LNG薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接轨迹规划方法

lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接轨迹规划方法
技术领域
1.本发明涉及焊接机器人技术领域，尤其涉及一种lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接轨迹规划方法。


背景技术：

2.全球液化天然气(liquefied natural gas,lng)运输船发展历程较短，仅有40年左右。而我国受其他国家技术垄断的影响，lng运输船制造困难，行业发展缓慢，成长空间巨大。markⅲ型lng薄膜舱的主屏壁由304l不锈钢波纹板构成，其焊接质量决定了markⅲ型薄膜舱围护系统的完整性，是lng运输船建造成功与否的关键。由于其复杂的形状，目前在波纹板底角区的形状复杂部分仍需手工焊接，这会导致波纹板空间位置焊缝焊接质量的不一致，并且生产效率低，对人工技术要求很高。
3.通过对现有技术文献和专利检索发现，目前还没有关于lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接轨迹规划方法的研究，专利申请号为202111012727.8的中国发明专利提出了一种燃料舱波纹板与角钢过渡区域连续焊接方法，详细说明了在波纹板全方位采用惰性气体保护焊接的工艺参数，实现了波纹角板在薄、厚板搭接过渡区域连续焊接，保证波纹角板过渡区域的焊缝质量，提高该区域的接头外观及探伤合格率，改善了施工环境、缩短了建造工期，降低了生产成本。但是对于波纹部分的焊接轨迹设计没有提出一种可以实现的轨迹规划方法。
4.因此，本领域的技术人员致力于开发一种lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接轨迹规划方法。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接轨迹规划方法。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接轨迹规划方法，所述波纹板搭接焊的接头包括接头平直部分和接头波纹部分，所述接头平直部分包括首段c1、尾段c7两段平直部分，所述方法包括以下步骤：
7.步骤1、根据波纹板的接头波纹部分的曲率变化，将接头波纹部分的几何轮廓线划分为起始段圆弧c2、上坡段圆弧c3、顶段圆弧c4、下坡段圆弧c5、结束段圆弧 c6，所述起始段圆弧c2、上坡段圆弧c3、顶段圆弧c4、下坡段圆弧c5、结束段圆弧c6依次平滑衔接，其中，所述起始段圆弧c2的半径为r1，所述上坡段圆弧c3的半径为r2，所述顶段圆弧c4的半径为r3，所述下坡段圆弧c5的半径为r4，所述结束段圆弧c6的半径为r5；
8.步骤2、以所述起始段圆弧c2的两个端点o3和o5以及中点o4、所述上坡段圆弧c3的两个端点o5和o7以及中点o6、所述顶段圆弧c4的两个端点o7和o9 以及中点o8、所述下坡段圆弧c5的两个端点o9和o11以及中点o10、所述结束段圆弧c6的两个端点o11和o13以及中点o12，来作为lng薄膜舱波纹板搭接接头机器人焊接的接头波纹部分轨迹规划的特征点，即
o3、o4、o5、o6、o7、o8、o9、 o10、o11、o12、o13；
9.步骤3、以特征点o8作为lng薄膜舱波纹板搭接接头的接头波纹部分机器人焊接轨迹规划用户坐标系的原点，坐标为(0,0,0)，用户坐标系的x、y、z轴方向确定为：垂直于平直部分向上的方向为z轴正方向，沿特征点o13到o3的方向为y轴正方向，根据y轴和z轴的方向，通过右手定则得到x轴的正方向；
10.步骤4、通过所述起始段圆弧c2、上坡段圆弧c3、顶段圆弧c4、下坡段圆弧 c5、结束段圆弧c6的半径r1、r2、r3、r4、r5以及特征点o8的坐标，获得特征点 o3、o4、o5、o6、o7、o9、o10、o11、o12、o13的坐标(xj,yj,zj)，其中，j＝3, 4,5,6,7,9,10,11,12,13；
11.步骤5、在波纹板搭接接头波纹部分的几何轮廓线上，特征点o3、o4、o5、o6、 o7、o8、o9、o10、o11、o12、o13处的法线与z轴的夹角分别为w3、w4、w5、 w6、w7、w8、w9、w10、w11、w12、w13时，在对lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接过程中，将波纹板搭接上板、搭接底板依次搭接在一起，保持安装在机器人机械手上的焊枪轴中心线垂直于接头波纹部分的几何轮廓线，且向搭接底板方向偏转角度β，机器人的机械手夹持焊枪沿接头波纹部分的几何轮廓线运动的轨迹在特征点o3、o4、o5、o6、o7、o8、o9、o10、o11、o12、o13的回转角w分别为w3、w4、w5、w6、w7、w8、w9、w10、w11、w12、w13；
12.步骤6、分别计算在任意一个特征点oj处的回转角p，以及在任意一个特征点 oj处的回转角r。
13.进一步地，所述波纹板板厚为1至2mm，所述搭接焊的搭接量为10至20mm。
14.进一步地，所述步骤1中所述起始段圆弧c2的半径r1和所述结束段圆弧c6的半径r5相等，所述上坡段圆弧c3的半径r2和所述下坡段圆弧c5的半径r4相等。
15.进一步地，所述步骤4的具体步骤为：
16.根据所述起始段圆弧c2的半径r1、所述上坡段圆弧c3的半径r2、所述顶段圆弧 c4的半径r3、所述下坡段圆弧c5的半径r4、所述结束段圆弧c6的半径r5，在三维 cad软件中建立坐标系，以特征点o8为坐标原点，x、y、z轴方向与机器人焊接轨迹规划用户坐标系的x、y、z轴方向保持一致，绘制出lng薄膜舱波纹板的波纹部分的几何轮廓线，三维cad软件中自动读取特征点o3、o4、o5、o6、o7、o9、o10、o11、o12、o13的位置坐标(xj,yj,zj)；
17.所述步骤5中回转角w的获取方法的具体步骤为：在三维cad软件中自动读取特征点o3、o4、o5、o6、o7、o9、o10、o11、o12、o13的回转角w3、w4、w5、 w6、w7、w8、w9、w10、w11、w12、w13。
18.进一步地，所述步骤5中所述偏转角度β的取值范围为-8
°
至-12
°
，其中负值表示向搭接底板方向偏转。
19.进一步地，所述步骤4还包括在计算焊枪在各个特征点处的位置坐标时，在y轴和z轴分别加入以下修正：
20.y轴：
21.z轴：+d
×
coswj，
22.其中，d表示焊枪与工件的距离。
23.进一步地，所述步骤6的具体步骤为：
24.在对lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接过程中，机器人的机械手夹持焊枪
沿接头波纹部分的几何轮廓线运动的轨迹在特征点oj处的回转角pj为焊枪运动到各自对应的特征点处时焊枪轴中心线在xoz面上的投影与z轴正方向的夹角，此时y轴正方向离开纸面，焊枪在z轴正方向的逆时针方向为正值，在z轴正方向的顺时针方向为负值；机器人的机械手夹持焊枪沿接头波纹部分的几何轮廓线运动的轨迹在特征点oj处的回转角rj为焊枪运动到各自对应的特征点处时的焊枪轴中心线在xoy面上的投影与y轴负方向的夹角，此时z轴正方向离开纸面，焊枪在y轴负方向的逆时针方向为正值，在y轴负方向的顺时针方向为负值；
25.定义焊枪的末端作为焊枪笛卡尔坐标系的原点，焊枪笛卡尔坐标系的坐标轴方向与用户坐标系的坐标轴方向一致；同时定义焊枪轴中心线指向焊枪笛卡尔坐标系原点的单位向量，则有：
26.在任意一个特征点oj处，单一控制焊枪绕y轴旋转时回转角p记作p
j1
，其计算步骤为：
27.a＝cosβ
×
sinwj，
[0028][0029][0030]
在任意一个特征点oj处，单一控制焊枪绕z轴旋转时回转角r记作r
j1
，其计算步骤为：
[0031]
a＝cosβ
×
sinwj，
[0032][0033][0034]
其中，a、b为求解过程中的辅助变量；h
p
表示单位向量绕x轴旋转一周所得的圆锥高，r’表示焊枪轴中心线在xoy面上的投影与x轴负方向的夹角。
[0035]
进一步地，所述步骤6的具体步骤还包括：
[0036]
在lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接轨迹的过程中，通过协同控制回转角 p和回转角r的参数，来使机器人的机械手所夹持焊枪沿接头波纹部分的几何轮廓线在特征点o3、o4、o5、o6、o7、o8、o9、o10、o11、o12、o13处同时绕y轴和 z轴旋转，以确保焊枪轴中心线垂直于接头波纹部分的几何轮廓线，且向搭接底板方向偏转β角度的焊枪姿态；协同控制回转角p和回转角r的参数是对单一控制回转角 p
j1
和单一控制回转角r
j1
分别乘以各自的修正参数cos2(wj)和sin2(wj)，即：
[0037]
在任意一个特征点oj处的回转角p的参数pj的计算公式为：
[0038][0039]
在任意一个特征点oj处的回转角r的参数rj的计算公式为：
[0040][0041]
进一步地，所述步骤6还包括：
[0042]
机器人的机械手夹持焊枪沿接头波纹部分的几何轮廓线运动，在特征点o3、o4、 o5、o6、o7、o8、o9、o10、o11、o12、o13处的机器人作业点的坐标(xj,yj,zj,wj, pj,rj)规定焊枪沿接头波纹部分的几何轮廓线运动到特征点o3、o4、o5、o6、o7、 o8、o9、o10、o11、o12、o13处的焊枪位姿，完成lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接的接头波纹部分的轨迹规划；通过机器人的圆弧运动指令，在lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人自动焊接过程中，使机器人的机械手所夹持的焊枪以规定的姿态沿规划好的接头波纹部分的轨迹移动。
[0043]
进一步地，在机器人的机械手所夹持的焊枪以规定的姿态沿规划好的接头波纹部分的轨迹移动的过程中，保证机器人关节角速度不超过所述机器人的限制范围，从而保证安装在机器人机械手上的焊枪轴中心线始终垂直于接头的几何轮廓线。
[0044]
本发明的最突出优点在于：一方面解决了传统轨迹规划方式采用机器人运动学求逆解时的求解困难，没有统一的、程式化的求解方式，以及多解性的问题。另一方面，由于确定了一段圆弧的三个特征点的焊枪姿态，在采用六轴机器人圆弧指令进行轨迹移动的过程中，只需保证关节角速度不超过机器人的限制范围，就可以保证在轨迹移动过程中焊枪可以保持对波纹板的实时垂直。这为实现波纹板空间位置的机器人自动化焊接奠定了基础。
[0045]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0046]
图1是本发明的一个较佳实施例的波纹板测绘建模及坐标系示意图；
[0047]
图2是本发明的一个较佳实施例的波纹板的波纹部分圆弧形状示意图；
[0048]
图3是本发明的一个较佳实施例的波纹部分焊枪姿态以及波纹分段示意图；
[0049]
图4是本发明的一个较佳实施例的焊枪侧偏角度示意图；
[0050]
图5是本发明的一个较佳实施例的波纹部分特征点处回转角p参数计算示意图；
[0051]
图6是本发明的一个较佳实施例的波纹部分特征点处回转角r参数计算示意图。
具体实施方式
[0052]
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0053]
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
[0054]
实施例
[0055]
本实施例提供的一种lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接轨迹规划方法，本实施例中，波纹板板厚为1.2mm，搭接焊的搭接量为10至20mm，具体步骤如下：
[0056]
s1、采用三维扫描仪(例如artec space spider 3d扫描仪)对波纹板进行扫描，并
在三维计算机辅助设计(computer-aided design,cad)软件(例如solidworks软件) 中对扫描获得的波纹板模型进行测量修正，得到波纹板的3d模型，如图1所示。
[0057]
s2、如图2、图3所示，轨迹规划包括接头平直部分轨迹和接头波纹部分轨迹，其中，接头平直部分轨迹由首段(c1)、尾段(c7)两段平直部分轨迹组成。根据波纹板的接头波纹部分的曲率变化，将接头波纹部分的几何轮廓线由起始段圆弧(c2)、上坡段圆弧(c3)、顶段圆弧(c4)、下坡段圆弧(c5)、结束段圆弧(c6)这5段圆弧依次平滑衔接而构成，起始段圆弧(c2)的半径为r1，上坡段圆弧(c3)的半径为 r2，顶段圆弧(c4)的半径为r3，下坡段圆弧(c5)的半径为r4，结束段圆弧(c6) 的半径为r5。如图2所示，r1和r5相等，为9.06mm；r2和r4相等，为78.67mm； r3为11.91mm。
[0058]
s3、如图3所示，以起始段圆弧(c2)的两个端点o3和o5以及中点o4、上坡段圆弧(c3)的两个端点o5和o7以及中点o6、顶段圆弧(c4)的两个端点o7和 o9以及中点o8、下坡段圆弧(c5)的两个端点o9和o11以及中点o10、结束段圆弧(c6)的两个端点o11和o13以及中点o12，来作为lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接的接头波纹部分轨迹规划的11个特征点，即o3、o4、o5、o6、o7、 o8、o9、o10、o11、o12、o13。
[0059]
s4、如图1、图3所示，以特征点o8作为lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接的接头波纹部分轨迹规划用户坐标系的原点，坐标为(0,0,0)，用户坐标系的x、 y、z轴方向确定为：垂直于平直部分向上的方向为z轴正方向，沿特征点o13到o3 的方向为y轴正方向，根据y轴和z轴的方向，通过右手定则得到x轴的正方向。
[0060]
s5、如图2、图3、图4所示，通过起始段圆弧(c2)、上坡段圆弧(c3)、顶段圆弧(c4)、下坡段圆弧(c5)、结束段圆弧(c6)的半径r1、r2、r3、r4、r5以及特征点o8的坐标，获得特征点o3、o4、o5、o6、o7、o9、o10、o11、o12、o13的坐标(xj,yj,zj)，其中，j＝3,4,5,6,7,9,10,11,12,13。
[0061]
s6、如图3、图5、图6所示，在波纹板搭接接头波纹部分的几何轮廓线上，特征点o3、o4、o5、o6、o7、o8、o9、o10、o11、o12、o13处的法线与z轴的夹角分别为w3、w4、w5、w6、w7、w8、w9、w10、w11、w12、w13时，在对lng 薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接过程中，将两块波纹板(搭接上板、搭接底板) 依次搭接在一起，如图4所示，保持安装在机器人机械手上的焊枪轴中心线垂直于接头波纹部分的几何轮廓线，且向后(搭接底板方向)偏转角度β，β的取值范围为-8
ꢀ°
至-12
°
(负值表示向底板偏转)。机器人的机械手夹持焊枪沿接头波纹部分的几何轮廓线运动的轨迹在这11个特征点的回转角w的参数分别为w3、w4、w5、w6、 w7、w8、w9、w10、w11、w12、w13；
[0062]
在焊接过程中，设定焊枪与工件距离为1至5mm，例如2mm，所以在计算焊枪在各个特征点处的空间坐标时，应该在y轴和z轴分别加入以下修正：
[0063]
y轴：
[0064]
z轴：+2
×
coswj；
[0065]
在任意一个特征点(oj)处的回转角p的参数(pj)的计算公式为：
[0066]
[0067]
在任意一个特征点(oj)处的回转角r的参数(rj)的计算公式为：
[0068][0069]
其中，j＝3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13；
[0070]
以o7处为例，o7处坐标及回转角w由solidworks软件中的模型获得，其用户坐标系的坐标(x7,y7,z7)经过y轴和z轴的修正后为(0,-9.646,-1.878)。β取-10
°ꢀ
(负值表示向底板偏转)，且o7的法线与z轴正方向的夹角w7为43.86
°
，则有：
[0071]
w7＝43.86，
[0072][0073][0074]
所以，在特征点o7处保持安装在机器人机械手上的焊枪轴中心线垂直于接头的几何轮廓线，且向搭接底板方向偏转角度为10
°
(β取-10
°
)时所需要输入的机器人位置为：(0，-9.646，-1.878，43.86，-7.144，-6.855)。
[0075]
s7、根据以上方法计算波纹部分全部特征点o3、o4、o5、o6、o7、o8、o9、 o10、o11、o12、o13的六轴参数，通过六轴机器人(例如fanuc机器人)的圆弧指令来运行整个波纹部分的轨迹。
[0076]
如图2、图3所示，特征点o3、o4、o5、o6、o7、o9、o10、o11、o12、o13 的用户坐标系的坐标(xj,yj,zj)的获得步骤为：
[0077]
根据起始段圆弧(c2)的半径r1、上坡段圆弧(c3)的半径r2、顶段圆弧(c4) 的半径r3、下坡段圆弧(c5)的半径r4、结束段圆弧(c6)的半径r5，在solidworks 软件中绘制出lng薄膜舱波纹板的波纹部分的几何轮廓线，以特征点o8作为lng 薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接的接头波纹部分轨迹规划的用户坐标系原点，垂直于平直部分向上的方向为z轴正方向，沿特征点o13到o3的方向为y轴正方向，根据y轴和z轴的方向，通过右手定则得到x轴的正方向，在solidworks软件中自动读取特征点o3、o4、o5、o6、o7、o9、o10、o11、o12、o13的用户坐标系的坐标，并根据焊枪与工件之间的距离d的不同，对y轴和z轴参数进行如s6所述的参数修正，最终得到特征点o3、o4、o5、o6、o7、o9、o10、o11、o12、o13处的用户坐标系的坐标(xj,yj,zj)。
[0078]
如图3、图5、图6所示，在对lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接过程中，机器人的机械手夹持焊枪沿接头波纹部分的几何轮廓线运动的轨迹在特征点o3、o4、 o5、o6、o7、o8、o9、o10、o11、o12、o13处的回转角p(分别是p3、p4、p5、 p6、p7、p8、p9、p10、p11、p12、p13)为焊枪运动到各自对应的特征点处时的焊枪轴中心线在xoz面上的投影与z轴正方向的夹角，此时y轴正方向离开纸面，焊枪在z轴正方向的逆时针方向为正值，在z轴正方向的顺时针方向为负值，如图5中侧视图所示；机器人的机械手夹持焊枪沿接头波纹部分的几何轮廓线运动的轨迹在特征点o3、o4、o5、o6、o7、o8、o9、o10、o11、o12、o13处的回转角r(分别是 r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9、r10、r11、r12、r13)为焊枪运动到各自对应的特征点处时的焊枪轴中心线在xoy面上的投影与y轴负方向的夹角，此时z轴正方向离开纸面，焊枪在y轴负
方向的逆时针方向为正值，在y轴负方向的顺时针方向为负值，如图6中俯视图视图所示；
[0079]
定义焊枪的末端作为焊枪笛卡尔坐标系的原点，焊枪笛卡尔坐标系的坐标轴方向与波纹板机器人焊接轨迹规划用户坐标系的坐标轴方向一致；同时定义焊枪轴中心线指向焊枪笛卡尔坐标系原点的单位向量，则当焊枪轴中心线向搭接底板方向偏转角度为10
°
(β取-10
°
)时，单位向量绕x轴旋转一周所得的圆锥高(h
p
)为sin10
°
，圆锥底面圆的半径(r
p
)为cos10
°
，则有：
[0080]
如图5所示，在任意一个特征点(oj)处，单一控制焊枪绕y轴旋转时的回转角记作p
j1
，其计算步骤为：
[0081]
a＝cosβ
×
sinwj，
[0082][0083][0084]
如图6所示，在任意一个特征点(oj)处，单一控制焊枪绕z轴旋转时的回转角记作r
j1
，其计算步骤为：
[0085]
a＝cosβ
×
sinwj，
[0086][0087][0088]
在lng薄膜舱波纹板焊接轨迹规划的过程中，通过协同控制回转角p和回转角r 的参数，来使机器人的机械手所夹持焊枪沿接头波纹部分的几何轮廓线在特征点o3、 o4、o5、o6、o7、o8、o9、o10、o11、o12、o13处同时绕y轴和z轴旋转，以达到焊枪轴中心线垂直于接头波纹部分的几何轮廓线，且向搭接底板方向偏转β角度的焊枪姿态。协同控制回转角p和回转角r的参数是对单一控制回转角p模式下的 p
j1
和单一控制回转角r模式下的r
j1
分别乘以各自的修正参数cos2(wj)和sin2(wj)，即：
[0089]
在任意一个特征点(oj)处的回转角p的参数pj的计算公式为：
[0090][0091]
在任意一个特征点(oj)处的回转角r的参数rj的计算公式为：
[0092][0093]
机器人的机械手夹持焊枪沿接头波纹部分的几何轮廓线运动，在特征点o3、o4、 o5、o6、o7、o8、o9、o10、o11、o12、o13处的机器人的位置坐标(xj,yj,zj,wj, pj,rj)规定了焊枪沿接头波纹部分的几何轮廓线运动到该11个特征点处的焊枪姿态，即完成了lng薄膜舱波纹板搭接接头的机器人焊接的接头波纹部分的轨迹规划，通过机器人的圆弧运动指令，即可在lng薄膜舱波纹板搭接的机器人自动焊接过程中，使机器人的机械手所夹持的焊枪
以规定的姿态沿规划好的接头波纹部分的轨迹移动；
[0094]
在机器人的机械手所夹持的焊枪以规定的姿态沿规划好的接头波纹部分的轨迹移动的过程中，需保证机器人关节角速度不超过所述机器人的限制范围，就可以保证安装在机器人机械手上的焊枪轴中心线始终垂直于接头的几何轮廓线。
[0095]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。