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锅炉焊接机器人离线编程系统.doc

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书 第25卷第3期 2004年6月 焊接学报 TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION V.25N.3 June2004 锅炉焊接机器人离线编程系统 刘永，徐越兰，王克鸿，余进，杨静宇 （南京理工大学，南京210094） 摘要：主要研究开发了适于锅炉焊接的机器人离线编程系统。针对锅炉件的特点， 建立了该空间焊缝的特征坐标系，并设计特征提取算法，进而规划出焊枪的运动路径与 理想姿态，建立了典型的锅炉工件、日本安川SK6机器人等运动仿真环境。根据日本安 川机器人程序的语言格式，采用该软件自动生成了机器人程序，对锅炉焊接过程进行了 离线仿真试验，验证该系统是切实可行的。 关键词：锅炉；弧焊机器人；离线编程 中图分类号：TG444+.73文献标识码：A文章编号：0253-360X（2004）03-52-05 刘永 0序言 锅炉的典型结构是由一根直径不同的主管和许 多根直径不同的支管相贯组成的，每根支管和主管 的接头是由焊接完成的，这样的焊接接头每个锅炉 有数十个到上百个。而且，每根支管（圆柱）和主管 （圆柱）形成的焊缝恰恰是最为复杂的空间曲 线———马鞍形焊缝。人工焊接的劳动强度是相当大 的，因此，从提高生产效率和焊接质量的角度看，采 用高自动化和柔性化的弧焊机器人焊接是非常必要 的。但是，由于弧焊机器人焊接的复杂性，即它不仅 要求焊枪准确到达焊接位置，而且要求焊枪以一定 的姿势指向焊缝。另外在大型复杂工件的情况下， 这使得弧焊机器人示教编程几乎是不可能的 ［1］ 。 一位较熟练的示教人员示教好一条马鞍形焊缝往往 花半个工作日，而主管和支管直径的种类繁多，这样 一来，示教的马鞍形焊缝一般达上百个，这显然不满 足工厂的生产需要。因此，对于锅炉焊接机器人工 作站，开发适应于锅炉焊接的机器人离线编程系统 是非常迫切的。 基于此，自主研究开发了锅炉焊接机器人的离 线编程系统，经过针对锅炉弧焊机器人离线编程与 机器人焊接仿真试验，验证了该系统是切实可行的。 1锅炉接头的结构及焊接方法 收稿日期：2003-05-19 基金项目：江苏省高新技术基金项目（BG2002021） 锅炉接头的典型外观结构图如图1所示，由一 根主管和若干支管组成。材料为16MnR，考虑到自 动化高速焊接，以及支管与支管之间狭窄部位焊接 的需要，选择MAG焊接方法完成焊接。系统采用 日本安川SK6弧焊机器人系统和S-350MAG焊 接系统。由于该接头是空间曲线焊缝，焊接工艺参 数由焊接材料、板厚、焊接位置、焊枪姿态经模糊推 理专家系统二次优化获得 ［2］ 。 图1典型锅炉接头外观结构图 Fig.1Structuregraphoftypicalboiler 2锅炉典型焊缝特征信息的表示 2.1概述 对于锅炉焊接接头，典型的复杂的空间曲线焊 缝是由圆管（柱）与圆管（柱）相贯而形成的马鞍形 焊缝。 一般来说，焊缝特征用焊接位置来表征，实际焊 缝焊接位置相当复杂，目前对各种接头焊缝的焊接 位置采用焊缝倾角和焊缝转角来描述 ［3］ ，这对于复 杂空间曲线焊缝是不合适的，而且给弧焊机器人焊 第3期刘永，等：锅炉焊接机器人离线编程系统53 接参数和焊枪姿态的规划带来不便。文献［4］分析 提出了“焊缝特征坐标系”的概念，即将焊缝的切线 定义为!'轴，将焊缝的中心线定义为"'轴，#'轴由 右手定则决定。该坐标系的定义唯一确定了空间焊 缝各焊点的全部特征，而带来的显著优点是可以引 用齐次变换技术很容易的求得焊缝的倾角和转角， 进而可以将复杂的空间焊缝分解为“立坡焊”和“横 坡焊”，用这二种焊接位置的组合来描述任何空间 复杂焊缝的焊接位置。 2.2马鞍形焊缝位置的定义及分解 针对焊缝特征坐标系的定义，选取任意空间曲 线焊缝，建立如图2所示的焊缝特征坐标系示意图。 图2中的!'轴为焊缝的切线方向。焊缝的中心线 是经过该焊点的形成该点焊缝的两工件的表面的法 向量的角平分线。图2中的Z'轴即为焊缝的中心 线。#$轴由右手定则确定。 图2空间曲线“焊缝特征坐标系”示意图 Fig.2Sketchofcharacterreferenceframeofspaceweld 以"'轴为法线的过该焊点的平面为焊接平面。 则图2中!$#$"$即为该焊点的焊缝特征坐标系。很 明显，随着空间焊缝焊点变化，则焊缝特征坐标系相 应移动并发生转动。 因此，空间曲线焊缝特征信息的提取就转化为 计算焊缝的特征坐标系问题。 3锅炉典型焊缝路径规划 3.1概述 针对锅炉典型焊接接头为马鞍形焊缝的特点，