[0001] 本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种盘筒类构件焊接方法、焊接工作站、电子设备及介质。

[0002] 涡轮机匣、变速器壳体等盘筒类构件具有外形结构复杂，内部间隙狭窄等特点，采用人工焊接方式可能会导致焊接成形一致性差，焊接质量波动大。并且，人工对盘筒类构件进行焊接的过程中常会出现上坡焊、下坡焊，甚至是仰焊的情况，这种情况下熔池中熔融金属受重力影响而流动，从而导致焊接成形质量变差，容易出现焊穿、咬边和焊瘤等缺陷。

[0017] 下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

[0018] 如图1，示出了本发明实施例提供的一种盘筒类构件焊接方法一实施例的方法流程图，方法包括：步骤S101，获取盘筒类构件的焊接路径，并将焊接路径等距离离散化得到多个离散点。

[0019] 步骤S102，建立焊枪在离散点的位姿模型。

[0020] 步骤S103，确定焊枪在离散点的约束条件；其中，约束条件包括：焊枪的轴线在盘筒类构件的横截面上的投影竖直向下，以及，焊枪在离散点的移动方向与离散点的切线方向为沿水平方向。

[0021] 步骤S104，根据焊枪在离散点的位姿模型以及约束条件控制焊枪对盘筒类构件进行焊接。

[0022] 本发明实施例的方法可以由电脑、计算机等电子设备控制实施。

[0023] 盘筒类构件是指那些形状类似于圆盘或圆筒的机械或结构部件。本发明实施例在获取盘筒类构件的焊接路径后，可以将焊接路径等距离离散化得到多个离散点，并建立焊枪在各个离散点的位姿模型。焊枪在离散点的位姿模型可以是包括焊枪在离散点的位置信息和焊枪在离散点的姿势信息的模型。具体的，位置信息可以为离散点的坐标信息，姿势信息可以为焊枪在该离散点时的朝向信息，朝向信息可以通过焊枪在X、Y、Z轴的方向向量来表示。

[0024] 为避免出现上坡焊、下坡焊，甚至是仰焊的情况，可以进一步对焊枪焊接时的姿势进行约束。约束条件1为：焊枪或焊枪的轴线在盘筒类构件横截面上的投影竖直向下，保证焊枪焊接时为水平位置焊。约束条件2为：焊枪在离散点的移动方向与焊接路径上该离散点处的切线方向沿水平方向。

[0025] 则，执行主体根据焊枪在离散点的位姿模型以及约束条件即可动态控制焊枪对盘筒类构件进行焊接。

[0026] 本发明实施例通过获取盘筒类构件的焊接路径，并将焊接路径等距离离散化得到多个离散点；建立焊枪在离散点的位姿模型；确定焊枪在离散点的约束条件；约束条件包括：焊枪的轴线在盘筒类构件的横截面上的投影竖直向下，以及，焊枪在离散点的移动方向与离散点的切线方向为沿水平方向；根据焊枪在离散点的位姿模型以及约束条件智能化的控制焊枪对盘筒类构件进行焊接，通过软件编程实现自动化焊接，可以提升焊接效率、保证焊接质量的稳定性。以及，通过设置焊枪在离散点的约束条件，动态地约束焊枪与盘筒类构件的位置姿态关系，可以使得焊枪焊接时避免出现上坡焊、下坡焊，甚至是仰焊的情况，保证了焊接成形质量。

[0027] 在一种实施例中，焊接路径可以包括圆弧路径和直线路径中的至少一种。例如，焊接路径可以只包括多段圆弧路径，或者只包括多段直线路径，或者既包括多段圆弧路径又包括多段直线路径。则，步骤S101的将焊接路径等距离离散化的过程可以为：获取当前焊接路径的焊接工艺要求‑焊接速度 ，根据焊接速度 和插补周期 将焊接路径等距离离散为多个离散点；其中，插补周期为焊枪从一个离散点移动到另一个相邻离散点的时间。

[0028] 具体的，插补周期 的范围可以设置为 ，可以设置 为 在插补周期取值范围内的最小约数，其中， 为焊接路径的总长，V为焊接速度。例如，，要求的焊接速度为 ， ，在插补周期取值范围内的最小约数为 ，也即该段路径的插补周期 。

[0029] 确定焊接速度以及插补周期后，可以确定在一个插补周期内焊缝移动距离。则，圆弧部分组成的焊接路径中每段圆弧弧长为 ，通过将每段圆弧均匀离散化为 个等距离的弧长段；直线部分组成的焊接路径中每段直线焊接路径长度 ，式中， , , 分别
为第i段直线起始点的x，y，z轴坐标， , , 分别为第i段直线段末端点的x，y，z轴坐标，通过 将每段直线部分焊接路径离散为 个等距离的直线段，以便在插补周期内焊枪和盘筒类构件实现协同。如果总路径中某一段圆弧或直线部分依次离散至末端附近时长度小于一个插补周期内的距离，则 的剩余距离由相邻的下一段路径进行递补。

[0030] 在一种实施例中，步骤S102具体可以为：建立焊枪在离散点的数学模型；其中，数学模型包括针对圆弧路径的第一数学模型和针对直线路径的第二数学模型中的至少一种；第一数学模型用于描述圆弧路径上点的坐标，第二数学模型用于描述直线路径上点的坐标；根据数学模型建立位姿模型。盘筒类构件主要包括圆弧路径和直线路径，本发明实施例针对不同的路径分别建立数学模型，可以便于根据数学模型更准确方便地确定各个离散点的位置坐标。

[0031] 具体的，第一数学模型可以为： ，其中， ， ， 分别为圆弧路径上点的X、Y、Z轴坐标； ， ， 为不同圆弧的圆心坐标， 为不同圆弧的半径，为角度参数变量。第二数学模型可以为： ，其中， ， ， 分别为直线路径
上点的X、Y、Z轴坐标； ， ， 为当前直线段起始点的坐标， 为当前直线段的倾斜角，由当前直线段的斜率取反正切函数得到，为直线参数变量。

[0032] 当离散点在圆弧路径上时，根据第一数学模型即可确定离散点的位置信息，结合焊枪在离散点的姿势信息即可生成焊枪在离散点的位姿模型。当离散点在直线路径上时，也是同样。

[0033] 在一种实施例中，建立焊枪在离散点的位姿模型的方法具体可以为：令空间中焊接路径离散点的位置 ，其中， 、 、 分别表示第i个离散点的在X轴、Y轴和Z轴的坐标。如果该离散点位于圆弧路径中，则 = ， =、 = 。而焊枪位姿模型中的姿态为：X轴方向为焊接路径离散点切线方向，记为 =，其中， 为 ， 、 、 分别表示 分别在X轴、Y轴和Z轴
方向的分量。Z轴方向指向圆心方向，记为 = ，其中， 、 、 分
别表示 分别在X轴、Y轴和Z轴方向的分量， 为焊接路径中该离散点对应圆弧的圆心坐标，Y轴方向由 确定，记为 ，且 、 、 都以单位向量表示。如果该离散
点位于直线路径中，其焊枪位姿模型中的姿态与此直线路径前的圆弧路径末端离散点位姿模型一致，位置对应离散点各自位置坐标。焊枪在离散点的位姿模型可以4×4齐次变换矩阵表示，矩阵为：
。

[0034] 在一种实施例中， 还表示焊枪在第i个离散点处的移动方向；步骤S103具体可以为：确定焊枪在离散点的位姿模型为：

[0035] 其中，表示第i个离散点， 、 、 分别表示第i个离散点的在X轴、Y轴和Z轴的坐标； 、 、 表示焊枪在第i个离散点处X轴方向的方向向量、Y轴方向的方向向量和Z轴方向的方向向量； 、 、 分别表示 分别在X轴、Y轴和Z轴方向的分量； 、、 分别表示 分别在X轴、Y轴和Z轴方向的分量； 在X轴、Y轴和Z轴方向的分量分别为0、0、 ；当离散点在圆弧路径上时，X轴方向的方向向量为切线方向的方向向量，Z轴方向的方向向量为指向圆心方向的方向向量，Y轴方向的方向向量为根据X轴方向的方向向量以及Z轴方向的方向向量确定的；当离散点在直线路径上时，直线路径上的离散点处方向向量与上一段圆弧路径末端的离散点的方向向量相同；以及，
确定焊枪在离散点的位姿满足下述条件：
且 ，或， ，
其中，为焊枪与离散点切线方向的夹角， 为盘筒类构件在离散点处X轴方向的方向向量， 通过坐标表示，表示为（ ）， 通过坐标表示，表示为（ ）。

[0036] 本发明实施例通过焊枪与盘筒类构件的协同运动来维持焊接过程中，对焊枪的姿势约束，使得焊枪在任意离散点进行焊接时，均能保持水平位置焊且焊枪始终向下且运动方向沿水平方向。

[0037] 本发明实施例中，因为焊枪与盘筒类构件是协同运动的，因此，在离散点处，焊枪分别具有一个X轴、Y轴和Z轴方向的方向向量，如 、 、 ，而盘筒类构件在离散点处也具有一个X轴、Y轴和Z轴方向的方向向量，如 。为使得焊枪满足约束条件，需要使得 与位于同一水平面。

[0038] 本发明实施例中，焊枪可以由多关节机器人控制进行焊接操作，而盘筒类构件则由变位机进行控制，辅助机器人完成焊接。则在约束条件确定的前提下，可以通过机器人‑变位机运动学求解得到离散点满足约束条件时机器人和变位机的轴关节角度。

[0039] 表1为支板焊接时各离散点最佳位姿时机器人与变位机关节角度值

[0040] 如表1所示，机器人具有6个轴关节，变位机具有2个轴关节，通过机器人‑变位机运动学可以计算得到每一个离散点处，机器人和变位机轴关节的角度值。

[0041] 本发明实施例根据盘筒类构件焊接路径数学模型，对焊接路径进行等距离离散化处理并在离散点位置建立焊枪位姿模型，通过确定协同运动约束条件，对机器人和变位机分别进行运动学求解，得到每个离散点位置处满足约束条件下的机器人六个关节角度和变位机两个关节角度共计八个关节角度，最后将每个离散点对应的八个关节角度结合相应焊接工艺并依序导入到机器人软件，生成焊接运动指令程序。启动程序，机器人与变位机智能协同的对盘筒类构件进行自动化焊接。本发明实施例通过焊接路径离散化方法以及智能动态约束焊枪与构件在焊接过程中的几何位置关系，使机器人与变位机在协同运动焊接过程中实现盘筒类构件全域始终以最佳施焊位置。

[0042] 在一种实施例中，焊枪由机器人控制；盘筒类构件固定在变位机上；则步骤S104具体可以包括：获取插补周期；根据插补周期以及相邻两个离散点的坐标确定相邻两个离散点之间焊枪的焊接速度，以及变位机旋转轴的角速度；根据焊枪在离散点的位姿模型、约束条件和焊接速度确定机器人的第一运行程序，以及，根据焊枪在离散点的位姿模型、约束条件和变位机旋转轴的角速度确定变位机的第二运行程序；运行第一运行程序以及第二运行程序，以使得机器人控制焊枪对变位机上的盘筒类构件进行焊接。

[0043] 在一种实施例中，根据插补周期以及相邻两个离散点的坐标确定相邻两个离散点之间焊枪的焊接速度，以及变位机旋转轴的角速度的步骤，具体可以包括：根据如下计算方式确定焊枪的焊接速度：
，
其中，V表示焊枪的焊接速度，T表示插补周期，第i个离散点的坐标为（xi、yi、zi），第i+1个离散点的坐标为（xi+1、yi+1、zi+1）；
在第i个离散点与第i+1个离散点之间，变位机旋转轴的角速度计算方式如下：
，
，
其中，Wi表示第i个离散点与第i+1个离散点之间变位机旋转轴的角速度，Ri表示第i个和第i+1个离散点与变位机旋转中心的近似距离，变位机旋转中心的坐标为（xbase、ybase、zbase）。

[0044] 本发明实施例通过机器人控制焊枪，以及通过变位机控制盘筒类构件，使得焊枪与盘筒类构件协同运动来维持焊枪在每一个离散点的焊接姿势都符合约束条件，以及同时保持焊枪的焊接速度恒定。

[0045] 在一种实施例中，根据焊枪在离散点的位姿模型、约束条件和焊接速度确定机器人的第一运行程序的步骤，具体可以包括：获取其它焊接参数；其它焊接参数包括：坡口角度45 90°，钝边0.3 1mm，焊接电流150 250A，电弧电压5 15V，保护气体为99.9%氩气，流量~ ~ ~ ~15 25L/min；根据焊枪在离散点的位姿模型、约束条件、焊接速度和其它焊接参数确定机器~
人的第一运行程序。

[0046] 如图2，示出了本发明提供的任意离散点位置焊枪位姿建模方法示意图。离散点t1在圆弧路径上，其位置坐标为 ，其X轴、Y轴和Z轴方向的向量为 、 、。离散点t2在圆弧路径上，其位置坐标为 ，其X轴、Y轴和Z轴方向的向
量为 、 、 。

[0047] 如图3，示出了本发明提供的一种盘筒类构件焊接路径数学模型示意图。图3中，， ， ， ， ， 为不同半径圆弧的半径， ， ， ， ， ， 为不同半径圆弧的圆心， ， ， ， ， ， 为不同半径圆弧的圆弧角度， ，， ， ， ， 为组成焊缝的不同直线路径。

[0048] 如图4，示出了本发明提供的一种盘筒类构件焊接路径等距离离散化方法示意图。，焊接路径中每段圆弧 、 、 、 、 、 和每段直线 ， ，
， ， ， 分别通过 、 、 、 、 、 和 、 、 、 、 、 将每段圆
弧和每段直线等距离离散化。离散点之间的距离相同、焊接时间即插补周期也相同，则可以保证焊枪与变位机协同运动焊接过程中始终保持恒定速度。

[0049] 如图5，示出了本发明提供的一种焊枪在离散点的位姿模型示意图。焊枪在每一个离散点均有一个对应的X轴、Y轴和Z轴方向的方向向量。

[0050] 如图6，示出了本发明提供的一种盘筒类构件焊接过程中焊枪与盘筒类构件在任意位置姿态约束关系示意图。盘筒类构件与焊枪在焊接过程中协同运动，运动过程中，焊枪与盘筒类构件始终维持约束条件所约束的姿势。

[0051] 如图7，示出了本发明提供的一种盘筒类构件自动化焊接过程示意图。盘筒类构件在被焊接过程中其和焊枪位姿关系如图7所示。图7中，盘筒类构件为横截面为椭圆形的构件，焊枪轴线与盘筒类构件的横截面在同一平面上，焊枪轴线在盘筒类构件的横截面的投影即为焊枪轴线自身，该投影竖直向下。

[0052] 如图8，示出了本发明提供的焊接工作站示意图。机器人10控制焊枪20对变位机40上固定的盘筒类构件30进行焊接。

[0053] 在一种实施例中，本发明还提供了用于实现上述盘筒类构件焊接方法的焊接工作站，所述焊接工作站包括：机器人10和变位机40，其中，所述机器人10装配有焊枪20，通过控制焊枪20实现焊接工作；所述变位机40通过带动变位机上固定的盘筒类构件30旋转或移动，改变所述盘筒类构件30焊接位置，以辅助机器人10实现焊接工作。

[0054] 可选地，机器人可以包括多轴或多关节机械臂，并装配焊接系统实现焊接工作，变位机可以包括两轴或多轴旋转或位移关节，通过带动构件旋转或移动，改变构件焊接位置。

[0055] 可选地，焊接工作站还可以包括：工作台、焊接系统、控制柜、保护气输送装置等部分，其中，工作台为变位机的工作台，用于固定盘筒类构件；控制柜用于实现对机器人和变位机的控制。

[0056] 在一种实施例中，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述的任一项盘筒类构件焊接方法的步骤。

[0057] 在一种实施例中，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述的任一项盘筒类构件焊接方法的步骤。

[0058] 本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

[0059] 以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。