厚壁大尺寸圓筒形焊件相貫線接縫埋弧焊焊接平臺(tái)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種厚壁大尺寸圓筒形焊件相貫線接縫埋弧焊焊接平臺(tái)控制方法，屬 于工業(yè)設(shè)備焊接技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在石油、化工、鍋爐、水電、核電等制造行業(yè)中，需要解決輸油、輸氣、輸水等容器和 與其連接的管道的接縫焊接問題，這種容器與管道之間相貫線接縫的焊接加工用常規(guī)的自 動(dòng)化焊接設(shè)備是難以解決的，為自動(dòng)化生產(chǎn)帶來了一定的困難。同時(shí)，這種空間曲線焊縫焊 接勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接質(zhì)量不易保證。特別是化工、核電、船舶領(lǐng)域的厚壁大尺寸焊件焊縫，缺 乏實(shí)用有效的焊接方法。
[0003] 埋弧焊是一種電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法。其固有的焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊 接生產(chǎn)率高、無弧光及煙塵少等優(yōu)點(diǎn)，使其成為壓力容器、管段制造、箱型梁柱等重要鋼結(jié) 構(gòu)制作中的主要焊接方法。將埋弧自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用到厚壁大尺寸焊件焊縫的焊接中，具有 十分廣闊的前景。
[0004] 目前國內(nèi)圓筒形焊件相貫線接縫的焊接一般采用手工焊接和工人手扶機(jī)械臂的 半自動(dòng)化焊接。但手工焊接對(duì)于工人的體力和技術(shù)的要求很高，且生產(chǎn)效率低，焊接質(zhì)量不 穩(wěn)定。隨后一些單位采用機(jī)械仿形原理研制了一些專用自動(dòng)焊接設(shè)備，但可適應(yīng)的焊件類 型少，尺寸范圍窄，自動(dòng)化水平和焊槍跟蹤能力都不理想，只能適用于大、中批量且焊接質(zhì) 量要求不高產(chǎn)品的生產(chǎn)。現(xiàn)在國內(nèi)比較流行的焊接機(jī)器人，雖自動(dòng)化水平有了很大提高，但 多應(yīng)用于環(huán)縫等規(guī)則焊縫的焊接，同時(shí)多采用氣保焊工藝，不適于焊接厚壁大尺寸焊件焊 縫這種對(duì)于焊接強(qiáng)度要求很高的場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種厚壁大尺寸圓筒形焊件 相貫線接縫焊接平臺(tái)控制方法，該方法可以控制焊接平臺(tái)實(shí)現(xiàn)圓筒形焊件相貫線接縫采用 埋弧焊工藝自動(dòng)焊接，使得焊接平臺(tái)可靠性好，接縫焊接質(zhì)量高。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：厚壁大尺寸圓筒形焊件相貫線接縫埋弧焊焊接平臺(tái)控制 方法，實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0007] (1)建立空間坐標(biāo)系OXYZ，OXYZ坐標(biāo)系以大小焊件軸線的交點(diǎn)為原點(diǎn)0。大焊件 軸線水平，小焊件軸線豎直，定義為焊件的初始姿態(tài)。定義初始姿態(tài)的大小焊件的軸向分別 為Y軸和Z軸方向，X軸垂直于YOZ平面。焊接過程中，OXYZ坐標(biāo)系與焊件的相對(duì)位置保持 不變，但隨著焊件姿態(tài)的變化而變化。以YOZ平面和三角支架頂端的交點(diǎn)0"為原點(diǎn)，建立 空間位置靜止不動(dòng)的坐標(biāo)系〇"X"Y"Z"，Y"軸和Z"軸分別平行于Y軸和Z軸的初始位置， X"軸垂直于Y"0"Z"平面。
[0008] (2)焊件尺寸和焊接速度的輸入和參數(shù)計(jì)算。確定圓筒形焊件的大小尺寸，包括兩 圓筒形焊件的外半徑，大焊件的長度，小焊件的焊接位置，建立相貫線接縫的空間數(shù)學(xué)模型 等。根據(jù)工藝要求，確定合適的焊接速度，即焊絲與接縫坡口的相對(duì)移動(dòng)速度；根據(jù)焊接誤 差和焊接工藝的要求，確定合適的離散步長，即相鄰離散焊點(diǎn)之間的直線距離。
[0009] (3)參數(shù)的處理和控制參數(shù)的計(jì)算。根據(jù)步驟（2)輸入的參數(shù)，將相貫線焊縫的 空間數(shù)學(xué)模型離散化，得到離散焊點(diǎn)的坐標(biāo)值。計(jì)算相貫線周長，結(jié)合焊接速度確定離散周 期，計(jì)算離散焊點(diǎn)滿足約束條件的焊件俯仰、旋轉(zhuǎn)角控制參考值，根據(jù)坐標(biāo)變換公式確定焊 槍三個(gè)自由度的位移控制參考值。
[0010] (4)焊接平臺(tái)上安裝有傳感器，傳感器采集得到兩個(gè)反饋量，即當(dāng)前焊件的俯仰角 a和旋轉(zhuǎn)角0，與步驟（3)得到的俯仰、旋轉(zhuǎn)角控制參考值求誤差，該誤差作為焊件位置 PID控制器的輸入，由焊件位置PID控制器得到圓筒形焊件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)和液壓 泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制參考值。
[0011] (5)焊槍驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳感器采集得到焊槍運(yùn)動(dòng)的實(shí)際速度V，由積分￡可得焊槍 實(shí)際的位移。該位移與步驟（2)得到的焊槍位移控制參考值求誤差，該誤差作為焊槍位置PID控制器的輸入，由焊槍位置PID控制器得到焊槍機(jī)械臂三個(gè)自由度控制電機(jī)的速度控 制參考值。
[0012] (6)將滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)和液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制參考值作為焊件運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入，焊槍機(jī)械臂三個(gè)自由度驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制參考值作為三個(gè)自由度驅(qū) 動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流閉環(huán)控制。通過對(duì)焊槍的三個(gè)自 由度位移控制，圓筒形焊件的俯仰和旋轉(zhuǎn)角度控制，實(shí)現(xiàn)相貫線接縫焊接。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0014] (1)本發(fā)明利用離散逼近法和坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)厚壁大尺寸圓筒形焊件相貫線接縫埋 弧焊焊接平臺(tái)的自動(dòng)控制，用離散焊點(diǎn)逼近焊縫，控制方法可以精確實(shí)現(xiàn)焊接平臺(tái)的姿態(tài) 控制和焊槍的位置控制，同時(shí)適合于工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字化驅(qū)動(dòng)設(shè)備的輸入要求。
[0015] (2)本發(fā)明為厚壁大尺寸圓筒形焊件相貫線接縫焊接平臺(tái)提供了一種可靠、有效 的控制方法，不僅可以實(shí)現(xiàn)相貫線接縫的焊接，而且使得焊縫焊接可以采用埋弧焊工藝，從 而使得相貫線接縫的焊接質(zhì)量大大提高，同時(shí)焊接誤差滿足工程要求，應(yīng)用前景巨大。
[0016] (3)本發(fā)明基于的離散逼近法和坐標(biāo)變換公式，同樣適于其他形狀接縫的分析處 理，所以本發(fā)明可以作為其他形狀焊縫焊接的方法基礎(chǔ)，稍加修改，就可以應(yīng)用于其他復(fù)雜 形狀焊縫的焊接。
[0017] (4)本發(fā)明提出的焊件姿態(tài)控制算法和焊槍控制位置控制算法，同樣適用于相貫 線坡面、馬鞍形坡面或其他不規(guī)則形狀的切割控制。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明中的焊接平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明中的坐標(biāo)系定義和參數(shù)說明示意圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明中的控制參考值的計(jì)算過程示意圖；
[0022] 圖5為本發(fā)明中的俯仰角度PID閉環(huán)的示意圖。
[0023] 圖2中：1一三自由度機(jī)械臂；2-焊槍；3-小焊件；4一大焊件；
[0024] 5-防竄旋轉(zhuǎn)軸承；6-滾輪；7-驅(qū)動(dòng)電機(jī)；
[0025] 8一加強(qiáng)筋；9 一俯仰平臺(tái)；10-液壓桿；11 一二角支架
【具體實(shí)施方式】
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明中厚壁大尺寸圓筒形焊件相貫線接縫埋弧焊焊接平臺(tái)控制方 法，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0027] (1)坐標(biāo)系定義。如圖3所示，首先建立一個(gè)空間坐標(biāo)系OXYZ，OXYZ坐標(biāo)系以大小 焊件軸線的交點(diǎn)為原點(diǎn)0。大焊件軸線水平，小焊件軸線豎直，定義為焊件的初始姿態(tài)。定 義初始姿態(tài)的大小焊件的軸向分別為Y軸和Z軸，X軸垂直于YOZ平面。焊接過程中，OXYZ 坐標(biāo)系與焊件的相對(duì)位置保持不變，隨焊件姿態(tài)的變化而變化。以YOZ平面和三角支架頂 端的交點(diǎn)〇"為原點(diǎn)，建立空間位置靜止不動(dòng)的坐標(biāo)系〇"X"Y"Z"，Y"軸和Z"軸分別平行 于Y軸和Z軸的初始位置，X"軸垂直于Y" 0"Z"平面。
[0028] (2)焊件尺寸和焊接速度的輸入和參數(shù)