CN104551341A - 数控环焊机及其插补控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数控环焊机，用于控制工件转动与焊枪移动，焊接过程中焊枪的焊点与工件旋转中心的连线保持为同一条直线上。本发明还提供了一种数控环焊机的插补控制方法，以工件的旋转中心为原点建立笛卡尔坐标系，获得工件上各焊点位置的坐标P（X,Y,Z），并在此坐标系下进行速度规划；在插补阶段，根据加工点P在工件坐标系位置规划焊枪实时位置坐标（X1，Y1，Z1）、焊枪旋转角A1，以及工件旋转角度A2，以使焊接过程中焊枪的焊点与工件旋转中心的连线保持为同一条直线上。其最大特点是无需编写特殊的程序加工代码，前瞻速度规划可使速度曲线平滑且高效，实时的插补调整可做到高精度，且精炼的算法可确保实时性。

Description

数控环焊机及其插补控制方法

技术领域

    本发明涉及数控环焊机。    

背景技术

环焊机是指针对环形缝隙进行焊接的机器设备，比如家用空调器压缩机上下盖与壳体接缝的焊缝就是环焊机焊接的。环焊机分为立式环焊机和卧式环焊机，立式是指焊缝与水平线相平行的焊接方式，卧式就指焊缝与水平线垂直。参见附图1所示，将工件装于装夹卡盘之间，A轴带动工件360度旋转，垂直于焊接面的Z轴与前后运行的Y轴带动焊枪配合A向旋转对工件进行焊接加工。如附图2所示，一般环焊机焊接时焊枪一边焊接一边沿焊缝运动，或焊枪对准焊缝后工件旋转并使其焊缝始终对着焊枪,当环绕一周并使焊缝完全封焊后即焊接完成，一般用于环焊机的焊机为自动送丝（焊材）的气体保护焊，比如二氧化碳气体保护焊，氧气/氩气保护焊等。

随着人工成本的提高，需要提高设备的自动化程度，同时提高加工精度，目前逐步采用CNC数控环焊机。数控环焊机关键是自动控制各轴的联合运动，以达到预期效果。但现有技术中的数控环焊机具有如下缺点：

（1）    焊枪Y轴运动行程大，增加设备制造成本；

（2）    各轴运动不平稳，中间需要反复启停，速度波动大：当焊接直缝时，A轴不动（仅Y轴动），到圆角处，A轴启动，势必对机床造成冲击或不得不降低焊接速度；且因速度不均匀，容易造成堆焊或虚焊；

（3）    程序代码编写困难，即便已知焊缝外形几何尺寸时，因为焊枪姿态（含位置及角度）很难计算，常采用“教导式”选取一些“特征点”进行测量保存，其过程非常耗时且精度不高；

（4）    插补精度低。如上条，“特征点”很难做到足够密集，两“特征点”间需要进行插补，而由于其计算模型的复杂，普通的线性“插补”得到的与实际偏差较大，造成焊缝不均匀。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供了一种适用性强、方便调试和操作、高效高精度的数控环焊机及其插补控制方法。

为达到以上目的，本发明提供了一种数控环焊机，用于控制工件转动与焊枪移动，焊接过程中焊枪的焊点与工件旋转中心的连线保持为同一条直线上。

本发明的进一步改进在于，包括卧式环焊机或立式环焊机。

根据本发明另一方面，提供了一种数控环焊机的插补控制方法，以工件的旋转中心为原点建立笛卡尔坐标系，获得工件上各焊点位置的坐标P（X，Y，Z），并在此坐标系下进行速度规划；在插补阶段，根据加工点P在工件坐标系位置规划焊枪实时位置坐标（X1，Y1，Z1）、焊枪旋转角A1，以及工件旋转角度A2，以使焊接过程中焊枪的焊点与工件旋转中心的连线始终保持为同一条直线上。其最大特点是，可以在目前三轴数控铣床的基础上，无需编写特殊的程序加工代码，也无需繁琐的“教导”式编程，前瞻速度规划可使速度曲线平滑且高效，实时的插补调整可做到高精度。

本发明的进一步改进在于，通过控制焊枪旋转角A1与工件旋转角度A2，使焊点在X1Y1Z1坐标系下，始终位于Z1正半轴上，X1和Y1的分量均为0。即：焊接过程中，焊点仅随工件旋转作上下起伏运动，在水平面上的无分量运动，借此可大大减少不必要的插补运算，以满足插补的实时性。

本发明的进一步改进在于，通过焊点坐标P(Y，Z)计算工件旋转偏移量及高度，确定焊枪的旋转中心应偏移到的坐标 (Y1，Z1) 。

本发明的进一步改进在于，通过工件的旋转中心到焊点坐标P(Y,Z)的矢量相对于起始状态的偏转角度获得工件旋转偏移量与高度，根据焊点路径的走向得到焊点处曲线切线与水平方向的夹角获得焊枪旋转角A1。

本发明的进一步改进在于，焊枪围绕旋转中心 (Y1，Z1)在Y1OZ1面内旋转，控制焊枪角度调整，使焊枪与焊缝切线间夹角保持不变，满足焊接工艺的需求。

本发明的进一步改进在于，在速度规划阶段采用全局S形速度曲线规划。

本发明有益效果为：

1)   缩短焊枪所在的Y1轴的最大行程，仅需调整焊枪长度即可，与待焊接的工件外形尺寸无关，从而可节省导轨的尺寸，降低硬件成本；

2)   Y1轴行程的减少，亦可带来精度的提高；

3)   加工程序无需特别编制，可通过通用的CAM软件转化成G代码即可；

4)   对于焊接外形尺寸相对简单的，甚至可以直接手工编写加工代码，上手快；

5)   焊接点的速度均匀，因为其速度规划可以用全局S形速度曲线算法来规划；

6)   各运动轴的运动平稳，机床无冲击振动；

7)   高效，因全程无不必要的减速点；

8)   可确保焊枪与焊缝切线间的夹角保持一致，提高焊接质量。

附图说明

附图1描述了数控环焊机的立体示意图；

附图2为现有技术中数控环焊机的工作原理示意图；

附图3为根据本发明的数控环焊机的工作原理示意图。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参见附图1与附图3所示，本发明的新型数控环焊机以卧式为例，用于控制工件绕A轴转动以及焊枪移动，在整个焊接过程中焊枪的焊点与工件旋转中心的连线保持为同一条直线上，当然，以上方案同样适用于立式环焊机。

此处进一步提供了一种基于以上数控环焊机的插补控制方法，以工件的旋转中心为原点建立笛卡尔坐标系，获得工件上各焊点位置的坐标P（X,Y,Z），并在此坐标系下进行速度规划；在插补规划阶段，根据加工点P在工件坐标系位置规划焊枪实时位置坐标（X1,Y1,Z1）、焊枪旋转角A1，以及工件旋转角度A2，以使焊接过程中焊枪的焊点与工件旋转中心的连线保持为同一条直线上。其最大特点是，可以在目前三轴数控铣床的基础上，无需编写特殊的程序加工代码，也无需繁琐的“教导”式编程，前瞻速度规划可使速度曲线平滑且高效，实时的插补调整可做到高精度，由于焊点与工件旋转中心的连线始终在一条固定直线上，简化运算，速度前瞻规划，直接可用XYZ三轴系统的算法完成；在得到任意插补时刻对应的加工点坐标后，反算出（Y1,Z1,A1,A2）输出。

具体地，需要建立如下运动轴，为方便描述，统一名称如下：

YOZ 坐标系：由于焊点始终在一个平面内运动，X分量可固定为0，以工件旋转中心为原点的直角坐标系，伴随工件旋转而绕原点旋转；

Y1 轴：控制焊枪前后移动，其原点与O重合，方向为水平面上指向前方；

Z1 轴：控制焊枪上下调整，其原点与O重合，方向为垂直水平面向上；

A1轴：控制焊枪的角度姿态调整，旋转中心为焊枪的根部，法向垂直于YOZ平面；另外，需要指出的是，图3中焊点与工件之间的夹角是由工艺条件决定的。

A2轴：控制工件的旋转，其原点与O重合。

本发明的关键原理如下：

1） 焊点与工件旋转中心的连线始终在一条固定直线上，为简单起见，让焊点始终位于工件旋转中心之正上方；

2） 焊枪的长度（L），以及焊枪与焊缝之间固定的夹角（α），可通过初始状态自动计算出来，并在以后的插补过程中利用；

3） 焊接过程中，伴随着工件旋转，焊点随着工件加工曲线上对应点的高度变化而起伏，焊枪的角度则始终与加工曲线的切向保持固定的角度，然后反算焊枪的旋转中心的位置及旋转角；

4） 我们可以建立一个与工件绑定的笛卡尔直角坐标系，其原点即为工件旋转中心，Y轴正向通过起始加工点。在加工过程中，在该坐标系下，加工点的坐标是实时可知的，设为P(y，z)，则工件旋转中心到该点的矢量，相对于起始状态的偏转角度即可计算出来，取其相反数即得工件旋转偏移量A2 （反向旋转的目的，是为了满足保持第1条要求）；其高度为sqrt(y^2+z^2) ；并根据曲线的走向，很容易得到该点处曲线的切向与水平线的夹角，则焊枪的偏转角 A1，以及焊枪旋转中心应偏移的坐标 (Y1，Z1) 即可计算出来；

5） 在速度规划阶段，只需规划加工点P(y,z) 在工件坐标系下的运动，其速度与坐标系是否在旋转无关，这样我们可以直接采用三坐标铣床的刀路速度规划算法，因为不需考虑旋转轴的参与，也无需考虑焊枪旋转中心与焊点运动不一致等繁琐问题。

本发明有益效果为：

1)   缩短焊枪所在的Y1轴的最大行程，仅需调整焊枪长度即可，与待焊接的工件外形尺寸无关，从而可节省导轨的尺寸，降低硬件成本；

2)   Y1轴行程的减少，亦可带来精度的提高；

3)   加工程序无需特别编制，可通过通用的CAM软件转化成G代码即可，避免繁琐的“教导”式交互编程；

4)   对于焊接外形尺寸相对简单的，甚至可以直接手工编写加工代码，上手快；

5)   焊接点的速度均匀，因为其速度规划可以用全局S形速度曲线算法来规划；

6)   各运动轴的运动平稳，机床无冲击振动；

7)   高效，因全程无不必要的减速点；

8)   可确保焊枪与焊缝切线间的夹角保持一致，提高焊接质量。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰均涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种数控环焊机，用于控制工件转动与焊枪移动，其特征在于：焊接过程中焊枪的焊点与工件旋转中心的连线保持为同一条直线上。

2.根据权利要求1所述的数控环焊机，其特征在于：包括卧式环焊机或立式环焊机。

3.一种数控环焊机的插补控制方法，其特征在于：以工件的旋转中心为原点建立笛卡尔坐标系，获得工件上各焊点位置的坐标P（X,Y,Z），并在此坐标系下进行速度规划；在插补阶段，根据加工点P在工件坐标系位置规划焊枪实时位置坐标（X1，Y1，Z1）、焊枪旋转角A1，以及工件旋转角度A2，使焊接过程中焊枪的焊点与工件旋转中心的连线保持为同一条直线上。

4.根据权利要求3所述的数控环焊机的插补控制方法，其特征在于：通过控制焊枪旋转角A1与工件旋转角度A2，使焊点在X1Y1Z1坐标系下，始终位于Z1正半轴上。

5.根据权利要求4所述的数控环焊机的插补控制方法，其特征在于：通过焊点坐标P(Y,Z)计算工件旋转偏移量及高度，确定焊枪的旋转中心应偏移到的坐标 (Y1,Z1) 。

6.根据权利要求5所述的数控环焊机的插补控制方法，其特征在于：通过工件的旋转中心到焊点坐标P(Y,Z)的矢量相对于起始状态的偏转角度获得工件旋转偏移量与高度，根据焊点路径的走向得到焊点处曲线切线与水平方向的夹角获得焊枪旋转角A1。

7.根据权利要求4所述的数控环焊机的插补控制方法，其特征在于：焊枪围绕旋转中心 (Y1,Z1)在Y1OZ1面内旋转，控制焊枪与焊缝切线间夹角保持不变。

8.根据权利要求3所述的数控环焊机的插补控制方法，其特征在于：在速度规划阶段采用全局S形速度曲线规划。