一种用于平面曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接自动化领域，特别涉及一种用于平面曲线轨迹稳定位姿恒速焊接 的运动规划方法。
【背景技术】
[0002] 平面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，往往要求满足以下若干目标：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，平面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。
[0003] 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一种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。但该技术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施加一定的顶锻压力；采用离散点圆弧插补方法 拟合的轨迹难免与真实轨迹存在一定的系统偏差。
[0004] 综上，目前尚未有满足焊接速度、待焊点与焊炬末端点距离、焊接姿态等参数均可 焊前预设且焊接过程中保持恒定的、用于任意平面曲线轨迹焊接的运动规划方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提出一种用于平面曲线轨迹稳定位姿 恒速焊接的运动规划方法，该发明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问题，以求实现焊接 速度、待焊点与焊炬末端点距离、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，保持焊接过程的稳定性和产品质量的一致性。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种用于平面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、二维平移机构、焊炬倾角调节机构和 工件旋转机构；所述底座分别与所述二维平移机构和工件旋转机构机械连接；所述运动控 制器分别与所述二维平移机构和工件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；所述二维平移机构包括第 维平移机构和第二一维平移机构；所述第 维平移机构和所述第二一维平移机构的 运动方向相互正交；所述焊炬倾角调节机构安装在所述二维平移机构的运动输出端；所述 焊炬倾角调节机构的旋转轴方向分别与所述第一一维平移机构和所述第二一维平移机构 的运动方向相互正交；所述工件旋转机构的旋转轴方向分别与所述第-维平移机构和所 述第二一维平移机构的运动方向相互正交；待焊工件安装在所述工件旋转机构的运动输出 端；待焊轨迹与焊炬轴线位于同一平面内；
[0008] 所述方法包括如下步骤：
[0009] 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xw0 wyw平面与待 焊轨迹所在平面重合，Xw轴方向和7"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，2"轴与所述工件旋转机构重合；建立与待焊工件固结的工件坐标系 {P}，所述工件坐标系{P}的原点OjPzp轴分别与所述世界坐标系{W}的原点Ol^Pz w轴重 合，xp〇pyp平面与待焊轨迹所在平面重合；初始时刻所述工件坐标系{P}与所述世界坐标系 {W}重合；设待焊轨迹在所述工件坐标系{P}中的方程为y = f (X)，其中X。彡X彡χη，χ。和 Xn为任意实数；
[0010] 2)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；
[0011] 3)采用焊炬倾角调节机构调节焊炬倾角，使焊炬轴线方向与所述世界坐标系{W} 的7"轴方向成α角；
[0012] 4)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工件旋转机构联合运动；
[0013] 设t为任意非负实数；
[0014] 在t时刻，运动控制器驱动所述工件旋转机构运动，使所述工件旋转机构的旋转 角Θ⑴满足：
[0016] 式中，Xp(t)由下式确定：
[0018] 式中，ξ为积分变量；
[0019] 在t时刻，运动控制器驱动所述工件旋转机构运动，使所述工件旋转机构的瞬时 角速度
满足： CN 105149734 A 说明书 3/10 页
[0021] 在t时刻，设所述焊炬末端点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(t)，所述焊炬末端点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 (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(t)和所述第二一维平 移机构的位移量Y (t)满足：
[0023] 式中，
[0024] Yp (t) = f(Xp(t))
[0025] 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：
y
[0027] -种用于平面曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法，其特征在于：所述焊 接能量源为电弧焊焊接电源、激光焊热源或搅拌摩擦焊运动驱动器；
[0028] -种用于平面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 采用的装置还包括送丝机构和送丝机构控制器；所述送丝机构控制器与所述送丝机构相 连；所述送丝机构末端与所述焊炬相连；使送丝机构控制器发出控制信号，控制送丝机构 在焊接过程进行送丝；
[0029] -种用于平面曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法，其特征在于：所述运 动控制器为电机控制器或液压控制器。
[0030] 与已有技术相比，本发明可以在焊接过程中实现以下目标：焊接速度、焊炬倾角、 焊炬末端点与待焊点距离均可预先设定，且在焊接过程中保持恒定；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；系统结构简单，成本低，适于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。
【附图说明】
[0031] 图1为本发明提出的一种用于平面曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划方法 实施例所采用装置的轴测图。
[0032] 图2为图1所示装置的正视图。
[0033] 图3为图1所示装置的侧视图。
[0034] 图4为图1所示装置的俯视图。
[0035] 图5为采用图1所示装置的一种用于平面曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划 方法实施例的坐标系建立情况、各参量几何关系的原理示意图。
[0036] 图6为采用图1所示装置的一种用于平面曲线轨迹稳定位姿恒速焊接的运动规划 方法实施例的流程图。
[0037] 图7为本发明实施例中工件旋转机构的旋转角随时间的变化规律。
[0038] 图8为本发明实施例中工件旋转机构的瞬时角速度随时间的变化规律。
[0039] 图9为本发明实施例中第 维平移机构的位移量和第二一维平移机构的位移 量随时间的变化规律。
[0040] 图10为本发明实施例中第一一维平移机构的瞬时速度和第二一维平移机构的瞬 时速度随时间的变化规律。
[0041] 在图1至图10中：
[0042] 1 一底座；2-运动控制器；3-焊接能量源；4 一焊炬；5-二维平移机构；51-第 一一维平移机构；52-第二一维平移机构；6-焊炬倾角调节机构；7-工件旋转机构；8- 待焊工件；81-待焊轨迹；
[0043] {W}一世界坐标系；0W，xw，yw，z w-世界坐标系{W}的原点、横轴、纵轴和竖轴；
[0044] {P} -工件坐标系；0P，xp，yp，zp-工件坐标系{P}的原点、横轴、纵轴和竖轴；
[0045]