[发明专利]焊接过程中轨迹在线动态规划与焊道跟踪协同的控制方法

说明书

技术领域

本发明属于移动(式)焊接机器人技术领域。涉及一种焊接过程中轨迹在线动态规划与焊道跟踪协同的控制方法，可广泛应用于移动机器人自动化焊接等方面。

背景技术

在能源装备、重型机械、船舶制造等领域中的大型构件焊接场合，移动焊接机器人因其大范围运动能力等优势成为解决大尺度、复杂的空间曲线焊缝自动化焊接的有效方法。受安装于移动焊接机器人的机器人本体上机载执行机构装置(例如机械臂、直角坐标系式X-Y滑架等)的工作行程所限制，需要结合机器人本体实时调整其位置与姿态以保证焊炬对中焊缝中心，即在机器人本体与机载执行机构的协同控制下进行焊接作业。

现有的移动焊接机器人主要采用单一类型的焊缝跟踪传感器，包括电弧传感器、视觉传感器二类：采用电弧传感器的移动焊接机器人仅检测熔池区域并从中获取焊接偏差信息，机器人本体根据电弧传感器获取的实时焊接偏差信息或机载执行机构的实际纠偏行为调整位姿，要求机载执行机构具有较大的有效工作行程；而且，机器人本体对焊道的跟随运动易受移动焊接机器人系统的机电惯性影响导致控制滞后，特别是在曲线焊缝轨迹局部大曲率区域与折角区域等需要移动焊接机器人执行大角度转弯运动以跟踪焊缝轨迹的区域，因难以及时调整位姿，极易产生偏焊缺陷，或因焊接速度变化导致焊缝成形不良；采用视觉传感器的移动焊接机器人为了避免强烈弧光干扰，视觉传感器检测区域通常与电弧熔池区域存在一定距离，难以实时补偿因焊接母材受热变形导致焊缝位置与尺寸的变化。

综上所述，现有技术均难以兼顾移动焊接机器人对大尺度的复杂轨迹焊缝焊接过程中的动态响应和静态精度，并且难以解决机器人本体运动与机载执行机构运动控制耦合的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种焊接过程中轨迹在线动态规划与焊道跟踪协同的控制方法，以便实现大尺度复杂轨迹焊缝焊接中的焊道精确跟踪的同时保证焊缝成形质量。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种焊接过程中轨迹在线动态规划与焊道跟踪协同的控制方法，包括以下步骤：

1)建立移动焊接机器人系统坐标系，包括：基础笛卡尔坐标系O_xyz、机器人本体坐标系M_xyz、机载执行机构坐标系U_xyz和结构光传感器坐标系L_xyz，其中，机载执行机构坐标系U_xyz与结构光传感器坐标系L_xyz的x轴正向与机器人本体直行前进的方向一致，z轴正向与地面法线的方向一致，y轴正向由左手法则确定，机载执行机构坐标系U_xyz的原点位于机载执行机构与机器人本体的固定连接处；

2)当焊接电弧以摆动、旋转或摆动-旋转复合运动形式扫描坡口时，采用结构光传感器提取焊接区前方接缝焊接坡口特征点i的位置信息，包括焊接坡口特征点i与焊炬在结构光传感器坐标系L_xyz中y轴方向上的偏差距离E_i和焊接坡口特征点在结构光传感器坐标系L_xyz中的坐标，同时采用电弧传感器实时地采集电弧能量信号，采用积分差值法、特征谐波法或极值法提取经过信号滤波与放大处理后的电弧能量信号中的实时焊炬位姿信息，由机载执行机构根据所获取的实时焊炬位姿信息调整焊炬位姿，在机载执行机构调整焊炬位姿的同时电弧传感器开始下一周期的电弧能量信号采集，如此循环，即实现焊道跟踪；

3)根据焊接坡口特征点在结构光传感器坐标系L_xyz中的坐标，进行坐标变换至基础笛卡尔坐标系O_xyz，获得焊接坡口特征点i的坐标G_i＝(x_i,y_i)；

4)根据步骤2)和3)依次求解一系列焊接坡口特征点的坐标，获得一个焊接坡口特征点坐标序列{G₁,G₂,...,G_N}与一个偏差距离数组{E₁,E₂,...,E_N}，其中