CN102107361B - 闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法，包括以下步骤：对毛坯进行车加工形成轮盘及轮盖；在轮盘上铣出叶片；在轮盖上铣出槽体；通过焊接机器人将轮盘与轮盖焊接为一体，完成闭式三元开槽焊叶轮的自动焊接；将轮盘与轮盖焊接为一体包括：调用试校取点子程序，在一个焊接槽内取M个试校点存储在焊接机器人控制器中；控制焊枪对叶轮中的对应叶片进行焊接；如果计数值小于设定值，进行旋转工作台角度的计算和校正，对的该叶轮下一个焊接槽的位置进行进一步校准；接续对下一个焊接槽实施焊接。本发明使三元叶轮的轮盖、轮盘型线加工准确，焊接槽和叶片对中性良好，焊接机器人自动焊接控制平稳正确，提高闭式三元叶轮的加工效率。

Description

闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法

技术领域

本发明涉及机械加工和数控技术领域，具体的说是一种闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法。

背景技术

三元叶轮作为航空、机械、化工等行业的透平机械中的关键零件应用越来越广泛，尤其在国内外风机企业中三元叶轮的加工技术提升的脚步从来没有停止过，三元不锈钢材料的叶轮铣制技术更是引领五轴数控加工水平的不断提高。

闭式三元叶轮叶片越来越多的应用于压缩机中，而有些闭式三元叶轮叶片间的流道较窄，叶片扭曲很大，利用通常的焊接方法很难实现。为了解决上述问题，可采用开槽焊的工艺方法，即通常将叶片铣制在轮盘上，在轮盖上开槽，然后通过焊接机器人或用手工的方法在轮盖外侧进行焊接，将轮盖和带有叶片的轮盘焊接在一起，再将焊接槽填平。对于闭式三元叶轮开槽自动焊接的研究一直是透平机械制造业中的重要课题。

该项技术需要解决很多关键技术问题，主要包括三元叶片和焊接槽的铣制、应用焊接机器人进行开槽焊接的自动控制方法等，而目前能够很好地解决三元叶片和焊接槽的铣制、开槽焊接的自动控制方法尚未见报道。

发明内容

针对现有技术中存在的上述三元叶片和焊接槽的铣制、开槽焊接的自动控制不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种型线准确，焊接槽准确的闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法包括以下步骤：

对毛坯进行车加工形成轮盘及轮盖；

在轮盘上铣出叶片；

在轮盖上铣出槽体；

通过焊接机器人将轮盘与轮盖焊接为一体，完成闭式三元开槽焊叶轮的自动焊接。

所述毛坯进行对车加工采用容差度小于间隙值的直线逼近方法，具体为：

在二维通用加工软件输入轮盖线数据、容差度以及间隙值，生成无数条小直线逼近样条线；

根据无数条小直线生成数控车床的NC代码；

数控车床根据上述NC代码进行自动车削控制，完成对毛坯加工。

所述在轮盖上铣出槽体包括以下步骤：

将轮盖牢固装夹在轮盘上，确保焊接槽的中心线与叶片的中心线吻合及轮盖的加工基准准确；

通过NC代码程序铣制轮盖槽体，具体为：

输入叶片中性面上轮盖线数据；

根据槽体深度和加工基准向通用的加工软件输入控制参数，生成铣制槽体的NC程序及仿真模型；其中控制参数中的槽体深度小于理论深度0.15～0.2m。

启动铣床NC，在轮盖上铣床制槽体。

所述通过焊接机器人将轮盘与轮盖焊接为一体包括以下步骤：

将叶轮装夹固定在焊接机器人的旋转工作台上后，启动自动焊接主程序，完成以下控制过程：

调用试校取点子程序，对焊接前机器人的基轴和臂轴运动速度进行限定，在一个焊接槽内取M个试校点存储在焊接机器人控制器中；

调用外部轴坐标点信息处理子程序，将该焊接槽M个试校点信息复制到该叶轮的其它各焊接槽；

调用焊接子程序，控制焊接机器人上的焊枪沿该焊接槽中M个试样点形成的运动路线对叶轮中的对应叶片进行焊接；

完成一个焊接槽的焊接后，计数值加1，如果该计数值小于设定值；

焊接机器人的旋转工作台带动叶轮转动后，进行旋转工作台角度的计算和校正，对的该叶轮下一个焊接槽的位置进行进一步校准；

返回调用焊接子程序步骤，接续对下一个焊接槽实施焊接，直至计数值等于设定值，结束一个叶轮的焊接。

所述取试校点包括以下步骤：

在某个焊接槽中确定第1～M个试校点的点位；

在每个试校点点位上，判断焊接机器人各轴的姿态是否符合人体学的运动姿态；

如果符合人体学运动姿态，则焊接机器人对各试校点点位进行联动，确认其是否超限位；

如果不超限位，试校成功，保存各试校点位置信息至焊接机器人的存储器中；

如果超限位，则重新取试校点，接续在每个试校点点位上，判断焊接机器人各轴的姿态是否符合人体学的运动姿态步骤；

如果焊接机器人各轴的姿态不符合人体学的运动姿态，则手动调整焊接机器人各轴的姿态，直到其符合人体学的运动姿态；接续对各试校点点位进行联动步骤。

所述旋转工作台角度的计算和校正包括以下步骤：

旋转工作台旋转一个焊接槽角度后，将旋转工作台角度传感器反馈的数据与设定的目标角度数据进行比较计算，得到一角度差值；

根据上述角度差值进行处理，得到调整角度控制信号控制旋转工作台旋转的驱动部件在上述角度差值所确定的控制信号范围内进行微动旋转，使其接近目标角度；

判断上述接近目标角度后的角度是否在允许的角度差范围内，如果没在允许的角度差范围内，则转至将旋转工作台角度传感器反馈的数据与设定的目标角度数据进行比较计算步骤，得到新的角度差值；

接续在新的角度差值所确定的控制信号范围内进行微动旋转步骤，直到角度差在允许的角度差范围内；

结束本次旋转工作台角度的计算和校正。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明方法在现有的软件平台(美国conpect公司NREC软件)基础上运行适用于闭式三元开槽焊叶轮的自动焊接主程序及相应的子程序，使三元叶轮的轮盖、轮盘型线加工准确，焊接槽和叶片对中性良好，焊接机器人自动焊接控制平稳正确，保证了焊接的顺利进行，实现了闭式三元叶轮开槽自动焊接的工艺，减少了叶轮的焊接变形，焊接的效果良好，提高了产品的质量；该加工工艺减少了加工时间，提高闭式三元叶轮的加工效率，使经济效益大幅提高。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为加工后的三元叶轮轮盘上的叶片模型示意图；

图3A为轮盘焊前示意图；

图3B为轮盖焊前示意图；

图4为轮盘和轮盖焊接前的截面示意图；

图5为铣有焊接槽的轮盖仿真示意图；

图6为焊接机器人各轴示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的最佳实施作进一步描述。

如图1所示，本发明闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法包括以下步骤：

对毛坯进行车加工形成轮盘3及轮盖4；

在轮盘3上铣出叶片1；

在轮盖4上铣出槽体；

通过焊接机器人将轮盘3与轮盖4焊接为一体，完成闭式三元开槽焊叶轮的自动焊接。

对于闭式三元叶轮采用两件焊接的工艺方法，在叶片1铣制之前首先要解决的是加工后的轮盖4和铣制后的叶片1之间接触良好的问题。如图2所示，为三元叶轮轮盘3上叶片1加工后的模型示意图。

1)对毛坯进行车加工形成轮盘及轮盖

对于闭式三元叶轮采用两件焊接的工艺方法时，在叶片1铣制之前首先要解决的是加工后的轮盖4和铣制后的叶片1之间接触良好的问题。

本实施例中，对毛坯进行车加工采用容差度小于间隙值的直线逼近方法，具体为：在二维通用加工软件输入轮盖线数据、容差度以及间隙值，生成无数条小直线逼近样条线；根据无数条小直线生成数控车床的NC代码；数控车床根据上述NC代码进行自动车削控制，完成对毛坯加工。

通常叶片1与轮盖的接触型线2数据点的坐标值是设计人员给定的，它是一条非圆弧曲线，然而开槽焊时叶片上要预留焊接收缩量，这就要求在叶片铣制前，轮盖4与轮盘3的接触型线5按照焊接收缩量的要求发生变化，即把设计人员给定的型线数据点偏置一个焊接收缩量的数值，再重新拟合一条样条曲线，见图3A、3B所示，并且要求加工后轮盖4和轮盘2的拼装间隙≤0.05mm。在加工轮盖4、轮盘3外围轮廓时，一定要保证两者之间的间隙值，也即保证在轮盘3上铣制叶片1后，叶片1与轮盖4的接触良好。故在精车轮盘3、轮盖4的外轮廓时，采用容差度小于间隙值的直线逼近方法加工此样条曲线部分。加工后，通过拼装检查轮盖4与轮盘3的结合面的间隙值满足要求。

2)在轮盘上铣出叶片

轮盘3上叶片1的铣制与一般开式三元叶轮叶片的铣制方法无差别，应用五轴加工中心在轮盘上经过叶片的粗加工、精加工、轮毂加工铣制出三元叶片。

3)在轮盖上铣出槽体

将轮盖4牢固装夹在轮盘上，确保焊接槽的中心线与叶片的中心线吻合及轮盖的加工基准准确；通过NC代码程序铣制轮盖槽体，具体为：输入叶片中性面上轮盖线数据；根据槽体深度和加工基准向通用的加工软件输入控制参数，生成铣制槽体的NC程序及仿真模型；其中控制参数中的槽体深度小于理论深度0.15～0.2mm，以保证槽体厚度的均匀；启动铣床NC，在轮盖上铣床制槽体。

轮盖4开槽是在铣制叶片1后的轮盘3上装夹后进行开槽加工的，轮盖4上的焊接槽需用成形刀具铣制出来，图4所示为焊接槽某一截面截形示意图，需要说明的是对于三元叶轮来说，入口与出口之间叶片1与轮盖4的接触面是相贯接触，接触宽度是不断变化的，这就要求焊接槽的宽度也随之变化，不是等宽的，槽的宽度a1要比叶片1的法向厚度宽0.5mm左右。铣槽时选用两种成型刀具加工出图4所示的槽的形状。先用一种刀具去除大量材料，再用另一种成型刀具完成槽底截型的加工。如图5所示仿真铣制出焊接槽的轮盖4。

为了焊接时钢的融化恰到好处，使轮盖4与叶片1的焊接情况为最优，这就要求焊接槽的中心线与叶片1的中心线吻合度的良好性、槽底厚度的保证。那么在加工中就需要轮盘3铣制叶片1后，直接把轮盖4装夹在轮盘3上，轮盘3和轮盖4加工使用统一基准；轮盖4和轮盘3加工前要装夹牢固，确保焊接槽的中心线与叶片的中心线吻合度的良好性；准确测量、计算轮盖4表面与加工基准的高度，以保证槽底厚度在误差允许范围；加工后，通过槽底观察孔可以看出槽的中心线与叶片中心线的对中情况，并测量槽底厚度。

4)通过焊接机器人将轮盘与轮盖焊接为一体

将叶轮装夹固定在焊接机器人的旋转工作台上后，启动自动焊接主程序，完成以下控制过程：

调用试校取点子程序，对焊接前机器人的基轴和臂轴运动速度进行限定，在一个焊接槽内取M个试校点存储在焊接机器人控制器中，使机器人各轴运动协调，避免机器人手臂超限位；本实施例中M＝21；

调用焊接机器人的外部轴6坐标点信息处理子程序，将该焊接槽M个试校点信息即笛卡儿坐标系下各试校点的坐标值复制到该叶轮的其它各焊接槽；

调用焊接子程序，控制焊接机器人上的焊枪沿该焊接槽中M个试样点形成的运动路线对叶轮中的对应叶片进行焊接；

完成一个焊接槽的焊接后，计数值加1，如果该计数值小于设定值；

焊接机器人的旋转工作台带动叶轮转动后，进行旋转工作台角度的计算和校正，对的该叶轮下一个焊接槽的位置进行进一步校准；

返回调用焊接子程序步骤，接续对下一个焊接槽实施焊接，直至计数值等于设定值，结束一个叶轮的焊接过程。

A.取试校点

取试校点包括以下步骤：在某个焊接槽中确定第1～M个试校点的点位；在每个试校点点位上，判断焊接机器人各轴的姿态是否符合人体学的运动姿态；如果符合人体学运动姿态，则焊接机器人对各试校点点位进行联动，确认其是否超限位；如果不超限位，试校成功，保存各试校点位置信息至焊接机器人的存储器中；如果超限位，则重新取试校点，接续在每个试校点点位上，判断焊接机器人各轴的姿态是否符合人体学的运动姿态步骤；如果焊接机器人各轴的姿态不符合人体学的运动姿态，则手动调整焊接机器人各轴的姿态，直到其符合人体学的运动姿态；接续对各试校点点位进行联动步骤。

控制程序的编制本着安全、准确、快捷的原则来控制焊接机器人的工作。焊接机器人应用于闭式三元叶轮开槽焊时，在控制程序里需同时驱动机器人手臂六个内部轴和转台两个外部轴，

自动焊接主程序主要包括机械手的试校取点子程序，外部轴坐标点的信息处理子程序以及焊接子程序。

机械手的试校取点子程序是在笛卡尔坐标系下，机器人在焊接前的空间运动各点和槽内各焊接点的相关联轴X，Y，Z，α，β，γ，E1，E2的坐标值的定义和存储。首先对焊接前机器人的基轴和臂轴运动速度加以限制，存储M个试校点的信息，这样可使机器人各轴运动协调，避免机器人手臂超限位情况的出现，这一点对于三元叶轮来说非常关键，此外操作者的人身安全和焊接机器人自身的安全也可得到保障。焊接槽内的取点个数根据三元轮叶片1型线的情况而定，每段圆弧取3个点，槽内共选取M个点，本实施例中每个槽内有7段圆弧，所以M＝21，以满足焊接要求。以上各点的坐标值被当作变量，这样就可以用程序命令产生点的信息。

因为叶片1是均匀分布在轮盘3上的，所以可通过外部轴坐标点的信息处理子程序把叶轮上第一个槽的点的信息即笛卡儿坐标系下各试校点的坐标值复制到其它各槽，并对转动台、翻转台的位置进行调整。

B.旋转工作台角度的计算和校正

旋转工作台角度的计算和校正包括以下步骤：

旋转工作台旋转一个焊接槽角度后，将旋转工作台角度传感器反馈的数据与设定的目标角度数据进行比较计算，得到一角度差值；

根据上述角度差值进行处理，得到调整角度控制信号控制旋转工作台旋转的驱动部件在上述角度差值所确定的控制信号范围内进行微动旋转，使其接近目标角度；

判断上述接近目标角度后的角度是否在允许的角度差范围内，如果没在允许的角度差范围内，则转至将旋转工作台角度传感器反馈的数据与设定的目标角度数据进行比较计算步骤，得到新的角度差值；

接续在新的角度差值所确定的控制信号范围内进行微动旋转步骤，直到角度差在允许的角度差范围内；

结束本次旋转工作台角度的计算和校正。

为了使焊接过程达到最佳，对焊接参数表以及焊机控制程序进行多次实验，确定适合叶轮材料的焊接参数；对于不同叶片数三元叶轮，编制通用子程序，工作中只需根据需要改变自动焊接主程序即可；对于槽的圆弧段要求取点均匀，保证焊接质量；这些措施保证了程序的稳定性和可移植性，满足了产品的焊接质量和安全生产的要求。

自动焊接主程序编译后，即可选择“AUTO”操作方式自动运行。

通过对闭式三元叶轮试件的试制加工，证明以上工艺方法三元叶轮的轮盖4、轮盘3型线加工准确，焊接槽和叶片对中性良好，焊接机器人自动焊接控制平稳正确，保证了焊接的顺利进行，实现了闭式三元叶轮开槽自动焊接的工艺，减少了叶轮的焊接变形，焊接的效果良好，提高了产品的质量；该加工工艺减少了加工时间，提高闭式三元叶轮的加工效率，使经济效益大幅提高。

Claims (7)

1.一种闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

对毛坯进行车削加工形成轮盘及轮盖；

在轮盘上铣出叶片；

在轮盖上铣出槽体；

通过焊接机器人将轮盘与轮盖焊接为一体，完成闭式三元开槽焊叶轮的自动焊接；

所述通过焊接机器人将轮盘与轮盖焊接为一体包括以下步骤：

将叶轮装夹固定在焊接机器人的旋转工作台上后，启动自动焊接主程序，完成以下控制过程：

调用试校取点子程序，对焊接前机器人的基轴和臂轴运动速度进行限定，在一个焊接槽内取M个试校点存储在焊接机器人控制器中；

调用外部轴坐标点信息处理子程序，将该焊接槽M个试校点信息复制到该叶轮的其它各焊接槽；

调用焊接子程序，控制焊接机器人上的焊枪沿该焊接槽中M个试校点形成的运动路线对叶轮中的对应叶片进行焊接；

完成一个焊接槽的焊接后，计数值加1，如果该计数值小于设定值；

焊接机器人的旋转工作台带动叶轮转动后，进行旋转工作台角度的计算和校正，对该叶轮下一个焊接槽的位置进行进一步校准；

返回调用焊接子程序步骤，接续对下一个焊接槽实施焊接，直至计数值等于设定值，结束一个叶轮的焊接。

2.按权利要求1所述的闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法，其特征在于：所述毛坯进行车削加工采用容差度小于间隙值的直线逼近方法，具体为：

在二维通用加工软件输入轮盖线数据、容差度以及间隙值，生成无数条小直线逼近样条线；

根据无数条小直线生成数控车床的NC代码；

数控车床根据上述NC代码进行自动车削控制，完成对毛坯加工。

3.按权利要求1所述的闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法，其特征在于：所述在轮盖上铣出槽体包括以下步骤：

将轮盖牢固装夹在轮盘上，确保焊接槽的中心线与叶片的中心线吻合及轮盖的加工基准准确；

通过NC代码程序铣制轮盖槽体，具体为：

输入叶片中性面上轮盖线数据；

根据槽体深度和加工基准向通用的加工软件输入控制参数，生成铣制槽体的NC程序及仿真模型；其中控制参数中的槽体深度小于理论深度0.15～0.2mm；

启动铣床NC，在轮盖上铣制槽体。

4.按权利要求1所述的闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法，其特征在于：所述取试校点包括以下步骤：

在某个焊接槽中确定第1～M个试校点的点位；

在每个试校点点位上，判断焊接机器人各轴的姿态是否符合人体学的运动姿态；

如果符合人体学运动姿态，则焊接机器人对各试校点点位进行联动，确认其是否超限位；

如果不超限位，试校成功，保存各试校点位置信息至焊接机器人的存储器中。

5.按权利要求4所述的闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法，其特征在于：

如果超限位，则重新取试校点，接续在每个试校点点位上，判断焊接机器人各轴的姿态是否符合人体学的运动姿态步骤。

6.按权利要求4所述的闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法，其特征在于：如果焊接机器人各轴的姿态不符合人体学的运动姿态，则手动调整焊接机器人各轴的姿态，直到其符合人体学的运动姿态；接续对各试校点点位进行联动步骤。

7.按权利要求1所述的闭式三元开槽焊叶轮加工及机器人自动焊接控制方法，其特征在于：所述旋转工作台角度的计算和校正包括以下步骤：

旋转工作台旋转一个焊接槽角度后，将旋转工作台角度传感器反馈的数据与设定的目标角度数据进行比较计算，得到一角度差值；

根据上述角度差值进行处理，得到调整角度控制信号控制旋转工作台旋转的驱动部件在上述角度差值所确定的控制信号范围内进行微动旋转，使其接近目标角度；

判断上述接近目标角度后的角度是否在允许的角度差范围内，如果没在允许的角度差范围内，则转至将旋转工作台角度传感器反馈的数据与设定的目标角度数据进行比较计算步骤，得到新的角度差值；

接续在新的角度差值所确定的控制信号范围内进行微动旋转步骤，直到角度差在允许的角度差范围内；

结束本次旋转工作台角度的计算和校正。

Images