可調整焊槍姿態直線擺弧路徑算法研究*

潘海鴻，尹華壬，梁旭斌，李睿亮，夏 凱，陳琳

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

0 引言

目前工業制造的焊接機器人作為應用最廣泛的一類工業機器人[1]，在各國機器人應用比例中大約占總數40%～60%，具有巨大市場需求。對于焊接機器人而言，尤其是弧焊機器人在焊接作業中不僅需具有一般的直線圓弧等運動功能，還需具備擺弧焊接功能[2]。國外OTC和FANUC機器人控制系統具有一次函數、三角函數以及圓弧擺弧焊接方式并可調節擺動頻率、振幅以及停止時間等。國內楊海濤[3]、鄔亞蘭[4]、劉越[5]等學者研究基于正弦波形式擺動的空間直線與圓弧路徑插補算法。

在實際焊接過程中，焊縫傾角、焊縫轉角、焊槍工作角以及焊槍行走角[6]影響著焊縫成型質量好壞，其中焊縫傾角、焊縫轉角決定焊縫在空間中的位姿，焊槍工作角以及焊槍行走角決定焊接過程中焊槍姿態。在某些情況下，如焊接工件之間出現不等厚情況時，需改變焊槍工作角使焊槍貼近板厚焊件，使厚焊件與熔池接觸面積增大；此外根據實際焊接情況有時需調整焊槍行走角，即要求焊槍與焊縫法平面形成向前傾角[7]，通過使焊槍在焊接過程中前傾或后傾改變所形成焊縫成形厚度與寬度[8]。傳統示教不能適應實際焊接過程中焊接參數需隨時調整的現象，為解決每進行一次焊接工藝參數調整均需要重新示教將增加編程時間致使工作效率低的難題，故提出一種可調整焊槍姿態的直線擺弧路徑算法，可在一次示教后實現不同焊槍姿態焊接并調整焊接工藝達到快速調試效果[9-10]。

1 焊縫與焊槍的位姿描述

如圖1所示為焊接位姿示意圖。在實際焊接過程中焊接工件與焊槍復雜多變，為方便對焊接位姿進行表述，使用焊槍軸線表示焊槍并對焊縫傾角、焊縫轉角、焊槍工作角以及焊槍行走角等與焊縫和焊槍位姿相關描述內容作出定義：

圖1 焊接位姿示意圖

焊縫中心線：焊根與蓋面層中心連線。

焊縫轉角：焊縫中心線與重力反方向線在焊縫法平面上投影所形成角度?？捎忙缺硎?，其范圍為0°～180°。

焊縫傾角：焊縫軸線行進方向與水平面之間的夾角?？捎忙毡硎?，若為上坡焊φ則大于0，下坡焊φ小于0，其范圍為-90°～90°。

焊槍工作角：焊槍軸線與焊縫中心線在焊縫法平面投影所成夾角?？捎忙帘硎?，若焊槍軸線在焊縫中心線上方為負值，在焊縫中心線下方為正值。

焊槍行走角：焊槍軸線與焊縫法平面所成夾角?？捎忙卤硎?，前傾焊時β取正值，后傾焊時時β取負值。

2 可調整焊槍姿態擺弧路徑生成算法

設用戶通過示教獲取焊縫起點O1=(x1,y1,z1)，焊縫終點O2=(x2,y2,z2)，平面1上隨意一點S1=(xs1,ys1,zs1)以及平面2上隨意一點S2=(xs2,ys2,zs2)，焊槍擺動幅值大小為AMP，擺周期為ts，機器人末端位移線速度為v。由示教點得到焊接平面與工件位置關系如圖2、圖3所示，加入焊槍工作角與焊槍行走角后焊接平面與工件位置關系如圖4、圖5所示，其中l0：焊槍軸線。l1：焊槍軸線在焊縫法平面的投影。l2：焊縫中心線。其算法實現過程如下：

圖2 焊接平面與工件位置關系空間示意圖

圖3 焊接平面與工件位置關系平面示意圖

圖4 焊槍姿態調整后焊接平面與工件位置關系空間示意圖

圖5 焊槍姿態調整后焊接平面與工件位置關系平面示意圖

(1)對輸入的點進行共線判斷。在示教獲取輸入點時，若出現平面參考點與示教起點或終點共線則無法構成平面的情況，此時需分別對兩平面參考點與焊縫起點與終點進行共線判斷。O1、O2、S1三點以及O1、O2、S2三點不共線的充分條件為：

(1)

(2)

(2)確定兩工件加工平面夾角φ。由圖2幾何關系可知：

(3)

其中，N1、N2分別為平面1與平面2的法向量，取Z坐標較小的作為基準參考面2，其中N1=O1S1×S1O2、N2=O1S2×S2O2。

(4)確定焊接平面與平面1夾角∠O1N′M′。 由圖5中所示圖形關系可得：

(4)

(5)確定平面2內垂直于焊縫軸線單位向量EO1M′。

(5)

(6)確定加入焊槍姿態調整后焊接平面上的點M′。

M′=O1+O1M′×EO1M′

(6)

(7)確定焊縫至焊接平面單位偏移矢量EO1Q′

(7)

其中，O1N′=O1N′×EO1N′，由圖5中幾何關系可得O1N′長度，

(8)

(9)建立焊槍末端坐標系OtXtYtZt如圖6所示，求出各軸在機器人絕對坐標系下方向余弦值。取焊槍軸線作為焊槍坐標系Zt軸，方向由焊槍指向焊縫；在機器人原點時刻焊槍坐標系Yt軸相對于絕對坐標系Yw軸方向相反，其世界坐標系下余弦值為(0,-1,0)，在焊接起點處以焊縫軸線計算焊槍坐標系Yt軸，因此有：

Zt=-EO1Q′=(axt,ayt,azt)

(9)

圖6 焊槍末端坐標系OtXtYtZt與機器人絕對坐標系關系示意圖

焊槍坐標系Xt軸在機器人絕對坐標系下余弦值Xt=Yt×Zt=(nxt,nyt,nzt)。

(10) 根據焊槍坐標系相對于機器人絕對坐標系各軸方向余弦值建立機器人位于焊接平面上焊接起點Q′位姿矩陣MSR、焊接平面上一點M′位姿矩陣MMR、焊接平面上焊接終點R′位姿矩陣MER。

(10)

(11)

(12)

(11) 為改變焊槍行走角后焊接起點仍位于焊接平面上故將焊縫平移至焊接平面后再加入焊槍行走角β處理，如圖7所示，加入焊槍行走角可視為焊槍坐標系繞自身坐標系Xt轉過β度，由此易得加入焊槍行走角后焊槍姿態變化矩陣Tb。

(13)

圖7 加入焊槍行走角后焊槍姿態示意圖

(12) 確定經焊槍行走角偏移后焊接平面上焊接起點Q′位姿矩陣MSR′、焊接平面上一點M′位姿矩陣MMR′、焊接平面上焊接終點R′位姿矩陣MER′。

MSR′ =MSR·Tb

(14)

MMR′ =MMR·Tb

(15)

MER′ =MER·Tb

(16)

(13)以O1′ = (xo1,yo1,zo1)作為直線起點,O2′ = (xo2,yo2,zo2)作為直線終點，由直線擺弧算法得到沿焊縫方向單位插補向量VctWeld和沿擺動振幅方向的向量Yi。則焊接平面上經擺弧偏移后第i個插補點在機器人絕對坐標系下位置量Posi=O1′ +i·VctWeld+Yi= (xi,yi,zi) ，將位姿矩陣MSR′ 、MMR′ 或MER′ 中姿態矩陣通過歐拉角變化求出矩陣中對應的歐拉角值a、b、c，最后可計算得新焊接平面上各插補點機器人位姿值Posorii=(xi,yi,zi,a,b,c) 。

3 算法仿真

從空間中獲取點P1、P2、P3、P4分別令P1為焊縫起點,O1、P2為焊縫終點O2、P3為工件1表面上一點S1、P4為工件2表面上一點S2。設P1=(10.000, -50.000, 10.000)、P2=(10.000, 50.000, 10.000)、P3=(10.000, 4.000, 20.000)、P4=(20.000, 6.000, 10.000)焊槍擺動幅值AMP=2，在焊槍工作角與行走角均為0°的條件下，所生成擺弧路徑插補點如圖8所示由粉色圓點所構成，在焊槍工作角為-30.000°，行走角為45.000°條件下其擺弧路徑插補點如圖8所示由藍色星號點所構成。Q為未加入焊槍姿態調整前焊接起點、Q′為加入焊槍姿態調整后焊接起點位置。

圖8 調整焊槍姿態前后直線擺弧路徑仿真

在焊接平面上Q點建立焊槍工作角與行走角為0°時焊槍坐標系Q1TX1TY1TZ1T,在焊接平面上Q′點建立焊槍工作角-30.000°，焊槍行走角為0°時焊槍坐標系Q2TX2TY2TZ2T，以及焊槍工作角-30.000°，行走角為45.000°時焊槍坐標系Q3TX3TY3TZ3T。坐標系Q1TX1TY1TZ1T與Q2TX2TY2TZ2T如圖9所示，Q1TX1TY1TZ1T與Q2TX2TY2TZ2T以及Q3TX3TY3TZ3T如圖10所示。通過路徑生成算法可得各坐標系中各個軸在機器人絕對坐標系下余弦值，其中，

X1T=(-0.707,0.000,0.707)，Y1T=(0.000,1.000,0.000)，Z1T=(-0.707,0.000,-0.707);

X2T=(-0.966,0.000,0.259)，Y2T=(0.000,1.000,0.000)，Z2T=(-0.259,0.000,-0.966)；

X3T=(-0.966,0.000,0.259)，Y3T=(0.183,0.707,0.683))，Z3T=(-0.183,0.707,-0.683)；

圖9 調整焊槍工作角前后焊槍坐標系

圖10 調整焊槍工作角與行走角前后焊槍坐標系

4 實驗與分析

為驗證改變焊槍工作角與行走角直線擺弧路徑生成算法的有效性，在相同材料以及相同焊接參數前提下進行焊接實驗，對比觀察焊槍工作角與行走角調整前后的焊接效果圖來驗證。

焊接實驗平臺主要由：機器人本體(送絲機、焊槍)、電氣控制柜(伺服驅動器、運動控制器、工控機)、示教器、數字焊機組成，如圖11所示，焊接實驗采用T型接頭工件，工件材料為Q235，板厚3mm。

圖11 弧焊機器人焊接實驗平臺

實驗中設置焊接電流為140A，焊接電壓為19V，機器人末端運動線速度為7mm/s。將焊縫分成兩段示教，其中一段設定焊槍工作角與行走角為0°，則焊接過程中焊槍軸線與焊縫中心線共線；另一段路徑設定焊槍工作角為-15°，行走角為40°，進行焊接實驗，焊接結果如圖12、圖13所示。

圖12 焊槍姿態調整前后焊接對比主視圖

圖13 焊槍姿態調整前后焊接對比側視圖

通過對圖12觀察可知，在焊槍工作角與行走角均為0°條件下進行焊接的兩平面上焊趾至焊縫軸線距離基本一致，而在加入-15°工作角后因焊槍軸線向另一平面靠近因此使熔池更多落在靠近焊槍軸線平面上；通過圖13對比可發現，未加焊槍行走角前焊縫具有一定凸度。在加入焊槍行走角后變為前傾焊，前傾焊將使電弧力對熔池液體向后排作用力減少，使熔池底部金屬液體變厚從而阻礙電弧對熔池底部母材加熱，電弧對熔池前部未熔化母材預熱作用加強，因此焊縫寬度增加，余高減小形成一定凹度。

5 結論

弧焊機器人焊槍姿態快速調整在機器人焊接作業中起著不可或缺的作用，在焊縫與焊槍的位姿模型基礎上提出一種可調整焊槍姿態的直線擺弧路徑算法。仿真實驗證實：與傳統示教不能適應實際焊接過程中焊接參數需隨時調整的現象相比，所提出的可調整焊槍姿態的直線擺弧路徑算法可在一次示教后實現不同焊槍姿態焊接并調整焊接工藝達到快速調試效果，證明了所提出方法的有效性。