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一种多层多道焊缝自动寻位与实时监控的方法及装置

文献发布时间:2023-06-19 18:37:28


一种多层多道焊缝自动寻位与实时监控的方法及装置

技术领域

本发明涉及对焊缝的自动寻位技术领域,尤其涉及一种多层多道焊缝自动寻位与实时监控的方法及装置。

背景技术

目前在国内机械工程行业对接焊缝焊接多数还是采用手工焊接方法,存在工人工作条件恶劣,工作强度大的问题,同时焊缝成型、焊接效率以及焊接质量等都有待提高。焊接自动化技术以其优良的工作效率被广泛地应用到工业生产中,是焊接技术发展的必然趋势,是实现更安全、高效、智能生产的重要手段。

若在自动焊接上没有在焊枪上附加任何装置,其可达性及焊枪运动的灵活性都非常好,尤其符合焊接过程低成本自动化的要求。但是能够获得的信息量较少,具有非常大局限性。由于人为的装配误差的存在以及焊接过程中产生的焊接变形,可能出现诸如焊偏、下塌、咬边和焊缝不连续等焊接缺陷,大大影响焊接质量。现有技术通常采用离线编程技术解决示教的繁琐问题以及采用电弧跟踪或机械接触等方式降低对工件装夹精度的要求,但是这些解决方法有很大的局限性,对机器人的示教需要花费大量时间逐个网格对机器人进行示教,在网格数量多时需进行大量不必要的机械重复示教工作,不利于机器人的自动化。机械接触式传感器是依导轮或者导杆在焊咀前方检测焊缝位置,通过焊缝形状对导杆或者导轮的强制力来导向,将焊缝偏差信息反映到检测器内,从而实现焊缝自动寻位,然而,由于机械式传感器信息量少,在自动焊接中,主要是与其它传感器配合来完成焊缝跟踪任务,一般不独立使用。视觉传感器,由于图像处理速度慢以及焊接强光、电弧热、飞溅、以及烟雾等多种强烈的干扰,无法精确实时跟踪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多层多道焊缝自动寻位与实时监控的方法及装置,利用激光传感器自动寻位结合CCD相机对焊接过程的实时监测,解决现有设备自动寻位精度不高以及对焊接过程中产生的焊偏、焊漏等缺陷不能及时发现的问题,大幅提高焊接质量的同时降低人力成本的投入。

为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:

本发明一方面提供一种多层多道焊缝自动寻位与实时监控装置,包括:焊枪支架以及安装在焊枪支架上的电弧焊枪、激光传感器、CCD相机和伺服电机,还包括数据图像处理器、显示器、焊接机器人控制系统和电源;

所述激光传感器和CCD相机安装于所述电弧焊枪的上方,且所述激光传感器位于所述电弧焊枪的前方,所述CCD相机位于所述电弧焊枪的后方;

所述激光传感器、CCD相机和电弧焊枪的纵向中心剖面处于同一平面上;

所述激光传感器和CCD相机与竖直方向的角度可调,所述激光传感器和CCD相机在水平方向上的位置可调;

所述数据图像处理器与所述激光传感器和所述CCD相机相连,

所述数据图像处理器用于获取所述激光传感器扫描的焊道信息并进行信息处理,将处理后的数据传递给焊接机器人控制系统;以及用于获取CCD相机拍摄的焊接过程中焊缝的实时监控图像,传递给显示器进行实时显示;以及用于对焊缝轨迹坐标进行修正,并将修正后的焊缝轨迹坐标上传给机器人控制系统;

所述显示器与所述数据图像处理器相连,

所述显示器用于显示激光传感器扫描的焊道信息和数据处理结果,以及,用于显示焊接过程中焊缝的实时监控图像;

所述焊接机器人控制系统与所述数据图像处理器和焊接机器人相连,

所述焊接机器人控制系统用于根据数据图像处理器的数据处理结果对焊缝进行定位,并驱动焊接机器人带动电弧焊枪按定位的焊缝轨迹坐标实施焊接;

所述电源用于为焊接机器人控制系统供电。

进一步的,所述激光传感器安装在激光传感器支架上,所述CCD相机安装在相机支架上;

所述激光传感器支架安装在第一滑轨上,所述第一滑轨位于所述焊枪支架的一端,第一滑轨的一端延伸至焊枪支架内;

所述相机支架安装在第二滑轨上,所述第二滑轨位于焊枪支架的另一端;

所述激光传感器支架和相机支架均与伺服电机相连;

所述伺服电机用于控制激光传感器支架和相机支架沿滑轨移动以及控制激光传感器支架和相机支架旋转。

进一步的,所述激光传感器支架和相机支架采用6mm厚的6061铝合金。

进一步的,所述焊接机器人控制系统具体用于,

基于数据图像处理器传递的焊道信息,计算得到当前待焊接工件的起弧位置和收弧位置的坐标,以起弧位置到收弧位置方向为X/Y轴建立坐标系,并上传到数据图像处理系统;

以及,用于根据数据图像处理器传递的焊缝轨迹坐标,驱动焊接机器人带动电弧焊枪实施焊接。

进一步的,所述数据图像处理器具体用于,

获取激光传感器扫描的焊道信息并进行处理,提取焊道截面的形状及尺寸信息,以及将提取的信息传递给焊接机器人控制系统;

以及,

基于焊接机器人控制系统建立的坐标系,获取待焊接工件坡口的平面位置坐标信息,将待焊接工件坡口的平面位置坐标与电弧焊枪枪头的平面位置坐标进行比对,若两者的偏差超过允许范围,则对焊缝轨迹坐标基于偏差值进行修正,并将修正后的焊缝轨迹坐标上传给机器人控制系统。

本发明还提供一种多层多道焊缝自动寻位与实时监控的方法,采用前述的多层多道焊缝自动寻位与实时监控装置进行焊缝自动寻位与实时监控,所述方法包括:

S1、固定好待焊接工件,调整电弧焊枪焊丝在待焊接工件的坡口的正上方;

S2、通过激光传感器对当前待焊接工件的焊道进行扫描,并将扫描到的焊道信息发送给数据图像处理系统;

S3、通过数据图像处理系统对接收到的焊道信息进行处理,提取焊道截面的形状及尺寸信息,并将提取信息发送至焊接机器人控制系统;

S4、通过焊接机器人控制系统根据得到的焊道信息进行计算得到当前待焊接工件的起弧位置和收弧位置的坐标,并以起弧位置到收弧位置方向为X/Y轴建立坐标系,并发送至数据图像处理系统;

S5、通过比对焊接工件坡口的平面位置坐标和焊枪枪头的平面位置坐标,判断两者的偏差是否在允许范围内,若在,则通过机器人控制系统驱动焊接机器人带动电弧焊枪实施焊接;

若超过允许范围,则对焊缝轨迹坐标基于偏差值进行修正,并将修正后的焊缝轨迹坐标上传给机器人控制系统,通过机器人控制系统驱动焊接机器人带动电弧焊枪随修正后的焊缝轨迹实施焊接;

S6、焊接完成后,再次通过激光传感器对当前待焊接工件的焊道进行扫描,并将扫描到的焊道信息发送给数据图像处理系统;通过数据图像处理系统对接收到的焊道信息进行处理,提取焊道截面的形状及尺寸信息,并通过显示器显示,判断是否需要进行多层多道焊接;若是,则转至步骤S3;否则,焊接完成。

进一步的,所述方法还包括,

通过显示器对激光传感器扫描的焊道信息和数据图像处理系统的数据处理结果进行显示。

进一步的,所述方法还包括,

在焊接前,对待焊接工件表面进行处理,去除表面油污杂质,利用机械装夹的方式将两块待焊接工件拼上,控制对接间隙在1.5mm以内,并两端拼点固定。

进一步的,所述方法还包括,

在焊接前,调整电弧焊枪与待焊接工件水平面之间的夹角α为15°~60°。

进一步的,所述方法还包括,在焊接前,对激光传感器位置进行标定如下:

标定激光传感器与竖直方向的角度为20°-30°,激光传感器底端距待焊接工件平面的距离为160mm-200mm,照射在焊接试板上的扫描线长度为8-12mm。

进一步的,所述方法还包括,在焊接前,对CCD相机位置进行标定如下:

标定CCD相机与竖直方向的角度为15°-30°,CCD相机底端距待焊接工件板平面的距离为160mm-200mm,CCD相机底端距焊丝尖端水平距离为120mm-160mm。

本发明具有以下有益效果:

(1)本发明通过比对焊接工件坡口的平面位置坐标信息,系统自动计算焊枪枪头在平面上的坐标值判断是否在允许范围内,若超过允许范围,会自动修正焊缝轨迹,使焊枪按修正后的焊缝轨迹实施焊接。本发明运用激光传感器扫描自动寻位,能够使焊枪快速移动到目标焊接处,对目标焊缝进行准确焊接,大大缩短了焊枪移动的时间,焊接效率高且保证了焊接质量;

(2)本发明可以通过CCD相机对焊接过程中对焊接过程中各种信号的监测,可以对焊接过程中出现的缺陷进行实时报警,及时发现焊接过程出现的偏差,进 行及时矫正,对缺陷产生原因进行分析,指导优化焊接工艺。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多层多道焊缝自动寻位与实时监控装置示意图;

图2为本发明实施例提供的多层多道焊缝自动寻位与实时监控装置的工作原理示例;

图3为本发明实施例中焊道示意图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种多层多道焊缝自动寻位与实时监控装置,参见图1,包括:焊枪支架1,电弧焊枪2,激光传感器3,CCD相机5和伺服电机7。

具体的,焊枪支架1用于支撑和固定电弧焊枪2、激光传感器3、CCD相机5和伺服电机7,保证各部件能够同步运行,以免产生偏差。

激光传感器3和CCD相机5安装于电弧焊枪2的上方,且激光传感器3安装在电弧焊枪2的电弧前方,CCD相机5安装在电弧焊枪2的后方。

激光传感器3、CCD相机5和电弧焊枪2三者的纵向中心剖面处于同一平面上。

待焊接工件位于电弧焊枪2的下方。

需要说明的是,电弧焊枪2为常规气保焊枪,焊枪的中心截面需与焊接机器人旋转轴保持一致。电弧焊枪2由焊接机器人控制实施焊接。

需要说明的是,待焊接工件81和82,可以是同种材料或者是异种材料。

待焊接工件板81和82的厚度、坡口和间隙均不做特殊要求,焊丝需要求在坡口的正上方。

激光传感器和CCD相机与竖直方向的角度可调,且激光传感器和CCD相机在水平方向上的位置可调;用于标定激光传感器的扫描范围,以及CCD相机的拍摄范围及清晰度。

进一步的,激光传感器3安装在激光传感器支架4上,CCD相机5安装在相机支架6上。

进一步的,激光传感器支架4安装在第一滑轨上,第一滑轨位于焊枪支架的一端,第一滑轨的一端延伸至焊枪支架1内;相机支架6安装在第二滑轨上,第二滑轨位于焊枪支架1的另一端。

激光传感器支架4和相机支架6均与伺服电机7相连。

伺服电机7用于控制激光传感器支架4和相机支架6沿滑轨移动以及控制激光传感器支架4和相机支架6旋转,进而调节激光传感器支架4和相机支架6的长度以及角度,直到调节到合适的位置。

需要说明的是,伺服电机7是一个典型闭环反馈系统,减速齿轮组由电机驱动,伺服电机根据激光传感器检测的位置,通过控制器指令对激光传感器支架4和相机支架6进行精确的定位,确保焊缝质量。

作为一种优选的实施方式,激光传感器支架4和相机支架6采用6mm厚的6061铝合金。

参见图2,本实施例的装置还包括:数据图像处理器9,显示器10,焊接机器人控制系统11和电源12。

数据图像处理器9与激光传感器3和CCD相机5相连,数据图像处理器9用于,

获取激光传感器扫描的焊道信息并进行处理,提取焊道截面的形状及尺寸信息,以及将提取的信息传递给焊接机器人控制系统11;

以及用于获取CCD相机拍摄的焊接过程中焊缝的实时监控图像,传递给显示器进行实时显示;

以及用于基于焊接机器人控制系统11建立的坐标系,获取待焊接工件坡口的平面位置坐标信息,将待焊接工件坡口的平面位置坐标与电弧焊枪枪头的平面位置坐标进行比对,若两者的偏差超过允许范围,则对焊缝轨迹坐标基于偏差值进行修正,并将修正后的焊缝轨迹坐标上传给机器人控制系统。

显示器10与数据图像处理器9相连,用于显示激光传感器扫描的焊道信息和数据处理结果,以及,用于显示焊接过程中焊缝的实时监控图像。

焊接机器人控制系统11与数据图像处理器9和焊接机器人相连,

焊接机器人控制系统11用于根据数据图像处理器的数据处理结果对焊缝进行定位,并驱动焊接机器人带动电弧焊枪按定位的焊缝轨迹坐标实施焊接。

本实施例中,焊接机器人控制系统11具体用于,

基于数据图像处理器9传递的焊道信息,计算得到当前待焊接工件的起弧位置和收弧位置的坐标,以起弧位置到收弧位置方向为X/Y轴建立坐标系,并上传到数据图像处理系统9;

以及,用于根据数据图像处理器9传递的焊缝轨迹坐标,驱动焊接机器人带动电弧焊枪2实施焊接。

电源12用于为焊接机器人控制系统11供电。

本发明的另一个实施例提供一种多层多道焊缝自动寻位与实时监控的方法,基于前述实施例的多层多道焊缝自动寻位与实时监控装置进行焊缝自动寻位与实时监控,该方法包括:

S1、固定好待焊接工件,调整电弧焊枪焊丝在待焊接工件的坡口的正上方;

S2、通过激光传感器3对当前待焊接工件的焊道进行扫描,并将扫描到的焊道信息发送给数据图像处理系统9;焊道如图3所示;

S3、通过数据图像处理系统9对接收到的焊道信息进行处理,提取焊道截面的形状及尺寸信息,并将提取信息发送至焊接机器人控制系统11;同时,通过显示器对激光传感器扫描的焊道信息和数据处理结果进行显示;

S4、通过焊接机器人控制系统11根据得到的焊道信息进行计算得到当前待焊接工件的起弧位置和收弧位置的坐标,并自动以起弧位置到收弧位置方向为X/Y轴建立坐标系,并发送至数据图像处理系统;

S5、通过比对焊接工件坡口的平面位置坐标和焊枪枪头的平面位置坐标,判断两者的偏差是否在允许范围内,若在,则通过机器人控制系统11驱动焊接机器人带动电弧焊枪2实施焊接;

若超过允许范围,则对焊缝轨迹坐标进行修正,并将修正后的焊缝轨迹坐标上传给机器人控制系统11,通过机器人控制系统11驱动焊接机器人带动电弧焊枪2随修正后的焊缝轨迹实施焊接。

S6、焊接完成后,再次通过激光传感器3对当前待焊接工件的焊道进行扫描,并将扫描到的焊道信息发送给数据图像处理系统9;通过数据图像处理系统9对接收到的焊道信息进行处理,提取焊道截面的形状及尺寸信息,并通过显示器显示,判断是否需要进行多层多道焊接;若是,则转至步骤S3;否则,焊接完成。

焊接过程中,通过显示器显示焊接过程中焊缝的实时监控图像。

进一步需要说明的是,在实施焊接前,需进行以下准备工作:

a. 准备合适的待焊接工件,并对表面进行处理,去除表面油污杂质等,利用机械装夹的方式将两块待焊接工件拼上,控制其对接间隙在1.5mm以内,两端拼点固定;

b. 在焊接方向上,依次放置电弧焊枪、激光传感器和CCD相机,使三者的纵向中心剖面处于同一平面上,把激光传感器安装在焊枪的前方,CCD相机安装在焊枪后方,确保三折运动轨迹在同一直线上;

c. 调整电弧焊枪与待焊接工件水平面之间的夹角α为15°~60°;

d. 对激光传感器位置进行标定,

标定激光传感器与竖直方向的角度为20°-30°,激光传感器底端距待焊接工件平面的距离为160mm-200mm,照射在焊接试板上的扫描线长度为8-12mm;

e. 对CCD相机位置进行标定,

标定CCD相机与竖直方向的角度为15°-30°,CCD相机底端距待焊接工件平面的距离为160mm-200mm,CCD相机底端距焊丝尖端水平距离为120mm-160mm,保证在图像处理系统中能够观察到清晰的图像;

f. 将激光传感器、CCD相机和数据图像处理器进行连接;

g. 检查所有配置,通保护气进行试焊,无误后进行焊接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术分类

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