一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的平面三角摆焊方法
【专利摘要】本发明涉及机器人焊接领域，提供了一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的平面三角摆焊方法。该方法为机器人焊枪沿着平面圆弧焊缝方向做连续的三角形摆动，并不断向前移动，从而实现平面圆弧焊缝的三角摆动焊接。本方法在运动内核上层进行插补规划，利用直线拟合圆弧焊缝的焊接路径，算法简单且通用性好。本发明适用于空间中任意平面圆弧焊缝的三角摆焊接，使用灵活性高，不仅适用于弧焊机器人的圆弧三角摆焊，也可用于其他能够进行直线运动的焊接装置。
【专利说明】
-种焊接机器人焊接圆弧焊缝的平面Ξ角摆焊方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种焊接机器人圆弧焊缝的摆焊方法，具体是说设及一种焊接机器人 焊接圆弧焊缝的平面Ξ角摆焊方法。
【背景技术】
[0002] 焊接机器人不仅要求能用于直线和圆弧焊缝的焊接，在焊缝较大或特殊焊接工艺 要求下往往会用到摆焊。摆焊是指焊炬沿着焊缝方向W特定角度周期性左右摆动进行焊 接，W增大焊珠宽度，从而提高焊接强度和焊接效率的一种焊接方法，它在自动化焊接设备 中已经得到了广泛的应用。根据摆焊运条的形状可将摆焊分为银齿摆焊、正弦摆、Ξ角摆焊 及圆形摆焊。Ξ角摆焊是指焊炬末端沿着焊接方向做连续的Ξ角形运动并不断沿着焊接方 向进给从而实现摆动焊接的一种焊接方式，它在焊接工艺中具有广泛的应用。
[0003] 中国专利申请201310507312.7公开了一种弧焊机器人双平面摆弧轨迹的规划方 法，它基于时间连续的规划方法来确定弧焊机器人的双平面摆弧轨迹。首先，获取焊接的起 点、终点及两个摆弧平面内的任意两点的位姿信息，然后设定加速度时间比例ratio、最大 加速度Amax及最大速度Vmax。然后，通过积分求出起点到终点方向位置与时间的函数关系， 根据正弦函数公式，确定摆弧平面内的位置规划;再经过矩阵变换，将摆弧平面内的位置点 转换成机器人基坐标系下的位置点，从而控制机器人进行摆弧运动。但是此方法要求焊枪 的进给方向必须为工具坐标系Z轴正方向，降低了用户使用的灵活性;并且它只能用于双平 面的直线摆焊，存在极大的使用局限性。
[0004] 文章《弧焊机器人摆焊方法的研究》提出了一种平面Ξ角摆焊的实现方法，但它只 能应用于直线型摆焊，在焊接的使用中存在很大的局限性。其后面提到的"五点图形示教 法"要根据多种情况分别求取中间插补点，计算过于繁琐。
【发明内容】
[0005] 本发明的发明目的，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种焊接机器人焊接 圆弧焊缝的平面Ξ角摆焊方法，拓展了机器人摆动焊接的使用场合，提高焊接效率，改善焊 接工艺。
[0006] 圆弧焊缝Ξ角摆焊包括平面圆弧Ξ角摆焊和空间圆弧Ξ角摆焊。平面圆弧Ξ角摆 焊如附图1所示，指的是圆弧焊缝的两侧均为平面板材。
[0007] 本发明为实现发明目的所采用的技术方案是，一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的平 面Ξ角摆焊方法，其步骤如下：
[000引1、确定W下参数：焊接起点坐标Pstart ( Xs，ys，Zs )、目标点坐标Ptarget ( Xt，y t，Zt )(焊 接终点）、辅助点坐标Paux(?，ya，Za)，辅助点为焊接起点和终点间圆弧焊缝上的任意一点； 圆弧焊缝的圆屯、为Oo(xo，yo，zo)、半径为r;机器人基坐标系原点为0(0,0,0);焊炬摆幅H、焊 炬摆宽L。
[0009] 2、根据摆幅和摆宽计算焊接插补点口14 = 1，2-，11，其中，奇数插补点在圆弧焊缝 的外侧，偶数插补点在圆弧焊缝的内侧：
[0010] a、确定圆弧焊缝芯《.?. Pw三7的焊接方向;
[0011] 通过焊接起点、目标点和辅助点位置信息，可得位置向量'^^^；7巧7、,由两 位置向量确定焊缝方向。
[001 ^ b、计算焊缝平面方向余弦值
[oou]设定焊接所在平面为1，心町，山为焊缝平面方向余弦值。由1上的任意两向量叉乘 可W得到其法向量，将法向量单位化后得到3如，。
[0014] C、计算焊缝圆屯、角及单位插补角
[0015] 圆弧形焊缝对应的圆屯、角Θ即为焊缝圆屯、角，单位插补角θ〇(即位于圆弧焊缝 立心三:上相邻两个中间插补点PVi和ρ/之间所对应的圆屯、角）。由圆屯、及焊接起 点、目标点、辅助点得到S个位置向量0。Α。,，、0)巧,,，、wgf,，设曰ngSA为向量巧瓦：与向 量苟?!Γ夹角，angAT为向量苟ζ：与向量0。货夹角，angST为向量苟巧三与向量〇。巧恥 夹角。由向量的乘法公式可W获得angSA、angAT、angST的值，则由angSA、angAT、angSTS者 大小关系即可获得焊接路径所对应的圆屯、角9。
[0016] 由设定的焊炬摆宽L、焊炬摆幅Η及圆弧半径r得到单位插补角θ〇。
[0017] d、求取焊缝焊接插补点Pi
[0018] 根据圆弧形焊缝对应的圆屯、角Θ和单位插补角θ〇,计算出焊接过程中焊炬摆动次 数η。
[0019]采用空间坐标的旋转算法，由焊接起点Pstart绕通过圆屯、0日的单位法向量旋转插补 角曰1获取圆弧焊缝上的中间插补点P/的坐标值。空间坐标旋转算法左乘矩阵如式(1 )所示：
[0020]
[0021 ] 式中坊Jcosai，S为sinai，（ηχ,Πγ,Πζ)为单位法向量的方向余弦值，（xo，yo，zo)为圆 屯、0〇的坐标值。
[0022] 贝忡间插补点P/ (χ/ y y )的坐标值可通过矩阵R左乘焊缝起点Pstart坐标得到， 如公式(2)所示：
[0023] [X'，y'，z'，l]T=R[Xs，ys，Zs，l]T (2)
[0024] 由附图1可知道，焊缝焊接插补点分为圆弧焊缝的内侧点和外侧点两种，此处设定 比例系数依次为h、l2,由圆弧半径r及摆幅Η可确定比例系数h、l2值，其中h = (r+H)/r、b = (r-H)/r。则焊缝焊接插补点由公式(3)获得：
[0025]
[0026] 本发明适用于圆弧形焊缝的平面摆焊，使用灵活性高，扩大了弧焊机器人的使用 场合。
[0027]本算法基于运动内核上层进行规划，通用性强，计算简单，且易于实现。并且对用 户的使用没有限制，不仅可用于弧焊机器人，也可用于其他可进行直线运动的焊接装置。
[002引本发明采用两位置向量巧：,~巧7 /巧Γ巧。;^义乘的方法，根据叉乘结果来确定圆弧 焊缝的旋转方向。由Ξ个位置向Μ々，巧,,,,，、马巧,,,.、、马的夹角日叫54、日叫41'、日叫51'，根 据Ξ者之间的大小关系确定圆弧焊缝所对应的圆屯、角。本发明采用均分的思想计算插补角 αι，利用空间坐标旋转算法，通过焊缝起点(Pstart)绕旋转轴旋转插补角获取中间插补点P/， 然后根据摆幅的十算焊接插补点Pi。旋转轴为圆弧焊缝所在平面的单位法向量轴，且该轴通 过圆弧焊缝的圆屯、。本发明在运动内核上层进行插补规划，利用直线插补圆弧焊缝的焊接 路径，算法简单且通用性好;不仅可用于弧焊机器人的圆弧Ξ角摆焊，也可用于其他能够进 行直线运动的焊接装置。
【附图说明】
[0029] 图1是焊接机器人焊接圆弧焊缝平面Ξ角摆焊示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合具体实施例，对本发明做进一步详细说明。
[0031] 实施例:本实施例是焊接机器人焊接圆弧焊缝，采用平面Ξ角摆焊方法。
[00创 1、确定W下参数:焊接起点坐标Pstart(901.7880，182.9200，932.7880)、目标点坐 标 Ptarget( 901.7880,210.9640,960.6240)、辅助点坐标 Paux( 918.1900,194.9720， 948.5460);圆弧焊缝的圆屯、为00(898.4030，197.3336，946.3114)、半径为20.0523;机器人 基坐标系原点为0(0，0,0);焊炬摆幅Η为8cm、焊炬摆宽L为3cm。
[0033] 2、根据摆幅和摆宽计算焊接插补点口14 = 1，2-，11，其中，奇数插补点在圆弧焊缝 的外侧，偶数插补点在圆弧焊缝的内侧。
[0034] a、确定圆弧焊缝完的焊接方向
[0035] 通过焊接起点、目标点和辅助点位置信息，可得位置向量.二〇换402，12 Μ ().402J 5.W2,12.07巧由两位置向量确定焊缝方向为逆时针。
[0036] b、计算焊缝平面方向余弦值
[0037] 设定焊接所在平面为1，心町山为方向余弦值。由1上的任意两向量叉乘可^得到 其法向量，将法向量单位化后得到獅-0.1旋0娜，-0.敌51巧，讯7〇拟进）。
[0038] C、计算焊缝圆屯、角及单位插补角
[0039] 圆弧形焊缝对应的圆屯、角Θ即为焊缝圆屯、角，单位插补角Θ 0。由圆屯、 及焊接起点、目标点、辅助点得到S个位置向量二巧3S3,….14..4 琴写;；二(巧.7的，-2.3616,2.2346)、巧瓦;；；二口.385,13.6304, N.3 似)>，由向量的乘法公式 可 W获得angSA(1.393798)、angAT(1.403967)、angST(2.797766)的值，则由angSA、angAT、 angSTS者大小关系即可获得焊接路径所对应的圆屯、角目为2.797766。
[0040] 由设定的焊炬摆宽3、焊炬摆幅8及圆弧半径20.0523得到单位插补角θ〇为 0.149749。
[0041 ] d、求取焊缝焊接插补点Pi
[0042] 根据焊接路径所对应的圆屯、角θ和单位插补角θ〇,计算出焊接过程中焊炬摆动次 数η为19。
[0043] 采用空间坐标的旋转算法，由焊接起点Pstart绕通过圆屯、〇0的单位法向量旋转插补 角曰1获取圆弧焊缝上的中间插补点P/的坐标值。
[0044] 由附图1可知道，焊缝焊接插补点分为圆弧焊缝的内侧点和外侧点两种，此处设定 比例系数依次为h、l2,由圆弧半径r及摆幅Η可确定比例系数h、b的值，将r及Η的值代入公 式h=(r+H)/r、l2=(r-H)/r中，可得h为1.398957、l2为0.601043。则焊缝焊接插补点如下 表所示：
【主权项】
1. 一种焊接机器人焊接圆弧焊缝的平面Ξ角摆焊方法，其步骤如下： A、 确定W下参数：焊接起点坐标Pstart ( Xs，ys，Zs )、目标点坐标Ptarget ( Xt，y t，Ζ t)(焊接终 点）、辅助点坐标Paux(Xa，ya，Za)，该辅助点为焊接起点和终点间圆弧焊缝上任意一点；辅助 点坐标Pauxl(Xal，yal，Zal)，该辅助点为圆柱体外表面上的任意一点，圆弧焊缝的圆屯、为Oo (x0，y0，z0)、半径为r;机器人基坐标系原点为0(0,0,0);焊炬摆幅H、焊炬摆宽レ B、 根据摆幅和摆宽计算焊接插补点口14 = 1，2-11，其中，奇数插补点在平面板材上，偶 数插补点在圆柱体外表面上： a、 由两位置向量巧。，乂" 1巧儿gd确定圆弧焊缝;三:的焊接方向; b、 计算焊缝平面方向余弦值 设定焊接所在平面为1，^，町，^为焊缝平面方向余弦值；由1上的任意两向量叉乘可^ 得到其法向量，将法向量单位化后得到巧("，，",，; C、 计算焊缝圆屯、角及单位插补角 由圆屯、及焊接起点、目标点、辅助点得到Ξ个位置向量巧巧：；、商巧,；：、奇巧;设 angSA为向量巧友与向量窃日忘^夹角，angAT为向量公0巧与向量与啤3夹角，angST为向 量0尤《。与向量OoCigrf夹角；由向量的乘法公式得曰ngSA、angAT、angST的值，则由angSA、 angAT、angST获得焊缝圆屯、角白； 由设定的焊炬摆宽L、焊炬摆幅Η及圆弧半径r得到单位插补角θ〇; d、求取焊缝焊接插补点Pi 根据焊缝圆屯、角e和单位插补角00,计算出焊接过程中焊炬摆动次数η; 通过矩阵R左乘焊缝起点Pstart坐标得到中间插补点ρ^ι(χ/ y y)的坐标值： [X'，y'，z'，l]T = R[Xs，ys，Zs，l]T 其中：式中C为cosai，S为sinαi，nx、ny、nz为单位法向量的方向余弦值，x日、y日、z日为圆屯、0日的坐 标值； 设定内侧点比例系数h、内侧点比例系数12,由圆弧半径r及摆幅邮角定比例系数h、l2 值，其中 li=(r+H)/r、b=(r-H)/。则
【文档编号】B23K37/02GK105834629SQ201610222344
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】王正谦, 宋方方
【申请人】南京埃斯顿机器人工程有限公司