基于激光扫描的自适应相贯线焊缝多层多道路径规划.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月林 业 机 械 与 木 工 设 备 .研究与设计基于激光扫描的自适应相贯线焊缝多层多道路径规划程晓飞 周玲玲 王妍玮 李 军(.苏州华兴源创科技股份有限公司江苏 苏州.哈尔滨石油学院黑龙江 哈尔滨.黑龙江科技大学黑龙江 哈尔滨)摘 要:实际生产中管管相贯的多层多道焊接任务存在工件一致性、焊缝位置差异、热变形影响等因素给轨迹规划带来偏差的难题开发了一种四自由度焊接机器人并提出了一种无需建立工件坐标系的基于激光测距传感器的关键点变位姿扫描加轨迹拟合插补的多层多道路径动态规划方法 首先对机器人结构合理简化建立了 连杆坐标系通过齐次变化矩阵推导了机器人的运动学正解和逆解方程 接着
2、制定了等分旋转每道等间隔逐层扫描规则机器人焊枪携带激光测距传感器对相贯线焊缝轨迹上的若干点进行扫描并在误差允许的范围内采用修正的等距切线法及欧拉角线性插值实现了无需纠偏的轨迹动态规划 通过试验验证焊缝成型美观饱满致密能自适应非一致性焊缝可以满足工程领域大批量非标准工件的相贯线焊接质量要求关键词:相贯线焊缝激光扫描轨迹规划自适应中图分类号:.文献标识码:文章编号:()/(.):/./.收稿日期:第一作者简介:程晓飞工程师硕士主要从事机器人设计及控制方面的研究:.通讯作者:李军讲师硕士主要从事机器人技术及增材制造方面的研究:.林业机械与木工设备第 卷 .:管道连接形成的空间马鞍形相贯焊缝广泛存在于
3、核电、航空航天、压力容器等行业中由于行业的特殊性对焊接质量要求非常严格 由于空间曲面相贯线焊缝的复杂性目前针对这种结构的专用焊接机器人还很少主要通过手工焊接工人劳动强度大、效率低且焊接质量及稳定性难以保证 危文灏学者提出了六轴机器人加旋倾变位机协调运动通过离线编程的技术进行多层多道轨迹规划的解决方案 然而在焊接同一种类型的焊缝时工件尺寸规格可能存在差异且需要重复装夹导致焊缝位置差异并且随着焊接层数的增加热输入的大量累积会使工件产生较大的热变形导致预先规划的离线轨迹与实际焊接状态下的焊缝位置产生偏差焊接质量难以保证为了提高焊接质量与稳定性增强相贯线焊接轨迹的自适应性本文设计了一种四自由度焊接机器
4、人携带激光测距传感器进行变位姿等间隔逐层扫描并通过位姿插补实现焊接路径的动态规划由于无需建立工件坐标系可解决工件及焊缝位置一致性差的问题且焊接完一层扫描一层提高了轨迹的精度 通过制作样机进行焊接实验观察焊接效果和焊道成形验证了方案的可行性及相关算法的正确性 四轴机器人运动学模型.机器人连杆坐标系建立机器人本体结构由两个旋转关节和两个移动关节组成机器人末端关节上安装有焊枪和激光测距传感器 通过旋转运动机构(一轴)完成支管的圆周焊接通过升降运动机构(二轴)完成相贯线焊缝上焊点位置高低不同变化的调整通过横向进给机构(三轴)完成支管不同半径大小的控制三个运动机构联动生成空间相贯线焊缝的位置轨迹 同时通
5、过焊枪摆动机构(四轴)对焊枪姿态实时调整保证焊缝的焊接质量根据标准 参数法将关节旋转或平移的方向设为 轴正方向为每个杆件建立坐标系如图 所示其中连杆坐标系初始位置与基坐标系重合图 机器人连杆坐标系布局根据图 可以很直观的建立 参数表 表中 为关节变量 为连杆转角 为连杆长度 为相邻关节间的连杆偏距表 机器人各连杆 参数连杆/范围 .机器人运动学正解正运动学求解是在确定机械臂的初始参数(连杆转角连杆偏距连杆长度)的情况下通过关节变量运用坐标转换的思想将末端关节的位姿在基坐标系表示出来 根据 参数表可得末端关节第 期程晓飞等:基于激光扫描的自适应相贯线焊缝多层多道路径规划坐标系在基坐标系下的位姿矩
6、阵为:()()()()焊枪坐标系在末端关节坐标系下的位姿矩阵为:()将上式相乘可得焊枪工具坐标系在基坐标系下的位姿表达矩阵为:()式中:()()().机器人运动学逆解逆运动学求解是通过给定工具坐标系相对于基坐标系的位姿矩阵来得到各个关节变量的关节值 设焊枪末端在基坐标系下的位姿矩阵为:()根据机器人正运动学可得:()式中:()将式()左乘 的逆矩阵可得:()式中:利用式()和式()相等并通过三角代换可得:(/)()()()式中:由逆运动学解可得 具有 组解由于采用的是 焊接工艺焊接过程中焊丝必须在焊枪运动方向前方因此可确定一轴只能顺时针旋转(值均取正)并通过判断 轴的姿态可确定一轴位于哪个象限
7、 至此四个关节轴的值均已求得 变位姿扫描策略.传感器坐标系建立激光位移传感器是利用激光反射技术测量距离数据的传感器由激光发生器、光学检测器和测量电路等基本部分组成能够精确地测量非接触的被测物体与传感器之间距离的变化 本文采用基于三角测量法的基恩士公司激光测距传感器 该传感器的技术参数如下表所示表 传感器参数表光源红色半导体激光基准距离/参考距离/光斑范围/采样周期/为了将激光测距传感器测得的距离信息转化为三维空间信息在传感器物理原点位置处建立坐标系坐标系姿态为了便于计算与焊枪保持一致 传感器坐标系下的扫描点在机器人末端关节坐标系下林业机械与木工设备第 卷的位姿矩阵可表示为:()式中:为测得的距
8、离.每道等间隔逐层扫描扫描方案原理为机器人焊枪携带激光测距传感器对相贯线焊缝轨迹上的若干点进行扫描通过传感器反馈回来的距离信息以及该时刻机器人的关节坐标通过正运动学算法便可以计算出这些路径点的空间位置扫描过程的两个关键问题是传感器扫描轨迹和扫描点数 选择扫描轨迹的首要原则就是简化焊缝点的识别算法并便于计算 根据相贯线形成原理及其几何特征选择传感器扫描轨迹为平面圆形只需使一轴单独回转即可实现激光点在母管表面形成的轨迹即为标准相贯线扫描轨迹示意图如图 所示图 激光器扫描轨迹确定扫描点数需要考虑到实际生产过程中的扫描效率及传感器测量采样频率 扫描点数过多会增加焊缝扫描所花费的时间数量太少会造成焊缝曲
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