CN115847437A

CN115847437A - 一种相贯支管单边y形坡口机器人自动加工方法及系统

Info

Publication number: CN115847437A
Application number: CN202211590990.XA
Authority: CN
Inventors: 刘燕; 唐秋; 田新诚
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2022-12-12
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2023-03-28

Abstract

本发明属于自动焊接控制技术领域，提供了一种相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法及系统。该方法包括，获取相贯参数、坡口工艺参数和系统参数；构建管管相贯结构的数学模型，根据管管相贯结构的数学模型，得到相贯支管带单边Y形坡口的数学模型；根据相贯支管带单边Y形坡口的数学模型，结合相贯参数、坡口工艺参数和系统参数，确定坡口向量与钝边向量，经过空间齐次变换，得到机器人末端工具的轨迹与姿态，以及变位机协同运动下的旋转位移。本发明根据用户输入的相贯接头CAD模型参数以及坡口相关的工艺参数，自动地计算变位机协同下机器人的加工轨迹及工具姿态，提高加工的精度与效率，降低工件的废品率。

Description

一种相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法及系统

技术领域

本发明属于自动焊接控制技术领域，尤其涉及一种相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在化工、水利、消防等管道工程应用中，管道相贯接头的切割与焊接是一项非常繁重的任务。在上述应用中，作为液态或气态介质的中转、集流中枢，相贯接头的气密性和耐高压性测试标准非常严格，这就对相贯接头的焊接质量提出了较高的要求。作为相贯接头焊接的前期准备工作，相贯支管的切割与后期处理技术会直接影响到装夹误差以及焊接的质量。为了保证管道结合处的气密性和耐高压性，主支管之间采用“骑坐式”的连接方式(如图1a)，该方式对支管切割的精度以及切面的处理技术要求较高。

由于坡口工艺与加工轨迹的复杂性，当前支管相贯线的切割主要依赖人工，其切割精度低、操作要求高，进而导致相贯线切割普遍存在精度差、效率低等问题，给相贯接头的焊接带来了巨大的挑战。随着智能制造及机器人技术的发展，机器人在各个加工行业迅速普及，机器人切割具有精度高、适应恶劣的生产环境等优点，在上述行业应用中具有广阔的前景。

常见的切面处理技术包括V形坡口、Y形坡口、J形坡口等。根据加工成本、焊接质量的要求以及是否易于实现自动化加工等因素，单边Y形坡口是支管相贯线加工最理想的表面处理技术。因此，在加工之前需要对支管带单边Y形坡口进行精确建模，并对机器人加工路径进行规划。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法及系统，其根据用户输入的相贯接头CAD模型参数以及坡口相关的工艺参数，自动地计算变位机协同下机器人的加工轨迹及工具姿态，提高加工的精度与效率，降低工件的废品率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法。

一种相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法，包括：

获取相贯参数、坡口工艺参数和系统参数；

构建管管相贯结构的数学模型，根据管管相贯结构的数学模型，得到相贯支管带单边Y形坡口的数学模型；根据相贯支管带单边Y形坡口的数学模型，结合相贯参数、坡口工艺参数和系统参数，确定坡口向量与钝边向量，经过空间齐次变换，得到机器人末端工具的轨迹与姿态，以及变位机协同运动下的旋转位移。

进一步地，所述坡口工艺参数包括坡口母线、坡口角和钝边高度。

进一步地，所述坡口向量为单位矢量并平行于坡口母线，所述钝边向量为单位矢量并平行于钝边母线。

进一步地，所述系统参数为机器人基坐标系与主管坐标系的空间关系。

进一步地，所述机器人末端工具的轨迹与姿态为：

其中，

为系统参数，α_p为变位机协同运动下的旋转位移。

更进一步地，所述变位机协同运动下的旋转位移为

α_p＝β₃-θ

参数β₃为支管偏向机器人的角度，根据机器人的工作姿态选取，取值范围为

θ为旋转角。

本发明的第二个方面提供一种相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工系统。

一种相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工系统，包括：

数据获取模块，其被配置为：获取相贯参数、坡口工艺参数和系统参数；

自动规划模块，其被配置为：构建管管相贯结构的数学模型，根据管管相贯结构的数学模型，得到相贯支管带单边Y形坡口的数学模型；根据相贯支管带单边Y形坡口的数学模型，结合相贯参数、坡口工艺参数和系统参数，确定坡口向量与钝边向量，经过空间齐次变换，得到机器人末端工具的轨迹与姿态，以及变位机协同运动下的旋转位移。

本发明的第三个方面提供一种机器人和变位机协同加工系统。

一种机器人和变位机协同加工系统，采用第一个方面所述的相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法。

本发明的第四个方面提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一个方面所述的相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法中的步骤。

本发明的第五个方面提供一种计算机设备。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法及系统，本发明摒弃了传统的手工加工方式和繁琐的机器人示教操作，实现了相贯支管单边Y形坡口切割作业的自动化。本发明将工人在恶劣、繁重的切割环境中解放出来，提高加工效率的同时保证了相贯支管加工的精度，能够有效地改善后期的焊接质量。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1a为本发明示出的支管“骑坐式”连接示意图；

图1b为本发明示出的支管“内插式”连接示意图；

图2a为本发明示出的相贯模型示意图；

图2b为本发明示出的移动特征平面示意图；

图3a为本发明示出的支管带单边Y形坡口模型主视图；

图3b为本发明示出的支管带单边Y形坡口模型侧视图；

图4a为本发明示出的坡口向量计算示意图；

图4b为本发明示出的工具位姿计算示意图；

图5为本发明示出的相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

实施例一

如图5所示，本实施例提供了一种相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法，本实施例以该方法应用于服务器进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于终端，还可以应用于包括终端和服务器和系统，并通过终端和服务器的交互实现。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务器、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务CDN、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、智能音箱、智能手表等，但并不局限于此。终端以及服务器可以通过有线或无线通信方式进行直接或间接地连接，本申请在此不做限制。本实施例中，该方法包括以下步骤：

获取相贯参数、坡口工艺参数和系统参数；

下面结合附图对本实施例的技术方案进行具体描述：

我们定义相贯接头单元中半径较大的钢管为主管，较小的钢管为支管(如图1a-图1b)，其中，图1a为支管“骑坐式”，图1b为支管“内插式”。由于采用了坡口工艺和变位机协同加工方案，故在机器人加工过程中，工具末端TCP的轨迹是由标准相贯线(主管外表面与支管内表面形成的空间曲线)经过空间齐次变换得到，工具姿态则是按照坡口工艺进行规划并进行空间齐次变换得到。

第一步：建立管管相贯结构的数学模型，给出标准相贯线的参数表达式，并根据用户输入的相贯参数进行相关变量的计算，如相贯线空间坐标、相贯特征角、移动特征平面的法向量等；

第二步：建立相贯支管带单边Y形坡口的数学模型，给出单边Y形坡口参数在支管上的几何定义，如坡口母线、坡口角、钝边长度等，如图3a、图3b所示；

第三步：构建坡口向量与钝边向量模型并求解，最后根据变位机与机器人协同运动规划分别计算出机器人TCP轨迹及工具姿态、变位机位移等。

在第一步中，根据行业应用较多的正交、斜交和偏心交等相贯方式建立了如图2a所示的相贯模型。由“骑坐式”的连接工艺定义主管外圆柱面(半径为R_o)与支管内圆柱面(半径为r_i)的交线为标准相贯线，图中固定标架{O_m；X_m,Y_m,Z_m}和标架{O_b；X_b,Y_b,Z_b}分别构成主管坐标系和支管坐标系，参数e_x为原点偏移距离，参数α_x为交叉角，变量θ为相贯线在平面X_bO_bZ_b上投影的旋转角，取值范围0≤θ≤2π。

为了确立机器人TCP路径与标准相贯线之间的几何联系，构建了相贯线上任意一点的坡口描述单元：移动特征平面。如图2b所示，点P(x,y,z)为相贯线上任意一点，平面π_b为支管内圆柱面在点P的正切面，平面π_m为主管外圆柱面在点P的正切面，平面π_n为相贯线在点P的法平面。

根据空间变换关系可知，标架{O_m}到标架{O_b}的齐次变换矩阵为：

由上式坐标系变换及空间曲线方程，可计算出以旋转角θ为独立变量的相贯线参数方程：

^mf(θ):

平面π_m与π_b的夹角定义为相贯特征角

其计算表达式为：

其中，向量

和/>

分别为平面π_m和π_b的单位法向量，均在平面π_n内，指向远离柱面圆心的方向，其在标架{O_m}中的表达式为：

在第二步中，建立了相贯支管带单边Y形坡口的数学模型，如图3a-图3b所示。该模型参数包括坡口角γ和钝边高度h_r，并给出了它们在相贯支管上的几何定义。

在第三步中，构建了坡口向量与钝边向量模型。定义坡口向量

为单位矢量并平行于坡口母线，钝边向量/>

为单位矢量并平行于钝边母线，它们均包括起点位置与方向信息。如图4a-图4b所示为某一θ值时相贯模型沿平面π_n的剖视图，点O_c为标准相贯线上对应点，点O_g为坡口母线与钝边母线的交点，定义为坡口向量的起点。为了求解坡口向量，建立了移动标架{O_c；X_c,Y_c,Z_c}，建立方法为：轴X_c与相贯线在点O_c的切线重合，指向θ增大的方向；轴Z_c位于平面π_n内并平行于坡口向量/>

根据右手法则可确定轴Y_c的方向。下面将介绍标架{O_c}的计算方法。

Step1：已知轴X_c垂直于平面π_n，故

成立。轴X_c在固定标架{O_m}中的计算方法为：

Step2：轴Z_c与向量

和/>

在同一平面内，故轴Z_c可由向量/>

和/>

线性表示。

假设

则根据三角形正弦定理可知：

将式(6)带入式(7)并化简可计算出：

Step3：根据右手法则，轴Y_c可由轴Z_c和X_c叉乘计算得到。

Y＝Z×X

c c c

(9)

通过上述步骤可在标架{O_m}中建立标架{O_c}，变换矩阵

可表示为：

根据图4a-图4b可知，在标架{O_c}中，坡口向量

可表示为[0,0,1]^T，其起点O_g的坐标为/>

钝边向量/>

可表示为(0,-sinγ,cosγ)^T，其起点为O_c。本发明面向机器人+变位机系统结构，机器人基坐标系{B}与图2a中固定标架{O_m}的空间关系为/>

(系统输入参数)，则支管旋转机制下，机器人加工的TCP路径及工具姿态可表示为：

其中变位机的旋转位移α_p＝β₃-θ，参数β₃为支管偏向机器人的角度，可根据机器人的工作姿态选取，取值范围为

符号R_Y(α_p)表示绕轴Y的旋转矩阵，旋转角为α_p。齐次变换矩阵/>

表示为/>

基本原理是：本方法将用户输入的相贯参数、坡口工艺参数以及系统参数代入构建的数学模型中，自动的计算出机器人末端工具的轨迹与姿态、变位机协同运动下的旋转位移，按照机器人编程规则生成支管坡口切割程序，最后将程序下载到机器人控制器中进行切割作业。

实施例二

本实施例提供了一种相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工系统。

一种相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工系统，包括：

此处需要说明的是，上述数据获取模块和自动规划模块与实施例一中的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

实施例三

本实施例提供了一种机器人和变位机协同加工系统。

一种机器人和变位机协同加工系统，采用实施例一所述的相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法。

实施例四

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法中的步骤。

实施例五

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的相贯支管单边Y形坡口机器人自动加工方法中的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。