劉 亮，楊睿熙，涂 煊，尚麗輝

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.上海工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表研究院，上海 200233）

相貫線焊接機(jī)器人多層多道焊軌跡規(guī)劃算法研究

劉 亮1，楊睿熙2，涂 煊2，尚麗輝1

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.上海工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表研究院，上海 200233）

為了提高相貫線焊接機(jī)器人埋弧多層多道焊的焊接效率，提出了一套多層多道焊軌跡規(guī)劃策略。設(shè)計(jì)出一種焊縫填充方法，即首先確定每層焊縫的高度，根據(jù)每條焊道的焊接參數(shù)調(diào)整焊道寬度；通過對相貫線插補(bǔ)算法的研究，設(shè)計(jì)出多道焊軌跡規(guī)劃的算法，即通過改變每條焊道在相貫線插補(bǔ)算法中的半徑參數(shù)R和r，即可計(jì)算出不同焊道相貫線軌跡點(diǎn)坐標(biāo)。通過MATLAB仿真結(jié)果顯示，該方法能夠滿足多層多道焊軌跡規(guī)劃的要求，為相貫線焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提供了理論基礎(chǔ)。

相貫線焊縫；多層多道焊；軌跡規(guī)劃

0 引言

管管相貫的相貫線軌跡的機(jī)器人自動(dòng)化焊接是鍋爐、壓力容器及相關(guān)行業(yè)的難題[1]。對于大型結(jié)構(gòu)件，采用大電流埋弧焊能夠加快焊接速度，提升焊接效率[2]，但由于大結(jié)構(gòu)的焊縫坡口較大，即使采用埋弧焊仍需采用多層多道焊接。因此，需要對每道焊縫的軌跡進(jìn)行規(guī)劃，但如果對每道焊縫都采用示教的方法，則焊接效率很低，很難發(fā)揮機(jī)器人焊接的優(yōu)勢。本文通過對多層多道焊縫的填充策略和軌跡進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)一次示教就可以規(guī)劃出焊縫所有的焊道軌跡。

1 多層多道焊焊道填充策略

一般在焊接的過程中，同一焊道的截面積幾乎是不變的，根據(jù)焊接工藝要求打底焊的焊道截面積要大于上層焊道截面積，所以不同焊道間的截面積是不相等的。本文所采用的焊道的規(guī)劃方法保證同一層焊道的高度固定，根據(jù)每道焊縫的截面積調(diào)整焊道寬度，這樣既保證了焊縫質(zhì)量的一致性，也給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制帶來方便，有利于自動(dòng)化焊接過程，下面具體介紹焊道規(guī)劃方法：

首先通過每層第一道焊道的截面積Sw及寬高比C計(jì)算出該層焊道的高度hi，設(shè)焊接速度為v焊，送絲速度為v送，焊絲直徑為d，假設(shè)焊絲熔敷系數(shù)為1，則：

然后根據(jù)每層的層高h(yuǎn)i，計(jì)算該層總的焊接截面積si，再根據(jù)該層已焊接的面積Sy，計(jì)算該層的剩余焊道數(shù)N剩。對于相貫線坡口焊接，分為坡口內(nèi)焊接與坡口外焊接，主要區(qū)別在于坡口內(nèi)焊接時(shí)每層的最后一道焊道（最外道）的寬度由于坡口壁的存在而被限制，為了使每層最外道焊道的填充量合適，只能調(diào)整該層最后一道焊道的高度hi。對于坡口外的情況，由于沒有外側(cè)坡口壁的存在，每層最后一道的寬度是不固定的，因此可以保持高度hi不變，調(diào)整焊道寬度Wj。設(shè)已焊接高度為H，第i層焊道的底部寬度為wi-1，主管壁厚為M。

1）當(dāng)H

第i層焊道的頂部寬度為：

第i層焊道總截面積為：

圖1 已焊接區(qū)域位于坡口內(nèi)示意圖

2）當(dāng)H>M時(shí)，即當(dāng)前焊道位于坡口外，如圖2所示，則：

第i層焊道頂部寬度：

第i層焊道總截面積為：

圖2 已焊接區(qū)域位于坡口外示意圖

將每層第j道焊道的焊接參數(shù)代入式(1)求出Sw，那么根據(jù)層高可以計(jì)算出該層中第j道焊道的寬度Wj：

設(shè)Wy表示該層已焊接的寬度，該層已焊接的面積Sy由式(8)計(jì)算：

由該層剩余焊道截面積Si和下一焊道的填充面積Sw，計(jì)算該層未焊接的道數(shù)N剩：

式中符號<>代表對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行四舍五入取整。

1）當(dāng)N剩=0，若Sy≠0說明該層已焊接完畢，將hi加到已焊接高度H上，回到式(1)開始下一層焊道的規(guī)劃；若Sy=0說明整個(gè)焊道焊接完畢，焊接結(jié)束。

2）當(dāng)N剩=1，說明當(dāng)前焊層還剩最后一道焊道，根據(jù)焊道所在坡口的位置確定是否調(diào)整當(dāng)前層最后一道焊道的高度。

（1）若H

最后一道的寬度Wj計(jì)算如下：

（2）若H≥M，則焊道位于坡口外，由于位于坡口外的每層最后一道焊道的寬度是不固定的，因此不用進(jìn)行高度微調(diào)。此時(shí)繞過3）的判斷條件，直接執(zhí)行3）；

3）當(dāng)N剩≥2，將焊道切換點(diǎn)的焊接參數(shù)代入式(1)，求出下一道焊道的截面積Sw，并帶入式(7)繼續(xù)規(guī)劃剩余焊道。

根據(jù)上文焊道填充策略計(jì)算得到的hi，Wj等參數(shù)，可以計(jì)算第i層第j道焊道的相貫線參數(shù)rij，Ri：

2 焊道切換與過渡

為了提高焊接效率和焊接質(zhì)量，本文設(shè)計(jì)的焊道切換算法能夠在整個(gè)相貫線焊接的過程中保持帶弧焊道切換。根據(jù)焊接的要求，每道焊道的撤弧點(diǎn)都要與啟弧點(diǎn)有一定的搭接[3]，并且每一層上每一道焊道的搭接區(qū)域不能與相鄰層和相鄰道焊道的搭接區(qū)域重合，因此每焊完一條焊道后，還需要在原焊道上繼續(xù)焊接角度為的搭接區(qū)域。此時(shí)進(jìn)行帶弧焊道切換，切換至下一條焊道，這種焊道切換點(diǎn)的規(guī)劃剛好能夠使相鄰的焊道的搭接區(qū)域錯(cuò)開。為使焊道切換平滑，在搭接區(qū)域后，進(jìn)入角度范圍為的過度區(qū)域，如圖3所示，過度區(qū)域內(nèi)R'，r'從當(dāng)前焊道的Ri-1，rij-1逐步過度到下一焊道的Ri-，rij。過度區(qū)R'，r'的計(jì)算公式為：

圖3 焊道切換與過渡示意圖

3 第i層第j道焊道相貫線軌跡規(guī)劃

相貫線是由兩回轉(zhuǎn)體表面相交而成，它是一種復(fù)雜的空間曲線。常見的情況是兩圓柱管相交，分別為正交、斜交、偏置、偏置斜交[4]。為不失一般性，本文考慮偏置斜交這一情。如圖1所示，主管外半徑是R，支管外半徑為r，主管厚度為M，e為偏置距離，α是兩管中心軸線的夾角。建立主、支管坐標(biāo)系xmymzm、xbybzb。兩坐標(biāo)系的z軸均沿各自管道的軸線。ym，yb軸共線。om和ob分別為兩個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，ob在xmymzm坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（0,e,0）。

兩交管的圓柱方程：

支管圓柱參數(shù)方程：

圖4 工件坐標(biāo)系

支管坐標(biāo)系{ob}相對主管坐標(biāo)系{om}的變換矩陣：

由變換矩陣(19)得{om}、{ob}兩個(gè)坐標(biāo)系的位置關(guān)系：

將式(20)代入式(17)，并將式(18)代入，分別得到在{om}、{ob}坐標(biāo)系下的相貫線方程：

其中：

Ri為第i層焊道主管焊接半徑；

rij為第i層第j道焊道支管焊接半徑。

4 多層多道焊接軌跡仿真

假設(shè)相貫線焊縫是由厚度M=50mm的主管筒體與支管筒體相貫而成，其中主管內(nèi)半徑R=800mm，支管外徑r=200mm。焊接速度V焊=10mm/s，送絲速度V送=50mm/s，焊絲直徑d=3mm，襯底寬度W0=14mm，坡

【】【】口角度β=13°時(shí)，相貫線多層多道焊軌跡MATLAB仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 多層多道焊道軌跡規(guī)劃仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文采用同一層焊道高度相等，根據(jù)各焊道焊接參數(shù)調(diào)整焊道寬度的方法，規(guī)劃出多層多道的相貫線焊接軌跡，并滿足首尾相搭接的工藝要求。該算法僅用進(jìn)行一次示教，即可推導(dǎo)出剩余焊道的全部相貫線軌跡。仿真結(jié)果顯示，該方法能夠滿足實(shí)際工程需要，為相貫線焊接機(jī)器人的多層多道焊接運(yùn)動(dòng)控制提供理論基礎(chǔ)。

[1] 曾孔庚,姚鵬程,崔江濤,等.空間中厚板相貫線軌跡多層多道機(jī)器人焊接系統(tǒng)[J].電焊機(jī),2014, 44(11):25-28.

[2] 張?zhí)锢?唐德渝,馮標(biāo),等.大型儲罐雙絲埋弧橫焊設(shè)備的研制[J].電焊機(jī),2011,41(10):9-14.

[3] 董春,樊濱溫.機(jī)器人多層多道焊圓弧軌跡的一種算法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,32(3):111-114.

[4] 管新勇.相貫線焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制[D].北京工業(yè)大學(xué),2010.

Research on multi-layer multi-channel welding trajectory planning algorithm for intersection line welding robot

LIU Liang1, YANG Rui-xi2, TU Xuan2, SHANG Li-hui1

TP242

：A

1009-0134(2017)07-0096-03

2017-05-05

劉亮（1990 -），男，河南人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄嘭灳€焊接機(jī)器人多層多道焊軌跡規(guī)劃算法與應(yīng)用。