[发明专利]一种五轴联动数控焊接机及其焊接工艺控制方法

权利要求书

1.一种五轴联动数控焊接机，包括控制系统、伺服系统、检测系统以及机床传动系统，其特征在于，所述的机床传动系统包括设置于工作台上的能驱动焊枪平移以及驱动焊枪头旋转的焊枪驱动装置，所述伺服系统包括第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机、第三伺服/步进电机、第四伺服/步进电机以及第五伺服/步进电机，其输入端与控制系统相连接，所述的焊枪驱动装置包括焊枪平移装置和焊枪头旋转装置，所述焊枪平移装置包括呈三维坐标设置的第一导轨、第二导轨以及第三导轨，所述第一导轨呈X方向设置并固设于工作台上，所述第三导轨呈Z方向设置并固定连接在第一导轨的滑座上，而第二导轨则呈Y方向设置且固定连接在第三导轨的滑座上；所述焊枪头旋转装置包括固定连接在第二导轨滑座上且与所述第三导轨轴线平行的主旋转轴以及与主旋转轴输出端设置的承接板固定连接的第五伺服/步进电机，所述第五伺服/步进电机输出端与焊枪旋转连接；所述第一导轨、第二导轨、第三导轨以及主旋转轴输入端分别与第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机、第三伺服/步进电机和第四伺服/步进电机连接；所述的第四伺服/步进电机与主旋转轴之间连接有第一减速传动机构，所述第五伺服/步进电机与焊枪之间连接有第二减速传动机构；所述的第一、第二减速传动机构为蜗轮蜗杆传动机构或者行星齿轮系传动机构或者谐波减速器；所述第二减速传动机构与焊枪之间设置有带轮传动或者链轮传动或者齿轮传动或者平面连杆传动机构。

2.一种焊接工艺控制方法，其特征在于，所述焊接工艺控制方法通过运用计算机程序自动控制权利要求1所述机床传动系统运转以优化焊枪头焊接时与焊点之间的位置，其具体方法步骤如下：

(1)采集特定的工件焊缝轨迹的焊点坐标(x_(n)，y_(n)，z_(n))及其对应处刀轴空间矢量分量(i_(n)，j_(n)，k_(n))：在CAD/CAM自动编程系统中建立工件坐标系，建立待焊接工件的几何模型，确定焊缝轨迹曲线，接着在该模型上进行焊接工艺规划、焊枪定义、确定运动参数以及刀轴矢量的控制方式从而输出焊缝轨迹加工数据文件，其包括一系列的工件焊缝轨迹的焊点坐标(x_(n)，y_(n)，z_(n))及其对应处刀轴空间矢量分量(i_(n)，j_(n)，k_(n))，所述刀轴矢量是指焊枪头指向焊枪柄的方向，n为焊点序列号；

(2)生产数控系统所识别的G代码文件：针对机床结构建立机床坐标系，将步骤(1)所得焊缝轨迹加工数据文件输入后处理系统，其运用特定的机床运动学求解公式将焊缝轨迹中的每一个焊点数据(x_(n)，y_(n)，z_(n)，i_(n)，j_(n)，k_(n))转化为机床结构坐 标点(x′_(n)，y′_(n)，z′_(n))以及机床旋转结构的旋转坐标角度值(A_(n)，C_(n))，生成数控程序G代码文件；

(3)运行数控系统：将步骤(2)所得G代码文件输入数控系统，当焊接机完成对待焊接工件对刀、定位和装夹后，启动运行并由数控系统发出指令给伺服系统驱动机床传动系统运动，机床传动系统中第一导轨、第二导轨、第三导轨上的滑座将在第一伺服/步进电机、第二伺服/步进电机、第三伺服/步进电机驱动下按照(x′_(n)，y′_(n)，z′_(n))三坐标值进行直线移动，而第四伺服/步进电机以及第五伺服/步进电机将分别按照旋转角度值(C_(n)，A_(n))进行进给；

(4)启动焊枪，开始工件焊接：当所述焊枪在机床传动系统的的运作下使得其在机床坐标系中完成焊缝起始点(x′_(n)，y′_(n)，z′_(n))以及角度值(A_(n)，C_(n))的定位时，数控系统通过执行相应的代码指令，启动焊枪点火，开始进行焊接；

(5)焊枪熄火，结束工件焊接：继续依次执行数控代码，读取焊缝轨迹曲线上的焊点数据，并按照上述方式依次进行五轴的线性插补，进而驱动焊枪使其位置和角度发生连续变化，以拟合完成整条焊缝轨迹曲线，从而结束工件焊接；

所述步骤(2)中后处理系统内所用的特定的机床运动学公式为：

(1)A角的计算公式如下：

(2)C角的计算公式如下：当k_(n)＝0时，令 

(3)机床三轴坐标点计算公式：

其中：

(1)L为有效焊枪长度，其为焊枪实际长度、电极长度、预留的起弧间距三者之和；刀轴方向，即焊枪头指向焊枪柄的方向指向z轴正方向；

(2)P，M，Q是第五轴旋转中心相对第四轴分别在x，y，z方向上的偏心距离；偏心的正负定义：机械旋转结构相对xyz各轴的方向，一致则为正，相反则为负；

(3)x_(n)，y_(n)，z_(n)为工件坐标系中焊缝轨迹曲线上任一点坐标；x′_(n)，y′_(n)，z′_(n)为机床坐标系中焊缝轨迹曲线上分别与x_(n)，y_(n)，z_(n)相对应的坐标值；

(4)C，A为第四伺服/步进电机以及第五伺服/步进电机的进给量，PI为圆周率；

(5)i，j，k为工件坐标系中刀轴方向在x，y，z方向上的矢量分量。