圆管相贯线的焊接方法、焊接设备和存储介质与流程

1.本技术实施例涉及焊接技术领域，特别涉及一种圆管相贯线的焊接方法、焊接设备和存储介质。


背景技术：

2.在机械加工中，圆管相贯线的焊接非常普遍。目前常采用人工焊接和机器人焊接两种方式。对于人工焊接方式，其不仅焊接效率低，而且焊接质量完全依赖焊工的个人技术，从而难以保证焊接质量的稳定性。对于机器人焊接方式，一方面大多需要多点人工示教，示教过程长，对操作工人技术要求高，无法适应多种复杂的应用场景；另一方面在焊接时需要人工输入较多的位置参数，但实际生产时圆管各零件在装配时实际位置与理论值会产生一定误差，且在焊接过程中焊缝会因受热而产生变形，从而导致人工输入的参数与实际参数相差太大，焊接质量难以保证。


技术实现要素：

3.本技术实施例的目的在于提供一种圆管相贯线的焊接方法、焊接设备和存储介质，实现圆管相贯线的自动化焊接，无需人工示教焊接点位。
4.为解决上述技术问题，本技术的实施例提供了一种圆管相贯线的焊接方法，包括：标定待焊工件的相贯线坐标系和焊接设备的用户坐标系之间的位姿关系，获取位姿参数；根据所述位姿参数确定所述待焊工件的相贯线在所述用户坐标系下的参数方程；获取所述焊接设备的相贯线焊接姿态；根据所述相贯线在所述用户坐标系下的参数方程和所述相贯线焊接姿态确定焊接设备的运动轨迹，以供所述焊接设备根据所述运动轨迹自动焊接所述待焊工件的相贯线。
5.为解决上述技术问题，本技术的实施例还提供了一种焊接设备，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行如上述实施例提及的圆管相贯线的焊接方法；焊枪，用于根据所述处理器获取的运动轨迹自动焊接待焊工件的相贯线。
6.为解决上述技术问题，本技术的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例提及的圆管相贯线的焊接方法。
7.本技术实施例提供的圆管相贯线的焊接方法，通过标定待焊工件的相贯线坐标系和焊接设备的用户坐标系之间的位姿关系，获取位姿参数，然后基于位姿参数获取相贯线在用户坐标系下的参数方程，获取焊接设备的相贯线焊接姿态，最后根据相贯焊接姿态和相贯线在用户坐标系下的参数方程确定焊接设备的运动轨迹，整个过程只需获取位姿参数、参数方程和相贯线焊接姿态这三个参数即可自动计算出焊接设备的运动轨迹，实现自动化焊接，无需事先进行人工示教焊接点位，适用于多种工件和多种焊接场景。
8.另外，本技术实施例提供的圆管相贯线的焊接方法，所述标定待焊工件的相贯线坐标系和焊接设备的用户坐标系之间的位姿关系之前，还包括：通过激光传感器扫描所述待焊工件的轮廓，得到轮廓特征点；根据所述轮廓特征点获取所述待焊工件的的相贯线坐标系。通过激光传感器获取的待焊工件的轮廓特征点，可以准确确定出相贯线坐标系。
9.另外，本技术实施例提供的圆管相贯线的焊接方法，所述标定待焊工件的相贯线坐标系和焊接设备的用户坐标系之间的位姿关系，获取位姿参数，包括：获取所述相贯线坐标系相对于所述用户坐标系的旋转矩阵和平移矩阵；将所述旋转矩阵和所述平移矩阵作为位姿参数。通过位姿参数可以准确描述焊接设备和待焊工件的相贯线之间的位姿关系。
10.另外，本技术实施例提供的圆管相贯线的焊接方法，所述获取所述焊接设备的相贯线焊接姿态，包括：分别获取所述第一圆管的切平面法向量和所述第二圆管的切平面法向量；基于所述第一圆管的切平面法向量和所述第二圆管的切平面法向量，计算所述第一圆管的切平面和所述第二圆管的切平面之间的角平分线向量；获取所述相贯线的方向向量；获取与所述角平分线向量和所述相贯线的方向向量均垂直的单位向量；根据所述角平分线向量、所述相贯线的方向向量、所述单位向量和所述位姿参数获取述相贯线焊接姿态。通过对圆管切平面法向量和相贯线方向向量的计算获取相贯线的焊接姿态。
附图说明
11.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
12.图1是本技术的实施例提供的圆管相贯线的焊接方法的流程图；
13.图2是本技术的实施例提供的待焊工件的结构示意图；
14.图3是本技术的实施例的提供的焊接设备的结构示意图；
15.图4是本技术的实施例提供的焊接设备焊接圆管相贯线的示意图。
具体实施方式
16.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本技术各实施例中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
17.下面对本实施例的圆管相贯线的焊接方法的实现细节进行举例说明。以下内容仅为方便理解而提供的实现细节，并非实施本方案的必须。
18.本技术的实施例涉及一种圆管相贯线的焊接方法，如图1所示，包括：
19.步骤101，标定待焊工件的相贯线坐标系和焊接设备的用户坐标系之间的位姿关系，获取位姿参数。
20.本实施例中，待焊工件的相贯线坐标系需要根据每个待焊工件的特征进行计算，不同待焊工件，其相贯线坐标系不同，而焊接设备的用户坐标系为预先设定的，一般默认为世界坐标系。
21.在一实施例中，步骤101具体包括：获取所述相贯线坐标系相对于所述用户坐标系
的旋转矩阵和平移矩阵；将所述旋转矩阵和所述平移矩阵作为位姿参数。需要说明的是旋转矩阵rot一般为3
×
3的矩阵，具体地，若相贯线坐标系由三个单位矢量xb，yb，zb表示，则矢量xb，yb，zb相对于用户坐标系的方向余弦组成的3
×
3矩阵为相贯线坐标系相对于用户坐标系的旋转矩阵。而平移矩阵则由相贯线坐标系的原点位置在用户坐标系下的坐标值构成。
22.在一实施例中，步骤101之前，还包括：通过激光传感器扫描所述待焊工件的轮廓，得到轮廓特征点；根据所述轮廓特征点获取所述待焊工件的相贯线坐标系。具体地说，所述待焊工件包括第一圆管和第二圆管，所述第一圆管贯穿于所述第二圆管并形成相贯线；所述轮廓特征点包括所述第一圆管的第一轮廓特征点和所述第二圆管的第二轮廓特征点；所述根据所述轮廓特征点获取所述待焊工件的的相贯线坐标系，包括：根据所述第一轮廓特征点和所述第二轮廓特征点确定所述第一圆管的轴线和所述第二圆管的轴线；计算所述第一圆管的轴线和所述第二圆管的轴线之间的公垂线，并将所述公垂线和所述第一圆管的轴线的交点作为所述相贯线坐标系的原点；根据所述相贯线坐标系的原点、所述公垂线、所述第一圆管的轴线确定相贯线坐标系的x轴、y轴和z轴。
23.具体地说，对于每一个圆管来说，轮廓特征点至少包括两个，轮廓特征点指的是位于圆管表面的特征点。此处以待焊工件由两个圆管组成为例进行说明，如图2所示，
③
为两个圆管轴线的夹角α，
④
为两个圆管轴线的偏置距离d，
⑤⑥
为圆管1上的轮廓特征点，
⑦⑧
为圆管2上的轮廓特征点。第一步，通过激光传感器扫描圆管1和圆管2，获取圆管1的第一第一轮廓特征点和圆管2的第二轮廓特征点，此处为了方便绘图将圆管特征点绘于圆管内。第二步，根据得到的轮廓特征点拟合平面椭圆，求出椭圆圆心坐标，并将椭圆圆心坐标转换到用户坐标系下。可以理解的是，激光传感器发出的激光都不一定垂直于圆管，其切平面也可能是椭圆，因此通过轮廓特征点拟合平面椭圆。第三步，通过第一轮廓特征点
⑤⑥
得出两个椭圆的圆心，两个圆心的连线就是圆管1的轴线，通过第二轮廓特征点
⑦⑧
得出两个椭圆的圆心，两个圆心的连线就是圆管2的轴线。第四步，根据圆管1和圆管2的轴线，求出两个轴线的公垂线，其方向为gh，其中公垂线与圆管1的交点为相贯线坐标系frame2的坐标系原点；圆管1的轴线为相贯线坐标系的y轴，公垂线为为相贯线坐标系的x轴，进一步，通过x轴和y轴即可确定z轴。需要说明的是，此处x轴、y轴和z轴仅是其中相贯线坐标系的一种情况，还可以将公垂线作为y轴、圆管1的轴线作为x轴，或将公垂线作为y轴、圆管1的轴线作为z轴等多中情况。
24.步骤102，根据位姿参数确定待焊工件的相贯线在所述用户坐标系下的参数方程。
25.在一实施例中，步骤102具体包括：获取所述待焊工件的尺寸信息；根据所述待焊工件的尺寸信息计算待焊工件的相贯线在相贯线坐标系下的参数方程；基于所述位姿参数，将所述相贯线在相贯线坐标系下的参数方程转换为相贯线在所述用户坐标系下的参数方程。
26.具体地说，以图2的待焊工件为例，圆管1的半径为r，圆管2的半径为r，则相贯线轨迹在相贯线坐标系下的参数表达式如下：
27.x＝rcos(θ)+d
28.[0029][0030]
其中，0《α《180
°
，0≤θ≤2π。进一步地，将位姿参数和相贯线参数方程相乘即可获得相贯线在用户坐标系下的参数方程。
[0031]
步骤103，获取焊接设备的相贯线焊接姿态。
[0032]
在一实施例中，步骤103具体包括：分别获取所述第一圆管的切平面法向量和所述第二圆管的切平面法向量；基于所述第一圆管的切平面法向量和所述第二圆管的切平面法向量，计算所述第一圆管的切平面和所述第二圆管的切平面之间的角平分线向量；获取所述相贯线的方向向量；获取与所述角平分线向量和所述相贯线的方向向量均垂直的单位向量；根据所述角平分线向量、所述相贯线的方向向量、所述单位向量和所述位姿参数获取相贯线焊接姿态。
[0033]
具体地说，圆管1的切平面法向量如下：
[0034][0035]
圆管2的切平面法向量如下：
[0036]
n2＝[cos(θ),-sin(θ)sin(α),cos(α)sin(θ)]
[0037]
以两个圆管切平面的角平分线向量为焊接姿态的z轴方向：
[0038][0039]
以相贯线的方向向量为焊接姿态的x方向：
[0040][0041]
进一步地，根据toolz和toolx按照右手定则确定焊接姿态的y方向tooly，由此可以得出相贯线的焊接位姿在相贯线坐标系下的参数化表示。然后基于位姿参数将相贯线焊接姿态转换到用户坐标系下进表示。
[0042]
步骤104，根据相贯线在用户坐标系下的参数方程和相贯线焊接姿态确定焊接设备的运动轨迹，以供焊接设备根据运动轨迹自动焊接待焊工件的相贯线。
[0043]
具体地说，基于预设的轨迹规划算法，根据所述相贯线在所述用户坐标系下的参数方程和所述相贯线焊接姿态确定焊接设备的运动轨迹。本实施例中，轨迹规划算法可以是最优路径算法或其他焊接轨迹规划算法。另外，还可以通过其他仿真软件进行轨迹规划。此处在此不做赘述。
[0044]
另外，本实施例仅以待焊工件包括两个圆管为例进行说明，其他类型的待焊工件计算方法与上述过程类似，在此不做赘述。
[0045]
本技术实施例提供的圆管相贯线的焊接方法，通过标定待焊工件的相贯线坐标系和焊接设备的用户坐标系之间的位姿关系，获取位姿参数，然后基于位姿参数获取相贯线在用户坐标系下的参数方程，获取焊接设备的相贯线焊接姿态，最后根据相贯焊接姿态和相贯线在用户坐标系下的参数方程确定焊接设备的运动轨迹，整个过程只需获取位姿参数、参数方程和相贯线焊接姿态这三个参数即可自动计算出焊接设备的运动轨迹，实现自
动化焊接，无需事先进行人工示教焊接点位，适用于多种工件和多种焊接场景。
[0046]
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
[0047]
本技术的实施例涉及一种焊接设备，如图3所示，包括：
[0048]
至少一个处理器301；以及，与至少一个处理器301通信连接的存储器302；其中，存储器302存储有可被至少一个处理器301执行的指令，指令被至少一个处理器301执行，以使至少一个处理器301能够执行如上述实施例提及的圆管相贯线的焊接方法；焊枪303，用于根据所述处理器301获取的运动轨迹自动焊接待焊工件的相贯线。
[0049]
另外，所述焊接设备还包括：激光传感器，用于扫描所述待焊工件的轮廓得到轮廓特征点。需要说明的是，焊接设备具体可以是机器人焊接设备，焊枪和激光传感器通过机械手臂控制。具体如图4所示，为焊接设备焊接圆管相贯线的示意图。
[0050]
此外，还可以由外部的计算机设备执行上述实施例提及的圆管相贯线的焊接方法，获取焊接设备的运动轨迹，将运动轨迹发送至焊接设备，焊接设备仅需获取运动轨迹根据运动轨迹进行自动焊接即可。
[0051]
不难发现，本实施例为与圆管相贯线的焊接方法实施例相对应的设备实施例，本实施例可与上述实施例互相配合实施。上述实施例中提到的相关技术细节在本实施例中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施例中提到的相关技术细节也可应用在上述方法实施例中。
[0052]
该焊接设备包括：一个或多个处理器301以及存储器302，图3中以一个处理器301为例。处理器301、存储器302可以通过总线或者其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。存储器302作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本技术实施例中策略空间内的各处理策略对应的算法就存储于存储器302中。处理器301通过运行存储在存储器302中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述圆管相贯线的焊接方法。
[0053]
存储器302可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储选项列表等。此外，存储器302可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器302可选包括相对于处理器301远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至外接设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0054]
一个或者多个模块存储在存储器302中，当被一个或者多个处理器301执行时，执行上述任意方法实施例中的圆管相贯线的焊接方法。
[0055]
上述产品可执行本技术实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本技术实施例所提供的方法。
[0056]
本技术的实施例涉及一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序。计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例。
[0057]
即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以
通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本技术各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0058]
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本技术的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。