[发明专利]一种用于集箱焊接的自动焊接系统

说明书

技术领域

本发明属于集箱焊接技术领域，具体涉及一种用于集箱焊接的自动焊接系统。

背景技术

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--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--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。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明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，本发明采用的技术方案是：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：

（1）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；

ⅱ）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。