一种用于空间曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法技术

一种用于空间曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法，属于焊接自动化领域。该发明专利技术在焊接过程中使用三维平移机构调整焊炬位置，使用双自由度旋转机构调整工件姿态，在任意空间曲线轨迹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在焊接过程中保持恒定等要求，焊接过程中熔池或搅拌区与世界坐标系保持相对稳定姿态，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，适于任意空间曲线轨迹焊缝电弧焊、激光焊、搅拌摩擦焊等多种焊接场合。

【技术实现步骤摘要】
一种用于空间曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法
本专利技术属于焊接自动化领域，特别涉及一种用于空间曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法。
技术介绍
空间曲线轨迹焊接常现于航天航空、船舶制造、石油化工等领域的设备制造过程。为获得良好的焊接质量，往往需要满足以下若干目标：其一，焊接速度可在焊前预设，且在焊接过程中保持恒定；其二，在焊接过程中待焊点与焊炬末端点的距离保持恒定，且在焊前可预设，在电弧焊中表现为弧长恒定，在激光焊中表现为激光离焦量恒定，在搅拌摩擦焊中表现为搅拌头插入深度恒定；其三，在焊接过程中焊接姿态保持恒定，焊炬轴线与待焊点法向可保持恒定的预设倾角，且熔池或搅拌区与世界坐标系保持相对稳定姿态，如在电弧焊中常需保持平焊位置，在搅拌摩擦焊中常需保持轴肩和工件表面成一定角度以施加一定的顶锻压力。目前，空间曲线轨迹焊接大多采用人工焊接方式，难以保证焊缝质量的稳定性和一致性。中国专利《一种沿立面内任意曲线轨迹焊接的机器人控制方法》(专利号：201210488690.0)提出了一种用于平面二维曲线焊接的三轴联动装置和控制方法，待焊轨迹使用轨迹上的若干离散点表征，在焊接过程中对轨迹上的离散点进行圆弧插补，使得焊接过程中满足焊接速度恒定、焊炬末端与工件表面距离不变、始终保持平焊位置等若干目标。但该方法仅适用于平面二维曲线轨迹焊接，且无法适用于要求焊炬存在一定前倾角或后倾角的场合，如搅拌摩擦焊过程要求轴肩与工件表面成一定夹角以给焊缝提供一定的顶锻压力。综上，目前尚未有满足焊接速度、待焊点与焊炬点末端距离、焊接姿态等参数均可焊前预设且焊接过程中保持恒定的、用于任意空间曲线轨迹焊接的运动规划方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已有技术的不足之处，提出一种用于空间曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法，该专利技术旨在解决目前技术存在的无法满足焊接速度、弧长/离焦量/搅拌头插入深度、焊炬倾角等均可预设且焊接过程保持恒定等空间曲线轨迹焊接问题，以求实现焊接速度、待焊点与焊炬点末端距离、焊接姿态等参数均可焊前预设且焊接过程中保持恒定等技术要求，保持空间曲线轨迹焊接过程的稳定性和产品质量的一致性。本专利技术的技术方案如下：一种用于空间曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法，其特征在于，该方法采用的装置包括底座、运动控制器、焊接能量源、焊炬、三维平移机构和双自由度旋转机构；所述底座分别与所述三维平移机构和所述双自由度旋转机构机械连接；所述运动控制器分别与所述三维平移机构和所述双自由度旋转机构通过导线连接，或通过无线传输方式通讯；所述焊炬与所述焊接能量源通过导线连接，或通过光路连接；所述三维平移机构包括第一一维平移机构、第二一维平移机构和第三一维平移机构；所述第一一维平移机构、所述第二一维平移机构和所述第三一维平移机构的运动方向相互正交；所述双自由度旋转机构包括第一旋转机构和第二旋转机构；所述第一旋转机构和所述第二旋转机构的旋转轴相互正交；所述焊炬安装在所述三维平移机构的运动输出端；待焊工件安装在所述双自由度旋转机构的运动输出端；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xw轴方向与所述第一一维平移机构的运动方向相互平行，yw轴方向与所述第二一维平移机构的运动方向相互平行，zw轴方向与所述第三一维平移机构的运动方向相互平行；建立与所述待焊工件固结的工件坐标系{P}；2)在待焊轨迹上自起点至终点测量N个离散空间点的三维坐标以及各点处的单位法向量，其中N是大于或等于2的正整数，记第i个离散空间点在所述工件坐标系{P}中的三维坐标为Xi，第i个离散空间点处的单位法向量在所述工件坐标系{P}中的三维坐标为mi，其中i是小于或等于N的正整数，Xi和mi均为三维列向量；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)对所述离散空间点在所述工件坐标系{P}中的三维坐标Xi和所述离散空间点处的单位法向量在所述工件坐标系{P}中的三维坐标mi进行曲线插补，包括以下步骤：a)对Xi进行B样条曲线插补，使得插补的样条曲线Xp(u)满足Xp(ui)＝Xi，其中u为样条曲线Xp(u)的自变量，且：b)计算所述样条曲线Xp(u)的一阶导数sp(u)：c)计算垂直于mi和sp(ui)的单位向量rp,i：对rp,i进行B样条曲线插补，使得插补的样条曲线rp(u)满足rp(ui)＝rp,i；d)计算法向量插补函数np(u)＝sp(u)×rp(u)；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，驱动所述三维平移机构和所述双自由度旋转机构联合运动；设当所述第一旋转机构的旋转角为θ且所述第二旋转机构的旋转角为γ时，所述工件坐标系{P}和所述世界坐标系{W}的旋转转换矩阵和平移转换矩阵分别为R(θ,γ)和T(θ,γ)，其中θ和γ为任意实数；设t为任意非负实数；在t时刻，运动控制器驱动所述第一旋转机构和所述第二旋转机构运动，使所述第一旋转机构的旋转角θ(t)和所述第二旋转机构的旋转角γ(t)满足：R(θ(t),γ(t))·lp(t)＝e3式中，e3为所述世界坐标系{W}的zw轴的单位方向向量，lp(t)由下式确定：式中，u(t)由下式确定：式中，ξ为积分变量；在t时刻，运动控制器驱动所述第一旋转机构和所述第二旋转机构运动，使所述第一旋转机构的瞬时角速度和所述第二旋转机构的瞬时角速度满足：式中，...

【技术保护点】
一种用于空间曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法，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)、三维平移机构(5)和双自由度旋转机构(6)；所述底座(1)分别与所述三维平移机构(5)和所述双自由度旋转机构(6)机械连接；所述运动控制器(2)分别与所述三维平移机构(5)和所述双自由度旋转机构(6)通过导线连接，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；所述三维平移机构(5)包括第一一维平移机构(51)、第二一维平移机构(52)和第三一维平移机构(53)；所述第一一维平移机构(51)、所述第二一维平移机构(52)和所述第三一维平移机构(53)的运动方向相互正交；所述双自由度旋转机构(6)包括第一旋转机构(61)和第二旋转机构(62)；所述第一旋转机构(61)和所述第二旋转机构(62)的旋转轴相互正交；所述焊炬(4)安装在所述三维平移机构(5)的运动输出端；待焊工件(7)安装在所述双自由度旋转机构(6)的运动输出端；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xw轴方向与所述第一一维平移机构的运动方向相互平行，yw轴方向与所述第二一维平移机构的运动方向相互平行，zw轴方向与所述第三一维平移机构的运动方向相互平行；建立与所述待焊工件固结的工件坐标系{P}；2)在待焊轨迹上自起点至终点测量N个离散空间点的三维坐标以及各点处的单位法向量，其中N是大于或等于2的正整数，记第i个离散空间点在所述工件坐标系{P}中的三维坐标为Xi，第i个离散空间点处的单位法向量在所述工件坐标系{P}中的三维坐标为mi，其中i是小于或等于N的正整数，Xi和mi均为三维列向量；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)对所述离散空间点在所述工件坐标系{P}中的三维坐标Xi和所述离散空间点处的单位法向量在所述工件坐标系{P}中的三维坐标mi进行曲线插补，包括以下步骤：a)对Xi进行B样条曲线插补，使得插补的样条曲线Xp(u)满足Xp(ui)＝Xi，其中u为样条曲线Xp(u)的自变量，且：ui=0,i=1Σk=1i-1||Xk+1-Xk||Σk=1N-1||Xk+1-Xk||,2≤i≤N]]>b)计算所述样条曲线Xp(u)的一阶导数sp(u)：sp(u)=dXp(u)du]]>c)计算：rp,i=mi-[sp(ui)]Tmi[sp(ui)]Tsp(ui)sp(ui)||mi-[sp(ui)]Tmi[sp(ui)]Tsp(ui)sp(ui)||×sp(ui)||sp(ui)||]]>对rp,i进行B样条曲线插补，使得插补的样条曲线rp(u)满足rp(ui)＝rp,i；d)计算法向量插补函数np(u)＝sp(u)×rp(u)；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，驱动所述三维平移机构和所述双自由度旋转机构联合运动；设当所述第一旋转机构的旋转角为θ且所述第二旋转机构的旋转角为γ时，所述工件坐标系{P}和所述世界坐标系{W}的旋转转换矩阵和平移转换矩阵分别为R(θ,γ)和T(θ,γ)，其中θ和γ为任意实数；设t为任意非负实数；在t时刻，运动控制器驱动所述第一旋转机构和所述第二旋转机构运动，使所述第一旋转机构的旋转角θ(t)和所述第二旋转机构的旋转角γ(t)满足：R(θ(t),γ(t))·lp(t)＝e3式中，e3为所述世界坐标系{W}的zw轴的单位方向向量，lp(t)由下式确定：lp(t)=-sp(u(t))||sp(u(t))||sinα+np(u(t))||np(u(t))||cosα]]>式中，u(t)由下式确定：∫0u(t)||sp(ξ)||dξ=C·t]]>式中，ξ为积分变量；在t时刻，运动控制器驱动所述第一旋转机构和所述第二旋转机构运动，使所述第一旋转机构的瞬时角速度和所述第二旋转机构的瞬时角速度满足：[∂R(θ,γ)∂θ|θ=θ(t),γ=γ(t)·lp(t)∂R(θ,γ)∂γ|θ=θ(t),γ=γ(t)·lp(t)&r...

【技术特征摘要】
1.一种用于空间曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法，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)、三维平移机构(5)和双自由度旋转机构(6)；所述底座(1)分别与所述三维平移机构(5)和所述双自由度旋转机构(6)机械连接；所述运动控制器(2)分别与所述三维平移机构(5)和所述双自由度旋转机构(6)通过导线连接，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；所述三维平移机构(5)包括第一一维平移机构(51)、第二一维平移机构(52)和第三一维平移机构(53)；所述第一一维平移机构(51)、所述第二一维平移机构(52)和所述第三一维平移机构(53)的运动方向相互正交；所述双自由度旋转机构(6)包括第一旋转机构(61)和第二旋转机构(62)；所述第一旋转机构(61)和所述第二旋转机构(62)的旋转轴相互正交；所述焊炬(4)安装在所述三维平移机构(5)的运动输出端；待焊工件(7)安装在所述双自由度旋转机构(6)的运动输出端；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xw轴方向与所述第一一维平移机构的运动方向相互平行，yw轴方向与所述第二一维平移机构的运动方向相互平行，zw轴方向与所述第三一维平移机构的运动方向相互平行；建立与所述待焊工件固结的工件坐标系{P}；2)在待焊轨迹上自起点至终点测量N个离散空间点的三维坐标以及各点处的单位法向量，其中N是大于或等于2的正整数，记第i个离散空间点在所述工件坐标系{P}中的三维坐标为Xi，第i个离散空间点处的单位法向量在所述工件坐标系{P}中的三维坐标为mi，其中i是小于或等于N的正整数，Xi和mi均为三维列向量；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)对所述离散空间点在所述工件坐标系{P}中的三维坐标Xi和所述离散空间点处的单位法向量在所述工件坐标系{P}中的三维坐标mi进行曲线插补，包括以下步骤：a)对Xi进行B样条曲线插补，使得插补的样条曲线Xp(u)满足Xp(ui)＝Xi，其中u为样条曲线Xp(u)的自变量，且：b)计算所述样条曲线Xp(u)的一阶导数sp(u)：c)计算垂直于mi和sp(ui)的单位向量rp,i：对rp,i进行B样条曲线插补，使得插补的样条曲线rp(u)满足rp(ui)＝rp,i；d)计算法向量插补函数np(u)＝sp(u)×rp(u)；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，驱动所述三维平移机构和所述双自由度旋转机构联合运动；设当所述第一旋转机构的旋转角为θ且所述第二旋转机构的旋转角为γ时，所述工件坐标系{P}和所述世界坐标系{W}的旋转转换矩阵和平移转换矩阵分别为R(θ,γ)和T(θ,γ)，其中θ和γ为任意实数；设t为任意非负实数；在t时刻，运动控制器驱动所述第一旋转机构和所述第二旋转机构运动，使所述第一旋转机构的旋转角θ(t)和所述第二旋转机构的旋转角γ(t)满足：R(θ(t),γ(t))·lp(t)＝e3式中，e3为所述世界坐标系{W}的zw轴的单位方向向量，lp(t)由下式确定：

【专利技术属性】
技术研发人员：都东，曾锦乐，常保华，王力，王国庆，潘际銮，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11