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弧焊机器人焊枪姿态的自动规划_图文

第38卷第9期 2004年9月

上海 交通 大 学 学 报
joURNAL OF SHANGHAI JIAOToNG UNlVERSlTY

文章编号:1006—2467(2004)09—1472—04

V01.38 N。.9 Sep.2004

弧焊机器人焊枪姿态的自动规划

朱灯林, 肖 胜, 侯胡的, 王安麟, 王石刚
(上海交通大学机械与动力工程学院,上海200030)

摘 要:针对弧焊机器人离线编程中的关键问题,研究了在焊接过程中焊枪姿态的自动规划技术,

提出了焊缝和工艺信息的定义与获取、焊枪所在的最佳工作平面、焊枪可行域及其姿态的自动规划

等方面的新概念和方法.通过采用这种方法,将三维问题的焊枪姿态规划转化为焊枪工作平面的二

维问题来处理,并方便地得到了满足焊接工艺要求、焊枪与工件无碰撞干涉的可行区域,最后结合

焊接工艺专家系统就可以最终确定焊枪在每一焊接位置的空间姿态.

关键词:弧焊机器人;焊枪姿态;自动规划

中图分类号:TG 409;TP 242.2;TP 391.7

文献标识码:A

Automatic PIanning Of WeIding TOrch’s Gesture Of Arc WeId.ng RObOt
ZH己,DP以g—Zi卵, XjA0 5五P托g, HOU H“一di, WAⅣG A行一Zi九, WANG S^i—g以,29 (School of Mechanical Eng.,Shanghai Jiaotong UniV.,Shanghai 200030,China)
Abstract:An automatic planning of arc welding torch’s gesture was studied,which is a basic question in off—line programming of arc welding robot.The techniques about automatic planning of arc welding torch’s gesture were presented,including the definition and acquirement of welding line and welding technical pa— rameters, the decision of the best plane of welding torch location, the tolerable area search of welding torch and the automatic planning of gesture etc.By these methods,the three dimensional problem of plan— ning of arc welding torch’s gesture is translated into a two—dimensionaI problem in the plane of welding torch location,and the tolerable area of welding torch can be conveniently obtained,which satisfies the welding techniques and has no collision between welding torch and part. Finally,with the aid of expert system for arc welding,the position in three dimensions can be easily decided. Key words:arc welding robot;welding torch’s gesture;automatic planning

由于焊接机器人工作的稳定性和焊接产品质量 的一致性对于保证产品的焊接质量至关重要,因此, 焊接机器人得到了广泛的应用.但是,国内没有与之 相配套的软件,国外的软件价格太高又难于推广,这 些设备并没有发挥其应有的效率.离线编程技术不 仅减轻劳动强度、提高生产效率,更重要的是可以对

编程结果进行三维图形动画仿真,以检验编程的正 确性,提供最佳的执行代码,从而保证产品的质量. 国内自20世纪80年代末以来,许多科研机构做了 大量的离线编程研究工作.以往的工作主要集中在 系统的总体框架、工艺数据库、焊接智能专家系统、 焊缝的自动跟踪和图像识别等方面[t ̄6],很少从图

收稿日期:2003一09—29 基金项目:国家博士点基金资助项目(20020248048) 作者简介:朱灯林(1966~).男,江苏常州人,副教授,博士,主要从事现代机电系统设计理论和系统智能规划技术的研究
电话(Tel.):021—62932673;E—mail:zhudenglin@sjtu.edu.cn.

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第9期

朱灯林,等:孤焊机器人焊枪姿态的自动规划

形学的角度来研究离线编程中焊枪的姿态分析问 题.
本文针对弧焊机器人离线编程中的焊枪姿态规 划问题,从图形学的角度结合焊接工艺的特殊性进 行了焊缝几何参数、工艺参数的定义与处理、焊枪所 在的最佳平面的确定、焊枪可行域及其姿态的自动 规划等方面的研究,并通过对焊枪工作平面的定义 和分析,将三维问题的焊枪姿态规划转化为二维问 题来处理.
1焊缝定义及信息获取
本原型以AutoCAD作为焊接机器人、工件的 建模工具和软件开发的支撑平台.首先构造工件的 三维模型,然后通过人机交互的方式定义欲焊接的 焊缝及其工艺参数.焊接工艺参数有焊缝结构形式、 焊接方法、焊接速度、焊枪倾角、焊前的加工和准备、 焊件材料、焊接材料等.对于如图1所示的一般角焊 缝,其几何信息可直接通过人机交互拾取的方式定 义,而对于图2所示的平焊缝,由于缺少面之间的交 线,先采用手工添加并定义焊缝,然后再通过人机交 互方式得到焊缝的几何参数.对于焊接工艺参数,有 的采取人机交互方式直接定义,有些参数如焊枪倾 角则根据焊接工艺专家系统来确定.

图1角焊缝示意图 Fig.1 Sketch of the corner welding 1ine
图2平焊缝不恿图
Fig.2 Sketch of the face welding
得到焊缝的几何与工艺信息后,首先对几何信 息进行离散化处理,形成一系列的离散焊点并在内 存中保存.焊缝的离散化处理有两种方法,即等步长 法和等偏差法.所谓等步长法就是按定长分割焊缝; 而等偏差法的特点则是要求每一步长的确定必须保 证偏差相等.通常,等步长法可以用于直线焊缝或曲 率变化不大的焊缝,对于复杂形状焊缝用等步长法 产生的误差较大,应该采用等偏差法.焊缝经离散化 处理后保存在焊缝类(CHFeng)中.焊缝类

(CHFeng)的定义如下:
typedef CTypedPtrList<CPtrI。ist,CSPoint*)CPointList;
∥结点为CSPoint焊点类. class CHFe“g

Public:
CHFeng(); ~CHFeng(); Private!
.int flag; ∥标记不同类型焊缝 AcDbobjectId owner; ∥记录焊缝在哪个实体上 CPointList m—PointList; ∥焊点链表
AcGePoint 3d startPoint,endpoint,center;
∥记录焊缝开始点、结束点、圆心
doubIe radius,startAngIe,endAngIe;
∥记录弧焊缝半径、开始角、结束角 int weldstructure; ∥焊缝结构 int weldmaterial; ∥焊件材料
float blankthick 1,blankthick1:
∥焊件毛坯厚度 float weldspeed; ∥焊接速度
float foreangle,sideangle;
∥焊枪前倾角、焊枪侧倾角
Public:
void getflag(); ∥参数的输入输出函数
AcGeVector3dsetRotateAxis(CLineSegList
&m—Linelist); ∥确定旋转轴
AcGePoint3d constructPoint(AcGePoint3d pt, double length,AcGeVector3d vec);
∥点的构造函数 );
2焊枪工作平面的确定
焊缝经离散化后,以每个焊点处与焊缝垂直的 法面作为焊枪在该焊点处缺省的所在平面,称为焊 枪缺省平面.
在实际焊接时,焊接工艺通常要求焊枪与缺省 平面成一定的向前倾角,焊枪的实际所在平面由焊 枪的缺省平面向前倾斜某一角度后所得到,因此只 要根据工艺要求确定合适的旋转角和合理的旋转轴 就可以获得焊枪在该点处的最佳平面,称该面为焊 枪工作平面.
旋转轴的确定方法如图3所示.图中矢量y。为 焊缝焊点A处的切向量,和焊枪缺省平面垂直;y。、 ys分别为平面1和2在焊点A处的法向量;y为y。 和y。的矢量和,y=y。+y。;旋转轴矢量晨为y。与

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y,的向量积:
R=’,×y1
其中,矢量y:、y。、y、R都处于焊枪的缺省平面内.

第38卷

作平面

Fig.3

图3焊枪平面旋转轴的确定
Definition of rotation axis of welding torch plane

将焊枪缺省平面绕旋转轴R向焊接方向旋转 一定角度即可得到焊枪的工作平面,此旋转角可根 据焊接工艺要求由焊接工艺专家系统得到.得到焊 枪的工作平面后,可以认为焊枪在该焊点处的最佳 位置必定位于该平面内,从而将焊枪姿态的空间规 划问题转化为在工作平面内的二维规划问题.

3焊枪姿态的自动规划

在确定了焊枪工作平面以后,焊枪姿态的空间 规划问题转化为在工作平面内的二维规划问题.根 据焊枪和工件的无碰撞干涉要求就可以求出焊枪在 工作平面内的可行区域,然后在可行区域内再进一 步求解出焊枪的最佳位置.焊枪在工作平面内的位 置与焊枪的形状和长度、工件的空间尺寸以及焊接 工艺有关。在满足焊枪和工件不碰撞的情况下,应尽 量满足焊接的工艺性要求.为了便于分析,本文把焊 枪简化为一根和焊枪长度相等的线段. 3.1焊枪操作空间断面的确定
焊枪操作空间断面为焊枪工作平面和待焊工件 相交得到的剖面.当焊枪工作平面确定后,焊枪只在 焊枪工作平面内绕焊点在旋转,因此,判断焊枪是否 和工件相碰,就可转化为判断在工作平面内焊枪是 否和焊枪操作空间断面相交即可.如图4中阴影区 域所示,焊枪操作空间断面是由多线段组成的一个 剖面,是一个或多个封闭的平面图形.为了确定焊枪 的可行区域,先要求出相应焊点处的焊枪操作空间 断面.本文通过实体的B—R印边界表示模型访问实 体的各表面,采用焊枪实际工作平面和实体各表面 求交,并将各段交线按顺序连接形成焊枪工作平面 和工件相交断面,即焊枪操作空间断面.

作平面

空间断面

Fig.4

图4焊枪操作空间断面示意图 Section of welding torch operation space

3.2焊枪在焊接工作平面内可行区域的确定 焊枪的可行域是指在焊枪和工件无碰撞干涉的
条件下,在焊枪工作平面内绕焊点运动而与工件无 干涉的活动空间范围.由上述分析知,焊枪在每一焊 点工作时处于焊枪工作平面内,因此,焊枪的可行域 分析可转化为搜索焊枪在工作平面内焊枪和操作空 间断面不相交的区域.
根据焊枪工作平面和工件相交生成的焊枪操作 空间断面的不同,通常可分为3种情况(见图5):
(1)如图5(a),焊枪操作空间断面为多条线段 形成的单连通域,此时只要从AB边出发让焊枪在 焊枪平面内以一定步长沿着逆时针方向绕焊点旋转 搜索即可得到焊枪的可行区域.为了满足一定的精 度要求,当遇到焊枪和工件相交时返回,并以l/2” 步长反复逼近计算,直到满足一定的精度为止.
(2)如图5(b),焊枪操作空间断面为2个不相 交连通域,此时如果从焊点A出发到外环的最小距 离矗大于焊枪长度L,则采用和图5(a)同样的搜索 方法即可得到焊枪的可行区域.否则,有2个不重叠 的可行区域.
(3)如图5(c),焊枪操作空间断面为2个嵌套 连通域,焊枪只能在中间的空白区域运动.此时如果 三≤矗,则采用和图5(a)同样的搜索方法即可得到焊 枪的可行区域.如果L≥矗,同时min(三。B,己。。)≤L ≤max(£^B,LAc),则存在一个可行区域,此时可从 AB与AC中较长边开始搜索即可得到焊枪的可行 区域.如果d≤己≤min(厶。,£。。),则存在2个可行 区域,此时可从A8与Ac中的任何一边开始一直 搜索到另一条边即可得到焊枪的2个可行区域.如 果己≥d,同时三≥max(£A。,己A。),则不存在可行区 域.
对于图5(b)、(c),如果不存在可行区域或可行 区域内没有满足工艺要求的焊枪位置,此时就必须 减小焊枪的前倾角,使焊枪的工作平面向相反方向 转动某一角度后并重复以上过程.

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朱灯林,等:弧焊机器人焊枪姿态的自动规划

1475

焊点爿

(a)

(b)

(c)

图5 焊枪的缺省位置与可行区域

Fig. 5
4程序的实现与模拟

Definition position and tolerable area of welding torch
的焊枪空间位姿的自动分析和求解,为机器人离线 编程的下一步工作奠定了良好的基础.

程序的总体结构如图6所示.图中,主要由焊缝 定义与处理、焊枪工作平面与焊枪操作空间断面的 计算、焊枪可行区域的分析与焊枪最终位置的确定、 辅助焊接工艺系统及数据库.其中辅助焊接工艺系 统及数据库是系统的支撑,本文主要讨论了前面的 三部分,辅助焊接工艺系统及数据库已在其他部分
图圈圆 讨论,具体参见文献[7,8].
辅助焊接工艺系统及数据库
图6程序的总体结构 Fig.6 The general structure of programming
在计算机上对以上提出的方法进行了过程模 拟.图7所示是本系统的一个实例,首先从图7(a) 中选择焊缝A8和BC,焊枪的运动方向为 A—B—C,指定焊接的工艺参数后,系统利用焊枪 工作平面与操作空间断面功能计算出在各离散焊点 焊枪的工作平面和操作空间断面(图7(a)中细线所 示).图7(b)为焊接过程中在各离散焊点焊枪的空 间姿态的变化过程.

fa)焊枪空间断面

(b)焊枪空间运动姿态

图7焊枪运动姿态模拟
Fig.7 Simulation of planning of torch’8 gesture
由图7可见,采用本文提出的焊枪空间姿态的 规划方法很好地解决了弧焊机器人离线编程过程中

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弧焊机器人焊枪姿态的自动规划

作者: 作者单位: 刊名:
英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

朱灯林, 肖胜, 侯胡的, 王安麟, 王石刚 上海交通大学,机械与动力工程学院,上海,200030
上海交通大学学报 JOURNAL OF SHANGHAI JIAOTONG UNIVERSITY 2004,38(9) 2次

参考文献(8条)
1.何广忠.吴林.田劲松 基于ObjectARX的机器人弧焊离线编程系统[期刊论文]-焊接 2002(05) 2.陈志翔.黄勇.殷树言 弧焊机器人离线编程系统分析与设计[期刊论文]-机械工程学报 2001(10)
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由于弧焊机器人焊接的复杂性,它不仅要求焊枪准确到达焊接位置,而且要求焊枪以一定的姿势沿着焊缝作相对运动,使得弧焊机器人能适应各种 有几何约束条件的焊缝或焊件的焊接,并且焊枪姿态的选择是保证获得良好焊接质量的关键。目前,对于电弧传感器姿态的提取还只是局限于焊枪的左 右偏和高度的提取,而对焊枪倾斜角度的信息提取基本上都是另外在焊枪上加角度传感器,而且也只是为了解决焊枪几何约束的限制,还没有考虑到焊 枪倾斜一定的角度对于焊接质量的影响,更没有考虑到可以直接从电弧传感信号中提取出焊枪倾斜的姿态。所以,本文做了如下工作:
首先,对高速旋转电弧传感器作了系统的介绍,对目前国内外对电弧传感的信号处理和提取方法的研究现状进行了详细地阐述。 其次,用UG软件进行静态物理仿真焊枪的各种倾斜姿态,得出各种倾斜姿态的焊炬高度仿真波形图,从波形图中找出各种倾斜角度的信息特征,为 实际提取焊枪倾斜信息焊接实验提供理论依据。 其中,对实际焊接实验中的各种干扰进行研究,进而研究各种滤波方法及其比较,研究最适合电弧传感信号去噪的方法。 最后,用特征谐波检测法从实际焊接实验数据中提取焊枪的各种姿态,找出其规律,为焊枪姿态的自动控制提供准确而重要的信息。
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本文将焊缝位姿和焊枪姿态统称为焊接姿态,在国标定义基础上对焊接姿态参数的定义作了修改,使其更适合弧焊机器人领域的研究和实践。 利用现有Motoman UP20弧焊机器人系统,采用CO2焊方法,对2mm厚低碳钢板进行大量的焊接姿态工艺实验,采集了不同焊接姿态和工艺参数下的焊 缝成形参数值。将人工神经网络技术成功地应用于弧焊机器人焊接姿态与焊接工艺参数联合规划中,定量描述焊接姿态,利用MATLAB神经网络工具箱对

实验数据进行训练和仿真。人工神经网络训练误差达到设定要求,仿真误差也控制在要求范围内。创建密集的焊接姿态和工艺参数输入矩阵,利用人工 神经网络仿真出相应的焊缝成形参数矩阵。整理输入和输出矩阵数据,建立了焊接姿态与焊接工艺参数联合规划Access数据表,利用此数据表指导试焊 验证工作。
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突破传统的焊枪姿态检测方法,采用旋转电弧传感器与数字信号处理技术相结合的方法,直接从旋转电弧信号中获取反映焊枪姿态信息的特征谐波值 ,简化了焊枪上附加设施,提高了焊枪姿态信号获取的效率,从而能有效地跟踪焊枪姿态,保证焊缝焊接的质量.
8.学位论文 林君 基于三维图形仿真的弧焊机器人离线编程及其技术实现 2003
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9.期刊论文 胡中华.陈焕明.熊震宇.江淑园.HU Zhong-hua.CHEN Huan-ming.XIONG Zhen-yu.JIANG Shu-yuan 弧焊
机器人马鞍形工件焊枪姿态规划研究 -机械与电子2007,""(4)
采用焊缝特征坐标系来表示空间曲线焊缝,给出了马鞍形焊缝的参数表达式,推导出焊缝及焊枪坐标系的齐次变换矩阵通式,由此得到了插补点求解的 算法,该算法对于马鞍形2条中心线的交点位置没有限制,通用性强.最后给出了插补点个数的计算方法,经实验验证可以满足焊接质量要求.
10.学位论文 胡中华 MOTOMAN-UP系列机器人离线编程系统的研究 2007
MOTOMAN-UP系列机器人是一种回转关节型六自由度机器人。针对该系列机器人,根据Denavit-Hartenberg法,建立各杆件的坐标系,对其运动学方 程进行推导,求得了UP系列机器人的运动学正解和逆解,并讨论了逆解的多值问题。
在ROTSY软件平台上建立UP系列机器人工作环境模型,并建立工件的数学方程,获取焊缝信息,分析焊接位置坐标系、焊丝端头方位坐标系和机器人 末端坐标系的相互转换关系。并由此获取不同焊点位置的焊枪姿态和焊接参数,利用逆运动学方程,求得每个焊点的机器人关节变量。进而编写出机器 人程序,实现其在计算机上的仿真以及计算机与机器人之间的通讯。采取将曲线焊缝分割的方法,以直线段代替焊缝上的弧线段,从而确定各个编程点 。
采用VISUAL C++6.0及OpenGL技术开发了MOTOMAN-UP系列弧焊机器人离线编程系统。该系统能对多种类型的二维和三维焊缝进行离线编程仿真,它由 建模模块、焊接姿态规划模块、焊接参数规划模块、机器人程序生成模块、机器人仿真模块及通讯模块等六个模块组成。该系统集成了机器人通信模块 MOTOCOM32和运动学仿真模块ROTSY,并同步导入被焊工件,不仅能单步生成作业指令,且可自动生成作业程序,具有人机界面友好,集成度高、编程直 观、操作简便,自动化程度高等优点。其中,自动生成作业文件和仿真工件模型随用户输入参数自动修改是该系统的特色。
最后,针对马鞍形焊缝,进行离线编程与图形仿真。实验结果表明,与在线示教编程相比,基于三维图形的离线编程能获得更优的焊接位置与焊枪 姿态,使机器人系统运动平稳,保证了优良的焊接质量,同时提高了编程效率。
引证文献(2条)
1.胡中华.王艳 弧焊机器人MOTOMAN—UP20离线编程系统[期刊论文]-电焊机 2008(6)
2.曹丽婷 基于DSP的管道焊接机器人焊枪控制系统[学位论文]硕士 2005
本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_shjtdxxb200409010.aspx 授权使用:哈尔滨工业大学(hebgydx),授权号:a320e16e-1c33-44cd-a855-9db900aa436c
下载时间:2010年7月20日


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该软件可通过焊接点的位置信 息和数控变位机的相关参数,规划焊接过程中数 控变位机的姿态焊枪位置以及弧焊机器人系统的 速度参数,并可以把这些数据保存成表格...

弧焊机器人焊枪姿态的简便示教.pdf

弧焊机器人焊枪姿态的简便示教 - 第 46 卷第 8 期 2010 年 4 月

骑座式相贯线焊缝焊接机器人连续轨迹规划_图文.pdf

弧焊机器人的轨迹规划需要采用连续路径 规划 , 即机器人的焊枪末端需要在六维...就是使得焊 枪坐标系和焊缝的坐标系不断地重合 , 而暂时不考虑 焊枪的姿态 ...

弧焊机器人焊接姿态与工艺参数联合规划.pdf

弧焊机器人焊接姿态与工艺参数联合规划 - 在现有Motoman UP20弧焊机器人系统上进行二次开发,将人工神经网络技术成功地应用于弧焊机器人焊接姿态与焊接工艺参数的联合...

焊接机器人应用案例_图文.doc

弧焊机器人包括各种焊接附属装置在内的焊接系统,而不是一台以规划 速度和姿态携带焊枪移动的单机。 弧焊机器人系统的基本组成: 自动(半自动)电弧焊: 熔化电极气体...

海洋工程装备机器人焊接应用-张华军0502_图文.pdf

? 机器人多层多道焊路径自动规划任务复杂:由于板材厚,填 充道数多,填充形状不...? 机器人立焊姿态控制精度要求高:由于双弧焊采用立向上施 焊,焊枪姿态和摆动...

基于遗传算法的六自由度机器人焊接路径规划_图文.pdf

基于遗传算法的六自由度机器人焊接路径规划_信息与...本文以六自 由度弧焊机器人为例, 通过对机器人...而各 表1 初始姿态和角度变化范围 2 | Techniques...

弧焊机器人焊接姿态与工艺参数联合规划_论文.pdf

弧焊机器人焊接姿态与工艺参数联合规划 - 在现有Motoman UP20孤焊机器人系统上进行二次开发,将人工神经网络技术成功地应用于弧焊机器人焊接姿态与焊接工艺参数的联合...

机器人弧焊专家系统VirtualArc_图文.pdf

机器人弧焊专家系统VirtualArc_交通运输_工程科技_专业资料。第 42 卷 增刊 ...进行路径规划时, Ro bo tSt u dio 自动采用文件中所述的焊枪姿态, 自动调用...

基于VC_的弧焊机器人离线编程系统设计_陈焕明_图文.pdf

该系统能对任意马鞍形工件规划焊枪的运动 路径与姿态 , 且按比例同步显示工件...+的弧焊机器人离线编程系统设计 第1期 图1 离线编程系统的组成 按钮[自动生成...

弧焊机器人简介_图文.doc

运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人 关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、...使焊接机器人的焊枪无法到达指定 的焊缝位置或焊枪姿态,这时必须通过增加 1~7 ...

弧焊机器人焊枪姿态信息的提取_论文.pdf

弧焊机器人焊枪姿态信息的提取 - 突破传统的焊枪姿态检测方法,采用旋转电弧传感器

机器人焊接技术_图文.pdf

机器人焊接应用重点、难点: 焊接机器人基本概念; 焊接机器人系统; 弧焊机器人的...如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种 具有高度灵活性的自动化机器...

弧焊机器人离线编程系统.pdf

弧焊机器人离线编程系统 - 针对SK6弧焊机器人设计研究了弧焊机器人离线编程系统(A WOPS),该系统由几何特征提取及建模模块、焊接姿态规划模块、焊接参数规划模块、...

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