[发明专利]一种沿立面内任意曲线轨迹焊接的机器人控制方法

权利要求书

1.一种沿立面内任意曲线轨迹焊接的机器人控制方法，所述的机器人包括机械臂、Z轴转台（3）、控制器（4）、焊接电源（5）、焊枪（6）和底座（8）；所述机械臂包括依次相联起来的X轴平移组件（1）和Y轴平移组件（2）；待焊工件（70）的焊缝中心线为处于一个立面内的曲线轨迹；所述X轴平移组件包括第一基座（11）、X轴电机（12）、X轴传动机构（13）和第一滑块（14）；所述第一基座与底座固接；所述X轴电机与第一基座固接，所述X轴电机的输出轴与X轴传动机构的输入端相连，所述X轴传动机构的输出端与第一滑块相连，所述第一滑块滑动镶嵌在第一基座上；所述Y轴平移组件包括第二基座（21）、Y轴电机（22）、Y轴传动机构（23）和第二滑块（24）；所述第二基座与第一滑块固接；所述Y轴电机与第二基座固接，所述Y轴电机的输出轴与Y轴传动机构的输入端相连，所述Y轴传动机构的输出端与第二滑块相连，所述第二滑块滑动镶嵌在第二基座上；所述Z轴转台包括第三基座（31）、Z轴电机（32）、Z轴传动机构（35）、关节轴（33）和工件安装台（34）；所述第三基座与底座固接；所述Z轴电机与第三基座固接，所述Z轴电机的输出轴与Z轴传动机构的输入端相连，所述Z轴传动机构的输出端与关节轴相连，所述关节轴活动套设在第三基座中，所述工件安装台固定套接在关节轴上；所述焊枪固定安装在第二滑块上；所述X轴电机、Y轴电机和Z轴电机分别与控制器相连；需要焊接的工件固定安装在工件安装台上；工件上具有平面曲线轨迹焊缝71；设所述第一滑块相对于第一基座的滑动方向为直线q；设所述第二滑块相对于第二基座的滑动方向为直线s；设所述关节轴的中心线为直线u；直线q、直线s和直线u三者两两垂直；设直线q与直线s构成平面Q₁，设工件上焊缝中心线的曲线轨迹所在平面为平面Q₂，平面Q₁与平面Q₂平行；

其特征在于：建立世界坐标系{C}，所述世界坐标系{C}的原点为关节轴的中心O_C，世界坐标系{C}的横轴x_C与直线q平行，x_C轴的正方向为离开曲线轨迹的方向，也是第一滑块相对于第一基座滑动的正方向，世界坐标系{C}的纵轴y_C与直线s平行，y_C轴的正方向为离开曲线轨迹的方向，也是第二滑块相对于第二基座滑动的正方向，该世界坐标系{C}与第三基座固接；

建立曲线轨迹坐标系{A}，当Z轴转台处于初始位置时，曲线轨迹坐标系{A}与世界坐标系{C}重合，所述曲线轨迹坐标系{A}与带平面曲线轨迹焊缝的工件固接，当工件旋转时，曲线轨迹坐标系{A}与工件一起转动；

焊接前，Z轴转台处于初始位置，在平面曲线轨迹焊缝上自起点至终点离散选取N个离散点，测量得到N个离散点在曲线轨迹坐标系{A}中的坐标值，记为(X_Ai，Y_Ai)，i＝1,2,...N；

利用离散点坐标值(X_Ai，Y_Ai)，在相邻两点之间插补圆弧，形成一条通过每一点的光滑曲线，插补结果如下：

(X_A1,Y_A1)和(X_A3,Y_A3)之间插补的圆弧方程为

(x-X_o1)²+(y-Y_o1)²=r₁²，X_A1≤x<X_A3，Y_A1≤y<Y_A3

其中(X_o1,Y_o1)为圆弧的圆心坐标，r₁为圆弧的半径，由下式确定：

XA1-XA2YA1-YA21XA2-XA3YA2-YA31Xo1Yo1=(XA1+XA2)(XA1-XA2)2(YA1-YA2)+(YA1+YA2)2(XA2+XA3)(XA2-XA3)2(YA2-YA3)+(YA2+YA3)2,r1=(XA1-Xo1)2+(YA1-Yo1)2.]]>

当i≥4时，(X_A(i-1),Y_A(i-1))和(X_Ai,Y_Ai)之间插补的圆弧方程为:(x-X_o(i-2))²+(y-Y_o(i-2))²=r_i-2²，X_A(i-1)≤x<X_Ai，Y_A(i-1)≤y<Y_Ai

其中(X_o(i-2),Y_o(i-2))为圆弧的圆心坐标，r_i-2为圆弧的半径，由下式确定：

Xo(i-2)-Xo(i-3)Xo(i-3)-XA(i-1)=Yo(i-2)-Yo(i-3)Yo(i-3)-YA(i-1),(Xo(i-2)-XAi)2+(Yo(i-2)-YAi)2=(Xo(i-2)-XA(i-1))2+(Yo(i-2)-YA(i-1))2,ri-2=(XAi-Xo(i-2))2+(YAi-Yo(i-2))2.]]>

完成圆弧插补后，进行焊接。设焊接速度为预设值v_w，设工件绕关节轴逆时针转动角速度为ω；设所述曲线轨迹坐标系{A}的横轴x_A与世界坐标系{C}的横轴x_C的夹角为θ，0≤θ≤90°；所述焊枪的中心线与y_C轴平行，焊枪的中心线与曲线轨迹的交点为焊点P；所述焊点P在世界坐标系{C}中的坐标为(X_C,Y_C)；设焊枪的末端点T在世界坐标系{C}中的坐标为(X_TC,Y_TC)；β为焊点P与关节轴中心O_C的连线与x_C轴所夹的锐角；所述焊枪的末端点T与焊点P的距离为预设值L_a；焊枪的末端点T和焊点P沿x_C轴的速度相等，均为v₁，相对世界坐标系{C}而言；焊枪的末端点T和焊点P沿y_C轴的速度相等，均为v₂，相对世界坐标系{C}而言；

在焊接过程中，根据圆弧插补结果，当焊接(X_A1,Y_A1)和(X_A3,Y_A3)之间的焊缝时，控制器控制X轴电机、Y轴电机和Z轴电机同时转动，使工件和焊枪满足下列关系：

X_C=X_o1cosθ-Y_o1sinθ,

YC=r1cosθtan2θ+1+Xo1sinθ+Yo1cosθ,]]>

X_TC=X_C,

Y_TC=Y_C+L_a,

β=arctan(YCXC),]]>

ω=vw(M+XC2+YC2sinβ)2+(N-XC2+YC2cosβ)2,]]>

v₁=Mω，

v₂=Nω，

其中，

M=-X_o1sinθ-Y_o1cosθ，

N=X_o1cosθ-Y_o1sinθ.

对于i≥3的情况，当焊接(X_Ai,Y_Ai)和(X_A(i+1),Y_A(i+1))两点之间的焊缝时，控制器控制X轴电机、Y轴电机和Z轴电机同时转动，使工件和焊枪满足下列关系：

X_C=X_o(i-1)cosθ-Y_o(i-1)sinθ,

YC=cosθri-1tan2θ+1+Xo(i-1)sinθ+Yo(i-1)cosθ,]]>

X_TC=X_C,

Y_TC=YC+L_a,

β=arctan(YCXC),]]>

ω=vw(M+XC2+YC2sinβ)2+(N-XC2+YC2cosβ)2,]]>

v₁=Mω，

v₂=Nω，

其中，

M=-X_o(i-1)sinθ-Y_o(i-1)cosθ，

N=X_o(i-1)cosθ-Y_o(i-1)sinθ.

所述θ与时间t的关系是ω的积分。