一种自动堆焊装置及堆焊控制方法

技术领域

本发明涉及堆焊技术领域，具体是一种自动堆焊装置及堆焊控制方法。

背景技术

辊压机是水泥、矿业等领域核心生产装备之一，其工作性能与产品质量、产量、能耗息息相关。辊套是辊压机核心的零部件，对辊压机的工作性能有重要影响。在工作过程中辊套直接与物料接触，对物料进行挤压破碎，因此需要具有高耐磨、高抗压强度的特性。当前市面上主要有两种辊套，柱钉辊套和堆焊辊套。铸钉辊套采用高耐磨合金钢锻造而成，其工作寿命长、成本高，占市场份额约30%。堆焊辊套采用不同材质的焊丝分层堆焊制造而成，其工作寿命相对较短，但成本低，占市场份额约70%。所谓堆焊，即多层多道焊：在母材上依次密集焊接多条焊道，使之平铺成形成一层焊层，然后在此焊层的焊道上继续焊接，使得多层焊道堆叠，直至焊件尺寸增加到设计值。

堆焊辊套以中碳合金钢如32CrMo等为基体，通过堆焊工艺在基体表面焊接耐磨材料。堆焊辊套由内而外可分为辊套母材、打底层、过渡层、耐磨层、花纹层和硬质点。不同层级所用的材料不同，从而实现不同的机械力学性能。辊套母材是铸造的钢坯机加工而成，成品辊套所有焊层在其上逐层堆叠焊接而成，因此辊套母材是辊套焊接前的初始形态。打底层具有较高的韧性，能提高工件与硬化面层的结合强度，释放焊接应力，有效防止堆焊裂纹向基体扩展。过渡层具有较高的焊接硬度和良好的韧性，具有优异的抗磨损和抗挤压性能。耐磨层比过渡层具有更优异的耐磨性能和抗挤压磨损性能，所用材料的焊接硬度最高，其表面硬度需达到HRC58及以上。花纹层和硬质点和耐磨层采用的是同种材质，其作用主要是增加辊套对物料的拉入效果，提高生产效率。在生产辊套的过程中，打底层、过渡层和耐磨层占堆焊作业量90%以上。打底层、过渡层和耐磨层一旦焊接完成，其内部缺陷很难检测，而且修复缺陷的成本高、周期长。因此，研究堆焊辊套的制作工艺，提高其焊接质量，延长其工作寿命，具有重要应用价值和经济价值。

目前市面上堆焊辊套的制造通常采用人工焊接或者半自动耐磨堆焊的形式，这种传统的堆焊方式存在如下的缺陷：

1、质量一致性不佳。辊套堆焊工艺复杂，对焊工的焊接经验和焊接技术水平要求较高，且工件体积大焊接时间长，因此焊工的水平和焊工在焊接时的工作状态对焊接质量有很大影响，导致焊接质量难以控制，出厂辊套寿命一致性无法保证。

2、堆焊过程质量无法检验和控制。辊套堆焊过程中，多个焊道熔宽需要保持严格一致，否则焊道之间会产生空隙，后续焊接下一层时会把空隙埋起来，造成质量隐患。又因为多个焊层之间是逐层堆叠的，每层焊道的余高需要严格保持一致，否则辊套尺寸会产生偏差，造成成品辊套的圆柱度不符合要求、质量不达标。而现有的堆焊工艺，无法对焊接过程中的熔宽和余高参数进行实时监测和控制。堆焊辊套的质量和寿命只能在使用过程中验证，一旦焊接质量出现问题，将导致缺陷部位应力集中，造成辊面使用初期就产生裂纹、剥落、掉块等问题，带来极大的售后维护成本。

3、生产效率低、操作环境恶劣。当前人工堆焊和半自动堆焊大量依赖人工操作，生产效率低。在耐磨辊套堆焊过程中，烟尘极大，且堆焊工时长，恶劣的工作环境会对工人身体造成物理性伤害和化学性伤害，增加焊工职业病风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动堆焊装置及堆焊控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题，基于MIG焊接工艺，对堆焊辊套的多个焊层（打底层、过渡层、耐磨层）进行高度自动化焊接，提高了生产效率。焊接过程中对各焊接环节的质量进行闭环控制，保证了焊接成品的质量一致性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一方面公开了一种自动堆焊的控制方法，包括以下步骤：

S1、建立焊接工艺参数与焊道形貌关系参数对应规则表，所述焊接工艺参数包括：焊枪摆幅、送丝速度、焊接电流、焊接电压；所述焊道形貌参数包括焊道熔宽、焊道余高；

S2、规划焊接轨迹：辊套匀速转动，焊枪在起始点做往复摆焊运动；当辊套匀速转动一周，完成一圈焊道焊接，焊枪立即向辊套轴向平移一个标准焊道宽度距离，开始下一条焊道焊接，直到完成当前焊层所有焊道的焊接；当前焊层焊接完成后，焊枪运动至下一焊层的起始焊接位置，执行下一焊层焊接任务；

预设工作参数，包括：焊层层数、焊条牌号、焊接速度、焊道熔宽标准值

S3、启动当前层焊接任务：控制辊套和焊枪按照S2中设定的焊接轨迹动作，按照预设的焊道熔宽标准值

步骤S3还包括焊道熔宽和焊道余高的实时补偿，具体包括：

通过熔池相机实时监测当前焊道熔池，根据熔池图像检测算法，实时计算当前焊道熔宽

若

S4、通过线激光扫描相机拍摄当前焊层，执行缺陷检测，具体包括：

若不存在缺陷，则直接执行下一焊层焊接任务；

若存在缺陷，则发出缺陷预警，待修复完成后，进入下一焊层焊接任务；

S5、重复执行步骤S3-S4，直到焊接完所有焊层。

作为本发明的进一步方案：所述规则表的建立过程包括：

令焊丝牌号、焊接速度与实际焊接时一致；由小到大设置

作为本发明的进一步方案：所述纠偏程序具体包括：

建立焊接工艺参数调整方向与

调整焊枪摆幅为

作为本发明的进一步方案：所述的焊接工艺参数调整方向与

若

若

若

若

若

若

若

若

作为本发明的进一步方案：步骤S4中，执行缺陷检测过程具体包括：

S41、辊套持续匀速转动，线激光扫描相机沿辊套轴向间隔移动，每移动一次拍摄一张图片，使拍摄的所有图片覆盖完整辊面；

S42、裁剪、拼接所有图片，形成辊面大图；

S43、检测并提取辊面大图中缺陷所在位置和深度信息，并将缺陷位置转换至焊接机器人坐标系；

S44、显示并提醒修复缺陷。

作为本发明的进一步方案：步骤S43中，所述深度信息为辊面大图中每个像素点灰度值对应的辊套半径，所述的辊套半径

作为本发明的进一步方案：步骤S43中，检测并提取缺陷的过程具体包括：

将辊面大图中所有像素点的属性特征值置为0，根据辊套上各点的理论半径

本发明另一方面公开了如上述任一项所述的控制方法所采用的自动焊接装置，包括焊接执行机构、视觉识别机构以及焊接智能控制机构，其中：

所述焊接执行机构包括焊接机器人，以及，固设于所述焊接机器人末端的焊枪；还包括用于支承辊套并带动其匀速转动的变位机、用于提供稳定电流的焊机、以及用于在焊接过程中以设定速度向焊枪枪嘴连续送入焊丝的送丝机；

所述视觉识别机构包括固设于焊接机器人末端的熔池相机和线激光扫描相机；

所述焊接智能控制机构包括与熔池相机、线激光扫描相机电连接的图像处理单元，与焊接机器人、送丝机、焊机、变位机电连接的焊接控制单元，以及人机交互单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提升了辊套焊接过程的自动化水平和生产效率，改善了操作人员的工作环境。采用焊接机器人配合变位机实现对大型回转焊件的自动焊接，代替原来的手工焊接和半自动焊接，极大的提升了生产的自动化水平，提高了生产效率。改善了操作人员的工作环境，使他们脱离了现场焊接时高烟尘、弧光、噪声的工作环境，降低了操作人员的劳动强度和工作量。

本发明采用机器自动化焊接减少了人为因素带来的质量问题，采用熔池相机监控焊接过程中的焊道熔宽、余高变化，并建立了焊道形貌参数控制模型，采用多工艺参数协调控制的负反馈控制策略，使得焊道形貌可以始终保持在设定值范围内。调整过程中，焊机电流、焊接电压、送丝速度等工艺参数可以根据控制模型连续快速调整，实现了人工和半自动焊接时无法操作的精细控制，保证了焊道形貌的高可控性和高一致性。提出了一种焊层质量检测方法，在每焊完一层焊道后，使用线激光扫描相机检测该焊层的三维形貌，及时提醒操作人员修复辊面上可能存在的缺陷，避免直接焊接下一个焊层时缺陷被“掩埋”，消除了造成焊接质量缺陷的隐患，使得焊接过程质量可控。该扫描结果可以在坐标系中精确显示缺陷的面积、深度和坐标，为操作人员提供了直观的参考，甚至为今后焊接机器人的自动修复焊层上的缺陷提供了可能性。

便于质量溯源和提升工艺。焊接过程中全自动记录焊接工艺参数和焊道形貌参数，便于对焊接过程的追踪，溯源焊接质量问题。焊接过程中，出现焊接工艺参数数据超限会报警提醒，可靠性高。积累大量生产数据后，可以进行海量数据挖掘，复现高质量焊接工艺，不断提升工艺水平，提升焊接质量。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明实施例中的堆焊控制方法流程图；

图3为本发明中焊接工艺参数调整方向与焊道形貌参数变化方向关系图；

图中：1-焊接机器人、2-焊枪、3-熔池相机、4-线激光扫描相机、5-变位机、6-送丝机、7-焊机、8-图像处理单元、9-焊接控制单元、10-人机交互单元、11-辊套。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是通讯连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1-3，本发明实施例中，一种自动堆焊装置。包括焊接执行机构、视觉识别机构以及焊接智能控制机构，其中，焊接执行机构包括：

焊接机器人1，优选六轴工业机械臂，支持离线编程和在线编程，焊接过程中可以通信接收外部控制指令而动作；

焊枪2，固定于焊接机器人1的第六轴末端，采用MIG焊工艺时，焊丝从焊枪中间穿过，焊枪起到夹持固定焊丝的作用。

送丝机6，固定安装在焊接机器人1的机身上，焊丝从其中间穿过，它可以保证焊接时焊丝连续稳定地向前方运动直至焊枪2枪嘴，从而保证不断弧和熄弧。可以接收外部信号控制送丝速度；

焊机7，用于控制焊丝起弧和熄弧，维持焊接过程中的电流。可以接收外部信号控制焊接过程中的电流和电压大小；

变位机5，用于对准备焊接的辊套11进行定位夹持和支撑，并带动辊套11按设定的角速度旋转。其上带有编码器，可以检测自身转轴的角速度和角位移。可以接收外部的转速和位置控制信号。

视觉识别机构，用于检测和反馈焊接过程中的辊面状态，具体包括：

线激光扫描相机4，通过相机支架安装在焊接机器人1的末端。该线激光扫描相机采用三角测距原理，所拍摄图片的像素灰度信息存储了拍摄对象的形貌。线激光扫描相机的启动可以由外部信号触发，其拍摄结果支持电信号传输至外部；

熔池相机3，同样地，通过相机支架安装在焊接机器人1的末端，用于在焊接的过程中实时拍摄正在焊接部位熔池的形态。熔池相机配套软件自带有熔池形貌检测模型，能够根据当前实时拍摄位置的熔池形态，预测输出拍摄位置熔池冷凝后焊道的熔宽、余高、焊丝干伸长等熔池形貌参数，检测精度可达0.1mm，并支持通信输出检测结果。

焊接执行机构，用于控制焊接执行系统按照设定轨迹动作，并根据视觉识别系统的检测结果，动态调整焊接执行系统动作，其具体包括：

图像处理单元8，与线激光扫描相机4、熔池相机3电连接，用于接收和处理图像、视频信息，并向线激光扫描相机4、熔池相机3发出启动指令。与焊接控制单元9电连接，可以将图像、视频的处理结果发送给焊接控制单元9，并接受焊接控制单元9的控制指令；

焊接控制单元9，与焊接机器人1、送丝机6、焊机7、变位机5电连接，控制这些设备执行各种动作和接收它们的反馈信号；与图像处理单元8电连接，接收其图像、视频处理结果，向其发出启动指令；与人机交互单元10电连接，接收外部人工输入的控制指令和参数，并将当前系统的状态参数反馈至人机交互单元；

人机交互单元10，操作人员与本系统交互的媒介，可以为触摸屏或计算机等硬件设备，可以设置在本地或远端，与焊接控制单元9电连接而相互交换信息。

一种自动堆焊控制方法，包括以下步骤：

S1、建立焊接工艺参数与焊道形貌关系参数对应规则表，确定二者之间的量化关系，焊接工艺参数包括焊枪摆幅

如图3所示，焊接工艺参数的调整方向与焊道形貌参数的变化方向有对应关系。假设当前的焊接工艺参数为

“工艺参数与焊道形貌关系对应规则表”和“焊接工艺参数调整方向与焊道形貌参数变化方向关系”被转化为规则，存储于焊接控制单元9中，实现目标改变焊道形貌，对多个焊接工艺参数的联动控制。

表1

S2、建立坐标系，规划焊接轨迹，预设焊接参数，具体包括：

建立坐标系：焊接前需建立辊套坐标系

规划焊接轨迹：变位机5以设定的恒定转速旋转，焊接机器人1运动到辊套11上方第一条焊道的焊接位置，带动焊枪2在此点做往复摆焊运动。当变位机5旋转至其编码器0位时，焊接控制单元9控制送丝机6开始送丝，焊机7起弧，启动焊接。变位机5旋转一周后，熔化的焊丝在辊套11上形成了一圈焊道。此时焊接机器人1立即向

操作人员通过人机交互单元10输入焊接参数，存储与焊接控制单元9中。焊接预设参数具体为预设的焊接工艺参数和焊接形貌参数标准值、允许的偏差范围，包括：焊接层数、焊条牌号、焊接速度、焊道熔宽、焊道余高、焊道熔宽偏差允许值、焊道余高偏差允许值、辊套表面“真缺陷”面积阈值。

S3、通过人机交互单元10启动焊接，焊接控制单元9向焊接机器人1和变位机5发出控制指令，使二者如步骤S2中所预设的焊接轨迹开始运动。

焊接控制单元9根据步骤S2中预设的焊道熔宽

进一步的，步骤S3还包括焊道熔宽和焊道余高的实时补偿，当发生焊丝质量不均匀、焊接速度偏差、执行机构运动误差等各种工况时，会导致焊道的熔宽、余高等偏离设定值。本发明可实时检测焊道形貌参数的偏离程度，并实时对焊道熔宽和余高进行补偿，实现了焊道形貌的负反馈控制，具体方法如下：

（1）熔池相机3实时监测当前焊道的熔池，传输至图像处理单元8中。图像处理单元8根据熔池图像检测算法，实时计算当前焊道的熔宽

（2）焊接控制单元9计算熔池相机输出的当前焊道形貌参数与设定的标准值的偏差

（3）焊接控制单元9根据当前

（4）焊接控制单元9根据“工艺参数与焊道形貌关系对应规则表”，以当前焊接工艺参数

（5）焊接控制单元9控制焊接机器人1使得焊枪摆幅为

S4、扫描和建立当前焊层的三维模型，检测焊接缺陷并进行修复预警。

当前层的焊道焊接完成后，为避免焊接下一层时当前焊层的焊道缺陷被“掩盖”，导致质量隐患，需要立即检测和修复当前已完成焊层的缺陷和修复。检测和修复的过程是：

（1）计算线激光扫描相机4所要拍摄图片的张数及拍摄位置。令线激光扫描相机4正对辊套11轴心拍摄，且距离轴心距离为

（2）按设定位置逐个拍摄单张图片。焊接控制单元9控制焊接机器人1带动线激光扫描相机4到达某个设定的拍摄位置后，当焊接控制单元9监测到变位机5的转轴转动到编码器0点时，向图像处理单元8发送拍摄指令。图像处理单元8触发线激光扫描相机4启动拍照。设线激光扫描相机4的拍摄帧率为

（3）裁剪和拼接图片形成辊面大图。图像处理单元8根据每张图片所能覆盖的辊套11的轴向长度

（4）图像处理单元8提取辊面大图中的缺陷，并将缺陷位置坐标转换至机器人坐标系。缺陷检测和提取的过程如下：当前辊套11上各点的理论半径

（5）显示及修复“真缺陷”。焊接控制单元将第（4）步中所计算出的“真缺陷”的坐标、深度信息传输给人机交互单元10。人机交互单元10将其渲染，展示在辊套坐标系

S5、重复执行步骤S3-S4，继续逐条、逐层焊道焊接，直至所有堆焊层（打底层、过渡层、耐磨层）都被焊接完成。在焊接过程中，焊接控制单元按设定时间间隔自动周期性地记录焊接电压、电流、焊接速度、变位机转角、送丝速度等焊接工艺参数和焊接形貌参数，并实时显示至人机交互单元，对超限值给出报警。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。