机械工程学报

作者：张刚, 石玗, 樊丁, 张伟杰

单位：1. 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室 兰州 730050;2. 肯塔基大学先进焊接制造加工中心 列克星敦 40506 美国

关键词：焊工经验,熔池流动,焊枪姿态,三维传感,耦合模型；

基金：国家自然科学基金（51905245）、甘肃省基础研究创新群体计划（17JR5RA107）、甘肃省高等学校科研项目（2018A-018）和兰州理工大学红柳优秀青年人才扶持计划资助项目。

模拟解析有经验高级焊工焊接行为并实现抽象焊接行为的程序化无疑是快速发展机器人智能化焊接的优选路径之一。而同步传感测量焊工焊枪姿态和熔池状态是实现焊接行为程序化的关键。针对现有焊枪姿态和熔池特征测量系统的独立性及焊工与熔池交互过程的同步耦合分析需求，建立了传感器-万向节-焊枪钨极尖端三坐标系间的数学转换模型和熔池与焊枪钨极尖端运动坐标的双向耦合模型。通过预设机器人焊枪姿态摆动试验验证了双向耦合模型的有效性和准确性。在时空同一坐标下对比分析了不同焊接水平焊工对熔池状态的调控行为和焊缝成形质量的控制能力。结果表明，利用熔池-焊枪双向耦合模型可以获得能够表征焊工操控焊枪空间运动的较准确姿态样本数据；经模型转换的焊工操控焊枪α、β角与机器人摆动预定值的误差均小于1.2°，γ角误差约为1.5°；未经实操培训焊工操控焊枪规范性差，调控熔池动态平衡表现出调节时刻和规律的高随机性，对熔池状态动态评估能力极其匮乏，无法保证焊接过程稳定和高的焊接质量；经长期实训焊工运枪动作规范、规律性强，对熔池状态动态评估能力丰富和强的交互意识，全焊接过程能够保持熔池形态的稳定和焊缝的全熔透。

来源：2019年第23期

《机械工程学报》期刊编辑部

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