一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運(yùn)動控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于焊接自動化領(lǐng)域，特別設(shè)及一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運(yùn) 動控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接?，F(xiàn)于航天航空、船舶制造、石油化工等領(lǐng)域的設(shè)備 制造過程。為獲得良好的焊接質(zhì)量，往往要求滿足W下若干目標(biāo)：其一，焊接速度可在焊前 預(yù)設(shè)，且在焊接過程中保持恒定；其二，在焊接過程中待焊點(diǎn)與焊炬末端點(diǎn)的距離保持恒 定，且在焊前可預(yù)設(shè)，在電弧焊中表現(xiàn)為弧長恒定，在激光焊中表現(xiàn)為離焦量恒定，在攬拌 摩擦焊中表現(xiàn)為攬拌頭插入深度恒定；其=，在焊接過程中焊炬軸線與待焊點(diǎn)法向可保持 恒定的預(yù)設(shè)傾角，如在電弧焊中常需保持焊炬軸線垂直于工件表面，在攬拌摩擦焊中常需 保持軸肩和工件表面成一定角度W施加一定的頂鍛壓力；其四，考慮到設(shè)備自重導(dǎo)致的精 確連續(xù)驅(qū)動問題，往往不允許工件在焊接過程中運(yùn)動，只能允許焊炬沿待焊軌跡運(yùn)動。目 前，空間曲線軌跡焊接大多采用人工焊接方式，難W保證焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。
[0003] 中國專利《一種沿立面內(nèi)任意曲線軌跡焊接的機(jī)器人控制方法》（專利號： 201210488690. 0)提出了用于平面二維曲線焊接的一種=軸聯(lián)動裝置和控制方法，待焊軌 跡使用軌跡上的若干離散點(diǎn)表征，在焊接過程中對軌跡上的離散點(diǎn)進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，使得焊 接過程中滿足焊接速度恒定、焊炬末端與工件表面距離不變、始終保持平焊位置等若干目 標(biāo)。但該方法僅適用于平面二維曲線軌跡焊接，且無法適用于要求焊炬存在一定前傾角或 后傾角的場合，如攬拌摩擦焊過程要求軸肩與工件表面成一定夾角W給焊縫提供一定的頂 鍛壓力；另外，在該方法中工件需要實(shí)時變速旋轉(zhuǎn)，在大型構(gòu)件焊接場合對設(shè)備的精確連續(xù) 驅(qū)動要求極高。
[0004] 綜上，目前尚未有滿足焊接速度、待焊點(diǎn)與焊炬末端點(diǎn)距離、焊炬傾角等參數(shù)均可 焊前預(yù)設(shè)且焊接過程中保持恒定的、用于大型構(gòu)件任意空間曲線軌跡焊接的運(yùn)動控制方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)的不足之處，提出一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡 焊接的運(yùn)動控制方法，該方法旨在解決目前技術(shù)存在的無法滿足焊接速度、弧長/離焦量 /攬拌頭插入深度、焊炬傾角等均可預(yù)設(shè)且焊接過程保持恒定等問題，W求滿足焊接速度、 待焊點(diǎn)與焊炬末端點(diǎn)距離、焊炬傾角等參數(shù)均可焊前預(yù)設(shè)且焊接過程中保持恒定等技術(shù)要 求，并在焊接過程中根據(jù)焊接姿態(tài)實(shí)時調(diào)整焊接能量輸入?yún)?shù)，并在焊接過程中根據(jù)焊炬、 待焊工件和世界坐標(biāo)系的相對位姿關(guān)系實(shí)時調(diào)整焊接能量輸入?yún)?shù)，保持焊接過程的穩(wěn)定 性和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運(yùn)動控制方法，其特征在于，該方法采用 的裝置包括底座、運(yùn)動控制器、焊接能量源、焊炬、=維平移機(jī)構(gòu)和雙自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；所述 底座與所述=維平移機(jī)構(gòu)機(jī)械連接，所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在所述=維平移機(jī)構(gòu)的運(yùn) 動輸出端，焊炬安裝在所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動輸出端；或所述底座與所述雙自由度 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)機(jī)械連接，所述=維平移機(jī)構(gòu)安裝在所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動輸出端，焊炬 安裝在所述=維平移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動輸出端；所述運(yùn)動控制器分別與所述=維平移機(jī)構(gòu)和所述 雙自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)線連接，或通過無線傳輸方式通訊；所述焊炬與所述焊接能量源 通過導(dǎo)線連接，或通過光路連接；所述=維平移機(jī)構(gòu)包括第一一維平移機(jī)構(gòu)、第二一維平移 機(jī)構(gòu)和第=一維平移機(jī)構(gòu)；所述第一一維平移機(jī)構(gòu)、所述第二一維平移機(jī)構(gòu)和所述第=一 維平移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方向相互正交；所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括第一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和第二旋轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)；所述第一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和所述第二旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸相互正交；待焊工件安裝在底座上；
[0008] 所述方法包括W下步驟：
[0009] 1)建立與所述待焊工件固結(jié)的世界坐標(biāo)系{W};建立與所述焊炬固結(jié)的焊炬坐標(biāo) 系巧}，所述焊炬坐標(biāo)系{巧的原點(diǎn)Op與所述焊炬末端點(diǎn)重合，Z P軸與所述焊炬軸線重合； 初始時刻所述焊炬坐標(biāo)系巧}的Zp軸方向與世界坐標(biāo)系{W}的zja方向相互平行；
[0010] 2)在待焊軌跡上自起點(diǎn)至終點(diǎn)測量N個離散空間點(diǎn)的S維坐標(biāo)W及各點(diǎn)處的單 位法向量，其中N為大于或等于2的正整數(shù)，記第i個離散空間點(diǎn)在所述世界坐標(biāo)系{W}中 的立維坐標(biāo)為Xi，第i個離散空間點(diǎn)處的單位法向量在所述世界坐標(biāo)系{W}中的=維坐標(biāo) 為nii，其中i是小于或等于N的正整數(shù)，Xi和m 1均為S維列向量；
[0011] 3)設(shè)焊炬軸線與待焊軌跡的交點(diǎn)為待焊點(diǎn)；在焊接前，預(yù)先設(shè)定焊接速度C、焊炬 末端點(diǎn)與待焊點(diǎn)之間的有向距離h W及焊炬傾角a，其中C為任意不等于零的實(shí)數(shù)，h、a 為任意實(shí)數(shù)；
[0012] 4)對所述離散空間點(diǎn)在所述世界坐標(biāo)系{W}中的=維坐標(biāo)Xi和所述離散空間點(diǎn) 處的單位法向量在所述世界坐標(biāo)系{W}中的=維坐標(biāo)nil進(jìn)行曲線插補(bǔ)，包括W下步驟：
[001引 a)對X進(jìn)行B樣條曲線插補(bǔ)，使得插補(bǔ)的樣條曲線X>)滿足X>i) =Xi，其中 U為樣條曲線X>)的自變量，且：
[0014]
[001引 b)計(jì)算所述樣條曲線X"(u)的一階導(dǎo)數(shù)s"(u):
[0016]
[0017] C)計(jì)算：
[0018]
[001引對'"，進(jìn)行B樣條曲線插補(bǔ)，使得插補(bǔ)的樣條曲線r>)滿足r>i)
[0020] d)計(jì)算法向量插補(bǔ)函數(shù)n? = s>) Xr? ;
[0021] 5)采用焊接能量源提供焊接時的能量輸入，并使所述運(yùn)動控制器發(fā)出控制信號， 驅(qū)動所述=維平移機(jī)構(gòu)和所述雙自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)聯(lián)合運(yùn)動；設(shè)當(dāng)所述第一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn) 角為0，且所述第二旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角為丫，且所述=維平移機(jī)構(gòu)的位移量為G時，所述焊 炬坐標(biāo)系{巧和所述世界坐標(biāo)系{W}的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣和平移轉(zhuǎn)換矩陣分別為R(0，丫）和 T(0，丫，G)，其中0和丫為任意實(shí)數(shù)，X為任意S維列向量；
[0022] 設(shè)t為任意非負(fù)實(shí)數(shù)；
[0023] 在t時刻，運(yùn)動控制器驅(qū)動所述第一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和所述第二旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使所述 第一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角0 (t)和所述第二旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角丫（t)滿足：
[0024] R (白（t)，丫（t)) ? 63= 1 W (t)
[002引式中，曰3為所述世界坐標(biāo)系{W}的Z滿的單位方向向量，1 "(t)由下式確定：
[0029] 式中，C為積分變量；
[0030] 在t時刻，運(yùn)動控制器驅(qū)動所述第一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和所述第二旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使所述 第一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的瞬時角速度^和所述第二旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的瞬時角速度^滿足：
[0034] 在t時刻，運(yùn)動控制器驅(qū)動所述=維平移機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使所述=維平移機(jī)構(gòu)的位移 量G(t)滿足：
[00；35] T ( 0 (t)，丫（t)，G (t)) =X"(U(t))+h? （t)
[0036] 在t時刻，運(yùn)動控制器驅(qū)動所述=維平移機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使所述=維平移機(jī)構(gòu)的瞬時 速度^滿足：dt
[0037]
[0038] 根據(jù)所述焊炬、待焊工件和世界坐標(biāo)系{W}的相對位姿關(guān)系，實(shí)時調(diào)整所述焊接 能量源的能量輸入?yún)?shù)；
[0039] -種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運(yùn)動控制方法，其特征在于：所述焊接能 量源為電弧焊焊接電源、激光焊熱源或攬拌摩擦焊運(yùn)動驅(qū)動器；
[0040] -種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運(yùn)動控制方法，其特征在于：該方法采用 的裝置還包括送絲機(jī)構(gòu)和送絲機(jī)構(gòu)控制器；所述送絲機(jī)構(gòu)控制器與所述送絲機(jī)構(gòu)相連；所 述送絲機(jī)構(gòu)末端與所述焊炬相連；使送絲機(jī)構(gòu)控制器發(fā)出控制信號，控制送絲機(jī)構(gòu)在焊接 過程進(jìn)行送絲；
[0041] 一種用于大型構(gòu)件空間曲線軌跡焊接的運(yùn)動控制方法，其特征在于：所述運(yùn)動控 制器為電機(jī)控制器或液壓控制器。
[0042] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明可W在焊接過程中實(shí)現(xiàn)W下目標(biāo)：焊接速度、焊炬傾角、 焊炬末端點(diǎn)與待焊點(diǎn)距離均可預(yù)先設(shè)定，且在焊接過程中保持恒定；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本 低，適于大型構(gòu)件任意空間曲線軌跡焊縫電弧焊、激光焊、攬拌摩擦焊等