專利名稱：一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集箱焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
集箱(又稱聯(lián)箱)是在汽、水系統(tǒng)中用于匯集或分配工質(zhì)的圓筒形壓力容器，通常包括構(gòu)成集箱主體的母管以及焊接在母管上的接管。鍋爐壓力容器是一種常見(jiàn)的集箱，鍋水由鍋筒經(jīng)下降管流入下面的箱體中，由箱體分配給各管束，這些管束中的水不斷吸收熱能，匯集到上面的箱體中再流回鍋筒內(nèi)。在大型管道和鍋爐壓力容器焊接中，時(shí)常會(huì)遇到的管一管以及管與筒體或罐體相交連接的情況，此時(shí)在相交處會(huì)形成一道由空間曲線一相貫線(又稱馬鞍形曲線)構(gòu)成的焊口，這道焊口由于構(gòu)件壁厚體積大，一次焊口既深又長(zhǎng)，通常需要打底蓋面，中間還需要多層多道填充才能完成；尤其是焊縫呈一空間曲線，在焊接過(guò)程中焊槍須循空間軌跡行走并要求分段不斷調(diào)整姿態(tài)，焊接難度非常大。一般工廠仍由手工焊完成，制造周期長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低且焊接質(zhì)量難以保證。若在焊接生產(chǎn)中采用機(jī)器人焊接技術(shù)，則可以提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件穩(wěn)定和保證焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)相貫線焊縫的自動(dòng)化焊接。目前，國(guó)外機(jī)器人中厚板焊接技術(shù)只限于直縫和環(huán)縫的焊接，對(duì)適用于中厚板馬鞍形空間曲線焊接的機(jī)器人系統(tǒng)在國(guó)外尚處于研究階段。而國(guó)內(nèi)機(jī)器人中厚板焊接技術(shù)目前尚處于空白階段，雖然國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了一些適用于中厚板的自動(dòng)化焊接設(shè)備，但效率較低，且存在諸如對(duì)中困難、難以實(shí)現(xiàn)多層多道焊的自動(dòng)排焊道功能等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整焊槍的位置和姿態(tài)，并能夠?qū)崿F(xiàn)多層多道焊接。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，所述集箱包括待焊接的母管和接管，所述自動(dòng)焊接系統(tǒng)包括設(shè)在集箱上方的操作機(jī)構(gòu)、設(shè)在操作機(jī)構(gòu)上的焊接機(jī)器人和設(shè)在焊接機(jī)器人上的焊槍，其特征在于，該系統(tǒng)還包括與焊接機(jī)器人相連的上位控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，上位控制裝置中包含中央處理器、后臺(tái)計(jì)算子模塊、模擬仿真子模塊和人機(jī)交互界面，其中:中央處理器，用于存儲(chǔ)、加工數(shù)據(jù)并控制上位控制裝置中各子模塊；人機(jī)交互界面，用于用戶通過(guò)該人機(jī)交互界面輸入工藝參數(shù)和已知變量、調(diào)用后臺(tái)計(jì)算子模塊或模擬仿真子模塊，并獲取相應(yīng)的結(jié)果；后臺(tái)計(jì)算子模塊，用于產(chǎn)生焊接軌跡計(jì)算結(jié)果；模擬仿真子模塊，用于產(chǎn)生焊接軌跡仿真結(jié)果；數(shù)據(jù)采集裝置，用于采集焊接機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。進(jìn)一步，焊接機(jī)器人連接有控制柜，上位控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置通過(guò)通訊電纜與焊接機(jī)器人的控制柜相連。進(jìn)一步，后臺(tái)計(jì)算子模塊的實(shí)現(xiàn)方式包括以下步驟:(I)調(diào)用參數(shù)或已知變量,參數(shù)包括工件參數(shù)、焊道截面參數(shù)、裝配間隙、工藝參數(shù)、焊槍姿態(tài)角；已知變量包括特征點(diǎn)位置角度；(2)根據(jù)管件切割要求，結(jié)合工件參數(shù)、裝配間隙和特征點(diǎn)位置角度，計(jì)算得到母管和接管的相貫線的表達(dá)式以及接管連接處切割形成的內(nèi)壁邊緣線和外壁邊緣線的表達(dá)式；(3)根據(jù)等截面坡口角度設(shè)計(jì)原則，結(jié)合工件參數(shù)、焊道截面參數(shù)和特征點(diǎn)位置角度，計(jì)算特征點(diǎn)的坡口截面角度；(4)在特征點(diǎn)的坡口截面角度求解的基礎(chǔ)上，根據(jù)多層多道焊接的焊道的排布方式和焊道的計(jì)算方法，計(jì)算得到特定坐標(biāo)系下任意坡口截面的各層各道上特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)；(5)在特定坐標(biāo)系下，依據(jù)各層各道上特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)，按照由內(nèi)而外、由下而上的順序逐層逐道繪制焊接軌跡的曲線圖。再進(jìn)一步，多層多道焊接的焊道的排布方式為:自下而上，焊道層數(shù)遞增；每層焊道的道數(shù)按等差數(shù)列遞增；多層多道焊接軌道的計(jì)算方法為:將任意特征點(diǎn)處的整個(gè)焊道截面按三角形計(jì)算，其中第一層焊道截面按三角形計(jì)算，后續(xù)各層最上一道焊道截面按不等邊梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等邊菱形計(jì)算，由焊接工藝的相關(guān)工藝參數(shù)計(jì)算得到單個(gè)焊道的截面積，由此得到焊道總數(shù)，而后按照等差數(shù)列求和的方式計(jì)算得到焊道層數(shù)，并將每個(gè)菱形或梯形的左下角點(diǎn)的位置坐標(biāo)作為在特征點(diǎn)處施焊時(shí)焊槍末端所在的位置坐標(biāo)。進(jìn)一步，模擬仿 真子模塊的實(shí)現(xiàn)仿真的方法包括以下步驟:i )調(diào)用數(shù)據(jù)采集裝置采集到的焊接機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)； )根據(jù)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，計(jì)算焊接軌道上特征點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)；iii)依據(jù)各層各道上特征點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)，按照由內(nèi)而外、由下而上的順序逐層逐道繪制實(shí)際的焊接軌跡；iv)輸出焊接軌跡的仿真結(jié)果。進(jìn)一步，操作機(jī)構(gòu)包括設(shè)在支柱上的橫梁、滑動(dòng)設(shè)在橫梁上的懸臂梁以及與滑動(dòng)設(shè)在懸臂梁上的縱梁；焊接機(jī)器人連接在縱梁的朝下的一端，焊接機(jī)器人上設(shè)有用于夾持焊槍的夾持器。再進(jìn)一步，橫梁上沿其長(zhǎng)度方向設(shè)有水平導(dǎo)軌，懸臂梁的一端設(shè)在橫梁的水平導(dǎo)軌中；懸臂梁上設(shè)有豎直導(dǎo)軌，縱梁設(shè)在懸臂梁的豎直導(dǎo)軌中。進(jìn)一步，操作機(jī)構(gòu)還包括連接在集箱的母管的一端的動(dòng)力頭，動(dòng)力頭上設(shè)有可轉(zhuǎn)動(dòng)的卡盤(pán)，卡盤(pán)上設(shè)有用于卡扣母管端部的活動(dòng)爪。進(jìn)一步，懸臂梁、縱梁以及動(dòng)力頭的卡盤(pán)分別連接有伺服電機(jī)，懸臂梁、縱梁和卡盤(pán)各自的伺服電機(jī)分別通過(guò)通訊電纜與焊接機(jī)器人的控制柜相連。進(jìn)一步，母管的下方設(shè)有用于支撐母管的升降滾輪架。本發(fā)明專門(mén)針對(duì)相貫線焊縫的工況，提供了一種具有較高精度的便于機(jī)器人實(shí)現(xiàn)空間焊接軌跡的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括操作機(jī)構(gòu)和控制裝置，通過(guò)控制控制對(duì)操作機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行精確地控制，可較好地調(diào)整機(jī)器人所控制的焊槍的位置及姿態(tài)；此外，該系統(tǒng)能夠通過(guò)對(duì)焊縫的跟蹤，完成自動(dòng)排焊道和對(duì)焊口加工中出現(xiàn)的誤差的補(bǔ)償，提高了焊接質(zhì)量。


圖1是本發(fā)明所提供的一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中略去了上位控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置；圖2顯示了本發(fā)明提供的系統(tǒng)中上位控制裝置與其子模塊以及其他裝置的結(jié)構(gòu)關(guān)系;圖3示出了后臺(tái)計(jì)算子模塊的計(jì)算方法的流程圖；圖4示出了模擬仿真子模塊的實(shí)現(xiàn)仿真方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。如圖1所示，本發(fā)明所提供的一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，包括設(shè)在集箱上方的操作機(jī)構(gòu)、設(shè)在操作機(jī)構(gòu)上的焊接機(jī)器人4和設(shè)在焊接機(jī)器人4上的焊槍5 ;如圖2所示，該系統(tǒng)還包括與焊接機(jī)器人4相連的上位控制裝置100和數(shù)據(jù)采集裝置200，上位控制裝置100中包含后臺(tái)計(jì)算子模塊101和模擬仿真子模塊102，裝置或模塊的功能如下:中央處理器(CPU) 104用于存儲(chǔ)、加工數(shù)據(jù)并控制上位控制裝置100中各子模塊。人機(jī)交互界面103用于提供一人機(jī)交互界面103，用戶通過(guò)該人機(jī)交互界面103輸入工藝參數(shù)和已知變量、調(diào)用后臺(tái)計(jì)算子模塊101或模擬仿真子模塊102，并獲取相應(yīng)的結(jié)果;后臺(tái)計(jì)算子模塊101，用于產(chǎn)生焊接軌跡計(jì)算結(jié)果；模擬仿真子模塊102，用于根據(jù)數(shù)據(jù)采集裝置200得到的實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)產(chǎn)生焊接軌跡仿真結(jié)果；數(shù)據(jù)采集裝置200，用于采集焊接機(jī)器人4實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。通常，上位控制裝置100主要包括由數(shù)據(jù)線連接在一起的顯示器、機(jī)箱、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)以及外接電源。顯示器的屏幕可示出人機(jī)交互界面103的形式。本發(fā)明中，焊接機(jī)器人4連接有控制柜，上位控制裝置100和數(shù)據(jù)采集裝置200通過(guò)通訊電纜與焊接機(jī)器人4的控制柜相連。焊接機(jī)器人4的控制柜能夠接受上位控制裝置100發(fā)出的指令，并能根據(jù)指令控制操作機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，具體實(shí)現(xiàn)方式在下文中描述。焊接機(jī)器人4的結(jié)構(gòu)形狀可以根據(jù)實(shí)際的焊接工況進(jìn)行選擇配置，如焊接機(jī)器人4可以選用控制軸數(shù)為6軸的機(jī)器人，有效負(fù)載為20KG，重復(fù)定位精度為±0.07mm，最大工作范圍為 3812_X3557mm。操作機(jī)構(gòu)用于承載焊接機(jī)器人4運(yùn)行至適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行焊接操作，主要包括設(shè)在支柱11上的橫梁1、滑動(dòng)設(shè)在橫梁I上的懸臂梁2以及與滑動(dòng)設(shè)在懸臂梁2上的縱梁3。橫梁I的長(zhǎng)度方向設(shè)置有水平導(dǎo)軌，懸臂梁2的一端安裝在橫梁I的水平導(dǎo)軌中，從而可以使懸臂梁2沿橫梁I的水平導(dǎo)軌作水平的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；同樣地，懸臂梁2上設(shè)有豎直導(dǎo)軌，縱梁3安裝在懸臂梁I的豎直導(dǎo)軌中，從而可以使縱梁3在懸臂梁2的豎直導(dǎo)軌中作上、下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。操作機(jī)構(gòu)中的橫梁1、懸臂梁2、縱梁3整體將形成(X、Y、Z)的直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)方式，X軸行程8000_，Y軸行程1500mm，Z軸行程1500mm，X軸運(yùn)動(dòng)速度0-12000mm/min，Y軸運(yùn)動(dòng)速度 0-6000mm/min, Z 軸運(yùn)動(dòng)速度 0-6000mm/min。焊接機(jī)器人4倒裝在操作機(jī)構(gòu)中縱梁3的朝下的一端，隨縱梁3 —起運(yùn)動(dòng)。焊接機(jī)器人4上設(shè)有夾持器，焊槍5安裝在焊接機(jī)器人4的夾持器上。本發(fā)明將傳統(tǒng)的機(jī)器人倒掛在操作機(jī)構(gòu)的縱梁3之上，使機(jī)器人在空間上整體位于集箱的母管6和接管7的相貫線的焊口之上，這樣更便于焊槍5圍繞接管7作圓周運(yùn)動(dòng)。此外,操作機(jī)構(gòu)還包括連接在集箱的母管6的一端的動(dòng)力頭8,動(dòng)力頭8用于夾持母管6且使其可以旋轉(zhuǎn)，母管6在動(dòng)力頭8的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使得焊口位置始終處于母管6的最高點(diǎn)，使熔池保持水平狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)母管6的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力頭8上設(shè)有可轉(zhuǎn)動(dòng)的卡盤(pán)9，卡盤(pán)9上設(shè)有用于卡扣母管6端部的活動(dòng)爪。卡盤(pán)9的中心高、卡緊范圍和卡緊力都是可調(diào)的。這樣的卡盤(pán)具有較大的轉(zhuǎn)矩，可實(shí)現(xiàn)帶一定偏載工件的均勻轉(zhuǎn)動(dòng)。為便于調(diào)整母管6的高度，母管6的下方設(shè)有升降滾輪架10，用于支撐母管6并調(diào)節(jié)其中心高度。優(yōu)選使用主從一體的升降滾輪架，額定承重30t，直徑范圍為Φ190-1100_，升降范圍為300_。這種升降滾輪架的結(jié)構(gòu)比普通滾輪架精度高，母管6放在升降滾輪架10上可通過(guò)電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)升降機(jī)調(diào)節(jié)高度，實(shí)現(xiàn)不同管徑精準(zhǔn)定心。多個(gè)升降滾輪架10的升降控制可以選擇聯(lián)動(dòng)和單動(dòng)。升降滾輪架10可以分成細(xì)管滾架和粗管滾架兩級(jí)，可適應(yīng)更大的工件管徑范圍。此外，懸臂梁2、縱梁3以及動(dòng)力頭8的卡盤(pán)9分別連接有伺服電機(jī)，懸臂梁2、縱梁3和卡盤(pán)9各自的伺服 電機(jī)分別通過(guò)通訊電纜與焊接機(jī)器人4的控制柜相連。采用這種方式，焊接機(jī)器人4可以控制懸臂梁2、縱梁3和卡盤(pán)9的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。操作機(jī)構(gòu)上除了伺服電機(jī)，還裝配有減速機(jī)、聯(lián)軸器和接觸球軸承等，均選用精密型號(hào)，組焊件嚴(yán)格控制焊接變形量，裝配件嚴(yán)格控制裝配精度。以下以具體的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明所提供的一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)的實(shí)施方法。在應(yīng)用該本系統(tǒng)實(shí)施焊接操作之前，應(yīng)預(yù)先做好以下工作:第一步:準(zhǔn)備工作。獲取工件參數(shù):包括母管6和接管7各自的外徑、厚度。坡口加工:根據(jù)坡口角度設(shè)計(jì)原則，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的焊道截面參數(shù)和裝配間隙，確定接管7和母管6相貫線不同位置處的坡口角度，然后對(duì)接管7的接頭進(jìn)行加工。打底焊:通常焊接時(shí)要在接管7內(nèi)設(shè)置用于打底焊接的襯管，故在實(shí)施焊接之前，應(yīng)通過(guò)點(diǎn)焊的方式將襯管焊接在母管6上，再將接管7套裝在襯管上，并除去多余的襯墊。弟_■步:連接系統(tǒng)。在采用本發(fā)明的系統(tǒng)施焊之前，可以先將連接有接管7的母管6放置在升降滾輪架10上，并將本系統(tǒng)中的操作機(jī)構(gòu)、動(dòng)力頭8中的相關(guān)部件與焊接機(jī)器人4的控制柜進(jìn)行連接，將焊接機(jī)器人4的控制柜和上位控制裝置100相連。
第三步:運(yùn)行系統(tǒng)。如圖2所示，系統(tǒng)運(yùn)行前期，用戶通過(guò)上位控制裝置100提供的人機(jī)交互界面103輸入?yún)?shù)和已知變量。然后，用戶通過(guò)人機(jī)交互界面103調(diào)用后臺(tái)計(jì)算子模塊101，生成多層多道焊接軌跡的特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)、層數(shù)等，并按照一定的格式輸出焊接軌跡的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)將焊接軌跡的計(jì)算結(jié)果傳送至焊接機(jī)器人4的控制柜。最后，焊接機(jī)器人4將按照計(jì)算出的焊接軌跡、層數(shù)，結(jié)合焊接規(guī)范參數(shù)和焊槍姿態(tài)角進(jìn)行施焊，并在焊接第一層焊縫(與母管和接管的相貫線重合)時(shí)由電弧跟蹤裝置進(jìn)行軌跡修正，以消除理論計(jì)算值與實(shí)際值的偏差。通常，焊槍姿態(tài)角的采用下述方法確定:每層焊道上最上一道焊道的焊槍角度為坡口角度的二分之一，自上而下第二道焊道的焊槍角度為(50-Y )度，Y是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定的常量(如Y可設(shè)為10度)，其余各道焊道的焊槍角度為50度，最終得到焊槍末端的位姿數(shù)據(jù)。焊接過(guò)程中，焊接機(jī)器人4可以通過(guò)其控制柜控制操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件(如懸臂梁2、縱梁3以及動(dòng)力頭8的卡盤(pán)9)，使操作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生與其相配合的運(yùn)動(dòng)，從而使焊槍5圍繞接管7作圓周運(yùn)動(dòng)。另外，通過(guò)上位控制裝置100可以將建模數(shù)據(jù)(即焊接軌跡的計(jì)算結(jié)果)傳送至模擬仿真子模塊102，用于仿真對(duì)比。以下具體說(shuō)明第三步的系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中后臺(tái)計(jì)算子模塊101和模擬仿真子模塊102的實(shí)現(xiàn)方法。如圖3所示，為得到上述多層多道焊接軌跡的計(jì)算結(jié)果，后臺(tái)計(jì)算子模塊101需要完成以下操作或運(yùn)算步驟:(I)調(diào)用基本工藝參數(shù)和已知變量?；竟に噮?shù)包括工件參數(shù)、焊道截面參數(shù)、裝配間隙、焊接工藝參數(shù)和焊槍姿態(tài)角等。已知變量，主要包括特征點(diǎn)位置角度。管件焊接操作通常根據(jù)管件的對(duì)稱性和加工需要，設(shè)定管件圓周的等分度，將焊道分成多個(gè)特征點(diǎn)，如以10度間隔確定特征點(diǎn)位置角度分布360度圓周，由此確定特征點(diǎn)位置角度。(2)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)常用的馬鞍形曲線數(shù)學(xué)模型，結(jié)合工件參數(shù)、焊道截面參數(shù)、裝配間隙以及特征點(diǎn)位置角度，利用公知的數(shù)學(xué)方法(如開(kāi)平方根、三角函數(shù)、三角代換)以及空間、平面解析幾何理論，計(jì)算得到母管6和接管7的相貫線以及接管7連接處切割形成的內(nèi)壁邊緣線和外壁邊緣線的表達(dá)式。這些曲線不僅是管件切割的依據(jù)，也是其他各層各道焊道的定位基準(zhǔn)。(3)根據(jù)等截面坡口角度設(shè)計(jì)原則，利用公知的數(shù)學(xué)方法以及空間、平面解析幾何理論，可以計(jì)算出特征點(diǎn)的坡口截面角度。(4)根據(jù)焊道排布方法和多層多道焊接軌道的計(jì)算方法，計(jì)算得到焊接軌道上特征點(diǎn)處的坐標(biāo)值。后臺(tái)計(jì)算子模塊101中設(shè)定了具體的焊道排布方法及多層多道焊道的計(jì)算方法。后臺(tái)計(jì)算子模塊101主要根據(jù)焊道排布方法和焊道計(jì)算方法，計(jì)算得到各層各道焊道截面上特征點(diǎn)的坐標(biāo)。本發(fā)明中，多層多道焊接的焊道的排布方法為:自下而上，焊道層數(shù)遞增；每層焊道的道數(shù)按等差數(shù)列遞增。具體為:第一層焊道是母管6與接管7的實(shí)際相貫線，該相貫線與母管6連接處的切割而成的馬鞍形曲線重合，因而可作為第一層焊道的實(shí)際初始位置；第一層焊道之上的其他各層焊道的第一道焊道緊密地圍繞接管7的圓周行走，第二道焊道在本層第一道焊道的基礎(chǔ)上作偏移，后續(xù)各道焊道依次作偏移，形成每層的自上而下的多道焊道。多層多道焊接軌道的計(jì)算方法為:將任意特征點(diǎn)處的整個(gè)焊道截面按三角形計(jì)算，其中第一層焊道截面按三角形計(jì)算，后續(xù)各層最上一道焊道截面按不等邊梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等邊菱形計(jì)算，由焊接工藝的相關(guān)工藝參數(shù)計(jì)算得到單個(gè)焊道的截面積，由此得到焊道總數(shù)，而后按照等差數(shù)列求和的方式計(jì)算得到焊道層數(shù)，并將每個(gè)菱形或梯形的左下角點(diǎn)的位置坐標(biāo)作為在特征點(diǎn)處施焊時(shí)焊槍末端所在的位置坐標(biāo)。由上述焊道排布方法和焊道的計(jì)算方法可知，針對(duì)每個(gè)位置的坡口截面，要求各層各道焊道的總截面積相等；針對(duì)每一層，要求每道焊道的截面積相等；另外，每一層焊道中除在接管7上的一道外，其余各道截面均為等底等高的菱形。此外，任意坡口截面以接管7的軸線為旋轉(zhuǎn)中心，并截取母管6外輪廓為橢圓。每個(gè)截面中，坐標(biāo)系的原點(diǎn)與第一層焊道的特征點(diǎn)重合(也與母管6和接管7的相貫線重合)，焊接機(jī)器人4將調(diào)用坐標(biāo)系中的各層各道上特征點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。以下具體說(shuō)明通過(guò)后臺(tái)計(jì)算子模塊101計(jì)算得到各層各道焊道截面上特征點(diǎn)的坐標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方式:I)調(diào)用相關(guān)參數(shù):包括焊絲直徑ds、送絲速度Us、焊接速度Uh ；2)調(diào)用中間變量:坐標(biāo)系的原點(diǎn)到每一層焊縫截面的層邊的三角形的高h(yuǎn)i ;每一層的截面的層邊與前一層截面的層邊距離h2 ；3)調(diào)用焊道計(jì)算方法，利用相關(guān)已知的數(shù)學(xué)方法，計(jì)算各層各道焊道截面上特征點(diǎn)的坐標(biāo)；4)輸出結(jié)果，包括單道焊道截面積、總焊道層數(shù)、總焊道數(shù)以及各層各道截面上菱形或梯形的左下角點(diǎn)在上述坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，這些坐標(biāo)即為各層各道焊道的特征點(diǎn)在上述坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。(5)依據(jù)各層各道焊道上特征點(diǎn)的坐標(biāo)，利用現(xiàn)有的三維繪圖函數(shù)(關(guān)于馬鞍線曲線)，按照由內(nèi)而外、由下而上的順序逐層逐道繪制焊接軌跡的曲線圖。如圖4所示，模擬仿真子模塊102的實(shí)現(xiàn)仿真的方法包括以下步驟:i )調(diào)用數(shù)據(jù)采集裝置200所采集到的焊接機(jī)器人4的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)；ii)根據(jù)焊接機(jī)器人4的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，計(jì)算得到焊接軌道上特征點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)；iii)依據(jù)各層各道上特征點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)，利用現(xiàn)有的三維繪圖函數(shù)(關(guān)于馬鞍線曲線)，按照由內(nèi)而外、由下而上的順序逐層逐道繪制實(shí)際的焊接軌跡；iv)輸出焊接軌跡的仿真結(jié)果。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)焊縫的跟蹤，獲取焊接軌跡的仿真結(jié)果，從而可在施焊的同時(shí)完成自動(dòng)排焊道和對(duì)焊口加工中出現(xiàn)的誤差的補(bǔ)償，提高了焊接質(zhì)量。
上述實(shí)施例只是對(duì)本發(fā)明的舉例說(shuō)明，本發(fā)明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式實(shí)施，而不偏離本發(fā)明的要旨或本質(zhì)特征。因此，描述的實(shí)施方式從任何方面來(lái)看均應(yīng)視為說(shuō)明性而非限定性的。本發(fā)明的范圍應(yīng)由附加的權(quán)利要求說(shuō)明，任何與權(quán)利要求的意圖和范圍等效的變化也應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，所述集箱包括待焊接的母管和接管，所述自動(dòng)焊接系統(tǒng)包括設(shè)在集箱上方的操作機(jī)構(gòu)、設(shè)在操作機(jī)構(gòu)上的焊接機(jī)器人和設(shè)在焊接機(jī)器人上的焊槍，其特征在于，該系統(tǒng)還包括與焊接機(jī)器人相連的上位控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，上位控制裝置中包含中央處理器、后臺(tái)計(jì)算子模塊、模擬仿真子模塊和人機(jī)交互界面，其中: 中央處理器，用于存儲(chǔ)、加工數(shù)據(jù)并控制上位控制裝置中各子模塊； 人機(jī)交互界面，用于用戶通過(guò)該人機(jī)交互界面輸入工藝參數(shù)和已知變量、調(diào)用后臺(tái)計(jì)算子模塊或模擬仿真子模塊，并獲取相應(yīng)的結(jié)果； 后臺(tái)計(jì)算子模塊，用于產(chǎn)生焊接軌跡計(jì)算結(jié)果； 模擬仿真子模塊，用于產(chǎn)生焊接軌跡仿真結(jié)果； 數(shù)據(jù)采集裝置，用于采集焊接機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，其特征在于，焊接機(jī)器人連接有控制柜，上位控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置通過(guò)通訊電纜與焊接機(jī)器人的控制柜相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，其特征在于，后臺(tái)計(jì)算子模塊的實(shí)現(xiàn)方式包括以下步驟: (O調(diào)用參數(shù)或已知變量，參數(shù)包括工件參數(shù)、焊道截面參數(shù)、裝配間隙、工藝參數(shù)、焊槍姿態(tài)角；已知變量包括特征點(diǎn)位置角度； (2)根據(jù)管件切割要求，結(jié)合工件參數(shù)、裝配間隙和特征點(diǎn)位置角度，計(jì)算得到母管和接管的相貫線的表達(dá)式以及接管連接處切割形成的內(nèi)壁邊緣線和外壁邊緣線的表達(dá)式； (3)根據(jù)等截面坡口角度設(shè)計(jì)原則，結(jié)合工件參數(shù)、焊道截面參數(shù)和特征點(diǎn)位置角度，計(jì)算特征點(diǎn)的坡口截面角度； (4)在特征點(diǎn)的坡口截面角度求解的基礎(chǔ)上，根據(jù)多層多道焊接的焊道的排布方式和焊道的計(jì)算方法，計(jì)算得到特定坐標(biāo)系下任意坡口截面的各層各道上特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)； (5)在特定坐標(biāo)系下，依據(jù)各層各道上特征點(diǎn)的位置坐標(biāo)，按照由內(nèi)而外、由下而上的順序逐層逐道繪制焊接軌跡的曲線圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，其特征在于， 多層多道焊接的焊道的排布方式為:自下而上，焊道層數(shù)遞增；每層焊道的道數(shù)按等差數(shù)列遞增； 多層多道焊接軌道的計(jì)算方法為:將任意特征點(diǎn)處的整個(gè)焊道截面按三角形計(jì)算，其中第一層焊道截面按三角形計(jì)算，后續(xù)各層最上一道焊道截面按不等邊梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等邊菱形計(jì)算，由焊接工藝的相關(guān)工藝參數(shù)計(jì)算得到單個(gè)焊道的截面積，由此得到焊道總數(shù)，而后按照等差數(shù)列求和的方式計(jì)算得到焊道層數(shù)，并將每個(gè)菱形或梯形的左下角點(diǎn)的位置坐標(biāo)作為在特征點(diǎn)處施焊時(shí)焊槍末端所在的位置坐標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，其特征在于，模擬仿真子模塊的實(shí)現(xiàn)仿真的方法包括以下步驟: i)調(diào)用數(shù)據(jù)采集裝置采集到的焊接機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)；)根據(jù)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，計(jì)算焊接軌道上特征點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)； iii)依據(jù)各層各道上特征點(diǎn)的實(shí)際位置坐標(biāo)，按照由內(nèi)而外、由下而上的順序逐層逐道繪制實(shí)際的焊接軌跡； iv)輸出焊接軌跡的仿真結(jié)果。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，其特征在于，操作機(jī)構(gòu)包括設(shè)在支柱上的橫梁、滑動(dòng)設(shè)在橫梁上的懸臂梁以及與滑動(dòng)設(shè)在懸臂梁上的縱梁；焊接機(jī)器人連接在縱梁的朝下的一端，焊接機(jī)器人上設(shè)有用于夾持焊槍的夾持器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，其特征在于，橫梁上沿其長(zhǎng)度方向設(shè)有水平導(dǎo)軌，懸臂梁的一端設(shè)在橫梁的水平導(dǎo)軌中；懸臂梁上設(shè)有豎直導(dǎo)軌，縱梁設(shè)在懸臂梁的豎直導(dǎo)軌中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，其特征在于，操作機(jī)構(gòu)還包括連接在集箱的母管的一端的動(dòng)力頭，動(dòng)力頭上設(shè)有可轉(zhuǎn)動(dòng)的卡盤(pán)，卡盤(pán)上設(shè)有用于卡扣母管端部的活動(dòng)爪。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，其特征在于，懸臂梁、縱梁以及動(dòng)力頭的卡盤(pán)分別連接有伺服電機(jī)，懸臂梁、縱梁和卡盤(pán)各自的伺服電機(jī)分別通過(guò)通訊電纜與焊接機(jī)器人的控制柜相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，其特征在于，母管的下方設(shè)有用于支撐母管的升降 滾輪架。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于集箱焊接的自動(dòng)焊接系統(tǒng)，包括設(shè)在集箱上方的操作機(jī)構(gòu)、設(shè)在操作機(jī)構(gòu)上的焊接機(jī)器人和設(shè)在焊接機(jī)器人上的焊槍，還包括與焊接機(jī)器人相連的上位控制裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，上位控制裝置中包含用于存儲(chǔ)、加工數(shù)據(jù)并控制其他子模塊的中央處理器、用于產(chǎn)生焊接軌跡計(jì)算結(jié)果的后臺(tái)計(jì)算子模塊、用于產(chǎn)生焊接軌跡仿真結(jié)果的模擬仿真子模塊以及用于系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的人機(jī)交互界面；數(shù)據(jù)采集裝置用于采集焊接機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。本系統(tǒng)可較好地調(diào)整機(jī)器人所控制的焊槍的位置及姿態(tài)，還能夠通過(guò)對(duì)焊縫的跟蹤，完成自動(dòng)排焊道和對(duì)焊口加工中出現(xiàn)的誤差的補(bǔ)償，提高焊接質(zhì)量。
文檔編號(hào)B23K9/28GK103111718SQ20131002369
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者崔江濤, 黃享才, 訾標(biāo), 李海全, 王忻濤, 楊學(xué)兵 申請(qǐng)人:北京中電華強(qiáng)焊接工程技術(shù)有限公司