CN105436661B - 摆弧焊接方法及弧焊机器人 - Google Patents

摆弧焊接方法及弧焊机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及弧焊技术领域，公开了一种摆弧焊接方法及弧焊机器人。本发明中，摆弧焊接方法包含以下步骤：获取待焊接的焊缝的长度L、斜椭圆的长半轴wHa、短半轴wHb以及倾斜量gama的值；其中斜椭圆为焊枪移动的轨迹形状；根据L、wHa、wHb、gama计算得到偏移量offset以及第一个斜椭圆的圆心至焊接起点的距离xB；其中offset为第一个斜椭圆的圆心至第一个斜椭圆的起点的距离；根据offset与xB，建立焊接长度L与总规划量target的对应关系；其中target为焊枪的移动位移；根据对应关系控制焊枪从焊接起点向焊接终点移动，同时控制焊枪从焊缝的底边以预设的焊接速度向焊缝的顶边移动，直至焊枪的位置移动至焊接终点。这样可以在横焊时避免焊缝上侧咬边、下侧焊瘤，提高焊接质量。

Description

摆弧焊接方法及弧焊机器人
技术领域
本发明涉及弧焊的焊接技术领域，特别涉及一种摆弧焊接方法及弧焊机器人。
背景技术
焊接是金属连接的主要方式。当焊缝较宽时，需采用摆焊。根据焊缝的不同，摆焊可分为平焊、立焊、横焊等。摆焊的摆弧类型对于焊接非常重要，常用的摆弧类型主要有三角形、圆弧形、“8”字形等。这些摆弧类型可以较好地解决平焊、立焊等情况的焊接。
但是，在进行横焊时，由于摆动左右顶点不在同一水平面上，使得熔化金属因重力作用向下流淌，造成焊层上下的厚度不均匀，甚至形成咬边、焊瘤等缺陷。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种摆弧焊接方法及弧焊机器人，可以在横焊时避免焊缝上侧咬边、下侧焊瘤的现象，提高焊接质量。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种摆弧焊接方法，包含以下步骤：获取待焊接的焊缝的长度L、斜椭圆的长半轴wHa、短半轴wHb以及倾斜量gama的值；其中，所述斜椭圆为焊枪移动的轨迹形状；根据所述L、wHa、wHb、gama计算得到偏移量offset以及第一个斜椭圆的圆心至焊接起点的距离xB；其中，所述offset为所述第一个斜椭圆的圆心至所述第一个斜椭圆的起点的距离；根据所述offset与所述xB，建立焊接长度L与总规划量target的对应关系；其中，所述target为所述焊枪的移动位移；根据所述对应关系控制所述焊枪从所述焊接起点向焊接终点移动，同时，控制所述焊枪从所述焊缝的底边以预设的焊接速度向焊缝的顶边移动，直至所述焊枪的位置移动至所述焊接终点。
本发明的实施方式还提供了一种弧焊机器人，包含控制芯片与焊枪；所述控制芯片与所述焊枪连接；其中，所述控制芯片包含：获取模块、计算模块、建立模块、控制模块；所述获取模块，用于获取待焊接的焊缝的长度L、斜椭圆的长半轴wHa、短半轴wHb以及倾斜量gama的值；其中，所述斜椭圆为焊枪移动的轨迹形状；所述计算模块，用于根据所述L、wHa、wHb、gama计算得到偏移量offset以及第一个斜椭圆的圆心至焊接起点的距离xB；其中，所述offset为所述第一个斜椭圆的圆心至所述第一个斜椭圆的的起点的距离；所述建立模块，用于根据所述offset与所述xB，建立焊接长度L与总规划量target的对应关系；其中，所述target为所述焊枪的移动位移；所述控制模块，用于根据所述对应关系控制所述焊枪从所述焊接起点向焊接终点移动，同时，控制所述焊枪从所述焊缝的底边以预设的焊接速度向焊缝的顶边移动，直至所述焊枪的位置移动至所述焊接终点。
本发明实施方式相对于现有技术而言，是根据待焊接的焊缝的长度(L)、斜椭圆的长半轴(wHa)、短半轴(wHb)以及倾斜量(gama)的值计算得到偏移量(offset)以及第一个斜椭圆的圆心至焊接起点的距离(xB)，再根据offset与xB，建立焊接长度(L)与总规划量(target)的对应关系，最后，根据该对应关系控制焊枪从焊接起点向焊接终点移动，直至焊枪的位置移动至焊接终点，同时，还控制焊枪从焊缝的底边以预设的焊接速度向焊缝的顶边移动，这样，一方面，由于焊枪的移动轨迹是由下往上的，且金属溶液内部存在黏滞力，这样，焊枪对金属溶液有向上的提拉作用，克服了金属溶液向下的重力作用，避免金属溶液因重力作用在下侧形成焊瘤；另一方面，先行焊接的靠近焊缝底边的金属溶液有所凝固，可以支撑起靠近焊缝顶边焊接的金属溶液，避免靠近焊缝顶边的金属溶液因重力作用向下流动，进而避免焊缝上侧咬边的现象。
另外，在根据所述对应关系控制所述焊枪从所述焊接起点向焊接终点移动的步骤中，若所述焊缝为直条状，则结合直线焊接方式对所述焊缝进行焊接。通过结合直线焊接方式，不仅可以避免摆弧超出焊缝的前端或者末端，同时还可以避免焊缝的前端或者末端出现漏焊，保证焊接质量。
另外，在所述结合直线焊接方式对所述焊缝进行焊接的步骤中，若所述斜椭圆向所述焊缝的末端倾斜，则以所述焊缝的首端为所述焊接起点进行直线焊接，在直焊量S达到第一预设值时，按照逆时针方向进入所述第一个斜椭圆进行摆弧焊接，直至焊接至所述焊缝的末端；若所述斜椭圆向所述焊缝的首端倾斜，则以所述焊缝的末端为所述焊接起点进行直线焊接，在所述直焊量S达到第二预设值时，按照顺时针方向进入所述第一个斜椭圆进行摆弧焊接，直至焊接至所述焊缝的首端。从而，使得无论用户给定的倾斜量如何，焊枪的运动轨迹总是先下后上，从而可减弱咬边、焊瘤的现象。
另外，在对根据所述对应关系控制所述焊枪从所述焊接起点向焊接终点移动，直至所述焊枪的位置移动至所述焊接终点的步骤中，实时计算并更新已完成规划量progress，并在所述已完成规划量progress达到总规划量target时结束焊接。从而使得焊枪的摆弧运动与焊枪沿焊缝的移动速度保持同步。
另外，在计算所述已完成规划量progress的步骤中，若所述焊枪所移动的直线路程s小于或者等于所述S，则将所述s作为所述已完成规划量progress；若所述s大于所述S，将所述S与斜椭圆摆弧长度之和作为所述已完成规划量progress。从而可以精确计算出焊枪焊接的坐标位置，进而实时地更新已完成规划量。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式摆弧焊接方法的流程图；
图2是根据本发明第一实施方式中的斜椭圆示意图；
图3是根据本发明第一实施方式倾斜量大于0时第一个斜椭圆示意图；
图4是根据本发明第一实施方式倾斜量小于0时第一个斜椭圆示意图；
图5是根据本发明第一实施方式中的总规划量target的一个具体示意图；
图6是根据本发明第二实施方式的弧焊机器人的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种摆弧焊接方法。具体流程如图1所示，该摆弧焊接方法包含以下步骤：
步骤101：获取待焊接的焊缝的长度L、斜椭圆的长半轴wHa、短半轴wHb以及倾斜量gama的值。在实际应用中，焊缝的长度L、斜椭圆的长半轴wHa、短半轴wHb以及倾斜量gama的值根据用户的输入确定。如图2所示为根据用户输入的wHa、wHb、倾斜量gama建立出的斜椭圆。该斜椭圆的表达式如公式(一)所示：
(一)
其中：gama为倾斜量，取值范围为(-π/2，π/2)；由公式(二)得出：
(二)
根据公式(一)、公式(二)可以得出焊枪位置坐标，以控制焊枪运动。
该斜椭圆为焊枪移动的轨迹形状，即焊枪按照斜椭圆的形状运动。建立出的斜椭圆的圆心与坐标轴的圆点重合。应当理解，根据用户的输入，当wHa等于wHb时，由wHa、wHb确定的形状为圆(此时将圆视为一种特殊的椭圆)，焊枪按照圆弧的形状运动，本实施方式对于焊枪移动的轨迹形状不作具体限制。
步骤102：根据L、wHa、wHb、gama计算得到偏移量offset、第一个斜椭圆的圆心至焊接起点的距离xB、T、ncycle以及总规划量target。其中，offset为第一个斜椭圆的圆心至第一个斜椭圆的起点的距离，T为斜椭圆摆弧中圆心的移动路程，ncycle为完成本次焊接作业任务所需斜椭圆周期数。
为了简化说明，本实施方式以焊缝为直条状进行说明：如图3所示，若gama大于0时，即gama∈(0，π/2)，斜椭圆向焊缝的末端倾斜。由于倾斜量的存在，斜椭圆的起始位置坐标会超出焊缝长度，超出部分的处理如下：
通过调整y轴使之与斜椭圆相切于B点，并且第一个斜椭圆与X轴相交于A点。由于O点(即坐标原点)为焊缝的起始点，从而使得第一个斜椭圆上最左边的点不超过焊接起点。这样由于斜椭圆的圆心o发生了平移，xB即为第一个斜椭圆的圆心o至焊接起点(即坐标轴原点O)的距离。同时为了防止漏焊带来的焊接缺陷，本实施方式中，焊枪先以直线方式运动路程S至A点，再以A点同时作为第一个斜椭圆摆弧的起点做逆时针运动。偏移量offset即为A点至斜椭圆圆心o的距离。因此本实施方式中总规划量分为两部分，即直行量S和全部斜椭圆弧摆弧部分。
theta(即为斜椭圆轨迹运动的圆心角度)的起始角度值可由公式(三)得出：
theta0＝π-atan2(wHa*sin(gama),wHb*cos(gama)) (三)
此时，A点的x坐标为负值，需要将其平移到坐标原点O点，偏移量offset为theta＝theta0时的x坐标值。
接下来，通过步骤①计算得到总规划量target,总规划量即为根据焊缝长度L与斜椭圆摆弧中圆心的移动总位移之和：
①A点为进入斜椭圆摆弧的起点，OA段(即S)采用直线焊接(距离很短)。
位置B点对应的theta角度值为：
theta1＝-atan2(wHb*sin(gama),wHa*cos(gama))
需要说明的是，此处采用的是近似解法，忽略了已完成规划量progress(此时，其值很小)。此时，就可以得到直线焊接的位移(即直行量S)为xB-offset。斜椭圆摆的方程为：
其中，斜椭圆摆线中椭圆心的移动总位移T：T＝L–offset-xB，L为焊缝长度，ncycle为完成本次焊接作业任务所需斜椭圆周期数，x1、x2、y1、y2为中间变量，x、y为焊接点位置坐标。
T可以由公式四得出：
T＝L–offset–xB (四)
而ncycle可以根据L、直行路程S、斜椭圆计算得出。由此，即可计算出与焊缝L对应的总规划量target。需要说明的是，本实施方式中，gama等于0时，焊缝起点即为进入第一个斜椭圆摆弧的起点。
如图4所示，若gama小于0时，即gama∈(-π/2，0)，斜椭圆向焊缝的首端倾斜。由于倾斜量的存在，斜椭圆的结束位置坐标会超出焊缝长度，超出部分的处理如下：将C点(焊缝的末端)作为焊接的起点，焊枪做直线运动至A点，再以A点作为斜椭圆圆弧的起点做顺时针运动。图4中xB即为第一个斜椭圆的圆心o至焊接起点C的距离，offset即为第一个斜椭圆的圆心o至第一个斜椭圆的起点A的距离，然后通过步骤②求出与L对应的总规划量target：
②采用与①相对称的方法，即末端AC段采用直线焊接。同时，offset与xB的求取方法与①相同。
此时，斜椭圆摆的表达式为：
其中，x2、y2、k的含义同上。
由此可见，即可求出与L对应的总规划量target。
在步骤102中，描述了偏移量offset以及第一个斜椭圆的圆心至焊接起点的距离xB，本领域一般技术人员可以根据其定义以及L、wHa、wHb、gama计算得到偏移量以及xB。步骤102中进一步给出了根据offset与xB，建立焊缝长度L与总规划量target的对应关系的计算方法。
步骤103：判断已完成规划量progress是否达到总规划量target。若是，则结束焊接；反之，则进入步骤104。
步骤104：判断倾斜量是否大于或者等于0。若是，则进入步骤105；反之，倾斜量小于0，则进入步骤109。
步骤105：判断已完成规划量是否小于直行量S。若是，则进入步骤106；反之，已完成规划量大于或者等于直行量S，则进入步骤108。
步骤106：根据已完成规划量progress计算出焊枪位置坐标。焊枪运动的起始坐标X在坐标系的原点，此时以(progress，0)作为当前焊枪焊接坐标位置。
步骤107：更新已完成规划量的值，并返回执行步骤103。
步骤108：根据直行量S与斜椭圆心的位移计算出焊枪坐标，并进入步骤107。通过以下步骤计算得到当前焊枪焊接坐标位置：
1、计算斜椭圆心移动的位移：prog＝progress-xB+offset。
2、计算斜椭圆上点坐标(x，y)。
3、得到焊枪焊接位置坐标(xB+prog+x，y)。
步骤109：判断已完成规划量是否小于直行量S。若是，则进入步骤110；反之，已完成规划量大于等于直行量S，则进入步骤111。
步骤110：根据已完成规划量progress计算出焊枪位置坐标，并进入步骤107。焊枪运动的起始坐标对应于焊缝长度的末端。如图4所示，即位置点C上，则焊枪焊接位置坐标为：(2*offset+progress+x，y)。
步骤111：根据直行量S与斜椭圆心的位移计算出焊枪坐标，并进入步骤107。则通过以下步骤计算得到当前焊枪焊接坐标位置：
1、计算斜椭圆上点坐标(x，y)。
2、得到焊枪焊接位置坐标：(offset+progress+x，y)。
步骤103-步骤111中，一方面根据L与target的对应关系控制焊枪从焊接起点向焊接终点移动，同时，控制焊枪从焊缝的底边以预设的焊接速度向焊缝的顶边移动，直至焊枪的位置移动至焊接终点，即焊枪按照得到的总规划量target行走，直至完成总规划量。这样，可以对已完成规划量进行实时监控。并且，若斜椭圆向焊缝的末端倾斜，则以焊缝的首端为焊接起点进行直线焊接，在直焊量S达到第一预设值(S＝xB-offset)时，按照逆时针方向进入第一个斜椭圆进行摆弧焊接，直至焊接至焊缝的末端。若斜椭圆向焊缝的首端倾斜，则以焊缝的末端为焊接起点进行直线焊接，在直焊量S达到第二预设值(S＝xB-offset)时，按照顺时针方向进入第一个斜椭圆进行摆弧焊接，直至焊接至焊缝的首端。由于可见，当斜椭圆具有倾斜量时，焊枪总是按照直线方式焊接完成直行路程S，然后再以先焊下侧，再焊上侧的方式完成焊接，从而使得先焊接部分产生托举作用，防止焊缝上侧的金属溶液由于重力作用下行，进而极大地减弱焊缝处出现的咬边与焊溜，提高焊接质量。
如图5所示，给定焊缝长度L＝100，wHa＝13，wHb＝5，倾斜量gama＝π/6，计算得到偏移量offset＝8.3224，xB＝11.5326。偏移量为正，焊枪首先从起点O沿焊缝直线焊接到A点，然后进入斜椭圆摆线，经过3.5个周期的斜椭圆到达焊缝终点E。
需要说明的是，图5示出了gama大于0时，焊枪从左到右以逆时针方向运动的情形，但在实际操作中摆弧还可以采用顺时针方向进行摆动。因此，直条状焊缝的各种焊接方向(从上到下、从下到上、从左到右、从右到左)以及摆弧摆动的方向(逆时针或者顺时针)均属于本专利保护的范围。此外，于其他实施方式中，焊缝还可以为圆(弧)或其他类型焊缝，进而可以通过变换等形式得到沿焊缝并左右摆动的摆弧。
与现有技术相比，本实施方式通过根据给定的焊缝长度、以及用户给定的摆弧参数建立的斜椭圆，并根据计算出的偏移量、第一个斜椭圆心至焊接起点的距离建立焊枪移动的规划量target，并且通过实时监控已完成规划量progess，从而控制焊枪按照由下至上的方式进行摆弧。由于焊枪先对焊缝的下侧进行焊接，从而在焊枪对焊缝的上侧进行焊接时，已焊接焊缝部分会对焊缝上侧的金属溶液形成托力，进而可极大地减弱摆弧焊接中的咬边、焊瘤现象，提高焊接质量。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本发明的第二实施方式涉及一种弧焊机器人，作为举例而非限制，本实施方式的焊接机器人可以采用六轴、五轴机器人。如图6所示，该弧焊机器人包含：控制芯片与焊枪(图未示)。控制芯片包含：获取模块、计算模块、建立模块、控制模块。
获取模块，用于获取待焊接的焊缝的长度L、斜椭圆的长半轴wHa、短半轴wHb以及倾斜量gama的值。其中，斜椭圆为焊枪移动的轨迹形状。
计算模块，用于根据L、wHa、wHb、gama计算得到偏移量offset以及第一个斜椭圆的圆心至焊接起点的距离xB；其中，offset为第一个斜椭圆的圆心至第一个斜椭圆的的起点的距离。
建立模块，用于根据计算模块计算得到的offset与xB，建立焊接长度L与总规划量target的对应关系。其中，target为焊枪的移动位移。
控制模块，用于根据建立模块建立的对应关系控制焊枪从焊接起点向焊接终点移动，同时，控制焊枪从焊缝的底边以预设的焊接速度向焊缝的顶边移动，直至焊枪的位置移动至焊接终点。
值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种摆弧焊接方法，其特征在于，包含以下步骤：
获取待焊接的焊缝的长度L、斜椭圆的长半轴wHa、短半轴wHb以及倾斜量gama的值；其中，所述斜椭圆为焊枪移动的轨迹形状；
根据所述L、wHa、wHb、gama计算得到偏移量offset以及第一个斜椭圆的圆心至焊接起点的距离xB；其中，所述offset为所述第一个斜椭圆的圆心至所述第一个斜椭圆的起点的距离；
根据所述offset与所述xB，建立焊接长度L与总规划量target的对应关系；其中，所述target为所述焊枪的移动位移；
根据所述对应关系控制所述焊枪从所述焊接起点向焊接终点移动，同时，控制所述焊枪从所述焊缝的底边以预设的焊接速度向焊缝的顶边移动，直至所述焊枪的位置移动至所述焊接终点。
2.根据权利要求1所述的摆弧焊接方法，其特征在于，在根据所述对应关系控制所述焊枪从所述焊接起点向焊接终点移动的步骤中，
若所述焊缝为直条状，则结合直线焊接方式对所述焊缝进行焊接。
3.根据权利要求2所述的摆弧焊接方法，其特征在于，在所述结合直线焊接方式对所述焊缝进行焊接的步骤中，
若所述斜椭圆向所述焊缝的末端倾斜，则以所述焊缝的首端为所述焊接起点进行直线焊接，在直焊量S达到第一预设值时，按照逆时针方向进入所述第一个斜椭圆进行摆弧焊接，直至焊接至所述焊缝的末端；
若所述斜椭圆向所述焊缝的首端倾斜，则以所述焊缝的末端为所述焊接起点进行直线焊接，在所述直焊量S达到第二预设值时，按照顺时针方向进入所述第一个斜椭圆进行摆弧焊接，直至焊接至所述焊缝的首端。
4.根据权利要求3所述的摆弧焊接方法，其特征在于，在对根据所述对应关系控制所述焊枪从所述焊接起点向焊接终点移动，直至所述焊枪的位置移动至所述焊接终点的步骤中，
实时计算并更新已完成规划量progress，并在所述已完成规划量progress达到总规划量target时结束焊接。
5.根据权利要求4所述的摆弧焊接方法，其特征在于，在计算所述已完成规划量progress的步骤中，
若所述焊枪所移动的直线路程s小于或者等于所述直焊量S，则将所述直线路程s作为所述已完成规划量progress；
若所述直线路程s大于所述直焊量S，将所述直焊量S与斜椭圆移动的位移之和作为所述已完成规划量progress。
6.根据权利要求5所述的摆弧焊接方法，其特征在于，在对根据所述对应关系控制所述焊枪从所述焊接起点向焊接终点移动的步骤之前，在所述获取所述L、所述wHa、所述wHb以及所述gama的值的步骤之后，还包含以下步骤：
根据获取的所述L、wHa、wHb、gama的值，计算出T；其中，T为斜椭圆摆弧中圆心的移动总位移；
根据所述直焊量S与所述T，计算得到总规划量target。
7.一种弧焊机器人，其特征在于，包含控制芯片与焊枪；
所述控制芯片与所述焊枪连接；
其中，所述控制芯片包含：获取模块、计算模块、建立模块、控制模块；
所述获取模块，用于获取待焊接的焊缝的长度L、斜椭圆的长半轴wHa、短半轴wHb以及倾斜量gama的值；其中，所述斜椭圆为焊枪移动的轨迹形状；
所述计算模块，用于根据所述L、wHa、wHb、gama计算得到偏移量offset以及第一个斜椭圆的圆心至焊接起点的距离xB；其中，所述offset为所述第一个斜椭圆的圆心至所述第一个斜椭圆的的起点的距离；
所述建立模块，用于根据所述offset与所述xB，建立焊接长度L与总规划量target的对应关系；其中，所述target为所述焊枪的移动位移；
所述控制模块，用于根据所述对应关系控制所述焊枪从所述焊接起点向焊接终点移动，同时，控制所述焊枪从所述焊缝的底边以预设的焊接速度向焊缝的顶边移动，直至所述焊枪的位置移动至所述焊接终点。
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