双曲线轨迹定向切线恒速焊接机器人装置

摘要

双曲线轨迹定向切线恒速焊接机器人装置，属于焊接机器人技术领域。该装置包括由X轴平移组件和Y轴平移组件形成的机械臂、Z轴转台、控制器、焊接电源和焊枪等；带有双曲线轨迹焊缝的工件随工件安装台受控转动，焊枪随X轴、Y轴平移组件受控移动。本发明采用独立运动的三自由度机构实现了对工件双曲线轨迹焊缝高质量焊接功能；进行焊接时，焊枪始终处于双曲线轨迹焊缝焊接点处的法线上，焊接方向为双曲线轨迹的切线方向，且该切线始终朝向预先设定某个固定方向上，焊接速度保持恒定，效率高，且制造、维修和使用成本低；由于在焊接中的每一点，焊枪与工件上的焊缝焊点均始终保持一种相对位置和姿态，因此可以达到优化的焊接效果。

主权项

1.一种双曲线轨迹定向切线恒速焊接机器人装置，其特征在于：包括机械臂、Z轴转台（3）、控制器（4）、焊接电源（5）和焊枪（6）；所述机械臂包括依次串联起来的X轴平移组件（1）和Y轴平移组件（2）；待焊工件的焊缝中心线为双曲线轨迹；所述X轴平移组件包括第一基座（11）、X轴电机（12）、X轴传动机构（13）和第一滑块（14）；所述第一基座与底座（8）固接，所述X轴电机与第一基座固接，所述X轴电机的输出轴与X轴传动机构的输入端相连，所述X轴传动机构的输出端与第一滑块相连，所述第一滑块滑动镶嵌在第一基座上；所述Y轴平移组件包括第二基座（21）、Y轴电机（22）、Y轴传动机构（23）和第二滑块（24）；所述第二基座与第一滑块固接；所述Y轴电机与第二基座固接，所述Y轴电机的输出轴与Y轴传动机构的输入端相连，所述Y轴传动机构的输出端与第二滑块相连，所述第二滑块滑动镶嵌在第二基座上；所述Z轴转台包括第三基座（31）、Z轴电机（32）、Z轴传动机构（35）、关节轴（33）和工件安装台（34）；所述第三基座与底座（8）固接；所述Z轴电机与第三基座固接，所述Z轴电机的输出轴与Z轴传动机构的输入端相连，所述Z轴传动机构的输出端与关节轴相连，所述关节轴活动套设在第三基座中，所述工件安装台固定套接在关节轴上；所述焊枪固定安装在第二滑块上；所述控制器通过控制线路分别与X轴电机、Y轴电机和Z轴电机相连，控制X轴电机、Y轴电机和Z轴电机同时转动；所述控制器与焊接电源相连；需要焊接的工件固定安装在工件安装台上；工件上具有双曲线轨迹的焊缝；设所述第一滑块相对于第一基座的滑动方向为直线q；设所述第二滑块相对于第二基座的滑动方向为直线s；设所述关节轴的中心线为直线u；直线q、直线s和直线u三者两两垂直；设直线q与直线s构成平面Q₁，设工件上焊缝中心线的双曲线轨迹所在平面为平面Q₂，平面Q₁与平面Q₂重合；建立世界坐标系{C}，所述世界坐标系{C}的原点为关节轴的中心O_C，世界坐标系{C}的横轴x_C与直线q平行，x_C轴的正方向为离开双曲线轨迹的方向，也是第一滑块相对于第一基座滑动的正方向，世界坐标系{C}的纵轴y_C与直线s平行，y_C轴的正方向为离开双曲线轨迹的方向，也是第二滑块相对于第二基座滑动的正方向，该世界坐标系{C}与第三基座固接；建立双曲线坐标系{A}，所述双曲线坐标系{A}的原点为双曲线轨迹的中心O_A，双曲线坐标系{A}的纵轴y_A与双曲线对称轴重合，双曲线坐标系{A}的横轴x_A过双曲线坐标系{A}的原点与纵轴垂直且和双曲线在同一平面内，所述双曲线坐标系{A}与带双曲线轨迹焊缝的工件固接；点O_C在双曲线坐标系{A}中的坐标值为(d_x,d_y)，(d_x,d_y)为已知常量；设焊接速度为预设值v_w，设工件绕关节轴逆时针转动角速度为ω；抛物线上任意一点坐标(X_A，Y_A)均满足抛物线在抛物线坐标系中的轨迹方程为p>0为一常数；双曲线上任意一点坐标(X_A，Y_A)均满足双曲线在双曲线坐标系中的轨迹方程Y_A<0，其中a>0为一常数，b>0为一常数；设所述双曲线坐标系的x_A轴与x_C轴的夹角为θ，0≤θ≤90；所述焊枪的中心线与y_C轴平行，焊枪的中心线与双曲线轨迹的交点为焊点P；所述焊点P在世界坐标系{C}中的坐标为(X_C,Y_C)；设焊枪的末端点T在世界坐标系{C}中的坐标为(X_TC,Y_TC)；β为焊点P与关节轴中心O_C的连线与x_C轴所夹的锐角；所述焊枪的末端点T与焊点P的距离为预设值L_a；焊枪的末端点T和焊点P沿x_C轴的速度相等，均为v₁，相对世界坐标系{C}而言；焊枪的末端点T和焊点P沿y_C轴的速度相等，均为v₂，相对世界坐标系{C}而言；控制器通过控制工件和焊枪满足下列关系：$X_C=\frac{(a^2-b^2)\sin \theta }{\sqrt{-a^2{\tan }^2\theta +b^2}}-d_x\cos \theta +d_y\sin \theta ,$$Y_C=-\sqrt{-a^2{\tan }^2\theta +b^2}\cos \theta -d_x\sin \theta -d_y\cos \theta ,$X_TC=X_C,Y_TC=Y_C+L_a,$\beta =\arctan \left(\frac{Y_C}{X_C}\right),$$\omega =\frac{v_w}{\sqrt{{(M+\sqrt{X_C^2+Y_C^2}\sin \beta )}^2+{(N-\sqrt{X_C^2+Y_C^2}\cos \beta )}^2}},$v₁=Mω，v₂=Nω，其中，$M=\frac{(a^2-b^2)(b^2+a^2{\tan }^4\theta )\cos \theta }{(-a^2{\tan }^2\theta +b^2)\sqrt{-a^2{\tan }^2\theta +b^2}}+d_x\sin \theta +d_y\cos \theta ,$$N=\frac{(a^2+b^2)\sin \theta }{\sqrt{-a^2{\tan }^2\theta +b^2}}-d_x\cos \theta +d_y\sin \theta ,$所述θ与时间t的关系是ω的积分；在预设了初始时刻的初始角度后，可以基于上述公式通过逐点计算方法计算得到θ与时间t的关系。