本發(fā)明涉及一種焊接方法，特別涉及一種用于中厚板焊接的變坡口寬度的多層多道焊接軌跡規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：
根據(jù)焊接工件厚度的不同，可以將焊接件分為薄板、中板和厚板。通常情況下，薄板是指厚度≦4.5mm的焊接件，中板是指厚度介于4.5~20mm的焊接件，厚板是厚度大于20mm的工件。中板、厚板習(xí)慣上統(tǒng)稱為中厚板。因為中厚板工件厚度相對較厚，所以焊接時一般采用多層多道的焊接方法。如圖1所示的中厚板V型坡口采用了4層10道的焊接方式。坡口寬度不均勻變化的情況（下面簡稱為“變坡口”）在中厚板焊接時常常出現(xiàn)。這主要是由兩種情況引起的：一是坡口加工誤差引起；由于有些焊接件在加工坡口時，采用乙炔焰等方式手工切割，容易引起變坡口的出現(xiàn)。二是在中厚板多層多道焊接過程中，由于焊接熱變形的存在，使得在焊接一兩層之后，經(jīng)常出現(xiàn)坡口位置偏移或坡口形狀扭曲變形，從而引起焊偏、未焊透或燒穿問題的出現(xiàn)，進(jìn)而對焊接質(zhì)量帶來不利的影響。為此，需要提出一種變坡口寬度的中厚板多層多道焊接軌跡規(guī)劃方法，用來針對中厚板變坡口工件，實現(xiàn)方法簡單，通用性好，實用性強(qiáng)的多層多道焊接軌跡規(guī)劃。授權(quán)公告號為CN102357709B的一項名為“圓管件的圓周焊縫的多層多道自動焊接方法”的中國國家發(fā)明專利，該方法在焊接過程中，所述圓管件相對于焊槍旋轉(zhuǎn)，并且所述焊槍在三維方向上的焊接位置和焊接角度可自動調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)圓周焊縫的自動焊接。采用該發(fā)明的焊接方法后，在焊接過程中，所述圓管件相對于焊槍旋轉(zhuǎn)，而所述焊槍在三維方向上的焊接位置和焊接角度可自動調(diào)節(jié)，從而能夠比較靈活并精確地調(diào)節(jié)焊接位置和焊接角度，以自動進(jìn)行多層多道焊接，形成具有較好機(jī)械性能的圓周焊縫。上述專利前案僅適用于圓管件的焊接。中國專利公布號CN103934571A公開了一種厚板機(jī)器人焊接系統(tǒng)及多層多道焊縫實時跟蹤、規(guī)劃方法。該專利申請在焊接時能夠?qū)崟r獲取包含焊縫坡口特征信息的圖像，并傳遞至控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)由所述圖像獲取坡口信息，控制機(jī)器人不斷糾正焊接系統(tǒng)中焊槍的位置，同時所述控制系統(tǒng)調(diào)整焊道軌跡和焊接參數(shù)，實現(xiàn)多層多道的實時規(guī)劃，能夠提高勞動效率及生產(chǎn)質(zhì)量。上述專利前案都是通過實時在線調(diào)節(jié)焊槍位置或角度，或者通過實時糾正焊道軌跡的方式實現(xiàn)自動進(jìn)行多層多道焊接，這種在焊接過程實時調(diào)節(jié)或規(guī)劃的方式，存在響應(yīng)慢、通用性不強(qiáng)等缺點，有待改進(jìn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對變坡口寬度的中厚板工件焊接的需要，提供了一種多層多道的焊接軌跡規(guī)劃方法，實現(xiàn)方法簡單，通用性好，實用性強(qiáng)的中厚板焊接的目的。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種變坡口寬度的中厚板多層多道焊接軌跡規(guī)劃方法：利用線激光傳感器，對變坡口寬度的中厚板焊接工件進(jìn)行坡口掃描測量，按一定的采樣頻率采集變坡口信息；然后，對采集到的坡口進(jìn)行關(guān)鍵信息提取和數(shù)據(jù)處理，修整變坡口中心曲線，并將離散不規(guī)則的變坡口數(shù)據(jù)點擬合成線性連續(xù)的多線段；最后，根據(jù)中厚板多層多道焊接參數(shù)，并結(jié)合變坡口中心曲線、擬合后的多線段坡口數(shù)據(jù)，完成多層多道的變坡口寬度的中厚板焊接軌跡規(guī)劃。優(yōu)選地，所述的變坡口寬度的中厚板多層多道焊接軌跡規(guī)劃方法，其特征在于包括如下步驟：（1）根據(jù)設(shè)計的焊接工件圖紙，求出變坡口中心曲線軌跡坐標(biāo)，并以此生成焊接機(jī)器人運(yùn)動軌跡程序；（2）焊接機(jī)器人以上述運(yùn)動軌跡帶動線激光傳感器運(yùn)動，進(jìn)行坡口掃描測量；（3）根據(jù)掃描測量出來的坡口數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理得到包括坡口寬度在內(nèi)的變坡口信息，并修正變坡口中心曲線；（4）將離散不規(guī)則的變坡口，擬合成線性連續(xù)的多段線坡口；（5）完成上面步驟之后，根據(jù)多層多道焊接參數(shù)，并結(jié)合變坡口中心曲線、擬合后的多段線坡口數(shù)據(jù)，進(jìn)行中厚板焊接軌跡規(guī)劃。優(yōu)選地，所述步驟（3）進(jìn)一步進(jìn)行如下分析處理：如果坡口測量偏出了線激光傳感器掃描范圍，則根據(jù)掃描出來的偏出了線激光傳感器掃描范圍的那部分完整的坡口數(shù)據(jù)，插值并擬合出新的坡口中心曲線，并以此重新生成焊接機(jī)器人運(yùn)動軌跡，進(jìn)而重新進(jìn)行坡口掃描測量，即回到步驟（2），直到線激光傳感器在整個掃描過程都能測到所有完整的坡口數(shù)據(jù)；如果線激光傳感器在整個掃描過程都能測到所有完整的坡口數(shù)據(jù)，則根據(jù)測量出來的數(shù)據(jù)，分析并計算變坡口寬度等信息，最終修正變坡口中心曲線。優(yōu)選地，所述步驟（4）具體擬合方法為：從第三個點即i=3開始，s=1即直線段的起點為第1點；計算i點同s點、s+1點、…、i-1點的斜率Ki,s、Ki,s+1、…、Ki,i-1，并把其中最大的斜率值賦值給maxk，最小值賦值給mink；這時：（a）如果maxk-mink＞誤差容許值ε，不將i點同前面的點擬合在同一條直線上，令w=i-1，并把s點同w點連線，得到直線Ls,w；然后把i-1點賦值給s點，即s=i-1；接下來判斷i≥n是否成立，n為離散不規(guī)則點的數(shù)目，即是否是最后一個數(shù)據(jù)點，如果i≥n成立，則將n-1點同n點連接，得到直線Ln-1,n；如果i≥n不成立，則i=i+1，即判斷下一個點是否可以與前面的點擬合在同一條直線上；（b）如果maxk-mink≤誤差容許值ε，將i點同前面的點擬合在同一條直線上；之后判斷i≥n是否成立，如果不成立，則i=i+1，即判斷下一個點是否可以與前面的點擬合在同一條直線上；如果i≥n成立，則將s點同n點連接，得到直線Ln-1,n。優(yōu)選地，所述步驟（5）的具體流程為：假設(shè)變坡口中厚板擬合成r點，即r-1段的多線段；從擬合后的多段線第一點，即i=1開始計算。結(jié)合中厚板多層多道焊接參數(shù)，并根據(jù)步驟（3）修正得到的變坡口中心曲線，得到變坡口中心曲線影響下的第i點對應(yīng)的焊接軌跡坐標(biāo)值（Xbi，Ybi）；然后根據(jù)多線段擬合后的變坡口寬度，得到坡口寬度變化引起的坐標(biāo)偏移值（Xpi，Ypi），從而得到第i點的焊接基準(zhǔn)路徑坐標(biāo)（Xi，Yi），其中，Xi=Xbi+Xpi，Yi=Ybi+Ypi；接著，利用多線段擬合后得到該點坡口寬度數(shù)值，推導(dǎo)出第i點所對應(yīng)的焊接速度或擺幅；然后，判斷i≥r是否成立，如果i≥r不成立，將i+1賦值給i，即i=i+1，求出下一個點的焊接基準(zhǔn)路徑坐標(biāo)、焊接速度或擺幅等參數(shù)；如果i≥r成立，則根據(jù)所求得的參數(shù)，生成該層該道的焊接路徑軌跡。采用上述方案后，與現(xiàn)有的中厚板焊接方法相比，本發(fā)明具有以下突出特點：第一，能實現(xiàn)變坡口截面中厚板工件的自動焊接。目前的機(jī)器人中厚板自動焊接通常用于坡口寬度不變或均勻變化（坡口一頭大一頭小，均勻線性變化）的自動焊接。本發(fā)明能針對變坡口的中厚板工件，實現(xiàn)多層多道的焊接軌跡規(guī)劃。第二，將離散不規(guī)則的變坡口截面數(shù)據(jù)線性擬合，更能滿足實際焊接的需要。由于焊接寬度主要取決于焊接速度和擺幅，通常采用調(diào)整焊接速度的方式來控制焊接寬度。將離散不規(guī)格的變坡口擬合成多個線性連續(xù)的坡口截面，可以較好地保證焊接速度變化的連續(xù)，從而獲得較好的焊接質(zhì)量。第三，本發(fā)明方法簡單，實用性強(qiáng)。由于本發(fā)明采用線激光傳感器進(jìn)行坡口掃描，并結(jié)合相應(yīng)算法，就能完成相應(yīng)的軌跡規(guī)劃，方法較為簡單，便于實施。由此可見，利用本發(fā)明可以確保變坡口中厚板工件能實現(xiàn)自動焊接，并具有方法簡單，通用性好，實用性強(qiáng)等優(yōu)點，因此具有很大的研究價值和可行性。附圖說明圖1為目前常見的中厚板多層多道焊接示意圖；圖2為本發(fā)明實施例的工作流程圖；圖3為本發(fā)明實施例的變坡口工件示意圖；圖4為本發(fā)明實施例利用線激光傳感器測量變坡口示意圖；圖5為本發(fā)明實施例離散不規(guī)則點多線段擬合原理圖；圖6為本發(fā)明實施例離散不規(guī)則點多線段擬合流程圖；圖7為本發(fā)明實施例離散不規(guī)則點多線段擬合示意圖；圖8為本發(fā)明實施例變坡口多層多道規(guī)劃流程圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。本發(fā)明所揭示的是一種變坡口寬度的中厚板多層多道焊接軌跡規(guī)劃方法，如圖2至圖8所示，為本發(fā)明的較佳實施例，本實施例以等厚（即工件坡口厚度恒定）、平板（即工件為平板型工件）的變坡口焊接工件為例。當(dāng)然下述方法也適用于其他形式變坡口焊接工件。中厚板焊接工件一般采用多層多道的焊接方式，具體的焊接層數(shù)和道數(shù)根據(jù)實際需要來設(shè)計。圖1所示的V形坡口工件采用4層10道的焊接工藝，并且在焊接前需對焊接工件進(jìn)行坡口加工。之后在焊接前先進(jìn)行焊接軌跡規(guī)劃，具體方法為：利用線激光傳感器，對變坡口寬度的中厚板焊接工件進(jìn)行坡口掃描測量，按一定的采樣頻率采集變坡口信息；然后，對采集到的坡口進(jìn)行關(guān)鍵信息提取和數(shù)據(jù)處理，修整變坡口中心曲線，并將離散不規(guī)則的變坡口數(shù)據(jù)點擬合成線性連續(xù)的多線段；最后，根據(jù)中厚板多層多道焊接參數(shù)，并結(jié)合變坡口中心曲線、擬合后的多線段坡口數(shù)據(jù)，完成多層多道的變坡口寬度的中厚板焊接軌跡規(guī)劃。如圖2所示，本發(fā)明所述方法的具體步驟如下：（1）根據(jù)設(shè)計的焊接工件圖紙，求出變坡口中心曲線軌跡坐標(biāo)，并以此生成焊接機(jī)器人運(yùn)動軌跡程序。如圖3所示為變坡口工件示意圖，圖中，1為變坡口中心曲線、2為變坡口工件（焊接工件）、3為焊槍、4為坡口。（2）焊接機(jī)器人以上述運(yùn)動軌跡帶動線激光傳感器運(yùn)動，進(jìn)行坡口掃描測量。具體的，將上述運(yùn)動軌跡程序?qū)牒附訖C(jī)器人，并將線激光傳感器固定在焊接機(jī)器人上，利用焊接機(jī)器人帶動線激光傳感器運(yùn)動，進(jìn)行坡口掃描測量。如圖4所示，圖中：2為變坡口工件、5為線激光傳感器。（3）根據(jù)掃描測量出來的坡口數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理得到包括坡口寬度在內(nèi)的變坡口信息，并修正變坡口中心曲線。具體的，線激光傳感器掃描完成后，將坡口數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)（即工控計算機(jī)）中，對坡口測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并計算變坡口寬度等信息。因為變坡口中心曲線可以由沿著坡口前進(jìn)方向上的一系列坡口截面寬度方向的中點擬合插值而得到，所以根據(jù)測量得到的變坡口寬度信息，可以修正變坡口中心曲線。為了再精確的修正變坡口中心曲線，可以進(jìn)一步進(jìn)行如下分析處理：如果發(fā)現(xiàn)坡口測量偏出了線激光傳感器掃描范圍（原因可能是由于加工誤差的存在，實際加工出來的坡口中心曲線或坡口寬度同理論設(shè)計值不一致），那么根據(jù)掃描出來的偏出了線激光傳感器掃描范圍的那部分完整的坡口數(shù)據(jù)，插值并擬合出新的坡口中心曲線，并以此重新生成焊接機(jī)器人運(yùn)動軌跡，進(jìn)而重新進(jìn)行坡口掃描測量（即回到步驟2），直到線激光傳感器在整個掃描過程都能測到所有完整的坡口數(shù)據(jù)。如果線激光傳感器在整個掃描過程都能測到所有完整的坡口數(shù)據(jù)，則根據(jù)測量出來的數(shù)據(jù)，分析并計算變坡口寬度等信息，最終修正變坡口中心曲線。（4）將離散不規(guī)則的變坡口，擬合成線性連續(xù)的多段線坡口。因為線激光傳感器采樣頻率的原因，掃描測量得到的坡口數(shù)據(jù)是離散點。又由于加工工藝和加工誤差等原因，變坡口中厚板工件坡口寬度通常變化較為不規(guī)則。而焊接機(jī)器人焊接時，一般是通過改變焊接速度和擺幅來調(diào)整坡口的焊接寬度。因此，如果直接將離散不規(guī)則坡口數(shù)據(jù)用于生成中厚板焊接軌跡，則往往會導(dǎo)致焊接滯后或變化過于突變，從而使得焊接質(zhì)量得不到保證。為此，在變坡口的中厚板焊接時，本發(fā)明采用離散不規(guī)則點的多線段擬合，來將離散不規(guī)則的坡口寬度數(shù)據(jù)擬合成首尾相連的多條線段，從而獲得較為連續(xù)的焊接過程。具體可以采用如下擬合方法：擬合算法原理如圖5所示，假設(shè)平面上有若干個離散點s點、s+1點、…、i-1點和i點，求出i點同s點連線的斜率Ki,s、i點同s+1點連線的斜率Ki,s+1、…、i點同i-1點連線的斜率Ki,i-1，并把其中最大的斜率值賦值給maxk，最小值賦值給mink。如果maxk-mink≤誤差容許值ε（ε根據(jù)客戶要求自己設(shè)定）時，s點、s+1點、…、i-1點和i點都將擬合在同一條直線內(nèi)；如果maxk-mink＞誤差容許值ε時，則點i不與點s點、s+1點、…、i-1點擬合在同一條線。離散不規(guī)則點擬合成多線段的詳細(xì)流程如圖6所示。從第三個點，即i=3開始判斷（這時，s=1，即直線段的起點為第1點）。計算i點同s點、s+1點、…、i-1點的斜率Ki,s、Ki,s+1、…、Ki,i-1，并把其中最大的斜率值賦值給maxk，最小值賦值給mink。這時：（a）如果maxk-mink＞誤差容許值ε，意味i點同前面的點（即s點、s+1點、…、i-1點）偏差較大，不適合將i點同前面的點擬合在同一條直線上。如果maxk-mink＞ε，w=i-1（即將i-1點的位置坐標(biāo)賦值給w點，以下類似），并把s點同w點連線，得到直線Ls,w，然后把i-1點賦值給s點（即s=i-1）。接下來，判斷i≥n是否成立（n為離散不規(guī)則點的數(shù)目，即需要擬合的坡口寬度數(shù)目），即是否是最后一個數(shù)據(jù)點。如果i≥n成立，則將n-1點同n點連接，得到直線Ln-1,n。如果i≥n不成立，則i=i+1（即將i+1點，賦給i），即判斷下一個點是否可以與前面的點擬合在同一條直線上。（b）如果maxk-mink≤誤差容許值ε，意味i點同前面的點（即s點、s+1點、…、i-1點）的偏差在容許的范圍之內(nèi)，可以將i點同前面的點擬合在同一條直線上。如果maxk-mink≤ε，判斷i≥n是否成立。如果不成立，說明i還不是最后一個數(shù)據(jù)點，則i=i+1（即將i+1點，賦給i），即判斷下一個點是否可以與前面的點擬合在同一條直線上。如果i≥n成立，即i點為最后一個數(shù)據(jù)點，則將s點同n點連接，得到直線Ln-1,n。圖7為利用該擬合算法，將一系列離散不規(guī)則坡口寬度（圖中演示的為18個離散的變坡口寬度數(shù)據(jù)）擬合成多線段的例子?？梢园l(fā)現(xiàn)，該算法可以較為有效地將離散不規(guī)則坡口擬合成較為便于焊接加工的多線段坡口。（5）完成上面步驟之后，可根據(jù)多層多道焊接參數(shù)，并結(jié)合變坡口中心曲線、擬合后的多段線坡口數(shù)據(jù)，進(jìn)行中厚板焊接軌跡規(guī)劃。具體流程可如圖8所示。以其中的某一層某一道焊接為例，假設(shè)變坡口中厚板擬合成r點，即（r-1）段的多線段。從擬合后的多段線第一點，即i=1開始計算。結(jié)合中厚板多層多道焊接參數(shù)（如層數(shù)、道數(shù)等），并根據(jù)步驟（3）修正得到的變坡口中心曲線，得到變坡口中心曲線影響下的第i點對應(yīng)的焊接軌跡坐標(biāo)值（Xbi，Ybi）。然后根據(jù)多線段擬合后的變坡口寬度，得到坡口寬度變化引起的坐標(biāo)偏移值（Xpi，Ypi），從而得到第i點的焊接基準(zhǔn)路徑坐標(biāo)（Xi，Yi）。其中，Xi=Xbi+Xpi，Yi=Ybi+Ypi。接著，利用多線段擬合后得到該點坡口寬度數(shù)值，推導(dǎo)出第i點所對應(yīng)的焊接速度或擺幅（因為通過改變焊接速度和擺幅，可以調(diào)整坡口的焊接寬度）。然后，判斷i≥r是否成立。如果i≥r不成立，則說明i點還不是最后一個點，將i+1賦值給i（即i=i+1），求出下一個點的焊接基準(zhǔn)路徑坐標(biāo)、焊接速度或擺幅等參數(shù)。如果i≥r成立，則說明已經(jīng)到了最后一個點，則根據(jù)所求得的參數(shù)，生成該層該道的焊接路徑軌跡。（6）生成焊接加工代碼，完成中厚板多層多道焊接。以下給出本發(fā)明各專業(yè)術(shù)語或代碼的說明：（1）坡口：根據(jù)工藝要求，在焊接件的待焊部位加工成一定幾何形狀和尺寸的溝槽。（2）線激光傳感器：是一種利用激光技術(shù)進(jìn)行長度測量的傳感器。激光發(fā)射端發(fā)射出一束直線的激光束，打到測量面上，然后由激光接收端接收激光信號，從而得到若干個離散測量值，用來表征線激光傳感器到測量面的距離值。該測量值經(jīng)用戶自行處理，可計算出測量面上測量點的二維形貌。本發(fā)明實施例采用的線激光傳感器為日本KEYENCE公司生產(chǎn)的型號為LJ-G200的線激光傳感器。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，故但凡依本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書所做的變化或修飾，皆應(yīng)屬于本發(fā)明專利涵蓋的范圍之內(nèi)。