弧焊机器人焊枪姿态的自动规划

作平面
空间断面
Ｆｉｇ．４
图４焊枪操作空间断面示意图 Ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｐａｃｅ
３．２焊枪在焊接工作平面内可行区域的确定 焊枪的可行域是指在焊枪和工件无碰撞干涉的
条件下，在焊枪工作平面内绕焊点运动而与工件无 干涉的活动空间范围．由上述分析知，焊枪在每一焊 点工作时处于焊枪工作平面内，因此，焊枪的可行域 分析可转化为搜索焊枪在工作平面内焊枪和操作空 间断面不相交的区域．
（ＣＨＦｅｎｇ）的定义如下：
ｔｙｐｅｄｅｆ ＣＴｙｐｅｄＰｔｒＬｉｓｔ＜ＣＰｔｒＩ。ｉｓｔ，ＣＳＰｏｉｎｔ＊）ＣＰｏｉｎｔＬｉｓｔ；
∥结点为ＣＳＰｏｉｎｔ焊点类． ｃｌａｓｓ ＣＨＦｅ“ｇ
｛
Ｐｕｂｌｉｃ：
ＣＨＦｅｎｇ（）； ～ＣＨＦｅｎｇ（）； Ｐｒｉｖａｔｅ！
．ｉｎｔ ｆｌａｇ； ∥标记不同类型焊缝 ＡｃＤｂｏｂｊｅｃｔＩｄ ｏｗｎｅｒ； ∥记录焊缝在哪个实体上 ＣＰｏｉｎｔＬｉｓｔ ｍ—ＰｏｉｎｔＬｉｓｔ； ∥焊点链表
３焊枪姿态的自动规划
在确定了焊枪工作平面以后，焊枪姿态的空间 规划问题转化为在工作平面内的二维规划问题．根 据焊枪和工件的无碰撞干涉要求就可以求出焊枪在 工作平面内的可行区域，然后在可行区域内再进一 步求解出焊枪的最佳位置．焊枪在工作平面内的位 置与焊枪的形状和长度、工件的空间尺寸以及焊接 工艺有关。在满足焊枪和工件不碰撞的情况下，应尽 量满足焊接的工艺性要求．为了便于分析，本文把焊 枪简化为一根和焊枪长度相等的线段． ３．１焊枪操作空间断面的确定
ｆｌｏａｔ ｂｌａｎｋｔｈｉｃｋ １，ｂｌａｎｋｔｈｉｃｋ１：
∥焊件毛坯厚度 ｆｌｏａｔ ｗｅｌｄｓｐｅｅｄ； ∥焊接速度
ｆｌｏａｔ ｆｏｒｅａｎｇｌｅ，ｓｉｄｅａｎｇｌｅ；
∥焊枪前倾角、焊枪侧倾角
Ｐｕｂｌｉｃ：
ｖｏｉｄ ｇｅｔｆｌａｇ（）； ∥参数的输入输出函数
ＡｃＧｅＶｅｃｔｏｒ３ｄｓｅｔＲｏｔａｔｅＡｘｉｓ（ＣＬｉｎｅＳｅｇＬｉｓｔ
根据焊枪工作平面和工件相交生成的焊枪操作 空间断面的不同，通常可分为３种情况（见图５）：
（１）如图５（ａ），焊枪操作空间断面为多条线段 形成的单连通域，此时只要从ＡＢ边出发让焊枪在 焊枪平面内以一定步长沿着逆时针方向绕焊点旋转 搜索即可得到焊枪的可行区域．为了满足一定的精 度要求，当遇到焊枪和工件相交时返回，并以ｌ／２” 步长反复逼近计算，直到满足一定的精度为止．
缝
图１角焊缝示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｎｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ １ｉｎｅ
图２平焊缝不恿图
Ｆｉｇ．２ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｃｅ ｗｅｌｄｉｎｇ
得到焊缝的几何与工艺信息后，首先对几何信 息进行离散化处理，形成一系列的离散焊点并在内 存中保存．焊缝的离散化处理有两种方法，即等步长 法和等偏差法．所谓等步长法就是按定长分割焊缝； 而等偏差法的特点则是要求每一步长的确定必须保 证偏差相等．通常，等步长法可以用于直线焊缝或曲 率变化不大的焊缝，对于复杂形状焊缝用等步长法 产生的误差较大，应该采用等偏差法．焊缝经离散化 处理后保存在焊缝类（ＣＨＦｅｎｇ）中．焊缝类
在实际焊接时，焊接工艺通常要求焊枪与缺省 平面成一定的向前倾角，焊枪的实际所在平面由焊 枪的缺省平面向前倾斜某一角度后所得到，因此只 要根据工艺要求确定合适的旋转角和合理的旋转轴 就可以获得焊枪在该点处的最佳平面，称该面为焊 枪工作平面．
旋转轴的确定方法如图３所示．图中矢量ｙ。为 焊缝焊点Ａ处的切向量，和焊枪缺省平面垂直；ｙ。、 ｙｓ分别为平面１和２在焊点Ａ处的法向量；ｙ为ｙ。 和ｙ。的矢量和，ｙ＝ｙ。＋ｙ。；旋转轴矢量晨为ｙ。与
第３８卷第９期 ２００４年９月
上海 交通 大 学 学 报
ｊｏＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＪＩＡＯＴｏＮＧ ＵＮｌＶＥＲＳｌＴＹ
文章编号：１００６—２４６７（２００４）０９—１４７２—０４
Ｖ０１．３８ Ｎ。．９ Ｓｅｐ．２００４
弧焊机器人焊枪姿态的自动规划
朱灯林， 肖 胜， 侯胡的， 王安麟， 王石刚
万方数据
第９期
朱灯林，等：孤焊机器人焊枪姿态的自动规划
形学的角度来研究离线编程中焊枪的姿态分析问 题．
本文针对弧焊机器人离线编程中的焊枪姿态规 划问题，从图形学的角度结合焊接工艺的特殊性进 行了焊缝几何参数、工艺参数的定义与处理、焊枪所 在的最佳平面的确定、焊枪可行域及其姿态的自动 规划等方面的研究，并通过对焊枪工作平面的定义 和分析，将三维问题的焊枪姿态规划转化为二维问 题来处理．
（２）如图５（ｂ），焊枪操作空间断面为２个不相 交连通域，此时如果从焊点Ａ出发到外环的最小距 离矗大于焊枪长度Ｌ，则采用和图５（ａ）同样的搜索 方法即可得到焊枪的可行区域．否则，有２个不重叠 的可行区域．
（上海交通大学机械与动力工程学院，上海２０００３０）
摘 要：针对弧焊机器人离线编程中的关键问题，研究了在焊接过程中焊枪姿态的自动规划技术，
提出了焊缝和工艺信息的定义与获取、焊枪所在的最佳工作平面、焊枪可行域及其姿态的自动规划
等方面的新概念和方法．通过采用这种方法，将三维问题的焊枪姿态规划转化为焊枪工作平面的二
ＺＨ己，ＤＰ以ｇ—Ｚｉ卵， ＸｊＡ０ ５五Ｐ托ｇ， ＨＯＵ Ｈ“一ｄｉ， ＷＡⅣＧ Ａ行一Ｚｉ九， ＷＡＮＧ Ｓ＾ｉ—ｇ以，２９ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ ＵｎｉＶ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ’ｓ ｇｅｓｔｕｒｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｂａｓｉｃ ｑｕｅｓｔｉｏｎ ｉｎ ｏｆｆ—ｌｉｎｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｏｆ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｂｏｕｔ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ’ｓ ｇｅｓｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ ａｃｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａ— ｒａｍｅｔｅｒｓ， ｔｈｅ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｐｌａｎｅ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ ｌｏｃａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｔｏｌｅｒａｂｌｅ ａｒｅａ ｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ ａｎｄ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｇｅｓｔｕｒｅ ｅｔｃ．Ｂｙ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｐｌａｎ— ｎｉｎｇ ｏｆ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ’ｓ ｇｅｓｔｕｒｅ ｉｓ ｔｒａｎｓｌａｔｅｄ ｉｎｔｏ ａ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａＩ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ ｌｏｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｌｅｒａｂｌｅ ａｒｅａ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｎｄ ｈａｓ ｎｏ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ ａｎｄ ｐａｒｔ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｉｄ ｏｆ ｅｘｐｅｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ，ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｃａｎ ｂｅ ｅａｓｉｌｙ ｄｅｃｉｄｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｏｂｏｔ；ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ’ｓ ｇｅｓｔｕｒｅ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｌａｎｎｉｎｇ
＆ｍ—Ｌｉｎｅｌｉｓｔ）； ∥确定旋转轴
ＡｃＧｅＰｏｉｎｔ３ｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔＰｏｉｎｔ（ＡｃＧｅＰｏｉｎｔ３ｄ ｐｔ， ｄｏｕｂｌｅ ｌｅｎｇｔｈ，ＡｃＧｅＶｅｃｔｏｒ３ｄ ｖｅｃ）；
∥点的构造函数 ）；
２焊枪工作平面的确定
焊缝经离散化后，以每个焊点处与焊缝垂直的 法面作为焊枪在该焊点处缺省的所在平面，称为焊 枪缺省平面．
１焊缝定义及信息获取
本原型以ＡｕｔｏＣＡＤ作为焊接机器人、工件的 建模工具和软件开发的支撑平台．首先构造工件的 三维模型，然后通过人机交互的方式定义欲焊接的 焊缝及其工艺参数．焊接工艺参数有焊缝结构形式、 焊接方法、焊接速度、焊枪倾角、焊前的加工和准备、 焊件材料、焊接材料等．对于如图１所示的一般角焊 缝，其几何信息可直接通过人机交互拾取的方式定 义，而对于图２所示的平焊缝，由于缺少面之间的交 线，先采用手工添加并定义焊缝，然后再通过人机交 互方式得到焊缝的几何参数．对于焊接工艺参数，有 的采取人机交互方式直接定义，有些参数如焊枪倾 角则根据焊接工艺专家系统来确定．
收稿日期：２００３一０９—２９ 基金项目：国家博士点基金资助项目（２００２０２４８０４８） 作者简介：朱灯林（１９６６～）．男，江苏常州人，副教授，博士，主要从事现代机电系统设计理论和系统智能规划技术的研究
电话（Ｔｅｌ．）：０２１—６２９３２６７３；Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈｕｄｅｎｇｌｉｎ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．
万方数据
上 海交通大学 学 报
ｙ，的向量积：
Ｒ＝’，×ｙ１
其中，矢量ｙ：、ｙ。、ｙ、Ｒ都处于焊枪的缺省平面内．
第３８卷
作平面
百度文库
Ｆｉｇ．３
图３焊枪平面旋转轴的确定
Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｘｉｓ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏｒｃｈ ｐｌａｎｅ
将焊枪缺省平面绕旋转轴Ｒ向焊接方向旋转 一定角度即可得到焊枪的工作平面，此旋转角可根 据焊接工艺要求由焊接工艺专家系统得到．得到焊 枪的工作平面后，可以认为焊枪在该焊点处的最佳 位置必定位于该平面内，从而将焊枪姿态的空间规 划问题转化为在工作平面内的二维规划问题．
焊枪操作空间断面为焊枪工作平面和待焊工件 相交得到的剖面．当焊枪工作平面确定后，焊枪只在 焊枪工作平面内绕焊点在旋转，因此，判断焊枪是否 和工件相碰，就可转化为判断在工作平面内焊枪是 否和焊枪操作空间断面相交即可．如图４中阴影区 域所示，焊枪操作空间断面是由多线段组成的一个 剖面，是一个或多个封闭的平面图形．为了确定焊枪 的可行区域，先要求出相应焊点处的焊枪操作空间 断面．本文通过实体的Ｂ—Ｒ印边界表示模型访问实 体的各表面，采用焊枪实际工作平面和实体各表面 求交，并将各段交线按顺序连接形成焊枪工作平面 和工件相交断面，即焊枪操作空间断面．
由于焊接机器人工作的稳定性和焊接产品质量 的一致性对于保证产品的焊接质量至关重要，因此， 焊接机器人得到了广泛的应用．但是，国内没有与之 相配套的软件，国外的软件价格太高又难于推广，这 些设备并没有发挥其应有的效率．离线编程技术不 仅减轻劳动强度、提高生产效率，更重要的是可以对
编程结果进行三维图形动画仿真，以检验编程的正 确性，提供最佳的执行代码，从而保证产品的质量． 国内自２０世纪８０年代末以来，许多科研机构做了 大量的离线编程研究工作．以往的工作主要集中在 系统的总体框架、工艺数据库、焊接智能专家系统、 焊缝的自动跟踪和图像识别等方面［ｔ￣６］，很少从图
维问题来处理，并方便地得到了满足焊接工艺要求、焊枪与工件无碰撞干涉的可行区域，最后结合
焊接工艺专家系统就可以最终确定焊枪在每一焊接位置的空间姿态．
关键词：弧焊机器人；焊枪姿态；自动规划
中图分类号：ＴＧ ４０９；ＴＰ ２４２．２；ＴＰ ３９１．７
文献标识码：Ａ
Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＰＩａｎｎｉｎｇ Ｏｆ ＷｅＩｄｉｎｇ ＴＯｒｃｈ’ｓ Ｇｅｓｔｕｒｅ Ｏｆ Ａｒｃ ＷｅＩｄ．ｎｇ ＲＯｂＯｔ
ＡｃＧｅＰｏｉｎｔ ３ｄ ｓｔａｒｔＰｏｉｎｔ，ｅｎｄｐｏｉｎｔ，ｃｅｎｔｅｒ；
∥记录焊缝开始点、结束点、圆心
ｄｏｕｂＩｅ ｒａｄｉｕｓ，ｓｔａｒｔＡｎｇＩｅ，ｅｎｄＡｎｇＩｅ；
∥记录弧焊缝半径、开始角、结束角 ｉｎｔ ｗｅｌｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ∥焊缝结构 ｉｎｔ ｗｅｌｄｍａｔｅｒｉａｌ； ∥焊件材料