一种复杂空间曲线焊缝运动轨迹和焊接工艺协同规划方法与流程

本发明属于机械工程技术领域，涉及一种复杂空间曲线焊缝运动轨迹和焊接工艺协同规划方法。

背景技术：

在大型航天器结构中，存在大量复杂形式的焊缝，如球形、圆柱形、圆台壳体与圆形、异形法兰形成的相贯线等。载人飞船、天宫系列、月球探测飞行器等舱体结构都不同程度地涉及到这类形式焊缝的焊接问题。航天大型复杂薄壁焊接结构中待焊接的焊缝空间位姿多变，导致焊接工艺参数也需要实时变化以适应不同的位姿。

目前，焊接机器人的运动轨迹规划已经从传统的示教型向离线编程技术发展，离线编程技术是从基于三维图形的屏幕示教方法，但机器人公司自带的离线编程软件，如abb和kuka公司焊接机器人的离线编程软件，仅能对机器人的路径进行规划和运动仿真，缺乏系统规划的功能，焊接工艺参数仍需从焊机上设定，在复杂空间曲线焊缝焊接任务时，需要频繁修改焊接工艺参数，成为自动化焊接应用的瓶颈。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种复杂空间曲线焊缝运动轨迹和焊接工艺协同规划方法，实现变位姿变曲率空间曲线焊缝的机器人自动焊接,尤其针对航天器多品种小批量的复杂产品焊接制造具有独特的优势。

本发明解决技术的方案是：

一种复杂空间曲线焊缝运动轨迹和焊接工艺协同规划方法，该方法的步骤包括：

(1)提取复杂产品焊缝轮廓：实际复杂产品与其理论模型的焊缝轮廓偏差不大于2mm时，从理论模型上选取待焊焊缝三维轮廓曲线；实际复杂产品与其理论模型的焊缝轮廓偏差大于2mm时，通过全局视觉测量方法，优化测量参数，获取三维空间点云数据，经过数据处理后，得到实际焊缝的三维轮廓曲线；

(2)分区规划焊缝的三维轮廓：根据加工工艺适用性，将三维轮廓曲线划分至少2个区域，每个区域焊接机器人与产品及工装不干涉，即保证机器人末端焊枪能够到达每条焊缝，并且运动过程中不会与产品及工装碰撞；切割形成的新焊缝曲线连续圆滑，保证机器人运动过程平稳；对于所划分区域进行焊接顺序规划，采用对称区域位置的先后或同时焊接的顺序，避免两个相邻区域连续施焊，产生的焊接变形累积引起蒙皮位置偏差，导致焊缝间隙偏大影响焊接质量；

(3)规划每个区域中焊缝的焊接顺序：对每个区域中焊缝进行预先点固焊接，对称位置的焊缝进行先后或同时焊接，对于长焊缝进行分段退焊，并形成机器人运动轨迹；

(4)对形成的机器人运动轨迹进行运动仿真及多机器人协同运动仿真，包括单个机器人的虚拟运行，涉及到多个机器人同时作业的需进行多机器人协同虚拟运行，修正机器人运动轨迹，避免运动干涉以及运行过程中出现奇异点、干涉点以及不可达点；

(5)焊接工艺参数规划：根据工艺试验，得到不同材料、位置焊接工艺参数，通过传感器采集焊接过程信号，包括电信号、温度场信号及图像信号，基于多源信息融合，对多通道信息进行去噪清洗等数据处理后，对与焊接过程相关的数据，包括工艺参数、熔池几何特征、装配间隙几何尺寸、焊缝几何尺寸、焊接缺陷类型开展数据挖掘和建模，通过人工智能手段揭示各参量与焊缝质量的隐含关系，形成焊接工艺知识库，即将复杂产品焊缝轮廓的空间位姿信息作为输入条件，以焊接工艺知识库为依据，输出不同焊缝轮廓的空间位姿下的焊接工艺参数，包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊枪倾角及保护气体流量；

(6)数据分发与执行：将步骤(4)中修正的机器人运动轨迹及步骤(5)中获取的焊接工艺参数信息传输给机器人，机器人本体执行机器人运动轨迹，机器人控制器将焊接工艺参数传输给焊机，焊机执行焊接工艺参数，实现复杂焊缝的自动化焊接。

进一步的，步骤(1)中的全局视觉测量方法为：依据带有空间曲线焊缝的薄壁结构模型，编制工业机器人的运行轨迹，并制作仿形焊接工装，将薄壁结构装配在工装表面上；由1个面结构光测量头和2个工业相机封装而成视觉测量头安装在工业机器人末端，对视觉测量头的光学坐标与工业机器人工具坐标进行标定，优化视觉测量头的测量角度、光场强度、工业机器人的运行轨迹和速度，通过工业机器人搭载测量头，进行薄壁结构空间曲线焊缝的测量，获取薄壁结构的三维空间点云数据，将三维空间点云数据发送给外界数据处理模块，数据处理模块首先进行数据的清洗去噪及拼接，得到完整的薄壁结构三维空间点云数据；随后，数据处理模块进行焊缝位置识别与特征提取，最终得到实际焊缝的三维轮廓曲线。

进一步的，步骤(2)中的分区规划焊缝的三维轮廓为空间三维轮廓或二维平面轮廓，分区规划时需尽量减少新增焊缝，区域大小需同时满足蒙皮原材料的幅面尺寸、机器人的运动范围因素，保证所分割区域的大小一致。

进一步的，步骤(3)中机器人运动轨迹中，焊枪垂直于焊缝所在平面，并与焊接行走方向形成105°-110°的夹角。

进一步的，步骤(5)中需要在机器人运动轨迹中定义模拟量，包括各项焊接参数的变量信息，通过在机器人运动轨迹坐标中插入焊接起弧指令、焊接收弧指令及焊接参数指令，形成焊缝运动轨迹和焊接工艺的协同规划指令信息。

进一步的，根据步骤(5)输出的焊枪倾角信息，修正机器人运行轨迹的焊枪倾角，形成焊缝运动轨迹和焊接工艺的协同规划。。

进一步的，步骤(5)中焊接工艺知识库在实际生产中通过对焊接过程数据的挖掘和优化，不断更新迭代来完善焊接工艺知识库。

进一步的，步骤(5)中焊接工艺知识库在焊接过程中，通过在线传感获取的焊接状态信息，根据工艺知识库的模型对焊缝结果进行推理预判，提前发现熔池失稳等质量问题并进行及时调整。

进一步的，本方法适用的焊接方法包括gtaw、gmaw、固相焊、电阻点焊、高能束焊，具体方法应用时根据焊接方法特点进行不同的轨迹和工艺参数控制。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)传统的离线编程针对简单单一焊缝，全轨迹仅简单设定相同焊接工艺参数和焊枪姿态，本发明创新的用于复杂空间曲线焊缝的自动焊接领域，实现了空间曲线焊缝的智能分区和焊缝的顺序规划，并对变位姿变曲率焊缝机器人机器人运动轨迹与工艺的自适应协同规划，实现空间曲线焊缝机器人运动轨迹与工艺协同智能规划；

(2)针对复杂空间曲线焊缝，结合变形预测分析手段和变形抑制与消除手段，完成焊缝的分区，并采用多机器人协同控制的虚拟环境，开发自主避碰规划算法，并自动识别焊缝基于样条插补算法进行路径的离散插补，实现运动轨迹的光滑，更好的适应薄壁复杂曲线焊缝；

(3)协同规划创新：首先建立一个适应焊缝位姿及装配精度变化的焊接规范智能预测模型，在完成焊缝轨迹规划的同时依据焊缝空间位姿变化和装配精度信息，动态离散规划电弧焊接工艺规范，基于焊接工艺知识库，焊缝空间位姿为输入参量，以焊接工艺参数为输出的路径-工艺协同规划模型。

附图说明

图1为复杂结构机器人运动轨迹与工艺协同规划图；

图2为复杂结构焊缝的分区规划图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明包括机器人焊接运动轨迹规划和工艺规范规划两个主要模块，具有复杂焊缝提取、分区规划、焊接顺序规划和焊接工艺规划等功能，如图1、2所示，具体技术方案如下：

一种复杂空间曲线焊缝运动轨迹和焊接工艺协同规划方法，该方法的步骤包括：

(1)提取复杂产品焊缝轮廓：实际复杂产品与其理论模型的焊缝轮廓偏差不大于2mm时，从理论模型上选取待焊焊缝三维轮廓曲线；实际复杂产品与其理论模型的焊缝轮廓偏差大于2mm时，通过全局视觉测量方法，优化测量参数，获取三维空间点云数据，经过数据处理后，得到实际焊缝的三维轮廓曲线；

(2)分区规划焊缝的三维轮廓：根据加工工艺适用性，将三维轮廓曲线划分至少2个区域，每个区域焊接机器人与产品及工装不干涉，即保证机器人末端焊枪能够到达每条焊缝，并且运动过程中不会与产品及工装碰撞；切割形成的新焊缝曲线连续圆滑，保证机器人运动过程平稳；对于所划分区域进行焊接顺序规划，采用对称区域位置的先后或同时焊接的顺序，避免两个相邻区域连续施焊，产生的焊接变形累积引起蒙皮位置偏差，导致焊缝间隙偏大影响焊接质量；

(3)规划每个区域中焊缝的焊接顺序：对每个区域中焊缝进行预先点固焊接，对称位置的焊缝进行先后或同时焊接，对于长焊缝进行分段退焊，并形成机器人运动轨迹；

(4)对形成的机器人运动轨迹进行运动仿真及多机器人协同运动仿真，包括单个机器人的虚拟运行，涉及到多个机器人同时作业的需进行多机器人协同虚拟运行，修正机器人运动轨迹，避免运动干涉以及运行过程中出现奇异点、干涉点以及不可达点；

(5)焊接工艺参数规划：根据工艺试验，得到不同材料、位置焊接工艺参数，通过传感器采集焊接过程信号，包括电信号、温度场信号及图像信号，基于多源信息融合，对多通道信息进行去噪清洗等数据处理后，对与焊接过程相关的数据，包括工艺参数、熔池几何特征、装配间隙几何尺寸、焊缝几何尺寸、焊接缺陷类型开展数据挖掘和建模，通过人工智能手段揭示各参量与焊缝质量的隐含关系，形成焊接工艺知识库，即将复杂产品焊缝轮廓的空间位姿信息作为输入条件，以焊接工艺知识库为依据，输出不同焊缝轮廓的空间位姿下的焊接工艺参数，包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊枪倾角及保护气体流量；

(6)数据分发与执行：将步骤(4)中修正的机器人运动轨迹及步骤(5)中获取的焊接工艺参数信息传输给机器人，机器人本体执行机器人运动轨迹，机器人控制器将焊接工艺参数传输给焊机，焊机执行焊接工艺参数，实现复杂焊缝的自动化焊接。

步骤(1)中的全局视觉测量方法为：依据带有空间曲线焊缝的薄壁结构模型，编制工业机器人的运行轨迹，并制作仿形焊接工装，将薄壁结构装配在工装表面上；由1个面结构光测量头和2个工业相机封装而成视觉测量头安装在工业机器人末端，对视觉测量头的光学坐标与工业机器人工具坐标进行标定，优化视觉测量头的测量角度、光场强度、工业机器人的运行轨迹和速度，通过工业机器人搭载测量头，进行薄壁结构空间曲线焊缝的测量，获取薄壁结构的三维空间点云数据，将三维空间点云数据发送给外界数据处理模块，数据处理模块首先进行数据的清洗去噪及拼接，得到完整的薄壁结构三维空间点云数据；随后，数据处理模块进行焊缝位置识别与特征提取，最终得到实际焊缝的三维轮廓曲线。

步骤(2)中的分区规划焊缝的三维轮廓为空间三维轮廓或二维平面轮廓，分区规划时需尽量减少新增焊缝，区域大小需同时满足蒙皮原材料的幅面尺寸、机器人的运动范围因素，保证所分割区域的大小一致。

步骤(3)中机器人运动轨迹中，焊枪垂直于焊缝所在平面，并与焊接行走方向形成105°-110°的夹角。

步骤(5)中需要在机器人运动轨迹中定义模拟量，包括各项焊接参数的变量信息，通过在机器人运动轨迹坐标中插入焊接起弧指令、焊接收弧指令及焊接参数指令，形成焊缝运动轨迹和焊接工艺的协同规划指令信息。

根据步骤(5)输出的焊枪倾角信息，修正机器人运行轨迹的焊枪倾角，形成焊缝运动轨迹和焊接工艺的协同规划。

步骤(5)中焊接工艺知识库在实际生产中通过对焊接过程数据的挖掘和优化，不断更新迭代来完善焊接工艺知识库。

步骤(5)中焊接工艺知识库在焊接过程中，通过在线传感获取的焊接状态信息，根据工艺知识库的模型对焊缝结果进行推理预判，提前发现熔池失稳等质量问题并进行及时调整。

本方法适用的焊接方法包括gtaw、gmaw、固相焊、电阻点焊、高能束焊，具体方法应用时根据焊接方法特点进行不同的轨迹和工艺参数控制。

方法创新：传统的离线编程针对简单单一焊缝，全轨迹仅简单设定相同焊接工艺参数和焊枪姿态，本方法创新的用于复杂空间曲线焊缝的自动焊接领域，实现了空间曲线焊缝的智能分区和焊缝的顺序规划，并对变位姿变曲率焊缝机器人机器人运动轨迹与工艺的自适应协同规划，实现空间曲线焊缝机器人运动轨迹与工艺协同智能规划。

分区和路径创新：针对复杂空间曲线焊缝，结合变形预测分析手段和变形抑制与消除手段，完成焊缝的分区，并采用多机器人协同控制的虚拟环境，开发自主避碰规划算法，并自动识别焊缝基于样条插补算法进行路径的离散插补，实现运动轨迹的光滑，更好的适应薄壁复杂曲线焊缝。

协同规划创新：首先建立一个适应焊缝位姿及装配精度变化的焊接规范智能预测模型，在完成焊缝轨迹规划的同时依据焊缝空间位姿变化和装配精度信息，动态离散规划电弧焊接工艺规范，基于焊接工艺知识库，焊缝空间位姿为输入参量，以焊接工艺参数为输出的路径-工艺协同规划模型。

本发明方法主要是针对三维薄壁铝合金结构焊缝的根据不同的运动轨迹需要采用不同的焊接工艺参数的要求，提出了一种空间曲线焊缝的运动轨迹和焊接工艺协同规划的方法，在大面积复杂焊缝的智能分区和全局焊接顺序规划算法基础上，建立机器人路径和焊接规范协同规划数据交互模型，大面积复杂焊缝的智能分区结果如图2所示，虚线部分为典型成品分区的结果，实现大尺寸复杂空间曲线焊缝机器人焊接路径和焊接规范的协同规划与自动编程。主要过程包括大面积复杂焊缝的智能分区，焊缝的全局路径规划，机器人路径和焊接规范参数协同规划数据交互模型。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。