空间焊缝轨迹规划及插补算法

1、空间焊缝轨迹规划及插补算法在工件的自动化埠接过程中应该尽可能的一次性地完成埠接工件上的所有埠接任务，这需要对工件进行示教编程和焊缝轨迹规划、同时必须保证焊接过程中焊枪相对于焊接工件按照一定轨迹运动，必须强调的是，工件应该保持水平状态'以防止焊接过程中熔池的流淌等问题【珂口为了让焊接机床按照悍接工件和焊缝形状实现所希望的工作必须预先对焊接机床的运动路徃和所该完成的作业进行指示，具休的这个过程称之为焊接系统的示救过程©日前弧焊机器系统的示教编程主要有三种方式：1总接示教编程，就是星常见的通过示教盒或者擾纵杆等对焊枪位置进行控制方式.这种编程方法具有方便快捷，比较适用于批量生产场合

2、等特点；2离线示教编程，与直接示教的最大区别在于，操纵占不需要对现场弧焊系统进行示教.只需通过在计算机上的系统CADg型.对焊枪的运动进疔仿真并观察焊枪是否按照期望方式运动f3虚拟示載编程，主要借助于虛拟现实技术中许多人机交互的装置，比如力反馈操纵杆等来控制计算机上的焊枪，虚拟焊枪的动作，最后通过记录焊缀示教点的位賢和路径竽信息.主成记進文件，当務文件下疲到控制器荷，完成示教过程卩忙在机器人智能中有一个重耍因素一-轨迹规划，就是强调机器人在运动中会根据周围环境自主采取措施，按照一定的性能指标判断并选择一条从起始狀态到目标状态的最优或类似最优的无確撞路径W作为焊接口动化乘统，也需要对焊縫进行路径

3、规划.尽可能一次性的完成工件上的焊接任务，本文主要研究了笛卡尔塑标系中焊缝轨迹规划方法，首先通过对软件界面控制各个运动轴，提取焊缝上的关键点，并保存到数据库中，利用示教软件进行在线宜接示教编程，直接生成G代码，当需要示救再现时，只需读取生咸的G代码文件。如图4所示.假设工件上存在MN,CD曲线加工路线'先转动X轴使MN所处的平面使其处于水平状态'通过示教过程来获得加工路线上的示教点的坐标信息，完成示教过程后，先确定在起点M和终点N的电弧通断时间，然后综合焊缝的宽度与焊抢运动速度等数据，保存到示教数据坪中，为了实现连续作业，在加工歸线MN与PQ之间还需要示敎一条过渡轨迹。如果过渡

4、轨迹中之间旋转三位工件的话，可能会与焊抢发主碰撞.所以当MN段完成示敎后让捍枪先沿X轴戾方向运动段距离，保证工件將体位于焊枪后退后所处的垂直平面前方.示教完这段过渡轨迹后龊转X轴，使PQ輝缝St于水平面，梵复上述的对MN齬线的示教过程”从而保证了整个焊接过程的连壊性，一次性地完成了岸接任务卩叽下面先介绍下轨迹规划中用到的轨迹规划算法&图41空间轨迹规划示意图Fig.4Spacetrajectoryplanningdiagram以高压阀门为例，焊缝位置位于阀门底端，是一个直径14.5mm的圆环形焊缝，具体的路径规划如下：先对各轴回零，对工件坐标进行示教，获得工件中心位置及焊缝所处平面的深

5、度等坐标信息，然后移动焊枪调节至工件正中心，然后调整Z轴下降焊枪至焊接所处的内部平面，移动至焊缝位置，旋转平台，引弧开始，焊枪收弧上升，平台停止旋转。图4.2离压阀门焊接示教过程pressurevalveweldingTeachprocess4.2焊接轨迹规划中的插补算法空间直线插补假设空间存在两点必（和儿石）川（花丿2宀）,而且两点不重合，则MN间的距离厶=丁（州一勺）2+（必一yj'+Ci-Z?）?,三个方向的余弦分别为Cos(4-1)(4-2)COS"勺二(4-3)在确定了满足精度的M后，可求得总步数N=然后可求得第，个插补点坐标值,AL兀二兀“+Alcosa(4-4)

6、J必二儿十ALCOS0(4-5)召=召丿+ALcosy(4-6)空间圆弧插补空间仿射坐标系假设空间存在三个不重合的且不在一条直线上的点S（x39y39z3）这三个点可以确定一个球体，分别作MN和NS的中垂线可求得球体的坐标”&必呀），则可求岀球体半径R：R=J（X|勺）2+（”一必尸+（可一?0尸(4-7)以0为原点，O'M为X轴，建立坐标系O'XYZg其中.X轴的单位矢量:OrMz'轴的单位矢量为:(4-8)(4-9)参照右手螺旋法则，可求得Y'轴的单位矢量勺二弓*勢e严目F、GJ1J2=£2F2GlIJ；勺二耳G3IJ上k.ke严目F、GJ

7、1J2=£2F2GlIJ；勺二耳G3IJ上k.k(4-10)(411)可以推岀,5Z耳GIe2=Ei%G2JAEq.k根据仿射定理可知，两坐标系的仿射转换矩阵/为正交矩阵，即A'=Ar;I飞FG-14&E2E3J=场%G?e2=AkA九G-*3.qG2G3雀(4再加上坐标系原点的平移分量仇观岛）何得1和II坐标系转换坐标为(4-13)XE】ErE3Y耳坊尺ZqG2G31000'xrE斥GYE2%G20E.%G31000(&Xo+Ayo+GiZo)-(£2Xo+o+G2ZO)YE3X0+片必+QzJ0X,X9几YZo01J1(4-14)(4-1

8、5)这样空间圆弧就可以转换成平面圆弧来进行插补，假设一个插补周期内的合成进给量为AZ,则角位移增量则为A0=,总共需要2+1步，可求得圆弧上任一点Q,的RA0(4-16)(4-17)x/+1=7?cos(0z+A0)=RcoscosAO-RsinsinA0=x“cosA0-”sin&y/+1=7?sin(+A0)=7?sin0tcosA0+/?cos0;sinA0=fcosA0+xrsinA0每次插补时，判断下是否到达终点，当為58时，插补继续进行;否则得对最后一步的角位移星进行修正，修正的角位移量为g亠QO非均匀B样条曲线的实时插补B样条曲线是在实现复杂零件轮廓中最常用的样条插补卩9

9、】，研究其插补算法对于不规则的曲线焊缝的轨迹规划有重要意义。现有的关于样条曲线插补算法主要是根据样条曲线的顶点来进行插补的，这里重点研究了非均匀样条曲线的实时插补。非均匀3插补计算不是静态的几何计算，关键得确定参变量”，如果按照恒定的参变量增量进行插补，将无法满足数控加工的平稳性与实时性3)。实际的B插补计算中主要有两点要求：前后两插补点间距离需满足进给速度和加减速的要求；这两点间的插补直线段与被插补的曲线需要满足精度要求，此外确保向心加速度不大于己设定的最大向心速度。为满足上述要求，在允许的误差范围及量大向心加速度的约束下，釆取了研究瞬时进给速度的控制手段，提出了3样条曲线的实时插补。假设p

10、(“)=x(“)j(“),z(“),斥为瞬时的进给速度，”为参变量，则根据微分原理可求得:(4-18)其中：(4-19)(4-20)§=舟=|p(w)|=丁茂由上述两式可求得(、du_F)UPdt严(”)|J上式描述了B样条曲线实时插补的关键：几何特性与机床运动特性两者之间的关系。假设最小采样时间间隔T为一个插补周期，我们可根据当前插补点的参变量值，通过泰勒展开式求得下个插补点的参变量值。«H1=旳+&«)y+务匚+o'(/)(4-2i)一般情况下，一阶泰勒级数展开式已能够满足需求，如果需要进一步减小速度波动并且精确计算下在一插补周期内参变量u的变

11、化，可使用上述的二阶的泰勒展开式【小,通过上述公式，可实现非均匀B样条曲线的实时插补问题。空间任意曲线的插补的实现对于空间中任意曲线插补时，如何使用尽量光顺的自由曲线来拟合该曲线，而且存在何时使用空间直线插补或者空间圆弧插补等问题，由于GE-400SG运动控制卡提供的4K运动缓存区内只能存放直线或者圆弧插补的指令，所以有必要提出一种插补方法，尽显用宜线与圆弧插补来拟合空间的任意曲线。这里介绍一种新型的空间曲线插补方法,它可以判断出何时使用直线或者圆弧插补，最终通过这两种插补的组合来实现该曲线的插补。假设空间中存在一个不规则的曲线焊缝，如下图所示我们首先通过示教过程获得上面的示教点AJ,然后将这

12、些点的坐标采集到数据库中，首先在A点开始进行插补，在AB间采用直线插补，与此同时，读取C,D两点的坐标数据，先判断ABC是否共线，然后再判断BCD三点是否共线，BC段采用何种插补取决于上述两条判断关系。总共有四种情形：1) ABC三点共线而BCD三点不共线，重复段BC采用直线插补；2) ABC三点不共线而BCD三点共线，重复段BC采用直线插补；3) ABC三点共线而BCD三点也共线时，重复段BC采用直线插补；4) ABC三点不共线而BCD三点也不共线时，重复段BC采用圆弧插补，而且此时的圆弧的参数如圆心及半径等由ABC三点來确定.图4.4空间任意曲线以上述给岀的空间曲线为例，AB段采用直线插补，因为ABC三点不共线，而BCD三点共线，根据上述判别关系，BC段采用直线插补；同理可以推得CD段采用直线插补，DE段采用圆弧插补，EF,FG,GH,HI,均采用倜弧插补，