基于示教機器人的空間圓弧插補焊接方法
【專利摘要】本發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：預設工件上任意空間圓弧上的任意三個點坐標值；根據三個點的坐標值確定與空間圓弧的坐標系、空間圓弧對應的空間圓的圓心、半徑；根據機器人在工件坐標系下示教起始點的滾動角、俯仰角以及偏轉角計算得到機器人在工件坐標系下的姿態矩陣；將姿態矩陣轉換為空間圓弧坐標系下的初始矩陣；根據空間圓弧對應空間圓的圓心角確定初始矩陣繞空間圓弧坐標系的Z軸的旋轉矩陣；根據初始矩陣以及旋轉矩陣確定機器人插補圓弧的目標矩陣；將目標矩陣轉換為工件坐標系下的插補矩陣；機器人根據插補矩陣進行圓弧插補焊接空間圓弧。本發明操作方法簡單，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
技術領域
[0001] 本發明實施例涉及機器人運動控制領域，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】
[0002] 工業機器人由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。機器人領域的工作為研究、設計和在制造中應用機器人系統。典型的應用包括 焊接機器人、噴漆，裝配，拾取和放置(如包裝、碼垛、SMT)，產品檢驗和測試。機器人以高耐 力，高速度和高精度完成所有的工作。具有記憶再現功能的機器人。操作者預先進行示教， 示教再現機器人記憶有關作業程序、位置及其他信息，然后按照再現指令，逐條取出解讀， 在一定精度范圍內重復被示教的程序，完成工作任務。采用示教再現（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的操作桿，按給定運動順序示 教動作內容，機器人自動把順序、位置和時間等具體數值記錄在存儲器中。再現時，依次讀 出存儲的信息，重復示教的動作過程。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軌跡點及其有關速度等信息的示教，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，并存儲在示教數據區。再現時，機器人的計算機控制 系統自動逐條取出示教命令與位置數據，進行解讀、運算并作出判斷，將各種控制信號送到 相應的驅動系統或端口，使機器人忠實地再現示教動作。因此，T/P方式是用自動化機械代 替人工作業的最直接的方法。教再現機器人主要用于汽車制造、機械加工等行業，在非制造 業如電子工業、食品工業等也有應用。
[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。 導致工作效率低下，精度不容易控制，加工效率較低等問題。
【發明內容】
[0004] 本發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 術問題。
[0005] 本發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]預設工件上任意空間圓弧上的任意三個點坐標值，所述三個點包括:起始點、中間 點以及結束點；
[0007] 根據所述三個點的坐標值確定與所述空間圓弧的坐標系、所述空間圓弧對應的空 間圓的圓心、半徑；
[0008] 根據機器人在所述工件坐標系下示教所述起始點的滾動角、俯仰角以及偏轉角計 算得到機器人在所述工件坐標系下的姿態矩陣；
[0009] 將所述姿態矩陣轉換為空間圓弧坐標系下的初始矩陣；
[0010] 根據所述空間圓弧對應空間圓的圓心角確定所述初始矩陣繞所述空間圓弧坐標 系的Z軸的旋轉矩陣；
[0011] 根據所述初始矩陣以及所述旋轉矩陣確定所述機器人插補所述圓弧的目標矩陣；
[0012] 將所述目標矩陣轉換為工件坐標系下的插補矩陣；
[0013] 所述機器人根據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，所述三個點的坐標值確定與所述空間圓弧的坐標系、所述空間圓弧對 應的空間圓的圓心、半徑，包括：
[0015]根據所述任意三個點的坐標值計算得到三個點對應的矢量值；
[0016] 根據所述矢量值采用海倫公式計算得到三個點構成的三角形的面積；
[0017] 根據所述三角形的面積求得所述三角形的外接圓半徑；
[0018] 采用起始點對應的矢量值作為空間圓弧坐標系的X軸、圓弧所在平面的法矢作為 所述空間圓弧坐標系的Z軸構建所述三個點對應的圓弧在所述空間圓弧坐標系以及所述圓 弧坐標系的矩陣；
[0019] 設定所述圓弧為劣弧，求取所述三角形的外接圓圓心坐標；
[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，若否，則按照所述圓弧為優弧求取所述三角形的外界圓圓心坐標。
[0021] 進一步地，所述根據所述起始點與結束點對應空間圓的圓心角以及所述旋轉矩陣 確定所述機器人插補所述圓弧的目標矩陣，包括：
[0022] 根據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]根據所述角速度計算每個插補周期所對應的圓心角；
[0024] 根據所述圓心角構建空間圓弧坐標系下繞z軸的目標矩陣。
[0025] 本發明方法操作簡單，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明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術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 明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0027] 圖1為本發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為本發明計算空間圓弧所在的坐標系、計算圓弧的半徑和圓心坐標流程圖；
[0029] 圖3為本發明用滾動角、俯仰角以及偏轉角計算機器人的初始工件坐標系流程圖；
[0030] 圖4為本發明根據圓心角計算對應的目標坐標系流程圖；
[0031] 圖5為本發明根據圓心角計算點到圓弧起點的矢量流程圖；
[0032] 圖6為本發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]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是 本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員 在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0034]圖1為本發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、預設工件上任意空間圓弧上的任意三個點坐標值，所述三個點包括:起 始點、中間點以及結束點；
[0036] 步驟102、根據所述三個點的坐標值確定與所述空間圓弧的坐標系、所述空間圓弧 對應的空間圓的圓心、半徑；
[0037] 步驟103、根據機器人在所述工件坐標系下示教所述起始點的滾動角、俯仰角以及 偏轉角計算得到機器人在所述工件坐標系下的姿態矩陣；
[0038] 具體來說，在初始狀態下可以得到起始點處在工件坐標系下的滾動角、俯仰角以 及偏轉角(此11、？^(^11^、￥&"即，以下簡稱1^￥角），根據這些滾動角、俯仰角以及偏轉角 可以計算得到機器人的初始坐標系Μτ。如圖3所示。
[0039] 設RPY角分別為A，Β，C，則可以得：
[0040]
[0041] 步驟104、將所述姿態矩陣轉換為空間圓弧坐標系下的初始矩陣；
[0042]具體來說，計算得到Μτ后，由于Μτ是在全局下的工具坐標系，需要將其轉換到空間 圓弧所在的坐標系Me下得至IjMc下的初始坐標系Me13=ΜτΜΛ=MtMtc。
[0043] 步驟105、根據所述空間圓弧對應空間圓的圓心角確定所述初始矩陣繞所述空間 圓弧坐標系的Z軸的旋轉矩陣；
[0044] 具體來說，矢量繞Z軸旋轉的旋轉轉換矩陣為Mz，設繞Z軸旋轉角度為γ，則有
[0045]
[0046] 在插補過程中，使γ等于圓弧旋轉插補過程中得到的圓心角，使用Me13繞Ζ軸旋轉γ 角度，得到每個插補點處的矩陣Ma = MAfe，再經過變換得到工件坐標系下的目標矩陣Μα = MaMc〇
[0047] 步驟106、根據所述初始矩陣以及所述旋轉矩陣確定所述機器人插補所述圓弧的 目標矩陣；
[0048] 步驟107、將所述目標矩陣轉換為工件坐標系下的插補矩陣；
[0049] 步驟108、所述機器人根據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，所述三個點的坐標值確定與所述空間圓弧的坐標系、所述空間圓弧對 應的空間圓的圓心、半徑，包括：
[0051 ]根據所述任意三個點的坐標值計算得到三個點對應的矢量值；
[0052]根據所述矢量值采用海倫公式計算得到三個點構成的三角形的面積；
[0053] 根據所述三角形的面積求得所述三角形的外接圓半徑；
[0054] 采用起始點對應的矢量值作為空間圓弧坐標系的X軸、圓弧所在平面的法矢作為 所述空間圓弧坐標系的Z軸構建所述三個點對應的圓弧在所述空間圓弧坐標系以及所述圓 弧坐標系的矩陣；
[0055]設定所述圓弧為劣弧，求取所述三角形的外接圓圓心坐標；
[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，若否，則按照所述圓弧為優弧求取所述三角形的外界圓圓心坐標。
[0057]具體來說，如圖2所示，預設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。從而確定工件坐標系下三個點P1、P2、P3的坐標，這樣就可以在工件坐標系下 確定對應該三個點的空間圓弧。所述空間圓弧的坐標系、所述空間圓弧對應的空間圓的圓 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，計算該圓所的坐標系， 以及在這個坐標系下的圓心坐標值和圓的半徑。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系，使這個圓在這個坐標系中是順時針。
[0058] 首先確定圓弧所在的坐標系
在Me坐標系下存在兩種情況，一種是劣弧，一種是優弧。
[0059] 如圖5所示，在工件坐標系中，由三點坐標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，根據該外接圓半徑的求得圓心坐標。在Me坐標系下如果為劣 弧狀態，圓心的坐標為
[0064]
[0065] 如果是優弧狀態，圓心坐標為
[0066]
[0067]本實施例中默認為劣弧情況計算圓心坐標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弧狀態，然后修改圓心坐標以滿足實際情況。圓弧 插補直接在坐標系下進行，計算得到插補點后再轉換到工件坐標系下輸出。
[0068] 進一步地，所述根據所述起始點與結束點對應空間圓的圓心角以及所述旋轉矩陣 確定所述機器人插補所述圓弧的目標矩陣，包括：
[0069] 根據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] 根據所述角速度計算每個插補周期所對應的圓心角；
[0071] 根據所述圓心角構建空間圓弧坐標系下繞z軸的目標矩陣。
[0072]舉例說明，如圖6所示，設三個點坐標依次分別為[10，10，0 ]、[ 20，20，10 ]、[ 30，10， 0]，可以構建得到經過點P1、點P2、點P3的順時針圓弧所在坐標系為
[0073]
[0074] 該圓弧半徑根據公式計算得到R=10.6066。
[0075] 在MC坐標系下按照假設圓弧為劣弧可以求得圓弧的圓心坐標為：
[0076] PC=[10,-3.53553,0]
[0077] 點[20,20，10]經過計算：
[0078] [Χ2-Χι Υ2-Υι Ζ2-Ζι] · McT= [ 10,10,10] · McT
[0079] 以求出在MC坐標系下的坐標值為[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，那么認為當前圓弧為優弧，圓心坐標改為：
[0080] PC=[10,3.53553,0]
[0081 ] 經過驗證，和求出的圓弧半徑相吻合。
[0082]如圖4所示，設給定進給值F = 2000mm/min，系統插補周期為2ms，則F值轉換單位為 0.033mm/ms，對應角速度為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] 根據圓心角γ建立旋轉矩陣
[0085] 則可以根據公式（1)和(2)求出圓弧插補過程中任意時刻的在全局坐標下的目標 矩陣為：
[0086] Ma=MxMTcMzMc
[0087] 最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制;盡 管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依 然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進 行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術 方案的范圍。
【主權項】
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： 預設工件上任意空間圓弧上的任意三個點坐標值，所述三個點包括:起始點、中間點以 及結束點； 根據所述三個點的坐標值確定與所述空間圓弧的坐標系、所述空間圓弧對應的空間圓 的圓心、半徑； 根據機器人在所述工件坐標系下示教所述起始點的滾動角、俯仰角以及偏轉角計算得 到機器人在所述工件坐標系下的姿態矩陣； 將所述姿態矩陣轉換為空間圓弧坐標系下的初始矩陣； 根據所述空間圓弧對應空間圓的圓心角確定所述初始矩陣繞所述空間圓弧坐標系的Z 軸的旋轉矩陣； 根據所述初始矩陣以及所述旋轉矩陣確定所述機器人插補所述圓弧的目標矩陣； 將所述目標矩陣轉換為工件坐標系下的插補矩陣； 所述機器人根據所述插補矩陣進行圓弧插補焊接所述空間圓弧。2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述三個點的坐標值確定與所述空間圓弧 的坐標系、所述空間圓弧對應的空間圓的圓心、半徑，包括： 根據所述任意三個點的坐標值計算得到三個點對應的矢量值； 根據所述矢量值采用海倫公式計算得到三個點構成的三角形的面積； 根據所述三角形的面積求得所述三角形的外接圓半徑； 采用起始點對應的矢量值作為空間圓弧坐標系的X軸、圓弧所在平面的法矢作為所述 空間圓弧坐標系的Z軸構建所述三個點對應的圓弧在所述空間圓弧坐標系以及所述圓弧坐 標系的矩陣； 設定所述圓弧為劣弧，求取所述三角形的外接圓圓心坐標； 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，若否，則按照所述圓弧為優弧求取所述三角形的外界圓圓心坐標。3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據所述起始點與結束點對應空間圓 的圓心角以及所述旋轉矩陣確定所述機器人插補所述圓弧的目標矩陣，包括： 根據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； 根據所述角速度計算每個插補周期所對應的圓心角； 根據所述圓心角構建空間圓弧坐標系下繞z軸的目標矩陣。
【文檔編號】B23K9/235GK105855672SQ201610367775
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】劉沛, 林猛, 董大鵬, 潘峰, 程浩
【申請人】科德數控股份有限公司