距离移动。
通过上述的步骤能够获取每一焊接点处焊枪对应的姿态，从而实现焊接时焊枪自动移动避让零件的目的。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.环境预设：构建基准坐标系以及待加工产品的三维模型；
S2.焊接路径获取：在三维模型中焊接连接线上间隔获取若干焊接点，相邻焊接点之间连线构成焊枪的移动路径；
S3.焊枪尺寸预设：焊枪包括呈圆柱状的枪体以及伸出枪体的呈直线的焊丝，预设枪体的半径为R、枪体的高度为H、焊丝的长度为L；
S4.焊枪姿态设定：焊丝伸出枪体的一端设为原点O，枪体轴线上距离O最远一点设为K，以O为圆心，以O至K之间的距离为半径构建球体C，K点沿球体C表面移动；
S5.焊枪姿态选取：将O与其中一焊接点重合，移动K，直至枪体与产品三维模型之间无交点，记录该K点与三维模型之间的相对位置P1，在所有N个焊接点处遍历获取K点与三维模型之间形成的相对位置集合{P1，P2,...,PN}；
S6.焊枪避让路径生成：O点沿焊枪的移动路径移动，K点沿球体C表面上位置PN-1与位置PN之间最短距离移动；
步骤S5中：移动K的方法为：
步骤一：预设以O为圆心，且以O点竖直向上的射线为基准轴线M，O与K之间连线为m；
步骤二：沿球体C表面并以m与M在竖直平面夹角为na移动K点,所有K点的集合构成若干个水平圆，其中n为自然数；
步骤三：沿其中一水平圆并以定弧长b移动K点，计算该K点位置枪体与三维模型之间是否存在交点，并获取当枪体与三维模型之间不存在交点时，K点在基准坐标系中的坐标，所有水平圆上遍历获取的K点坐标，并得到基准坐标集合
Figure FDA0003866073520000011
2.根据权利要求1所述的一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法，其特征在于：移动K的方法步骤三中：建立以O为原点的参考坐标系，同时获取基准坐标集合
Figure FDA0003866073520000012
中对应K点位置在参考坐标系中的坐标，并得到参考坐标集合
Figure FDA0003866073520000013
步骤S5中：选取各焊接点处K点的位置方法如下：
任意选取一焊接点作为第一焊接点，任意选取第一焊接点处属于PN中一个K点位置坐标，并获取K点的基准坐标与参考坐标；
其余焊接点处，选取K点沿球体表面移动且最靠近上一焊接点处对应K点参考坐标的该焊接点对应K点参考坐标，并对应获取该焊接点处K点基准坐标及其位置。
3.根据权利要求2所述的一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法，其特征在于：步骤S3中：预设枪体的半径与高度的尺寸均大于实际枪体的半径与高度尺寸。
4.根据权利要求3所述的一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法，其特征在于：所述预设枪体的半径与高度的尺寸与实际枪体的半径与高度尺寸的对应差值为c，以c为间隔向相邻的焊接点之间差入若干新的焊接点，所有相邻焊接点之间连线构成焊枪的移动路径。
5.根据权利要求4所述的一种用于增材制造的焊枪头自动避障方法，其特征在于：步骤S5的选取各焊接点处K点的位置方法还包括焊枪姿态验证排除：
一：相邻焊接点之间连接形成直线段n1，n1长度为m1，两相邻焊接点对应的K点坐标之间连接形成直线段n2，n2长度为m2；
二：比较m2与c之间的大小，
若m2小于等于c，则继续进行步骤S6；
若m2大于c，在n2上，以长度c为间距从焊接方向上第一K点出发插入若干检测点；
在n1上，以长度
Figure FDA0003866073520000021
为间距从焊接方向上第一焊接点出发插入若干检测点二，检测点一与检测点二按照插入顺序一一对应并构成焊枪的若干个待检测姿态，计算每个待检测姿态中，焊枪与三维模型是否存在交点，若存在交点，则集合
Figure FDA0003866073520000022
与集合
Figure FDA0003866073520000023
Figure FDA0003866073520000024
中排除从焊接方向上第二K点的坐标。
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