CN103111718B - 一种用于集箱焊接的自动焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于集箱焊接的自动焊接系统，包括设在集箱上方的操作机构、设在操作机构上的焊接机器人和设在焊接机器人上的焊枪，还包括与焊接机器人相连的上位控制装置和数据采集装置，上位控制装置中包含用于存储、加工数据并控制其他子模块的中央处理器、用于产生焊接轨迹计算结果的后台计算子模块、用于产生焊接轨迹仿真结果的模拟仿真子模块以及用于系统和用户之间进行交互和信息交换的人机交互界面；数据采集装置用于采集焊接机器人实际的运行状态参数。本系统可较好地调整机器人所控制的焊枪的位置及姿态，还能够通过对焊缝的跟踪，完成自动排焊道和对焊口加工中出现的误差的补偿，提高焊接质量。

Description

一种用于集箱焊接的自动焊接系统

技术领域

本发明属于集箱焊接技术领域，具体涉及一种用于集箱焊接的自动焊接系统。

背景技术

集箱（又称联箱）是在汽、水系统中用于汇集或分配工质的圆筒形压力容器，通常包括构成集箱主体的母管以及焊接在母管上的接管。锅炉压力容器是一种常见的集箱，锅水由锅筒经下降管流入下面的箱体中，由箱体分配给各管束，这些管束中的水不断吸收热能，汇集到上面的箱体中再流回锅筒内。

在大型管道和锅炉压力容器焊接中，时常会遇到的管--管以及管与筒体或罐体相交连接的情况，此时在相交处会形成一道由空间曲线--相贯线（又称马鞍形曲线）构成的焊口，这道焊口由于构件壁厚体积大，一次焊口既深又长，通常需要打底盖面，中间还需要多层多道填充才能完成；尤其是焊缝呈一空间曲线，在焊接过程中焊枪须循空间轨迹行走并要求分段不断调整姿态，焊接难度非常大。一般工厂仍由手工焊完成，制造周期长，劳动强度大，生产效率低且焊接质量难以保证。

若在焊接生产中采用机器人焊接技术，则可以提高生产效率，改善劳动条件稳定和保证焊接质量，实现相贯线焊缝的自动化焊接。目前，国外机器人中厚板焊接技术只限于直缝和环缝的焊接，对适用于中厚板马鞍形空间曲线焊接的机器人系统在国外尚处于研究阶段。而国内机器人中厚板焊接技术目前尚处于空白阶段，虽然国内开发了一些适用于中厚板的自动化焊接设备，但效率较低，且存在诸如对中困难、难以实现多层多道焊的自动排焊道功能等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种用于集箱焊接的自动焊接系统，采用该系统能够自动调整焊枪的位置和姿态，并能够实现多层多道焊接。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于集箱焊接的自动焊接系统，所述集箱包括待焊接的母管和接管，所述自动焊接系统包括设在集箱上方的操作机构、设在操作机构上的焊接机器人和设在焊接机器人上的焊枪，其特征在于，该系统还包括与焊接机器人相连的上位控制装置和数据采集装置，上位控制装置中包含中央处理器、后台计算子模块、模拟仿真子模块和人机交互界面，其中：

中央处理器，用于存储、加工数据并控制上位控制装置中各子模块；

人机交互界面，用于用户通过该人机交互界面输入工艺参数和已知变量、调用后台计算子模块或模拟仿真子模块，并获取相应的结果；

后台计算子模块，用于产生焊接轨迹计算结果；

模拟仿真子模块，用于产生焊接轨迹仿真结果；

数据采集装置，用于采集焊接机器人实际的运行状态参数。

进一步，焊接机器人连接有控制柜，上位控制装置和数据采集装置通过通讯电缆与焊接机器人的控制柜相连。

进一步，后台计算子模块的实现方式包括以下步骤：

（1）调用参数或已知变量，参数包括工件参数、焊道截面参数、装配间隙、工艺参数、焊枪姿态角；已知变量包括特征点位置角度；

（2）根据管件切割要求，结合工件参数、装配间隙和特征点位置角度，计算得到母管和接管的相贯线的表达式以及接管连接处切割形成的内壁边缘线和外壁边缘线的表达式；

（3）根据等截面坡口角度设计原则，结合工件参数、焊道截面参数和特征点位置角度，计算特征点的坡口截面角度；

（4）在特征点的坡口截面角度求解的基础上，根据多层多道焊接的焊道的排布方式和焊道的计算方法，计算得到特定坐标系下任意坡口截面的各层各道上特征点的位置坐标；

（5）在特定坐标系下，依据各层各道上特征点的位置坐标，按照由内而外、由下而上的顺序逐层逐道绘制焊接轨迹的曲线图。

再进一步，多层多道焊接的焊道的排布方式为：自下而上，焊道层数递增；每层焊道的道数按等差数列递增；多层多道焊接轨道的计算方法为：将任意特征点处的整个焊道截面按三角形计算，其中第一层焊道截面按三角形计算，后续各层最上一道焊道截面按不等边梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等边菱形计算，由焊接工艺的相关工艺参数计算得到单个焊道的截面积，由此得到焊道总数，而后按照等差数列求和的方式计算得到焊道层数，并将每个菱形或梯形的左下角点的位置坐标作为在特征点处施焊时焊枪末端所在的位置坐标。

进一步，模拟仿真子模块的实现仿真的方法包括以下步骤：

ⅰ）调用数据采集装置采集到的焊接机器人的运行状态参数；

ⅱ）根据机器人运行状态参数，计算焊接轨道上特征点的实际位置坐标；

ⅲ）依据各层各道上特征点的实际位置坐标，按照由内而外、由下而上的顺序逐层逐道绘制实际的焊接轨迹；

ⅳ）输出焊接轨迹的仿真结果。

进一步，操作机构包括设在支柱上的横梁、滑动设在横梁上的悬臂梁以及与滑动设在悬臂梁上的纵梁；焊接机器人连接在纵梁的朝下的一端，焊接机器人上设有用于夹持焊枪的夹持器。

再进一步，横梁上沿其长度方向设有水平导轨，悬臂梁的一端设在横梁的水平导轨中；悬臂梁上设有竖直导轨，纵梁设在悬臂梁的竖直导轨中。

进一步，操作机构还包括连接在集箱的母管的一端的动力头，动力头上设有可转动的卡盘，卡盘上设有用于卡扣母管端部的活动爪。

进一步，悬臂梁、纵梁以及动力头的卡盘分别连接有伺服电机，悬臂梁、纵梁和卡盘各自的伺服电机分别通过通讯电缆与焊接机器人的控制柜相连。

进一步，母管的下方设有用于支撑母管的升降滚轮架。

本发明专门针对相贯线焊缝的工况，提供了一种具有较高精度的便于机器人实现空间焊接轨迹的自动焊接系统，该系统包括操作机构和控制装置，通过控制控制对操作机构中的运动部件进行精确地控制，可较好地调整机器人所控制的焊枪的位置及姿态；此外，该系统能够通过对焊缝的跟踪，完成自动排焊道和对焊口加工中出现的误差的补偿，提高了焊接质量。

附图说明

图1是本发明所提供的一种用于集箱焊接的自动焊接系统的结构示意图，图中略去了上位控制装置和数据采集装置；

图2显示了本发明提供的系统中上位控制装置与其子模块以及其他装置的结构关系；

图3示出了后台计算子模块的计算方法的流程图；

图4示出了模拟仿真子模块的实现仿真方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明所提供的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，包括设在集箱上方的操作机构、设在操作机构上的焊接机器人4和设在焊接机器人4上的焊枪5；如图2所示，该系统还包括与焊接机器人4相连的上位控制装置100和数据采集装置200，上位控制装置100中包含后台计算子模块101和模拟仿真子模块102，装置或模块的功能如下：

中央处理器（CPU）104用于存储、加工数据并控制上位控制装置100中各子模块。

人机交互界面103用于提供一人机交互界面103，用户通过该人机交互界面103输入工艺参数和已知变量、调用后台计算子模块101或模拟仿真子模块102，并获取相应的结果；

后台计算子模块101，用于产生焊接轨迹计算结果；

模拟仿真子模块102，用于根据数据采集装置200得到的实际的运行状态参数产生焊接轨迹仿真结果；

数据采集装置200，用于采集焊接机器人4实际的运行状态参数。

通常，上位控制装置100主要包括由数据线连接在一起的显示器、机箱、鼠标、键盘以及外接电源。显示器的屏幕可示出人机交互界面103的形式。

本发明中，焊接机器人4连接有控制柜，上位控制装置100和数据采集装置200通过通讯电缆与焊接机器人4的控制柜相连。焊接机器人4的控制柜能够接受上位控制装置100发出的指令，并能根据指令控制操作机构执行相应的动作，具体实现方式在下文中描述。

焊接机器人4的结构形状可以根据实际的焊接工况进行选择配置，如焊接机器人4可以选用控制轴数为6轴的机器人，有效负载为20KG，重复定位精度为±0.07mm，最大工作范围为3812mm×3557mm。

操作机构用于承载焊接机器人4运行至适当的位置进行焊接操作，主要包括设在支柱11上的横梁1、滑动设在横梁1上的悬臂梁2以及与滑动设在悬臂梁2上的纵梁3。横梁1的长度方向设置有水平导轨，悬臂梁2的一端安装在横梁1的水平导轨中，从而可以使悬臂梁2沿横梁1的水平导轨作水平的往复运动；同样地，悬臂梁2上设有竖直导轨，纵梁3安装在悬臂梁1的竖直导轨中，从而可以使纵梁3在悬臂梁2的竖直导轨中作上、下的往复运动。

操作机构中的横梁1、悬臂梁2、纵梁3整体将形成（X、Y、Z）的直角坐标运动方式，X轴行程8000mm，Y轴行程1500mm，Z轴行程1500mm，X轴运动速度0-12000mm/min，Y轴运动速度0-6000mm/min，Z轴运动速度0-6000mm/min。

焊接机器人4倒装在操作机构中纵梁3的朝下的一端，随纵梁3一起运动。焊接机器人4上设有夹持器，焊枪5安装在焊接机器人4的夹持器上。本发明将传统的机器人倒挂在操作机构的纵梁3之上，使机器人在空间上整体位于集箱的母管6和接管7的相贯线的焊口之上，这样更便于焊枪5围绕接管7作圆周运动。

此外，操作机构还包括连接在集箱的母管6的一端的动力头8，动力头8用于夹持母管6且使其可以旋转，母管6在动力头8的作用下转动时，可以使得焊口位置始终处于母管6的最高点，使熔池保持水平状态。

为实现母管6的旋转运动，动力头8上设有可转动的卡盘9，卡盘9上设有用于卡扣母管6端部的活动爪。卡盘9的中心高、卡紧范围和卡紧力都是可调的。这样的卡盘具有较大的转矩，可实现带一定偏载工件的均匀转动。

为便于调整母管6的高度，母管6的下方设有升降滚轮架10，用于支撑母管6并调节其中心高度。优选使用主从一体的升降滚轮架，额定承重30t，直径范围为Φ190-1100mm，升降范围为300mm。这种升降滚轮架的结构比普通滚轮架精度高，母管6放在升降滚轮架10上可通过电动转动升降机调节高度，实现不同管径精准定心。多个升降滚轮架10的升降控制可以选择联动和单动。升降滚轮架10可以分成细管滚架和粗管滚架两级，可适应更大的工件管径范围。

此外，悬臂梁2、纵梁3以及动力头8的卡盘9分别连接有伺服电机，悬臂梁2、纵梁3和卡盘9各自的伺服电机分别通过通讯电缆与焊接机器人4的控制柜相连。采用这种方式，焊接机器人4可以控制悬臂梁2、纵梁3和卡盘9的运动，实现联动。

操作机构上除了伺服电机，还装配有减速机、联轴器和接触球轴承等，均选用精密型号，组焊件严格控制焊接变形量，装配件严格控制装配精度。

以下以具体的实施例详细说明本发明所提供的一种用于集箱焊接的自动焊接系统的实施方法。

在应用该本系统实施焊接操作之前，应预先做好以下工作：

第一步：准备工作。

获取工件参数：包括母管6和接管7各自的外径、厚度。

坡口加工：根据坡口角度设计原则，结合预先设定的焊道截面参数和装配间隙，确定接管7和母管6相贯线不同位置处的坡口角度,然后对接管7的接头进行加工。

打底焊：通常焊接时要在接管7内设置用于打底焊接的衬管，故在实施焊接之前，应通过点焊的方式将衬管焊接在母管6上，再将接管7套装在衬管上，并除去多余的衬垫。

第二步：连接系统。

在采用本发明的系统施焊之前，可以先将连接有接管7的母管6放置在升降滚轮架10上，并将本系统中的操作机构、动力头8中的相关部件与焊接机器人4的控制柜进行连接，将焊接机器人4的控制柜和上位控制装置100相连。

第三步：运行系统。

如图2所示，系统运行前期，用户通过上位控制装置100提供的人机交互界面103输入参数和已知变量。

然后，用户通过人机交互界面103调用后台计算子模块101，生成多层多道焊接轨迹的特征点的位置坐标、层数等，并按照一定的格式输出焊接轨迹的计算结果，同时将焊接轨迹的计算结果传送至焊接机器人4的控制柜。

最后，焊接机器人4将按照计算出的焊接轨迹、层数，结合焊接规范参数和焊枪姿态角进行施焊，并在焊接第一层焊缝（与母管和接管的相贯线重合）时由电弧跟踪装置进行轨迹修正，以消除理论计算值与实际值的偏差。

通常，焊枪姿态角的采用下述方法确定：每层焊道上最上一道焊道的焊枪角度为坡口角度的二分之一，自上而下第二道焊道的焊枪角度为（50-γ）度，γ是依据经验值设定的常量（如γ可设为10度），其余各道焊道的焊枪角度为50度，最终得到焊枪末端的位姿数据。

焊接过程中，焊接机器人4可以通过其控制柜控制操作机构的运动部件（如悬臂梁2、纵梁3以及动力头8的卡盘9），使操作机构的运动部件产生与其相配合的运动，从而使焊枪5围绕接管7作圆周运动。

另外，通过上位控制装置100可以将建模数据（即焊接轨迹的计算结果）传送至模拟仿真子模块102，用于仿真对比。

以下具体说明第三步的系统运行过程中后台计算子模块101和模拟仿真子模块102的实现方法。

如图3所示，为得到上述多层多道焊接轨迹的计算结果，后台计算子模块101需要完成以下操作或运算步骤：

（1）调用基本工艺参数和已知变量。

基本工艺参数包括工件参数、焊道截面参数、装配间隙、焊接工艺参数和焊枪姿态角等。

已知变量，主要包括特征点位置角度。管件焊接操作通常根据管件的对称性和加工需要，设定管件圆周的等分度，将焊道分成多个特征点，如以10度间隔确定特征点位置角度分布360度圆周，由此确定特征点位置角度。

（2）根据现有技术常用的马鞍形曲线数学模型，结合工件参数、焊道截面参数、装配间隙以及特征点位置角度，利用公知的数学方法（如开平方根、三角函数、三角代换）以及空间、平面解析几何理论，计算得到母管6和接管7的相贯线以及接管7连接处切割形成的内壁边缘线和外壁边缘线的表达式。这些曲线不仅是管件切割的依据，也是其他各层各道焊道的定位基准。

（3）根据等截面坡口角度设计原则，利用公知的数学方法以及空间、平面解析几何理论，可以计算出特征点的坡口截面角度。

（4）根据焊道排布方法和多层多道焊接轨道的计算方法，计算得到焊接轨道上特征点处的坐标值。

后台计算子模块101中设定了具体的焊道排布方法及多层多道焊道的计算方法。后台计算子模块101主要根据焊道排布方法和焊道计算方法，计算得到各层各道焊道截面上特征点的坐标。

本发明中，多层多道焊接的焊道的排布方法为：自下而上，焊道层数递增；每层焊道的道数按等差数列递增。具体为：第一层焊道是母管6与接管7的实际相贯线，该相贯线与母管6连接处的切割而成的马鞍形曲线重合，因而可作为第一层焊道的实际初始位置；第一层焊道之上的其他各层焊道的第一道焊道紧密地围绕接管7的圆周行走，第二道焊道在本层第一道焊道的基础上作偏移，后续各道焊道依次作偏移，形成每层的自上而下的多道焊道。

多层多道焊接轨道的计算方法为：将任意特征点处的整个焊道截面按三角形计算，其中第一层焊道截面按三角形计算，后续各层最上一道焊道截面按不等边梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等边菱形计算，由焊接工艺的相关工艺参数计算得到单个焊道的截面积，由此得到焊道总数，而后按照等差数列求和的方式计算得到焊道层数，并将每个菱形或梯形的左下角点的位置坐标作为在特征点处施焊时焊枪末端所在的位置坐标。

由上述焊道排布方法和焊道的计算方法可知，针对每个位置的坡口截面，要求各层各道焊道的总截面积相等；针对每一层，要求每道焊道的截面积相等；另外，每一层焊道中除在接管7上的一道外，其余各道截面均为等底等高的菱形。

此外，任意坡口截面以接管7的轴线为旋转中心，并截取母管6外轮廓为椭圆。每个截面中，坐标系的原点与第一层焊道的特征点重合（也与母管6和接管7的相贯线重合），焊接机器人4将调用坐标系中的各层各道上特征点的坐标进行运动。

以下具体说明通过后台计算子模块101计算得到各层各道焊道截面上特征点的坐标的实现方式：

1）调用相关参数：包括焊丝直径ds、送丝速度Us、焊接速度Uh；

2）调用中间变量：坐标系的原点到每一层焊缝截面的层边的三角形的高h1；每一层的截面的层边与前一层截面的层边距离h2；

3）调用焊道计算方法，利用相关已知的数学方法，计算各层各道焊道截面上特征点的坐标；

4）输出结果，包括单道焊道截面积、总焊道层数、总焊道数以及各层各道截面上菱形或梯形的左下角点在上述坐标系中的坐标，这些坐标即为各层各道焊道的特征点在上述坐标系中的坐标。

（5）依据各层各道焊道上特征点的坐标，利用现有的三维绘图函数（关于马鞍线曲线），按照由内而外、由下而上的顺序逐层逐道绘制焊接轨迹的曲线图。

如图4所示，模拟仿真子模块102的实现仿真的方法包括以下步骤：

ⅰ）调用数据采集装置200所采集到的焊接机器人4的运行状态参数；

ⅱ）根据焊接机器人4的运行状态参数，采用本领域技术人员常用的数据转换方法，计算得到焊接轨道上特征点的实际位置坐标；

ⅲ）依据各层各道上特征点的实际位置坐标，利用现有的三维绘图函数（关于马鞍线曲线），按照由内而外、由下而上的顺序逐层逐道绘制实际的焊接轨迹；

ⅳ）输出焊接轨迹的仿真结果。

本系统通过对焊缝的跟踪，获取焊接轨迹的仿真结果，从而可在施焊的同时完成自动排焊道和对焊口加工中出现的误差的补偿，提高了焊接质量。

上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种用于集箱焊接的自动焊接系统，所述集箱包括待焊接的母管和接管，所述自动焊接系统包括设在集箱上方的操作机构、设在操作机构上的焊接机器人和设在焊接机器人上的焊枪，其特征在于，该系统还包括与焊接机器人相连的上位控制装置和数据采集装置，上位控制装置中包含中央处理器、后台计算子模块、模拟仿真子模块和人机交互界面，其中：

中央处理器，用于存储、加工数据并控制上位控制装置中各子模块；

人机交互界面，用于用户通过该人机交互界面输入工艺参数和已知变量、调用后台计算子模块或模拟仿真子模块，并获取相应的结果；

后台计算子模块，用于产生焊接轨迹计算结果；

模拟仿真子模块，用于产生焊接轨迹仿真结果；

数据采集装置，用于采集焊接机器人实际的运行状态参数；

后台计算子模块产生焊接轨迹计算结果的实现方式包括以下步骤：

(1)调用参数或已知变量，参数包括工件参数、焊道截面参数、装配间隙、工艺参数、焊枪姿态角；已知变量包括特征点位置角度；

(2)根据管件切割要求，结合工件参数、装配间隙和特征点位置角度，计算得到母管和接管的相贯线的表达式以及接管连接处切割形成的内壁边缘线和外壁边缘线的表达式；

(3)根据等截面坡口角度设计原则，结合工件参数、焊道截面参数和特征点位置角度，计算特征点的坡口截面角度；

(4)在特征点的坡口截面角度求解的基础上，根据多层多道焊接的焊道的排布方式和焊道的计算方法，计算得到特定坐标系下任意坡口截面的各层各道上特征点的位置坐标；

(5)在特定坐标系下，依据各层各道上特征点的位置坐标，按照由内而外、由下而上的顺序逐层逐道绘制焊接轨迹的曲线图。

2.根据权利要求1所述的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，其特征在于，焊接机器人连接有控制柜，上位控制装置和数据采集装置通过通讯电缆与焊接机器人的控制柜相连。

3.根据权利要求1所述的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，其特征在于，

多层多道焊接的焊道的排布方式为：自下而上，焊道层数递增；每层焊道的道数按等差数列递增；

多层多道焊接轨道的计算方法为：将任意特征点处的整个焊道截面按三角形计算，其中第一层焊道截面按三角形计算，后续各层最上一道焊道截面按不等边梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等边菱形计算，由焊接工艺的相关工艺参数计算得到单个焊道的截面积，由此得到焊道总数，而后按照等差数列求和的方式计算得到焊道层数，并将每个菱形或梯形的左下角点的位置坐标作为在特征点处施焊时焊枪末端所在的位置坐标。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，其特征在于，模拟仿真子模块的实现仿真的方法包括以下步骤：

ⅰ)调用数据采集装置采集到的焊接机器人的运行状态参数；

ⅱ)根据机器人运行状态参数，计算焊接轨道上特征点的实际位置坐标；

ⅲ)依据各层各道上特征点的实际位置坐标，按照由内而外、由下而上的顺序逐层逐道绘制实际的焊接轨迹；

ⅳ)输出焊接轨迹的仿真结果。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，其特征在于，操作机构包括设在支柱上的横梁、滑动设在横梁上的悬臂梁以及与滑动设在悬臂梁上的纵梁；焊接机器人连接在纵梁的朝下的一端，焊接机器人上设有用于夹持焊枪的夹持器。

6.根据权利要求5所述的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，其特征在于，横梁上沿其长度方向设有水平导轨，悬臂梁的一端设在横梁的水平导轨中；悬臂梁上设有竖直导轨，纵梁设在悬臂梁的竖直导轨中。

7.根据权利要求5所述的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，其特征在于，操作机构还包括连接在集箱的母管的一端的动力头，动力头上设有可转动的卡盘，卡盘上设有用于卡扣母管端部的活动爪。

8.根据权利要求7所述的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，其特征在于，悬臂梁、纵梁以及动力头的卡盘分别连接有伺服电机，悬臂梁、纵梁和卡盘各自的伺服电机分别通过通讯电缆与焊接机器人的控制柜相连。

9.根据权利要求1或8所述的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，其特征在于，母管的下方设有用于支撑母管的升降滚轮架。