[發明專利]雙曲線軌跡定向切線恒速焊接機器人裝置

有效

• 申請號: 201210375070.6
• 申請日: 2012-09-27
• 公開（公告）號: CN102886592A
• 公開（公告）日: 2013-01-23
• 發明（設計）人: 都東;潘際鑾;王力;張文增;孫振國;劉洪冰;邵家鑫
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B23K9/12
• 分類號: B23K9/12;B23K9/133;B23K9/028
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

1.一種雙曲線軌跡定向切線恒速焊接機器人裝置，其特征在于：包括機械臂、Z軸轉臺（3）、控制器（4）、焊接電源（5）和焊槍（6）；所述機械臂包括依次串聯起來的X軸平移組件（1）和Y軸平移組件（2）；待焊工件的焊縫中心線為雙曲線軌跡；

所述X軸平移組件包括第一基座（11）、X軸電機（12）、X軸傳動機構（13）和第一滑塊（14）；所述第一基座與底座（8）固接，所述X軸電機與第一基座固接，所述X軸電機的輸出軸與X軸傳動機構的輸入端相連，所述X軸傳動機構的輸出端與第一滑塊相連，所述第一滑塊滑動鑲嵌在第一基座上；

所述Y軸平移組件包括第二基座（21）、Y軸電機（22）、Y軸傳動機構（23）和第二滑塊（24）；所述第二基座與第一滑塊固接；所述Y軸電機與第二基座固接，所述Y軸電機的輸出軸與Y軸傳動機構的輸入端相連，所述Y軸傳動機構的輸出端與第二滑塊相連，所述第二滑塊滑動鑲嵌在第二基座上；

所述Z軸轉臺包括第三基座（31）、Z軸電機（32）、Z軸傳動機構（35）、關節軸（33）和工件安裝臺（34）；所述第三基座與底座（8）固接；所述Z軸電機與第三基座固接，所述Z軸電機的輸出軸與Z軸傳動機構的輸入端相連，所述Z軸傳動機構的輸出端與關節軸相連，所述關節軸活動套設在第三基座中，所述工件安裝臺固定套接在關節軸上；

所述焊槍固定安裝在第二滑塊上；所述控制器通過控制線路分別與X軸電機、Y軸電機和Z軸電機相連，控制X軸電機、Y軸電機和Z軸電機同時轉動；所述控制器與焊接電源相連；需要焊接的工件固定安裝在工件安裝臺上；工件上具有雙曲線軌跡的焊縫；設所述第一滑塊相對于第一基座的滑動方向為直線q；設所述第二滑塊相對于第二基座的滑動方向為直線s；設所述關節軸的中心線為直線u；直線q、直線s和直線u三者兩兩垂直；設直線q與直線s構成平面Q₁，設工件上焊縫中心線的雙曲線軌跡所在平面為平面Q₂，平面Q₁與平面Q₂重合；

建立世界坐標系{C}，所述世界坐標系{C}的原點為關節軸的中心O_C，世界坐標系{C}的橫軸x_C與直線q平行，x_C軸的正方向為離開雙曲線軌跡的方向，也是第一滑塊相對于第一基座滑動的正方向，世界坐標系{C}的縱軸y_C與直線s平行，y_C軸的正方向為離開雙曲線軌跡的方向，也是第二滑塊相對于第二基座滑動的正方向，該世界坐標系{C}與第三基座固接；建立雙曲線坐標系{A}，所述雙曲線坐標系{A}的原點為雙曲線軌跡的中心O_A，雙曲線坐標系{A}的縱軸y_A與雙曲線對稱軸重合，雙曲線坐標系{A}的橫軸x_A過雙曲線坐標系{A}的原點與縱軸垂直且和雙曲線在同一平面內，所述雙曲線坐標系{A}與帶雙曲線軌跡焊縫的工件固接；點O_C在雙曲線坐標系{A}中的坐標值為(d_x,d_y)，(d_x,d_y)為已知常量；

設焊接速度為預設值v_w，設工件繞關節軸逆時針轉動角速度為ω；拋物線上任意一點坐標(X_A，Y_A)均滿足拋物線在拋物線坐標系中的軌跡方程為p>0為一常數；雙曲線上任意一點坐標(X_A，Y_A)均滿足雙曲線在雙曲線坐標系中的軌跡方程Y_A<0，其中a>0為一常數，b>0為一常數；設所述雙曲線坐標系的x_A軸與x_C軸的夾角為θ，0≤θ≤90；所述焊槍的中心線與y_C軸平行，焊槍的中心線與雙曲線軌跡的交點為焊點P；所述焊點P在世界坐標系{C}中的坐標為(X_C,Y_C)；設焊槍的末端點T在世界坐標系{C}中的坐標為(X_TC,Y_TC)；β為焊點P與關節軸中心O_C的連線與x_C軸所夾的銳角；所述焊槍的末端點T與焊點P的距離為預設值L_a；焊槍的末端點T和焊點P沿x_C軸的速度相等，均為v₁，相對世界坐標系{C}而言；焊槍的末端點T和焊點P沿y_C軸的速度相等，均為v₂，相對世界坐標系{C}而言；

控制器通過控制工件和焊槍滿足下列關系：

XC=(a2-b2)sinθ-a2tan2θ+b2-dxcosθ+dysinθ,]]>

YC=--a2tan2θ+b2cosθ-dxsinθ-dycosθ,]]>

X_TC=X_C,

Y_TC=Y_C+L_a,

β=arctan(YCXC),]]>

ω=vw(M+XC2+YC2sinβ)2+(N-XC2+YC2cosβ)2,]]>

v₁=Mω，

v₂=Nω，

其中，

M=(a2-b2)(b2+a2tan4θ)cosθ(-a2tan2θ+b2)-a2tan2θ+b2+dxsinθ+dycosθ,]]>

N=(a2+b2)sinθ-a2tan2θ+b2-dxcosθ+dysinθ,]]>

所述θ與時間t的關系是ω的積分；在預設了初始時刻的初始角度后，可以基于上述公式通過逐點計算方法計算得到θ與時間t的關系。