[发明专利]一种用于大型构件平面曲线轨迹焊接的运动控制方法

权利要求书

1.一种用于大型构件平面曲线轨迹焊接的运动控制方法，其特征在于，该方法采用的装置包括底座(1)、运动控制器(2)、焊接能量源(3)、焊炬(4)、二维平移机构(5)和焊炬旋转机构(6)；所述底座(1)与所述二维平移机构(5)机械连接；所述运动控制器(2)分别与所述二维平移机构(5)和所述焊炬旋转机构(6)通过导线相连，或通过无线传输方式通讯；所述焊炬(4)与所述焊接能量源(3)通过导线连接，或通过光路连接；所述二维平移机构(5)包括第一一维平移机构(51)和第二一维平移机构(52)；所述第一一维平移机构(51)和所述第二一维平移机构(52)的运动方向相互正交；所述焊炬旋转机构(6)安装在所述二维平移机构(5)的运动输出端；所述焊炬(4)安装在所述焊炬旋转机构(6)的运动输出端；所述焊炬旋转机构(6)的旋转轴方向分别与所述第一一维平移机构(51)和所述第二一维平移机构(52)的运动方向相互正交；待焊工件(7)安装在所述底座(1)上；待焊轨迹(71)与焊炬(4)的轴线方向位于同一平面内；

所述方法包括以下步骤：

1)建立与所述底座固结的世界坐标系{W}，所述世界坐标系{W}的x_wO_wy_w平面与待焊轨迹所在平面重合，x_w轴方向和y_w轴方向分别与所述第一一维平移机构和第二一维平移机构的运动方向平行；建立与所述焊炬固结的焊炬坐标系{P}，所述焊炬坐标系{P}的原点O_p与所述焊炬末端点重合，y_p轴与所述焊炬轴线重合，x_pO_py_p平面与待焊轨迹所在平面重合；初始时刻所述焊炬坐标系{P}的x_p轴方向和y_p轴方向分别与所述世界坐标系{W}的x_w轴方向和y_w轴方向相互平行；

2)在所述待焊轨迹上自起点至终点选取N个离散点，测量获得N个离散点在所述世界坐标系{W}中的横坐标x_i和纵坐标y_i，其中N为大于或等于2的正整数，i为小于或等于N的正整数，x_i和y_i为任意实数；令二维列向量X_i＝[x_i,y_i]^T；

3)设焊炬轴线与待焊轨迹的交点为待焊点；在焊接前，预先设定焊接速度C、焊炬末端点与待焊点之间的有向距离h以及焊炬倾角α，其中C为任意不等于零的实数，h、α为任意实数；

4)对X_i进行B样条曲线插补，使得插补的样条曲线X_w(u)满足X_w(u_i)＝X_i，其中u为样条曲线X_w(u)的自变量，且：

ui=0,i=1Σk=1i-1||Xk+1-Xk||Σk=1N-1||Xk+1-Xk||,2≤i≤N]]>

5)采用焊接能量源提供焊接时的能量输入，并使运动控制器发出控制信号，驱动所述二维平移机构和所述焊炬旋转机构联合运动；

设t为任意非负实数；

在t时刻，运动控制器驱动所述焊炬旋转机构运动，使所述焊炬旋转机构的旋转角θ(t)满足：

cos[θ(t)-α]sin[θ(t)-α]=sw(u(t))||sw(u(t))||]]>

式中，u(t)由下式确定：

∫0u(t)[||sw(ξ)||-hcosα||sw(ξ)||2·nwT(ξ)dsw(ξ)dξ]dξ=C·t]]>

式中，ξ为积分变量，且函数s_w(u)和n_w(u)由下式确定：

sw(u)=dXw(u)dunw(u)=0-110sw(u)]]>

在t时刻，运动控制器驱动所述焊炬旋转机构运动，使所述焊炬旋转机构的瞬时角速度满足：

dθ(t)dt=1||sw(u(t))||2·nwT(u(t))·dsw(u)du|u=u(t)·du(t)dt]]>

式中，

du(t)dt=C||sw(u(t))||-hcosα||sw(u(t))||2·nwT(u(t))·dsw(u)du|u=u(t)]]>

在t时刻，设所述焊炬旋转机构的旋转中心相对于所述世界坐标系{W}的横坐标为所述第一一维平移机构的位移量X_r(t)，所述焊炬旋转机构的旋转中心相对于所述世界坐标系{W}的纵坐标为所述第二一维平移机构的位移量Y_r(t)；在t时刻，运动控制器驱动所述第一一维平移机构和所述第二一维平移机构联合运动，使所述第一一维平移机构的位移量X_r(t)和所述第二一维平移机构的位移量Y_r(t)满足：

Xr(t)Yr(t)=Xw(u(t))+-cos[θ(t)]sin[θ(t)]-sin[θ(t)]-cos[θ(t)]rxry-h]]>

式中，r_x和r_y分别为所述焊炬旋转机构的旋转中心在焊炬坐标系{P}中的横坐标和纵坐标；

在t时刻，运动控制器驱动所述第一一维平移机构和所述第二一维平移机构联合运动，使所述第一一维平移机构的瞬时速度和所述第二一维平移机构的瞬时速度满足：

dXr(t)dtdYr(t)dt=sw(u(t))du(t)dy+sin[θ(t)]cos[θ(t)]-cos[θ(t)]sin[θ(t)]rxry-hdθ(t)dt]]>

根据所述焊炬、待焊工件和世界坐标系{W}的相对位姿关系，实时调整所述焊接能量源的能量输入参数。