书第25卷第3期2004年6月焊接学报TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONV.25N.3June2004锅炉焊接机器人离线编程系统刘永，徐越兰，王克鸿，余进，杨静宇（南京理工大学，南京210094）摘要：主要研究开发了适于锅炉焊接的机器人离线编程系统。针对锅炉件的特点，建立了该空间焊缝的特征坐标系，并设计特征提取算法，进而规划出焊枪的运动路径与理想姿态，建立了典型的锅炉工件、日本安川SK6机器人等运动仿真环境。根据日本安川机器人程序的语言格式，采用该软件自动生成了机器人程序，对锅炉焊接过程进行了离线仿真试验，验证该系统是切实可行的。关键词：锅炉；弧焊机器人；离线编程中图分类号：TG444+.73文献标识码：A文章编号：0253-360X（2004）03-52-05刘永0序言锅炉的典型结构是由一根直径不同的主管和许多根直径不同的支管相贯组成的，每根支管和主管的接头是由焊接完成的，这样的焊接接头每个锅炉有数十个到上百个。而且，每根支管（圆柱）和主管（圆柱）形成的焊缝恰恰是最为复杂的空间曲线———马鞍形焊缝。人工焊接的劳动强度是相当大的，因此，从提高生产效率和焊接质量的角度看，采用高自动化和柔性化的弧焊机器人焊接是非常必要的。但是，由于弧焊机器人焊接的复杂性，即它不仅要求焊枪准确到达焊接位置，而且要求焊枪以一定的姿势指向焊缝。另外在大型复杂工件的情况下，这使得弧焊机器人示教编程几乎是不可能的［1］。一位较熟练的示教人员示教好一条马鞍形焊缝往往花半个工作日，而主管和支管直径的种类繁多，这样一来，示教的马鞍形焊缝一般达上百个，这显然不满足工厂的生产需要。因此，对于锅炉焊接机器人工作站，开发适应于锅炉焊接的机器人离线编程系统是非常迫切的。基于此，自主研究开发了锅炉焊接机器人的离线编程系统，经过针对锅炉弧焊机器人离线编程与机器人焊接仿真试验，验证了该系统是切实可行的。1锅炉接头的结构及焊接方法收稿日期：2003-05-19基金项目：江苏省高新技术基金项目（BG2002021）锅炉接头的典型外观结构图如图1所示，由一根主管和若干支管组成。材料为16MnR，考虑到自动化高速焊接，以及支管与支管之间狭窄部位焊接的需要，选择MAG焊接方法完成焊接。系统采用日本安川SK6弧焊机器人系统和S-350MAG焊接系统。由于该接头是空间曲线焊缝，焊接工艺参数由焊接材料、板厚、焊接位置、焊枪姿态经模糊推理专家系统二次优化获得［2］。图1典型锅炉接头外观结构图Fig.1Structuregraphoftypicalboiler2锅炉典型焊缝特征信息的表示2.1概述对于锅炉焊接接头，典型的复杂的空间曲线焊缝是由圆管（柱）与圆管（柱）相贯而形成的马鞍形焊缝。一般来说，焊缝特征用焊接位置来表征，实际焊缝焊接位置相当复杂，目前对各种接头焊缝的焊接位置采用焊缝倾角和焊缝转角来描述［3］，这对于复杂空间曲线焊缝是不合适的，而且给弧焊机器人焊第3期刘永，等：锅炉焊接机器人离线编程系统53接参数和焊枪姿态的规划带来不便。文献［4］分析提出了“焊缝特征坐标系”的概念，即将焊缝的切线定义为!'轴，将焊缝的中心线定义为"'轴，#'轴由右手定则决定。该坐标系的定义唯一确定了空间焊缝各焊点的全部特征，而带来的显著优点是可以引用齐次变换技术很容易的求得焊缝的倾角和转角，进而可以将复杂的空间焊缝分解为“立坡焊”和“横坡焊”，用这二种焊接位置的组合来描述任何空间复杂焊缝的焊接位置。2.2马鞍形焊缝位置的定义及分解针对焊缝特征坐标系的定义，选取任意空间曲线焊缝，建立如图2所示的焊缝特征坐标系示意图。图2中的!'轴为焊缝的切线方向。焊缝的中心线是经过该焊点的形成该点焊缝的两工件的表面的法向量的角平分线。图2中的Z'轴即为焊缝的中心线。#$轴由右手定则确定。图2空间曲线“焊缝特征坐标系”示意图Fig.2Sketchofcharacterreferenceframeofspaceweld以"'轴为法线的过该焊点的平面为焊接平面。则图2中!$#$"$即为该焊点的焊缝特征坐标系。很明显，随着空间焊缝焊点变化，则焊缝特征坐标系相应移动并发生转动。因此，空间曲线焊缝特征信息的提取就转化为计算焊缝的特征坐标系问题。3锅炉典型焊缝路径规划3.1概述针对锅炉典型焊接接头为马鞍形焊缝的特点，