CN101376198B - 一种五轴联动数控焊接机及其焊接工艺控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五轴联动数控焊接机及其焊接工艺控制方法，其采用CAD/CAM建立焊接工件模型，规划输出特定的焊点序列数据，然后应用特定的机床运动学公式对其进行坐标转换并生成G代码数控程序文件，机械传动系统五轴按照该转化后的特定焊点数据联动以达到优化焊枪焊接时与焊点之间的位置，保证焊接产品质量一致性好，重复精度高，运动和动力性能好等优点；机械传动系统包括三个驱动焊枪分别发生X、Y、Z直线移动导轨和两个驱动焊枪旋转的旋转轴组成，其中直线移动导轨可以保证旋转轴在工作空间内发生任何位置平移，而两个驱动焊枪旋转的旋转轴可以保证焊枪围绕焊点做360度旋转，因而本发明具备机床行程大，无死区，通用性，适应性强等优点。

Description

一种五轴联动数控焊接机及其焊接工艺控制方法

技术领域

本发明涉及一种焊接机，尤其是一种五轴联动的数控焊接机。

本发明还涉及一种工艺流程，尤其是一种应用计算机程序实现焊接机运转以焊接工件的工艺流程。

背景技术

在现有的焊接设备中，焊枪头一般只能在三维空间中发生平移，不能进行角度变化，因此在焊接时，焊枪与焊点之间的位置总不能达到最优的状态，所以往往造成焊缝产生气孔、夹渣等现象，影响焊接质量。

另外，目前的焊接机一般采用手工编程方式进行加工程序的编制，这对于工件焊缝形状比较简单时是可以实现的，但是随着工件焊缝复杂程度的增加，数学计算量、程序段数目也将大大增加，这时如果单纯依靠手工编程将及其困难，甚至是不可能完成。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种五轴联动数控焊接机，其通过一焊枪头驱动装置驱动焊枪头在三维空间发生平移和旋转，从而保证焊接时实现焊枪与焊点之间的最佳位置，优化焊接质量。

为实现以上的发明目的，本发明将采用以下的技术方案：

一种五轴联动数控焊接机，包括控制系统、伺服系统、检测系统以及机床传动系统，其特征在于，所述的机床传动系统包括设置于工作台上的能驱动焊枪平移以及驱动焊枪头旋转的焊枪驱动装置，所述伺服系统包括第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机、第三伺服/步进电机、第四伺服/步进电机以及第五伺服/步进电机，其输入端与控制系统相连接，所述的焊枪驱动装置包括焊枪平移装置和焊枪头旋转装置，所述焊枪平移装置包括呈三维坐标设置的第一导轨、第二导轨以及第三导轨，所述第一导轨呈X方向设置并固设于工作台上，所述第三导轨呈Z方向设置并固定连接在第一导轨的滑座上，而第二导轨则呈Y方向设置且固定连接在第三导轨的滑座上；所述焊枪头旋转装置包括固定连接在第二导轨滑座上且与所述第三导轨轴线平行的主旋转轴以及与主旋转轴输出端设置的承接板固定连接的第五伺服/步进电机，所述第五伺服/步进电机输出端与焊枪旋转连接；所述第一导轨、第二导轨、第三导轨以及主旋转轴输入端分别与第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机、第三伺服/步进电机和第四伺服/步进电机连接。

所述的第四伺服/步进电机与主旋转轴之间连接有第一减速传动机构，而所述第五伺服/步进电机与焊枪之间连接有第二减速传动机构。

所述的第一、第二减速传动机构为蜗轮蜗杆传动机构或行星齿轮系传动机构或谐波减速器。

所述第二减速传动机构与焊枪之间设置有带轮传动或链轮传动或齿轮传动或平面连杆传动机构。

本发明的另一个发明目的是提供一种焊接工艺编程控制方法，其通过采用CAD/CAM自动编程系统生成刀具轨迹数据文件，而后经专用后处理软件读取，并通过机床运动学公式，将该刀具轨迹数据进行转化为焊接加工NC程序，发出指令给伺服系统驱动焊接机机床上焊枪运转进行焊接加工。

为实现以上的发明目的，本发明将采用以下的技术方案：

一种焊接工艺控制方法，所述焊接工艺控制方法通过运用计算机程序自动控制所述机床传动系统运转以优化焊枪焊接时与焊点之间的位置，其具体方法步骤如下：

(1)采集特定的工件焊缝轨迹的焊点坐标(x_(n)，y_(n)，z_(n))及其对应处刀轴空间矢量分量(i_(n)，j_(n)，k_(n))：在CAD/CAM自动编程系统中建立工件坐标系，建立待焊接工件的几何模型，确定焊缝轨迹曲线，接着在该模型上进行焊接工艺规划、焊枪定义、确定运动参数以及刀轴矢量的控制方式从而输出焊缝轨迹加工数据文件，其包括一系列的工件焊缝轨迹的焊点坐标(x_(n)，y_(n)，z_(n))及其对应处刀轴空间矢量分量(i_(n)，j_(n)，k_(n))，所述刀轴矢量是指焊枪头指向焊枪柄的方向，n为焊点序列号；

(2)生产数控系统所识别的G代码文件：针对机床结构建立机床坐标系，将步骤(1)所得焊缝轨迹加工数据文件输入后处理系统，其运用特定的机床运动学求解公式将焊缝轨迹中的每一个焊点数据(x_(n)，y_(n)，z_(n)，i_(n)，j_(n)，k_(n))转化为机床结构坐标点

以及机床旋转结构的旋转坐标角度值(A_(n)，C_(n))，生成数控程序G代码文件；

(3)运行数控系统：将步骤(2)所得G代码文件输入数控系统，当焊接机完成对待焊接工件对刀、定位和装夹后，启动运行并由数控系统发出指令给伺服系统驱动机床传动系统运动，机床传动系统中第一导轨、第二导轨、第三导轨上的滑座将在第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机、第三伺服/步进电机驱动下按照

三坐标值进行直线移动，而第四伺服/步进电机以及第五伺服/步进电机将分别按照旋转角度值(C_(n)，A_(n))进行进给；

(4)启动焊枪，开始工件焊接：当所述焊枪在机床传动系统的的运作下使得其在机床坐标系中完成焊缝起始点

以及角度值(A_(n)，C_(n))的定位时，数控系统通过执行相应的代码指令，启动焊枪点火，开始进行焊接；

(5)焊枪熄火，结束工件焊接：继续依次执行数控代码，读取焊缝轨迹曲线上的焊点数据，并按照上述方式依次进行五轴的线性插补，进而驱动焊枪使其位置和角度发生连续变化，以拟合完成整条焊缝轨迹曲线，从而结束工件焊接。

本发明采用以上的技术方案，可以达到以下的有益效果：

1.本发明采用的焊枪驱动装置包括三个驱动焊枪分别发生X、Y、Z直线位移的导轨和两个驱动焊枪旋转的旋转轴组成，其中三个驱动焊枪分别发生X、Y、Z直线位移的导轨可以保证旋转轴在工作空间内发生任何位置平移，而两个驱动焊枪旋转的旋转轴可以保证焊枪围绕焊点做360度旋转，从而保证焊接时实现焊枪与焊点之间的最佳位置，优化焊接质量，同时这种结构配置形式使得机床行程大，无死区，通用性适应性强，另由于其运动方式完全依赖于机床自身的线性轴、回转轴的运动，且焊机本身工作台主要起支撑工件的重量和辅助工具的重量，使机床空间利用率提高，故非常适合大型、焊缝复杂工件的焊接加工。

2.本发明在第二减速传动机构与焊枪之间连接有链轮传动或者齿轮传动或者带轮传动或者连杆传动机构，则这种传动机构在保证传动精度的同时还保留了焊枪与输气管的活动空间，另外该空余空间使其可以对比较细小的内腔型焊接工件进行焊接。

3.本发明所提供的焊接工艺控制方法运用当今主流的CAD/CAM软件进行焊接工件的建模、焊接工艺的规划、运动过程的设计、工序流程的定义等操作；输出特定焊点数据并绘制出相应的焊缝轨迹曲线，应用控制系统内特定的机床运动学公式自动完成机床焊枪运动轨迹数据的计算、加工程序的编制和输出，从而达到自动控制机床传动系统运作的目的，同时，应用计算机程序进行焊点数目的控制，使得本发明具备产品质量一致性好，重复精度较高，运动和动力性能较好等优点，克服了目前机械手焊接的控制多采用示教方式编程操作、操作工人劳动强度大、人为因数差异较大、产品质量难以控制、品质难以测控和量化等缺陷。

附图说明

图1是本发明所述焊接机工艺流程图；

图2是本发明所述焊接机的立体结构示意图；

图3是本发明所述焊接机焊枪头旋转装置的左视图；

图4是本发明所述焊接机焊枪头旋转装置B-B剖视图；

图5是本发明焊枪头旋转装置E-E剖视图；

图6是本发明后处理系统的内部运行流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的技术方案给予详尽的说明。

图1为本发明的焊接工艺流程图，本发明所述的五轴联动数控焊接机包括控制系统、伺服系统、检测系统以及机床传动系统，当需要对某一工件进行焊接时，需要先运用CAD/CAM软件进行焊接工件的建模、焊接工艺的规划、运动过程的设计、工序流程的定义等操作，以输出该工件的焊缝轨迹数据文件，然后将该焊缝轨迹数据文件输入控制系统，所述控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，包括后处理软件和数控系统，所述后处理系统通过读取焊缝轨迹数据文件并对该焊缝轨迹曲线的数据运用特定的机床运动学公式对其进行坐标转化，以生成焊接加工NC程序，然后将该焊接加工NC程序输入数控系统，其将发出指令给伺服系统驱动机床传动系统运动，进行焊接加工；伺服系统根据控制系统的指令驱动机床，使焊枪执行数控代码规定的运动；检测系统则是用来检测机床执行件的位移和速度变化量，并将检测结果反馈到输入端，与输入指令进行比较，根据其差别调整机床运动；机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置。

如图2、图3和图4所示，所述伺服系统包括第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机31、第三伺服/步进电机41、第四伺服/步进电机51以及第五伺服/步进电机61，其输入端与本发明所述焊接机的控制系统相连接，而输出端则与机床传动系统输入端连接。

图2为本发明所述焊接机机床传动系统的立体结构示意图，如图所示，该机床传动系统包括电源、工作台1以及焊枪，还包括驱动焊枪平移以及驱动焊枪头旋转的设置于工作台上的焊枪驱动装置，所述焊枪驱动装置输入端与电源连接，输出端则与焊枪连接；所述焊枪驱动装置包括焊枪平移装置和焊枪头旋转装置，所述焊枪平移装置包括呈三维坐标设置的第一导轨2、第二导轨3以及第三导轨4，所述第一导轨2呈X方向设置并固设于工作台1上，所述第三导轨4呈Z方向设置并固定连接在第一导轨2的滑座上，而第二导轨3则呈Y方向设置且固定连接在第三导轨4的滑座上；所述焊枪头旋转装置包括固定连接在第二导轨3滑座上且与所述第三导轨4轴线平行的主旋转轴5以及与主旋转轴5输出端设置的承接板7固定连接的第五伺服/步进电机61，所述第五伺服/步进电机61输出端与焊枪旋转连接；所述第一导轨2、第二导轨3、第三导轨4以及主旋转轴5输入端分别与第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机31、第三伺服/步进电机41和第四伺服/步进电机51连接，且所述第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机31、第三伺服/步进电机41、第四伺服/步进电机51以及第五伺服/步进电机61由一特定的控制系统驱动；根据以上的技术方案可知，当需要对某一焊缝进行焊接时，控制系统对第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机31、第三伺服/步进电机41、第四伺服/步进电机51以及第五伺服/步进电机61发出指令，则第一、第二和第三伺服/步进电机将驱动第一、第二和第三轨道上的滑座发生平移，即驱动主旋转轴发生位置变化，同时第四伺服/步进电机的驱动使得主旋转轴绕Z轴旋转，即带动第五伺服/步进电机绕Z轴做旋转运动，而第五伺服/步进电机启动可以带动其输出端连接的焊枪发生旋转，由此可知，第一、第二和第三导轨的配合运动可以保证焊枪在工作空间内的任何位置变化，而第四、第五伺服/步进电机的配合旋转运动可以良好地保证焊枪头发生任何角度的旋转，即保证了本发明焊接时焊枪头与焊点切线垂直，从而提高焊缝质量。

在机械传动中，特别是用于精确定位的旋转结构中，一般会使用减速传动机构以增大驱动扭矩，提高传动精度和机械刚性，如图2、图3和图4所示，本发明第四伺服/步进电机51和主旋转轴5之间设置有第一减速传动机构，而在第五伺服/步进电机61和焊枪之间设置有第二减速传动机构，所述的第一、第二减速传动机构皆采用单级蜗轮蜗杆减速传动机构，即所述的第四伺服/步进电机51输出端通过联轴器与第一蜗杆轴522连接，所述第一蜗杆轴522上配合连接有第一蜗杆521，第一蜗杆521的输出端则与第一蜗轮520连接，而第一蜗轮520的输出端则与主旋转轴5连接，从而将第四伺服/步进电机51的动力传递给主旋转轴5；而所述的第五伺服/步进电机61输出端则通过联轴器与第二蜗杆轴632连接，所述第二蜗杆轴632上配合连接有第二蜗杆631，第二蜗杆631的输出端则与第二蜗轮630连接，而第二蜗轮630的输出端则与焊枪旋转连接，从而将第五伺服/步进电机的动力传递给焊枪，驱动焊枪发生旋转运动。

为保证焊枪与输气管有足够的活动空间以及可以对比较细小的内腔型焊接工件进行焊接，本发明在第二减速传动机构与焊枪之间连接带轮620和621传动机构，另外该带轮传动机构还可以用链轮传动或者齿轮传动或者平行双曲柄等类似的平面连杆传动机构替代。

本发明所采用的第一、第二减速传动机构还可以是行星齿轮系传动机构或者谐波减速器。

以下将结合图1和图6详细的说明本发明所述的焊接工艺控制方法，所述焊接工艺控制方法通过运用计算机程序自动控制上述机床传动系统运转以优化焊枪焊接时与焊点之间的位置，其具体方法步骤如下：

(1)采集特定的工件焊缝轨迹的焊点坐标(x_(n)，y_(n)，z_(n))及其对应处刀轴空间矢量分量(i_(n)，j_(n)，k_(n))：在CAD/CAM自动编程系统中建立工件坐标系，建立待焊接工件的几何模型，确定焊缝轨迹曲线，接着在该模型上进行焊接工艺规划、焊枪定义、确定运动参数以及刀轴矢量的控制方式从而输出焊缝轨迹加工数据文件，其包括一系列的工件焊缝轨迹的焊点坐标(x_(n)，y_(n)，z_(n))及其对应处刀轴空间矢量分量(i_(n)，j_(n)，k_(n))，所述刀轴矢量是指焊枪头指向焊枪柄的方向，n为焊点序列号；

(2)生产数控系统所识别的G代码文件：针对机床结构建立机床坐标系，将步骤(1)所得焊缝轨迹加工数据文件输入后处理系统，其运用特定的机床运动学求解公式将焊缝轨迹中的每一个焊点数据(x_(n)，y_(n)，z_(n)，i_(n)，j_(n)，k_(n))转化为机床结构坐标点

以及机床旋转结构的旋转坐标角度值(A_(n)，C_(n))，然后根据其他加工信息和数控系统特征生成完整的数控程序G代码文件；

(3)运行数控系统：将步骤(2)所得G代码文件输入数控系统，当焊接机完成对待焊接工件对刀、定位和装夹后，启动运行并由数控系统发出指令给伺服系统驱动机床传动系统运动，机床传动系统中第一导轨、第二导轨、第三导轨上的滑座将在第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机、第三伺服/步进电机驱动下按照

三坐标值进行直线移动，而第四伺服/步进电机以及第五伺服/步进电机将分别按照旋转角度值(C_(n)，A_(n))进行进给；

(4)启动焊枪，开始工件焊接：当所述焊枪在机床传动系统的的运作下使得其在机床坐标系中完成焊缝起始点

以及角度值(A_(n)，C_(n))的定位时，数控系统通过执行相应的代码指令，启动焊枪点火，开始进行焊接；

(5)焊枪熄火，结束工件焊接：继续依次执行数控代码，读取焊缝轨迹曲线上的焊点数据，并按照上述方式依次进行五轴的线性插补，进而驱动焊枪使其位置和角度发生连续变化，以拟合完成整条焊缝轨迹曲线，从而结束工件焊接。

所述步骤(2)中后处理系统内所用的特定的机床运动学公式为：

(1)A角的计算公式如下：

(2)C角的计算公式如下：(当k_(n)＝0时，令

)

(3)机床三轴坐标点计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{x\′}_{\left(n\right)}=x_{\left(n\right)}+L\×i_{\left(n\right)}-P\×\mathrm{Cos}(C_{\left(n\right)}\×\mathrm{PI}/180)+M\×\mathrm{Sin}(C_{\left(n\right)}\×\mathrm{PI}/180)\\ {y\′}_{\left(n\right)}=y_{\left(n\right)}+L\×j_{\left(n\right)}-P\×\mathrm{Sin}(C_{\left(n\right)}\×\mathrm{PI}/180)-M\×\mathrm{Cos}(C_{\left(n\right)}\×\mathrm{PI}/180)\\ {z\′}_{\left(n\right)}=z_{\left(n\right)}+L\×k_{\left(n\right)}+Q\end{array}\right.$

其中：

(1)L为有效焊枪长度，其为焊枪实际长度、电极长度、预留的起弧间距三者之和；刀轴方向，即焊枪头指向焊枪柄的方向指向z轴正方向；

(2)P，M，Q是第五轴旋转中心相对第四轴分别在x，y，z方向上的偏心距离；偏心的正负定义：机械旋转结构相对xyz各轴的方向，一致则为正，相反则为负；

(3)x_(n)，y_(n)，z_(n)为工件坐标系中焊缝轨迹曲线上任一点坐标；

为机床坐标系中焊缝轨迹曲线上分别与x_(n)，y_(n)，z_(n)相对应的坐标值；

(4)C，A为第四伺服/步进电机以及第五伺服/步进电机的进给量，PI为圆周率；

(5)i，j，k为工件坐标系中刀轴方向在x，y，z方向上的矢量分量。

另外，在焊接工件前，需要对焊机设备与待焊接工件进行对刀，以确定工件坐标系与系统机床坐标系的一致。

Claims (2)

1.一种五轴联动数控焊接机，包括控制系统、伺服系统、检测系统以及机床传动系统，其特征在于，所述的机床传动系统包括设置于工作台上的能驱动焊枪平移以及驱动焊枪头旋转的焊枪驱动装置，所述伺服系统包括第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机、第三伺服/步进电机、第四伺服/步进电机以及第五伺服/步进电机，其输入端与控制系统相连接，所述的焊枪驱动装置包括焊枪平移装置和焊枪头旋转装置，所述焊枪平移装置包括呈三维坐标设置的第一导轨、第二导轨以及第三导轨，所述第一导轨呈X方向设置并固设于工作台上，所述第三导轨呈Z方向设置并固定连接在第一导轨的滑座上，而第二导轨则呈Y方向设置且固定连接在第三导轨的滑座上；所述焊枪头旋转装置包括固定连接在第二导轨滑座上且与所述第三导轨轴线平行的主旋转轴以及与主旋转轴输出端设置的承接板固定连接的第五伺服/步进电机，所述第五伺服/步进电机输出端与焊枪旋转连接；所述第一导轨、第二导轨、第三导轨以及主旋转轴输入端分别与第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机、第三伺服/步进电机和第四伺服/步进电机连接；所述的第四伺服/步进电机与主旋转轴之间连接有第一减速传动机构，所述第五伺服/步进电机与焊枪之间连接有第二减速传动机构；所述的第一、第二减速传动机构为蜗轮蜗杆传动机构或者行星齿轮系传动机构或者谐波减速器；所述第二减速传动机构与焊枪之间设置有带轮传动或者链轮传动或者齿轮传动或者平面连杆传动机构。

2.一种焊接工艺控制方法，其特征在于，所述焊接工艺控制方法通过运用计算机程序自动控制权利要求1所述机床传动系统运转以优化焊枪头焊接时与焊点之间的位置，其具体方法步骤如下：

(1)采集特定的工件焊缝轨迹的焊点坐标(x_(n)，y_(n)，z_(n))及其对应处刀轴空间矢量分量(i_(n)，j_(n)，k_(n))：在CAD/CAM自动编程系统中建立工件坐标系，建立待焊接工件的几何模型，确定焊缝轨迹曲线，接着在该模型上进行焊接工艺规划、焊枪定义、确定运动参数以及刀轴矢量的控制方式从而输出焊缝轨迹加工数据文件，其包括一系列的工件焊缝轨迹的焊点坐标(x_(n)，y_(n)，z_(n))及其对应处刀轴空间矢量分量(i_(n)，j_(n)，k_(n))，所述刀轴矢量是指焊枪头指向焊枪柄的方向，n为焊点序列号；

(2)生产数控系统所识别的G代码文件：针对机床结构建立机床坐标系，将步骤(1)所得焊缝轨迹加工数据文件输入后处理系统，其运用特定的机床运动学求解公式将焊缝轨迹中的每一个焊点数据(x_(n)，y_(n)，z_(n)，i_(n)，j_(n)，k_(n))转化为机床结构坐 标点(x′_(n)，y′_(n)，z′_(n))以及机床旋转结构的旋转坐标角度值(A_(n)，C_(n))，生成数控程序G代码文件；

(3)运行数控系统：将步骤(2)所得G代码文件输入数控系统，当焊接机完成对待焊接工件对刀、定位和装夹后，启动运行并由数控系统发出指令给伺服系统驱动机床传动系统运动，机床传动系统中第一导轨、第二导轨、第三导轨上的滑座将在第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机、第三伺服/步进电机驱动下按照(x′_(n)，y′_(n)，z′_(n))三坐标值进行直线移动，而第四伺服/步进电机以及第五伺服/步进电机将分别按照旋转角度值(C_(n)，A_(n))进行进给；

(4)启动焊枪，开始工件焊接：当所述焊枪在机床传动系统的的运作下使得其在机床坐标系中完成焊缝起始点(x′_(n)，y′_(n)，z′_(n))以及角度值(A_(n)，C_(n))的定位时，数控系统通过执行相应的代码指令，启动焊枪点火，开始进行焊接；

(5)焊枪熄火，结束工件焊接：继续依次执行数控代码，读取焊缝轨迹曲线上的焊点数据，并按照上述方式依次进行五轴的线性插补，进而驱动焊枪使其位置和角度发生连续变化，以拟合完成整条焊缝轨迹曲线，从而结束工件焊接；

所述步骤(2)中后处理系统内所用的特定的机床运动学公式为：

(1)A角的计算公式如下：

(2)C角的计算公式如下：当k_(n)＝0时，令 

(3)机床三轴坐标点计算公式：

其中：

(1)L为有效焊枪长度，其为焊枪实际长度、电极长度、预留的起弧间距三者之和；刀轴方向，即焊枪头指向焊枪柄的方向指向z轴正方向；

(2)P，M，Q是第五轴旋转中心相对第四轴分别在x，y，z方向上的偏心距离；偏心的正负定义：机械旋转结构相对xyz各轴的方向，一致则为正，相反则为负；

(3)x_(n)，y_(n)，z_(n)为工件坐标系中焊缝轨迹曲线上任一点坐标；x′_(n)，y′_(n)，z′_(n)为机床坐标系中焊缝轨迹曲线上分别与x_(n)，y_(n)，z_(n)相对应的坐标值；

(4)C，A为第四伺服/步进电机以及第五伺服/步进电机的进给量，PI为圆周率；

(5)i，j，k为工件坐标系中刀轴方向在x，y，z方向上的矢量分量。 

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