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1、第= 届全国装备再制造工程学术会议济南2 0 0 6 年1 0 B 再制造成形系统中的焊接路径规划 梁嫒嫒，朱胜 饿备再制造技术国防科技重点实验室，北京1 0 0 0 7 2 ) 摘 要：在实现系统标定、零件扫描建模的基础上，对焊接机器人的路径规划进行了研究：阐述了规划原理，得出一 系列的规划参数；进行了焊道重叠量的计算，分析比较不同重叠量的焊接效果；进行了软件实现，指导零件的堆焊修 复，效果良好。 关键词：再制造成形系统；M I G 焊接；路径规划 P a t I IP h n n i n gf o rM I G S u r f a c i n go fR e m a n u f a c t
2、 u r i n gS y s t e m L I A N GY u a n y u a n ，Z H US h e n g ( N a t i o n a lK e yL a b o r a t o r yf o rR e m a n u f a c t u r i n g 。B e i j i n g1 0 0 0 7 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h i sp a p e ri n v e s f i g a t e st h ew e l d i n gp a t hp l a n n i n go ft h er o b o ta f t e r
3、c a l i b r a t i n g , s c a n n i n ga n dm o d e lr e b u i l d i n g T h e f o l l o w i n gi s s u e sa r ec o n t a i n e d ：i n t r o d u c i n gt h ep l a n n i n gp r i n c i p l e 。s e l e c t i n gt h es u i t a b l ew e l d i n gp r o c e s sb a s e dO i lw e l d i n g p a r a m e t e r
4、s ，c a l c u l a t i n gt h ea m o u n to fb e a d - l a p 。a n da n a l y z i n gt h er e s o r to fd i f f e r e n ta m o u n t A l lt h ep a r a m e t e r sh a v eb e e n v e r i f i e di nt h e o r ya n dt h er e s u l tm e e t st h ew e l d i n gr e q u e s t K e y w o r d s ：r e m a n u f a c
5、t u r i n gs y s t e m ；M I Gs u r f a c i n g ；p a t hp l a n n i n g 0 引言1 路径规划 焊接是机械制造工业的主要加工手段之一，提 高焊接质量的稳定性和可靠性是至关重要的，为此， 引入了基于机器人的再制造快速熔敷成形系统。该 系统包括机器人系统、三维激光扫描仪反求系统1 和软件系统，并具有下列功能： ( 1 ) 使用一个3 D 扫描仪在计算机里产生一个 3 D C A D 模板； ( 2 ) 计算焊接的位置和数量； ( 3 ) 自动机械编程、产生路径； ( 4 ) 再加工过程的参数输入，通过机器人一系 列动作来执行程序；
6、 ( 5 ) 在3 D 扫描仪和C A D 模板里产生工件最终 尺寸。 在实现标定、扫描和建模的基础上，根据缺损 量，结合焊接工艺，对焊接路径进行了规划。 收稿日期；2 0 0 6 - 0 8 - 0 3修回日期l2 0 0 6 - - 0 9 - - 0 9 作者简介；粱嫒嫒( 1 9 8 3 - ) ，女( 扔D ，吉林人，硕士研究生 2 7 8 修复模型确定之后，必须针对共修复过程进 行一些合理、高效的规划，即修复路径的规划。为 了得到最好的修复质量和外观平滑、美观的修复效 果，力求使堆焊路径处于水平或稍微下坡状态。 由于进行再制造的零件种类各异，其堆焊路径 的规划算法也大不相同，因此T
7、 r v 3 D E d i t 软件添加 了与机器人的接口，可以实现离线编程进行路径规 划，产生R o b o t 路径和程序。对规划生成的焊接路 径进行坐标变换，并在每条路径中增加开始点和终 止点，然后根据机器人程序结构输出到文件中，就 生成了机器人程序。该程序可为机器人所用，实现 后续的仿真和实际生产。该设计充分体现了柔性再 制造的特点，能极大的提高系统的工作效率M l 。 1 1 规划原理 对于空间某指定焊缝，综合考虑缺损模型与标 准模型对比得出的缺损量及优化的熔敷成形工艺 之间的问题，在焊接作业空间中寻找一条最优的机 器人焊接运动轨迹及其相应的焊接姿态，这就是焊 第二届全国装备再制造
8、工程学术会议 济南2 0 0 6 年1 0 月 接机器人路径规划。焊接熔敷成形路径规划示意图 如图l 所示。 ， l 缺损模型与标准模型对比 焊接成形工艺优化 上上 得出缺损量 焊道熔宽，熔深、余高 上 焊接成形路径规划 图1 焊接成形路径规划 F i g 1 H o wc h a r to f p l a n n i n g 第一步I 选择用来计算缺损量的柱体模型和需 要在其中产生焊接路径的点云，计算每一点的E r r o r 值也就是缺损值，将选中点的坐标变换到以拟合柱 体轴心为z 轴、拟合柱体轴心上的一点为原点的平 面直角坐标系下，再从平面直角坐标系转换为柱坐 标系( r a ，z )
9、，其中柱坐标系的z 轴就是拟合柱体的 轴心。以下讨论就是在这个柱坐标系中进行。 第二步I 计算选中点云中E r r o r 小于0 的点( 也 就是缺损面上的点) 的z 最大值乙。和Z 最小值 2 击，这样计算焊接路径时就只考虑z 值大于2 盏 并且小于乙。的点。 第三步：计算某一截面的焊接路经：给定 z ，z n l i n 十表示垂直于柱坐标系轴心的一个平 面，用这个平面去切点云，可以得到一圈点，将这 一圈点根据其a 值进行排序并且去掉E r r o r 大于0 的点( 也就是说只考虑缺损面上的点) 我们就可以 得到一条由口从小到大的缺损面上的点组成的有序 路径。我们再把这条路径经过的点及
10、其附近点的坐 标的r 值加上焊缝厚度d e p t h ，同时将E r r o r 值减去焊 缝厚度d e p t h ，就表示这条焊接路径经过的缺损面得 到了一定程度的修补。这样我们就得到了一条焊接 路径，接下来我们再用2 r 劬+ 业这个面去切经过修 补的点云，重复第三步直到平面切点云得到的E r r o r 小于O 的点个数为0 为止。 第四步：将加上焊接路径的间距( - - I 以根 据焊缝宽度得到) ，重复第三步直到Z m t n + A Z - 2 名。 为止。这样就遍历了点云中所有的缺损面，得到了 若干焊接路径。 第五步：将焊接路径中每一点变换到机器人 B a s e 坐标系下。
11、计算路径中每一点的位置和方向。 2 7 9 每个点的z 方向垂直于拟合柱面指向拟合柱体 轴心，Y 方向与拟合柱体轴心平行。产生路径的示 意图如图2 所示。 图2 产生路径的示意图 F i g 2 S c h e m a t i cd i a g r a mo fp l a n n i n g 1 2 焊接工艺及其规划 焊接质量的优劣，焊接工艺参数起着至关重要 的作用。人们在解决各种焊接工艺问题时，首先想 到的都是如何合理地选择焊接工艺参数，而对于熔 化极气体保护焊来说，合理地选择焊接工艺参数尤 为重要p 。 针对再制造零件磨损量厚度比较小的特征，在 选择焊接工艺时有以下原则： ( 1 ) 焊接
12、电流的选择原则：在保证焊接质量的 前提下，尽量选择小的焊接电流。 ( 2 ) 焊接速度的选择原则：在保证焊接质量的 前提下，采用大的焊接速度。 ( 3 ) 在( 1 ) 和( 2 ) 的前提下，尽量选择焊道余高变化 平缓且余高最大量较小、焊道宽度较大的焊接工艺。 通过实验对4 5 C r N i M o V A 材料进行了堆焊熔 敷工艺优化，优化的熔敷成形工艺为：焊接电流1 0 8 A ，焊接速度1 2m l r l s 。 2 焊道重叠量的计算 在焊接路径规划时需要给出焊道的重叠量，以 确定焊道间的叠放方式，选择合适的重叠量会使缺 损面经焊接修复后，表面形貌美观且用料经济合理。 对实验采集到
13、的焊道成形图中焊接电流I = 1 0 8 第二届全国装备再制造工程学术会议 济南2 0 0 6 年l O 月 A 、V = 1 2m m s 的数据进行分析，即用M a t l a b 进行 拟合得到曲线方程，并采集数据如下：【abcX 1X 2X 3 x 4 t W IW 2 h m a x 】，其中a 、b 、c 为曲线的二次方程的 系数；X l 、X 2 为第一道焊缝的起始点与终止点；X 3 、 X 4 为后一道焊缝的起始点与终止点；t 为后一道焊 缝在第道焊缝的基础上平移的距离；W I 为前一道 焊缝的起始点与终止点之间的距离；W 2 为前一道 焊缝的起始点与后一道焊缝终止点之间的距离
14、； h 一为两道焊缝叠加后在叠加区域内产生的最高高 度。跟踪不同比例叠加平移情况结果，以确定最佳 重叠量，如图4 所示。 分析图4 焊缝数据分布情况，可以看出，图( a ) 平移1 2 后的两道焊缝拟合，叠加后的区域高出焊 缝余高很多；而图( b ) 平移3 4 后的两道焊缝拟合， 叠加后的区域又低出焊缝余高很多，形成凹陷；图 熔宽，m m ( a ) t - - - - 1 2 ( c ) 平移1 1 1 6 后的两道焊缝拟合，叠加后的区域与 焊缝余高基本等高，焊缝成形效果较好，叠加区域 基本能与余高等平，符合试验要求，所以从理论计 算上在采用焊接电流为1 0 8A 、焊接速度为1 2 i
15、R m s 的焊接工艺参数时，焊接路径的规划是在第一道焊 缝的基础上平移1 1 1 6 ，焊道效果比较平滑、美观。 2 1 5 目 童 1 超 娱劬 O 三一 熔彭舢 图3 一道焊缝拟合图 F i g 3 F i t t e dC U l W Cf o rIp a s s 熔g m m ( b ) t = 3 4 ，： 曩三 土趁挞越 ：Z：一i- 。一j 一盖一j 一：，j 一 矿耐- r 。- 十- F - T 7 _ i s - ；蜘；j 牛 图4 两道焊缝拟合图形 F i g 4 F i t t e dc u r v ef o r2p a s s ( a ) t = 1 2 ；( b
16、) t = 3 4 ；( c ) t = 1 1 1 6 3 结论 文中提出了叠加法求解焊道重叠量的数值计 算方法，即采用数值计算方法模拟路径规划的后一 道焊缝相对前一道焊缝的重叠量。通过相关试验证 明了选择合适的重叠量会使缺损面经焊接修复后， 表面形貌美观且用料经济合理。在实际执行熔敷焊 接过程中，同时需要考虑各系统间的同步问题，这 需要在日后进行进一步的研究。 参考文献： 【l 】田晓东，史桂豪阮雪榆复杂曲面实物的逆向工程及其 关键技术叨机械设计与制造I 程2 0 0 0 , 2 9 ( 4 ) ：1 - 4 【2 】栾贻国，李海蜂，唐炳涛，等反求工程及其相关技术 【J 】山东大学学报，2 0 0 3 ，3 3 ( 2 ) ：1 1 4 - - 1 1 8 【3 】杜永平，膝启反求工程技术【J 】起重运输机械， 2 0 0 3 ，( 1 ) ：1 - 4 2 8 0 【8 】 【9 】 熔宽m m ( c ) t = 1 1 1 6 居琰，汪同庆，罗晓
