焊接机器人的摆动焊接轨迹规划策略研究_杨亮亮.pdf

第4 1卷 第1期2 0 2 3年1月MA CH I N E R Y&E L E C T R ON I C SV o l.4 1N o.1J a n.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2 0 7 2 9基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(L Y 1 8 E 0 5 0 0 1 6)作者简介:杨亮亮(1 9 7 8-),男,湖北荆门人,博士,副教授,硕士研究生导师,研究方向为高速高精度运动控制;方世坛(1 9 9 7-),男,浙江温州人,硕士研究生,研究方向为多轴运动控制。焊接机器人的摆动焊接轨迹规划策略研究杨亮亮,方世坛(浙江理工大学机械工程学院,浙江 杭州3 1 0 0 1 8)摘 要:基于机器人空间直线插补和圆弧插补算法,设计了时间最优的空间直线摆焊轨迹和圆弧摆焊轨迹规划的策略,并于MA T L A B软件中完成验证路径算法。最后通过由V S 2 0 1 9搭建的上位机示教软件、基于S TM 3 2 H 7平台设计的运动控制卡和S C A R A机器人平台组成的控制系统,验证了算法的可靠性和准确性。实验结果表明,用户可以通过示教焊接机器人的方式获取空间摆焊的参数,并且机器人能够根据获取的参数在限定的轨迹上进行较为高效的空间直线摆焊运动和空间圆弧摆焊运动,具有一定的实际意义和参考价值。关键词:焊接路径规划;MAT L A B;轨迹规划;运动控制系统中图分类号:T P 2 4 2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1 2 2 5 7(2 0 2 3)0 1 0 0 3 9 0 7R e s e a r c ho nS w i n gW e l d i n gT r a j e c t o r yP l a n n i n gS t r a t e g yo fW e l d i n gR o b o tY A N GL i a n g l i a n g,F A N GS h i t a n(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,Z h e j i a n gS c i T e c hU n i v e r s i t y,H a n g z h o u3 1 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:As t r a t e g yf o r t i m e o p t i m a l s p a t i a l l i n e a ra n dc i r c u l a ra r c i n t e r p o l a t i o nt r a j e c t o r yp l a n n i n gi sd e s i g n e db a s e do nt h es p a t i a l l i n e a ra n dc i r c u l a r a r c i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m so f t h e r o b o t,a n dt h ev e r i f i-c a t i o np a t ha l g o r i t h mi sc o m p l e t e d i nMAT L A Bs o f t w a r e.F i n a l l y,t h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo f t h ea l g o-r i t h m sa r ev e r i f i e db y t h e c o n t r o l s y s t e mc o n s i s t i n go f t h eu p p e r c o m p u t e rd e m o n s t r a t i o ns o f t w a r eb u i l tb yV S 2 0 1 9,t h em o t i o nc o n t r o l c a r dd e s i g n e db a s e do nS TM 3 2 H 7p l a t f o r ma n dt h eS C A R Ar o b o tp l a t f o r m.T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h eu s e rc a no b t a i nt h ep a r a m e t e r so fs p a t i a lp e n d u l u m w e l d i n gb yt e a c h i n gt h ew e l d i n gr o b o t,a n dt h er o b o tc a np e r f o r m m o r ee f f i c i e n ts p a t i a l l i n e a rp e n d u l u m w e l d i n gm o-t i o na n ds p a t i a l c i r c u l a ra r cp e n d u l u m w e l d i n gm o t i o no nt h el i m i t e dt r a j e c t o r ya c c o r d i n gt ot h eo b t a i n e dp a r a m e t e r s,w h i c hh a sc e r t a i np r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ea n dr e f e r e n c ev a l u e.K e yw o r d s:w e l d i n gp a t hp l a n n i n g;MAT L A B;t r a c kp l a n n i n g;m o t i o nc o n t r o l s y s t e m0 引言焊接机器人作为通用工业机器人,在机械制造生产中起到了重要的作用,如在汽车制造业、造船业和航空航天行业1等行业中焊接机器人极大地提升了生产效率。运行效率是工业生产的重要指标之一,因此,焊接机器人想要进行高效简明的运动则需要有合适的焊接路径和轨迹规划算法,焊接机器人的路径轨迹规划指的是在始末位置和示教位置已知的前提下规划焊接的路径。对于焊接轨迹规划,早在1 9 9 7年A b d e l M a l e k和Y e h2提出了一种数学分析计算方法来验证机械臂在空间运行轨迹的准确性和完整性,确保机械臂焊接过程和焊缝的完整;1 9 9 9年,Wu r l l等3提出了六自由度工业机器人点到点轨迹规划的最优轨迹规划方法,进一步提高了焊接机器人的焊接效率;2 0 0 6年,王晓932 0 2 3(1)峰4提出将弧焊机器人焊接姿态与焊接工艺参数联合进行焊接轨迹规划的方法;2 0 1 1年,陈鲁刚等5通过A D AM S软件求解焊接机器人的逆运动学,为焊接机器人的轨迹规划提供了一条快捷的途径。焊接轨迹涉及到多阶段轨迹的连续性和稳定性,因此在完成路径规划之后,轨迹规划仍需要考量最优轨迹的情况,即在多段焊接轨迹中运行效率最优的情况。最优轨迹规划的优化指标主要有能量 最 优 和 时 间 最 优2种。在 能 量 最 优 方 面,H i r a k a w a于1 9 9 6年采用了变分法和B样条曲线法,对焊接机器人系统消耗的能量进行了最优化处理。在实际应用中出于工艺生产效率的需求,时间最优的轨迹规划的研究要更加热门。在时间最优方面,C h e n等6提出了一种基于机器人在位置、速度、加速 度和二阶加 速 度 方 面 的 运 动 学 约束;在相同的运动学约束下,B a z a z等7等也提出了相似的规划方法,但他们用带有光滑转折的折线将关节空间中的关键点连接到一起;2 0 2 1年,李龙辉等8提出并验证了四阶多项式速度曲线为稳态时间和残余振动最优的多项式速度曲线,上述文献在点到点的轨迹规划和多阶段轨迹中优化了算法,提升了运行效率,但在摆动焊接实际运用中需要保证多阶段轨迹的精确度,不能采用转角圆弧化过渡的方式。因此,本文基于嵌入式S TM 3 2 H 7平台和V S 2 0 1 9平台开发焊接机器人控制系统,设计了空间直线摆焊和空间圆弧摆焊的算法,为用户操控焊接机器人完成空间摆动焊接功能提供了一种方案。1 焊接工艺路径规划策略机器人的焊接轨迹规划包含路径规划和轨迹规划2部分,在进行轨迹规划的前提下首先要对末端的路径规划策略进行研究。进行路径规划之前,对机器人插补运动的方法进行概述。焊接机器人的轨迹插补包含了位置、速度和加速度的插补,在文献9 中提出了笛卡尔空间下的直线插补方法和圆弧插补方法,机器人的姿态和位置采用等时插补1 0的方式将起点至终点的位姿均分至每个插补点上,这样即可获得空间直线和空间圆弧的插补轨迹。在插补理论的基础上,焊接工艺路径规划是基于已知轨迹和用户通过示教选定的参数来自动规划焊接路径,焊接工艺针对焊缝的路线分成直线摆焊和圆弧摆焊,本文主要针对这2种摆焊路线设计策略。1.1 空间直线摆焊路径规划策略空间直线摆焊是在用户已经给以机器人运动范围内的空间起点和终点的前提下,用户通过操作机器人至示教点以获取焊接轨迹的参数,根据设计的算法从起点开始根据已知参数计算下一个点并且运动,机器人循环运动直至到预设的终点为止。直线摆焊的路径规划策略如图1所示。PsPcalP PecalPeT4图1 直线摆焊路径规划图1中,Ps为空间直线运动的起点,Pe为空间直线运动的终点,PsPe为空间直线摆焊添加焊接工艺的预设路径,Pc a l为用户示教机器人运动的参数计算点,获取参数计算点之后首先要判断3点是否共线,接着通过3点可以确定空间直线摆焊工艺的路径轨迹平面,将终点Pe至示教点Pc a l的向量PePc a l作为用户根据需求获取焊接参数的参数,计算的参数包括焊接长度PePc a l、周期T4(长度)、范围长度PsPe,在计算得到这些参数之后,空间直线焊接路径规划流程由以下几步组成,首先根据罗德里格旋转公式将PePc a l绕向量PsPe的单位向量旋转1 8 0 可以得到旋转后的向量Vr o t,罗德里格公式如图2所示,v为待旋转向量,k为旋转轴的单位向量,Vr o t为v绕旋转轴k根据右手螺旋定则旋转角度之后得到。其次得到旋转向量Vr o t之后将PePc a l和Vr o t分别取反向量。接着根据已知的参数,从起点开始根据索引依次计算焊接轨迹的运动中间点。最后可以得到图3中的焊接轨迹。krotw图2 罗德里格旋转示意图04杨亮亮等:焊接机器人的摆动焊接轨迹规划策略研究智能制造直线摆焊路径规划过程可以分为起始阶段t1、中间阶段t2和结束阶段t3。起始阶段t1是以起点Ps作为运动的起始点,用计算出的向量作为参数计算出空间中的P1点,并且结合空间直线插补的方式运动到P1点,接着以P1为起点进入中间阶段t2,根据向量按照顺序依次周期计算运动直到运动到未满1个周期的情况,以图3为示例就是P7点处。P2P4P6P8P7P5P3P1t1PsPet2t3P9图3 空间直线焊接轨迹最后进入结束阶段t3,在t3阶段由于经过t1和t2阶段之后,范围长度PsPe剩下的长度不满1个周期,就要根据剩余范围长度,如图4所示,P7点作为t2阶段结束时的终点,同时也作为t3阶段的起点,分以下几种情况进行讨论:a.当剩余范围长度小于长度周期T4时(如终点Pe位于Pe 1的位置),t3阶段焊接路径直接由P7点运动到终点Pe 1的位置,运动轨迹由P7、Pe 12点之间的线段组成。b.当剩余范围长度大于长度周期T4而小于T2时,如终点Pe位于Pe 2处,则需要计算剩余范围长度与长度周期T2的倍数关系,通过倍数关系与向量的乘积来求取点P8,再运动到终点Pe 2处,此时运动轨迹由P7、P8、Pe 23点之间的线段组成。c.当剩余范围长度大于长度周期T2而小于3T4时