基于示教機器人的空間圓弧插補焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于示教機器人的空間圓弧插補焊接方法，包括：預(yù)設(shè)工件上任意空間圓弧上的任意三個點坐標(biāo)值；根據(jù)三個點的坐標(biāo)值確定與空間圓弧的坐標(biāo)系、空間圓弧對應(yīng)的空間圓的圓心、半徑；根據(jù)機器人在工件坐標(biāo)系下示教起始點的滾動角、俯仰角以及偏轉(zhuǎn)角計算得到機器人在工件坐標(biāo)系下的姿態(tài)矩陣；將姿態(tài)矩陣轉(zhuǎn)換為空間圓弧坐標(biāo)系下的初始矩陣；根據(jù)空間圓弧對應(yīng)空間圓的圓心角確定初始矩陣繞空間圓弧坐標(biāo)系的Z軸的旋轉(zhuǎn)矩陣；根據(jù)初始矩陣以及旋轉(zhuǎn)矩陣確定機器人插補圓弧的目標(biāo)矩陣；將目標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)換為工件坐標(biāo)系下的插補矩陣；機器人根據(jù)插補矩陣進行圓弧插補焊接空間圓弧。本發(fā)明操作方法簡單，加工精度可控，加工效率高。
【專利說明】
基于示教機器人的空間圓弧插補焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明實施例涉及機器人運動控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于示教機器人的空間圓 弧插補焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 工業(yè)機器人由IS08373[1]定義為自動控制，可編程，多用途的具有三個以上可編 程軸的機器。機器人領(lǐng)域的工作為研究、設(shè)計和在制造中應(yīng)用機器人系統(tǒng)。典型的應(yīng)用包括 焊接機器人、噴漆，裝配，拾取和放置(如包裝、碼垛、SMT)，產(chǎn)品檢驗和測試。機器人以高耐 力，高速度和高精度完成所有的工作。具有記憶再現(xiàn)功能的機器人。操作者預(yù)先進行示教， 示教再現(xiàn)機器人記憶有關(guān)作業(yè)程序、位置及其他信息，然后按照再現(xiàn)指令，逐條取出解讀， 在一定精度范圍內(nèi)重復(fù)被示教的程序，完成工作任務(wù)。采用示教再現(xiàn)（te-aching/ playback)方式(簡稱T/P方式），可使機器人具有通用性和靈活性。示教有直接示教和間接 示教兩種方法。直接示教是操作人員使用插入機器人手臂內(nèi)的操作桿，按給定運動順序示 教動作內(nèi)容，機器人自動把順序、位置和時間等具體數(shù)值記錄在存儲器中。再現(xiàn)時，依次讀 出存儲的信息，重復(fù)示教的動作過程。間接示教是采用示教盒(或稱示教器)示教。操作者通 過示教盒按鍵操縱完成空間作業(yè)軌跡點及其有關(guān)速度等信息的示教，然后用操作盤對機器 人語言命令進行用戶工作程序的編輯，并存儲在示教數(shù)據(jù)區(qū)。再現(xiàn)時，機器人的計算機控制 系統(tǒng)自動逐條取出示教命令與位置數(shù)據(jù)，進行解讀、運算并作出判斷，將各種控制信號送到 相應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)或端口，使機器人忠實地再現(xiàn)示教動作。因此，T/P方式是用自動化機械代 替人工作業(yè)的最直接的方法。教再現(xiàn)機器人主要用于汽車制造、機械加工等行業(yè)，在非制造 業(yè)如電子工業(yè)、食品工業(yè)等也有應(yīng)用。
[0003] 目前科德機器人進行圓柱體低緣弧焊時主要使用示教方法，這就需要操作人員操 作機器人，使工具中心點（TCP)遍歷空間圓上的若干點，得到若干個小直線段來逼近圓弧。 導(dǎo)致工作效率低下，精度不容易控制，加工效率較低等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明實施例提供一種基于示教機器人的空間圓弧插補焊接方法，以克服上述技 術(shù)問題。
[0005] 本發(fā)明提供一種基于示教機器人的空間圓弧插補焊接方法，包括：
[0000]預(yù)設(shè)工件上任意空間圓弧上的任意三個點坐標(biāo)值，所述三個點包括:起始點、中間 點以及結(jié)束點；
[0007] 根據(jù)所述三個點的坐標(biāo)值確定與所述空間圓弧的坐標(biāo)系、所述空間圓弧對應(yīng)的空 間圓的圓心、半徑；
[0008] 根據(jù)機器人在所述工件坐標(biāo)系下示教所述起始點的滾動角、俯仰角以及偏轉(zhuǎn)角計 算得到機器人在所述工件坐標(biāo)系下的姿態(tài)矩陣；
[0009] 將所述姿態(tài)矩陣轉(zhuǎn)換為空間圓弧坐標(biāo)系下的初始矩陣；
[0010] 根據(jù)所述空間圓弧對應(yīng)空間圓的圓心角確定所述初始矩陣繞所述空間圓弧坐標(biāo) 系的Z軸的旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0011] 根據(jù)所述初始矩陣以及所述旋轉(zhuǎn)矩陣確定所述機器人插補所述圓弧的目標(biāo)矩陣；
[0012] 將所述目標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)換為工件坐標(biāo)系下的插補矩陣；
[0013] 所述機器人根據(jù)所述插補矩陣進行圓弧插補焊接所述空間圓弧。
[0014] 進一步地，所述三個點的坐標(biāo)值確定與所述空間圓弧的坐標(biāo)系、所述空間圓弧對 應(yīng)的空間圓的圓心、半徑，包括：
[0015]根據(jù)所述任意三個點的坐標(biāo)值計算得到三個點對應(yīng)的矢量值；
[0016] 根據(jù)所述矢量值采用海倫公式計算得到三個點構(gòu)成的三角形的面積；
[0017] 根據(jù)所述三角形的面積求得所述三角形的外接圓半徑；
[0018] 采用起始點對應(yīng)的矢量值作為空間圓弧坐標(biāo)系的X軸、圓弧所在平面的法矢作為 所述空間圓弧坐標(biāo)系的Z軸構(gòu)建所述三個點對應(yīng)的圓弧在所述空間圓弧坐標(biāo)系以及所述圓 弧坐標(biāo)系的矩陣；
[0019] 設(shè)定所述圓弧為劣弧，求取所述三角形的外接圓圓心坐標(biāo)；
[0020] 判斷中間點與所述圓心之間的距離是否等于所述外接圓半徑，若是，則保存所述 圓心坐標(biāo)，若否，則按照所述圓弧為優(yōu)弧求取所述三角形的外界圓圓心坐標(biāo)。
[0021] 進一步地，所述根據(jù)所述起始點與結(jié)束點對應(yīng)空間圓的圓心角以及所述旋轉(zhuǎn)矩陣 確定所述機器人插補所述圓弧的目標(biāo)矩陣，包括：
[0022] 根據(jù)機器人的前端在空間圓弧上運行的線速度和所述空間圓半徑計算插補所述 圓弧的角速度；
[0023]根據(jù)所述角速度計算每個插補周期所對應(yīng)的圓心角；
[0024] 根據(jù)所述圓心角構(gòu)建空間圓弧坐標(biāo)系下繞z軸的目標(biāo)矩陣。
[0025] 本發(fā)明方法操作簡單，加工精度可控，加工效率高，能夠改善普通示教法的不足之 處。
【附圖說明】
[0026] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā) 明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027] 圖1為本發(fā)明基于示教機器人的空間圓弧插補焊接方法流程圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明計算空間圓弧所在的坐標(biāo)系、計算圓弧的半徑和圓心坐標(biāo)流程圖；
[0029] 圖3為本發(fā)明用滾動角、俯仰角以及偏轉(zhuǎn)角計算機器人的初始工件坐標(biāo)系流程圖；
[0030] 圖4為本發(fā)明根據(jù)圓心角計算對應(yīng)的目標(biāo)坐標(biāo)系流程圖；
[0031] 圖5為本發(fā)明根據(jù)圓心角計算點到圓弧起點的矢量流程圖；
[0032] 圖6為本發(fā)明基于示教機器人的空間圓弧插補焊接方法另一流程圖。
【具體實施方式】
[0033]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例 中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是 本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0034]圖1為本發(fā)明基于示教機器人的空間圓弧插補焊接方法流程圖，本實施例方法，包 括：
[0035]步驟101、預(yù)設(shè)工件上任意空間圓弧上的任意三個點坐標(biāo)值，所述三個點包括:起 始點、中間點以及結(jié)束點；
[0036] 步驟102、根據(jù)所述三個點的坐標(biāo)值確定與所述空間圓弧的坐標(biāo)系、所述空間圓弧 對應(yīng)的空間圓的圓心、半徑；
[0037] 步驟103、根據(jù)機器人在所述工件坐標(biāo)系下示教所述起始點的滾動角、俯仰角以及 偏轉(zhuǎn)角計算得到機器人在所述工件坐標(biāo)系下的姿態(tài)矩陣；
[0038] 具體來說，在初始狀態(tài)下可以得到起始點處在工件坐標(biāo)系下的滾動角、俯仰角以 及偏轉(zhuǎn)角(此11、？^(^11^、￥&"即，以下簡稱1^￥角），根據(jù)這些滾動角、俯仰角以及偏轉(zhuǎn)角 可以計算得到機器人的初始坐標(biāo)系Μτ。如圖3所示。
[0039] 設(shè)RPY角分別為A，Β，C，則可以得：
[0040]
[0041] 步驟104、將所述姿態(tài)矩陣轉(zhuǎn)換為空間圓弧坐標(biāo)系下的初始矩陣；
[0042]具體來說，計算得到Μτ后，由于Μτ是在全局下的工具坐標(biāo)系，需要將其轉(zhuǎn)換到空間 圓弧所在的坐標(biāo)系Me下得至IjMc下的初始坐標(biāo)系Me13=ΜτΜΛ=MtMtc。
[0043] 步驟105、根據(jù)所述空間圓弧對應(yīng)空間圓的圓心角確定所述初始矩陣繞所述空間 圓弧坐標(biāo)系的Z軸的旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0044] 具體來說，矢量繞Z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換矩陣為Mz，設(shè)繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度為γ，則有
[0045]
[0046] 在插補過程中，使γ等于圓弧旋轉(zhuǎn)插補過程中得到的圓心角，使用Me13繞Ζ軸旋轉(zhuǎn)γ 角度，得到每個插補點處的矩陣Ma = MAfe，再經(jīng)過變換得到工件坐標(biāo)系下的目標(biāo)矩陣Μα = MaMc〇
[0047] 步驟106、根據(jù)所述初始矩陣以及所述旋轉(zhuǎn)矩陣確定所述機器人插補所述圓弧的 目標(biāo)矩陣；
[0048] 步驟107、將所述目標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)換為工件坐標(biāo)系下的插補矩陣；
[0049] 步驟108、所述機器人根據(jù)所述插補矩陣進行圓弧插補焊接所述空間圓弧。
[0050] 進一步地，所述三個點的坐標(biāo)值確定與所述空間圓弧的坐標(biāo)系、所述空間圓弧對 應(yīng)的空間圓的圓心、半徑，包括：
[0051 ]根據(jù)所述任意三個點的坐標(biāo)值計算得到三個點對應(yīng)的矢量值；
[0052]根據(jù)所述矢量值采用海倫公式計算得到三個點構(gòu)成的三角形的面積；
[0053] 根據(jù)所述三角形的面積求得所述三角形的外接圓半徑；
[0054] 采用起始點對應(yīng)的矢量值作為空間圓弧坐標(biāo)系的X軸、圓弧所在平面的法矢作為 所述空間圓弧坐標(biāo)系的Z軸構(gòu)建所述三個點對應(yīng)的圓弧在所述空間圓弧坐標(biāo)系以及所述圓 弧坐標(biāo)系的矩陣；
[0055]設(shè)定所述圓弧為劣弧，求取所述三角形的外接圓圓心坐標(biāo)；
[0056]判斷中間點與所述圓心之間的距離是否等于所述外接圓半徑，若是，則保存所述 圓心坐標(biāo)，若否，則按照所述圓弧為優(yōu)弧求取所述三角形的外界圓圓心坐標(biāo)。
[0057]具體來說，如圖2所示，預(yù)設(shè)工件上任意空間圓弧上的任意三個點，可以通過示教 功能來實現(xiàn)。從而確定工件坐標(biāo)系下三個點P1、P2、P3的坐標(biāo)，這樣就可以在工件坐標(biāo)系下 確定對應(yīng)該三個點的空間圓弧。所述空間圓弧的坐標(biāo)系、所述空間圓弧對應(yīng)的空間圓的圓 心、半徑。本實施例中選定該圓弧為順時針圓弧，并在此前提條件下，計算該圓所的坐標(biāo)系， 以及在這個坐標(biāo)系下的圓心坐標(biāo)值和圓的半徑。在一個平面上的圓，不論它是順時針和逆 時針，總可以找到一個坐標(biāo)系，使這個圓在這個坐標(biāo)系中是順時針。
[0058] 首先確定圓弧所在的坐標(biāo)系
在Me坐標(biāo)系下存在兩種情況，一種是劣弧，一種是優(yōu)弧。
[0059] 如圖5所示，在工件坐標(biāo)系中，由三點坐標(biāo)可得第三點到第一點的矢量為朽，第二 點到第一點的矢量為，第三點到第二點的矢量為6。
[0060] 則三角形面積由海倫公式可以求得S:
[0061]
[0062]
[0063] 得到外接圓半徑R后，根據(jù)該外接圓半徑的求得圓心坐標(biāo)。在Me坐標(biāo)系下如果為劣 弧狀態(tài)，圓心的坐標(biāo)為
[0064]
[0065] 如果是優(yōu)弧狀態(tài)，圓心坐標(biāo)為
[0066]
[0067]本實施例中默認為劣弧情況計算圓心坐標(biāo)PC，然后再檢測第二點到圓心的距離是 否等于半徑，如果不等于則實際情況為優(yōu)弧狀態(tài)，然后修改圓心坐標(biāo)以滿足實際情況。圓弧 插補直接在坐標(biāo)系下進行，計算得到插補點后再轉(zhuǎn)換到工件坐標(biāo)系下輸出。
[0068] 進一步地，所述根據(jù)所述起始點與結(jié)束點對應(yīng)空間圓的圓心角以及所述旋轉(zhuǎn)矩陣 確定所述機器人插補所述圓弧的目標(biāo)矩陣，包括：
[0069] 根據(jù)機器人的前端在空間圓弧上運行的線速度和所述空間圓半徑計算插補所述 圓弧的角速度；
[0070] 根據(jù)所述角速度計算每個插補周期所對應(yīng)的圓心角；
[0071] 根據(jù)所述圓心角構(gòu)建空間圓弧坐標(biāo)系下繞z軸的目標(biāo)矩陣。
[0072]舉例說明，如圖6所示，設(shè)三個點坐標(biāo)依次分別為[10，10，0 ]、[ 20，20，10 ]、[ 30，10， 0]，可以構(gòu)建得到經(jīng)過點P1、點P2、點P3的順時針圓弧所在坐標(biāo)系為
[0073]
[0074] 該圓弧半徑根據(jù)公式計算得到R=10.6066。
[0075] 在MC坐標(biāo)系下按照假設(shè)圓弧為劣弧可以求得圓弧的圓心坐標(biāo)為：
[0076] PC=[10,-3.53553,0]
[0077] 點[20,20，10]經(jīng)過計算：
[0078] [Χ2-Χι Υ2-Υι Ζ2-Ζι] · McT= [ 10,10,10] · McT
[0079] 以求出在MC坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值為[10，14.1421,0]，可求得該點與圓心距離為 17.67763,與求出的圓弧半徑不吻合，那么認為當(dāng)前圓弧為優(yōu)弧，圓心坐標(biāo)改為：
[0080] PC=[10,3.53553,0]
[0081 ] 經(jīng)過驗證，和求出的圓弧半徑相吻合。
[0082]如圖4所示，設(shè)給定進給值F = 2000mm/min，系統(tǒng)插補周期為2ms，則F值轉(zhuǎn)換單位為 0.033mm/ms，對應(yīng)角速度為0.033/10.6066 = 0.003弧度/ms，可以得到每個插補周期圓心角 增加的度數(shù)為A0 = (〇.〇〇3*18〇/Pi)°。這樣可以求得在插補過程中，任意時刻處在圓弧上 插補的點距離起始點的圓心角
[0083] γ = ΔΘ*Τ。
[0084] 根據(jù)圓心角γ建立旋轉(zhuǎn)矩陣
[0085] 則可以根據(jù)公式（1)和(2)求出圓弧插補過程中任意時刻的在全局坐標(biāo)下的目標(biāo) 矩陣為：
[0086] Ma=MxMTcMzMc
[0087] 最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制;盡 管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依 然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進 行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù) 方案的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于示教機器人的空間圓弧插補焊接方法，其特征在于，包括： 預(yù)設(shè)工件上任意空間圓弧上的任意三個點坐標(biāo)值，所述三個點包括:起始點、中間點以 及結(jié)束點； 根據(jù)所述三個點的坐標(biāo)值確定與所述空間圓弧的坐標(biāo)系、所述空間圓弧對應(yīng)的空間圓 的圓心、半徑； 根據(jù)機器人在所述工件坐標(biāo)系下示教所述起始點的滾動角、俯仰角以及偏轉(zhuǎn)角計算得 到機器人在所述工件坐標(biāo)系下的姿態(tài)矩陣； 將所述姿態(tài)矩陣轉(zhuǎn)換為空間圓弧坐標(biāo)系下的初始矩陣； 根據(jù)所述空間圓弧對應(yīng)空間圓的圓心角確定所述初始矩陣繞所述空間圓弧坐標(biāo)系的Z 軸的旋轉(zhuǎn)矩陣； 根據(jù)所述初始矩陣以及所述旋轉(zhuǎn)矩陣確定所述機器人插補所述圓弧的目標(biāo)矩陣； 將所述目標(biāo)矩陣轉(zhuǎn)換為工件坐標(biāo)系下的插補矩陣； 所述機器人根據(jù)所述插補矩陣進行圓弧插補焊接所述空間圓弧。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述三個點的坐標(biāo)值確定與所述空間圓弧 的坐標(biāo)系、所述空間圓弧對應(yīng)的空間圓的圓心、半徑，包括： 根據(jù)所述任意三個點的坐標(biāo)值計算得到三個點對應(yīng)的矢量值； 根據(jù)所述矢量值采用海倫公式計算得到三個點構(gòu)成的三角形的面積； 根據(jù)所述三角形的面積求得所述三角形的外接圓半徑； 采用起始點對應(yīng)的矢量值作為空間圓弧坐標(biāo)系的X軸、圓弧所在平面的法矢作為所述 空間圓弧坐標(biāo)系的Z軸構(gòu)建所述三個點對應(yīng)的圓弧在所述空間圓弧坐標(biāo)系以及所述圓弧坐 標(biāo)系的矩陣； 設(shè)定所述圓弧為劣弧，求取所述三角形的外接圓圓心坐標(biāo)； 判斷中間點與所述圓心之間的距離是否等于所述外接圓半徑，若是，則保存所述圓心 坐標(biāo)，若否，則按照所述圓弧為優(yōu)弧求取所述三角形的外界圓圓心坐標(biāo)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述起始點與結(jié)束點對應(yīng)空間圓 的圓心角以及所述旋轉(zhuǎn)矩陣確定所述機器人插補所述圓弧的目標(biāo)矩陣，包括： 根據(jù)機器人的前端在空間圓弧上運行的線速度和所述空間圓半徑計算插補所述圓弧 的角速度； 根據(jù)所述角速度計算每個插補周期所對應(yīng)的圓心角； 根據(jù)所述圓心角構(gòu)建空間圓弧坐標(biāo)系下繞z軸的目標(biāo)矩陣。
【文檔編號】B23K9/235GK105855672SQ201610367775
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】劉沛, 林猛, 董大鵬, 潘峰, 程浩
【申請人】科德數(shù)控股份有限公司