相貫線焊接機器人多層多道焊軌跡規劃算法研究

劉 亮，楊睿熙，涂 煊，尚麗輝

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

相貫線焊接機器人多層多道焊軌跡規劃算法研究

劉 亮1，楊睿熙2，涂 煊2，尚麗輝1

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

為了提高相貫線焊接機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劃策略。設計出一種焊縫填充方法，即首先確定每層焊縫的高度，根據每條焊道的焊接參數調整焊道寬度；通過對相貫線插補算法的研究，設計出多道焊軌跡規劃的算法，即通過改變每條焊道在相貫線插補算法中的半徑參數R和r，即可計算出不同焊道相貫線軌跡點坐標。通過MATLAB仿真結果顯示，該方法能夠滿足多層多道焊軌跡規劃的要求，為相貫線焊接機器人的運動控制提供了理論基礎。

相貫線焊縫；多層多道焊；軌跡規劃

0 引言

管管相貫的相貫線軌跡的機器人自動化焊接是鍋爐、壓力容器及相關行業的難題[1]。對于大型結構件，采用大電流埋弧焊能夠加快焊接速度，提升焊接效率[2]，但由于大結構的焊縫坡口較大，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行規劃，但如果對每道焊縫都采用示教的方法，則焊接效率很低，很難發揮機器人焊接的優勢。本文通過對多層多道焊縫的填充策略和軌跡進行規劃，實現一次示教就可以規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劃方法保證同一層焊道的高度固定，根據每道焊縫的截面積調整焊道寬度，這樣既保證了焊縫質量的一致性，也給機器人運動軌跡規劃和運動控制帶來方便，有利于自動化焊接過程，下面具體介紹焊道規劃方法：

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

然后根據每層的層高hi，計算該層總的焊接截面積si，再根據該層已焊接的面積Sy，計算該層的剩余焊道數N剩。對于相貫線坡口焊接，分為坡口內焊接與坡口外焊接，主要區別在于坡口內焊接時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，調整焊道寬度Wj。設已焊接高度為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 已焊接區域位于坡口內示意圖

2）當H>M時，即當前焊道位于坡口外，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 已焊接區域位于坡口外示意圖

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

設Wy表示該層已焊接的寬度，該層已焊接的面積Sy由式(8)計算：

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

式中符號<>代表對計算結果進行四舍五入取整。

1）當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劃；若Sy=0說明整個焊道焊接完畢，焊接結束。

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

（1）若H

最后一道的寬度Wj計算如下：

（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，因此不用進行高度微調。此時繞過3）的判斷條件，直接執行3）；

3）當N剩≥2，將焊道切換點的焊接參數代入式(1)，求出下一道焊道的截面積Sw，并帶入式(7)繼續規劃剩余焊道。

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

2 焊道切換與過渡

為了提高焊接效率和焊接質量，本文設計的焊道切換算法能夠在整個相貫線焊接的過程中保持帶弧焊道切換。根據焊接的要求，每道焊道的撤弧點都要與啟弧點有一定的搭接[3]，并且每一層上每一道焊道的搭接區域不能與相鄰層和相鄰道焊道的搭接區域重合，因此每焊完一條焊道后，還需要在原焊道上繼續焊接角度為的搭接區域。此時進行帶弧焊道切換，切換至下一條焊道，這種焊道切換點的規劃剛好能夠使相鄰的焊道的搭接區域錯開。為使焊道切換平滑，在搭接區域后，進入角度范圍為的過度區域，如圖3所示，過度區域內R'，r'從當前焊道的Ri-1，rij-1逐步過度到下一焊道的Ri-，rij。過度區R'，r'的計算公式為：

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劃

相貫線是由兩回轉體表面相交而成，它是一種復雜的空間曲線。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、支管坐標系xmymzm、xbybzb。兩坐標系的z軸均沿各自管道的軸線。ym，yb軸共線。om和ob分別為兩個坐標系的原點，ob在xmymzm坐標系中的坐標為（0,e,0）。

兩交管的圓柱方程：

支管圓柱參數方程：

圖4 工件坐標系

支管坐標系{ob}相對主管坐標系{om}的變換矩陣：

由變換矩陣(19)得{om}、{ob}兩個坐標系的位置關系：

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

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，相貫線多層多道焊軌跡MATLAB仿真結果如圖5所示。

圖5 多層多道焊道軌跡規劃仿真結果

5 結論

本文采用同一層焊道高度相等，根據各焊道焊接參數調整焊道寬度的方法，規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。該算法僅用進行一次示教，即可推導出剩余焊道的全部相貫線軌跡。仿真結果顯示，該方法能夠滿足實際工程需要，為相貫線焊接機器人的多層多道焊接運動控制提供理論基礎。

[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器人焊接系統[J].電焊機,2014, 44(11):25-28.

[2] 張田利,唐德渝,馮標,等.大型儲罐雙絲埋弧橫焊設備的研制[J].電焊機,2011,41(10):9-14.

[3] 董春,樊濱溫.機器人多層多道焊圓弧軌跡的一種算法[J].哈爾濱工業大學學報,2000,32(3):111-114.

[4] 管新勇.相貫線焊接機器人機構設計與運動控制[D].北京工業大學,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，主要研究方向為相貫線焊接機器人多層多道焊軌跡規劃算法與應用。