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

摘要

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，属于焊接自动化领域。该发明使用焊炬倾角调节机构预先调整焊炬倾角，并在焊接过程中使用二维平移机构调整焊炬位置，使用工件旋转机构调整工件姿态，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，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(1)、运动控制器(2)、焊接能量源(3)、焊炬(4)、二维平移机构(5)、焊炬倾角调节机构(6)和工件旋转机构(7)；所述底座(1)分别与所述二维平移机构(5)和工件旋转机构(7)机械连接；所述运动控制器(2)分别与所述二维平移机构(5)和工件旋转机构(7)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；所述焊炬倾角调节机构(6)安装在所述二维平移机构(5)的运动输出端；所述焊炬倾角调节机构(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；所述工件旋转机构(7)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(8)安装在所述工件旋转机构(7)的运动输出端；待焊轨迹(81)与焊炬(4)轴线位于同一平面内；所述方法包括如下步骤：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x_wO_wy_w平面与待焊轨迹所在平面重合，x_w轴方向和y_w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，z_w轴与所述工件旋转机构的旋转轴重合；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O_p和z_p轴分别与所述世界坐标系{W}的原点O_w和z_w轴重合，x_pO_py_p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x₀≤x≤x_n，x₀和x_n为任意实数；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；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y_w轴方向成α角；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；设t为任意非负实数；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θ(t)满足：$\theta \left(t\right)=-\arctan \frac{df\left(x\right)}{dx}{|}_{x=X_p\left(t\right)}$式中，X_p(t)由下式确定：${\int }_{x_0}^{X_p\left(t\right)}\sqrt{1+{\left[\frac{df\left(\xi \right)}{d\xi }\right]}^2}d\xi =C·t$式中，ξ为积分变量；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：$\frac{d\theta \left(t\right)}{dt}=-\frac{C·\frac{d^{2}f\left(x\right)}{{\mathrm{dx}}^2}{|}_{x=X_p\left(t\right)}}{{\{1+{\left[\frac{df\left(x\right)}{dx}{|}_{x=X_p\left(t\right)}\right]}^2\}}^{\frac{3}{2}}}$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：$\left\{\begin{array}{c}X\left(t\right)=X_p\left(t\right)cos\left[\theta \left(t\right)\right]-Y_p\left(t\right)sin\left[\theta \left(t\right)\right]+hsin\alpha \\ Y\left(t\right)=X_p\left(t\right)sin\left[\theta \left(t\right)\right]+Y_p\left(t\right)\cos \left[\theta \left(t\right)\right]+h\cos \alpha \end{array}\right.$式中，Y_p(t)＝f(X_p(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瞬时速度和所述第二一维平移机构的瞬时速度满足：$\left\{\begin{array}{c}\frac{dX\left(t\right)}{dt}=C-[Y\left(t\right)-hcos\alpha ]\frac{d\theta \left(t\right)}{dt}\\ \frac{dY\left(t\right)}{dt}=[X\left(t\right)-hsin\alpha ]\frac{d\theta \left(t\right)}{dt}\end{array}\right..$