變坡口寬度的中厚板多層多道焊接軌跡規劃方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種焊接方法，特別涉及一種用于中厚板焊接的變坡口寬度的多層多道焊接軌跡規劃方法。
【背景技術】
[0002]根據焊接工件厚度的不同，可以將焊接件分為薄板、中板和厚板。通常情況下，薄板是指厚度5 4.5mm的焊接件，中板是指厚度介于4.5~20mm的焊接件，厚板是厚度大于20mm的工件。中板、厚板習慣上統稱為中厚板。
[0003]因為中厚板工件厚度相對較厚，所以焊接時一般采用多層多道的焊接方法。如圖1所示的中厚板V型坡口采用了 4層10道的焊接方式。坡口寬度不均勻變化的情況(下面簡稱為“變坡口 ”)在中厚板焊接時常常出現。這主要是由兩種情況引起的:一是坡口加工誤差引起；由于有些焊接件在加工坡口時，采用乙炔焰等方式手工切割，容易引起變坡口的出現。二是在中厚板多層多道焊接過程中，由于焊接熱變形的存在，使得在焊接一兩層之后，經常出現坡口位置偏移或坡口形狀扭曲變形，從而引起焊偏、未焊透或燒穿問題的出現，進而對焊接質量帶來不利的影響。
[0004]為此，需要提出一種變坡口寬度的中厚板多層多道焊接軌跡規劃方法，用來針對中厚板變坡口工件，實現方法簡單，通用性好，實用性強的多層多道焊接軌跡規劃。
[0005]授權公告號為CN102357709B的一項名為“圓管件的圓周焊縫的多層多道自動焊接方法”的中國國家發明專利，該方法在焊接過程中，所述圓管件相對于焊槍旋轉，并且所述焊槍在三維方向上的焊接位置和焊接角度可自動調節，以實現圓周焊縫的自動焊接。采用該發明的焊接方法后，在焊接過程中，所述圓管件相對于焊槍旋轉，而所述焊槍在三維方向上的焊接位置和焊接角度可自動調節，從而能夠比較靈活并精確地調節焊接位置和焊接角度，以自動進行多層多道焊接，形成具有較好機械性能的圓周焊縫。上述專利前案僅適用于圓管件的焊接。
[0006]中國專利公布號CN103934571A公開了一種厚板機器人焊接系統及多層多道焊縫實時跟蹤、規劃方法。該專利申請在焊接時能夠實時獲取包含焊縫坡口特征信息的圖像，并傳遞至控制系統，而控制系統由所述圖像獲取坡口信息，控制機器人不斷糾正焊接系統中焊槍的位置，同時所述控制系統調整焊道軌跡和焊接參數，實現多層多道的實時規劃，能夠提高勞動效率及生產質量。
[0007]上述專利前案都是通過實時在線調節焊槍位置或角度，或者通過實時糾正焊道軌跡的方式實現自動進行多層多道焊接，這種在焊接過程實時調節或規劃的方式，存在響應慢、通用性不強等缺點，有待改進。
【發明內容】
[0008]本發明所要解決的技術問題在于針對變坡口寬度的中厚板工件焊接的需要，提供了一種多層多道的焊接軌跡規劃方法，實現方法簡單，通用性好，實用性強的中厚板焊接的目的。
[0009]為解決上述技術問題，本發明的技術解決方案是:
一種變坡口寬度的中厚板多層多道焊接軌跡規劃方法:利用線激光傳感器，對變坡口寬度的中厚板焊接工件進行坡口掃描測量，按一定的采樣頻率采集變坡口信息；然后，對采集到的坡口進行關鍵信息提取和數據處理，修整變坡口中心曲線，并將離散不規則的變坡口數據點擬合成線性連續的多線段；最后，根據中厚板多層多道焊接參數，并結合變坡口中心曲線、擬合后的多線段坡口數據，完成多層多道的變坡口寬度的中厚板焊接軌跡規劃。
[0010]優選地，所述的變坡口寬度的中厚板多層多道焊接軌跡規劃方法，其特征在于包括如下步驟:
(1)根據設計的焊接工件圖紙，求出變坡口中心曲線軌跡坐標，并以此生成焊接機器人運動軌跡程序；
(2)焊接機器人以上述運動軌跡帶動線激光傳感器運動，進行坡口掃描測量；
(3)根據掃描測量出來的坡口數據，進行處理得到包括坡口寬度在內的變坡口信息，并修正變坡口中心曲線；
(4)將離散不規則的變坡口，擬合成線性連續的多段線坡口；
(5)完成上面步驟之后，根據多層多道焊接參數，并結合變坡口中心曲線、擬合后的多段線坡口數據，進行中厚板焊接軌跡規劃。
[0011]優選地，所述步驟(3)進一步進行如下分析處理:如果坡口測量偏出了線激光傳感器掃描范圍，則根據掃描出來的偏出了線激光傳感器掃描范圍的那部分完整的坡口數據，插值并擬合出新的坡口中心曲線，并以此重新生成焊接機器人運動軌跡，進而重新進行坡口掃描測量，即回到步驟(2)，直到線激光傳感器在整個掃描過程都能測到所有完整的坡口數據；如果線激光傳感器在整個掃描過程都能測到所有完整的坡口數據，則根據測量出來的數據，分析并計算變坡口寬度等信息，最終修正變坡口中心曲線。
[0012]優選地，所述步驟(4)具體擬合方法為:從第三個點即i=3開始，S=I即直線段的起點為第I點；計算i點同s點、s+1點、…、1-1點的斜率!^、!^……、Klil:，并把其中最大的斜率值賦值給maxk，最小值賦值給mink;這時:
Ca)如果maxk-mink>誤差容許值ε，不將i點同前面的點擬合在同一條直線上，令w=i_l，并把s點同w點連線，得到直線Ls,w;然后把1-Ι點賦值給s點，即s=1-l ;接下來判斷i多η是否成立，η為離散不規則點的數目，即是否是最后一個數據點，如果i多η成立，則將η-1點同η點連接，得到直線Ln 如果i彡η不成立，則i=i+l，即判斷下一個點是否可以與前面的點擬合在同一條直線上；
(b)如果maxk-mink彡誤差容許值ε，將i點同前面的點擬合在同一條直線上；之后判斷i多η是否成立，如果不成立，則i=i+l，即判斷下一個點是否可以與前面的點擬合在同一條直線上；如果i彡η成立，則將s點同η點連接，得到直線Ln 1ιη。
[0013]優選地，所述步驟(5)的具體流程為:假設變坡口中厚板擬合成r點，即r-Ι段的多線段；從擬合后的多段線第一點，即i=l開始計算。結合中厚板多層多道焊接參數，并根據步驟(3)修正得到的變坡口中心曲線，得到變坡口中心曲線影響下的第i點對應的焊接軌跡坐標值(Xbi，Ybi);然后根據多線段擬合后的變坡口寬度，得到坡口寬度變化引起的坐標偏移值(Xpi，Ypi)，從而得到第i點的焊接基準路徑坐標(X1, Y1),其中，X1=XbJXpi, Yi=Ybl+Ypi;接著，利用多線段擬合后得到該點坡口寬度數值，推導出第i點所對應的焊接速度或擺幅；然后，判斷i彡r是否成立，如果i彡r不成立，將i+Ι賦值給i，即i=i+l，求出下一個點的焊接基準路徑坐標、焊接速度或擺幅等參數；如果i多r成立，則根據所求得的參數，生成該層該道的焊接路徑軌跡。
[0014]采用上述方案后，與現有的中厚板焊接方法相比，本發明具有以下突出特點:
第一，能實現變坡口截面中厚板工件的自動焊接。目前的機器人中厚板自動焊接通常用于坡口寬度不變或均勻變化(坡口一頭大一頭小，均勻線性變化)的自動焊接。本發明能針對變坡口的中厚板工件，實現多層多道的焊接軌跡規劃。
[0015]第二，將離散不規則的變坡口截面數據線性擬合，更能滿足實際焊接的需要。由于焊接寬度主要取決于焊接速度和擺幅，通常采用調整焊接速度的方式來控制焊接寬度。將離散不規格的變坡口擬合成多個線性連續的坡口截面，可以較好地保證焊接速度變化的連續，從而獲得較好的焊接質量。
[0016]第三，本發明方法簡單，實用性強。由于本發明采用線激光傳感器進行坡口掃描，并結合相應算法，就能完成相應的軌跡規劃，方法較為簡單，便于實施。
[0017]由此可見，利用本發明可以確保變坡口中厚板工件能實現自動焊接，并具有方法簡單，通用性好，實用性強等優點，因此具有很大的研究價值和可行性。
【附圖說明】
[0018]圖1為目前常見的中厚板多層多道焊接示意圖；
圖2為本發明實施例的工作流程圖；
圖3為本發明實施例的變坡口工件示意圖；
圖4為本發明實施例利用線激光傳感器測量變坡口示意圖；
圖5為本發明實施例離散不規則點多線段擬合原理圖；
圖6為本發明實施例離散不規則點多線段擬合流程圖；
圖7為本發明實施例離散不規則點多線段擬合示意圖；
圖8為本發明實施例變坡口多層多道規劃流程圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳述。
[0020]本發明所揭示的是一種變坡口寬度的中厚板多層多道焊接軌跡規劃方法，如圖2至圖8所示，為本發明的較佳實施例，本實施例以等厚(即工件坡口厚度恒定)、平板(即工件為平板型工件)的變坡口焊接工件為例。當然下述方法也適用于其他形式變坡口焊接工件。
[0021]中厚板焊接工件一般采用多層多道的焊接方式，具體的焊接層數和道數根據實際需要來設計。圖1所示的V形坡口工件采用4層10道的焊接工藝，并且在焊接前需對焊接工件進行坡口加工。之后在焊接前先進行焊接軌跡規劃，具體方法為:利用線激光傳感器，對變坡口寬度的中厚板焊接工件進行坡口掃描測量，按一定的采樣頻率采集變坡口信息；然后，對采集到的坡口進行關鍵信息提取和數據處理，修整變坡口中心曲線，并將離散不規則的變坡口數據點擬合成線性連續的多線段；最后，根據中厚板多層多道焊接參數，并結合變坡口中心曲線、擬合后的多線段坡口數據，完成多層多道的變坡口寬度的中厚板焊接軌跡規劃。
[0022]如圖2所示，本發明所述方法的具體步驟如下:
(I)根據設計的焊接工件圖紙，求出變坡口中心曲線軌跡坐標，并以此生成焊接機器人運動軌跡程序。如圖3所示為變坡口工件示意圖，圖中，I為變坡口中心曲線、2為變坡口工件(焊接工件)、3為焊槍、4為坡口。
[0023](2)焊接機器人以上述運動軌跡帶動線激光傳感器運動，進行坡口掃描測量。具體的，將上述運動軌跡程序導入焊接機器人，并將線激光傳感器固定在焊接機器人上，利用焊接機器人帶動線激光傳感器運動，進行坡口掃描測量。如圖4所示，圖中:2為變坡口工件、5為線激光傳感器。
[0024](3)根據掃描測量出來的坡口數據，進行處理得到包括坡口寬度在內的變坡口信息，并修正變坡口中心曲線。具體的，線激光傳感器掃描完成后，將坡口數據傳到上位機(即工控計算機)中，對坡口測量數據進行分析處理，并計算變坡口寬度等信息。因為變坡口中心曲線可以由沿著坡口前進方向上的一系列坡口截面寬度方向的中點擬合插值而得到，所以根據測量得到的變坡口寬度信息，可以修正變坡口中心曲線。
[0025]為了再精確的修正變坡口中心曲線，可以進一步進行如下分析處理:
如果發現