一种基于非线性方程组的相贯双管装夹位姿的两点测定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于非线性方程组的相贯双管装夹位姿的两点测定方法，属于自 动焊接控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 在相贯线自动焊接过程中，相贯管道焊接程序是按照已知的相贯参数和预定装夹 位姿自动生成的。然而在实际中，管组的装夹位姿与预定的装夹位姿之间存在较大差距，容 易导致焊接轨迹与焊缝偏离。在自动焊接之前，首先需要测定管组的初始装夹位姿，然后将 管组校正到预定装夹位姿。
[0003] 管组的装夹位姿包括两个参数，一个是管组在主管轴线方向的位移，另一个是管 组沿主管轴线的旋转角。由于相贯管组的几何特点，尤其是当两管偏心或斜交时，难以使用 现有测量工具对管组位姿进行有效测量。传统方法一般采用"目测调整一试运行一目测调 整一试运行一……"的方法，直至焊接轨迹与焊缝偏差满足要求。这种方法过程繁琐、效率 低下，而且对操作者的专业水平有较高要求，严影响了作业效率。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明提供一种基于非线性方程组的相贯双管装夹位姿的 两点测定方法，以达到快速生成相贯管道焊接程序的目的，实现相贯线自动焊接过程的高 效化。
[0005]本发明的技术方案如下：
[0006] 一种基于非线性方程组的相贯双管装夹位姿两点测定方法，包括，
[0007] 步骤一：测量支管外壁上任意两个点的机床坐标；
[0008] 步骤二：将测量的两个点的机床坐标代入非线性方程组求得双管的装夹位姿参 数。
[0009]优选的，在测量支管外壁上任意两个点的机床坐标前，将相贯线焊接机床的机床 原点置于卡盘中轴线即主管中轴线上，并用机床坐标系来描述待测两个点的笛卡尔坐标。
[0010] 优选的，所述测量支管外壁上任意两个点的机床坐标的步骤包括，
[0011] (1)在焊枪末端套装一尖锥金属物体作为测量头，或者用一尖头金属棒代替焊枪 作为测量头，将测量头与外部数控系统组合成一数控测量系统，该数控测量系统计算并显 示测量头尖端的实时机床坐标；
[0012] (2)用测量头分别接触支管外壁上的两个测量点，并记录下两个测量点的机床坐 标。
[0013]进一步优选的，所述两个测量点沿支管圆周方向的角度差在60°至120°之间。
[0014]优选的，确定一个测量点的非线性方程的过程，包括步骤如下，
[0015] (1)建立机床坐标系XYZ和支管坐标系XbYbZb，其中YbS支管中轴线，X A支管中 轴线与主管中轴线的公垂线，&由XjPYb根据右手法则确定，由支管坐标系到机床坐标系 的齐次变换矩阵为
【主权项】
1. 一种基于非线性方程组的相贯双管装夹位姿两点测定方法，其特征在于，包括， 步骤一：测量支管外壁上任意两个点的机床坐标； 步骤二：将测量的两个点的机床坐标代入非线性方程组求得双管的装夹位姿参数。
2. 如权利要求1所述的基于非线性方程组的相贯双管装夹位姿两点测定方法，其特征 在于，在测量支管外壁上任意两个点的机床坐标前，将相贯线焊接机床的机床原点置于卡 盘中轴线即主管中轴线上，并用机床坐标系来描述待测两个点的笛卡尔坐标。
3. 如权利要求1所述的基于非线性方程组的相贯双管装夹位姿两点测定方法，其特征 在于，所述测量支管外壁上任意两个点的机床坐标的步骤包括， (1) 在焊枪末端套装一尖锥金属物体作为测量头，或者用一尖头金属棒代替焊枪作为 测量头，将测量头与外部数控系统组合成一数控测量系统，该数控测量系统计算并显示测 量头尖端的实时机床坐标； (2) 用测量头分别接触支管外壁上的两个测量点，并记录下两个测量点的机床坐标。
4. 如权利要求3所述的基于非线性方程组的相贯双管装夹位姿两点测定方法，其特征 在于，所述两个测量点沿支管圆周方向的角度差在60°至120°之间。
5. 如权利要求4所述的基于非线性方程组的相贯双管装夹位姿两点测定方法，其特征 在于，确定一个测量点的非线性方程的过程，包括步骤如下， (1) 建立机床坐标系XYZ和支管坐标系XbYbZb，其中YbS支管中轴线，X b为支管中轴线 与主管中轴线的公垂线，&由XjP Yb根据右手法则确定，由支管坐标系到机床坐标系的齐 次变换矩阵为
其中：e为两管偏心距，α为支管倾斜角，δ为管组在主管轴线方向的位移，β为管组 沿主管轴线的旋转角； (2) 测得的支管外壁上一点在机床坐标系XYZ中的坐标为（X1, Y1, Z1)，该点在支管坐标 系XbYbZb中的坐标为（x b，yb，zb)，则两组坐标满足以下关系
其中：r为支管外壁的半径； (3) 将齐次变换矩阵T的具体表达式（I )代入公式（II )的方程组，整理后得到以下 方程： (X1Cos β -Z1Sin β -e)2+ (X1Sin β cos a -Y1 sin α +Z1Cos^cosa + δ sin a )2=r2 (III) 其中，S与β为待求解的管组装夹位姿参数，其余参数均为常量。
6. 如权利要求5所述的基于非线性方程组的相贯双管装夹位姿两点测定方法，其特征 在于，利用上述方法确定两个测量点坐标，并分别得到两个测量点的非线性方程，则两个测 量点的非线性方程组的具体表达式为
其中：(Xl，yi，Z1)和（x2, y2, Z2)分别为两个测量点的机床坐标，r为支管外壁的半径，e 为两管偏心距，α为支管倾斜角，δ为管组在主管轴线方向的位移，β为管组沿主管轴线 的旋转角，δ和β为待求解参数。
7.如权利要求6所述的基于非线性方程组的相贯双管装夹位姿两点测定方法，其特征 在于，使用MATLAB程序求解此非线性方程组得到四组实解，四组实解中δ和β均只有符 号的差异，目测管组装夹位姿S与β的符号，从四组实解中确定唯一的一组期望解。
【专利摘要】本发明涉及一种基于非线性方程组的相贯双管装夹位姿的两点测定方法，本发明综合了数控测量、数学模型建立以及非线性方程求解。通过机床本身测量支管外壁上的两个任意点的机床坐标，并结合管组已知的相贯参数便可以求得管组的装夹位姿。此方法具有无需外部测量工具、所需测量点少、测定精度高等特点，大大缩短了相贯线自动焊接前的管组姿态调整准备时间，提高了作业效率。大大缩短了相贯线自动焊接前各未知参数测量的准备时间，以达到快速生成相贯管道焊接程序的目的，实现相贯线自动焊接过程的高效化。
【IPC分类】B23K37-00, G01B21-00
【公开号】CN104655068
【申请号】CN201510115392
【发明人】田新诚, 石磊
【申请人】山东大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年3月17日