[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

摘要

一种用于大型构件平面曲线轨迹焊接的运动控制方法，属于焊接自动化领域。该发明在焊接过程中使用焊炬旋转机构调整焊炬姿态，使用二维平移机构调整焊炬位置，并根据焊炬、待焊工件和世界坐标系的相对位姿关系实时调整焊接能量输入参数，在任意平面曲线轨迹焊缝焊接中实现了焊接速度、焊炬倾角、焊炬末端与待焊点距离均可焊前预设且焊接过程中保持恒定等要求，保证焊接过程的稳定性和产品质量的一致性。系统结构简单，成本低，适于大型构件任意平面曲线轨迹焊缝电弧焊、激光焊、搅拌摩擦焊等多种焊接场合。

主权项

一种用于大型构件平面曲线轨迹焊接的运动控制方法，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；其特征在于，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xwOwyw平面与待焊轨迹所在平面重合，xw轴方向和yw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Op与所述焊炬末端点重合，yp轴与所述焊炬轴线重合，xpOpyp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xp轴方向和yp轴方向分别与所述世界坐标系{W}的xw轴方向和yw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xi和纵坐标yi，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，xi和yi为任意实数；令二维列向量Xi＝[xi,yi]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Xi进行B样条曲线插补，使得插补的样条曲线Xw(u)满足Xw(ui)＝Xi，其中u为样条曲线Xw(u)的自变量，且：ui=0,i=1Σk=1i-1||Xk+1-Xk||Σk=1N-1||Xk+1-Xk||,2≤i≤N;]]>Xw(u)=Σσ=1NDσ·Γσ,q(u),u∈[0,1];]]>式中，σ为任意不大于N的正整数，q为任意正整数，Dσ为样条曲线Xw(u)的控制点坐标，Γσ,q(u)为定义在节点值处的q‑1阶B样条曲线的基函数，其中m为任意不大于N‑1‑q的正整数；Dσ由下式确定：Σσ=1NΓσ,q(ui)·Dσ=Xi;]]>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sw(u)和nw(u)由下式确定：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Xr(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Yr(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Xr(t)和所述第二一维平移机构的位移量Yr(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，rx和ry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)dt+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。