WO2021248649A1

WO2021248649A1 - 一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法

Info

Publication number: WO2021248649A1
Application number: PCT/CN2020/104925
Authority: WO
Inventors: 李鹏一; 程远; 胡冬双; 唐凯; 董巍; 徐龙; 吴晓
Original assignee: 南京英尼格玛工业自动化技术有限公司
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2021-12-16
Also published as: CN111702416A; CN113385887A

Abstract

一种高铁枕梁（101）工艺孔自动焊接方法，该方法集成逆向重构、电弧焊接、激光清洗三个工序，且三个工序对应于3D相机（11）、焊枪头（9）、激光清洗头（10），机器人工具快换装置（5）能够使得焊枪头（9）、激光清洗头（10）、3D相机（11）配合增材制造过程实现自动切换。将枕梁（101）定位并固定在固定座（503）上，由移栽轨道控制枕梁（101）前进，当完成逆向重构、电弧焊接、激光清洗三个工序后再将已加工枕梁（101）送出电弧增材工作站，并将下一个待加工枕梁（101）送入电弧增材工作站。

Description

一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法

技术领域

本发明涉及电弧增材领域，具体涉及一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法。

背景技术

增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)也被称为“实体自由制造”、“3D打印技术”等，相对于传统的减材制造(切削加工)技术，它是一种“自下而上”材料累加的制造方法，是以数学建模为基础，基于离散-堆积原理，将材料逐层堆积制造出实体零件的新兴制造技术。经过近一个世纪的发展，增材制造技术实现了有机材料、无机非金属材料、金属材料产品的快速制造。针对金属材料，将增材制造技术按热源分类，可分为：激光增材制造、电弧增材制造、电子束增材制造等技术，原材料一般有焊丝和金属粉末两种形式。

针对高铁枕梁工艺孔设计一套工作站，相比于传统的人工焊接具有显著优势。

现有技术中用于加工工艺孔的自动化设备通常是采用单一的焊枪机器人根据预设好的轨迹来进行焊接，在完成焊接后转入后续的清洗等工序。这种工作方式对效率的提升有限、且无法自适应工件的实际缺陷来进行自动弥补。

发明内容

发明目的：提供一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法，基于以下设备，包括：移栽工作站，以及设置在所述移栽工作站中间段一侧的电弧增材工作站；所述移栽工作站包括一条可双向进给的移栽轨道，所述移栽轨道上设有枕梁固定座，枕梁的首尾以预定间隔定位夹紧在所述固定座上；

包括如下工序：

步骤1、人工吊装枕梁到移栽工作站，将枕梁定位夹紧在固定座上，并通过多个下压板压合住枕梁；

步骤2、枕梁装夹完毕后，移栽工作站启动，移栽轨道将定位固定好的枕梁传输至工作区域；

步骤3、设定好当前的工件坐标，工业机器人首先驱动至机器人工具快换装置处，到位后再精确驱动至3D相机处，当工业机器人的机械臂位于3D相机正上方时，继续缓慢下降直至两个快换锁头接合，接合完毕后旋转气缸带动转动部转动脱离活动部，工业机器人继续启动，使得3D相机脱离其固定部，并继续驱动至枕梁上方；

步骤4、3D相机启动视觉扫描零件，分析轮廓数据并对缺陷进行补偿修正，接着逆向重构模型，接着由计算机进行切片参数设置并生成机器人轨迹路径，同时设定好打印焊接工艺参数；

步骤5、工业机器人驱动3D相机返回机器人工具快换装置处，重复步骤3的内容将3D相机放置回固定部上，并切换为焊枪头，继续返回枕梁上方；

步骤6、启动激光焊接，焊接完成后重复步骤3的内容将焊枪头放置回固定部上，并切换为激光清洗头，继续返回枕梁上方进行层间激光清洗；

步骤7、焊接完成后的工件人工吊装工件出工作站进行热处理，同时重复步骤1至步骤6完成其余工业的加工。

在进一步的实施例中，所述电弧增材工作站集成逆向重构、电弧焊接、激光清洗三个工序；每一块枕梁都由多个下压板压合，所述下压板压合在所述枕梁的首、尾、以及避开枕梁工艺孔的中部多段。

在进一步的实施例中，所述电弧增材工作站包括围定指定工作区域的安全防护房，所述安全防护房位于移栽轨道的两侧开设有卷帘门，所述移栽轨道穿过所述卷帘门，所述安全防护房内位靠近所述卷帘门的位置分别设有机器人工具快换装置，所述机器人工具快换装置位于所述移栽轨道的一侧，所述机器人工具快换装置之间设有多个工业机器人。

在进一步的实施例中，所述机器人工具快换装置包括支撑架，固定在所述支撑架上部一侧的快换板，以及分别设置在所述快换板上的固定座；所述固定座的两侧分别固定有旋转气缸，所述旋转气缸的输出端固定有延伸出来的转动部，所述转动部的末端固定有直接与对应的快换工具接触的接触部。

在进一步的实施例中，所述固定座为三个，焊枪头、激光清洗头、3D相机分别设置在固定座上，所述焊枪头、激光清洗头、3D相机的一侧固定有一段与所述固定座适配的活动座，在未进行换取时，所述焊枪头、激光清洗头、3D相机由所述活动座卡设在所述固定座上、且由所述旋转气缸的转动部横向压紧；所述活动座上固定有快换锁头，所述工业机器人的机械臂末端同样固定有快换锁头。

在进一步的实施例中，步骤6中激光焊接以焊机作为热源、金属丝材作为成形材料，规划出连续螺旋上升切片路径进行熔覆打印，过程如下：

步骤6-1、确定成形特定金属结构件所需要的工艺参数，包括焊接程序、送丝速度、打印速度、切片层高、保护气种类与流量，各参数之间关系如下：

V×F＝v×f

式中，V表示焊接速度，F表示焊缝截面积，v表示送丝速度，f表示焊丝截面积；

步骤6-2、将工件焊缝截面等效为长方形，此时满足如下关系式：

F＝ld

式中，l表示等效长方形焊缝宽度，d表示焊缝高度即层高；

步骤6-3、根据步骤6-2和步骤6-3的两式得到式送丝速度与层高之间的关系式：

式中，V表示焊接速度，l表示等效长方形焊缝宽度，d表示焊缝高度即层高，f表示焊丝截面积；

步骤6-4、通过送丝速度读出电流和电压值，进而计算该送丝速度下每消耗1mm焊丝的热输入量：

式中，U表示电弧电压、I表示焊接电流，V表示焊接速度，k表示相对热传导率。

在进一步的实施例中，步骤4中由计算机进行切片参数设置并生成连续螺旋上升切片路径，过程如下：

步骤4-1、对打印工件的模型进行切片处理，将模型沿Z轴方向分成若干平面；

步骤4-2、寻找相邻层，利用相对位置高的层减去相对位置低的层，得到层高；然后在首层切片上随机取一点作为起始点(即焊接起弧点)，然后利用下式，求出相邻两点之间Z方向的偏移高度：

其中，d是同一层中起始点与末端点之间的竖直高度；X是每层切片的点数；z是各点之间Z方向的偏移高度；

步骤4-3、寻找下一层的起始点，要求该点与上一层末端点的距离最近，将上一层末端点与该层起始点连接起来；

步骤4-4、依次重复步骤4-1至步骤4-3，直至连接整个工件的所有路径点，生成连续的螺旋上升路径。

在进一步的实施例中，步骤4-1进一步包括：

步骤4-1a、将模型沿Z轴方向分成若干三角面片，得到三维模型在Z轴方向上的最大值和最小值，考虑预留加工余量，计算出总层数：

式中，Z _max表示三维模型在Z轴方向上的最大值，Z _min表示三维模型在Z轴方向上的最小值，Δz表示分层高度，k为调节系数，Δz+k为在预设的分层高度的基础之上加上调节系数以保证加工余量；

步骤4-1b、将n层中每一层的每一块三角面片存储在动态数组中，查询每一块三角面片的

值，若

则将当前的三角面片存储在动态数组的第j个分组中；若

则将当前的三角面片存储在动态数组的第j-1个分组中；若

则将当前的三角面片存储在动态数组的第j+1个分组中；

其中，h _j表示第j个分组的高度，h _j+1表示第j+1个分组高度，该高度由三维模型在Z轴方向上的最小值和最大值取中间值之后加上分层高度与分组数的乘积得出：

h _j＝(Z _min+Z _max)/2+Δz×j

式中，Z _min表示三维模型在Z轴方向上的最小值，Z _max表示三维模型在Z轴方向上的最大值，Δz表示分层高度，j表示分组数；

步骤4-4进一步包括对连续螺旋上升路径的轨迹优化：

步骤4-4a、设定螺旋上升路径的线速度v _c：

v _c＝ω(L-v ₀t)

式中，ω表示焊枪旋转的角速度，L表示插补起点距原点的距离，v ₀表示径向速度，L-v ₀t得出的是工件的实时半径，t表示焊接时间；

其中，焊枪旋转的角速度ω满足如下关系式：

式中，D表示热源配合平台完成一条焊缝成形的过程中焊枪所径向移动的焊道间距，

表示对焊枪的径向速度取均值；

步骤4-4b、计算焊枪的熔敷速度v _r：

式中，v _c表示螺旋上升路径的线速度，v ₀表示径向速度；

步骤4-4c、计算焊道间距，焊枪径向移动一个焊道间距，热源配合平台完成一条焊缝成形，其中焊道间距D的表达式如下：

式中，n表示焊枪数量，v ₀表示径向速度，t表示焊接时间，ω表示焊枪旋转的角速度，d表示补偿高度；

其中补偿高度d由插补精度决定，满足如下关系式：

式中，

表示对焊枪的径向速度取均值，t′表示在插补区间内的运动时间；

步骤4-4d、计算出修正后的熔敷速度v _r修：

式中，n表示焊枪数量，v ₀表示径向速度，ω表示焊枪旋转的角速度，d表示补偿高度，

表示对焊枪的径向速度取均值，D表示热源配合平台完成一条焊缝成形的过程中焊枪所径向移动的焊道间距。

有益效果：本发明涉及一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法，该方法集成逆向重构、电弧焊接、激光清洗三个工序，且三个工序对应于3D相机、焊枪头、激光清洗头，机器人工具快换装置能够使得焊枪、激光清洗头、3D相机配合增材制造过程实现自动切换，并通过锁紧结构保护焊枪、激光清洗头、3D相机不在错误的时间取出，确保工序可靠性。通过将枕梁定位并固定在固定座上，由移栽轨道根据预设的经给节奏控制枕梁前进，当完成一次完整的逆向重构、电弧焊接、激光清洗三个工序后再将已加工枕梁送出电弧增材工作站，并将下一个待加工枕梁送入电弧增材工作站，优化执行效率。

附图说明

图1为本发明中工作站的立体图其中一个视角。

图2为本发明中工作站的立体图另一视角。

图3为本发明中工作站的俯视图。

图4为本发明中电弧增材工作站的立体图。

图5为本发明中工业机器人及机器人工具快换装置的立体图。

图6为本发明中机器人工具快换装置的局部放大图。

图7为本发明中加工工件枕梁的结构示意图。

图8为本发明的工作流程图。

图9为本发明中逆向重构出的模型点云图。

图中各附图标记为：移栽工作站1、枕梁101、下压板102、卷帘门2、安全防护房3、焊接4、机器人工具快换装置5、支撑架501、快换板502、固定座503、旋转气缸504、转动部505、总控柜6、机器人控制柜7、工业机器人8、快换锁头801、焊枪头9、激光清洗头10、3D相机11。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

本发明涉及一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法，此方法基于移载式双机器人电弧3D打印工作站，该工作站包括移栽工作站1和电弧增材工作站，电弧增材工作站集成逆向重构、电弧焊接4、激光清洗三个工序。

具体的，移栽工作站1包括一条可双向进给的移栽轨道，所述移栽轨道上设有枕梁101固定座503，枕梁101的首尾以预定间隔定位夹紧在所述固定座503上。每一块枕梁101都由多个下压板102压合，所述下压板102压合在所述枕梁101的首、尾、以及避开枕梁101工艺孔的中部多段。移栽轨道根据预设的经给节奏控制枕梁101前进，当完成一次完整的逆向重构、电弧焊接4、激光清洗三个工序后再将已加工枕梁101送出电弧增材工作站，并将下一个待加工枕梁101送入电弧增材工作站。

电弧增材工作站包括围定指定工作区域的安全防护房3，所述安全防护房3位于移栽轨道的两侧开设有卷帘门2，所述移栽轨道穿过所述卷帘门2，所述安全防护房3内位靠近所述卷帘门2的位置分别设有机器人工具快换装置5，所述机器人工具快换装置5位于所述移栽轨道的一侧，所述机器人工具快换装置5之间设有多个工业机器人8。

机器人工具快换装置5包括支撑架501，固定在所述支撑架501上部一侧的快换板502，以及分别设置在所述快换板502上的固定座503；所述固定座503的两侧分别固定有旋转气缸504，所述旋转气缸504的输出端固定有延伸出来的转动部505，所述转动部505的末端固定有直接与对应的快换工具接触的接触部。机器人工具快换装置5能够使得焊枪、激光清洗头10、3D相机11配合增材制造过程，实现自动切换。所述固定座503为三个，焊枪头9、激光清洗头10、3D相机11分别设置在固定座503上，所述焊枪头9、激光清洗头10、3D相机11的一侧固定有一段与所述固定座503适配的活动座，在未进行换取时，所述焊枪头9、激光清洗头10、3D相机11由所述活动座卡设在所述固定座503上、且由所述旋转气缸504的转动部505横向压紧；所述活动座上固定有快换锁头801，所述工业机器人8的机械臂末端同样固定有快换锁头801。通过上述锁紧结构能够保护焊枪、激光清洗头10、3D相机11不在错误的时间取出，确保工序可靠性。

当工作区域内正在加工时，卷帘门2是关闭状态，加工完成后开启卷帘门2，通过移栽轨道将枕梁101送出。所述电弧增材工作站的一侧安置有与工业机器人8连接的焊机、激光清洗电源、总控柜6、机器人控制柜7。

本发明具体的工作过程如下：首先人工吊装枕梁101到移栽工作站1，将枕梁101定位夹紧在固定座503上，并通过多个下压板102压合住枕梁101。

枕梁101装夹完毕后，移栽工作站1启动，移栽轨道将定位固定好的枕梁101传输至工作区域；

接着设定好当前的工件坐标，工业机器人8首先驱动至机器人工具快换装置5处，到位后再精确驱动至3D相机11处，当工业机器人8的机械臂位于3D相机11正上方时，继续缓慢下降直至两个快换锁头801接合，接合完毕后旋转气缸504带动转动部505转动脱离活动部，工业机器人8继续启动，使得3D相机11脱离其固定部，并继续驱动至枕梁101上方。

随后3D相机11启动视觉扫描零件，分析轮廓数据并对缺陷进行补偿修正，接着逆向重构模型，接着由计算机进行切片参数设置并生成机器人轨迹路径，同时设定好打印焊接4工艺参数。

接着，工业机器人8驱动3D相机11返回机器人工具快换装置5处，将3D相机11放置回固定部上，并切换为焊枪头9，继续返回枕梁101上方。

当返回枕梁101上方后启动激光焊接4，焊接4完成后将焊枪头9放置回固定部上，并切换为激光清洗头10，继续返回枕梁101上方进行层间激光清洗。

焊接4完成后的工件人工吊装工件出工作站进行热处理，同时完成其余工业的加工。

其中，激光焊接以焊机作为热源、金属丝材作为成形材料，规划出连续螺旋上升切片路径进行熔覆打印，过程如下：

1)选择成形特定金属结构件所需要的焊丝和基板，确定成形特定金属结构件所需要的工艺参数，包括焊接程序、送丝速度、打印速度、切片层高、保护气种类与流量，各参数之间关系如下：

焊接速度与送丝速度成正比，可以用关系式(1)表示

V×F＝v×f………………………………(1)

V：焊接速度；

F：焊缝截面积

v：送丝速度

f：焊丝截面积

将工件焊缝截面等效为长方形，那么

F＝ld....................................(2)

其中，l：等效长方形焊缝宽度；

d：焊缝高度(即层高)

由式(1)与(2)得到式送丝速度与层高之间的关系，如式(3)所示：

通过送丝速度，可在控制面板上读出电流和电压值，进而计算该送丝速度下每消耗1mm焊丝的热输入量：

其中，U：电弧电压；

I：焊接电流；

V：焊接速度；

K：相对热传导率；

电弧增材制造过程，热输入量的控制极其重要，热量太低会导致焊缝不成形，工件存在未熔合，热量过高会导致工件塌陷，因此，结合各种丝材性能与打印过程层间温度的关系，可以推断适合该丝材的热量输入，进而确定工艺参数，如送丝速度、焊接速度与层高等。

2)将打磨平整的基板用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；

3)连续螺旋上升切片路径的生成，具体如下：

首先对待打印工件的STL模型进行切片处理，现有的STL模型切片算法有很多，我们采用基于三角面片几何特征的STL切片算法来处理STL模型，将模型沿Z轴方向分成若干平面；

其次，寻找相邻层，利用相对位置高的层减去相对位置低的层，得到层高；

然后在首层切片上随机取一点作为起始点(即焊接起弧点)，然后利用下式，求出相邻两点之间Z方向的偏移高度：

其中，d是同一层中起始点与末端点之间的竖直高度；

X是每层切片的点数；

z是各点之间Z方向的偏移高度。

更为具体的，切片过程如下：

将模型沿Z轴方向分成若干三角面片，得到三维模型在Z轴方向上的最大值和最小值，考虑预留加工余量，计算出总层数：

接着将n层中每一层的每一块三角面片存储在动态数组中，查询每一块三角面片的

值，若

则将当前的三角面片存储在动态数组的第j个分组中；若

则将当前的三角面片存储在动态数组的第j-1个分组中；若

则将当前的三角面片存储在动态数组的第j+1个分组中；

h _j＝(Z _min+Z _max)/2+Δz×j

式中，Z _min表示三维模型在Z轴方向上的最小值，Z _max表示三维模型在Z轴方向上的最大值，Δz表示分层高度，j表示分组数。

然后寻找下一层的起始点，要求该点与上一层末端点的距离最近，将上一层末端点与该层起始点连接起来，即实现了两层之间轨迹的连续，打印过程不会熄弧。

依次利用该方法连接整个工件的所有路径点，生成连续的螺旋上升路径，实现工件的连续电弧增材制造。

4)焊枪在机器人驱动下按生成的连续螺旋路径运动，同时根据步骤1)的方法确定工艺参数，在基板上开始打印单道焊缝，焊枪根据连续螺旋路径在打印过程中距离基板的高度逐渐升高。连续的螺旋路径与1)中根据热输入量计算的工艺参数相结合，可以保证打印过程焊丝干伸长不变，整个打印过程不会熄弧，最终成形结构性能良好的金属结构件。

作为一个优选方案，中控机还对连续螺旋上升路径的轨迹进行优化：

首先设定螺旋上升路径的线速度v _c：

v _c＝ω(L-v ₀t)

其中，焊枪旋转的角速度ω满足如下关系式：

表示对焊枪的径向速度取均值；

接着计算焊枪的熔敷速度v _r：

式中，v _c表示螺旋上升路径的线速度，v ₀表示径向速度；

接着计算焊道间距，焊枪径向移动一个焊道间距，热源配合平台完成一条焊缝成形，其中焊道间距D的表达式如下：

其中补偿高度d由插补精度决定，满足如下关系式：

式中，

随后计算出修正后的熔敷速度v _r修：

在焊接工作的时候，需要提前计算好避让面，防止焊枪的焊枪喷嘴和焊枪根部碰撞到工件侧壁。原焊枪喷嘴最小直径为22mm，由于工件底部空间狭小，将焊枪喷嘴进行特制，由原来直径22mm改为现在的13mm；此措施避免了根部焊枪不可达的问题，由于此工件是多层多道焊接，焊接到上面几层的时候会碰撞和出现偏弧现象，所以需要焊枪随时监测自身轨迹所到之处的焊枪碰撞半径。

焊枪轨迹避让是通过增加八个避让面进行避让的，以外围轮廓进行划分，虚拟面通过软件进行控制，其原理为检测焊枪碰撞半径，参照为枪头中心线，虚拟面创建完成，在不同位置可设置避让角度进行避让，根据靠工件外部边缘的远近来自动规避角度，焊枪变换角度为5-15°。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims

一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法，其特征是：

基于以下设备，包括：移栽工作站，以及设置在所述移栽工作站中间段一侧的电弧增材工作站；所述移栽工作站包括一条可双向进给的移栽轨道，所述移栽轨道上设有枕梁固定座，枕梁的首尾以预定间隔定位夹紧在所述固定座上；

包括如下工序：

步骤1、人工吊装枕梁到移栽工作站，将枕梁定位夹紧在固定座上，并通过多个下压板压合住枕梁；

步骤2、枕梁装夹完毕后，移栽工作站启动，移栽轨道将定位固定好的枕梁传输至工作区域；

步骤3、设定好当前的工件坐标，工业机器人首先驱动至机器人工具快换装置处，到位后再精确驱动至3D相机处，当工业机器人的机械臂位于3D相机正上方时，继续缓慢下降直至两个快换锁头接合，接合完毕后旋转气缸带动转动部转动脱离活动部，工业机器人继续启动，使得3D相机脱离其固定部，并继续驱动至枕梁上方；

步骤4、3D相机启动视觉扫描零件，分析轮廓数据并对缺陷进行补偿修正，接着逆向重构模型，接着由计算机进行切片参数设置并生成机器人轨迹路径，同时设定好打印焊接工艺参数；

步骤5、工业机器人驱动3D相机返回机器人工具快换装置处，重复步骤3的内容将3D相机放置回固定部上，并切换为焊枪头，继续返回枕梁上方；

步骤6、启动激光焊接，焊接完成后重复步骤3的内容将焊枪头放置回固定部上，并切换为激光清洗头，继续返回枕梁上方进行层间激光清洗；

步骤7、焊接完成后的工件人工吊装工件出工作站进行热处理，同时重复步骤1至步骤6完成其余工业的加工。
根据权利要求1所述的一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法，其特征在于：所述电弧增材工作站集成逆向重构、电弧焊接、激光清洗三个工序；每一块枕梁都由多个下压板压合，所述下压板压合在所述枕梁的首、尾、以及避开枕梁工艺孔的中部多段。
根据权利要求1所述的一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法，其特征在于：所述电弧增材工作站包括围定指定工作区域的安全防护房，所述安全防护房位于移栽轨道的两侧开设有卷帘门，所述移栽轨道穿过所述卷帘门，所述安全防护房内位靠近所述卷帘门的位置分别设有机器人工具快换装置，所述机器人工具快换装置位于所述移栽轨道的一侧，所述机器人工具快换装置之间设有多个工业机器人。
根据权利要求3所述的一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法，其特征在于：所述机器人工具快换装置包括支撑架，固定在所述支撑架上部一侧的快换板，以及分别设置在所述快换板上的固定座；所述固定座的两侧分别固定有旋转气缸，所述旋转气缸的输出端固定有延伸出来的转动部，所述转动部的末端固定有直接与对应的快换工具接触的接触部。
根据权利要求4所述的一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法，其特征在于：所述固定座为三个，焊枪头、激光清洗头、3D相机分别设置在固定座上，所述焊枪头、激光清洗头、3D相机的一侧固定有一段与所述固定座适配的活动座，在未进行换取时，所述焊枪头、激光清洗头、3D相机由所述活动座卡设在所述固定座上、且由所述旋转气缸的转动部横向压紧；所述活动座上固定有快换锁头，所述工业机器人的机械臂末端同样固定有快换锁头。
根据权利要求1所述的一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法，其特征在于：步骤6中激光焊接以焊机作为热源、金属丝材作为成形材料，规划出连续螺旋上升切片路径进行熔覆打印，过程如下：

步骤6-1、确定成形特定金属结构件所需要的工艺参数，包括焊接程序、送丝速度、打印速度、切片层高、保护气种类与流量，各参数之间关系如下：

V×F＝v×f

式中，V表示焊接速度，F表示焊缝截面积，v表示送丝速度，f表示焊丝截面积；

步骤6-2、将工件焊缝截面等效为长方形，此时满足如下关系式：

F＝ld

式中，l表示等效长方形焊缝宽度，d表示焊缝高度即层高；

步骤6-3、根据步骤6-2和步骤6-3的两式得到式送丝速度与层高之间的关系式：

式中，V表示焊接速度，l表示等效长方形焊缝宽度，d表示焊缝高度即层高，f表示焊丝截面积；

步骤6-4、通过送丝速度读出电流和电压值，进而计算该送丝速度下每消耗1mm焊丝的热输入量：

式中，U表示电弧电压、I表示焊接电流，V表示焊接速度，k表示相对热传导率。
根据权利要求1所述的一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法，其特征在于：步骤4中由计算机进行切片参数设置并生成连续螺旋上升切片路径，过程如下：

步骤4-1、对打印工件的模型进行切片处理，将模型沿Z轴方向分成若干平面；

步骤4-2、寻找相邻层，利用相对位置高的层减去相对位置低的层，得到层高；然后在首层切片上随机取一点作为起始点(即焊接起弧点)，然后利用下式，求出相邻两点之间Z方向的偏移高度：

其中，d是同一层中起始点与末端点之间的竖直高度；X是每层切片的点数；z是各点之间Z方向的偏移高度；

步骤4-3、寻找下一层的起始点，要求该点与上一层末端点的距离最近，将上一层末端点与该层起始点连接起来；

步骤4-4、依次重复步骤4-1至步骤4-3，直至连接整个工件的所有路径点，生成连续的螺旋上升路径。
根据权利要求7所述的一种高铁枕梁工艺孔自动焊接方法，其特征在于：步骤4-1进一步包括：

步骤4-1a、将模型沿Z轴方向分成若干三角面片，得到三维模型在Z轴方向上的最大值和最小值，考虑预留加工余量，计算出总层数：

式中，Z _max表示三维模型在Z轴方向上的最大值，Z _min表示三维模型在Z轴方向上的最小值，Δz表示分层高度，k为调节系数，Δz+k为在预设的分层高度的基础之上加上调节系数以保证加工余量；

步骤4-1b、将n层中每一层的每一块三角面片存储在动态数组中，查询每一块三角面片的
值，若
则将当前的三角面片存储在动态数组的第j个分组中；若
则将当前的三角面片存储在动态数组的第j-1个分组中；若
则将当前的三角面片存储在动态数组的第j+1个分组中；

其中，h _j表示第j个分组的高度，h _j+1表示第j+1个分组高度，该高度由三维模型在Z轴方向上的最小值和最大值取中间值之后加上分层高度与分组数的乘积得出：

h _j＝(Z _min+Z _max)/2+Δz×j

式中，Z _min表示三维模型在Z轴方向上的最小值，Z _max表示三维模型在Z轴方向上的最大值，Δz表示分层高度，j表示分组数；

步骤4-4进一步包括对连续螺旋上升路径的轨迹优化：

步骤4-4a、设定螺旋上升路径的线速度v _c：

v _c＝ω(L-v ₀t)

式中，ω表示焊枪旋转的角速度，L表示插补起点距原点的距离，v ₀表示径向速度，L-v ₀t得出的是工件的实时半径，t表示焊接时间；

其中，焊枪旋转的角速度ω满足如下关系式：

式中，D表示热源配合平台完成一条焊缝成形的过程中焊枪所径向移动的焊道间距，
表示对焊枪的径向速度取均值；

步骤4-4b、计算焊枪的熔敷速度v _r：

式中，v _c表示螺旋上升路径的线速度，v ₀表示径向速度；

步骤4-4c、计算焊道间距，焊枪径向移动一个焊道间距，热源配合平台完成一条焊缝成形，其中焊道间距D的表达式如下：

式中，n表示焊枪数量，v ₀表示径向速度，t表示焊接时间，ω表示焊枪旋转的角速度，d表示补偿高度；

其中补偿高度d由插补精度决定，满足如下关系式：

式中，
表示对焊枪的径向速度取均值，t′表示在插补区间内的运动时间；

步骤4-4d、计算出修正后的熔敷速度v _r修：

式中，n表示焊枪数量，v ₀表示径向速度，ω表示焊枪旋转的角速度，d表示补偿高度，
表示对焊枪的径向速度取均值，D表示热源配合平台完成一条焊缝成形的过程中焊枪所径向移动的焊道间距。