（机械制造及其自动化专业论文）机器人焊接辅助工艺系统的开发.pdf

声明 工作及取得的研究成果。 其他人已经发表或撰写过 书而使用过的材料。与我 说明并表示了谢意。 丑虹彩 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：名塑丝整日期m7 口f ， 摘要 机器人焊接辅助工艺系统的开发 研究生姓名：刘洋 导师姓名：易红教授 幸研副教授 学校名称：东南大学 摘要 计算机技术在焊接领域的应用越来越广泛。传统的手工焊接与机器人在线示教焊接的方 法已不能满足企业要求，已有的c a p p 系统多数仅仅是生成焊接工艺，不能提高机器人焊接 的自动化水平。本文在分析企业需求的基础上，根据焊接- 丁艺设计的原理和特点，提出了焊 接c a p p 系统的总体框架，确定了功能模块，从而建立了焊接辅助工艺系统。 ( 1 ) 区别于传统的c a p p 系统，本文基于三维c a d 软件平台开发了面向焊接机器人 的焊接辅助工艺系统，实现了焊接轨迹规划、焊接工艺生成、机器人程序的集成，增强了机 器人离线编程的功能，提高了机器人焊接自动化水平。 ( 2 ) 利用基于范例推理的方法，开发了工艺智能化生成模块，实现了工艺卡自动生成 与焊接资料管理。在工艺推理自动化的同时，也发挥人的主观能动性，实现人机交互，共同 制定焊接工艺。 ( 3 ) 针对企业现有的k u k a 与r e i s 工业机器人，分析两者中的共同点，利用三维c a d 软件计算存储焊炬姿态信息，并结合工艺信息共同生成机器人焊接文件，分别向两种机器人 提供相应的编辑模块。机器人程序模块充分考虑了用户的操作方便性与需求多样性。 ( 4 ) 为了提高机器人焊接中焊缝跟踪的能力，使机器人结构光传感器适应检测对象多 变的情况，针对已有的坡口检测算法无法处理折线焊缝转折处菲标准轮廓的缺陷，系统提供 辅助功能模块，用于提取焊缝坡口的标准轮廓和非标准轮廓，并应用于折线v 型坡口的焊 缝跟踪。 通过系统的应用，可以提高焊接t 艺参数设计的标准化水平与效率，并提高机器人程序 的编制速度，提高的企业的生产率与效益。 关键词：焊接工艺，计算机辅助工艺设计，基于范例推理，焊缝跟踪 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fp r o c e s sp l a n n i n g s y s t e mf o rr o b o tw e l d i n g c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：l i uy a n g a d v i s e r ：p r o f y ih o n g a s s o c i a t ep r o f x i n gy a n s o i l t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t c o m p u t e rt e c h n o l o g yh a sb e e nm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fw e l d i n g t r a d i t i o n a lm a n u a lw e l d i n ga n do n l i n em a n u a lt e a c h i n gc a nn o tm e e tt h er e q u i r eo fe n t e r p r i s e m o s to fe x i s t i n gc a p ps y s t e m sj u s to n l yc r e a t ew e l d i n gp r o c e d u r e ，c a r ln o tr a i s ea u t o m a t i o nl e v e l o fr o b o tw e l d i n g b a s e do nt h ea n a l y s i so fe n t e r p r i s en e e d ，t h es y s t e mf r a m e w o r ka n df u n c t i o n a l m o d u l e sa r ei d e n t i f i e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fw e l d i n gp r o c e d u r ed e s i g n ， t h e nw e l d i n gc o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp r o g r a m m i n g ( 1 ) t h es y s t e mc a t e r st or o b o tw e l d i n gb a s e do n3 一dc a ds o f t w a r ep l a t f o r m i ti sq u i t e d i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lc a p ps y s t e m i tc a na c h i e v ew e l d i n gt r a j e c t o r yp l a n n i n g , w e l d i n g p r o c e d u r ec r e a t i n g , r o b o tp r o g r a mg e n e r a t i n g ，e n h a n c i n gt h ea b i l i t yo fr o b o to f f i i n ep r o g r a m ，r a i s e a u t o m a t i o nl e v e lo fr o b o tw e l d i n g ( 2 ) w e l d i n gp r o c e d u r ec r e a t o r i s d e v e l o p e dw i t ht h em e t h o do fc a s e b a s e dr e a s o n i n g a u t o m a t i o no fp r o c e d u r ec a r da n dm a n a g e m e n to fw e l d i n gd a t aa r ea c h i e v e d t h es y s t e me x e r t s t e c h n o l o g i s t ss u b j e c t i v ep o s i t i v i t yw h e ng e n e r a t ed a t ew i t ht h em e t h o do fc a s e b a s e dr e a s o n i n g , r e a l i z e sh u m a n s o f t w a r ei n t e r a c t i o n ，m a k ec r a f t w o r kt o g e t h e r ( 3 ) t h es y s t e ma n a l y z e dc o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so fk u k aa n dr e i zr o b o t s ，c a l c u l a t e sa n d s a v e dw e l d i n gt o r c hp o s i t i o ni n f o r m a t i o nb yt h eh e l po f3 dc a d i tg e n e r a t e sr o b o tp r o g r a m so n t h eb a s eo fc o m b i n a t i o no fp o s i t i o na n dp r o c e d u r e i tp r o v i d e se d i t o rm o d e lf o r2k i n d so fr o b o t i n d e p e n d e n t l y t h eg e n e r a t o rt a k e so p e r a t i o nc o n v e n i e n c ea n dr e q u i r e m e n td i v e r s i t yi n t oa c c o u n t f u l l y ( 4 ) t oi m p r o v et h ea b i l i t yo fw e l d i n gb e a mt r a c k i n gi nr o b o tw e l d i n ga n dm a k et h er o b o t s t r u c t u r el i g h ts e n s o ra d a p tt od i f f e r e n tk i n d so fd e t e c t i n go b j e c t , t h es y s t e mp r o v i d e sa u x i l i a r y f u n c t i o nm o d u l eu s e dt og e tt h ep r o f i l eo fw e l dg r o o v e t h em o d u l ec a l lo v e r c o m es o m ef l a w so f e x i s t i n gw e l dg r o o v ed e t e c t i n ga l g o r i t h m r e l i a b i l i t yo f t h em o d u l eh a sb e e n j u s t i f i e di np o l y g o n a l l i n ev - s h a p e ds e a mt r a c k i n g b yt h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e m , l e v e lo fs t a n d a r d i z a t i o na n dd e s i g ne f f i c i e n c yo fw e l d i n g p r o c e d u r ed e s i g na r ei m p r o v e dh i g h l y , a n dw e l d i n gr o b o tp r o g r a mi ss p e du p t h es y s t e mi s v a l i d a t e di nf i e l dp r a c t i c ew h i c hr e s u l t si ng p o dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：w e l d i n gp r o c e d u r e , c a p p , c b r , w e l dt r a c k i n g i i 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第一章绪论。l 1 1 课题背景1 1 2 焊接c a p p 的现状和发展趋势2 1 2 1 焊接c a p p 系统的国外研究现状。2 1 2 2 焊接c a p p 系统的国内研究现状3 1 2 3 焊接c a p p 系统的发展趋势4 1 3 焊接c a p p 系统的研究意义与课题来源5 1 3 。1 研究意义与课题来源5 1 。3 2 论文的主要研究内容5 1 3 3 论文的组织结构。6 1 4 本章小结6 第二章焊接辅助工艺系统的总体结构和技术一7 2 1 系统的总体结构7 2 1 1 系统的设计思想7 2 1 2 系统的总体结构7 2 2 系统的支撑技术l o 2 2 1 系统的开发平台与开发方法1 0 2 2 2 基于范例的推理1 2 2 2 3 灰色系统理论1 3 2 3 本章小结1 3 第三章基于c a d 的集成化c a p p 系统设计1 4 3 1 计算模块与坡口模块的设计1 4 3 1 1 材料焊接性设计1 4 3 1 2 焊接材料用量模块的设计1 6 3 1 - 3 坡口模块的设计1 7 3 2 工艺数据智能化生成模块1 9 3 2 1 基于范例的推理1 9 3 2 2 范例的表示2 0 3 2 3 范例的检索2 l 3 2 4 范例的修正与学习2 5 3 2 5 范例库的维护2 6 3 2 6 工艺卡片的生成2 7 3 3 系统数据库的设计2 8 3 4 焊接机器人程序生成模块3 0 3 4 1 c a d 焊缝信息提取、轨迹规划与姿态定义3 0 3 4 2 机器人程序生成3 l 3 5 本章小结3 5 第四章辅助工具模块的设计3 6 4 1 结构光传感器原理3 6 4 2 辅助工具模块的关键技术3 7 目录 4 3 应用实例：4 0 4 4 本章小结4 1 第五章系统的运行界面及工程实例4 2 5 1 系统的开发及运行环境4 2 5 2 系统主界面4 2 5 3 计算模块4 3 5 3 1 材料焊接性计算4 3 5 3 2 焊接材料用量定额计算4 4 5 4 焊接资料查询与管理模块4 5 5 4 1 母材模块4 5 5 4 2 焊材模块4 6 5 4 3 焊接方法模块4 7 5 4 4 坡口查询模块4 8 5 4 5 焊工管理模块4 9 5 5 焊接工艺模块5 0 5 5 1 焊接工艺管理模块5 0 5 5 2 焊接工艺智能化生成模块5 1 5 5 3 焊接工艺卡生成模块5 2 5 6 焊接机器人程序生成模块5 3 5 6 1k uk a 机器人5 3 5 6 2 r e i s 机器人5 4 5 7 辅助工具模块5 5 5 8 工程实例5 6 5 8 1 水斗堆焊简介5 6 5 8 2 试验过程及结果5 7 5 9 本章小结5 8 第六章结论与展望5 9 6 1 总结5 9 6 2 展望5 9 至殳谢6 0 参考文献6 l i v 焊接是现代工业生产中一种重要的先进制造技术，被广泛应用于机械、电力、冶金、锅 炉和压力容器、建筑桥梁、船舶、汽车、航空航天、军工和军事装备等产业部门。现代高新 技术的发展离不开焊接，反过来，焊接技术又得到其他高新技术的支持。在现在的技术革命 中焊接技术得到越来越多的人密切关注。 焊接是通过适当的物理化学方法，使两个分离的固体产生原子间的结合力，从而实现材 料连接的一种方法f l j 。这种方法的应用范围有：金属与金属的连接、非金属与非金属的连接 以及金属与非金属的连接。目前焊接主要应用于金属之间的连接，并作为一种金属连接工艺。 许多传统的铸件、锻件也已被焊件或焊铸件、锻焊件等复合加1 = 方法制品所代替。在发达 国家，一半以上的钢材产量是用于焊接加工的，除了钢材，大量的有色金属如铝、铜等及其 合金也被应用于焊接加工。 当今机械工业生产中，新工艺、新技术飞速发展，由于社会需求趋向多样化，市场竞争 激烈，使得产品生产周期日益缩短。制造系统正逐渐从刚性( 高效率的大批量生产模式) 向 柔性( 高效率多品种的小批量生产模式) 转变1 2 j 。传统的焊接加工模式已不能满足市场和企 业的要求，机器人在焊接领域的使用可以很好的满足柔性系统的要求。 焊接是一种经验性很强的材料连接技术，不同的焊工在同种条件下焊出来的焊缝可能有 天壤之别，其难以找剑通用的规律，也很难用数学模型进行理论分析。机器人焊接可以保证 较为精确的焊缝轨迹和稳定的焊缝质量，而且机器人焊接可以在恶劣环境下进行作业，可以 实现大规模、集成化柔性焊接系统。对于机器人焊接，目前企业里运片j 较多的是在线示教， 因其直观、简单，但对于复杂曲线，其精度与焊缝质量大打折扣，而且示教的效率比较低， 通常1 0 0 m m 的焊缝约需要2 小时示教5 0 个点，一个中等焊缝数的零件示教时间约为1 个月， 对于大型零件则需更长时间，且机器人工作时间较长，耗费能源，工作人员的劳动强度也随 之增加，在某些狭小空间里可能因焊工的视角不可及而发生碰撞。而机器人离线编程则在编 程阶段脱离机器人实体，在计算机上对图形进行操作，进而产生机器人程序，它可以充分利 用三维c a d 零件信息，而且也便于与c a d c a m c a p p 结合，将系统做成 c a d c a m c a p p r o b o t l c s 一体化。离线编程可以在机器人在生产线上工作时对下一阶段 工作程序进行编制，减少了机器人的停机时间，提高机器人的工作效率。在某些情况下。焊 接工作需要在高温高压下进行，人工手动焊接是无法进行的，而机器人离线编程的方式可以 使工艺人员远离危险环境，在计算机上进行工作。另外离线的方式可以对各种机器人进行编 程，而不需要各种品牌的实体机器人，并且能够很便捷地实现优化编程，程序内容也可方便 地修改。对于复杂工件的焊接，可以使用高级计算机语言进行编程，而不需要繁琐地操作机 器人进行示教工作。因此，机器人离线编程得到人们的广泛重视，而成为一个十分活跃的研 究方向。 机器人焊接在生产实践中得到大规模应用，焊接设计过程包括路径规划和工艺制定。路 径规划正在逐步由在线示教向离线编程发展，但是工艺制定却还是由手工完成。编制焊接工 艺所需信息量大，工艺人员既要编制焊接及热处理工艺，又要负责焊接用料定额计算，在这 个过程中焊接工艺人员需要反复查看图纸与手册标准，而且在编制焊接工艺时，如果没有现 成的焊接工艺规程，就需要根据焊接_ 艺评定报告编制焊接工艺规程。在手工编制焊接工艺 的过程中会出现以下问题：( 1 ) 手工工艺设计工艺规程工作量大、效率低下、且容易出错； l 东南大学硕十学位论文 ( 2 ) 因信息交流问题会出现焊接工艺评定重复进行。针对手工编制工艺程序的缺点，很多 学者和企业开发了c a p p 系统，但这些c a p p 系统大多是独立运行的，与c a d 环境分开， 系统的运行结果仅是工艺文件，之后再由手工或机器人示教的方式完成焊接。 针对已有c a p p 系统的缺陷，本文开发了基于三维c a d 平台的c a p p 系统，在系统运 行中充分应用三维模型的信息，并最终生成工艺文件与机器人文件，进一步提升了焊接自动 化的水平。 1 2 焊接c a p p 的现状和发展趋势 1 2 1 焊接c a p p 系统的国外研究现状 国外对焊接c a p p 的研究较早，先进程度比较高，而且涉及的范围比较广，包括工艺的 选择、性能预测、焊工管理、焊接材料选择专家系统、焊接用料定额计算等。从2 0 世纪7 0 年代末，日本与西方发达国家就将计算机引入焊接领域。1 9 7 6 年，日本成立了焊接数据库委 员会，并确立了今后数据库的发展方向p j 。1 9 8 4 年，美国成立了包含力学性能、物理性能、 化学成分等数据的材料数据网。1 9 8 6 年，日本国立金属材料技术研究所建立了焊接c c t 图片 数据库和热循环计算程序，这为防止冷裂纹及选择合理的规范参数奠定了重要基础。同年， 英国焊接研究所依据b s 4 8 7 0 2 0 0 0 标准开发了w e l d s p e c 焊接t 艺数据库，英国的d a r v i g n a n i 业公司建立了焊接材料数据库系统。1 9 8 7 年，德国焊接协会建立了焊接信息系统( 包含焊接 文献数据库及焊接记录数据库) 。1 9 8 9 年美国巴地蒙雨电器公司建立了焊工技能评定数据库 系统。1 9 9 0 年美国焊接研究所依据a w sd 1 1 8 8 开发了c o r r a l d i 1w p s p q r 数据库，同 年美国加州的e d i s o n 焊接研究所根据a s m e 第篇的q w - 4 8 2 、q w - 4 8 3 部分开发了焊接工艺 与p q r 数据库系统w e l d s p e cp l u s 。2 0 0 0 年英国焊接研究所( t w i ) 联合c a m b r i d g e ，c s p e c ， u k ，p l e a s a n th i l l ，c a l i f 。起开发出焊接工艺的新版本i 铀j 。另外随着网络技术的发展，国 外还建立了网络化焊接技术网站，1 9 9 4 年，美国e d i s o n 焊接研究所创建了名为e w i 的焊接技 术网站，美国国家标准技术研究所( n i s t ) 同c a t e r p i l a r ，d e l p h ia u t o m o t i v e ，a w s a 9 标准委员 会合作开发了焊接网络数据库系统。到目前为止智能化的焊接c a p p 得到很大发展，很多基于 专家系统的c a p p 系统开发出来，这些系统的开发基本上是利用通用语言c 、c + + 、p a s c a l 等， 或者是人工智能语言l i s p 、p r o l o g 等，这些专家系统在焊接材料选择、焊接工艺确定、焊接 工艺评定、焊工考试、焊接缺陷预测等方面得到应用。目前焊接c a p p 正在向焊接工艺与焊接 工艺管理智能化、集成化、网络化方向发展。近些年国外完成的焊接c a p p 系统件表1 1 。 表1 1 近年来国外完成的部分焊接c a p p 系统1 舢刀 名称功能类型 开发单位 国家 w e l d i n gp r o c e d u r es e l e c t i o n 工艺设计 s t o n e & w e b s t e re n g i n e e r i n g 美国 p r o g r a m w e l da s s i s t工艺设计k u h n ec a r ya n dp r i n t y 美国 s t e a mp i p e工艺没计m a r c h w o o de n g i n e e r i n gl a b 美国 w e l dp r o c e d u r es e l e c t i o np r o g r a m工艺选择 s o u t h a m p t o nu n i v e r s i t y 美国 s a w s h i pb u i l d i n ge n v i r o n m e n t t 艺设计 q u e e nu n i v e r s i t yo fb e l f a s t 英国 w e l d i n gp r o c e d u r ee n q u i r i e s 工艺选择 n e i i n t e r n a lc o m b u s t i o nl t d 美国 w e l ds c h e d u l e r工艺设计b a b c o c ka n dw i l c o x 美国 e x p e r tr o b o tw e l d i n gs y s t e m r t 艺设计 s i c a r da n dl e v i n e 美国 w e l d g e n 工艺设计t w i 英国 2 第一章绪论 w e l d s p e c 工艺设计 t w i 英国 x w e l d工艺设计4 x t w i 挪威 w e l ds e l e c t o r 焊材选择 c s m 美国 w e l d s e l焊材选择t w i 英国 s h i e l d i n gg a ss e l e c t i o n 焊材选择a n d e m o n p c j & b o u r t o n ，m a 英国 w e l ds y m p l e焊接结构c s m 美国 q m w e l d制造信息管理 t w i 英国 w e l d e r q u a l p l u s 焊接记录管理e d i s o n 美国 w e l d i n gp r o w r i t e 焊接工艺评定计算机工程公司美国 管理 w eld m a n a g e r焊接数据库t w i英国 w e l d e rq u a l i f i c a t i o n 焊工记录管理瑞典生产技术研究所瑞典 p q r d a t a b a s e 工艺评定 t w i 英国 w e l d p l a n焊接生产计划焊接研究所丹麦 f i l l e r 2 焊材数据库d a v i g n o n 工业公司英国 w e l d - i t 焊接技术咨询焊接局加拿 大 1 2 2 焊接c a p p 系统的国内研究现状 国内焊接c a p p 系统的开发起步较晚，始于2 0 世纪8 0 年代，且大多为实验原型，商品 化软件较少，上世纪9 0 年代以前，开发的c a p p 系统一般在d o s 平台上开发，用d b a s e ， b a s i c 或f o x b a s e 开发。2 0 0 3 年至2 0 0 7 年，北京工业大学与北京巴威公司合作开发了焊 接上艺评定与管理系统，系统架构采用c s 与b s 混合体系结构，实现了网络化，引入专家 系统进行工艺评定，实现了与a u t o c a d 的集成。2 0 0 4 年，西安交通大学利用知识分类表示 的方法开发了一套专家系统，构造出基于面向对象的专家系统对象模型，发展了基于对象模 型与基于规则推理相结合的推理方法。2 0 0 5 年，华中科技大学开发了面向锅炉行业的焊接 c a p p 系统，系统针对工艺设计过程中不同阶段工艺人员要完成的任务，设计了系统的各项 功能，实现了产品b o m 表自动生成与焊接结构基本参数的自动输入等功能。同年，南京理 工大学开发了面向化1 二行业的w c a p p 系统，针对产品结构“产品部件接头”的特点，建 立了基于x m l 文件的产品结构树层次信息模型，设计了基于p q r 范例检索的焊接1 = 艺求 解流程。2 0 0 6 年，中石化与南京师范大学共同开发了n s t - w c a p p 系统，系统利用混合推 理模式实现焊接工艺求解，并以虚拟工艺卡片的形式，利用水晶报表实现工艺卡输出。这一 时期的系统一般用v c 、v b 、v f p 、d e l p h i 、p o w e r b u i l d e r 等工具开发，运行在w i n d o w s 系 统上，功能上要比以前的系统强大很多，用户友好性也更加良好，有的还实现了网络化，各 个终端可以通过网络互通信息，智能化水平得到很大提升，而且焊接c a p p 系统的商业化和 专业化也得到了很大的发展。这些数据库大多是用于工艺数据查询管理等功能，普遍存在集 成化程度低，一般是独立运行的可执行文件等，与c a d c a m 分离，而且没有提供相互连 接的接口，功能不健全。近年来国内开发的焊接c a p p 系统如表l 一2 所示。 表1 2 围内开发的部分焊接c a p p 系统【6 1 系统名称主要功能和特点开发单位 焊接工艺设计c a p p 系统焊接工艺委托单、设计书、评定书、工哈尔滨工业大学， 艺规程、施工任务f 弓设计与管理、焊接大庆油建二公司 3 东南大学硕士学位论文 坡口图形设计与管理 钢制压力容器焊接工艺评定 存储、更新、增减、打印输出报告；进 西安石油大学，西 数据库系统行单条件或组合条件查询，可计算出每安长庆科技工程有 条焊缝的生产成本限公司 通用焊接工艺辅助编制与管基丁：局域网的c a p p 系统，实现工艺文哈尔滨工业大学 理系统件格式的设计，工艺参数库的结构与工 艺文件关系的设计，工艺文件的编制与 管理，用户权限设置于管理 工程机械焊接结构件装焊工网络化c a p p 系统中进行版本管理、流 清华大学，徐州工 艺流程及数据库管理系统程管理和角色管理。c s 结构程机械集团有限公 司 表格化焊接c a p p 系统c s 结构，能设计管理产品、部件和卡哈尔滨工业大学， 片柳州工程机械集团 结构件c a p p 系统实现交互式工艺设计、编辑，工艺规程西安交通入学 管理、焊接设备、焊条、工装夹具、焊 接参数、接头图形等：r 艺资源管理 钢制压力容器焊接c a p p 系针对j b t 4 7 0 9 2 0 0 0 标准，可制定焊接合肥工业大学 统工艺卡，进行焊接工艺文件的编辑、查 询、打印等，生成焊接工艺规程 网络化智能焊接工艺评定管c s ，b s 相结合结构，能制定、审批、北京工业大学，北 理系统查询工艺评定报告，融合工艺评定专家京巴威公司 系统功能 焊接工艺文件编制与管理系c s 结构，实现焊接工艺文件的编辑于哈尔滨上业大学， 统 管理，工艺评定必要性判断，融合工艺哈尔滨锅炉厂有限 设计专家系统功能公司 焊接变形数据库系统c s 结构，实现管理焊接变形数据，并北京航空航天大学 能分析一定条件下各因素对焊接变形 的影响，建立了焊接变形预测计算模 型，可集成剑p d m 系统并能与其他 p d m 子系统进行数据信息共享 1 2 3 焊接c a p p 系统的发展趋势 目前很多c a p p 系统都能实现工艺查询管理，材料数据查询，工艺数据智能化生成功能， 但总的来说还存在以下不足： ( 1 ) 应片j 范围偏窄。很多c a p p 系统是针对特定要求而对企业进行“量身定做”的， 只能在特定企业进行运行，若要在其他企业进行运行，则需要大量修改，可移植性较差。 ( 2 ) 集成化程度较低。作为设计和制造的桥梁的工艺，其数据是产品全生命周期 中最重要的数据之一，工艺数据同时是企业编排生产计划、制定采购计划、生产调度 的重要基础数据，在企业的整个产品开发及生产中起着重要的作用。c a p p 需要与企 业的各种应用系统进行集成，包括c a d p d m e r p m e s 等等。由于不少企业c a d 、 c a p p 、e r p 的应用是分阶段、不同时期应用的，目前还存在着信息的孤岛，工艺数 据的价值还没有得到有效的发挥和利用。 ( 3 ) 应用水平较低。目前大多焊接c a p p 是文件管理等功能，少部分采用了专 4 提高焊接自动化。因此建立一个不仅具备工艺信息杏询管理、焊接资料查询、工艺卡智能生 成等功能，而且具备焊接机器人加- t 程序输出的新型焊接c a p p 系统已是当务之急。 本课题来源于江苏省科技厅成果转化专项( b a 2 0 0 7 0 5 8 ) 焊接机器人成套装备关键技术， 该项目基于c a d c a p p c a m p d m 的离线编程技术使第一、二代焊接机器人从手工示教编 程提升到离线自动智能化编程，提高了机器人编程的效率和质量，焊接机器人自适应技术使 机器人具有一定智能传感和自动补偿能力，扩大了机器人及离线编程系统在工厂的实际应用 范围和能力。基于三维c a d 软件s o l i d w o r k s 环境下，实现c a d c a m c a p p 一体化焊接轨 迹、机器人位姿和焊接工艺数据提取及界面建立。 1 3 2 论文的主要研究内容 ( 1 ) 针对机器人焊接的特点，提出一种新的焊接辅助工艺系统框架，实现与c a d 的 集成化，系统基于三维c a d 平台，从三维模型中提取信息，辅助完成工艺编制，并最终输 出机器人程序，完成焊接。 ( 2 ) 开发智能型的焊接工艺数据生成模块，并提高工艺卡的输出速度，提高焊接工艺 人员的生产效率。 ( 3 ) 利用三维c a d 实体的几何信息建立焊接机器人程序生成模块，包含多种机器人 程序，并提供编辑模块，方便对工艺参数进行修改，并提供临时保存功能方便工艺人员进行 间断性编程。 ( 4 ) 在s o l i d w o r k s 平台下，利用c o m 组件技术对s o l i d w o r k s 进行二次开发，提供辅 助工具模块，为机器人焊缝跟踪提供坡口数据，提高机器人焊缝跟踪对多样化坡口轮廓的适 应能力。 ( 5 ) 针对以上的研究内容，建立一个实现焊接工艺设计加工c a d c a m c a p p 一体化 5 1 4 本章小结 图1 - 1 论文组织结构图 究 定 理 计 方 本章介绍了传统焊接工艺的设计方法及其缺点，回顾了始于2 0 世纪7 0 年代末的国内外 焊接c a p p 的发展历程及发展趋势。介绍了论文的研究背景与意义，并说明了论文的组织结 构，对论文的工作进行了简明扼要的介绍。 6 第二章焊接辅助工艺系统的总体结构和技术 第二章焊接辅助工艺系统的总体结构和技术 本章根据焊接工艺设计的特点和工厂实际情况，建立了焊接c a p p 的总体系统框架，并 介绍了相关技术。 2 1 系统的总体结构 2 1 1 系统的设计思想 传统的c a p p 是独立运行在w i n d o w s 平台下的数据库管理系统。结构简单的c a p p 仅 仅是单机版运行的程序，且其不能与c a d 软件进行信息交互，只能做到一些工艺文档查询、 修改等管理功能，形式比较简单，处理工艺问题的能力较为薄弱。后来出现的焊接c a p p 的功能比早期的系统在功能上有很大提高，能够利用专家系统、神经网络等方法智能化生成 焊接工艺和焊接工艺规程评定等功能，有的系统也能实现网络化运行等，少部分系统在其中 调用了c a d 软件，但只是独立使用，没有做到与c a p p 的集成，如图2 1 所示。 c a p p 图2 - 1 传统的c a p p 结构 针对机器人焊接的特点，系统放在三维c a d 软件平台上进行开发，与c a d 软件环境 集成，这样可以充分利用三维模型的信息。一方面利用三维模型数据得到机器人焊接的轨迹 规划与焊炬姿态的信息，另一方面通过c a p p 系统获得焊接的参数、焊接性以及焊材用量等 信息，最后两者相结合，生成机器人程序，最后将机器人程序导入机器人控制柜，利用机器 人完成焊接加工，如图2 2 所示。 凰参扩 2 1 2 系统的总体结构 图2 - 2c a p p 系统与机器人焊接关系图 因工厂所使用的三维c a d 软件为s o l i d w o r k s ，因此本系统区别于以往的焊接c a p p ， 以s o l i d w o r k s 为应用平台，进行系统的开发。焊接作为一种重要的加工方法，它包含手工 7 东南大学硕士学位论文 电弧焊、埋弧焊、爆炸焊、气体保护焊、等离子焊等加工方法，鉴于系统的应用对象是机器 人熔化极气体保护焊，系统主要研究对象为熔化极气体保护焊，同时兼顾其他焊接加工方法。 在机器人焊接过程中，焊缝寻位与焊缝跟踪是保证机器人焊接精度的重要手段，在跟踪折线 焊缝时，因折线焊缝不是标准坡口，在折线处会焊缝跟踪失败，针对此问题系统中加入了辅 助工具模块仿真传感器的设计。 整个系统的上作流程如图2 3 所示，首先建立焊件的三维c a d 模型，其次提取c a d 模型的几何信息，如法向量、焊接点坐标等，然后利用模型的几何信息确定焊接轨迹与焊炬 的姿态，接着依据材料成分计算焊接材料焊接性，根据三维c a d 模型确定焊材用量，最后 生成= 艺参数并输出机器人文件。在进行焊接时需进行焊缝跟踪，系统利用三维c a d 软件 二次开发出辅助工具模块，用辅助工具提取三维c a d 模型坡口信息，辅助机器人在特殊情 况下进行焊缝跟踪。c a d 信息提取、轨迹规划与姿态定义两个步骤是由本文作者的合作者 完成，本文作者参与了其中的构思。 匿一瞿麴_匿 避匿霹 图2 3 系统工作流程 系统以人工交互的方式来进行焊接t 艺与机器人文件的输出，系统的功能结构简图如图 2 4 所示。焊接工艺人员在系统集成的环境下，根据实际情况进行焊接工艺的编制，系统包 含以下几个模块： 8 二厘习 图2 4 系统功能结构简图 ( 1 ) 主控模块。系统主控模块是焊接c a p p 片j 来协调其他各模块的工作，同时也是整 个c a p p 系统的总界面，协调控制模块之间信息流的传递，用户可以通过主控模块对各个子 模块进行协调操作，驱动各模块工作。 ( 2 ) 材料焊接性与焊接材料用量计算模块。模块包括：碳当量计算，提供了1 3 种碳当 量计算式；焊接热处理中焊前最低预热温度、焊后后热温度与后热时间的计算，后热时间提 供了提供了适合于低合金高强钢的计算参数：焊接裂纹预测，包括热裂纹、冷裂纹、再热裂 纹；层状撕裂敏感指数的计算；针对不锈钢的铬、镍当量与点蚀指数的计算，提供了奥氏体 不锈钢和铁素体一奥氏体双相不锈钢两种类型；焊接热影响区最高硬度；焊接中比较重要的 参数t 8 拈温度的计算，它对焊接区组织和性能都有很大影响，是预测其它因子的一个基本参 数；针对混合气体保护焊等焊接方法的焊接材料用量计算，方便企业搞好工程预算、做好生 产准备和焊接材料消耗定额等工作。 ( 3 ) 坡口设计模块。在焊接工艺设计中存在大量的图( 坡口形式图、焊缝形式图等) ， 坡口形式与焊缝形式的设计好坏，直接影响到焊缝结构的生产加工工艺、效率及成本。这些 图有的在工艺设计之前就已经确定，有的在工艺设计时需要酌情修改，模块提供坡口设计查 询与修改功能，系统数据库中已经存在的坡口形式图、焊缝形式图均来自g b 9 8 5 8 8 、 g b 9 8 6 - 8 8 ，图形库的开发与维护是采用o l e 技术将画图程序和a u t o c a d 链接到系统中对 坡口图形与焊缝图形进行处理。 ( 4 ) 焊t 档案管理模块。焊接是一种经验性非常强的加工方法，焊接技术比较复杂， 一个焊工不可能掌握所有的焊接方法，只能掌握其中一部分，而且技术的高低也因人而异， 9 东南大学硕士学位论文 在生产过程中，焊工的正确选择与否是保证焊接质量的重要方面。模块可以对焊t 档案进行 查询、添加、修改、删除等功能，另外模块还可以对焊工合格证进行管理，对合格证过期的 焊工名单进行提示，对即将失效的焊工名单进行提示，利用模块可以保证焊工人力资源的连 续性，防止出现断层现象，不断提高焊工的资历、资格，使产品质量不断提高，保持在一个 较高的水准，提高企业的制造水平，增强企业的竞争力。 ( 5 ) 焊接工艺智能生成模块。此模块是系统的核心模块，因焊接方法是采用机器人熔 化极气体保护焊，冈此生成的焊接工艺是针对气体保护焊，模块通过输入焊接接头的几何信 息和焊接位置信息自动生成焊接工艺参数，包括：焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速 度等参数。 ( 6 ) 焊接工艺规程有询和管理模块。历史焊接工艺数据是工厂在产品焊接方面长时间 的积累经验，也是工艺数据智能化生成中推理的依据，是系统正确运行的基础。随着焊接次 数的增多，冗余焊接工艺数据