[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

摘要

一种沿立面内任意曲线轨迹焊接的机器人控制方法，属于焊接机器人技术领域，焊接时，具有立面内曲线轨迹焊缝的焊件随工件台受控转动，焊枪随X轴和Y轴组件受控移动。该方法采用数字化协调控制的三自由度机构实现了对工件上立面内任意形状曲线轨迹焊缝的高质量焊接功能。采用该方法可在焊接过程中同时满足若干目标要求：始终保证焊枪-熔池处于平焊位置；焊枪始终处于曲线轨迹在焊点的法线，焊枪与工件在焊点始终保持相对稳定的位姿，电弧焊时弧长保持恒定或随给定值调节；每一瞬时焊接方向与工件焊缝曲线轨迹的切线方向保持一致，焊接速度能够保持恒定或随给定值调节。焊接质量好，生产效率高，装置的制造、维修和使用成本低。

主权项

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OC，世界坐标系{C}的横轴xC与直线q平行，xC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yC与直线s平行，yC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(XAi，YAi)，i＝1,2,...N；利用离散点坐标值(XAi，YAi)，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：(XA1,YA1)和(XA3,YA3)之间插补的圆弧方程为(x‑Xo1)2+(y‑Yo1)2=r12，XA1≤x X A 1 - X A 2 Y A 1 - Y A 2 1 X A 2 - X A 3 Y A 2 - Y A 3 1 X o 1 Y o 1 = ( X A 1 + X A 2 ) ( X A 1 - X A 2 ) 2 ( Y A 1 - Y A 2 ) + ( Y A 1 + Y A 2 ) 2 ( X A 2 + X A 3 ) ( X A 2 - X A 3 ) 2 ( Y A 2 - Y A 3 ) + ( Y A 2 + Y A 3 ) 2 , r 1 = ( X A 1 - X o 1 ) 2 + ( Y A 1 - Y o 1 ) 2 . 当i≥4时，(XA(i‑1),YA(i‑1))和(XAi,YAi)之间插补的圆弧方程为:(x‑Xo(i‑2))2+(y‑Yo(i‑2))2=ri‑22，XA(i‑1)≤x X o ( i - 2 ) - X o ( i - 3 ) X o ( i - 3 ) - X A ( i - 1 ) = Y o ( i - 2 ) - Y o ( i - 3 ) Y o ( i - 3 ) - Y A ( i - 1 ) , ( X o ( i - 2 ) - X Ai ) 2 + ( Y o ( i - 2 ) - Y Ai ) 2 = ( X o ( i - 2 ) - X A ( i - 1 ) ) 2 + ( Y o ( i - 2 ) - Y A ( i - 1 ) ) 2 , r i - 2 = ( X Ai - X o ( i - 2 ) ) 2 + ( Y Ai - Y o ( i - 2 ) ) 2 . 完成圆弧插补后，进行焊接。设焊接速度为预设值vw，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xA与世界坐标系{C}的横轴xC的夹角为θ，0≤θ≤90°；所述焊枪的中心线与yC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(XC,YC)；设焊枪的末端点T在世界坐标系{C}中的坐标为(XTC,YTC)；β为焊点P与关节轴中心OC的连线与xC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La；焊枪的末端点T和焊点P沿xC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yC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(XA1,YA1)和(XA3,YA3)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：XC=Xo1cosθ‑Yo1sinθ, Y C = r 1 cos θ tan 2 θ + 1 + X o 1 sin θ + Y o 1 cos θ , XTC=XC,YTC=YC+La, β = arctan ( Y C X C ) , ω = v w ( M + X C 2 + Y C 2 sin β ) 2 + ( N - X C 2 + Y C 2 cos β ) 2 , v1=Mω，v2=Nω，其中，M=‑Xo1sinθ‑Yo1cosθ，N=Xo1cosθ‑Yo1sinθ.对于i≥3的情况，当焊接(XAi,YAi)和(XA(i+1),YA(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：XC=Xo(i‑1)cosθ‑Yo(i‑1)sinθ, Y C = cos θr i - 1 tan 2 θ + 1 + X o ( i - 1 ) sin θ + Y o ( i - 1 ) cos θ , XTC=XC,YTC=YC+La, β = arctan ( Y C X C ) , ω = v w ( M + X C 2 + Y C 2 sin β ) 2 + ( N - X C 2 + Y C 2 cos β ) 2 , v1=Mω，v2=Nω，其中，M=‑Xo(i‑1)sinθ‑Yo(i‑1)cosθ，N=Xo(i‑1)cosθ‑Yo(i‑1)sinθ.所述θ与时间t的关系是ω的积分。