一种模块化钢管梁智能焊接作业平台的制作方法

本发明涉及焊接，具体为一种模块化钢管梁智能焊接作业平台。

背景技术：

1、在现代化的建设领域，钢管梁结构因其强度高、自重轻、截面力学性能优异等特点得到了广泛应用，其中钢管梁之间连接节点的焊接，随着现代建筑对造型多样性和结构复杂性的追求，通常采用相贯线焊缝形式进行作业。

2、但这类焊缝空间走向复杂，对焊接姿态和工艺参数的要求极为苛刻，其焊接质量直接决定了整体结构的安全性与使用寿命，而现有的钢管梁焊接作业方式普遍面临以下技术问题：

3、一、相贯线焊缝的空间复杂性对焊接姿态控制提出了极高要求。传统的人工焊接方式高度依赖焊工的个人技艺与经验，不仅劳动强度大、效率低下，且焊接质量的一致性难以保证，焊接过程中焊枪难以保持在较佳姿态区间，极易出现焊缝成型不良、熔池流淌、咬边等缺陷。

4、二、现有自动化焊接装备在变位协调控制方面存在明显不足。钢管梁相贯线焊接需要工件回转运动与焊枪空间姿态调整的高度协同配合，然而，在实际焊接过程中，现有设备将回转驱动与焊枪调节作为相互独立的运动轴进行简单控制，缺乏对多轴运动耦合效应的补偿，回转轴与俯仰轴之间的运动耦合易导致焊枪末端轨迹偏离预期路径，产生跟踪误差，进而影响焊缝成型质量。

5、三、焊接过程中的热变形问题影响精度。钢管梁在焊接时，局部高温会引起材料热膨胀，导致工件发生不可忽略的形变。这种热变形会实时改变焊缝的实际位置，使得基于离线编程或示教再现的焊接轨迹与真实焊缝之间产生偏差。

6、四、现有焊接装备在异常工况下的自我保护能力不足。当焊丝干伸长量异常、焊枪浮动机构卡滞、焊缝跟踪丢失或运动轴失控等异常情况发生时，若系统不能及时识别并执行安全回退动作，轻则导致焊缝报废，重则损坏焊枪、工件乃至整机设备。

技术实现思路

1、本发明提供一种模块化钢管梁智能焊接作业平台，具备能够实现相贯线焊缝高质量、高效率、高一致性焊接的优点，解决了上述背景技术中所提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模块化钢管梁智能焊接作业平台，包括底座机架、变位驱动组件、工件装夹回转盘、焊接焊枪、角度调节支架、导向定位杆、伺服电机以及电控安装盒，所述底座机架作为设备基础支撑，所述角度调节支架固定安装在底座机架上方，所述变位驱动组件装配于角度调节支架上，伺服电机与变位驱动组件传动连接；

3、所述工件装夹回转盘连接在变位驱动组件前端，所述导向定位杆斜向设置于工件装夹回转盘的侧上方，所述焊接焊枪布置在所述工件装夹回转盘侧上方用于钢管梁焊接作业，所述电控安装盒固定于底座机架侧板处；

4、所述焊接焊枪前端设有电弧跟踪传感器，用于实时监测焊缝位置与焊丝干伸长量；所述角度调节支架与焊接焊枪之间的浮动机构内设有角度编码器，用于反馈焊枪浮动量；所述导向定位杆上集成有视觉相机，用于扫描钢管梁相贯线焊缝节点参数；所述工件装夹回转盘的旋转轴后端设有绝对值编码器，所述角度调节支架的俯仰轴处设有倾角传感器；

5、所述电控安装盒分别与电弧跟踪传感器、角度编码器、视觉相机、绝对值编码器、倾角传感器信号连接，并与伺服电机的驱动器、变位驱动组件、焊枪浮动微调电机电连接。

6、所述电控安装盒内集成有智能变位焊接融合控制系统，所述智能变位焊接融合控制系统包括多源信号同步采集与预处理模块、焊缝节点姿态优规划模块、耦合插补模块、焊枪浮动闭环控制模块、焊接热变形误差补偿模块、焊枪异常回退保护模块、质量追溯模块。

7、本发明提供一种模块化钢管梁智能焊接作业平台，与现有技术相比，具备以下有益效果：

8、1、本发明通过设有多源信号同步采集与预处理模块，对焊缝位置偏差、焊丝干伸长量、焊枪浮动角度、相贯线焊缝节点三维坐标与法向矢量、回转盘实际旋转角度及角度调节支架俯仰角度的多数据采集，构建了包含焊缝偏差、干伸长量、浮动角度、节点特征、回转角及俯仰角等多维状态向量的闭环感知体系，为姿态优规划、耦合插补及闭环控制提供了高精度、高同步性的原始感知数据支撑。

9、2、本发明通过设有焊缝节点姿态优规划模块，结合钢管梁相贯线焊缝的几何模型，针对每一个焊缝节点根据其空间法向矢量计算工件装夹回转盘的目标回转角和角度调节支架的目标俯仰角，使焊接焊枪始终保持在平焊或船形焊的较佳姿态范围内，解决了传统人工焊接高度依赖焊工个人技艺与经验、焊枪难以保持姿态区间、极易出现焊缝成型不良、熔池流淌及咬边等缺陷的突出问题，显著提升了相贯线焊缝的成型质量与一致性。

10、3、本发明通过设有耦合插补模块，采用交叉耦合控制结构，分别定义回转轴跟踪误差和俯仰轴跟踪误差，解决了传统自动化焊接装备将回转驱动与焊枪调节作为相互独立的运动轴进行简单控制、缺乏对多轴运动耦合效应补偿、回转轴与俯仰轴之间的运动耦合易导致焊枪末端轨迹偏离预期路径的技术瓶颈，通过交叉耦合补偿机制实现了回转运动与俯仰运动的高精度协同，有效抑制了多轴耦合带来的跟踪误差，保障了焊枪末端轨迹对目标路径的精确跟踪。

11、4、本发明通过设有焊枪浮动闭环控制模块，设定目标干伸长量并计算干伸长量偏差，结合焊缝位置偏差计算横向纠偏量，由比例项、微分项及横向纠偏项三项叠加构成浮动微调电机的控制指令，同时接收角度编码器反馈的实际浮动量并与理论浮动量比对，偏差超过阈值时执行补偿调节，解决了传统焊接装备在焊接过程中焊枪与焊缝相对位置无法实时保持恒定、干伸长量波动导致电弧稳定性差及焊缝成型质量下降的缺陷，通过干伸长量与焊缝偏差的双变量闭环调控，实现了焊枪浮动量的实时精准微调。

1.一种模块化钢管梁智能焊接作业平台，包括底座机架（1）、变位驱动组件（2）、工件装夹回转盘（3）、焊接焊枪（4）、角度调节支架（5）、导向定位杆（6）、伺服电机（7）以及电控安装盒（8），其特征在于：所述底座机架（1）作为设备基础支撑，所述角度调节支架（5）固定安装在底座机架（1）上方，所述变位驱动组件（2）装配于角度调节支架（5）上，伺服电机（7）与变位驱动组件（2）传动连接；

2.根据权利要求1所述的模块化钢管梁智能焊接作业平台，其特征在于：所述电控安装盒（8）内集成有智能变位焊接融合控制系统，所述智能变位焊接融合控制系统包括多源信号同步采集与预处理模块、焊缝节点姿态优规划模块、耦合插补模块、焊枪浮动闭环控制模块、焊接热变形误差补偿模块、焊枪异常回退保护模块、质量追溯模块。

3.根据权利要求2所述的模块化钢管梁智能焊接作业平台，其特征在于：所述多源信号同步采集与预处理模块的采集与处理方式为：

4.根据权利要求2所述的模块化钢管梁智能焊接作业平台，其特征在于：所述焊缝节点姿态优规划模块的规划方式为：

5.根据权利要求2所述的模块化钢管梁智能焊接作业平台，其特征在于：所述耦合插补模块的插补方式为：

6.根据权利要求2所述的模块化钢管梁智能焊接作业平台，其特征在于：所述焊枪浮动闭环控制模块的控制方式为：

7.根据权利要求2所述的模块化钢管梁智能焊接作业平台，其特征在于：所述焊接热变形误差补偿模块的补偿方式为：

8.根据权利要求2所述的模块化钢管梁智能焊接作业平台，其特征在于：所述焊枪异常回退保护模块的异常检测与回退方式为：

9.根据权利要求2所述的模块化钢管梁智能焊接作业平台，其特征在于：所述质量追溯模块的记录方式为：