CN114417535A - 基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法 - Google Patents

基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法，激光焊接头的摆动轨迹根据当前XY轴运动轨迹切线方向进行旋转，形成具备角度跟随功能的激光焊接头轨迹，此时激光焊接头轨迹，实现轨迹数据的动态生成，即振镜的角度控制数据需要周期性的按照角度参数进行重新计算。在二维坐标系下，以贝塞尔曲线表示激光焊接头的摆动轨迹，通过二阶矩阵乘法运算，将原始坐标点与几何变换矩阵相乘，即得到几何映射后的新坐标点，经过角度跟随计算的新曲线，再经离散化，成为振镜电机的控制数据。具备角度跟随功能的激光焊接头摆动轨迹，将更好的适应各种加工轨迹的工艺要求，同时激光能量的输出密度更加均匀，提高了最终的焊接效果。

Description

基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法
技术领域
本发明涉及激光焊接头焊接领域，具体涉及基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法。
背景技术
激光摆动焊接系统，主要分为运动平台和激光焊接头两个主要的运动控制部分。其中运动平台，用于控制激光摆动焊接头沿预设焊缝运动。而激光焊接头，主要为了扩大激光光斑的覆盖面积，实现远大于光斑尺寸焊缝间隙的激光焊接加工。
传统的系统方案，焊接头和运动平台由独立的控制卡驱动，而且两套板卡没有数据通信交互。当焊接头依照非圆形摆动轨迹运动时，由于摆动路径的X轴和Y轴图案不能互换，如8字形轨迹旋转90°后，成为∞轨迹，是两种完全不同的图案。因此为适应这种非圆图案轨迹，运动平台只能进行简单直线的运动，无法适配多种样式的焊接轨迹。
发明内容
为克服上述背景技术中运动平台只能进行简单直线的运动，无法适配多种样式的焊接轨迹的缺点，本发明的目的在于提供一种基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法，包括以下步骤：
步骤一：以贝塞尔曲线表示XY轴运动轨迹，通过将参数方程变量t值代入三阶贝塞尔曲线参数方程，计算当前运动点的坐标X和Y；
步骤二：将当前运动点的参数方程变量t值代入三阶贝塞尔曲线参数方程的一阶导数方程，分别得到坐标（X，Y）的导数值X′和Y′，将X′值除以Y′所得结果为tanθ，再经过反正切运算，得到XY轴运动曲线的切线角度θ；
步骤三：根据切线角度θ生成二阶矩阵；
步骤四：将当前焊接头轨迹曲线的坐标依次乘以二阶矩阵，获得原始摆动曲线经过参数变换后新的摆动轨迹；
步骤五：控制新的摆动轨迹更新的频率，根据激光焊接头的摆动速度得到新的摆动轨迹的实际输出步长；
步骤六：按照实际输出步长，将新的摆动轨迹通过离散化分解为满足实际输出步长的坐标点序列，得到激光焊接头动态轨迹的控制数据。
在一些可能的实施方式中，所述新的摆动轨迹的中心线与当前XY轴运动切线角度呈垂直90度。
在一些可能的实施方式中，所述二阶矩阵为匹配切线角度参数的旋转矩阵。
在一些可能的实施方式中，在旋转变换的过程中，所述原始摆动曲线的坐标系原点(0,0)与其几何中点经过平移变换对齐重合。
在一些可能的实施方式中，摆动轨迹角度更新频率达到至少1KHz。
一种激光焊接系统，采用本发明所述的基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法的步骤，包括具备相互通信设计的焊接头系统和运动平台系统，所述焊接头系统用于控制焊接头的摆动轨迹，所述摆动轨迹根据当前XY轴运动轨迹的切线方向进行旋转；所述运动平台系统用于控制焊接头沿预设焊缝进行的XY轴运动轨迹。
在一些可能的实施方式中，所述相互通信设计的目的包括用于获取角度参数，通信形式包括：处理器内部多个线程或程序处理模块间的数据交互变量；单一控制板上，不同功能芯片间的数字或模拟信号接口；多个控制板之间标准或自定义的，用于数据通讯的电气接口。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所述的基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法的步骤。
本发明的有益效果在于：
在二维坐标系下，以贝塞尔曲线表示XY轴运动轨迹，通过二阶矩阵乘法运算，将当前焊接头轨迹曲线的原始坐标点与几何变换矩阵相乘，即得到几何映射后的新坐标点，经过角度跟随计算的新曲线，再经离散化，成为振镜电机的控制数据，实现轨迹数据的动态生成。具备角度跟随功能的激光焊接头摆动轨迹，将更好的适应各种加工轨迹的工艺要求，同时激光能量的输出密度更加均匀，提高了最终的焊接效果。
附图说明
图1为本发明实施例一种激光焊接系统示意图；
图2为本发明实施例轨迹合成的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参照附图1和附图2所示，一种激光焊接系统，采用本发明所述的基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法的步骤，包括具备相互通信设计的焊接头系统和运动平台系统，实时更新包括运动曲线切线角度在内的系统参数。所述焊接头系统用于控制焊接头的摆动轨迹；所述运动平台系统用于控制激光焊接头沿预设焊缝进行的XY轴运动轨迹；所述摆动轨迹根据当前XY轴运动轨迹的切线方向进行旋转，实现在任意角度和走向的XY轴平面运动轨迹的条件下，最终焊接轨迹的径向宽度和能量密度均能保持在一个稳定状态，形成具备角度跟随功能的激光焊接头轨迹，此时激光焊接头轨迹，要实现轨迹数据的动态生成。
轨迹合成的图示参照附图2所示，激光焊接头的摆动轨迹为一系列X与Y振镜电机偏转角度的数组，当电机按照这些偏转角度变化时，对应的反射镜改变了激光出射角度，从而形成循环轨迹，典型如Z型、O型、8型、∞型等即为摆动轨迹。运动平台带动焊接头本体，实现独立的XY平面轨迹运动，最终的加工件的焊接轨迹，是摆动轨迹和XY轨迹在XY平面上的叠加结果。
当无XY轴运动轨迹跟随功能时，非圆摆动轨迹与某些角度的XY轨迹合成结果会出现畸变，不满足预期的焊缝宽度一致要求。而具备角度跟随功能后，摆动轨迹将按照当前XY轨迹的方向进行旋转，最终的合成轨迹各段均满足预期的焊缝宽度要求。
获得角度参数的相互通信设计可以是多种形式，现列举三个：
1.处理器内部多个线程或程序处理模块间的数据交互变量；
2.单一控制板上，不同功能芯片间的数字或模拟信号接口；
3.多个控制板之间标准或自定义的，用于数据通讯的电气接口。
为了达到激光焊接头轨迹，实现轨迹数据的动态生成的目的，本发明采用的技术方案是：基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法，包括以下步骤：
步骤一：以贝塞尔曲线表示XY轴运动轨迹，通过将参数方程变量t值代入三阶贝塞尔曲线参数方程，计算当前运动点的坐标X和Y；
三阶贝塞尔曲线参数方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004AA
。
三阶贝塞尔曲线参数方程是位移方程，其中(x0,y0)与(x3,y3)为曲线起始和结束的端点坐标，(x1,y1)与(x2,y2)为曲线控制点坐标；t是参数方程的变量，取值范围[0, 1]，当t在[0, 1]间连续变化时，得到的就是位于曲线上的一系列坐标点，t=0时，坐标点为(x0,y0)；t=1时，坐标点为(x3, y3)。
步骤二：将当前运动点的参数方程变量t值代入三阶贝塞尔曲线参数方程的一阶导数方程，分别得到坐标（X，Y）的导数值X′和Y′，将X′值除以Y′所得结果为tanθ，再经过反正切运算，得到XY轴运动曲线的切线角度θ；三阶贝塞尔曲线参数方程的一阶导数方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
，
再进行除数的反正切解，得到XY轴运动曲线的切线角度θ，
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
。
切线角度是随当前坐标点不断变化的，三阶贝塞尔曲线参数方程的一阶导数方程是速度方程，二阶导数是加速度方程。
步骤三：根据切线角度θ生成二阶矩阵；这里通过切线角度生成匹配切线角度参数的旋转矩阵，以此获得原始摆动曲线经过参数变换后新的摆动轨迹；所述新的摆动轨迹的中心线与当前XY轴运动切线角度呈垂直90度。保持一定固定角度90度，就是角度跟随的核心意义，跟随是一个动态过程而不是静态的，运动到了曲线具体的一个点，角度才相应调整。举例为月球始终只有一面朝向地球，在地球上永远看不到月球的背面，这是因为月球的自转周期与绕地球的公转周期高度一致，公转一圈自转一圈，这个就叫角度跟随。所述二阶矩阵还包括、匹配缩放参数的缩放矩阵和进行中心校正的平移矩阵，还包括镜像矩阵和剪切矩阵，这些基础矩阵还可以组合出任意映射矩阵，通过几何变换运算做坐标点映射，得到新的坐标点。
步骤四：将当前焊接头轨迹曲线的坐标乘以二阶矩阵，获得原始摆动曲线经过参数变换后新的摆动轨迹；
二阶矩阵可以是如下矩阵：
设矩阵A1为缩放运算矩阵，A1=
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
形式，
则其中a11为x坐标变化系数，a22为y坐标变化系数，将x坐标2倍放大，而y坐标不变，
则实际的A1=
Figure DEST_PATH_IMAGE014A
，
设矩阵B1为旋转运算矩阵，如果旋转角度为θ，则B1=
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
在旋转变换的过程中，所述原始摆动曲线的坐标系原点(0,0)与其几何中点经过平移变换对齐重合，这是为了保证旋转变换过程中，始终是围绕原始摆动图形的中心点进行；根据轨迹数据的旋转或缩放运算需要，将坐标点顺序乘以对应矩阵，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
步骤五：控制新的摆动轨迹更新的频率，根据激光焊接头的摆动速度得到新的摆动轨迹的实际输出步长；摆动轨迹更新的频率是由激光焊接头系统控制输出，是指整条摆动曲线的刷新速度，刷新一条曲线需要多次轨摆动迹更新才能完成控制刷新率，控制刷新率以100KHz为例，则当摆动曲线更新频率为1KHz时，需要在1S内完成1000次摆动曲线轨迹运动。则每次摆动曲线运动有100个控制点，将摆动曲线长度除以100就是近似的控制输出步长。
新的摆动轨迹角度更新频率达到至少1KHz。摆动轨迹角度更新的频率，不同于摆动轨迹的输出频率。轨迹的输出频率主要取决于振镜电机的响应性能和驱动系统的控制周期，参考XY-100协议，其最高输出频率为100KHz。而角度更新频率将主要取决于焊接头控制系统的计算能力和具体的算法设计优化。另外一个角度更新频率的限制是通信接口的通信比特率，以及能到达的最高会话层通信频率。参考主流硬件平台的计算与通信性能，角度更新频率将达到至少1KHz的指标，可以满足一般激光焊接加工的需求。
激光焊接头的摆动轨迹有独立的运行速度参数，一般为摆动频率设置，摆动频率乘以摆动曲线长度即可转化为曲线的线速度，因此频率和线速度这两个参数是等价的。
步骤六：按照实际输出步长，将新的摆动轨迹通过离散化分解为满足实际输出步长的坐标点序列，得到激光焊接头动态轨迹的控制数据。激光焊接头动态轨迹的控制数据即为振镜电机的控制数据，坐标点序列对应的是振镜电机的偏转角度。离散化可以采用多种算法进行，可应用牛顿逼近法，通过高斯-勒让德求积公式(Gauss-Legendre)计算从当前坐标点，沿曲线以步长移动的下一点坐标值。
以一段近似为圆的贝塞尔曲线举例：P0为起始端点、P1和P2为控制点、P3为结束端点，其中：
P0坐标为(0,-10000)
P1坐标为 (5522.8,-10000)
P2坐标为(10000,-5522.8)
P3坐标为(10000, 0)。
以1568的步长可以将新的摆动轨迹离散为10个点坐标，分别为：
S0 (1564.66, -9877.29)
S1 (3090.85, -9522.94)
S2 (4540.54, -8911)
S3 (5878.1, -8090.12)
S4 (7071.41, -7070.7)
S5 (8090.7,-5877.28)
S6 (8911.44,-4539.63)
S7 (9512.24,-3089.88)
S8 (9877.43,-1563.66)
S9 (9999.98,-1.0097)。
示例性的，所述新的摆动轨迹的中心线与当前XY轴运动切线角度呈垂直90度。
示例性的，所述二阶矩阵为匹配切线角度参数的旋转矩阵。
示例性的，在旋转变换的过程中，所述原始摆动曲线的坐标系原点(0,0)与其几何中点经过平移变换对齐重合。
示例性的，摆动轨迹角度更新频率达到至少1KHz。
示例性的，所述相互通信设计的目的包括用于获取角度参数，通信形式包括：处理器内部多个线程或程序处理模块间的数据交互变量；单一控制板上，不同功能芯片间的数字或模拟信号接口；多个控制板之间标准或自定义的，用于数据通讯的电气接口。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等
效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：以贝塞尔曲线表示XY轴运动轨迹，通过将参数方程变量t值代入三阶贝塞尔曲线参数方程，计算当前运动点的坐标X和Y；
步骤二：将当前运动点的参数方程变量t值代入三阶贝塞尔曲线参数方程的一阶导数方程，分别得到坐标（X，Y）的导数值X′和Y′，将X′值除以Y′所得结果为tanθ，再经过反正切运算，得到XY轴运动曲线的切线角度θ；
步骤三：根据切线角度θ生成二阶矩阵；
步骤四：将当前焊接头轨迹曲线的坐标依次乘以二阶矩阵，获得原始摆动曲线经过参数变换后新的摆动轨迹；
步骤五：控制新的摆动轨迹更新的频率，根据激光焊接头的摆动速度得到新的摆动轨迹的实际输出步长；
步骤六：按照实际输出步长，将新的摆动轨迹通过离散化分解为满足实际输出步长的坐标点序列，得到激光焊接头动态轨迹的控制数据。
2.根据权利要求1所述的基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法，其特征在于，所述新的摆动轨迹的中心线与当前XY轴运动切线角度呈垂直90度。
3.根据权利要求1所述的基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法，其特征在于，所述二阶矩阵为匹配切线角度参数的旋转矩阵。
4.根据权利要求1所述的基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法，其特征在于，在旋转变换的过程中，所述原始摆动曲线的坐标系原点(0,0)与其几何中点经过平移变换对齐重合。
5.根据权利要求1所述的基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法，其特征在于，所述新的摆动轨迹角度更新频率达到至少1KHz。
6.一种激光焊接系统，采用权利要求1-5中任一所述的基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法的步骤，其特征在于，包括具备相互通信设计的焊接头系统和运动平台系统，所述焊接头系统用于控制焊接头的摆动轨迹，所述摆动轨迹根据当前XY轴运动轨迹的切线方向进行旋转；所述运动平台系统用于控制焊接头沿预设焊缝进行的XY轴运动轨迹。
7.根据权利要求6所述的一种激光焊接系统，所述相互通信设计的目的包括用于获取角度参数，通信形式包括：处理器内部多个线程或程序处理模块间的数据交互变量；单一控制板上，不同功能芯片间的数字或模拟信号接口；多个控制板之间标准或自定义的，用于数据通讯的电气接口。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-5中任一所述的基于平台运动切线角度的激光焊接头动态轨迹生成方法的步骤。
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