CN116060737B - 一种骑座式t型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，属于焊接技术领域，该方法为：建立坡口横截面模型并求解坡口横截面积变化规律，根据坡口横截面积规划焊道和焊接工艺参数；建立焊枪位姿数学模型，并获得焊枪的位姿齐次变换矩阵；建立主管与支管的三维模型并通过离线软件搭建焊接系统，将焊点位姿信息导入，然后利用该离线软件生成焊枪位姿离线指令；根据规划的焊道、焊接工艺参数以及生成的焊枪位姿离线指令，进行骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接。本发明可避免焊接过程中因马鞍线倾斜角过大而导致的焊缝成型变差问题，或因坡口横截面积变化过大而导致坡口填充过多或过少的问题，从而保证焊缝成型美观无缺陷。

Description

一种骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，更具体地，涉及一种骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法。
背景技术
在管道工程和压力容器制造过程中，由管－管或接管－筒体垂直相贯形成的马鞍形焊缝是一种十分常见的焊缝形式。目前，对于管管相贯的结构，通常采用手工焊条电弧焊和二氧化碳气体保护焊进行焊接，但由于缺乏熟练的焊工以及对焊接质量和效率的要求较高，机器人焊接已经成为最好的解决方案。
由于马鞍形焊缝为复杂空间曲线，坡口角度会随空间位置而变化，使得焊缝角度和深度在各个空间位置并不相同，故要求在焊接过程中焊枪位姿和焊接工艺参数也要随之调整，致使机器人焊接难度大大增加。
CN109719409A公开了一种环形马鞍线相交支管自动焊接方法，其将相交支管固定在环形工件变位机上进行焊接。但使用变位机适用性有限，不适用于一些无法安装到变位机上的大型工件或者现场施工。CN113909766A公开了一种相贯线焊缝焊接设备及方法与CN106583987B公开了马鞍型焊缝焊接设备，以上两个专利均公开了马鞍线焊缝焊接，但针对不同的管管插接形式与坡口形状，还需进一步规划好焊枪的位姿与焊接的工艺。
CN109226937B公开了一种工业机器人空间相贯曲线焊接离线编程方法，使用主法面二分法对焊枪位姿进行了规划，但其仅适用于最简单的不开坡口情况下的管管对接。天津大学张阳在其硕士学位论文中对开坡口的管管相贯焊缝进行了焊道、焊枪位姿与焊接工艺联合规划。但其针对的是插接式T型接头，骑座式T型接头与插接式T型接头是两种截然不同的接头形式，与插接式相比，骑座式接头坡口截面形状更复杂，焊枪位姿规划难度更高。宋德政等在机械设计与制造，2013(11)上发表的文章《管管相贯的焊接坡口模型分析》中分析了骑座式T型接头的坡口模型，用于指导支管坡口的加工，但并未给出焊枪的位姿规划。目前，还未有一种针对骑座式T型接头并将其焊道、焊枪位姿与焊接工艺联合规划在一起的方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，旨在解决现有的骑座式T型接头的焊道、焊枪位姿和焊接工艺无法联合规划的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，该方法包括如下步骤：
S1建立坡口横截面模型并求解坡口横截面积变化规律，根据坡口横截面积规划焊道和焊接工艺参数；
S2建立焊枪位姿数学模型，焊枪的位姿齐次变换矩阵T为：
式中，ni，i＝1，2，3为马鞍线任意一点切向量的向量元素、oi，i＝1，2，3为焊枪Y轴方向向量/>的向量元素，ai，i＝1，2，3为焊枪Z轴方向向量/>的向量元素，xm,ym,zm为焊点相对于机器人原点的平移距离；
S3建立主管与支管的三维模型并通过离线软件搭建焊接系统，将焊点位姿信息以(xm,ym,zm,w,p,r)的形式导入，其中w,p,r分别是绕x，y，z轴旋转的角度，由焊枪的位姿齐次变换矩阵T求得，然后利用该离线软件生成焊枪位姿离线指令；
S4根据步骤S1规划的焊道和焊接工艺参数、步骤S3生成的焊枪位姿离线指令，进行骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接。
作为进一步优选的，所述骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法还包括：以主管和支管轴线的交点位置为原点，主管轴线方向为X轴方向，主管径向方向为Y轴方向，支管轴线方向为Z轴方向建立坐标系，在该坐标系下建立马鞍线焊缝数学模型并求解马鞍线任意位置的倾斜角，根据该倾斜角判断是否需要进行上坡焊与下坡焊的分段焊接工艺规划。
作为进一步优选的，所述倾斜角θ的计算公式为：
式中，为马鞍线任意位置P0(x0，y0，z0)处的切向量，/>为水平面法向量(0，0，1)，i、j、k分别为与x轴、Y轴、Z轴方向相同的单位向量。
作为进一步优选的，当倾斜角θ最大不超过±20°时，则不需要进行上坡焊与下坡焊的分段焊接工艺规划；当倾斜角θ最大超过±20°时，则需要进行上坡焊与下坡焊的分段焊接工艺规划。
作为进一步优选的，步骤S1中，坡口横截面积具体为：
式中，δ为壁厚，β为焊点所在截面水平方向与坡口的夹角，n为椭圆短半轴，r为支管内孔半径，m为椭圆长半轴，x1为坡口截面任意位置的横坐标。
作为进一步优选的，步骤S1中，规划焊接工艺参数时，判断是否大于阈值，若是，则在焊接过程中使用变化的焊接工艺参数，若否，则在焊接过程中使用相同的焊接工艺参数，进而确定焊接工艺参数，其中Smax为最大坡口横截面积，Smax为最小坡口横截面积。
作为进一步优选的，所述阈值为0.1～0.15。
作为进一步优选的，步骤S1中，保护气体为纯氩气，气体流量为25～30L/min，焊丝干伸长为12～15mm，打底焊的工艺参数为：送丝速度8～8.5m/min，焊接速度40～45cm/min，电流180～195A，电压15.2～16.3V，无摆动；填充焊的工艺参数为：送丝速度8～9m/min，焊接速度30～40cm/min，电流180～195A，电压15.2～16.3V，摆幅1～2mm，频率3～5HZ；盖面焊的工艺参数为：送丝速度9～10m/min，焊接速度30～40cm/min，电流195～236A，电压16.3～17.6V，摆幅1.5～2.5mm，频率3～5HZ。
作为进一步优选的，步骤S4中，多层多道焊时，改变焊点位姿信息中r的值，并设置偏移距离重新导入离线软件中，重新生成焊枪位姿离线指令。
作为进一步优选的，步骤S4中，所述离线软件为ROBOGUIDE。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下
有益效果：
1.本发明能够对焊枪位姿、焊道和焊接工艺参数进行联合规划，可避免焊接过程中因马鞍线倾斜角过大而导致的焊缝成型变差问题，或因坡口横截面积变化过大而导致坡口填充过多或过少的问题，从而保证焊缝成型美观无缺陷，并且适用于所有骑座式T型焊接接头，同时本发明基于离线软件实现了马鞍线焊缝的自动化焊接，相比于传统的手工电弧焊，焊接效率大大提高，并且成型质量更加稳定；
2.同时，考虑到焊枪在沿着马鞍线进行焊接时存在上坡区域和下坡区域，马鞍线的弯曲程度会影响焊接工艺的规划，本发明通过建立马鞍线焊缝数学模型并求解马鞍线任意位置的倾斜角，并根据该倾斜角判断是否需要进行上坡焊与下坡焊的分段焊接工艺规划，能够进一步避免缺陷的产生；
3.此外，本发明根据坡口横截面积的变化规律判断是否需要在焊接过程汇总使用相同的焊接参数，能够进一步提高焊接质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法流程图；
图2是本发明实施例提供的主管与支管装配及坐标系示意图；
图3是本发明实施例中坡口横截面示意图；
图4是本发明实施例中坡口截面截得主管的椭圆曲线示意图；
图5是本发明实施例中焊枪位姿示意图；
图6为本发明实施例中焊缝倾斜角θ随t的变化曲线；
图7为本发明实施例中坡口横截面积随t的变化曲线；
图8为本发明实施例中焊枪位姿数学模型；
图9为本发明实施例中焊道规划示意图；
图10为实施例1焊缝成型效果图；
图11为实施例2焊缝成型效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：建立马鞍线焊缝数学模型并求解马鞍线任意位置处的倾斜角
以主管和支管轴线的交点位置为原点，主管轴线方向为X轴方向，主管径向方向为Y轴方向，支管轴线方向为Z轴方向建立坐标系，在此坐标系下建立马鞍线焊缝数学模型，并将整圈马鞍线划分为n个坐标点，任意一点的坐标为P0(x0，y0，z0)，n大于等于100，
马鞍线的曲线方程为：
其参数方程为：
式中，t∈(0，2π)，R为主管外壁半径，r为支管内孔半径；
焊缝的位置会对焊枪的姿态和熔池流动产生影响，焊枪在沿着马鞍线进行焊接时，存在着上坡区域和下坡区域。因此马鞍线的弯曲程度会影响焊接工艺的规划，马鞍线上任意一点P0(x0，y0，z0)处的切向量为：
式中，i、j、k分别为与x轴、Y轴、Z轴方向相同的单位向量，马鞍线上任意一点处的切向量作为焊枪的移动方向，同时定义焊缝上任意一点处的切向量与水平面的夹角为θ，则
式中，为水平面法向量(0，0，1)；
根据(4)式利用软件计算出马鞍线上任意一点处的倾斜角，并根据倾斜角的大小判断是否需要进行上坡焊与下坡焊的焊接工艺规划，当倾斜角θ最大不超过±20°时，则不需要考虑上下坡焊对熔池流动的影响，当倾斜角θ最大超过±20°时，则需要考虑对整圈焊道进行分段，分别在上坡区域和下坡区域设置不同的焊接工艺参数，以避免缺陷的产生。
步骤二：建立坡口横截面模型并求解坡口横截面积，并根据其规划焊道
绝大多数骑座式支管所开的坡口为等角度型坡口，即在任意截面处坡口直线与主管上该点处切线的夹角为定值，设α为t在某个角度时，焊点在所在主管横截面上的切线与水平线的夹角，如图3所示，求解坡口横截面积S；
当t＝0或π时，坡口截面截得大管圆柱面所得到的曲线为正圆，当或/>时，α为0°，其他情况下，坡口截面截得大管圆柱面所得到的曲线为椭圆，此椭圆短半轴n的长度为R，椭圆长半轴/>以O为圆心，椭圆长半轴为X1轴，椭圆短半轴为Y1轴建立椭圆坐标系，如图4所示；
在椭圆坐标系下，椭圆的方程为：
椭圆上任意一点的坐标为椭圆在点P处的切向量/>为：
设水平向量为则α可由式(7)表示：
将式(6)代入即可求得α的大小；
已知A点坐标(r，/>)，C点坐标(r+δ，/>)，线段BD＝ δtanβ，AD＝δ，δ为壁厚，β为焊点所在截面水平方向与坡口的夹角，n为椭圆短半轴，m为椭圆长半轴，r为支管内孔半径；
三角形ABC的面积为：
设线段AC与椭圆面围成的弓形面积为S1，则:
将式(8)，(9)代入式(10)即得到坡口横截面积的计算公式：
由此根据坡口横截面积S规划焊道和焊接工艺参数。
步骤三：根据坡口横截面积变化规律判断焊接过程中是否使用相同的焊接工艺参数
根据(10)式利用软件计算出马鞍线上坡口横截面积变化规律，并判断在焊接过程中是否需要使用变化的焊接工艺参数，当最大坡口横截面积与最小坡口横截面积相差过大，使用相同的焊接工艺参数必然会造成填充过多或过少的情况；
优选的，当≤阈值，可认为最大坡口横截面积与最小坡口横截面积相差不大，焊接过程中可以使用相同的焊接工艺参数；当/>＞阈值，认为最大坡口横截面积与最小坡口横截面积相差较大，焊接过程中需要使用变化的焊接工艺参数，以避免因坡口横截面积变化而导致的焊缝填充过多或过少的情况，其中Smax为最大坡口横截面积，Smax为最小坡口横截面积，阈值取值优选为0.1～0.15。
步骤四：建立焊枪位姿数学模型
设坡口直线的方向向量为焊点在所在主管横截面上的切线向量为/>焊枪的位姿应位于/>处，如图5所示，曲线1为主管与支管相贯形成的马鞍线，其参数方程如式(2)所示，曲线2为坡口外侧边线，设曲线2上的点的坐标为P1(x2,y2,z2)，其参数方程为
式中，d＝BD，其值在步骤二已经计算得出，则：
已知曲线1在P0点处的切向量为式(3)，则P0点处的法平面方程为：
法平面与主管交线l2：
l2的切向量为:
取两条切线的角平分线方向作为焊枪的Z轴方向，即焊枪轴线方向，其向量
设曲线1上任一点的切线方向为焊枪的行走方向，即焊枪X轴方向，其向量表达如式(3)所示，根据右手定则确定焊枪Y轴方向，得：
则焊枪的位姿齐次变换矩阵为：
式中，ni，i＝1，2，3为马鞍线任意一点的切向量的向量元素、oi，i＝1，2，3为焊枪Y轴方向的向量/>的向量元素，ai，i＝1，2，3为焊枪Z轴方向的向量/>的向量元素，i＝1，2，3为，xm,ym,zm为焊点相对于机器人原点的平移距离。
步骤五：基于ROBOGUIDE建立焊接仿真系统并生成焊枪位姿离线指令
利用三维建模软件建立主管与支管的装配三维模型，保存为IGS格式后导入ROBOGUIDE的WeldPRO模块中，并在该模块中搭建焊接系统，该焊接系统包括机器人、焊枪、工件以及相应的夹具；
在ROBOGUIDE中，焊点位姿信息是以(xm,ym,zm,w,p,r)形式导入的，其中w,p,r分别是绕x，y，z轴旋转的角度，可根据式(18)并利用双参数反正切函数求得；xm,ym,zm为焊点相对于机器人原点的平移距离，根据所建立的模型相对位置而定，保存时需将数据文件保存为CSV格式，在ROBOGUIDE左侧浏览树中，右击目标点“Targets”，在弹出的快捷菜单中选择“Export Point Data”，随后将CSV文件导入，即可得到生成的坐标点，使用“TargetGroups”功能将所有坐标点设置成一个集合并设置好焊接速度，然后生成焊枪位姿离线指令；
进一步，多层多道焊时，改变焊点位姿信息中r的值，并设置偏移距离重新导入离线软件中，重新生成焊枪位姿离线指令。
步骤六：进行自动化焊接
根据步骤二规划的焊道、步骤三确定的焊接工艺参数、步骤五生成的焊枪位姿离线指令，进行骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接；
正式焊接前，在ROBOGUIDE中生成各个焊道的离线指令保存为TP格式后导入到机器人的控制柜中，并使用点焊指令将支管固定在主管上；
在焊接设备和机器人示教器上设置焊接工艺参数，焊接工艺为MIG焊，所述焊接工艺参数包括：打底焊：送丝速度8m/min-8.5m/min，焊接速度40cm/min-45cm/min，电流180A-195A，电压15.2V-16.3V，无摆动；
填充焊：送丝速度8m/min-9m/min，焊接速度30cm/min-40cm/min，电流180A-195A，电压15.2V-16.3V，摆幅1mm-2mm，频率3HZ-5HZ；
盖面焊：送丝速度9m/min-10m/min，焊接速度30cm/min-40cm/min，电流195A-236A，电压16.3V-17.6V，摆幅1.5mm-2.5mm，频率3HZ-5HZ。保护气体为纯氩气，气体流量为25L/min-30L/min；除此之外，焊丝干伸长应为12mm-15mm。
进一步，步骤六中，电焊应最少对称固定四个位置，焊接工艺参数中焊接速度存储在离线指令中，其余焊接工艺参数在所述焊接设备上修改；焊接设备为FRONIUS公司生产的CMT 4000Advanced，所述焊丝为ERNiCrMo-3，直径1.14mm。
下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案作进一步说明。
实施例1
下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步的说明。
为了验证本发明的具体执行情况，使用Matlab软件对所建立的数学模型进行了计算并验证，使用FANUC M-10iA六自由度弧焊机器人进行焊接试验，机器人末端固定焊枪型号为FRONIUS RA 280 36G。试验使用的主管半径R为267.5mm，支管内孔半径r为31mm。
如图1所示为一种骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：以主管和支管轴线的交点位置为原点，主管轴线方向为X轴方向，主管径向方向为Y轴方向，支管轴线方向为Z轴方向建立坐标系，如图2所示，建立马鞍线焊缝的曲线方程为：
参数方程为：
取t的间隔为将整圈马鞍线划分为100个点.根据式(3)，(4)并利用Matlab软件求出焊缝上任意一点处的切向量与水平面的夹角，如图6所示，焊缝最大倾斜角不超过±4°，则不考虑焊缝上下坡位置对熔池流动的影响。
步骤二：建立坡口横截面模型并求解坡口横截面积变化规律，如图2所示，本试验所使用的支管所开坡口为等角度型坡口，为42°，支管壁厚δ为13.5mm。坡口截面截得大管圆柱面所得到的曲线椭圆短半轴n＝267.5mm，长半轴
首先根据式(5)，(6)，(7)求出α和β的大小，然后根据式(8)，(9)，(10)得到坡口横截面积S随t变化的关系式，利用Matlab绘制出坡口横截S随t变化的曲线，如图7所示；
从图中可以看出，坡口横截面积在t＝0°时达到最小值77.62mm2，在t＝90°时达到最大值82.05mm2，则坡口横截面积变化不大，焊接过程中可以使用相同的焊接工艺参数。
步骤三：建立焊枪位姿数学模型
首先根据式(11)，(12)，(13)，(14)求出坡口直线的方向向量与焊点在所在主管横截面上的切线向量/>根据式(16)求解出焊枪坐标系的Z轴方向向量，设曲线1上任一点的切线方向为焊枪的行走方向，即焊枪X轴方向，根据式(17)求出焊枪Y轴方向向量，则最终求得焊枪的位姿如图8所示。将求得的各轴方向向量的元素代入式(18)中，即可得到焊枪位姿相对于世界坐标系的齐次变换矩阵T。
步骤四：基于ROBOGUIDE建立焊接仿真系统并生成离线指令。
利用三维建模软件建立主管与支管的装配三维模型，保存为IGS格式后导入ROBOGUIDE的WeldPRO模块中，并在该模块中搭建焊接系统，该焊接系统包括机器人、焊枪、工件以及相应的夹具。
根据齐次变换矩阵T并利用双参数反正切函数求得焊枪位姿分别绕世界坐标系x，y，z轴旋转的角度w，p和r，并根据机器人原点位置与工件之间的相对位置设置好xm,ym,zm的值，求解出的部分点位姿信息如表1所示。
表1部分焊点的位姿信息
将焊点位姿数据文件保存为CSV格式，在ROBOGUIDE左侧浏览树中，右击目标点“Targets”，在弹出的快捷菜单中选择“Export Point Data”，随后将CSV文件导入，即可得到生成的坐标点。使用“Target Groups”功能将所有坐标点设置成一个集合并设置好焊接速度，然后生成离线指令。
步骤五：设置工艺参数并进行焊接试验
正式焊接前，根据坡口横截面积规划好焊道，共三层四道，如图9所示。在ROBOGUIDE中生成各个焊道的离线指令并保存为TP格式后导入到机器人的控制柜中，并使用点焊指令将支管固定在主管上，每隔90°点焊一个点，共四个点。
步骤一计算出的焊缝倾斜角θ最大不超过20°，不需要进行上下坡焊道规划，步骤二中的则在焊接过程中不需要使用变化的焊接工艺参数。
在CMT 4000Advanced焊机上设置好如下工艺参数，其中焊接速度参数储存在离线指令中：
打底焊道1：送丝速度8m/min，焊接速度40cm/min，电流180A，电压15.2V，无摆动；
填充焊道2：送丝速度8m/min，焊接速度35cm/min，电流180A，电压15.2V，摆幅1mm，频率4HZ；
盖面焊道3：送丝速度9.4m/min，焊接速度35cm/min，电流219A，电压16.9V，摆幅2mm，频率4HZ；
盖面焊道4：送丝速度9.4m/min，焊接速度35cm/min，电流219A，电压16.9V，摆幅2mm，频率4HZ；
试验所用焊丝为ERNiCrMo-3，直径1.14mm。保护气体为纯氩气，气体流量25L/min。
最终得到的焊缝成型优良，内部无缺陷，如图10所示。
实施例2
主管半径R为267.5mm，支管内孔半径r为40mm，其它条件均与实施例1相同。
步骤一：将实施例1中的r更改为40mm。取t的间隔为将整圈马鞍线划分为100个点。求得焊缝最大倾斜角不超过±8°，则不考虑焊缝上下坡位置对熔池流动的影响。/>
步骤二：求得坡口横截面积在t＝0°时达到最小值64.95mm2，在t＝90°时达到最大值82.05mm2，则坡口横截面积变化较大。
步骤三：与实施例1相同。
步骤四：与实施例1相同。
步骤五：步骤一计算出的焊缝倾斜角θ最大不超过20°，不需要进行上下坡焊道规划，步骤二中的则在焊接过程中需要使用变化的焊接工艺参数。
根据坡口横截面积的变化情况，焊接过程中通过不断改变焊接速度来实现对坡口的填充，避免出现使用单一焊接速度造成的焊缝填充过多或过少的情况。
在CMT 4000Advanced焊机上设置好如下工艺参数，其中焊接速度参数储存在离线指令中：
打底焊道1：送丝速度8m/min，焊接速度40～45cm/min，电流180A，电压15.2V，无摆动；
填充焊道2：送丝速度8m/min，焊接速度35～40cm/min，电流180A，电压15.2V，摆幅1mm，频率4HZ；
盖面焊道3：送丝速度9.4m/min，焊接速度35～40cm/min，电流219A，电压16.9V，摆幅2mm，频率4HZ；
盖面焊道4：送丝速度9.4m/min，焊接速度35～40cm/min，电流219A，电压16.9V，摆幅2mm，频率4HZ；
试验所用焊丝为ERNiCrMo-3，直径1.14mm。保护气体为纯氩气，气体流量25L/min。
最终得到的焊缝成型优良，内部无缺陷，如图11所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1建立坡口横截面模型并求解坡口横截面积变化规律，根据坡口横截面积规划焊道和焊接工艺参数，其中坡口横截面积具体为：
式中，δ为壁厚，β为焊点所在截面水平方向与坡口的夹角，n为椭圆短半轴，r为支管内孔半径，m为椭圆长半轴，x1为坡口截面任意位置的横坐标；
规划焊接工艺参数时，判断是否大于阈值，若是，则在焊接过程中使用变化的焊接工艺参数，若否，则在焊接过程中使用相同的焊接工艺参数，进而确定焊接工艺参数，其中Smax为最大坡口横截面积，Smax为最小坡口横截面积；
S2建立焊枪位姿数学模型，焊枪的位姿齐次变换矩阵T为：
式中，ni，i＝1，2，3为马鞍线任意一点切向量的向量元素、oi，i＝1，2，3为焊枪Y轴方向向量/>的向量元素，ai，i＝1，2，3为焊枪Z轴方向向量/>的向量元素，xm,ym,zm为焊点相对于机器人原点的平移距离，其中，设坡口直线的方向向量为/>焊点所在主管横截面上的切线向量为/>焊枪的位姿位于/>处，/>为任意截面处坡口直线与主管上该点处切线的夹角，焊枪Z轴方向为/>焊枪X轴方向为主管与支管相贯形成的马鞍线上任一点的切线方向，并根据右手定则确定焊枪Y轴方向；
S3建立主管与支管的三维模型并通过离线软件搭建焊接系统，将焊点位姿信息以(xm,ym,zm,w,p,r)的形式导入，其中w,p,r分别是绕x，y，z轴旋转的角度，由焊枪的位姿齐次变换矩阵T求得，然后利用该离线软件生成焊枪位姿离线指令；
S4根据步骤S1规划的焊道和焊接工艺参数、步骤S3生成的焊枪位姿离线指令，进行骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接。
2.如权利要求1所述的骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，其特征在于，所述骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法还包括：以主管和支管轴线的交点位置为原点，主管轴线方向为X轴方向，主管径向方向为Y轴方向，支管轴线方向为Z轴方向建立坐标系，在该坐标系下建立马鞍线焊缝数学模型并求解马鞍线任意位置的倾斜角，根据该倾斜角判断是否需要进行上坡焊与下坡焊的分段焊接工艺规划。
3.如权利要求2所述的骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，其特征在于，所述倾斜角θ的计算公式为：
式中，为马鞍线任意位置P0(x0，y0，z0)处的切向量，/>为水平面法向量(0，0，1)，i、j、k分别为与x轴、Y轴、Z轴方向相同的单位向量。
4.如权利要求3所述的骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，其特征在于，当倾斜角θ最大不超过±20°时，则不需要进行上坡焊与下坡焊的分段焊接工艺规划；当倾斜角θ最大超过±20°时，则需要进行上坡焊与下坡焊的分段焊接工艺规划。
5.如权利要求1所述的骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，其特征在于，所述阈值为0.1～0.15。
6.如权利要求1所述的骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，其特征在于，步骤S1中，保护气体为纯氩气，气体流量为25～30L/min，焊丝干伸长为12～15mm，打底焊的工艺参数为：送丝速度8～8.5m/min，焊接速度40～45cm/min，电流180～195A，电压15.2～16.3V，无摆动；填充焊的工艺参数为：送丝速度8～9m/min，焊接速度30～40cm/min，电流180～195A，电压15.2～16.3V，摆幅1～2mm，频率3～5HZ；盖面焊的工艺参数为：送丝速度9～10m/min，焊接速度30～40cm/min，电流195～236A，电压16.3～17.6V，摆幅1.5～2.5mm，频率3～5HZ。
7.如权利要求1所述的骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，其特征在于，步骤S4中，多层多道焊时，改变焊点位姿信息中r的值，并设置偏移距离重新导入离线软件中，重新生成焊枪位姿离线指令。
8.如权利要求1～7任一项所述的骑座式T型接头马鞍线焊缝自动化焊接方法，其特征在于，步骤S4中，所述离线软件为ROBOGUIDE。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0049037A1 (en) * 1980-09-16 1982-04-07 KABUSHIKI KAISHA KOBE SEIKO SHO also known as Kobe Steel Ltd. Method and apparatus for the narrow gap welding of thick tubes
JPH1094874A (ja) * 1996-09-24 1998-04-14 Babcock Hitachi Kk 管継手の自動溶接方法
CN102500878A (zh) * 2011-10-20 2012-06-20 渤海造船厂集团有限公司 核电主管道与支管全熔透角焊缝自动钨极氩弧焊焊接方法
CN103111730A (zh) * 2013-01-22 2013-05-22 北京中电华强焊接工程技术有限公司 一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法
CN105772905A (zh) * 2016-03-16 2016-07-20 南京工业大学 一种基于弧焊机器人系统的斜交偏置管轨迹规划方法
CN106624262A (zh) * 2016-12-31 2017-05-10 山东大学 一种智能焊接圆管相贯线的方法及设备
CN106735999A (zh) * 2017-01-21 2017-05-31 中国东方电气集团有限公司 一种变截面坡口集箱管座自动焊接方法
CN108994418A (zh) * 2018-07-26 2018-12-14 上海工程技术大学 一种管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法
CN114662184A (zh) * 2022-02-18 2022-06-24 福建工程学院 一种t/k/y相贯结构的坡口建模方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0049037A1 (en) * 1980-09-16 1982-04-07 KABUSHIKI KAISHA KOBE SEIKO SHO also known as Kobe Steel Ltd. Method and apparatus for the narrow gap welding of thick tubes
JPH1094874A (ja) * 1996-09-24 1998-04-14 Babcock Hitachi Kk 管継手の自動溶接方法
CN102500878A (zh) * 2011-10-20 2012-06-20 渤海造船厂集团有限公司 核电主管道与支管全熔透角焊缝自动钨极氩弧焊焊接方法
CN103111730A (zh) * 2013-01-22 2013-05-22 北京中电华强焊接工程技术有限公司 一种集箱大管座马鞍形轨迹自动化焊接方法
CN105772905A (zh) * 2016-03-16 2016-07-20 南京工业大学 一种基于弧焊机器人系统的斜交偏置管轨迹规划方法
CN106624262A (zh) * 2016-12-31 2017-05-10 山东大学 一种智能焊接圆管相贯线的方法及设备
CN106735999A (zh) * 2017-01-21 2017-05-31 中国东方电气集团有限公司 一种变截面坡口集箱管座自动焊接方法
CN108994418A (zh) * 2018-07-26 2018-12-14 上海工程技术大学 一种管-管相贯线机器人运动轨迹规划方法
CN114662184A (zh) * 2022-02-18 2022-06-24 福建工程学院 一种t/k/y相贯结构的坡口建模方法

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