一种基于非线性方程组的相贯双管的相贯参数与装夹位姿的四点测量方法
【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的相贯参数与装夹位姿的四点测 量方法，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的装 夹位姿自动生成的。然而在某些情况下，不仅管组的装夹位姿与预定的装夹位姿不同，而且 双管的相贯参数也不明确。在自动生成焊接代码前，必须测量双管的相贯参数；在自动焊接 之前，必须测定并校正管组的装夹位姿。
[0003] 双管的相贯参数包括主管半径、支管半径、双管偏心距和支管倾斜角，其中前两者 容易测量。对于偏心距和倾斜角的测量，传统方法需要长度测量仪器、角度测量仪器及其他 工具的配合，而且过分依赖于测量者的经验，这导致了较大的测量结果不确定性和较低的 测量效率。
[0004] 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。显然，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，严重影响了作业效率。
【发明内容】
[0005] 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的相贯参数 与装夹位姿的四点测量方法，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。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种基于非线性方程组的相贯双管的相贯参数与装夹位姿的四点测量方法，包 括，
[0008] 步骤一：测量支管外壁上任意四个点的机床坐标；
[0009] 步骤二：将测量的四个点的机床坐标代入非线性方程组求得双管的相贯参数和装 夹位姿参数。
[0010] 优选的，在测量支管外壁上任意四个点的机床坐标前，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四个点的笛卡尔坐标。
[0011] 优选的，所述测量支管外壁上任意四个点的机床坐标的步骤包括，
[0012] (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；
[0013] (2)用测量头分别接触支管外壁上的四个测量点，并记录下四个测量点的机床坐 标。
[0014] 进一步优选的，将所述四个测量点分成两组，每组包括两个测量点，其中一组测 量点靠近主管，另一组测量点远离主管；且每组的两个测量点沿支管圆周方向的角度差在 60°至120°之间。
[0015] 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，
[0016] (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
【主权项】
1. 一种基于非线性方程组的相贯双管的相贯参数与装夹位姿的四点测量方法，其特征 在于，包括， 步骤一：测量支管外壁上任意四个点的机床坐标； 步骤二：将测量的四个点的机床坐标代入非线性方程组求得双管的相贯参数和装夹位 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的相贯参数与装夹位姿的四点 测量方法，其特征在于，在测量支管外壁上任意四个点的机床坐标前，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四个点的笛卡尔坐 标。
3. 如权利要求1所述的基于非线性方程组的相贯双管的相贯参数与装夹位姿的四点 测量方法，其特征在于，所述测量支管外壁上任意四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四个测量点，并记录下四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的相贯参数与装夹位姿的四 点测量方法，其特征在于，将所述四个测量点分成两组，每组包括两个测量点，其中一组测 量点靠近主管，另一组测量点远离主管；且每组的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的相贯参数与装夹位姿的四点 测量方法，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为管组在主管中轴线方向的位移，β为管 组沿主管中轴线的旋转角； (2) 使用上述方法测得支管外壁上一点在机床坐标系XYZ中的坐标为（Xl，yi，Z1)，此点 在支管坐标系X bYbZb中的坐标为（xb，yb，z b)，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：e与α为待求解的双管相贯参数，δ与β为待求解的管组装夹位姿参数。
6. 如权利要求5所述的基于非线性方程组的相贯双管的相贯参数与装夹位姿的四点 测量方法，其特征在于，利用上述方法依次确定四个测量点坐标，并分别得到四个测量点的 非线性方程，则四个测量点的非线性方程组的具体表达式为
其中：(X1, Y1, Z1)、（x2, y2, z2)、（x3, y3, Z3)和（x4, y4, Z4)分别为四个测量点的机床坐标， r为支管外壁的半径；其余为待求解参数：e为两管偏心距，α为支管倾斜角，δ为管组在 主管中轴线方向的位移，β为管组沿主管中轴线的旋转角。
7. 如权利要求6所述的基于非线性方程组的相贯双管的相贯参数与装夹位姿的四点 测量方法，其特征在于，所述非线性方程组（IV)的求解过程，首先按照现有技术粗略预估 双管的相贯参数与装夹位姿作为求解初值，然后使用MATLAB数学工具的"fslove"函数求 解方程组，最后得到方程组的一组实数解。
【专利摘要】本发明涉及一种基于非线性方程组的相贯双管的相贯参数与装夹位姿的四点测量方法，该方法在综合了数控测量、数学模型建立以及非线性方程求解的基础上，通过机床本身测量支管外壁上的四个任意点的机床坐标，并结合预估的待解参数求解初值，便可以求得双管的相贯参数和装夹位姿。本发明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】G01B21-00
【公开号】CN104729440
【申请号】CN201510115663
【发明人】石磊, 田新诚
【申请人】山东大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月17日