一种用于集箱焊接的自动焊接系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于集箱焊接的自动焊接系统，包括设在集箱上方的操作机构、设在操作机构上的焊接机器人和设在焊接机器人上的焊枪，还包括与焊接机器人相连的上位控制装置和数据采集装置，上位控制装置中包含用于存储、加工数据并控制其他子模块的中央处理器、用于产生焊接轨迹计算结果的后台计算子模块、用于产生焊接轨迹仿真结果的模拟仿真子模块以及用于系统和用户之间进行交互和信息交换的人机交互界面；数据采集装置用于采集焊接机器人实际的运行状态参数。本系统可较好地调整机器人所控制的焊枪的位置及姿态，还能够通过对焊缝的跟踪，完成自动排焊道和对焊口加工中出现的误差的补偿，提高焊接质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集箱焊接
，具体涉及一种用于集箱焊接的自动焊接系统。
技术介绍
集箱(又称联箱)是在汽、水系统中用于汇集或分配工质的圆筒形压力容器，通常包括构成集箱主体的母管以及焊接在母管上的接管。锅炉压力容器是一种常见的集箱，锅水由锅筒经下降管流入下面的箱体中，由箱体分配给各管束，这些管束中的水不断吸收热能，汇集到上面的箱体中再流回锅筒内。在大型管道和锅炉压力容器焊接中，时常会遇到的管一管以及管与筒体或罐体相交连接的情况，此时在相交处会形成一道由空间曲线一相贯线(又称马鞍形曲线)构成的焊口，这道焊口由于构件壁厚体积大，一次焊口既深又长，通常需要打底盖面，中间还需要多层多道填充才能完成；尤其是焊缝呈一空间曲线，在焊接过程中焊枪须循空间轨迹行走并要求分段不断调整姿态，焊接难度非常大。一般工厂仍由手工焊完成，制造周期长，劳动强度大，生产效率低且焊接质量难以保证。若在焊接生产中采用机器人焊接技术，则可以提高生产效率，改善劳动条件稳定和保证焊接质量，实现相贯线焊缝的自动化焊接。目前，国外机器人中厚板焊接技术只限于直缝和环缝的焊接，对适用于中厚板马鞍形空间曲线焊接的机器人系统在国外尚处于研究阶段。而国内机器人中厚板焊接技术目前尚处于空白阶段，虽然国内开发了一些适用于中厚板的自动化焊接设备，但效率较低，且存在诸如对中困难、难以实现多层多道焊的自动排焊道功能等问题。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的是提供一种用于集箱焊接的自动焊接系统，采用该系统能够自动调整焊枪的位置和姿态，并能够实现多层多道焊接。为达到以上目的，本专利技术采用的技术方案是:一种用于集箱焊接的自动焊接系统，所述集箱包括待焊接的母管和接管，所述自动焊接系统包括设在集箱上方的操作机构、设在操作机构上的焊接机器人和设在焊接机器人上的焊枪，其特征在于，该系统还包括与焊接机器人相连的上位控制装置和数据采集装置，上位控制装置中包含中央处理器、后台计算子模块、模拟仿真子模块和人机交互界面，其中:中央处理器，用于存储、加工数据并控制上位控制装置中各子模块；人机交互界面，用于用户通过该人机交互界面输入工艺参数和已知变量、调用后台计算子模块或模拟仿真子模块，并获取相应的结果；后台计算子模块，用于产生焊接轨迹计算结果；模拟仿真子模块，用于产生焊接轨迹仿真结果；数据采集装置，用于采集焊接机器人实际的运行状态参数。进一步，焊接机器人连接有控制柜，上位控制装置和数据采集装置通过通讯电缆与焊接机器人的控制柜相连。进一步，后台计算子模块的实现方式包括以下步骤:(I)调用参数或已知变量,参数包括工件参数、焊道截面参数、装配间隙、工艺参数、焊枪姿态角；已知变量包括特征点位置角度；(2)根据管件切割要求，结合工件参数、装配间隙和特征点位置角度，计算得到母管和接管的相贯线的表达式以及接管连接处切割形成的内壁边缘线和外壁边缘线的表达式；(3)根据等截面坡口角度设计原则，结合工件参数、焊道截面参数和特征点位置角度，计算特征点的坡口截面角度；(4)在特征点的坡口截面角度求解的基础上，根据多层多道焊接的焊道的排布方式和焊道的计算方法，计算得到特定坐标系下任意坡口截面的各层各道上特征点的位置坐标；(5)在特定坐标系下，依据各层各道上特征点的位置坐标，按照由内而外、由下而上的顺序逐层逐道绘制焊接轨迹的曲线图。再进一步，多层多道焊接的焊道的排布方式为:自下而上，焊道层数递增；每层焊道的道数按等差数列递增；多层多道焊接轨道的计算方法为:将任意特征点处的整个焊道截面按三角形计算，其中第一层焊道截面按三角形计算，后续各层最上一道焊道截面按不等边梯形、自上而下其他各道焊道截面按若干等边菱形计算，由焊接工艺的相关工艺参数计算得到单个焊道的截面积，由此得到焊道总数，而后按照等差数列求和的方式计算得到焊道层数，并将每个菱形或梯形的左下角点的位置坐标作为在特征点处施焊时焊枪末端所在的位置坐标。进一步，模拟仿 真子模块的实现仿真的方法包括以下步骤:i )调用数据采集装置采集到的焊接机器人的运行状态参数； )根据机器人运行状态参数，计算焊接轨道上特征点的实际位置坐标；iii)依据各层各道上特征点的实际位置坐标，按照由内而外、由下而上的顺序逐层逐道绘制实际的焊接轨迹；iv)输出焊接轨迹的仿真结果。进一步，操作机构包括设在支柱上的横梁、滑动设在横梁上的悬臂梁以及与滑动设在悬臂梁上的纵梁；焊接机器人连接在纵梁的朝下的一端，焊接机器人上设有用于夹持焊枪的夹持器。再进一步，横梁上沿其长度方向设有水平导轨，悬臂梁的一端设在横梁的水平导轨中；悬臂梁上设有竖直导轨，纵梁设在悬臂梁的竖直导轨中。进一步，操作机构还包括连接在集箱的母管的一端的动力头，动力头上设有可转动的卡盘，卡盘上设有用于卡扣母管端部的活动爪。进一步，悬臂梁、纵梁以及动力头的卡盘分别连接有伺服电机，悬臂梁、纵梁和卡盘各自的伺服电机分别通过通讯电缆与焊接机器人的控制柜相连。进一步，母管的下方设有用于支撑母管的升降滚轮架。本专利技术专门针对相贯线焊缝的工况，提供了一种具有较高精度的便于机器人实现空间焊接轨迹的自动焊接系统，该系统包括操作机构和控制装置，通过控制控制对操作机构中的运动部件进行精确地控制，可较好地调整机器人所控制的焊枪的位置及姿态；此外，该系统能够通过对焊缝的跟踪，完成自动排焊道和对焊口加工中出现的误差的补偿，提高了焊接质量。附图说明图1是本专利技术所提供的一种用于集箱焊接的自动焊接系统的结构示意图，图中略去了上位控制装置和数据采集装置；图2显示了本专利技术提供的系统中上位控制装置与其子模块以及其他装置的结构关系;图3示出了后台计算子模块的计算方法的流程图；图4示出了模拟仿真子模块的实现仿真方法的流程图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步描述。如图1所示，本专利技术所提供的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，包括设在集箱上方的操作机构、设在操作机构上的焊接机器人4和设在焊接机器人4上的焊枪5 ;如图2所示，该系统还包括与焊接机器人4相连的上位控制装置100和数据采集装置200，上位控制装置100中包含后台计算子模块101和模拟仿真子模块102，装置或模块的功能如下:中央处理器(CPU) 104用于存储、加工数据并控制上位控制装置100中各子模块。人机交互界面103用于提供一人机交互界面103，用户通过该人机交互界面103输入工艺参数和已知变量、调用后台计算子模块101或模拟仿真子模块102，并获取相应的结果;后台计算子模块101，用于产生焊接轨迹计算结果；模拟仿真子模块102，用于根据数据采集装置200得到的实际的运行状态参数产生焊接轨迹仿真结果；数据采集装置200，用于采集焊接机器人4实际的运行状态参数。通常，上位控制装置100主要包括由数据线连接在一起的显示器、机箱、鼠标、键盘以及外接电源。显示器的屏幕可示出人机交互界面103的形式。本专利技术中，焊接机器人4连接有控制柜，上位控制装置100和数据采集装置200通过通讯电缆与焊接机器人4的控制柜相连。焊接机器人4的控制柜能够接受上位控制装置100发出的指令，并能根据指令控制操作机构执行相应的动作，具体实现方式在下文中描述。焊接机器人4的结构形状可以根据实际的焊接工况进行选择配置，如焊接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于集箱焊接的自动焊接系统，所述集箱包括待焊接的母管和接管，所述自动焊接系统包括设在集箱上方的操作机构、设在操作机构上的焊接机器人和设在焊接机器人上的焊枪，其特征在于，该系统还包括与焊接机器人相连的上位控制装置和数据采集装置，上位控制装置中包含中央处理器、后台计算子模块、模拟仿真子模块和人机交互界面，其中：中央处理器，用于存储、加工数据并控制上位控制装置中各子模块；人机交互界面，用于用户通过该人机交互界面输入工艺参数和已知变量、调用后台计算子模块或模拟仿真子模块，并获取相应的结果；后台计算子模块，用于产生焊接轨迹计算结果；模拟仿真子模块，用于产生焊接轨迹仿真结果；数据采集装置，用于采集焊接机器人实际的运行状态参数。

【技术特征摘要】
1.一种用于集箱焊接的自动焊接系统，所述集箱包括待焊接的母管和接管，所述自动焊接系统包括设在集箱上方的操作机构、设在操作机构上的焊接机器人和设在焊接机器人上的焊枪，其特征在于，该系统还包括与焊接机器人相连的上位控制装置和数据采集装置，上位控制装置中包含中央处理器、后台计算子模块、模拟仿真子模块和人机交互界面，其中: 中央处理器，用于存储、加工数据并控制上位控制装置中各子模块； 人机交互界面，用于用户通过该人机交互界面输入工艺参数和已知变量、调用后台计算子模块或模拟仿真子模块，并获取相应的结果； 后台计算子模块，用于产生焊接轨迹计算结果； 模拟仿真子模块，用于产生焊接轨迹仿真结果； 数据采集装置，用于采集焊接机器人实际的运行状态参数。2.根据权利要求1所述的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，其特征在于，焊接机器人连接有控制柜，上位控制装置和数据采集装置通过通讯电缆与焊接机器人的控制柜相连。3.根据权利要求1或2所述的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，其特征在于，后台计算子模块的实现方式包括以下步骤: (O调用参数或已知变量，参数包括工件参数、焊道截面参数、装配间隙、工艺参数、焊枪姿态角；已知变量包括特征点位置角度； (2)根据管件切割要求，结合工件参数、装配间隙和特征点位置角度，计算得到母管和接管的相贯线的表达式以及接管连接处切割形成的内壁边缘线和外壁边缘线的表达式； (3)根据等截面坡口角度设计原则，结合工件参数、焊道截面参数和特征点位置角度，计算特征点的坡口截面角度； (4)在特征点的坡口截面角度求解的基础上，根据多层多道焊接的焊道的排布方式和焊道的计算方法，计算得到特定坐标系下任意坡口截面的各层各道上特征点的位置坐标； (5)在特定坐标系下，依据各层各道上特征点的位置坐标，按照由内而外、由下而上的顺序逐层逐道绘制焊接轨迹的曲线图。4.根据权利要求3所述的一种用于集箱焊接的自动焊接系统，其特征在于， 多层多道焊接的焊道的排布方式为:自下而上，...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔江涛，黄享才，訾标，李海全，王忻涛，杨学兵，
申请(专利权)人：北京中电华强焊接工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：