变坡口宽度的中厚板多层多道焊接轨迹规划方法与流程

本发明涉及一种焊接方法，特别涉及一种用于中厚板焊接的变坡口宽度的多层多道焊接轨迹规划方法。

背景技术：
根据焊接工件厚度的不同，可以将焊接件分为薄板、中板和厚板。通常情况下，薄板是指厚度≦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、厚板习惯上统称为中厚板。因为中厚板工件厚度相对较厚，所以焊接时一般采用多层多道的焊接方法。如图1所示的中厚板V型坡口采用了4层10道的焊接方式。坡口宽度不均匀变化的情况（下面简称为“变坡口”）在中厚板焊接时常常出现。这主要是由两种情况引起的：一是坡口加工误差引起；由于有些焊接件在加工坡口时，采用乙炔焰等方式手工切割，容易引起变坡口的出现。二是在中厚板多层多道焊接过程中，由于焊接热变形的存在，使得在焊接一两层之后，经常出现坡口位置偏移或坡口形状扭曲变形，从而引起焊偏、未焊透或烧穿问题的出现，进而对焊接质量带来不利的影响。为此，需要提出一种变坡口宽度的中厚板多层多道焊接轨迹规划方法，用来针对中厚板变坡口工件，实现方法简单，通用性好，实用性强的多层多道焊接轨迹规划。授权公告号为CN102357709B的一项名为“圆管件的圆周焊缝的多层多道自动焊接方法”的中国国家发明专利，该方法在焊接过程中，所述圆管件相对于焊枪旋转，并且所述焊枪在三维方向上的焊接位置和焊接角度可自动调节，以实现圆周焊缝的自动焊接。采用该发明的焊接方法后，在焊接过程中，所述圆管件相对于焊枪旋转，而所述焊枪在三维方向上的焊接位置和焊接角度可自动调节，从而能够比较灵活并精确地调节焊接位置和焊接角度，以自动进行多层多道焊接，形成具有较好机械性能的圆周焊缝。上述专利前案仅适用于圆管件的焊接。中国专利公布号CN103934571A公开了一种厚板机器人焊接系统及多层多道焊缝实时跟踪、规划方法。该专利申请在焊接时能够实时获取包含焊缝坡口特征信息的图像，并传递至控制系统，而控制系统由所述图像获取坡口信息，控制机器人不断纠正焊接系统中焊枪的位置，同时所述控制系统调整焊道轨迹和焊接参数，实现多层多道的实时规划，能够提高劳动效率及生产质量。上述专利前案都是通过实时在线调节焊枪位置或角度，或者通过实时纠正焊道轨迹的方式实现自动进行多层多道焊接，这种在焊接过程实时调节或规划的方式，存在响应慢、通用性不强等缺点，有待改进。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对变坡口宽度的中厚板工件焊接的需要，提供了一种多层多道的焊接轨迹规划方法，实现方法简单，通用性好，实用性强的中厚板焊接的目的。为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：一种变坡口宽度的中厚板多层多道焊接轨迹规划方法：利用线激光传感器，对变坡口宽度的中厚板焊接工件进行坡口扫描测量，按一定的采样频率采集变坡口信息；然后，对采集到的坡口进行关键信息提取和数据处理，修整变坡口中心曲线，并将离散不规则的变坡口数据点拟合成线性连续的多线段；最后，根据中厚板多层多道焊接参数，并结合变坡口中心曲线、拟合后的多线段坡口数据，完成多层多道的变坡口宽度的中厚板焊接轨迹规划。优选地，所述的变坡口宽度的中厚板多层多道焊接轨迹规划方法，其特征在于包括如下步骤：（1）根据设计的焊接工件图纸，求出变坡口中心曲线轨迹坐标，并以此生成焊接机器人运动轨迹程序；（2）焊接机器人以上述运动轨迹带动线激光传感器运动，进行坡口扫描测量；（3）根据扫描测量出来的坡口数据，进行处理得到包括坡口宽度在内的变坡口信息，并修正变坡口中心曲线；（4）将离散不规则的变坡口，拟合成线性连续的多段线坡口；（5）完成上面步骤之后，根据多层多道焊接参数，并结合变坡口中心曲线、拟合后的多段线坡口数据，进行中厚板焊接轨迹规划。优选地，所述步骤（3）进一步进行如下分析处理：如果坡口测量偏出了线激光传感器扫描范围，则根据扫描出来的偏出了线激光传感器扫描范围的那部分完整的坡口数据，插值并拟合出新的坡口中心曲线，并以此重新生成焊接机器人运动轨迹，进而重新进行坡口扫描测量，即回到步骤（2），直到线激光传感器在整个扫描过程都能测到所有完整的坡口数据；如果线激光传感器在整个扫描过程都能测到所有完整的坡口数据，则根据测量出来的数据，分析并计算变坡口宽度等信息，最终修正变坡口中心曲线。优选地，所述步骤（4）具体拟合方法为：从第三个点即i=3开始，s=1即直线段的起点为第1点；计算i点同s点、s+1点、…、i-1点的斜率Ki,s、Ki,s+1、…、Ki,i-1，并把其中最大的斜率值赋值给maxk，最小值赋值给mink；这时：（a）如果maxk-mink＞误差容许值ε，不将i点同前面的点拟合在同一条直线上，令w=i-1，并把s点同w点连线，得到直线Ls,w；然后把i-1点赋值给s点，即s=i-1；接下来判断i≥n是否成立，n为离散不规则点的数目，即是否是最后一个数据点，如果i≥n成立，则将n-1点同n点连接，得到直线Ln-1,n；如果i≥n不成立，则i=i+1，即判断下一个点是否可以与前面的点拟合在同一条直线上；（b）如果maxk-mink≤误差容许值ε，将i点同前面的点拟合在同一条直线上；之后判断i≥n是否成立，如果不成立，则i=i+1，即判断下一个点是否可以与前面的点拟合在同一条直线上；如果i≥n成立，则将s点同n点连接，得到直线Ln-1,n。优选地，所述步骤（5）的具体流程为：假设变坡口中厚板拟合成r点，即r-1段的多线段；从拟合后的多段线第一点，即i=1开始计算。结合中厚板多层多道焊接参数，并根据步骤（3）修正得到的变坡口中心曲线，得到变坡口中心曲线影响下的第i点对应的焊接轨迹坐标值（Xbi，Ybi）；然后根据多线段拟合后的变坡口宽度，得到坡口宽度变化引起的坐标偏移值（Xpi，Ypi），从而得到第i点的焊接基准路径坐标（Xi，Yi），其中，Xi=Xbi+Xpi，Yi=Ybi+Ypi；接着，利用多线段拟合后得到该点坡口宽度数值，推导出第i点所对应的焊接速度或摆幅；然后，判断i≥r是否成立，如果i≥r不成立，将i+1赋值给i，即i=i+1，求出下一个点的焊接基准路径坐标、焊接速度或摆幅等参数；如果i≥r成立，则根据所求得的参数，生成该层该道的焊接路径轨迹。采用上述方案后，与现有的中厚板焊接方法相比，本发明具有以下突出特点：第一，能实现变坡口截面中厚板工件的自动焊接。目前的机器人中厚板自动焊接通常用于坡口宽度不变或均匀变化（坡口一头大一头小，均匀线性变化）的自动焊接。本发明能针对变坡口的中厚板工件，实现多层多道的焊接轨迹规划。第二，将离散不规则的变坡口截面数据线性拟合，更能满足实际焊接的需要。由于焊接宽度主要取决于焊接速度和摆幅，通常采用调整焊接速度的方式来控制焊接宽度。将离散不规格的变坡口拟合成多个线性连续的坡口截面，可以较好地保证焊接速度变化的连续，从而获得较好的焊接质量。第三，本发明方法简单，实用性强。由于本发明采用线激光传感器进行坡口扫描，并结合相应算法，就能完成相应的轨迹规划，方法较为简单，便于实施。由此可见，利用本发明可以确保变坡口中厚板工件能实现自动焊接，并具有方法简单，通用性好，实用性强等优点，因此具有很大的研究价值和可行性。附图说明图1为目前常见的中厚板多层多道焊接示意图；图2为本发明实施例的工作流程图；图3为本发明实施例的变坡口工件示意图；图4为本发明实施例利用线激光传感器测量变坡口示意图；图5为本发明实施例离散不规则点多线段拟合原理图；图6为本发明实施例离散不规则点多线段拟合流程图；图7为本发明实施例离散不规则点多线段拟合示意图；图8为本发明实施例变坡口多层多道规划流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。本发明所揭示的是一种变坡口宽度的中厚板多层多道焊接轨迹规划方法，如图2至图8所示，为本发明的较佳实施例，本实施例以等厚（即工件坡口厚度恒定）、平板（即工件为平板型工件）的变坡口焊接工件为例。当然下述方法也适用于其他形式变坡口焊接工件。中厚板焊接工件一般采用多层多道的焊接方式，具体的焊接层数和道数根据实际需要来设计。图1所示的V形坡口工件采用4层10道的焊接工艺，并且在焊接前需对焊接工件进行坡口加工。之后在焊接前先进行焊接轨迹规划，具体方法为：利用线激光传感器，对变坡口宽度的中厚板焊接工件进行坡口扫描测量，按一定的采样频率采集变坡口信息；然后，对采集到的坡口进行关键信息提取和数据处理，修整变坡口中心曲线，并将离散不规则的变坡口数据点拟合成线性连续的多线段；最后，根据中厚板多层多道焊接参数，并结合变坡口中心曲线、拟合后的多线段坡口数据，完成多层多道的变坡口宽度的中厚板焊接轨迹规划。如图2所示，本发明所述方法的具体步骤如下：（1）根据设计的焊接工件图纸，求出变坡口中心曲线轨迹坐标，并以此生成焊接机器人运动轨迹程序。如图3所示为变坡口工件示意图，图中，1为变坡口中心曲线、2为变坡口工件（焊接工件）、3为焊枪、4为坡口。（2）焊接机器人以上述运动轨迹带动线激光传感器运动，进行坡口扫描测量。具体的，将上述运动轨迹程序导入焊接机器人，并将线激光传感器固定在焊接机器人上，利用焊接机器人带动线激光传感器运动，进行坡口扫描测量。如图4所示，图中：2为变坡口工件、5为线激光传感器。（3）根据扫描测量出来的坡口数据，进行处理得到包括坡口宽度在内的变坡口信息，并修正变坡口中心曲线。具体的，线激光传感器扫描完成后，将坡口数据传到上位机（即工控计算机）中，对坡口测量数据进行分析处理，并计算变坡口宽度等信息。因为变坡口中心曲线可以由沿着坡口前进方向上的一系列坡口截面宽度方向的中点拟合插值而得到，所以根据测量得到的变坡口宽度信息，可以修正变坡口中心曲线。为了再精确的修正变坡口中心曲线，可以进一步进行如下分析处理：如果发现坡口测量偏出了线激光传感器扫描范围（原因可能是由于加工误差的存在，实际加工出来的坡口中心曲线或坡口宽度同理论设计值不一致），那么根据扫描出来的偏出了线激光传感器扫描范围的那部分完整的坡口数据，插值并拟合出新的坡口中心曲线，并以此重新生成焊接机器人运动轨迹，进而重新进行坡口扫描测量（即回到步骤2），直到线激光传感器在整个扫描过程都能测到所有完整的坡口数据。如果线激光传感器在整个扫描过程都能测到所有完整的坡口数据，则根据测量出来的数据，分析并计算变坡口宽度等信息，最终修正变坡口中心曲线。（4）将离散不规则的变坡口，拟合成线性连续的多段线坡口。因为线激光传感器采样频率的原因，扫描测量得到的坡口数据是离散点。又由于加工工艺和加工误差等原因，变坡口中厚板工件坡口宽度通常变化较为不规则。而焊接机器人焊接时，一般是通过改变焊接速度和摆幅来调整坡口的焊接宽度。因此，如果直接将离散不规则坡口数据用于生成中厚板焊接轨迹，则往往会导致焊接滞后或变化过于突变，从而使得焊接质量得不到保证。为此，在变坡口的中厚板焊接时，本发明采用离散不规则点的多线段拟合，来将离散不规则的坡口宽度数据拟合成首尾相连的多条线段，从而获得较为连续的焊接过程。具体可以采用如下拟合方法：拟合算法原理如图5所示，假设平面上有若干个离散点s点、s+1点、…、i-1点和i点，求出i点同s点连线的斜率Ki,s、i点同s+1点连线的斜率Ki,s+1、…、i点同i-1点连线的斜率Ki,i-1，并把其中最大的斜率值赋值给maxk，最小值赋值给mink。如果maxk-mink≤误差容许值ε（ε根据客户要求自己设定）时，s点、s+1点、…、i-1点和i点都将拟合在同一条直线内；如果maxk-mink＞误差容许值ε时，则点i不与点s点、s+1点、…、i-1点拟合在同一条线。离散不规则点拟合成多线段的详细流程如图6所示。从第三个点，即i=3开始判断（这时，s=1，即直线段的起点为第1点）。计算i点同s点、s+1点、…、i-1点的斜率Ki,s、Ki,s+1、…、Ki,i-1，并把其中最大的斜率值赋值给maxk，最小值赋值给mink。这时：（a）如果maxk-mink＞误差容许值ε，意味i点同前面的点（即s点、s+1点、…、i-1点）偏差较大，不适合将i点同前面的点拟合在同一条直线上。如果maxk-mink＞ε，w=i-1（即将i-1点的位置坐标赋值给w点，以下类似），并把s点同w点连线，得到直线Ls,w，然后把i-1点赋值给s点（即s=i-1）。接下来，判断i≥n是否成立（n为离散不规则点的数目，即需要拟合的坡口宽度数目），即是否是最后一个数据点。如果i≥n成立，则将n-1点同n点连接，得到直线Ln-1,n。如果i≥n不成立，则i=i+1（即将i+1点，赋给i），即判断下一个点是否可以与前面的点拟合在同一条直线上。（b）如果maxk-mink≤误差容许值ε，意味i点同前面的点（即s点、s+1点、…、i-1点）的偏差在容许的范围之内，可以将i点同前面的点拟合在同一条直线上。如果maxk-mink≤ε，判断i≥n是否成立。如果不成立，说明i还不是最后一个数据点，则i=i+1（即将i+1点，赋给i），即判断下一个点是否可以与前面的点拟合在同一条直线上。如果i≥n成立，即i点为最后一个数据点，则将s点同n点连接，得到直线Ln-1,n。图7为利用该拟合算法，将一系列离散不规则坡口宽度（图中演示的为18个离散的变坡口宽度数据）拟合成多线段的例子。可以发现，该算法可以较为有效地将离散不规则坡口拟合成较为便于焊接加工的多线段坡口。（5）完成上面步骤之后，可根据多层多道焊接参数，并结合变坡口中心曲线、拟合后的多段线坡口数据，进行中厚板焊接轨迹规划。具体流程可如图8所示。以其中的某一层某一道焊接为例，假设变坡口中厚板拟合成r点，即（r-1）段的多线段。从拟合后的多段线第一点，即i=1开始计算。结合中厚板多层多道焊接参数（如层数、道数等），并根据步骤（3）修正得到的变坡口中心曲线，得到变坡口中心曲线影响下的第i点对应的焊接轨迹坐标值（Xbi，Ybi）。然后根据多线段拟合后的变坡口宽度，得到坡口宽度变化引起的坐标偏移值（Xpi，Ypi），从而得到第i点的焊接基准路径坐标（Xi，Yi）。其中，Xi=Xbi+Xpi，Yi=Ybi+Ypi。接着，利用多线段拟合后得到该点坡口宽度数值，推导出第i点所对应的焊接速度或摆幅（因为通过改变焊接速度和摆幅，可以调整坡口的焊接宽度）。然后，判断i≥r是否成立。如果i≥r不成立，则说明i点还不是最后一个点，将i+1赋值给i（即i=i+1），求出下一个点的焊接基准路径坐标、焊接速度或摆幅等参数。如果i≥r成立，则说明已经到了最后一个点，则根据所求得的参数，生成该层该道的焊接路径轨迹。（6）生成焊接加工代码，完成中厚板多层多道焊接。以下给出本发明各专业术语或代码的说明：（1）坡口：根据工艺要求，在焊接件的待焊部位加工成一定几何形状和尺寸的沟槽。（2）线激光传感器：是一种利用激光技术进行长度测量的传感器。激光发射端发射出一束直线的激光束，打到测量面上，然后由激光接收端接收激光信号，从而得到若干个离散测量值，用来表征线激光传感器到测量面的距离值。该测量值经用户自行处理，可计算出测量面上测量点的二维形貌。本发明实施例采用的线激光传感器为日本KEYENCE公司生产的型号为LJ-G200的线激光传感器。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。