专利名称：基于曲面多层多道焊的机器人自动焊接的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及エ业焊接技木，尤其涉及一种基于曲面多层多道焊的机器人自动焊接的方法及系统。
背景技术：
目前，在ー些エ业生产中，特殊的厚板焊接一般采用多层多道焊接来提高焊接的质量，比如水轮机，由于其有几十个导叶构成，通过多层多道焊的方式(也称导叶堆焊)来完成导叶的焊接。导叶堆焊实际上是曲面与曲面间的厚度可达SO-IOOmm以上的坡口角焊缝焊接，多层多道焊的特点是焊缝不是直焊缝，而是空间曲线，且曲线长度随着焊层的升高不断变短，通常采用手工堆焊或者人工进行机器人在线示教来完成导叶堆焊操作。 然而，以往的手工堆焊或者机器人在线示教，其焊接质量取决于操作人员的技术水平，质量无法得以保证。其中，手工堆焊难度较大，特别是过渡面的焊接，要在坡ロ堆焊后的堆焊面与支撑面之间再堆起一个圆滑过渡的曲面，更是难上加难。而人工示教占用机器人工作时间，效率很低，一般采用的在线示教方法，在前道焊缝被焊之前，理论上无法对下道焊缝轨迹进行编程，如同建“空中楼阁”。目前，虽然ー些机器人公司推出多层多道焊软件包，但有局限性，比如焊道、焊接轨迹点、焊层数量都有限，更不能进行变长度的焊缝计算，并且人工编程也需花费较多的时间，进而致使工作效率低下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于曲面多层多道焊的机器人自动焊接的方法，其通过根据当前需要进行多层多道焊接的焊道的相关參数，建立特定的计算模型和编排策略，以计算出精确的焊接所需全部运动轨迹和焊枪姿态，并自动生成机器人控制器的运行程序进行相应的焊接动作，从而实现基于机器人自动离线编程的高质量、高效率的多层多道堆焊焊接。相应于所述方法，本发明还提供一种基于曲面多层多道焊的机器人自动焊接的系统。为实现上述发明目的之一，本发明提供的一种基于曲面多层多道焊的机器人自动焊接的方法，包括如下步骤
51、从数据库提取焊道的堆焊參数；
52、根据所述堆焊參数提取并处理焊道特征曲线，以确定所需焊接的焊接路径信息；
53、根据所述焊接路径信息计算焊枪的姿态信息；
54、按照所述焊接路径信息和焊枪的姿态信息自动生成机器人运行程序，井根据所述运行程序进行焊接操作。作为本发明的进ー步改进，所述步骤SI还包括对堆焊參数进行初始化，其中，所述堆焊參数包括焊道エ艺參数以及模型特征參数。
作为本发明的进ー步改进，所述步骤S2中“提取并处理焊道特征曲线”步骤具体为
创建焊道的參考基准面；
创建焊道的焊接特征截面，并提取所述焊道特征曲线；
对焊道特征曲线进行裁剪以实现曲线的平滑；
生成过渡区焊道的轨迹。作为本发明的进ー步改进，所述焊接路径信息包括各焊接点的位置、焊道顺序以及焊道层数。
作为本发明的进ー步改进，所述步骤S3具体包括
获取当前焊接路径上的离散点；
建立基于所述离散点的工具手坐标系；
计算各离散点位置上的焊枪的姿态信息，其中，所述姿态信息包括焊丝的起弧高度、焊丝与支撑面所成的角度。为实现本发明的另ー发明目的，本发明提供了一种基于曲面多层多道焊的机器人自动焊接的系统，其包括如下模块
堆焊參数获取模块、用于从数据库提取焊道的堆焊參数；
焊道特征曲线提取与处理模块、用于根据所述堆焊參数提取并处理焊道特征曲线，以确定所需焊接的焊接路径信息；
姿态信息计算模块、用于根据所述焊接路径信息计算焊枪的姿态信息；
程序生成与执行模块、按照所述焊接路径信息和焊枪的姿态信息自动生成机器人运行程序，并根据所述运行程序进行焊接操作。作为本发明的进ー步改进，所述堆焊參数获取模块还用于对堆焊參数进行初始化，其中，所述堆焊參数包括焊道エ艺參数以及模型特征參数。作为本发明的进ー步改进，所述焊道特征曲线提取与处理模块中“提取并处理焊道特征曲线”具体通过以下操作来实现
创建焊道的參考基准面；
创建焊道的焊接特征截面，并提取所述焊道特征曲线；
对焊道特征曲线进行裁剪以实现曲线的平滑；
生成过渡区焊道的轨迹。作为本发明的进ー步改进，所述焊接路径信息包括各焊接点的位置、焊道顺序以及焊道层数。作为本发明的进ー步改进，所述姿态信息计算模块具体用于
获取当前焊接路径上的离散点；
建立基于所述离散点的工具手坐标系；
计算各离散点位置上的焊枪的姿态信息，其中，所述姿态信息包括焊丝的起弧高度、焊丝与支撑面所成的角度。与现有技术相比，本发明通过根据当前需要进行多层多道焊接的焊道的相关參数，建立特定的计算模型和编排策略，以计算出精确的焊接所需全部运动轨迹和焊枪姿态，并自动生成机器人控制器的运行程序进行相应的焊接动作，从而保证了焊接的质量、并大大提升了焊接エ艺的工作效率。
图I是本发明ー实施方式中基于曲面多层多道焊的机器人自动焊接的方法的エ作流程 图2是本发明中水轮机导叶的某一视角的平面 图3表示的本发明ー实施方式中工具手坐标系的建立原理；
图4是图2中A-A方向的水轮机导叶的截面示意 图5是图4中C部位的局部放大图，并示出了本发明ー实施方式中焊接參数；
图6是本发明ー实施方式中基于曲面多层多道焊的机器人自动焊接的系统的功能模 块不意图。
具体实施例方式以下将结合附图所示的具体实施方式
对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。下面将运用于水轮机上导叶堆焊的具体实施例对本发明的技术方案进行描述，当然，本发明的技术并不仅仅可应用于水轮机导叶的焊接エ艺，也可应用于其他エ业生产中曲面与曲面之间的多层多道焊接。众所周知，水轮机作为ー种将水流的能量转换成旋转机械能以驱动发电机的水力机械设备，其往往由几十个导叶所组成，而为了保证导叶和水轮机本体完成真正意义上的无缝焊接，那么就必须采取产业上比较成熟的多层多道焊接技木。请參图I所示，本发明的基于曲面多层多道焊(也称为堆焊焊接)的机器人自动焊接是计算机图形学技术、机器人技术、多层多道焊技术、机器人标定技术交叉整合的新技木。在本发明一具体实施方式
中，该方法包括如下步骤
Si、从数据库提取焊道的堆焊參数；在此步骤中，实现需要由技术人员根据当前水轮机上导叶的相关參数来计算需要进行堆焊參数，并将这些获得的堆焊參数输入到数据库当中。具体地，在步骤SI中，首先需要对堆焊參数进行初始化，其中，优选地，所述堆焊參数包括焊道エ艺參数以及模型特征參数，焊道エ艺參数具体包括焊道的深度、张ロ角度等等，这些參数均可通过简单的仪器进行測定；而模型特征參数具体包括焊接时焊丝的运动速度等等。在数据库中堆焊參数初始化完成后提取出相关參数以便于后续步骤的进行。S2、根据所述堆焊參数提取并处理焊道特征曲线，以确定所需焊接的焊接路径信息；优选地，所述焊接路径信息包括各焊接点的位置、多道焊接时焊道焊接的先后顺序以及多层焊接时所需完成的焊道层数等等。其中，优选地，步骤S2中“提取并处理焊道特征曲线”步骤具体为
创建焊道的參考基准面；
创建焊道的焊接特征截面，并提取所述焊道特征曲线；
对焊道特征曲线进行裁剪以实现曲线的平滑；其中，由于导叶曲面造型等原因，会使在提取出焊道特征曲线的时候，出现线条不平滑的现象，这便会影响后续焊接エ艺的准确性，因本发明对焊接的准确性要求较高，所以需要对不必要的线条进行裁剪以保证曲线趋于平滑。生成过渡区焊道的轨迹这是产品结构的需求，需要在支撑面和堆焊面之间做ー段焊接区域(过渡区焊道)，过渡区的形成在下文会详细说明。在本实施方式中，优选地，该步骤具体包括
首先提取焊道数据库数据，再根据焊道特征曲线，通过焊道轨迹偏置生成所需的过渡区轨迹(根据假想线)。
下面结合图2说明本发明中BASE坐标系的建立方法。对于曲面产品的坐标系的定义，也是实现曲面多层多道焊得以成功的关键技术，坐标系定义应便于操作、同时要求准确。具体地，首先建立BASE坐标系，坐标系的X轴和Y轴方向如图2所示，Z轴的方向垂直于纸面向外，原点位于导叶片10的底部，导叶片包括位于X轴两侧的YP面和YS面。获取BASE坐标系到參考基准面坐标系的转换矩阵
权利要求
1.一种基于曲面多层多道焊的机器人自动焊接的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤 51、从数据库提取焊道的堆焊参数； 52、根据所述堆焊参数提取并处理焊道特征曲线，以确定所需焊接的焊接路径信息； 53、根据所述焊接路径信息计算焊枪的姿态信息； 54、按照所述焊接路径信息和焊枪的姿态信息自动生成机器人运行程序，并根据所述运行程序进行焊接操作。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤SI还包括对堆焊参数进行初始化，其中，所述堆焊参数包括焊道工艺参数以及模型特征参数。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中“提取并处理焊道特征曲线”步骤具体为 创建焊道的参考基准面； 创建焊道的焊接特征截面，并提取所述焊道特征曲线； 对焊道特征曲线进行裁剪以实现曲线的平滑； 生成过渡区焊道的轨迹。
4.根据权利要求I或3所述的方法，其特征在于，所述焊接路径信息包括各焊接点的位置、焊道顺序以及焊道层数。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括 获取当前焊接路径上的离散点； 建立基于所述离散点的工具手坐标系； 计算各离散点位置上的焊枪的姿态信息，其中，所述姿态信息包括焊丝的起弧高度、焊丝与支撑面所成的角度。
6.一种基于曲面多层多道焊的机器人自动焊接的系统，其特征在于，该系统包括如下模块 堆焊参数获取模块、用于从数据库提取焊道的堆焊参数； 焊道特征曲线提取与处理模块、用于根据所述堆焊参数提取并处理焊道特征曲线，以确定所需焊接的焊接路径信息； 姿态信息计算模块、用于根据所述焊接路径信息计算焊枪的姿态信息； 程序生成与执行模块、按照所述焊接路径信息和焊枪的姿态信息自动生成机器人运行程序，并根据所述运行程序进行焊接操作。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述堆焊参数获取模块还用于对堆焊参数进行初始化，其中，所述堆焊参数包括焊道工艺参数以及模型特征参数。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述焊道特征曲线提取与处理模块中“提取并处理焊道特征曲线”具体通过以下操作来实现 创建焊道的参考基准面； 创建焊道的焊接特征截面，并提取所述焊道特征曲线； 对焊道特征曲线进行裁剪以实现曲线的平滑； 生成过渡区焊道的轨迹。
9.根据权利要求6或8所述的系统，其特征在于，所述焊接路径信息包括各焊接点的位置、焊道顺序以及焊道层数。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述姿态信息计算模块具体用于 获取当前焊接路径上的离散点； 建立基于所述离散点的工具手坐标系； 计算各离散点位置上的焊枪的姿态信息，其中，所述姿态信息包括焊丝的起弧高度、焊丝与支撑面所成的角度。
全文摘要
本发明揭示了一种基于曲面多层多道焊的机器人自动焊接的方法与系统，其方法通过如下步骤实现S1、从数据库提取焊道的堆焊参数；S2、根据所述堆焊参数提取并处理焊道特征曲线，以确定所需焊接的焊接路径信息；S3、根据所述焊接路径信息计算焊枪的姿态信息；S4、按照所述焊接路径信息和焊枪的姿态信息自动生成机器人运行程序，并根据所述运行程序进行焊接操作。本发明通过根据当前需要进行多层多道焊接的焊道的相关参数，建立特定的计算模型和编排策略，以计算出精确的焊接所需全部运动轨迹和焊枪姿态，并自动生成机器人控制器的运行程序进行相应的焊接动作，从而保证了焊接的质量，并大大提高了机器人焊接的工作效率。
文档编号B23K9/095GK102672306SQ20121002136
公开日2012年9月19日 申请日期2012年1月31日 优先权日2012年1月31日
发明者严万春, 周源, 朱伟, 杜望, 程学刚, 郁春华 申请人:昆山工研院工业机器人研究所有限公司