專利名稱：基于曲面多層多道焊的機器人自動焊接的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及エ業(yè)焊接技木，尤其涉及一種基于曲面多層多道焊的機器人自動焊接的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，在ー些エ業(yè)生產(chǎn)中，特殊的厚板焊接一般采用多層多道焊接來提高焊接的質(zhì)量，比如水輪機，由于其有幾十個導(dǎo)葉構(gòu)成，通過多層多道焊的方式(也稱導(dǎo)葉堆焊)來完成導(dǎo)葉的焊接。導(dǎo)葉堆焊實際上是曲面與曲面間的厚度可達SO-IOOmm以上的坡口角焊縫焊接，多層多道焊的特點是焊縫不是直焊縫，而是空間曲線，且曲線長度隨著焊層的升高不斷變短，通常采用手工堆焊或者人工進行機器人在線示教來完成導(dǎo)葉堆焊操作。 然而，以往的手工堆焊或者機器人在線示教，其焊接質(zhì)量取決于操作人員的技術(shù)水平，質(zhì)量無法得以保證。其中，手工堆焊難度較大，特別是過渡面的焊接，要在坡ロ堆焊后的堆焊面與支撐面之間再堆起一個圓滑過渡的曲面，更是難上加難。而人工示教占用機器人工作時間，效率很低，一般采用的在線示教方法，在前道焊縫被焊之前，理論上無法對下道焊縫軌跡進行編程，如同建“空中樓閣”。目前，雖然ー些機器人公司推出多層多道焊軟件包，但有局限性，比如焊道、焊接軌跡點、焊層數(shù)量都有限，更不能進行變長度的焊縫計算，并且人工編程也需花費較多的時間，進而致使工作效率低下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于曲面多層多道焊的機器人自動焊接的方法，其通過根據(jù)當(dāng)前需要進行多層多道焊接的焊道的相關(guān)參數(shù)，建立特定的計算模型和編排策略，以計算出精確的焊接所需全部運動軌跡和焊槍姿態(tài)，并自動生成機器人控制器的運行程序進行相應(yīng)的焊接動作，從而實現(xiàn)基于機器人自動離線編程的高質(zhì)量、高效率的多層多道堆焊焊接。相應(yīng)于所述方法，本發(fā)明還提供一種基于曲面多層多道焊的機器人自動焊接的系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的之一，本發(fā)明提供的一種基于曲面多層多道焊的機器人自動焊接的方法，包括如下步驟
51、從數(shù)據(jù)庫提取焊道的堆焊參數(shù)；
52、根據(jù)所述堆焊參數(shù)提取并處理焊道特征曲線，以確定所需焊接的焊接路徑信息；
53、根據(jù)所述焊接路徑信息計算焊槍的姿態(tài)信息；
54、按照所述焊接路徑信息和焊槍的姿態(tài)信息自動生成機器人運行程序，井根據(jù)所述運行程序進行焊接操作。作為本發(fā)明的進ー步改進，所述步驟SI還包括對堆焊參數(shù)進行初始化，其中，所述堆焊參數(shù)包括焊道エ藝參數(shù)以及模型特征參數(shù)。
作為本發(fā)明的進ー步改進，所述步驟S2中“提取并處理焊道特征曲線”步驟具體為
創(chuàng)建焊道的參考基準(zhǔn)面；
創(chuàng)建焊道的焊接特征截面，并提取所述焊道特征曲線；
對焊道特征曲線進行裁剪以實現(xiàn)曲線的平滑；
生成過渡區(qū)焊道的軌跡。作為本發(fā)明的進ー步改進，所述焊接路徑信息包括各焊接點的位置、焊道順序以及焊道層數(shù)。
作為本發(fā)明的進ー步改進，所述步驟S3具體包括
獲取當(dāng)前焊接路徑上的離散點；
建立基于所述離散點的工具手坐標(biāo)系；
計算各離散點位置上的焊槍的姿態(tài)信息，其中，所述姿態(tài)信息包括焊絲的起弧高度、焊絲與支撐面所成的角度。為實現(xiàn)本發(fā)明的另ー發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種基于曲面多層多道焊的機器人自動焊接的系統(tǒng)，其包括如下模塊
堆焊參數(shù)獲取模塊、用于從數(shù)據(jù)庫提取焊道的堆焊參數(shù)；
焊道特征曲線提取與處理模塊、用于根據(jù)所述堆焊參數(shù)提取并處理焊道特征曲線，以確定所需焊接的焊接路徑信息；
姿態(tài)信息計算模塊、用于根據(jù)所述焊接路徑信息計算焊槍的姿態(tài)信息；
程序生成與執(zhí)行模塊、按照所述焊接路徑信息和焊槍的姿態(tài)信息自動生成機器人運行程序，并根據(jù)所述運行程序進行焊接操作。作為本發(fā)明的進ー步改進，所述堆焊參數(shù)獲取模塊還用于對堆焊參數(shù)進行初始化，其中，所述堆焊參數(shù)包括焊道エ藝參數(shù)以及模型特征參數(shù)。作為本發(fā)明的進ー步改進，所述焊道特征曲線提取與處理模塊中“提取并處理焊道特征曲線”具體通過以下操作來實現(xiàn)
創(chuàng)建焊道的參考基準(zhǔn)面；
創(chuàng)建焊道的焊接特征截面，并提取所述焊道特征曲線；
對焊道特征曲線進行裁剪以實現(xiàn)曲線的平滑；
生成過渡區(qū)焊道的軌跡。作為本發(fā)明的進ー步改進，所述焊接路徑信息包括各焊接點的位置、焊道順序以及焊道層數(shù)。作為本發(fā)明的進ー步改進，所述姿態(tài)信息計算模塊具體用于
獲取當(dāng)前焊接路徑上的離散點；
建立基于所述離散點的工具手坐標(biāo)系；
計算各離散點位置上的焊槍的姿態(tài)信息，其中，所述姿態(tài)信息包括焊絲的起弧高度、焊絲與支撐面所成的角度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過根據(jù)當(dāng)前需要進行多層多道焊接的焊道的相關(guān)參數(shù)，建立特定的計算模型和編排策略，以計算出精確的焊接所需全部運動軌跡和焊槍姿態(tài)，并自動生成機器人控制器的運行程序進行相應(yīng)的焊接動作，從而保證了焊接的質(zhì)量、并大大提升了焊接エ藝的工作效率。


圖I是本發(fā)明ー實施方式中基于曲面多層多道焊的機器人自動焊接的方法的エ作流程 圖2是本發(fā)明中水輪機導(dǎo)葉的某一視角的平面 圖3表示的本發(fā)明ー實施方式中工具手坐標(biāo)系的建立原理；
圖4是圖2中A-A方向的水輪機導(dǎo)葉的截面示意 圖5是圖4中C部位的局部放大圖，并示出了本發(fā)明ー實施方式中焊接參數(shù)；
圖6是本發(fā)明ー實施方式中基于曲面多層多道焊的機器人自動焊接的系統(tǒng)的功能模 塊不意圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖所示的具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細描述。但這些實施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。下面將運用于水輪機上導(dǎo)葉堆焊的具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行描述，當(dāng)然，本發(fā)明的技術(shù)并不僅僅可應(yīng)用于水輪機導(dǎo)葉的焊接エ藝，也可應(yīng)用于其他エ業(yè)生產(chǎn)中曲面與曲面之間的多層多道焊接。眾所周知，水輪機作為ー種將水流的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械能以驅(qū)動發(fā)電機的水力機械設(shè)備，其往往由幾十個導(dǎo)葉所組成，而為了保證導(dǎo)葉和水輪機本體完成真正意義上的無縫焊接，那么就必須采取產(chǎn)業(yè)上比較成熟的多層多道焊接技木。請參圖I所示，本發(fā)明的基于曲面多層多道焊(也稱為堆焊焊接)的機器人自動焊接是計算機圖形學(xué)技術(shù)、機器人技術(shù)、多層多道焊技術(shù)、機器人標(biāo)定技術(shù)交叉整合的新技木。在本發(fā)明一具體實施方式
中，該方法包括如下步驟
Si、從數(shù)據(jù)庫提取焊道的堆焊參數(shù)；在此步驟中，實現(xiàn)需要由技術(shù)人員根據(jù)當(dāng)前水輪機上導(dǎo)葉的相關(guān)參數(shù)來計算需要進行堆焊參數(shù)，并將這些獲得的堆焊參數(shù)輸入到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。具體地，在步驟SI中，首先需要對堆焊參數(shù)進行初始化，其中，優(yōu)選地，所述堆焊參數(shù)包括焊道エ藝參數(shù)以及模型特征參數(shù)，焊道エ藝參數(shù)具體包括焊道的深度、張ロ角度等等，這些參數(shù)均可通過簡單的儀器進行測定；而模型特征參數(shù)具體包括焊接時焊絲的運動速度等等。在數(shù)據(jù)庫中堆焊參數(shù)初始化完成后提取出相關(guān)參數(shù)以便于后續(xù)步驟的進行。S2、根據(jù)所述堆焊參數(shù)提取并處理焊道特征曲線，以確定所需焊接的焊接路徑信息；優(yōu)選地，所述焊接路徑信息包括各焊接點的位置、多道焊接時焊道焊接的先后順序以及多層焊接時所需完成的焊道層數(shù)等等。其中，優(yōu)選地，步驟S2中“提取并處理焊道特征曲線”步驟具體為
創(chuàng)建焊道的參考基準(zhǔn)面；
創(chuàng)建焊道的焊接特征截面，并提取所述焊道特征曲線；
對焊道特征曲線進行裁剪以實現(xiàn)曲線的平滑；其中，由于導(dǎo)葉曲面造型等原因，會使在提取出焊道特征曲線的時候，出現(xiàn)線條不平滑的現(xiàn)象，這便會影響后續(xù)焊接エ藝的準(zhǔn)確性，因本發(fā)明對焊接的準(zhǔn)確性要求較高，所以需要對不必要的線條進行裁剪以保證曲線趨于平滑。生成過渡區(qū)焊道的軌跡這是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需求，需要在支撐面和堆焊面之間做ー段焊接區(qū)域(過渡區(qū)焊道)，過渡區(qū)的形成在下文會詳細說明。在本實施方式中，優(yōu)選地，該步驟具體包括
首先提取焊道數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，再根據(jù)焊道特征曲線，通過焊道軌跡偏置生成所需的過渡區(qū)軌跡(根據(jù)假想線)。
下面結(jié)合圖2說明本發(fā)明中BASE坐標(biāo)系的建立方法。對于曲面產(chǎn)品的坐標(biāo)系的定義，也是實現(xiàn)曲面多層多道焊得以成功的關(guān)鍵技術(shù)，坐標(biāo)系定義應(yīng)便于操作、同時要求準(zhǔn)確。具體地，首先建立BASE坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的X軸和Y軸方向如圖2所示，Z軸的方向垂直于紙面向外，原點位于導(dǎo)葉片10的底部，導(dǎo)葉片包括位于X軸兩側(cè)的YP面和YS面。獲取BASE坐標(biāo)系到參考基準(zhǔn)面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣
權(quán)利要求
1.一種基于曲面多層多道焊的機器人自動焊接的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 51、從數(shù)據(jù)庫提取焊道的堆焊參數(shù)； 52、根據(jù)所述堆焊參數(shù)提取并處理焊道特征曲線，以確定所需焊接的焊接路徑信息； 53、根據(jù)所述焊接路徑信息計算焊槍的姿態(tài)信息； 54、按照所述焊接路徑信息和焊槍的姿態(tài)信息自動生成機器人運行程序，并根據(jù)所述運行程序進行焊接操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟SI還包括對堆焊參數(shù)進行初始化，其中，所述堆焊參數(shù)包括焊道工藝參數(shù)以及模型特征參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中“提取并處理焊道特征曲線”步驟具體為 創(chuàng)建焊道的參考基準(zhǔn)面； 創(chuàng)建焊道的焊接特征截面，并提取所述焊道特征曲線； 對焊道特征曲線進行裁剪以實現(xiàn)曲線的平滑； 生成過渡區(qū)焊道的軌跡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的方法，其特征在于，所述焊接路徑信息包括各焊接點的位置、焊道順序以及焊道層數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括 獲取當(dāng)前焊接路徑上的離散點； 建立基于所述離散點的工具手坐標(biāo)系； 計算各離散點位置上的焊槍的姿態(tài)信息，其中，所述姿態(tài)信息包括焊絲的起弧高度、焊絲與支撐面所成的角度。
6.一種基于曲面多層多道焊的機器人自動焊接的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括如下模塊 堆焊參數(shù)獲取模塊、用于從數(shù)據(jù)庫提取焊道的堆焊參數(shù)； 焊道特征曲線提取與處理模塊、用于根據(jù)所述堆焊參數(shù)提取并處理焊道特征曲線，以確定所需焊接的焊接路徑信息； 姿態(tài)信息計算模塊、用于根據(jù)所述焊接路徑信息計算焊槍的姿態(tài)信息； 程序生成與執(zhí)行模塊、按照所述焊接路徑信息和焊槍的姿態(tài)信息自動生成機器人運行程序，并根據(jù)所述運行程序進行焊接操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述堆焊參數(shù)獲取模塊還用于對堆焊參數(shù)進行初始化，其中，所述堆焊參數(shù)包括焊道工藝參數(shù)以及模型特征參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述焊道特征曲線提取與處理模塊中“提取并處理焊道特征曲線”具體通過以下操作來實現(xiàn) 創(chuàng)建焊道的參考基準(zhǔn)面； 創(chuàng)建焊道的焊接特征截面，并提取所述焊道特征曲線； 對焊道特征曲線進行裁剪以實現(xiàn)曲線的平滑； 生成過渡區(qū)焊道的軌跡。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述焊接路徑信息包括各焊接點的位置、焊道順序以及焊道層數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述姿態(tài)信息計算模塊具體用于 獲取當(dāng)前焊接路徑上的離散點； 建立基于所述離散點的工具手坐標(biāo)系； 計算各離散點位置上的焊槍的姿態(tài)信息，其中，所述姿態(tài)信息包括焊絲的起弧高度、焊絲與支撐面所成的角度。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種基于曲面多層多道焊的機器人自動焊接的方法與系統(tǒng)，其方法通過如下步驟實現(xiàn)S1、從數(shù)據(jù)庫提取焊道的堆焊參數(shù)；S2、根據(jù)所述堆焊參數(shù)提取并處理焊道特征曲線，以確定所需焊接的焊接路徑信息；S3、根據(jù)所述焊接路徑信息計算焊槍的姿態(tài)信息；S4、按照所述焊接路徑信息和焊槍的姿態(tài)信息自動生成機器人運行程序，并根據(jù)所述運行程序進行焊接操作。本發(fā)明通過根據(jù)當(dāng)前需要進行多層多道焊接的焊道的相關(guān)參數(shù)，建立特定的計算模型和編排策略，以計算出精確的焊接所需全部運動軌跡和焊槍姿態(tài)，并自動生成機器人控制器的運行程序進行相應(yīng)的焊接動作，從而保證了焊接的質(zhì)量，并大大提高了機器人焊接的工作效率。
文檔編號B23K9/095GK102672306SQ20121002136
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月31日
發(fā)明者嚴(yán)萬春, 周源, 朱偉, 杜望, 程學(xué)剛, 郁春華 申請人:昆山工研院工業(yè)機器人研究所有限公司