厚壁大尺寸圆筒形焊件相贯线接缝埋弧焊焊接平台控制方法

摘要

厚壁大尺寸圆筒形焊件相贯线接缝埋弧焊焊接平台控制方法：确定焊件尺寸和焊接速度，确定合适的离散步长；将相贯线离散化，得到离散焊点的坐标值；由传感器采集焊件的实际俯仰角和实际旋转角，作为两个反馈量与俯仰、旋转角控制参考值求误差，作为俯仰、旋转位置PID控制器的输入，两位置PID控制器的输出分别为滚轮驱动电机和液压泵驱动电机的速度控制参考值；焊枪三自由度的位置控制参考值与传感器检测到的焊枪实际位置值求误差，焊枪三个方向的位置PID控制器的输出为焊枪机械臂三个方向对应伺服驱动电机的速度控制参考值，实现闭环控制。本发明可实现厚壁大尺寸圆筒形焊件相贯线接缝埋弧焊焊接平台的有效、稳定控制，为高质量焊缝焊接提供了保障。

说明书

技术领域

本发明涉及一种厚壁大尺寸圆筒形焊件相贯线接缝埋弧焊焊接平台控制方法，属于 工业设备焊接技术领域。

背景技术

在石油、化工、锅炉、水电、核电等制造行业中，需要解决输油、输气、输水等容 器和与其连接的管道的接缝焊接问题，这种容器与管道之间相贯线接缝的焊接加工用常 规的自动化焊接设备是难以解决的，为自动化生产带来了一定的困难。同时，这种空间 曲线焊缝焊接劳动强度大，焊接质量不易保证。特别是化工、核电、船舶领域的厚壁大 尺寸焊件焊缝，缺乏实用有效的焊接方法。

埋弧焊是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。其固有的焊接质量稳定、焊接 生产率高、无弧光及烟尘少等优点，使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢 结构制作中的主要焊接方法。将埋弧自动焊技术应用到厚壁大尺寸焊件焊缝的焊接中， 具有十分广阔的前景。

目前国内圆筒形焊件相贯线接缝的焊接一般采用手工焊接和工人手扶机械臂的半 自动化焊接。但手工焊接对于工人的体力和技术的要求很高，且生产效率低，焊接质量 不稳定。随后一些单位采用机械仿形原理研制了一些专用自动焊接设备，但可适应的焊 件类型少，尺寸范围窄，自动化水平和焊枪跟踪能力都不理想，只能适用于大、中批量 且焊接质量要求不高产品的生产。现在国内比较流行的焊接机器人，虽自动化水平有了 很大提高，但多应用于环缝等规则焊缝的焊接，同时多采用气保焊工艺，不适于焊接厚 壁大尺寸焊件焊缝这种对于焊接强度要求很高的场合。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种厚壁大尺寸圆筒形焊件相 贯线接缝焊接平台控制方法，该方法可以控制焊接平台实现圆筒形焊件相贯线接缝采用 埋弧焊工艺自动焊接，使得焊接平台可靠性好，接缝焊接质量高。

本发明的技术解决方案：厚壁大尺寸圆筒形焊件相贯线接缝埋弧焊焊接平台控制方 法，实现流程如图1所示，实现步骤如下：

(1)建立空间坐标系OXYZ，OXYZ坐标系以大小焊件轴线的交点为原点O。大 焊件轴线水平，小焊件轴线竖直，定义为焊件的初始姿态。定义初始姿态的大小焊件的 轴向分别为Y轴和Z轴方向，X轴垂直于YOZ平面。焊接过程中，OXYZ坐标系与焊件 的相对位置保持不变，但随着焊件姿态的变化而变化。以YOZ平面和三角支架顶端的交 点O”为原点，建立空间位置静止不动的坐标系O”X”Y”Z”，Y”轴和Z”轴分别平行于Y 轴和Z轴的初始位置，X”轴垂直于Y”O”Z”平面。

(2)焊件尺寸和焊接速度的输入和参数计算。确定圆筒形焊件的大小尺寸，包括 两圆筒形焊件的外半径，大焊件的长度，小焊件的焊接位置，建立相贯线接缝的空间数 学模型等。根据工艺要求，确定合适的焊接速度，即焊丝与接缝坡口的相对移动速度； 根据焊接误差和焊接工艺的要求，确定合适的离散步长，即相邻离散焊点之间的直线距 离。

(3)参数的处理和控制参数的计算。根据步骤(2)输入的参数，将相贯线焊缝的 空间数学模型离散化，得到离散焊点的坐标值。计算相贯线周长，结合焊接速度确定离 散周期，计算离散焊点满足约束条件的焊件俯仰、旋转角控制参考值，根据坐标变换公 式确定焊枪三个自由度的位移控制参考值。

(4)焊接平台上安装有传感器，传感器采集得到两个反馈量，即当前焊件的俯仰 角α和旋转角β，与步骤(3)得到的俯仰、旋转角控制参考值求误差，该误差作为焊 件位置PID控制器的输入，由焊件位置PID控制器得到圆筒形焊件驱动系统滚轮驱动电 机和液压泵驱动电机的速度控制参考值。

(5)焊枪驱动系统传感器采集得到焊枪运动的实际速度v,由积分可得焊枪实 际的位移。该位移与步骤(2)得到的焊枪位移控制参考值求误差，该误差作为焊枪位 置PID控制器的输入，由焊枪位置PID控制器得到焊枪机械臂三个自由度控制电机的速 度控制参考值。

(6)将滚轮驱动电机和液压泵驱动电机的速度控制参考值作为焊件运动控制系统 电机驱动器的输入，焊枪机械臂三个自由度驱动电机的速度控制参考值作为三个自由度 驱动电机驱动器的输入，由电机驱动器实现电机转速和电流闭环控制。通过对焊枪的三 个自由度位移控制，圆筒形焊件的俯仰和旋转角度控制，实现相贯线接缝焊接。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用离散逼近法和坐标变换实现厚壁大尺寸圆筒形焊件相贯线接缝埋 弧焊焊接平台的自动控制，用离散焊点逼近焊缝，控制方法可以精确实现焊接平台的姿 态控制和焊枪的位置控制，同时适合于工业领域数字化驱动设备的输入要求。

(2)本发明为厚壁大尺寸圆筒形焊件相贯线接缝焊接平台提供了一种可靠、有效 的控制方法，不仅可以实现相贯线接缝的焊接，而且使得焊缝焊接可以采用埋弧焊工艺， 从而使得相贯线接缝的焊接质量大大提高，同时焊接误差满足工程要求，应用前景巨大。

(3)本发明基于的离散逼近法和坐标变换公式，同样适于其他形状接缝的分析处 理，所以本发明可以作为其他形状焊缝焊接的方法基础，稍加修改，就可以应用于其他 复杂形状焊缝的焊接。

(4)本发明提出的焊件姿态控制算法和焊枪控制位置控制算法，同样适用于相贯 线坡面、马鞍形坡面或其他不规则形状的切割控制。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明中的焊接平台结构示意图；

图3为本发明中的坐标系定义和参数说明示意图；

图4为本发明中的控制参考值的计算过程示意图；

图5为本发明中的俯仰角度PID闭环的示意图。

图2中：1—三自由度机械臂；2—焊枪；3—小焊件；4—大焊件；

5—防窜旋转轴承；6—滚轮；7—驱动电机；

8—加强筋；9—俯仰平台；10—液压杆；11—三角支架

具体实施方式

如图1所示，本发明中厚壁大尺寸圆筒形焊件相贯线接缝埋弧焊焊接平台控制方法， 实现步骤如下：

(1)坐标系定义。如图3所示，首先建立一个空间坐标系OXYZ，OXYZ坐标系以 大小焊件轴线的交点为原点O。大焊件轴线水平，小焊件轴线竖直，定义为焊件的初始 姿态。定义初始姿态的大小焊件的轴向分别为Y轴和Z轴，X轴垂直于YOZ平面。焊 接过程中，OXYZ坐标系与焊件的相对位置保持不变，随焊件姿态的变化而变化。以YOZ 平面和三角支架顶端的交点O”为原点，建立空间位置静止不动的坐标系O”X”Y”Z”， Y”轴和Z”轴分别平行于Y轴和Z轴的初始位置，X”轴垂直于Y”O”Z”平面。

(2)焊件尺寸和焊接速度的输入和参数计算。需要确定的尺寸参数有大焊件外径 R，小焊件外径r，大焊件轴线到俯仰平台表面的距离d等。根据工艺要求，确定合适 的焊接速度，即焊丝与接缝坡口的相对移动速度；根据焊接误差和焊接工艺要求，确定 合适的离散步长，即相邻离散焊点之间的直线距离。

(3)参数的处理和控制参数的计算。根据步骤(2)输入的参数，将相贯线焊缝的 空间数学模型离散化，得到离散焊点的坐标值。计算相贯线周长，结合焊接速度确定离 散周期，计算各离散焊点对应的满足约束条件的焊件俯仰、旋转角控制参考值，根据坐 标变换公式确定焊枪三个自由度的位移控制参考值。

控制参考值的计算过程如图4所示。首先，确定离散焊点在动坐标系OXYZ中的坐 标。不妨设第一个焊点的坐标为(x₁,y₁,z₁)＝(0,r,R)，由下式：

$\left(\begin{array}{c}{x}_{i+1}^2+y_{i+1}^2=r^2\\ x_{i+1}^2+z_{i+1}^2=R^2\\ {(x_{i+1}-x_i)}^2+{(y_{i+1}-y_i)}^2+{(z_{i+1}-z_i)}^2=\Delta l^2\end{array}\right)$

可得(x₂,y₂,z₂)，反复迭代可得n个离散焊点的坐标的(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,...,n。式中R、 r、Δl分别为大焊件半径，小焊件半径和离散步长。

然后，将离散焊点在坐标系OXYZ中的坐标变换为其在静坐标系O”X”Y”Z”中的坐 标。为保证焊接质量，满足埋弧自动焊焊接工艺要求，要求焊枪和焊件的空间姿态满足 三个约束条件：1焊枪竖直；2焊点处焊件切平面形成的二面角的角平分面竖直，保障 焊剂分布均匀；3焊点处相贯线的法平面竖直，避免上、下坡焊和焊剂侧滑。由以上约 束条件，可得坐标为(x_i,y_i,z_i)的焊点，焊件的俯仰和旋转角度应为 $\left(\begin{array}{c}{\alpha }_i=\mathrm{arctg}\frac{-\frac{1}{r}{y}_i}{\sin \beta (\frac{1}{R}+\frac{1}{r})x_i-\frac{\cos \beta }{R}{z}_i}\\ {\beta }_i=-\mathrm{arctg}\left((\frac{R}{r}+1)\frac{x_i}{z_i}\right)\end{array}\right).$α_i,β_i就是焊件俯仰和旋转角度的控制参考值。其中 (x_i,y_i,z_i)为离散焊点在OXYZ坐标系下的坐标，R、r分别为大小筒形焊件半径，其物 理定义如图3中所示。焊件俯仰运动和旋转运动分别以X、Y轴为轴，正方向如图3 中所示，(α_i,β_i)为焊接离散焊点(x_i,y_i,z_i)时焊件相对于初始姿态俯仰过的角度和旋转 过的角度。

结合坐标变换的公式：

$\left(\begin{array}{c}{x}^{\prime }\\ y^{\prime }\\ z^{\prime }\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \alpha & -\sin \alpha \\ 0& \sin \alpha & \cos \alpha \end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos \beta & 0& \sin \beta \\ 0& 1& 0\\ -\sin \beta & 0& \cos \beta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\cos \beta & 0& \sin \beta \\ \sin \alpha \sin \beta & \cos \alpha & -\sin \alpha \cos \beta \\ -\cos \alpha \sin \beta & \sin \alpha & \cos \alpha \cos \beta \end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$

将离散焊点的坐标和对应的(α_i,β_i)代入上式，可得离散焊点在经过焊件的俯仰和旋转运 动后，在坐标系OXYZ中的坐标(x',y',z')。再结合 (x_i”,y_i”,z_i”)＝(x_i',y_i'+Lcos(α+γ),z_i'+Lsin(α+γ))，其中e 为初始姿态时Z轴和Z”轴之间的距离，d为大焊件轴线到俯仰平台表面的距离。可将 动坐标系OXYZ中离散焊点的坐标变换到静坐标系O”X”Y”Z”中。这些离散焊点的坐 标(x_i”,y_i”,z_i”)，就是焊枪所要跟踪的空间位置坐标。设V为焊接速度，即焊丝与接缝 坡口的相对移动速度，通常由焊接工艺及硬件成本确定，埋弧焊工艺一般要求V在 15-25m/h之间。焊接一圈所需的时间S为相贯线接缝周长，Δt为离 散周期。S的计算式子为由计算式 (Δx_i”,Δy_i”,Δz_i”)＝(x_i+1”-x_i”,y_i+1”-y_i”,z_i+1”-z_i”)可得第i个离散周期内焊枪位移控制参考值 的计算算式。

(4)焊接平台上安装有传感器，传感器采集得到两个反馈量，即当前焊件的俯仰 角度α和旋转角度β，与步骤(3)得到的俯仰、旋转角度控制参考值求误差，该误差 作为焊件位置PID控制器的输入，由焊件位置PID控制器得到圆筒形焊件驱动系统滚轮 驱动电机和液压泵驱动电机的速度控制参考值。

(5)焊枪驱动系统传感器采集得到焊枪运动的实际速度v,由积分可得焊枪实 际的位移。该位移与步骤(2)得到的焊枪位移控制参考值求误差，该误差作为焊枪位 置PID控制器的输入，由焊枪位置PID控制器得到焊枪机械臂三个自由度控制电机的速 度控制参考值。

(6)将滚轮驱动电机和液压泵驱动电机的速度控制参考值作为焊件运动控制系统 电机驱动器的输入，焊枪机械臂三个自由度驱动电机的速度控制参考值作为三个自由度 驱动电机驱动器的输入，由电机驱动器实现电机转速和电流闭环控制。通过对焊枪的三 个自由度位移控制，圆筒形焊件的俯仰和旋转角度控制，实现相贯线接缝焊接。

为了提高本焊件平台控制方法的快速性和控制精度，利用安装在俯仰平台表面的倾 角传感器和转角传感器，采集焊件实际的俯仰角和旋转角信号，反馈给系统，实现俯仰 角度和旋转角PID闭环控制；利用焊枪驱动系统传感器采集得到的焊枪实际速度v，由 积分得到焊枪实际的位移，反馈给系统，实现焊枪位置PID闭环控制。

以俯仰运动的角度PID闭环控制为例，如图5所示，焊件俯仰角指令值α^*作为俯 仰角给定值，倾角传感器的测量值α作为俯仰角反馈值，给定值和反馈值之间的误差e 作为位置PID控制器的输入。PID控制参数需要根据实验确定。位置PID控制器的输出 为相应自由度运动的速度控制参考值。

用跟踪离散焊点的方法，实现焊枪对相贯线曲线焊缝的跟踪，会产生焊接误差。离 散步长Δl越小，得到的离散焊点越多，产生的误差越小。但随着离散步长的减小，要求 控制器的控制精度越来越高，控制成本和复杂程度越来越高。所以，工程实践中，要结 合具体应用场合，根据焊接工艺和工程成本要求，综合确定离散步长的大小。焊件越大， 离散步长可以取得越大，离散步长大小应在3mm-50mm之间。

本发明对图2所示的厚壁大尺寸(壁厚在30～120mm之间，焊件直径在800～3500mm 之间，长度在1000～2500mm之间)圆筒形焊件(简称为“焊件”)相贯线接缝埋弧焊焊 接平台进行控制。焊接平台包括俯仰运动子系统，旋转运动子系统和焊枪运动子系统。 俯仰运动子系统负责驱动焊件进行俯仰运动，包括三角支架11，俯仰平台9，液压杆10， 液压泵等。旋转运动子系统负责驱动大焊件4进行旋转运动，包括焊接滚轮架6，驱动 电机7等。焊接滚轮架两端装设加强筋8和防窜旋转轴承5，保证平台俯仰过程中，焊 件不发生轴向窜动。俯仰运动和旋转运动的正方向定义如图3所示 e为初始姿态时Z轴和Z”轴之间的距离，d为大焊件轴线 到俯仰平台表面的距离，R、r分别为大小筒形焊件半径，O,X,Y,Z,O”,X”,Y”,Z”分 别为之前定义的动、静坐标系的各坐标轴)。用α、β分别表示俯仰运动和旋转运动角 度的大小。焊枪运动子系统负责驱动焊枪进行三自由度的空间位置移动，包括焊枪2(由 三自由度机械臂1带动，三自由度机械臂分别由三个电机驱动)，三个电机，直线导轨 等。

通过本发明对焊接平台的控制，使焊件按照预定的规律进行俯仰和旋转这两个自由 度的运动，焊枪跟踪焊点，进行三自由度的空间位置移动，焊件的姿态调整运动和焊枪 的空间位置移动相配合，满足埋弧焊工艺对焊缝和焊枪姿态以及相对位置的要求，并完 成相贯线接缝的焊接。

本发明根据曲线离散逼近理论，将相贯线焊缝离散化，焊缝上每隔一定的离散步长 取一个离散点，后文称为“离散焊点”。用离散焊点逼近相贯线接缝，将焊枪跟踪焊缝的 过程转化为焊枪跟踪离散焊点的过程，只要离散步长取得足够小，就可以在满足焊接误 差的要求下，实现相贯线接缝的焊接。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。