机器人在船用t型材摆动弧焊的运动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及船用Τ型材弧焊的技术领域，尤其涉及一种机器人在船用Τ型材摆动 弧焊的运动控制方法。
【背景技术】
[0002] 以下对本发明的相关技术背景进行说明，但这些说明并不一定构成本发明的现有 技术。
[0003] 根据相关资料，焊接工作量占据了船体建造总工程量的30%到40%，焊接成本占 据船体建造总成本的30%到50%，焊接所需要的工时占船体建造总工时的40%。在一些 工业发达国家，比如日本，船舶焊接的自动化平均水平已达70%~80%。目前，我国的船舶 焊接基本还是以工人为主的手动焊接方式，自动化程度只有20%~30%。以大连造船厂为 例，大连造船厂是我国最大的造船厂，生产了包括辽宁号在内的众多军用、民用大型船舶， 在我国船舶行业内非常具有代表性。大连造船厂的焊接工作目前仍然是以人工为主，其中Τ 型材对口焊的工作仍然是以人工焊接为主，这种焊接方式的焊接效率低，容易出工伤事故。
[0004] 船舶自动化焊接领域是机器人应用领域的一大热点，但是活跃在自动化焊接领域 的70%以上的设备厂商都是"四大家族"的设备，核心技术封闭，接口不开放，价格昂贵。而 国内现有的机器人焊接技术很难在船厂得到推广和应用。国外的厂商致力于通用的自动化 焊接设备，如安川焊接机器人，产品已经成熟，并在世界的范围内推广，但是由于船用焊接 的型材的特殊性，并没有在我国的船用焊接设备中得到大面积推广和应用。
[0005] 因此，现有技术中需要一种能够实现自动化焊接的技术方案。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提出一种六轴工业机器人在船用Τ型材摆动弧焊的方法，能够 实现船用Τ型材平焊和船用Τ型材立焊的自动化焊接，焊接效率高、安全性好、适用范围广。
[0007] 根据本发明的六轴工业机器人在船用Τ型材摆动弧焊的方法，包括：
[0008]S1、选取焊缝所在平面建立工具坐标系，基于焊缝起点坐标确定焊枪的起弧位置、 基于焊缝终点坐标确定焊枪的灭弧位置；
[0009]S2、依据所述起弧位置、所述灭弧位置以及预设的焊接模式、摆焊周期参数，确定 焊枪在所述工具坐标系中的第一运动轨迹；
[0010] S3、将第一运动轨迹转化为焊枪在机器人世界坐标系中的第二运动轨迹，确定第 二运动轨迹的任意位置处机器人各关节的关节角度，基于机器人各关节的关节角度对焊缝 控制机器人进行焊接；
[0011] 其中，所述焊接模式包括：摆动停止模式和运动停止模式；摆焊周期参数包括：摆 焊运动总时间Ttotal、波峰驻留时间Ttop、波谷驻留时间Tbc]t、摆焊频率f、摆动幅值A;通信周 期时间Td。
[0012] 优选地，六\代30、171^1〈14为摆动幅值，单位为：111;1^ 1为摆焊运动总时间，单 位为：min;L为焊缝长度，单位为：m山单位为：min，且Td能整除Ttotal。
[0013] 优选地，步骤S1中采用三点法示教焊缝所在平面；其中，以焊缝起点作为第一点 Qi、焊缝终点作为第二点Q2、焊缝所在平面上任意一不在焊缝上的点作为第三点Q3，且向量 与向量满足右手螺旋法则。
[0014] 优选地，步骤S1中所述选取焊缝所在平面建立坐标系包括：
[0015] 以第一点仏作为原点、所述平面的法向量硬作为Z轴、向量g的方向作为Y 轴@、向量0和向量gF的外积@作为1轴建立工具坐标系，以向量§歹、:向量^· 和向量β尤作为工具坐标系的基向量；其中，
[0016]
[0017]
[0018]
[0019]
[0020] 式中，L为焊缝长度，单位为：m;Qlx、Qly、Qlz分别为点Q在X轴、Υ轴和Ζ轴的坐标 值，Q2x、Q2y、Q2z分别为点Q2在X轴、Y轴和Z轴的坐标值，Q3x、Q3y、Q3z分别为点Q3在X轴、Y 轴和Z轴的坐标值。
[0021] 优选地，所述焊接模式为摆动停止模式，机器人总运动点数N=Ttotal/Td，计算机器 人沿焊缝运动步长len=L/N，运动周期时间T=Ι/f;
[0022] 机器人焊接过程中实现正弦摆动，Ttop= 0,Tbc]t= 0 ;机器人第i个运动点Pi的三 维空间坐标为：
[0023]
[0024] 式中，Plx、Ply、Plz分别为点P在X轴、Y轴和Z轴的坐标值。
[0025] 优选地，所述焊接模式为摆动停止模式，机器人总运动点数N=Ttotal/Td，计算机器 人沿焊缝运动步长len=L/N，运动周期时间T=Ι/f;
[0026]机器人焊接过程中实现三角摆动，Ttop= 0,Tbc]t= 0 ;机器人第i个运动点Pi的三 维空间坐标为：
[0028] riy-\i~ijien
[0027]
[0029] Plz= 0
[0030]式中，Ν'i=floor[(l/f)/(4XTd)];N' 2=floor(Ttop/Td) ;N'3=Ν'i;Pix、 Ply、Plz分别为点P1在X轴、Y轴和Z轴的坐标值。
[0031] 优选地，所述焊接模式为摆动停止模式，机器人总运动点数N=Ttotal/Td，计算机器 人沿焊缝运动步长len=L/N，运动周期时间T=Ι/f;
[0032] 机器人焊接过程中实现梯形摆动，Ttop=tpTbc]t= 12;机器人第i个运动点P^勺 三维空间坐标为：
[0033]
[0034]Piy= (i-1)Xlen
[0035] Plz= 0
[0036]式中，N"!=floor[(T-t「t2)/(4XTd)] ;N"2=floor(t/Td);N"3= 2N" 1; N" 4=fl〇〇r(t2/Td);N" 5=N"丄^…卩以分别为点卩在乂轴^轴和冗轴的坐标值；h是预设或手动设置的波峰驻留时间Ttop、t2是预设或手动设置的波谷驻留时间Tbc]t。
[0037] 优选地，所述焊接模式为运动停止模式，机器人总运动点数N=Ttotal/Td，计算机器 人沿焊缝运动步长len=L/N，运动周期时间T=Ι/f;周期数kmciTC=floor(TtotalXf);沿 焊缝运动的点数m=fl〇〇r[k_eX(T-Ttop-Tbcit)/Td];
[0038] 机器人焊接过程中实现三角摆动，Ttop=tpTbc]t= 12;第i个点Pi的三维空间坐 标为：
[0039]
[0040]
[0041] Flz=?
[0042]式中，N"'floor[(T-t「t2)/(4XTd)] ;N"'2=floor(ti/X) ;N"'3= 2N"，1;N"，4=fl〇〇r(t2/Td);N"' 5=N"，，…卩…卩以分别为点卩在父轴^轴 和Z轴的坐标值；Pu1)y为点Puυ在Y轴的坐标值；ti是预设或手动设置的波峰驻留时间 Ttop、t2是预设或手动设置的波谷驻留时间Tbc]t。
[0043] 优选地，步骤S2进一步包括：
[0044] 依据所述起弧位置和所述灭弧位置，确定待机位姿、开始位姿、结束位置；
[0045] 步骤S3之前进一步包括：
[0046] 依据所述待机位姿、所述开始位姿和所述结束位置移动机器人和焊枪；
[0047] 其中，
[0048] 待机位姿即焊枪进入工作状态时焊枪停留的位置和机器人的姿态；待机位姿的在 焊缝上方，待机位姿与开始位姿和结束位置之间的运动轨迹不存在障碍物干涉；
[0049] 开始位姿即焊接过程开始时焊枪停留的位置和机器人的姿态；开始位姿选择位于 焊缝起点上或焊缝起点侧边，开始位姿运动到焊缝点之间的运动轨迹不存在障碍物干涉；
[0050] 结束位置即焊接过程结束时焊枪停留的位置，结束位置位于灭弧位置或者灭弧位 置的侧边，灭弧位置运动和结束位置之间的运动轨迹不存在障碍物干涉，结束位置和待机 位姿之间的运动轨迹不存在障碍物干涉。
[0051] 优选地，焊枪与机器人位于所述平面的同一侧。
[0052] 根据本发明的机器人在船用T型材摆动弧焊的运动控制方法，包括：选取焊缝所 在平面建立工具坐标系，基于焊缝起点坐标确定焊枪的起弧位置、基于焊缝终点坐标确定 焊枪的灭弧位置；依据所述起弧位置、所述灭弧位置以及预设的焊接模式、摆焊周期参数， 确定焊枪在所述工具坐标系中的第一运动轨迹；将第一运动轨迹转化为焊枪在机器人世界 坐标系中的第二运动轨迹，确定第二