重型压力容器马鞍形焊缝自动焊机插补算法与仿真

第3 1卷 第1期 2 0 1 0年1月 焊 接 学 报 TRANSACTI ONSOF THE CH I NA WELD I NG I NSTITUTI ON Vol . 31 No. 1 January 2 0 1 0 收稿日期: 2009 - 09 - 12 基金项目:国家科技支撑计划项目资助2006BAF04B08 重型压力容器马鞍形焊缝自动焊机插补算法与仿真 段铁群 1 , 石广远 1 , 于 丹 2 , 杨克非 2 (1. 哈尔滨理工大学,哈尔滨 150080; 2.哈尔滨焊接研究所,哈尔滨 150080) 摘 要:根据重型压力容器接管马鞍形窄坡口焊缝的焊接工艺要求,介绍了马鞍形自 动焊机的总体结构和工作原理,给出了马鞍形焊道轨迹的数学模型和简化插补算法. 该插补算法采用两轴协调拟合形成空间马鞍形焊道,将三维曲线插补转换成二维问题 进行插补运算,并进行了计算机仿真.结果证明,两轴协作拟合算法能够很好地满足自 动焊机的使用要求. 关键词:重型压力容器;自动焊机;插补算法;仿真 中图分类号: TG115. 28 文献标识码: A 文章编号: 0253 - 360X(2010) 01 - 0063 - 04段铁群 0 序 言 在重型压力容器的生产制造中,如核电压力容 器、 石化装备中各种高温高压反应器以及大型锅炉 汽包,经常会遇到接管与筒体的焊接问题.焊缝为 三维马鞍形空间曲线,特点为大厚度、 深坡口,需要 多层多道连续焊接.数控型马鞍形埋弧自动焊机成 功地解决了这一难题,并在实际生产中应用.已完 成多台核电压力容器及加氢反应器上接管的自动焊 接,文中在介绍焊机工作原理的基础上,提出了一种 简单易行的插补算法. 1 焊机工作原理 自动焊机主要针对重型压力容器上正交接管马 鞍形焊缝的焊接,采用窄坡口埋弧自动焊接工 艺 1 . 接管直径5001 800 mm,接管高度小于800 mm,筒体厚度小于300 mm,马鞍形曲线最大落差量 小于300 mm,坡口底部径向最小尺寸24 mm.马鞍 形自动焊机的总体结构如图1所示.自动焊机通过 夹紧装置安装定位在接管上,每焊接一个接管安装 一次.焊枪的马鞍形运动轨迹依据数学模型,通过 旋转运动a和上下运动b自动合成.由于自动焊接 过程采用多层、 多道连续进行,通过横向进给运动c 和竖向进给运动d实现焊道的自动排列.在自动焊 接过程中,可以通过遥控器对焊枪进行上下、 左右 微调. 11焊枪; 21送丝机; 31横向进给装置; 41竖向进给装置; 51马鞍形合成装置; 61机身; 71夹具; 81接管; 91筒体 图1 自动焊机总体结构 Fig11 Mechanical structure of auto2welding m achine 2 马鞍形焊道数学模型 马鞍形曲线即为两圆柱正交时的相贯线.为实 64 焊 接 学 报第31卷 现自动化焊接,建立马鞍形空间曲线的数学模型是 非常必要的.以马鞍形焊道正交曲线为例,建立焊 枪轨迹的数学模型.假设:以筒体和接管轴线交点 为坐标原点,接管轴线为z轴,筒体轴线为x轴,与 xOz垂直的筒体径向为y.筒体半径为R,接管半径 为r,建立焊道数学方程为 x=rcos y=rsin z=R 2 - ( r sin) 2 (1) 式中: 为焊枪在xOy面上投影与xOz平面的夹角; h 为曲线上各点在z方向上的马鞍形落差。为了直观 地表示出马鞍形落差与其在水平面上投影夹角之间 的关系,可由式(1)推得马鞍形曲线落差方程为 h=R 2 - ( r sin) 2 -R 2 -r 2 (2) 3 算法的实现 两轴拟合相贯线的过程称为插补.插补是在组 成轨迹的直线段或曲线段的起点和终点之间,按一 定的算法进行数据点的密化工作,以确定一些中间 点.插补的方式有很多种,常用的方式有直线插补、 圆弧插补等.这里采用一种基于二维平面直线插补 方式拟合相贯线的算法 2 . 3. 1 相贯线的插补算法 马鞍形曲线是空间复杂曲线,由于这类焊缝在 水平xOy面上投影为圆,根据此特点,可以将空间曲 线的插补分解成两次二维插补,第一次插补对竖直 方向上的插补,第二次插补是对水平面旋转角的插 补 3, 4 . 将马鞍形焊缝曲线在最高点a沿平行yOz平面 上展开,即落差h随 角变化的曲线如图2所示. 对展开后的曲线进行插补,插补过程就是在曲线上 找到若干个点,用两点之间的连线代替原曲线.当 两点距离足够小时,各条线段形成的曲线逼近原曲 线.插补的主要任务就是在曲线上找到这些点,插 补算法是按等角度分割展开后平面曲线,步进角 =2/n,在恒定的插补周期T内,每次步进的线段 长度li.插补起始点在马鞍形焊缝的最高点a,空间 曲线段ab展开后为平面曲线ac,直线段ab长度近似 等于ac弧,插补的第一步步长可以表示为l1= (ad) 2 +(cd) 2 =z 2 1+ ( r ) 2 ,第i步li= z 2 i+ ( r ) 2 =r 1 + (zi/ r ) 2 ,其中 zi= zi+1-zi, ki=zi/ r , ki为展开平面曲线相邻点 线段的斜率,则步长可以表示为 li=z 2 i+ ( r ) 2 =r 1 + (k i) 2 (3) 图2 焊道展开曲线 Fig12 Sketch m ap of devel opmentwelding curve 因为每个插补点都在曲线上,所以在插补步数 长确定后,然后通过式(1)和式(3)求出插补步长li 和插补点的坐标(i, zi ). zi为竖直方向插补量, 为水平方向上旋转角的插补量.换成相应的脉 冲当量控制步进电动机完成插补过程.这里用直线 段li代替曲线弧长si.此时,焊枪在每个插补周期 内的实际速度为 i=li/ t,只要保证 li变化不大,在 一定误差范围内,则可以认为焊枪为匀速运动. 3. 2 算法误差分析 用直线逼近曲线产生的插补误差包括曲线弓高 误差和速度误差,弓高误差示意图见图3.空间曲线 的弓高上误差一般包括在水平方向上的误差和垂直 方向上的误差,由于自动焊机的焊枪在水平方向上 依靠马鞍形合成装置驱动旋转,因此可以近似认为 水平方向上的误差为零.焊枪在垂直方向上的进给 量可以依据焊道的展开曲线插补得到.焊机在垂直 方向插补后的运动轨迹与理论轨迹之间就存在着一 定的误差,误差的大小与插补步长和两邻插补点之 间曲线段的曲率半径有关.为了简化计算过程,假 设两相邻插补点的距离足够小,则可近似认为两插 补点之间曲线的曲率半径不变,即焊缝上任意相邻 两点m、n在同一半径的圆上.在步长一定的情况 下,弓高误差 可表示为 =- 2 -l 2 /4(4) 式中:为插补点的曲率半径; f为曲线在插补点处 的曲率,= 1/f; l为插补步长.由曲线基本定理可 知,曲线上任意一点的曲率f= |y| / ( 1 +y 2 ) 3/2 ,曲 率半径 最小(曲率f最大)时,弓高误差 最大, 有 min=1 /fmax,可知此点一定在曲线极值点附近的 某个邻域内,即在焊道曲线的最低点或最高点处产 生最大弓高误差.取极值点计算,理论上弓高误差 最大值 max为 max=min- min 2 -l 2 /4(5) 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 第1期段铁群,等:重型压力容器马鞍形焊缝自动焊机插补算法与仿真65 图3 弓高误差示意图 Fig13 Schem atic diagram of arc error 在给定误差的前提下,其最大初始步长可表示 为 lmax=8 min max- 4 max 2 如果在插补周期内每次进给的步长相差过大, 就会产生速度波动,将会影响焊接质量,所以在焊接 过程中一定要严格控制减小焊接速度的波动.在插 补平面曲线时每次的步长与平面曲线的斜率ki有 关,相邻步长之间变化量li为 li=r 1 +ki+1 2 -1 +ki 2 (6) li变化反应了焊接速度波动,最大波动率为 v= ( l max-lmin ) / lmax 4 算法的仿真 为了验证上述数学模型和算法的正确性,利用 MATLAB编制程序对算法进行仿真试验 5, 6 . 焊接 起始点为焊缝最高点,以筒体直径为3 000 mm、 接 管直径为1 200 mm的正交马鞍形焊道为例,分别以 每圈焊缝插补步数为600和1 200步进行仿真,仿 真过程中记录下整个工作周期中的弓高误差、 步长 变化数据.图4为焊道的理论曲线轨迹. 截取焊道二分之一周期内的步长和弓高误差变 化仿真曲线见图5. 步长变化反应焊接速度波动,从图5a仿真曲线 可以看出,在0, 90, 180 角处附近步长最小,在 45和135角处附近步长最大,插补600步时步长在 6. 2836. 418 mm之间波动,插补1 200步时步长 在3. 1423. 209 mm之间波动,步长呈周期性变 化.根据速度波动关系式 v= ( l max- lmin ) / lmax,计 算出两次插补600步时为2. 1% , 1 200步时速度波 动率为2%.图5b为弓高误差 变化曲线,弓高 误差呈周期性变化,在0, 90, 180角处弓高误差达 到最大值, 600步和1 200步分别为2. 853m和0. 858m.在45和135角处产生弓高误差最小. 通过仿真结果分析,可知该算法所产生的步长 变化和弓高误差随焊接进给角度呈周期性变化,对 同一焊缝弓高误差与步长变化与插补步数成反比, 可以通过增加插补步数来减小弓高误差,算法原理 产生的速度波动率小于2. 1%. w w w . b z f x w . c o m 66 焊 接 学 报第31卷 5 结 论 (1)根据马鞍形焊缝的焊接工艺,提出了两轴 协调的马鞍形自动焊机总体结构和工作原理,并建 立了焊机整体机构、 马鞍形焊缝的数学模型和数控 插补控制算法. (2)利用MATLAB对数控算法进行了仿真,在 给定插补步数的前提下,分析马鞍形自动焊机插补 控制算法插补过程中产生弓高误差的原因,通过仿 真证明了可以通过增加插补步数减小弓高误差,该 算法可以保证焊缝拟合的准确性,而且焊接速度波 动率小于2. 1% ,满足自动焊接要求. (3)焊接整体结构简单,采用两轴传动,大大简 少了制造和维修成本. 参考文献: 1 段铁群,孟凡荣,石广远,等.基于ADAMS接管马鞍形自动 焊机运动仿真J .焊接, 2008 (11) : 64 - 66. Duan Tiequn, Meng Fanrong, Shi Guangyuan.Kinematic simula2 tion on large cylinder saddle automatic welding machine base on ADAMSJ . Welding material properties un2 der high temperature; ther mal elastic2plastic FEM; welding de2 formation; large complicated structure W elding behavior of two current phase relations for twin2 wire pulsedMAG welding WEN Yuanmei 1, 2 , HUANG Sh2 isheng 1 , WU Kaiyuan1, LAO Zhengping 1 (1. School ofMechan2 ical Engineering, South China University of Technology, Guang2 zhou 510640, China; 2.Faculty of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, Chi2 na). p 59 - 62, 66 Abstract: Based on the high2speed video system with e2 lectrical signals analyzer in synchronous,the electrical signals and the photographs of molten droplet under certain welding pa2 rameters were collected,the electrical arc shape and droplet transfer pattern of welding process in twin2wire pulsed MAG weldingwere studied.It is observed thatwhen the pulse current exerted on the frontwire and the rearwire by turns, the shape of arcs presents the clock cover form, and has no influence on each other . When the pulse current exerted on the front wire and the rearwire in phase, the arcs attract each other and the arc is in2 corporated as a peach.The weld appearance of the synchronous pulse current is good and the concomitant is great noise and smog .The weld appearance of the alternating pulse current is tolerable. Key words: pulsed MAG welding;t win2wire;droplet transfer; shape of arc I nterpolation algorithm and si mulation of auto2weldi ng sad2 dle2shaped nozzle of heavy pressure vessels DUAN Tiequn1, SH I Guangyuan1, YU Dan2, YANG Kefei 2 (1. Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China; 2. HarbinWelding Institute, Harbin 150080, China).p 63 - 66 Abstract: According to the welding processes of nozzle of heavy pressure vessels, this paper introduced the structure and principle of the automatic welding machine, and also presenteed the mathmetical model and si mplified interpolation algorithm which used two collaborative axis to for m a space fitting saddle2 shaped welding bead.The si mulation results indicate that the two2axis interpolation algorithm can meet the requirements of the automatic welding . Key words: heavy pressure vessels;automatic welding machine; interpolation algorithm; simulation M icrostructure and mechan ical property of Ag2Cu2Ti fillers added with rare earth lanthanum YANG Changyong, XU Jiuhua, D I NGWenfeng, FU Yucan, CHEN Zhenzhen (Jiangsu KeyLaboratory of Precision and Micro2manufacturing Technolo2 gy, Nanjing University of Aeronautics Ag2Cu2Ti filler; microstruc2 ture; mechanical property Effects of applied longitudi nal magnetic field on plasma arc hardfaci ng m icrostructure and property L I U Zhengjun, SONG Xingkui, SHAO Dawei, ZHAO Qian, ZHANG Shixin, CHENGMinghua (Materials Science and EngineeringAcademy, ShenyangUniversity of Technology, Shenyang 110023, China). p 71 - 74 Abstract: To control the shape and distribution of hard phase,longitudinal magnetic field was applied during plasma hardfacing of Fe5 alloy .The hardness, wearing, microstructure and X2ray diffraction analysis of the hardfacing layerwere tested aswell as the structure and property of the handfacing layer of the powder .The results showed that the layer had higher hard2 ness and betterwearingwith magnetic field than the layer formed withoutmagnetic field.The properties of hardfacing layer were optimum when the magnetic field currentwas 3A and the micro2 structures of alloy hardfacing layer obtained ideal hard phase such as Cr7C3, CrB ect and solid solutionandwere refined sufficiently . Key words: plasma arc surfacing welding;magnetic field;