[發明專利]基于徑向偏置的機器人堆焊復雜外形工件的軌跡規劃方法

有效

• 申請號: 201110138103.0
• 申請日: 2011-05-26
• 公開（公告）號: CN102218578A
• 公開（公告）日: 2011-10-19
• 發明（設計）人: 孟正大;程學剛;桂文斌;周源;王成
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: B23K9/04
• 分類號: B23K9/04
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 朱戈勝

技術領域

本發明涉及的是一種基于徑向偏置的機器人堆焊復雜外形工件的軌跡規劃方法，該方法可基于工件CAD模型自動規劃機器人焊接路徑，適用于利用弧焊機器人堆焊具有不同外形包括復雜外形工件的場合，屬于焊接自動化、機械制造等領域。

背景技術

堆焊是用電焊或氣焊法把金屬熔化，堆在工具或機器零件基座上制造工件的焊接方法。特別是某些復雜外形工件使用鑄造或鍛造時具有局限性，必須使用堆焊。由于堆焊形成的工件具有結合強度高、殘余應力小、周期短和效率高等優點，尤其是隨著工業機器人的推廣和普及，越來越多的廠家開始使用焊接機器人來完成堆焊工作了。

傳統的機器人堆焊示教編程由操作人員在車間現場通過示教盒操縱機器人在工件各層截面示教一系列軌跡特征點，并在示教編程器上完成編程。對于復雜外形的工件，由于軌跡數量多且復雜，這種方法所需的示教編程時間非常長。堆焊路徑需要操作人員根據知識與經驗進行示教，所需操作人員的層次較高，而且在堆焊大型焊件時需示教的點會非常多，誤差會變大，降低了機器人使用效率，不利于降低成本。

在熔焊成型軌跡規劃中，為了保證零件的強度，各焊縫之間應有一定的重疊。目前發展出了多種適合堆焊的軌跡規劃方法，通常采用的軌跡規劃方式有兩種：

一種是采用一條一條的掃描直線，把截面實心的部分給填充起來的軌跡規劃方法。這種方法生成的截面外形精度不高，連貫性不好，生成的零件的翹曲、變形較為嚴重，并且由于系統慣性的影響，頻繁的啟停焊接設備形成的零件會有毛刺；但是它算法比較簡單、速度快，并且如果采用好的分區掃描的方法，能夠減輕零件的變形、翹曲，以及減少生成零件的表面毛刺。

另一種則是沿著截面的輪廓環一層一層向實心部分偏置(外環向內，內環向外偏置)的軌跡規劃方法，對于單調區域執行外環向內的偏置，按照這種路徑生成方法形成的截面外形精度高，并能很好地解決成型過程中的變形、翹曲問題，但是對于曲線輪廓，該方法難以保證軌跡間的間距一致，并且要處理環偏置后帶來的環的自交問題以及直線段消失的問題。環的自交問題帶來在相交部分會產生焊料堆積，而直線段消失的問題可能影響截面外形。

傳統的軌跡規劃需要人工進行對軌跡線的邊界截取和盲區(即焊料無法到達的區域)手動修復。這樣往往會造成盲區的焊料過多需要打磨，或者盲區的焊料過少需要補焊，從而增加人工時，降低了生產效率，并影響堆焊質量。

針對上述方法存在的問題，本發明設計了新的機器人堆焊軌跡規劃方法——徑向偏置法，采用以工件截面一側的輪廓線為偏置線，向截面另一側輪廓線逐次進行徑向偏移，自動生成該截面焊接軌跡線，以保證工件外形精度與軌跡線間的間距，消除環的自交與直線段消失等問題；對于曲率變化過大的偏置線，根據曲率特征進行分段偏置以適應復雜輪廓；根據焊接工藝的要求以及水斗模型的外形特征，設計修復算法，對偏移后的軌跡線進行調整以修復盲區以減少補焊和打磨所需的工作量。

發明內容

本發明的目的是提供一種機器人堆焊復雜外形工件的離線自動軌跡規劃方法。該方法基于工件CAD模型自動規劃機器人焊接路徑，采用以工件截面一側的輪廓線為偏置線，向截面另一側輪廓線逐次進行徑向偏移，自動生成該截面焊接軌跡線，以保證工件外形精度與軌跡線間的間距，消除環的自交與直線段消失等問題。對于曲率變化過大的偏置線，根據曲率特征進行分段偏置以適應復雜輪廓；根據焊接工藝要求以及工件模型的外形特征，設計修復算法，對偏移后的軌跡線進行調整以修復盲區，減少補焊和打磨所需的工作量。本發明的具體技術方案如下：

一種基于徑向偏置的機器人堆焊復雜外形工件的離線軌跡規劃方法，該方法主要包含如下步驟：

(1)導入工件的三維CAD模型，按焊道高度截取一系列的截面；

(2)在截面上，根據焊道寬度與工件截面邊界線的長度自動計算偏置距離：先由左邊界線長度除以默認的焊道寬度，按四舍五入確定偏置距離，該偏置距離即為該層焊道寬度，通過自動調整焊接參數(焊接電流或速度)加以實現；

(3)采用徑向偏置法將軌跡向內進行偏移，產生新的軌跡；

(4)對樣條屬性的偏置線(即新的軌跡)進行裁剪，去除工件外多余的軌跡線；

(5)對偏置線進行盲區修復，以消除盲區；

(6)對偏置后的各軌跡線進行排序，產生該截面的堆焊軌跡；

(7)從與工件基座直接熔接的第一層截面開始直至最高層截面，重復步驟(2)-(6)，產生整個工件的堆焊軌跡。