CN115430886A - 基于焊接预规划的机器人多层多道焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于焊接预规划的机器人多层多道焊接方法，首先采用线激光扫描焊缝坡口，提取坡口角度、顶部及底部宽度等特征信息；然后根据坡口底部宽度进行焊缝层道规划；再利用焊缝填充体积和送丝量体积两侧守恒的思路，并采用焊道简化模型和公式，分别计算出相应焊道的送丝速度、摆动参数和轨迹偏移参数；最后将计算好的焊接工艺参数和轨迹偏移参数发送给机器人，自动进行多层多道焊接；过程中可以根据实际焊接效果，决定是否进行修正。本发明不仅能够确定所需焊道的焊接工艺参数，还可确定对应的轨迹偏移参数，实现了焊接工艺参数与轨迹偏移参数的有机结合，有效解决了传统多层多道自动焊接中层道过多时工艺参数与轨迹参数不适配的缺点。

Description

基于焊接预规划的机器人多层多道焊接方法

技术领域

本发明涉及中厚板机器人焊接技术领域，特别是涉及一种基于焊接预规划的机器人多层多道焊接方法。

背景技术

大型船舶分段制造中存在较多的中厚板(板厚大于20mm)焊接工作，如平面分段和曲面分段的焊接：其底板厚度较大(≥25mm)，需要开坡口进行多层多道焊接。

目前船厂厚板的多层多道焊接，普遍采用手工焊接，人工劳动强度大，生产效率低、质量不稳定，容易产生焊接缺陷。机器人焊接具有焊接质量稳定、效率高的特点。但是，目前机器人在多层多道焊缝中还没有较好的实际应用，调研分析发现，各家装备均采用“示教—再现”型机器人多层多道焊接工作原理，该原理是严格按照用户指定的示教点和指令运行，简单重复空间行走轨迹并完成焊接过程，无法自主纠正焊接轨迹或调整工艺参数，缺乏对外界环境的感知和反馈能力。尤其是在中厚板焊接过程中，如果焊缝的位置和焊缝形貌发生变化，随着焊层的增加，累积误差超过工作要求，焊接机器人在焊接过程中极有可能发生焊接轨迹的偏离或焊接参数不匹配情况，导致焊接失败。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于焊接预规划的机器人多层多道焊接方法，实现了焊接工艺参数与轨迹偏移参数的有机结合，有效解决了传统多层多道自动焊接中层道过多时工艺参数与轨迹参数不适配的缺点，消除焊接过程中的累计误差。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于焊接预规划的机器人多层多道焊接方法，包括以下步骤：

(1)组对待焊接的试板，预留焊缝坡口间隙和错边，进行机器人点焊；

(2)在组对好的试板背面贴陶瓷衬垫；

(3)确定焊缝坡口中心位置和始末点位置，确定根部焊缝轨迹；

(4)确定焊缝坡口角度、坡口底部宽度和顶部宽；

(5)根据坡口底部宽度，将焊道截面简化为平行四边形和梯形两种形状，进行焊缝层道预规划；

(6)计算预规划的焊接工艺参数和轨迹偏移参数，完成整个接头焊接的预规划；

(7)将预规划焊接参数发送给机器人，自动执行多层多道焊接；

(8)每层焊接结束后，判断是否修正，不需要修正，继续下一层道的焊接；若需要修正，重复步骤(3)～(8)，重新规划和计算所需焊接参数，并自动焊接，直至所有层焊接结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明在不用大幅改造船厂现有机器人焊接装备的情况下，将焊接作业人员的成熟焊接经验数字化，形成具有极高适配性的焊接工艺参数和轨迹偏移参数，实现了焊接工艺参数与轨迹偏移参数的有机结合，解决了当前机器人多层多道焊接过程中焊接工艺参数与轨迹参数不适配的问题；可以根据焊后成型的实际情况对预规划的焊道工艺参数进行修正，消除焊接过程中的累计误差；同时为焊接工艺人员提供了一个焊接工艺规划计算工具，减少了焊接工艺评定试验的工作量，实现了机器人多层多道高效和高质量焊接。

附图说明

图1为本发明机器人多层多道焊接方法的流程示意图。

图2为本发明机器人多层多道根部焊道的简化模型示意图。

图3为本发明机器人多层多道部分填充焊道的简化模型示意图。

图4为本发明实施例机器人多层多道焊道排布规划示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例对本发明的实施方法进行进一步的详细描述。应该指出，这里的详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

结合图1，一种基于焊接预规划的机器人多层多道焊接方法，首先采用线激光扫描焊缝坡口，提取坡口角度、顶部及底部宽度等特征信息；然后根据坡口底部宽度进行焊缝层道规划；再利用焊缝填充体积和送丝量体积两侧守恒的思路，并采用焊道简化模型和公式，分别计算出相应焊道的送丝速度、摆动参数和轨迹偏移参数；最后将计算好的焊接工艺参数和轨迹偏移参数发送给机器人，自动进行多层多道焊接；过程中可以根据实际焊接效果，决定是否进行修正；具体包括以下步骤：

(1)组对待焊接的试板，坡口间隙3-5mm，错边小于等于1mm，机器人点焊；

(2)在组对好的试板背面贴陶瓷衬垫；

(3)使用线激光扫描焊缝坡口，提取焊缝坡口中心位置和始末点位置，确定根部焊缝轨迹；

(4)根据线激光扫描的焊缝坡口图像，提取焊缝坡口角度、坡口底部宽度和顶部宽度；

(5)根据坡口底部宽度，进行焊缝层道规划；

(6)利用相应的焊道简化模型和公式，分别计算相应焊道的焊接工艺参数和轨迹偏移参数，完成整个接头焊接的预规划；

(7)将预规划参数存储到上位机存储单元，发送给机器人，自动执行多层多道焊接；

(8)每层焊接结束后，判断是否修正，不需要修正，继续下一层道的焊接；若需要修正，重复步骤(3)～(8)，重新规划和计算所需焊接参数，并自动焊接；

(9)直至所有焊道参数执行完毕，一个工件焊接结束。

进一步的，步骤(1)中，对点焊好后的焊缝坡口进行焊前清理。

进一步的，步骤(2)中，选用A3型号的焊接陶瓷衬垫(内槽宽度10mm)，在组对好的试板背面对中贴好衬垫。

进一步的，步骤(3)中，利用线激光传感器扫描焊缝坡口，提取焊缝坡口中心位置和焊缝始末点位置，确定根部焊缝轨迹，并将根部焊缝轨迹数据存储到上位机软件中。

进一步的，步骤(4)中，利用线激光传感器扫描坡口，获取坡口特征信息，提取坡口角度、坡口底部宽度和顶部宽度，将坡口角度、坡口底部宽度和顶部宽度存储到上位机软件中。

进一步的，步骤(5)中，根据底部坡口宽度采用不同的焊缝层道规划策略，策略如下：

a)焊缝层道规划策略

本发明中将焊道截面简化为平行四边形和梯形两种形状。

根据待焊层底部坡口总间隙D选择不同的策略，D≤18mm时，选择单层单道焊道规划策略；18mm＜D≤36mm时，选择单层两道焊道规划策略；36mm＜D≤54mm时，选择单层三道焊道规划策略。

b)结合图2-图4，每道焊道的底部间隙d和焊道截面简化模型规划策略为：

根部焊道底部间隙：d＝D，焊道截面为梯形和矩形的组合；

填充单层单道的底部间隙：d＝D，焊道截面为梯形；

填充单层两道的底部间隙：

第一道焊道截面为平行四边形，第二道焊道截面为梯形；

填充单层三道的底部间隙：

第一道和第二道焊道截面为平行四边形，第三道焊道截面为梯形；

盖面单层单道的底部间隙：d＝D，焊道截面为梯形；

盖面单层两道的底部间隙：

两道焊道截面均为平行四边形；

盖面单层三道的底部间隙：

三道焊道截面均为平行四边形。

进一步的，步骤(6)中，利用步骤(5)中规划的每道焊道的底部间隙d，同时结合相应的焊道简化模型和公式，计算焊接工艺参数和轨迹偏移参数，计算公式如下：

a)焊道截面积计算公式

根部焊道截面积S₁：

平行四边形焊道截面积S₁：S₁＝dh(mm²) (2)

梯形焊道截面积S₁：

式中，h为对应层焊缝厚度，单位mm；g为钝边，单位mm；d为每道焊道的底部间隙，单位mm；θ为坡口角度，单位°。

b)送丝速度计算公式

送丝速度Vs：

式中，L为摆长，单位mm；S₁为焊缝截面积，单位mm²；V_w为焊接速度，单位m/min；R为焊丝半径，单位mm；单位η为熔敷系数；t为摆动停留时间，单位s。

c)摆动参数计算公式

摆长L：

式中，V_w为焊接速度，单位m/min；f为频率，单位HZ。

摆宽W：

式中，d为每道焊道的坡口底部间隙，单位mm。

d)轨迹偏移参数计算公式

本发明中填充和盖面焊道的轨迹均以根部焊道轨迹为基准进行偏移，而且只在Z和Y方向进行偏移。

Z方向偏移公式：

假设该焊层为第n层(n＞1)，则Z方向的偏移量为前n-1层焊缝厚度之和。hi为第i层焊缝的厚度。

n＝1时，Z＝0；

n＞1时，

Y方向偏移公式：

填充和盖面单层单道焊缝：Y＝0；

填充和盖面单层两道焊缝：第一道，

第二道，

填充单层三道焊缝：第一道，Y＝d(mm)；第二道，Y＝-d(mm)；第三道：Y＝0；

盖面单层三道焊缝：第一道，Y＝d(mm)；第二道：Y＝0，第三道，Y＝-d(mm)。

本发明采用机器人MAG焊接方式对厚板进行多层多道焊接，焊接设备系统包括弧焊机器人、弧焊电源、机器人焊枪、线激光传感器、总控系统和上位机软件。本发明利用焊接工艺参数和轨迹偏移参数相关计算模型及公式计算所需焊道的焊接工艺参数和对应的机器人轨迹偏移参数，完成接头焊接的预规划。同时，在焊接多层焊道后，可以根据焊后成型的实际情况对预规划的焊道工艺参数进行修正，消除焊接过程中的累计误差。

实施例

该实施例公开了基于焊接预规划的机器人多层多道焊接方法，利用该方法中的焊接工艺参数和轨迹偏移参数相关计算模型及公式，可以计算出焊接工艺参数、摆动参数和轨迹偏移参数，,具体包括：

(1)本发明在试验过程中使用的设备：机器人为KUKA KR16 R2010-2、焊接电源为Fronius TPS500i。

(2)准备两块Q345试板，试板规格为δ25×200×600mm，钝边2mm，每块试板的坡口为单边V型坡口，角度为35°。

(3)组对待焊接的试板，组对间隙4mm，错边小于等于1mm，机器人点焊。

(4)在组对好的试板背面贴陶瓷衬垫。

(5)使用线激光扫描焊缝坡口，提取焊缝坡口中心位置和始末点位置，确定根部焊缝轨迹。

(6)根据线激光扫描的焊缝图像，提取焊缝坡口角度、坡口底部宽度和顶部宽度。

(7)根据坡口底部宽度，进行焊缝层道规划。

(8)利用相应的焊道简化模型和公式，本实施例的根部焊道简化模型为梯形和矩形的组合，参见附图2所示；填充焊道简化模型为梯形和平行四边形的组合，参见附图3所示，分别计算相应焊道的焊接工艺参数和轨迹偏移参数，完成整个接头焊接的预规划。表1为一组完整的接头焊接工艺参数和轨迹偏移参数(计算过中程涉及到的变量较多，因此只列出最终发送给机器人执行的参数)，接头的多层多道焊道排布规划参见附图4所示。

表1 焊接工艺和轨迹偏移部分计算参数

(9)将预规划参数存储到上位机存储单元，发送给机器人，自动执行多层多道焊接。

(10)每层焊接结束后，判断是否修正，不需要修正，继续下一层道的焊接；若需要修正，重复步骤(5)～(10)，重新规划和计算所需焊接参数，并自动焊接。

(11)直至所有焊道参数执行完毕，一个工件焊接结束。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于焊接预规划的机器人多层多道焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)组对待焊接的试板，预留焊缝坡口间隙和错边，进行机器人点焊；

(2)在组对好的试板背面贴陶瓷衬垫；

(3)确定焊缝坡口中心位置和始末点位置，确定根部焊缝轨迹；

(4)确定焊缝坡口角度、坡口底部宽度和顶部宽；

(5)根据坡口底部宽度，将焊道截面简化为平行四边形和梯形两种形状，进行焊缝层道预规划；

(6)计算预规划的焊接工艺参数和轨迹偏移参数，完成整个接头焊接的预规划；

(7)将预规划焊接参数发送给机器人，自动执行多层多道焊接；

(8)每层焊接结束后，判断是否修正，不需要修正，继续下一层道的焊接；若需要修正，重复步骤(3)～(8)，重新规划和计算所需焊接参数，并自动焊接，直至所有层焊接结束。

2.根据权利要求1所述的机器人多层多道焊接方法，其特征在于：根据坡口底部宽度，进行焊缝层道预规划具体包括：根据坡口底部宽度D选择不同的策略，D≤18mm时，采用单层单道焊道规划策略；18mm＜D≤36mm时，采用单层两道焊道规划策略；36mm＜D≤54mm时，采用单层三道焊道规划策略。

3.根据权利要求2所述的机器人多层多道焊接方法，其特征在于：所述单层单道焊道规划策略为：填充单层单道的底部间隙：d＝D，焊道截面为梯形，盖面单层单道的底部间隙：d＝D，焊道截面为梯形；所述单层两道焊道规划策略为：填充单层两道的底部间隙：

第一道焊道截面为平行四边形，第二道焊道截面为梯形，盖面单层两道的底部间隙：

两道焊道截面均为平行四边形；所述单层三道焊道规划策略为：填充单层三道的底部间隙

第一道和第二道焊道截面为平行四边形，第三道焊道截面为梯形；盖面单层三道的底部间隙

三道焊道截面均为平行四边形。

4.根据权利要求3所述的机器人多层多道焊接方法，其特征在于：所述焊接工艺参数包括焊道截面积、送丝速度及摆动参数；所述轨迹偏移参数以根部焊缝轨迹为基准，包括Z方向偏移和Y方向偏移。

5.根据权利要求4所述的机器人多层多道焊接方法，其特征在于：所述焊道截面积包括：

根部焊道截面积S₁：

平行四边形焊道截面积S₂：S₂＝dh(mm²) (2)

梯形焊道截面积S₃：

式中，h为对应层焊缝厚度，单位mm；g为钝边，单位mm；d为每道焊道的底部间隙，单位mm；θ为坡口角度，单位°；

所述送丝速度Vs为：

所述摆动参数包括：

摆长L：

式中，V_w为焊接速度，单位m/min；f为频率，单位HZ；

摆宽W：

式中，d为每道焊道的底部间隙，单位mm。

6.根据权利要求1所述的机器人多层多道焊接方法，其特征在于：所述Z方向偏移为：

假设该焊层为第n层，则Z方向的偏移量为前n-1层焊缝厚度之和，h_i为第i层焊缝的厚度；即：

n＝1时，Z＝0；

n＞1时，

Y方向偏移为：

填充和盖面单层单道焊缝：Y＝0；

填充和盖面单层两道焊缝：第一道，

第二道，

填充单层三道焊缝：第一道，Y＝d；第二道，Y＝-d；第三道：Y＝0；

盖面单层三道焊缝：第一道，Y＝d；第二道：Y＝0，第三道，Y＝-d。

7.根据权利要求1所述的机器人多层多道焊接方法，其特征在于：所述焊缝坡口间隙为3-5mm，所述错边小于等于1mm。

8.根据权利要求1所述的机器人多层多道焊接方法，其特征在于：所述陶瓷衬垫的内槽宽度为10mm。

9.根据权利要求1所述的机器人多层多道焊接方法，其特征在于：所述步骤(3)中采用线激光扫描焊缝坡口，确定根部焊缝轨迹，所述步骤(4)中焊缝坡口角度、坡口底部宽度和顶部宽基于线激光扫描图像确定。

10.根据权利要求1～9任一所述的机器人多层多道焊接方法，其特征在于：所述试板规格为δ25×200×600mm，钝边2mm，所述焊缝坡口为单边V型坡口，坡口角度为35°，组对间隙4mm。

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