一種面向激光加工機器人的管道插接相貫線軌跡規劃方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及激光加工機器人領域，特別是面向激光加工機器人的相貫線軌跡規劃 方法。
【背景技術】
[0002] 當機器人的末端執行器在三維空間特別是對復雜曲面進行加工作業時，機器人的 軌跡規劃不僅要使末端執行器沿著期望的空間曲線準確移動還必須保證末端執行器相對 于軌跡曲線或曲線所在的曲面的姿態符合工藝要求。對于弧焊機器人、激光加工機器人、 噴涂機器人等在進行復雜表面的連續路徑進行規劃時，末端執行器的姿態需要嚴格符合工 藝要求。激光加工機器人在作業時，從激光頭射出的激光束沿著工件上設定的加工軌跡曲 線移動時激光束必須垂直于工件表面，以確保聚焦后落在工件表面上的激光束焦點直徑最 小、功率密度最大、切割的縫隙寬度均勻。
[0003] 激光加工機器人常用的軌跡規劃方法是通過示教盒控制機器人末端以一定的姿 態移動到期望路徑上的關鍵點，利用直線或圓弧插補實現連續操作。對復雜的軌跡以及姿 態變化大的路徑需要插補很多個關鍵點，操作復雜。用于弧焊、涂膠、噴涂等領域的激光加 工機器人在復雜曲面對連續路徑進行規劃時，不僅要使末端執行器沿著空間曲線準確移動 還必須保證末端執行器相對于軌跡曲線或相對于曲線所在的曲面的姿態符合工藝要求。例 如：在焊接機器人加工過程中，為了保證焊接質量，利用焊縫傾角、焊縫轉角、焊槍工作角和 焊槍行走角四個參數來描述焊接位姿以便焊接機器人在對復雜曲面進行軌跡規劃時可以 有效的控制焊槍的姿態。
[0004] 工具姿態問題通常采用基于弗萊納-雪列（frenet-Serret)空間矢量原理的連續 路徑操作方法來解決，該方法在空間曲線上建立弗萊納-雪列坐標系，并通過工具在弗萊 納三元矢量的夾角得到的方向矩陣來描述工具末端相對于曲線的姿態。弗萊納公式可以由 軌跡曲線的曲率和撓率表示，而曲率和撓率只跟曲線本身有關，與曲線上剛體運動及空間 坐標變換無關，所以在軌跡上建立弗萊納坐標系作為參考坐標系可以很好的描述機器人的 空間運動軌跡。但是，求解弗萊納公式以及曲線曲率和撓率的計算量很大，增加了機器人軌 跡規劃的難度，并且工具相對于曲線上弗萊納坐標系的三個坐標軸的夾角不容易得到。
[0005] 激光加工機器人是激光技術和機器人技術高度結合而誕生的一種新型先進制造 技術。激光切割過程中的非接觸、無工具磨損、速度快、精度高、熱影響區小、切口平滑等優 點使其在先進制造技術領域得到廣泛的應用。在進行三維激光加工時，不但要使從激光頭 射出的激光束相對工件按期望的軌跡運動，而且要求激光束垂直于被加工表面，這樣可以 保證聚焦后的激光焦點落在工件表面上為直徑最小的圓點，使得功率密度最大、切縫寬度 均勻。相貫線是典型的復雜空間曲線，在鍋爐、壓力容器、石油管道等的制造安裝過程中需 要采用專用的多軸聯動數控機床切割大量的相貫線。采用激光加工機器人加工相貫線相比 專用的數控機床具有較大的活動空間、動作靈活，更具有通用性。
【發明內容】
[0006] 本發明針對現有技術中的上述問題，提出了一種能有效控制激光加工機器人末端 工具姿態的軌跡規劃方法，能夠面向復雜曲面進行連續的軌跡規劃。
[0007] 本發明解決上述技術問題的技術方案是，提出一種面向激光加工機器人的管道插 接相貫線軌跡規劃方法，包括如下步驟：建立曲面坐標系，建立工具末端運動軌跡曲線方 程；建立工具坐標系確定工具的姿態；構建工具坐標系相對于機器人末關節的齊次變換矩 陣[/?，對相貫線位置進行快速標定；構建機器人末關節坐標系{A}相對于機器人基坐標系 {B}的齊次變換矩陣$Γ，求解機器人關節的角度值，將角度值輸入運動控制單元控制機器 人工具末端沿復雜曲面路徑軌跡移動并保持一定姿態。
[0008] 本發明的其中一個實施例進一步包括，建立工具坐標系確定工具的姿態具體包 括：選擇工具末端點作為坐標系原點，選擇工具軸線或者與機器人末關節坐標系的軸線平 行線作為坐標系，坐標系其他兩軸盡量與機械臂基坐標軸平行，通過工具坐標系坐標 軸與工具末端運動軌跡曲面上某路徑點處的曲面法向量以及切平面之間的夾角確定工具 的姿態。
[0009] 所述曲面坐標系具體包括，以主管和支管的兩軸線交點Ou為原點，在主管上建立 主管坐標系OuXuyuZu，在支管上建立支管坐標系OuX 1Y1Z1，其中，OuXlJy uZu坐標系的與主管 軸線重合，2"軸在主管和支管軸線所在的平面上，OuXiyiZ1坐標系的Z 1軸與支管軸線重合， X1軸和X u軸重合，將支管坐標系〇 uXlylZl沿支管軸線平移到支管端面得到支管端面坐標系 〇2叉2^222。
[0010] 所述運動軌跡曲線方程為主管和支管相交的相貫線方程，建立運動軌跡曲線方程 具體包括：取相貫線上任意一點P在主管坐標系ZuOuyu坐標系上的投影為P 2，點P2在軸OuZi 和軸OuZu上的投影分別為點a和點b，P 2b與軸OuZ1的交點為c，點P在主管的截面圓上投 影為P3，建立方程|P2a| = rsin Θ。主管和支管相交的相貫線方程如下：
[0011]
【主權項】
1. 激光加工機器人的管道插接相貫線軌跡控制方法，其特征在于，包括步驟：建立曲 面坐標系，建立工具末端運動軌跡曲線方程；建立工具坐標系確定工具的姿態；構建工具 坐標系相對于機器人末關節的齊次變換矩陣，對相貫線位置進行快速標定；構建機器 人末關節坐標系{A}相對于機器人基坐標系{B}的齊次變換矩陣jr，求解機器人末關節的 角度值，將角度值輸入運動控制單元控制機器人末關節沿復雜曲面路徑軌跡移動并保持一 定姿態。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，建立工具坐標系確定工具的姿態具體包 括：選擇工具末端點作為坐標系原點，選擇工具軸線或者與機器人末關節坐標系的軸線平 行線作為坐標系，坐標系其他兩軸與機械臂基坐標軸平行，通過工具坐標系坐標軸與 工具末端點運動軌跡曲面上某路徑點處的曲面法向量以及切平面之間的夾角確定工具的 姿態。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述曲面坐標系具體包括，以主管和支 管的兩軸線交點Ou為原點，在主管上建立主管坐標系OUX lJyuZu，在支管上建立支管坐標系 OuXiyiZ1，其中，OuXuyuZ u坐標系的y υ軸與主管軸線重合，ζ υ軸在主管和支管軸線所在的平面 上，OuXiyiZ1坐標系的Z i軸與支管軸線重合，X i軸和X U軸重合，將支管坐標系OuXiyiZ1沿支 管軸線平移到支管端面得到支管端面坐標系〇 2x2y2z2。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，機器人末關節坐標系相對于機器人基坐 標系的齊次變換矩陣具體包括，根據工具坐標系{T}的三個坐標軸相對于主管坐標系{U} 三個坐標軸的方向余弦描述激光頭姿態旋轉變換矩陣[./?，其中，矩陣p?的第一列為^軸 分別與Xu、z u軸的夾角余弦，第二列為分別與Xu、yjP z u軸的夾角余弦，第三列 為分別與X u、yjP z 的夾角余弦。
5. 根據權利要2所述的方法，其特征在于，所述運動軌跡曲線方程為主管和支管相 交的相貫線方程，建立運動軌跡曲線方程具體包括：取相貫線上任意一點P在主管坐標系 ZuOuyu坐標系上的投影為P 2，點P2在軸0 uZl和軸0 υΖυ上的投影分別為點a和點b，P 2b與軸 OuZ1的交點為c，點P在主管的截面圓上投影為P 3，建立方程： P2a I = r sin θ
與主管和支管相交的相貫線方程，其中，O2P 1與x 2軸 之間的夾角為Θ，支管與主管的軸線夾角為爐。
6. 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，工具坐標系{Τ}的ζ #由與主管坐標系{U} 的7"軸垂直，工具坐標系的7:軸與主管坐標系{U}的"軸平行，ζτ軸與％軸的夾角Φ為： 參=arcsini^，保證工具坐標系m的坐標原點〇τ在相貫線軌跡上移動時其ζ凋保持在 主管圓柱面的法向量上，其中，R為主管半徑，r為支管半徑，支管與主管軸線之間夾角為 φ。
7. 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，根據公式：
求解機器人末關節坐標系{A}相對于機器 人基坐標系{B}的齊次變換矩陣〗Γ，相貫線上任意點P在支管坐標系上的坐標（px、py、P z) 如下所示：
Py= y Q-r sin Θ，其中，
(X。、yo、Zci)是主管坐標系原點的坐標，aT、屯為a點、d點到坐標系{T}原點的距離。
8. 根據權利要求2所述的方法，其特征在于，對相貫線位置進行快速標定進一步包括： 在主管圓柱面上任取任意兩點不在同一條母線上的A(x a, yA, zA)、B(xb, yB, zB)、C(xc, yc, zc) 三點，根據公式：^確定相貫線模型的主管坐標系 (Xc-X0) +(Zc-Z0) =(Xb-Xg) +(Z5-Z0) 原點Ou(Xt), y〇, Zci)中的Xci、Zci坐標，根據公式R = ^jix i -X0)2 +(z , -Z0)2獲得主管半徑R ;根 據公式： OuO2' = X0-Xor =R sin Φ cos2 ψ(χ4 -Xr!)2 +(y4- Vn)2 =Cos2 ψ(χ" -Xr!)2 +(νΒ - νη)2 /二 ，/二 。2求出相貫線模型的主管坐標系 COS- ψ(χ€ -X0)-+(yc -V0)- =COS- ψ{χΒ -X0 y +(yB -y0) 坐標原點Ou(Xt), y。, zQ)的yQ，以及扭轉角度Φ。
【專利摘要】本發明公開了一種面向激光加工機器人的管道插接相貫線軌跡規劃方法。該方法通過激光加工機器人激光頭軸線與工件曲面法向矢量的重合來保證激光加工頭與工件表面保持垂直姿態，方法建立了管道插接相貫線切割時激光加工頭位置和姿態的數學模型，并得到激光加工機器人切割相貫線時末關節坐標系相對于機器人基坐標系的齊次變換矩陣，最后通過確定相貫線軌跡的位置插補算法來實現對相貫線位置的快速標定。該軌跡規劃方法可以有效地控制激光加工機器人在相貫線切割時激光頭的位置和姿態，相比于傳統的軌跡規劃方法，本發明提供的軌跡規劃方法可以極大地節省運動控制器軌跡規劃的運算時間，從而提高系統整體的響應速度。
【IPC分類】B25J13-00, B23K26-38
【公開號】CN104827479
【申請號】CN201510249029
【發明人】劉想德, 張毅, 唐賢倫, 羅元, 李彥
【申請人】重慶郵電大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月15日