本公开提出了考虑角变形的厚板机器人动态焊接路径规划方法及系统，包括：建立厚板多层多道焊接角变形计算模型；基于所述模型，得到第i层的坡口角度，按照不同坡口类型求出第i层的横截面面积Si；采用等高型填充策略，对第i层的焊道进行规划；确定该层各焊道的起弧点坐标、焊枪位置与姿态、摆幅、焊接电流和焊接速度；获得第i层所有焊道焊接完成后所引起的角变形，得到后续一层焊道的坡口角度，基于等高型填充策略，计算出后续一层焊道横截面面积，再对该层焊道进行规划和焊接；重复以上步骤，完成整个坡口的填充。
1.考虑角变形的厚板机器人动态焊接路径规划方法，其特征是，包括：建立厚板多层多道焊接角变形计算模型；
基于所述模型，假设在第i-1层焊接之前，坡口角度为θi-1，第i-1层焊接完成后，该第i-
1层共填充了j-1条焊道，获得第i-1层所有焊道所引起的角变形之和，在焊第i层时，其坡口角度θi为在第i层焊接之前的坡口角度与第i-1层所有焊道所引起的角变形之和的差值；
得到第i层的坡口角度，按照不同坡口类型求出第i层的横截面面积Si；
采用等高型填充策略，对第i层的焊道进行规划；第一层焊道横截面以三角形拟合，当有坡口间隙时为梯形；第二层以上的初始焊道及中间焊道横截面采用菱形拟合，最末焊道横截面采用梯形拟合；确定该第i层各焊道的起弧点坐标、焊枪位置与姿态、摆幅、焊接电流和焊接速度；
获得第i层所有焊道焊接完成后所引起的角变形，得到后续一层焊道的坡口角度，基于等高型填充策略，计算出后续一层焊道横截面面积，再对该后续一层焊道进行规划和焊接；
k为刚度系数，ΔB为当前焊道在截面能够自由收缩时引起的横向收缩；δd为考虑焊道是否填满当前层的计算厚度，δ为焊缝高度，x为当前焊道高度中心至中性轴距离；
焊枪被简化为圆柱体，直线ls是圆柱体中心线，直线lb位于焊枪喷嘴外轮廓边缘，直线lr为坡口侧壁边缘，直线lb与直线lr在坡口内不相交时，保证焊枪与侧壁不接触；
在第二层以及第三层只需一道梯形焊道即可填满坡口的情况下，将第一条菱形焊道起弧点坐标(yi1,zi1)代入直线ls方程得到截距b值，联立上述公式，将b值带入，得到直线lb与直线lr交点纵坐标z为：使上式中z值大于板厚t，保证焊枪与坡口侧壁不发生碰触；
式中θi为第i-1层焊接完成后的坡口角度，m为考虑熔池形状的修正因子，hz为焊道高度，AC为长对角线长度；
式中θi为第i-1层焊接完成后的坡口角度，hz为焊层高度，hd为打底焊层高度，ri为第i层菱形焊道数目，m为考虑熔池形状的修正因子，l为第i层菱形焊道的边长。
2.如权利要求1所述的考虑角变形的厚板机器人动态焊接路径规划方法，其特征是，针对V型坡口，横向拉力F是材料屈服极限σs与焊缝纵向截面积的乘积：F＝σsδlh；
弯矩M则为横向拉力F与当前焊道高度中心至中性轴距离x的乘积：M＝Fx；
3.如权利要求2所述的考虑角变形的厚板机器人动态焊接路径规划方法，其特征是，应变长度B由式求出：式中k为刚度系数，与焊层数和焊道是否填满当前焊层有关；ΔB为当前焊道在截面能够自由收缩时引起的横向收缩；εs为材料屈服应变；
式中，ΔB为横向收缩，W为焊接电弧功率，δ为单道焊的焊道厚度，v为焊接速度。
4.如权利要求2所述的考虑角变形的厚板机器人动态焊接路径规划方法，其特征是，惯性矩I由下式求出：式中，δd为考虑焊道是否填满当前层的计算厚度，由板厚和已完成焊缝高度确定。
5.如权利要求1所述的考虑角变形的厚板机器人动态焊接路径规划方法，其特征是，计算第一条焊道所引起的角变形时，无需考虑刚度系数k，计算式为，
6.考虑角变形的厚板机器人焊接动态路径规划系统，其特征是，包括：模型建立模块，被配置为：建立厚板多层多道焊接角变形计算模型；
坡口的填充模块，被配置为：基于所述模型，假设在第i-1层焊接之前，坡口角度为θi-1，第i-1层焊接完成后，该第i-1层共填充了j-1条焊道，获得第i-1层所有焊道所引起的角变形之和，在焊第i层时，其坡口角度θi为在第i层焊接之前的坡口角度与第i-1层所有焊道所引起的角变形之和的差值；
得到第i层的坡口角度，按照不同坡口类型求出第i层的横截面面积Si；
采用等高型填充策略，对第i层的焊道进行规划；第一层焊道横截面以三角形拟合，当有坡口间隙时为梯形；第二层以上的初始焊道及中间焊道横截面采用菱形拟合，最末焊道横截面采用梯形拟合；确定该第i层各焊道的起弧点坐标、焊枪位置与姿态、摆幅、焊接电流和焊接速度；
获得第i层所有焊道焊接完成后所引起的角变形，得到后续一层焊道的坡口角度，基于等高型填充策略，计算出后续一层焊道横截面面积，再对该后续一层焊道进行规划和焊接，直至完成整个坡口的填充；
k为刚度系数，ΔB为当前焊道在截面能够自由收缩时引起的横向收缩；δd为考虑焊道是否填满当前层的计算厚度，δ为焊缝高度，x为当前焊道高度中心至中性轴距离；
焊枪被简化为圆柱体，直线ls是圆柱体中心线，直线lb位于焊枪喷嘴外轮廓边缘，直线lr为坡口侧壁边缘，直线lb与直线lr在坡口内不相交时，保证焊枪与侧壁不接触；焊枪喷嘴半径为rq，坡口角度为θi，b为截距；
在第二层以及第三层只需一道梯形焊道即可填满坡口的情况下，将第一条菱形焊道起弧点坐标(yi1,zi1)代入直线ls方程得到截距b值，联立上述公式，将b值带入，得到直线lb与直线lr交点纵坐标z为：使上式中z值大于板厚t，保证焊枪与坡口侧壁不发生碰触；
式中θi为第i-1层焊接完成后的坡口角度，m为考虑熔池形状的修正因子，hz为焊道高度，AC为长对角线长度；
式中θi为第i-1层焊接完成后的坡口角度，hz为焊层高度，hd为打底焊层高度，ri为第i层菱形焊道数目，m为考虑熔池形状的修正因子，l为第i层菱形焊道的边长。
7.一种焊接机器人，所述焊接机器人包括控制器，所述控制器被配置为执行上述权利要求1-5任一所述的考虑角变形的厚板机器人动态焊接路径规划方法的步骤，并基于所述方法所确定的焊枪摆幅及焊枪倾角控制焊枪的动作。
考虑角变形的厚板机器人动态焊接路径规划方法及系统
技术领域
[0001] 本公开涉及焊接技术领域，特别是涉及考虑角变形的厚板机器人多层多道动态焊接路径规划方法及系统。
背景技术
[0002] 盾构机上关键部件刀盘为大型焊接结构件，它是由80-100mm厚的厚板焊接而成的大型结构件，多层多道焊接工作量较大，国内普遍采用手工焊接方式，生产效率低，焊接质量稳定性差，成为盾构机生产环节的瓶颈。
[0003] 盾构机上各种结构件均采用针对性设计以适应不同工况，导致结构件的坡口类型、焊缝长度、焊接位置各不相同，增加了机器人焊接的难度。
[0004] 机器人成为当前重要的工业生产方式，焊接机器人对于中厚板的生产加工还存在许多问题，目前弧焊机器人在焊接生产中大多采用在线示教法，示教过程需要手工调整焊接路径与起弧点、息弧点位置，同时，在前一道焊缝焊接完成之前无法对下一道焊缝进行示教。厚板在焊接过程中由于热输入的累积导致较大变形，且坡口尺寸越大变形就越严重。但是使用在线示教法工作的焊接机器人无法检测出变形，不能根据变形对焊接路径做出实时调整，常产生焊道成形缺陷。
[0005] 由于厚板焊接需要多层多道焊，随着焊接的进行，焊接变形不断累加，导致坡口的尺寸形状不断变化。因此，不考虑变形的焊接路径规划结果无法适应变形量较大的情况。
发明内容
[0006] 本说明书实施方式的目的是针对厚板多层多道机器人焊接，提供考虑角变形的焊接动态路径规划方法，以等高型填充策略为基础，保持每层的高度一致。在焊接过程中，根据变形量修正焊枪位置与姿态。
[0007] 本说明书实施方式提供考虑角变形的厚板焊接动态路径规划方法，通过以下技术方案实现：
[0008] 包括：
[0009] 建立厚板多层多道焊接角变形计算模型；
[0010] 基于所述模型，假设在第i-1层焊接之前，坡口角度为θi-1，第i-1层焊接完成后，该层共填充了j-1条焊道，获得第i-1层所有焊道所引起的角变形之和，在焊第i层时，其坡口角度θi为在第i层焊接之前的坡口角度与第i-1层所有焊道所引起的角变形之和的差值；
[0011] 得到第i层的坡口角度，按照不同坡口类型求出第i层的横截面面积Si；
[0012] 采用等高型填充策略，对第i层的焊道进行规划；确定该层各焊道的起弧点坐标、焊枪位置与姿态、摆幅、焊接电流和焊接速度；
[0013] 根据模型计算获得第i层所有焊道焊接完成后所引起的角变形，得到后续一层焊道的坡口角度，基于等高型填充策略，计算出后续一层焊道面积，再对该层焊道进行规划和焊接；
[0014] 重复以上步骤，完成整个坡口的填充。
[0015] 本说明书实施方式提供考虑角变形的厚板焊接动态路径规划系统，通过以下技术方案实现：
[0016] 包括：
[0017] 模型建立模块，被配置为：建立厚板多层多道焊接角变形计算模型；
[0018] 坡口的填充模块，被配置为：基于所述模型，假设在第i-1层焊接之前，坡口角度为θi-1，第i-1层焊接完成后，该层共填充了j-1条焊道，获得第i-1层所有焊道所引起的角变形之和，在焊第i层时，其坡口角度θi为在第i层焊接之前的坡口角度与第i-1层所有焊道所引起的角变形之和的差值；
[0019] 得到第i层的坡口角度，按照不同坡口类型求出第i层的横截面面积Si；
[0020] 采用等高型填充策略，对第i层的焊道进行规划；确定该层各焊道的起弧点坐标、焊枪位置与姿态、摆幅、焊接电流和焊接速度；
[0021] 根据模型计算获得第i层所有焊道焊接完成后所引起的角变形，得到后续一层焊道的坡口角度，基于等高型填充策略，计算出后续一层焊道面积，再对该层焊道进行规划和焊接，直至完成整个坡口的填充。
[0022] 本说明书实施方式提供一种焊接机器人，所述焊接机器人包括其控制器，所述控制器被配置为执行上述考虑角变形的厚板焊接动态路径规划方法的步骤，并基于所述方法所确定的焊枪摆幅及焊枪倾角控制焊枪的动作。
[0023] 与现有技术相比，本公开的有益效果是：
[0024] 针对厚板焊接易发生变形、坡口不断变化的问题，本公开建立了考虑变形的焊接路径规划策略，总体思路是根据焊件的变形情况不断修正焊接路径，使得焊道能够不断适应坡口变化。
[0025] 本公开以材料力学理论为基础，每规划一层焊道，即根据焊接热输入和当前焊道拘束度计算焊件变形角度，再以当前坡口角度计算下一层焊接路径。
附图说明
[0026] 构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
[0027] 图1为本公开实施例子的V型坡口填充示意图；
[0028] 图2(a)-图2(b)为本公开实施例子的焊枪位姿与起弧点位置示意图；
[0029] 图3为本公开实施例子的焊接路径规划流程图；
[0030] 图4为本公开实施例子的多层多道焊接焊枪位置示意图；
[0031] 图5为本公开实施例子的V型坡口焊枪碰壁模型示意图；
[0032] 图6为本公开实施例子的菱形焊道起弧点示意图；
[0033] 图7为本公开实施例子的V型坡口角度与板厚上限值关系图；
[0034] 图8(a)-图8(b)为本公开实施例子的焊枪摆幅计算示意图；
[0035] 图9为本公开实施例子的梯形焊道摆动焊接示意图；
[0036] 图10为本公开实施例子的构件横向应力及弯矩示意图。
具体实施方式
[0037] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0038] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0039] 实施例子一
[0040] 该实施例公开了厚板多层多道机器人焊接，考虑角变形的焊接动态路径规划方法，首先根据经验和试验数据确定打底焊和填充焊的焊道高度，再由材料力学理论建立焊接角变形的模型，计算确定焊接过程中的实时变形量，计算出变形后待焊层焊缝的横截面面积，然后求出该层总的焊道数，从而实现对焊枪位置与姿态的规划。
[0041] 具体的，介绍基于焊接角变形模型的焊接路径规划，首先介绍关于厚板多层多道焊接角变形计算模型，焊接时局部不均匀热输入是产生焊接应力与焊接变形的决定性因素，热输入通过材料、制造、结构等因素所构成的拘束度影响热源周围材料运动，从而形成焊接应力与变形。焊接时，焊接热源对焊件进行了短暂的、不均匀的加热，在加热过程中，焊缝熔化，近缝区材料温度升高发生热膨胀，但是其膨胀过程受到周围低温材料制约，从而产生压缩塑性变形。在冷却过程中，已经产生压缩塑性变形的材料同样受到周围冷态材料约束从而无法自由收缩。同时，熔池凝固，焊缝冷却收缩也受到约束，从而产生拉应力和变形。
[0042] 随着板厚的增加，厚板多层多道焊接接头的横向应力在厚度方向上的分布也会发生变化。如果板边无拘束，厚板可以自由弯曲，那么在焊接过程中随着坡口填充层数的增加，将会产生明显的角变形。对于厚板而言，即使坡口角度发生很小的变化也会影响上层焊层的面积，进而改变焊道排布。
[0043] 角变形产生的根本原因是材料横向收缩在厚度方向上的不均匀分布，横向收缩则会在焊缝及其附近产生横向应力。可以认为是横向残余应力在构件内部形成弯矩，从而导致焊件发生角变形。
[0044] 本公开实施例子中，考虑变形的焊接路径规划的总体思想是，一层焊道焊接完成后，利用所建模型计算获取该层填充完成后的角变形，基于等高型填充策略，计算获得后续一层焊道的横截面面积，实现对后续一层焊道的焊接路径规划。该步骤循环执行，可以完成整个坡口的填充。
[0045] 假设在第i-1层焊接之前，坡口角度为θi-1，第i-1层焊接完成后，该层共填充了j-1条焊道，获得第i-1层所有焊道所引起的角变形之和，在焊第i层时，其坡口角度θi为在第i层焊接之前的坡口角度与第i-1层所有焊道所引起的角变形之和的差值。
[0046] 得到第i层的坡口角度按照不同坡口类型求出第i层的横截面面积Si；
[0047] 采用等高型填充策略，对第i层的焊道进行规划；确定该层各焊道的起弧点坐标、焊枪位置与姿态、摆幅、焊接电流和焊接速度等；
[0048] 采用建模计算方法，获得第i层所有焊道焊接完成后所引起的角变形，得到后续一层焊道的坡口角度，基于等高型填充策略，计算出后续一层焊道面积，再对该层焊道进行规划和焊接。
[0049] 重复以上步骤，完成整个坡口的填充。
[0050] 在具体实施例子中，图1是V型坡口横截面填充示意图，设板厚为t，坡口角度为θ，对接接头，建立如图1所示的坐标系。本公开拟采用等高型填充策略建立焊道规划模型，设打底焊道高度为hd，第二层及以上每层焊道高度为h。第一层焊道横截面以三角形拟合(当有坡口间隙时为梯形)。第二层以上的初始焊道及中间焊道横截面采用菱形拟合，设其面积为Sr，最末焊道横截面采用梯形拟合，设其面积为St。对于菱形焊道，在焊接时焊枪位置处于菱形长对角线的中垂线上，焊枪倾角为焊枪与垂直方向的夹角，设为α，如图2(a)所示，图2(a)中星号表示起弧点位置。对于梯形焊道，焊枪位置处于其中心线上，如图2(b)所示，图2(b)中星号表示起弧点位置。
[0051] 等高型填充策略的中心思想在于每层的高度相等，首先根据实际生产经验选择打底焊与填充焊焊缝的高度，一般来说，打底焊焊接工艺与填充焊的工艺要求差别较大，因此焊缝的高度选择也不相同。然后根据坡口的总高度，可以计算出完成坡口填充所需要的总层数。因为本申请将焊缝的形状简化成菱形，因此在确定层高后，单道菱形焊缝的横截面积也随之确定。随后，可以计算出待焊层的总面积，用总面积除以单道焊缝的面积便可以求出填满该层所需要的焊道数。计算流程如图3所示。
[0052] 由母材板厚t，打底焊道高度hd，填充焊道高度h，可根据式(1)求出填满坡口所需总层数n：
[0053]
[0054] 当n不为整数时，为了保证可以填满坡口，取大于式(1)计算结果的最小整数nz，同时因为取较大的整数时，焊缝金属的总横截面积会大于坡口的横截面积，导致焊缝填充凸起，产生余高。因此，我们需要对焊缝的层高进行一个修正，将修正后的层高取为hz，hz可以由式(2)计算：
[0055]
[0056] 假设在当前层第i-1层焊接之前，坡口角度为θi-1，第i-1层焊接完成后，该层共填充了j-1条焊道，那么第i-1层所有焊道所引起的角变形之和为Δθi-1，那么在焊待焊层第i层时，其坡口角度θi变为：
[0057] θi＝θi-1-Δθi-1 (3)
[0058] 在具体实施例最终，计算确定角变形：
[0059] 附图10以V型坡口为例，展示了厚板焊接时横向应力以及构件内部弯矩的示意图。
[0060] 图10中，横向拉力F是材料屈服极限σs与焊缝纵向截面积的乘积：
[0061] F＝σsδlh (4)
[0062] 式中，δ为单道焊的焊道厚度，lh为焊件长度。
[0063] 弯矩M则为拉力F与当前焊道高度中心至中性轴距离x的乘积：
[0064] M＝Fx (5)
[0065] 根据材料力学理论，当构件受弯矩M时，其端截面转角为：
[0066]
[0067] 式中B为应变长度，E为弹性模量，I为惯性矩。
[0068] 根据材料力学，式(6)中应变长度B可以由式(7)求出：
[0069]
[0070] 式中k为刚度系数，与焊层数和焊道是否填满当前焊层有关；ΔB为当前焊道在截面可以自由收缩时引起的横向收缩；εs为材料屈服应变。对于低碳钢，其横向收缩ΔB为：
[0071]
[0072] 式中，ΔB为横向收缩(mm)，W为焊接电弧功率(W)，δ为单道焊的焊道厚度(mm)，v为焊接速度(cm/min)。
[0073] 式(6)中惯性矩I可以由式(9)求出：
[0074]
[0075] 式中，δd为考虑焊道是否填满当前层的计算厚度，由板厚和已完成焊道厚度确定。
[0076] 将式(4)，(5)，(7)，(9)代入式(6)可以得到焊接第i层第b焊道引起的构件端截面转角Δβib为：
[0077]
[0078] 式中，ΔB为横向收缩，由式(8)计算。
[0079] 在多层多道焊接情况下，焊道是否填满当前焊层会对刚度系数k、x和计算厚度δd造成影响，根据文献“杨广臣等.厚板多层多道焊角变形分析方法[J].焊接学报,2004(01):115-118.”及“张琪.船用D36钢多层多道焊角变形规律的数值模拟研究[D].哈尔滨工业大学，2016.”的研究结果，当焊道未填满当前层时：
[0080]
[0081]
[0082]
[0083] 当焊道填满当前层时：
[0084]
[0085]
[0086] δd＝δw+δ (16)
[0087] 式中i为焊道所在焊层数，ε值与材料有关，低碳钢取0.8，δw为已完成的焊缝厚度。
[0088] 根据不同情况，将上述三个不同参数代入式(10)，即可求出每一条焊道所引起的构件端截面转角Δβib，也就能够求出该条焊道引起的焊接结构件角变形Δθib：
[0089] Δθib＝2Δβib (17)
[0090] 此外，计算第一条打底焊道所引起的角变形时，无需考虑刚度系数k，直接用式(18)计算：
[0091]
[0092] 对于本申请打底焊道高度为hd，第二层及以上每层焊道高度为h。第i-1层焊接完成后，式(13)和式(16)中的δw为，
[0093] δw＝hd+(i-2)hz
[0094] 式(13)和式(16)中的单道焊的焊道厚度δ为，
[0095] δ＝hz
[0096] 通过(10)和(17)可以计算出第i-1层每条焊道引起的角变形，将其叠加即可得到所有焊道引起的角变形Δθi-1，从而计算出第i层待焊层坡口角度θi为：
[0097] θi＝θi-1-Δθi-1。
[0098] 则第i层横截面的总面积Si为：
[0099]
[0100] 式中i∈[2,nz-1]。
[0101] 每层高度为hz，则菱形焊道边长l与面积Sr分别为：
[0102]
[0103]
[0104] 计算(Si/Sr)的比值Q，将Q的整数部分记为N，小数部分记为C。菱形焊道数目根据小数C来确定，以保证每层最末的梯形焊道具有适当的熔宽，本文取0.4为临界值，试验表明临界值取0.4，焊缝成型较好。若C≥0.4，则第i层菱形焊道数目ri＝N，可以推知最末梯形焊道面积为St＝C*Sr，若C<0.4，则第i层菱形焊道数目ri＝N-1，最末梯形焊道面积则为St＝(C+1)*Sr。
[0105] 在具体实施例子中，参见附图4所示，焊枪位置的确定：
[0106] 设第i层第j道焊道的横坐标、纵坐标分别为yij、zij。
[0107] 打底焊道起弧点的横坐标、纵坐标为：y11＝0，z11＝0。
[0108] 对于打底焊道以上各焊层，根据数学推导，每层除最末梯形焊道之外，其余菱形焊道横坐标为：
[0109]
[0110] 式中，i∈[2,nz]，j∈[1,ri]，M为考虑熔池形状与焊枪摆动的修正因子，一般取1～3mm。
[0111] 第i层最末梯形焊道起弧点横坐标为：
[0112]
[0113] 式中i∈[2,nz]，j＝ri+1，M为考虑熔池形状与焊枪摆动的修正因子，一般取1～3mm。
[0114] 第i层上焊道纵坐标为：
[0115] zij＝hd+(i-2)hz (21)
[0116] 式中i∈[2,nz]，j∈[1,ri+1]。
[0117] 在具体实施例子中，焊枪倾角规划：
[0118] 为了保证焊缝成形，使焊缝截面实际形状尽量接近拟合的几何图形，在焊接菱形焊道时需要规划焊枪的倾斜角度αr，使得焊枪处于菱形长对角线中垂线上，焊丝指向起弧点，如图2(a)所示。经过数学推导可以得出，第i层菱形焊道焊枪倾角αri为：
[0119]
[0120] 式中θi为第i-1层焊接完成后的坡口角度。
[0121] 所有梯形焊道的焊枪倾角均为0°。
[0122] 在具体实施例子中，焊枪碰壁检测：
[0123] 厚板坡口根部附近的焊道，由于其深度大，空间较小，焊枪容易与坡口侧壁接触碰撞，可达性较差。为避免这种情况出现，在焊接规划中一般取焊道起弧点与坡口上表面两顶点连线的角平分线作为焊枪位置，确定焊枪倾角。该方法虽然避免了焊枪与坡口侧壁的碰撞，但在厚板、特厚板焊接时，需要频繁改变焊枪倾角。因此，本申请建立一个模型用于检测焊枪与坡口侧壁是否发生碰触。正常情况下将菱形长对角线中垂线作为焊枪倾斜位置，一旦碰触发生，则改变焊枪倾角，不碰撞则无需改变焊枪倾角。这样焊枪的倾角就不需要频繁改变，更有利于自动化焊接，同时也有利于焊道实际截面形状与菱形的拟合。
[0124] 图5是检测焊枪碰壁的模型示意图，焊枪被简化为一个圆柱体，其中点划线ls是焊丝的中心线，即圆柱体中心线；线lb位于焊枪喷嘴外轮廓边缘；线lr则为坡口侧壁边缘。若要焊在焊接每层最靠近梯形焊道的菱形焊道时，焊枪与侧壁不接触即可枪不触碰侧壁，只需要保证，即图5中线lb与线lr在坡口内不相交。设直线lb与ls斜率为kb，直线lr斜率为kr，焊枪喷嘴半径为rq。
[0125] 坡口角度为θi，且焊枪位于菱形焊道角平分线上，根据数学关系可知，lb与y轴夹角为 而lr与y轴夹角为 可以得到lb斜率kb，lr斜率kr为：
[0126]
[0127]
[0128] 当 即θi>60°时，无论板厚为多少都不会碰壁。
[0129] 若θ<60°，如附图5所示，建立坐标系，可得直线lr的方程为：
[0130]
[0131] 焊丝所在直线ls方程为：
[0132]
[0133] 根据函数关系，可以求出直线lb的方程为：
[0134]
[0135] 式(24)与式(26)联立，求出纵坐标z值，只要板厚t满足t
[0136] 根据实际经验，在厚板多层多道焊接中，每一层焊道数量一般不会超过所在层的层数。在附图5中，焊道数等于其所在层的层数，同时，第二层及以后每层焊道的高度一致，所有的菱形焊道的横截面又保持一致，因此，只要在焊接最底层的菱形焊道时焊枪不与坡口侧壁碰触，就可以保证在焊接后续各层菱形焊道时不碰壁。
[0137] 在焊件较厚，坡口角度较小的情况下，焊件底部空间较小，第二层甚至第三层只需一道梯形焊道即可填满，如图6所示，所以，这里需要用第一条菱形焊道的起弧点坐标进行计算。将第一条菱形焊道起弧点坐标(yi1,zi1)代入式(25)，可以得到截距b值为：
[0138]
[0139] 联立式(24)与式(26)，带入b值，可以得到线lb与线lr交点纵坐标z为：
[0140]
[0141] 只需使式(28)中z值大于板厚t，便可以保证焊枪与坡口侧壁不发生碰触。由式(28)可以看出，交点纵坐标z的值由坡口角度θi，第一条菱形焊道坐标(yi1,zi1)以及焊枪喷嘴半径rq决定。对于熔化极气体保护焊，所用焊枪喷嘴半径一般为5～11mm。为更加直观的表示上述关系，这里假设焊枪喷嘴半径为10mm，附图7展示了在zi1取不同值的情况下，坡口角度与板厚上限值的关系。
[0142] 根据图7，如果zi1值为15mm，坡口角度即使达到50°，那么焊接时允许的最大板厚也不超过30mm。同时，当坡口角度超过40°时，允许板厚的上限值将急剧增大。因此，厚板焊接时，为保证较低层焊道的焊枪可达性，可以适当增大坡口角度。再者，针对打底焊道和底层梯形焊道，在保证焊缝不烧穿的前提下，可以适当增大焊接热输入，因为坡口底层空间较小，增大焊接金属熔敷量可以实现焊缝高度快速增加，其次对于厚板而言，较大的焊接热输入可以保证打底焊道焊透，避免出现未焊透缺陷。
[0143] 在具体实施例子中，焊枪摆幅规划：
[0144] 在焊接过程中增加焊枪摆动，可以增加焊道宽度，在一定程度上避免焊缝成型不均匀的情况。同时，焊枪摆动可以在一定程度上减少焊缝高度，提高焊缝金属力学性能，有利于实现多层多道焊接。
[0145] 摆幅的数值不能过大也不能过小，摆幅过大时会导致焊枪触碰到侧壁，还会导致熔深过小达不到技术要求；摆幅过小时会形成侧壁未熔合缺陷。因此，必须选择一个合适的摆幅。图8(a)-图8(b)展示了焊枪的摆动过程。对于菱形焊道，焊枪位于其长对角线中垂线上。因为采用菱形拟合焊道，所以焊道高度hz一旦确定，长对角线AC长度也随之确定，第i层菱形焊道的摆幅R为：
[0146]
[0147] 式中θi为第i-1层焊接完成后的坡口角度，m为考虑熔池形状的修正因子，一般为2～3mm。
[0148] 对于梯形焊道，首先用焊层的总面积除以单道菱形焊缝面积，再根据剩下的小数部分来计算梯形焊道截面积。当小数部分C小于0.4时，梯形部分的面积为St＝(C+1)*Sr，在这种情况下可能会出现图9中箭头指向的焊道，焊道的熔宽较大，必须进行适当的焊枪摆动焊接才能获得良好的焊缝成型，第i层梯形焊道的焊枪摆幅R为，
[0149]
[0150] 式中θi为第i-1层焊接完成后的坡口角度，hz为焊层高度，hd为打底焊层高度，ri为第i层菱形焊道数目，m为考虑熔池形状的修正因子，一般为2～3mm。
[0151] 实施例子二
[0152] 本公开实例子提供了考虑角变形的厚板机器人焊接动态路径规划系统，其特征是，包括：
[0153] 模型建立模块，被配置为：建立厚板多层多道焊接角变形计算模型；
[0154] 坡口的填充模块，被配置为：基于所述模型，假设在第i-1层焊接之前，坡口角度为θi-1，第i-1层焊接完成后，该层共填充了j-1条焊道，获得第i-1层所有焊道所引起的角变形之和，在焊第i层时，其坡口角度θi为在第i层焊接之前的坡口角度与第i-1层所有焊道所引起的角变形之和的差值；
[0155] 得到第i层的坡口角度，按照不同坡口类型求出第i层的横截面面积Si；
[0156] 采用等高型填充策略，对第i层的焊道进行规划；确定该层各焊道的起弧点坐标、焊枪位置与姿态、摆幅、焊接电流和焊接速度；
[0157] 获得第i层所有焊道焊接完成后所引起的角变形，得到后续一层焊道的坡口角度，基于等高型填充策略，计算出后续一层焊道面积，再对该层焊道进行规划和焊接，直至完成整个坡口的填充。
[0158] 本公开实施例中系统的模块在实现时参见上述实施例子一中的考虑角变形的厚板机器人动态焊接路径规划方法的步骤，此处不再进行具体说明。
[0159] 实施例子三
[0160] 本公开实例子提供了一种焊接机器人，所述焊接机器人包括其控制器，所述控制器被配置为执行上述实施例子一中的考虑角变形的厚板机器人动态焊接路径规划方法的步骤，并基于所述方法所确定的焊枪摆幅及焊枪倾角控制焊枪的动作。
[0161] 可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料等特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0162] 以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
