焊接机器人马鞍形轨迹参数化离线编程

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第2卷　第3期产业科技创新　2020，2（3）：43~44Industrial Technology Innovation 焊接机器人马鞍形轨迹参数化离线编程
肖　鹏
（一重集团大连核电石化有限公司，辽宁　大连　116113）
摘要：马鞍形焊缝焊接轨迹复杂，如果采用传统的编程方式，效率会较低，并且焊接质量也会受到编程人员的技术水平影响。

文中，介绍了如何利用“参数驱动离线编程”的方式实现马鞍形自动TIG 焊接轨迹参数化离线编程，希望为改善马鞍形焊缝焊接提供借鉴。

关键词：焊接机器人；马鞍形焊缝；离线编程
中图分类号：TG409　文献标识码：A 文章编号：2096-6164（2020）03-0043-02
工业机器人的成熟的编程方式主要有在线示教编程和离线编程两种，在线示教编程是由操作者在实际工件上对机器人进行操作，逐步地告知机器人需要完成的动作和指令，主要应用于大批量生产、示教路径简单且长时间固定不变的任务，离线编程是通过编程软件直接编辑程序的一种方法，离线编程不仅可编制程序，而且还可进行运动轨迹的离线计算并虚拟机器人现场，对程序进行仿真运行，验证程序正确性，更适应自动化生产的发展需求[1]。

马鞍形焊缝需要多层多道焊接，焊接轨迹是复杂的空间曲线，每一道焊接时焊枪的焊接姿态和焊接角度都不一样，即使在同一道中，焊枪姿态和焊接角度也有很大变化，若采用工业机器人传统的“示教-再现”编程方式，编程效率低，而且焊接质量受编程人员技术水平影响很大。

采用传统的“图形驱动离线编程”方式，也只能实现少数焊道的焊接轨迹编程，编程效率依然无法满足工程化应用的要求。

文章以IGM 焊接机器人离线编程系统为平台，通过“参数驱动离
线编程”的方式实现了马鞍形自动TIG 焊接轨迹参数化离线编程。

1　轨迹数学模型
图1　圆柱面与圆柱面相贯
马鞍曲线是两个圆柱面正交的相贯线，曲线方程有标准方程，参数方程和极坐标方程等多种形式，使用参数方程能使程序更灵活自由的控制曲线的形状。

图1为两圆柱面以一定角度相贯模型，马鞍曲线为两圆柱面正交形成的空间曲线，此时90α°=，0e =，因此马鞍曲线的参数方程可化简为：
()22
cos sin sin x r y r z r r θθθ
′′′=
′′′= ′′′=−
(1-1)
2　生成焊接轨迹定义的参数
由式（1-1）可知，只要知道大圆柱面的半径r 和小圆柱面的半径r ′以及小圆柱面和大圆柱面轴线相交
的坐标，就可在离线系统中通过轨迹算法计算得到马鞍轨迹，轨迹参数包括与焊接工艺参数相关的参数以及与轨迹相关的参数。

（1）与焊接工艺参数相关的参数Pass Name ：焊道名称
Program Nr ：焊接程序号，焊接工艺参数的程序号
Welding Speed ：焊接速度Downslope Time ：电弧衰减时间（2）与焊接轨迹相关的参数
RadTT ：筒体半径，即大圆柱面半径r
RadJG ：接管内径，即小圆柱面半径r ′
Side ：焊接方向，Right 为逆时针，Left 为顺
时针
作者简介：肖鹏（1988- ），男，陕西周至人，硕士研究生，工程师，主要从事焊接自动化方面研究。

产业科技创新　Industrial Technology Innovation
44Vol.2　No.3
Height Offset：高度偏移，即焊接时钨极尖距离工件的高度
Side Offset：侧边偏移，焊道向外偏移的距离
Nr of segments：分段数，即每道轨迹的分段数
Start Angle：起焊位置，每一道轨迹的起弧位置
End Angle：停焊位置，每一道轨迹的收弧位置
Jog Height：JOG高度，焊接开始和结束时焊枪抬起的高度
Side Angle Start：起始夹角，起弧位置焊枪轴线与接管轴线的夹角
Side Angle End：终止夹角，收弧位置焊枪轴线与接管轴线的夹角
以上参数可记录在电子表格中，经试验总结出最佳工艺参数，为不同规格的马鞍形焊缝编制焊接轨迹电子表格文件，当需要进行某一规格焊缝的焊接时，只需在离线编程系统中录入对应的电子表格数据文件，即可实现焊接，极大的缩减了机器人的编程时间。

3　轨迹的生成
生成轨迹时以起始角度（StartAngle）、结束角度（EndAngle）和分段数（NrOf Segments）计算每个坐标点的角度增量，用起始夹角（Side Angle Start）、终止夹角（Side Angle End）和分段数（NrOf Segments）计算出每个坐标点焊枪与接管轴线夹角的增量；以坐标原点为马鞍轨迹的中心，在XOY平面上用每个坐标点的角度增量、接管内径（RadJG）、筒体半径（RadTT）以马鞍轨迹的参数方程为数学模型计算每个点的坐标值，以每个坐标点的Y轴为旋转轴将每个坐标点旋转夹角增量；将读取到的Welding Speed和Program Nr的值作为自定义属性赋给出所有点，将Pass Nr的值赋给第一点；在的坐标原点上新建一个焊缝参考点（SeamRefPoint）将计算所得所有坐标点设为起子对象，这样只要移动焊缝参考点所有坐标点就会随其一起移动；最后将焊缝参考点移动到工件参考点。

4　电弧衰减距离的处理
数学模型建立完毕后，在生成轨迹进行焊接试验时，发现了弧坑裂纹和收弧搭接不良的问题，分析原因是收弧时电流衰减过程与机器人轨迹之间的配合存在问题。

为了解决这一问题，进行了大量的试验，根据对比试验结果，对电弧衰减的处理方式进行了精心设计。

电弧衰减的处理方法，首先用Downslope Time 和Welding Speed计算出电弧衰减的距离，然后将衰减距离转换为电弧衰减时对应的角度，然后对比电弧衰减角度和轨迹生成时的角度增量，若电弧衰减角度大于角度增量，则原轨迹不变，电弧衰减从轨迹上倒数第二点开始，由于电弧衰减角度大于角度增量，到达轨迹最后一点后机器人停止运动，此时电弧继续衰减直到结束；当电弧衰减角度小于角度增量时，将轨迹最后一点的角度增量修改为电弧衰减角度，这样到达轨迹最后一点电弧衰减正好结束。

通过这样处理能够避免电弧衰减已经结束电弧已熄灭而机器人仍继续运动撞坏钨极的问题。

5　轨迹实例
实例参数为：RadTT=500; RadJG=200; Height=3.0；Offset=5; Side Offset=5; Nr of Segments=25；Start Angle=-5; End Angle=185; Jog Height=300；Side Angle Start=0；Side Angle End=0；
Side= Right。

图2 焊接轨迹实例
6　结语
参数化的方式进行马鞍轨迹的离线编程，能够将控制焊接轨迹参数表格化，通过读取参数表格，可一次批量化生成轨迹，并可将轨迹参数固化，提高了离线编程效率和编程质量。

参考文献：
[1]　林义忠，刘庆国，徐俊，等. 工业机器人离线编程系统研
究现状与发展趋势[J]. 2015，21（7）：8-10，57.。