曲　芳,　王紹勝,　桑海濤,　頓國(guó)強(qiáng),　馮夷寧

(1.黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心, 哈爾濱 150022; 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院, 哈爾濱150030; 3.黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心, 哈爾濱 150022; 4.黑龍江科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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基于3DMAX的T字形工件自動(dòng)化焊接路徑與程序

曲芳1,2,王紹勝3,桑海濤4,頓國(guó)強(qiáng)2,馮夷寧2

(1.黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心, 哈爾濱 150022; 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院, 哈爾濱150030; 3.黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心, 哈爾濱 150022; 4.黑龍江科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為了減小T字形工件自動(dòng)化焊接裝夾過(guò)程中產(chǎn)生的誤差,運(yùn)用3DMAX軟件模擬T字形焊縫的焊接過(guò)程,并在奧地利IGM公司的RTI330型焊接機(jī)器人實(shí)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)接觸式噴嘴傳感器3個(gè)方向的尋找路徑,確定出T字形工件和焊縫的準(zhǔn)確位置,并在TABLE&TILT工作臺(tái)上確定該傳感器的尋找范圍。最終,優(yōu)化了T字形工件自動(dòng)化焊接程序,并在工件上試焊取得了良好的效果。該研究表明,在焊前可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的尋蹤定位,保證自動(dòng)化焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,提高焊接作業(yè)的生產(chǎn)效率,對(duì)于T字形焊縫自動(dòng)化焊接程序編制和工藝參數(shù)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

焊接； 3DMAX模擬仿真; 尋找路徑; 尋找范圍

0　引　言

隨著我國(guó)航天和國(guó)防力量的迅猛發(fā)展,自動(dòng)化焊接技術(shù)被越來(lái)越多地應(yīng)用到重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目和特種加工制造領(lǐng)域[1]。自動(dòng)化焊接主要用于精密和超精密零部件的制備，因此,在機(jī)械焊接領(lǐng)域中大力推廣和積極應(yīng)用自動(dòng)化焊接技術(shù)并努力提高其焊接產(chǎn)品的質(zhì)量,優(yōu)化其焊接程序[2]和工藝參數(shù),使焊件的精度和準(zhǔn)確度達(dá)到國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)和要求,是滿足當(dāng)前社會(huì)需求與行業(yè)發(fā)展需要的必要條件。

以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的奧地利IGM公司RTI330型自動(dòng)化焊接機(jī)器人為例,在T字形工件批量生產(chǎn)過(guò)程中,由于同一操作者手動(dòng)裝夾不同工件時(shí),均存在細(xì)微的裝夾誤差,不同操作者裝夾時(shí)則誤差更大。這一誤差由于微小往往被忽略掉,對(duì)于精密焊接來(lái)說(shuō)是不能滿足要求的[3-4]。因此,為了有效減少人為因素的影響,減小T字形工件自動(dòng)化焊接裝夾過(guò)程中產(chǎn)生的誤差,筆者對(duì)T形工件自動(dòng)化焊接的尋找路徑進(jìn)行合理規(guī)劃,利用3DMAX軟件離線模擬尋找路徑,并進(jìn)行噴嘴碰撞變色測(cè)試。

1　自動(dòng)化焊接尋找路徑規(guī)劃

1.1焊接機(jī)器人仿真模型建立

利用3DMAX7.0軟件,建立RTI330型自動(dòng)化焊接機(jī)器人三維模型,在機(jī)器人工作臺(tái)TABLE&TILT上建立T字形工件模型,如圖1所示。

圖1　自動(dòng)化焊接機(jī)器人仿真模型Fig. 1　Simulation model of RTI330 automatic welding robot

其中,圖1a為焊接機(jī)器人的三視圖和立體圖,圖1b為T(mén)字形工件模型。

1.2T字形工件自動(dòng)化焊接尋找路徑規(guī)劃

T字形工件裝夾過(guò)程中產(chǎn)生的誤差,可以看做是工件在三維坐標(biāo)系內(nèi)的平移。因此,在尋找工件所在位置的路徑設(shè)計(jì)過(guò)程中,可以沿著三個(gè)方向x、y、z方向的尋找路徑,確定T字形工件所在位置。由于T字形工件和焊縫的相對(duì)位置是固定的,所以可以確定T字形焊縫所在位置,如圖2所示。

圖2　T字形工件自動(dòng)化焊接路徑規(guī)劃Fig. 2　Automatic welding path plan for T-shaped work piece

1.3離線模擬仿真及噴嘴碰撞測(cè)試

在示教器下控制焊接機(jī)器人3DAMX模型實(shí)現(xiàn)離線仿真運(yùn)動(dòng),沿著x、y、z三個(gè)方向的尋找路徑進(jìn)行工件平面所在位置的尋找工作,并進(jìn)行焊槍噴嘴碰撞工件表面實(shí)驗(yàn)。如果焊槍噴嘴碰撞到工件表面,則工件和焊槍噴嘴均有顏色變化,如圖3～圖5所示。其中,圖3a為焊接機(jī)器人沿x方向的尋找路徑進(jìn)行尋找,圖3b為焊接機(jī)器人噴嘴沿著x方向?qū)ふ夜ぜr(shí)碰撞到工件表面的變色實(shí)驗(yàn);圖4a為焊接機(jī)器人沿y方向的尋找路徑進(jìn)行尋找,圖4b為焊接機(jī)器人噴嘴沿著y方向?qū)ふ夜ぜr(shí)碰撞到工件表面的變色實(shí)驗(yàn);圖5a為焊接機(jī)器人沿z方向的尋找路徑進(jìn)行尋找,圖5b為焊接機(jī)器人噴嘴沿著z方向?qū)ふ夜ぜr(shí)碰撞到工件表面的變色實(shí)驗(yàn)。

圖3　x方向?qū)ふ衣窂胶团鲎矞y(cè)試

圖4　y方向?qū)ふ衣窂胶团鲎矞y(cè)試

通過(guò)離線模擬仿真實(shí)驗(yàn)及焊槍噴嘴碰撞測(cè)試，可以在進(jìn)行自動(dòng)化焊接機(jī)器人實(shí)機(jī)操作時(shí)有效保護(hù)焊槍噴嘴，減少噴嘴碰撞掉電，提高在線焊接效率，縮短在線編程時(shí)間。同時(shí)，增加了感性認(rèn)識(shí)，奠定了學(xué)生的研究基礎(chǔ)，提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。

圖5　z方向?qū)ふ衣窂胶团鲎矞y(cè)試

2　自動(dòng)化焊接程序優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1T字形工件自動(dòng)化焊接路徑在線驗(yàn)證

利用RTI330型焊接機(jī)器人焊槍噴嘴上安裝的接觸式噴嘴傳感器,如圖6所示,可以對(duì)T字形工件的焊縫實(shí)現(xiàn)尋蹤定位,把部分步點(diǎn)程序作為一個(gè)整體在空間內(nèi)做三維平移,如果工件定位不精確,利用噴嘴尋找工件,即可得出焊縫的位置變化量,從而在程序中的對(duì)應(yīng)部分做相應(yīng)數(shù)量的平移,減小由于同一操作者和不同操作者手動(dòng)裝夾工件時(shí)存在的裝夾誤差,進(jìn)而保證T字形工件焊接的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[5-15]。

圖6　接觸式噴嘴傳感器

在3DMAX軟件離線模擬仿真及噴嘴碰撞測(cè)試過(guò)程中,編制的程序可以直接應(yīng)用于RTI330型焊接機(jī)器人操作系統(tǒng)。在該程序的控制下,RTI330型焊接機(jī)器人能夠在線驗(yàn)證x、y、z三個(gè)方向的尋找路徑,并進(jìn)行工件所在位置的尋找工作,如圖7所示,從而準(zhǔn)確確定出T字形焊縫所在位置。

圖7　T字形工件自動(dòng)化焊接路徑在線驗(yàn)證

Fig. 7Online verification of automatic welding path for T-shaped work piece

2.2 確定傳感器尋找范圍

在焊槍噴嘴上電狀態(tài)下,沿著x軸方向平移±40 mm的距離,沿著y軸方向平移±70 mm的距離,焊接機(jī)器人的接觸式噴嘴傳感器均能夠找到工件所在位置,如圖8所示。其中圖8a為工件處在坐標(biāo)系原點(diǎn)O處,焊槍噴嘴尋找工件端面所在位置圖;圖8b為工件沿著x軸方向平移40 mm的距離,焊槍噴嘴能夠?qū)ふ业焦ぜ嗣嫠谖恢?反向亦然;圖8c為工件沿著y軸方向平移70 mm的距離,焊槍噴嘴能夠?qū)ふ业焦ぜ嗣嫠谖恢?反向亦然;圖8d為工件先沿著x軸方向平移40 mm距離,再沿y軸方向平移70 mm的距離,焊槍噴嘴依然能夠?qū)ふ业焦ぜ嗣嫠谖恢?反向亦然。

2.3焊接實(shí)驗(yàn)效果分析

將T字形工件裝夾在坐標(biāo)系原點(diǎn)O處,利用噴嘴尋找程序?qū)ふ也⒃嚭腹ぜ?再將工件沿著y軸方向平移60 mm距離,按照噴嘴尋找程序?qū)ふ移揭坪蠊ぜ谖恢?試焊平移后的T字形工件,平移前、后焊縫均焊接在距離工件左側(cè)端面40 mm的焊接起始點(diǎn)位置處,兩者的對(duì)比效果如圖9所示。

圖8　T字形工件沿x、y方向平移噴嘴尋找工件端面

Fig. 8Nozzle to look for end of T-shaped work piece translation alongx,y

圖9　T字形工件平移前、后焊接效果對(duì)比

Fig. 9Comparison of welding effect of T-shaped work piece with translation before and after

2.4程序優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般T字形工件自動(dòng)化焊接程序包括4個(gè)步點(diǎn),如圖10和表1所示。圖10中1～4號(hào)步點(diǎn)為一般T字形工件焊接程序所需步點(diǎn),虛線為空中行走步點(diǎn),不執(zhí)行實(shí)際焊接,而實(shí)線為焊接工作步點(diǎn),執(zhí)行實(shí)機(jī)焊接工作。這樣編制的程序在實(shí)際焊接時(shí),存在裝夾誤差,往往會(huì)影響焊接效果,使焊接質(zhì)量達(dá)不到使用要求。

圖10　一般T字形工件焊接程序

步點(diǎn)類型 屬性1空步焊接準(zhǔn)備2空步焊接起始點(diǎn)3工作步焊接結(jié)束點(diǎn)4空步離開(kāi)工件

利用噴嘴尋找電弧傳感技術(shù)重新設(shè)計(jì)的焊接程序,其步點(diǎn)路徑規(guī)劃如圖11所示,圖11中1～12號(hào)步點(diǎn)為噴嘴尋找程序所需步點(diǎn),虛線為空中行走步點(diǎn),實(shí)線為焊接工作步點(diǎn)。圖11中箭頭為三個(gè)方向的尋找路徑,實(shí)線為T(mén)字形焊縫的焊接路徑。

圖11　噴嘴尋找程序的步點(diǎn)路徑規(guī)劃

Fig. 11Step path planning of search nozzle for program

焊槍噴嘴尋找程序在設(shè)計(jì)時(shí)分為尋找和位移2個(gè)模塊。其中,尋找塊由空步步點(diǎn)組成,不執(zhí)行實(shí)際焊接,它包括尋找開(kāi)始、尋找中介、尋找組1、尋找結(jié)束等步點(diǎn)。位移塊由空步步點(diǎn)和工作步點(diǎn)組成,工作步點(diǎn)執(zhí)行實(shí)際焊接,它包括位移開(kāi)始、位移結(jié)束和焊接結(jié)束點(diǎn)等。程序優(yōu)化后焊槍噴嘴尋找程序的步點(diǎn)信息見(jiàn)表2。

表2　優(yōu)化后步點(diǎn)信息

3　結(jié)束語(yǔ)

T字形工件自動(dòng)焊接通過(guò)離線模擬仿真和在線上機(jī)實(shí)驗(yàn)的方式,對(duì)尋找路徑進(jìn)行了合理規(guī)劃,優(yōu)化了焊槍噴嘴尋找電弧傳感程序,確定接觸式噴嘴傳感器的尋找范圍。即沿著x軸方向可平移±40 mm誤差,沿著y軸方向可平移±70 mm誤差。且工件沿著y軸方向平移前、后,焊槍噴嘴均能夠在尋找程序引導(dǎo)下,將焊縫焊接在距離工件左側(cè)端面40 mm的焊接起始點(diǎn)位置處,驗(yàn)證了噴嘴尋找程序的可行性。該項(xiàng)研究,可以提高自動(dòng)化焊接作業(yè)效率,為提高焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),為精準(zhǔn)焊接裝備的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了合理化建議,為進(jìn)一步探討自動(dòng)化焊接工藝參數(shù)優(yōu)化工作提供實(shí)用參考與技術(shù)支持。

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(編輯徐巖)

Path planning and program design for automatic welding of T-shaped work piece based on 3DMAX

QUFang1,2,WANGShaosheng3,SANGHaitao4,DUNGuoqiang2,FENGYining2

(1.Center for Engineering Training & Basic Experimentation, Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022, China; 2.Engineering Institute, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China;3.Modern Manufacturing Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022， China;4.School of Computer & Information Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper describes a study aimed at reducing the error due to the process of automatic welding of the T-shaped work piece. This study consists of using 3DMAX software to simulate the welding process of the T-shaped work piece and performing test on the RTI330 welding robot of IGM company in Austria; determining the accurate position of the T-shaped work piece and the welding seam, by looking for the path of the three direction of the contact nozzle sensor and identifying the range of the sensor on the workbench of TABLE&TILT; and ultimately optimizing the automatic welding procedure of T-shaped work piece and thereby producing a better effect. This method capable of the pursuit of actual weld positioning before welding can provide the greater stability and accuracy of automatic welding quality, coupled with improved productivity of welding operations, thus contributing to the T-shaped seam automatic welding programming and optimization of process parameters.

welding； 3DMAX simulation; search path; search range

2015-08-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51504088)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541710；12533057)

曲芳(1983-)，女，山東省蓬萊人，講師，博士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、焊接自動(dòng)化理論、農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程，E-mail:qufangnihao@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.022

TP430.10

2095-7262(2015)05-0573-06

A