CN102009275B - 用于船用柴油机机架机座的自动焊接系统 - Google Patents

Abstract

一种自动化焊接技术领域的用于船用柴油机机架机座的自动焊接系统，包括：两个相对设置的焊接机构、主控制器、图像处理模块、摆动控制器、知识模型库和视频监视器。本发明采用双枪双工位工作模式，利用激光视觉传感器在焊接过程中进行实时跟踪焊接的自动焊接方法，取代传统的手工半自动焊接模式，具有焊接效率高，焊接质量好易控制，焊接变形小，焊接质量不受人为因素的影响等优点。

Description

用于船用柴油机机架机座的自动焊接系统

技术领域

本发明涉及的是一种自动化焊接技术领域的系统及其方法，具体是一种用于船用柴油机机架机座的自动焊接系统。

背景技术

船用柴油机作为船舶的心脏，是价值最大的船舶配件，占造船成本的10％～15％。而机架和机座是柴油机的主要部件，在柴油机的制造中占有相当重要的到位。B&W型大中型低速柴油机从42机到90机的机架、机座部件，工件厚度为32mm-90mm，工件焊接长度为2100～5000mm，左右两条焊缝的距离从800mm到2600mm不等，工件的宽度为从2000mm到4400mm不等，坡口形式为非标准的K型坡口形式，焊接空间形式多样，一些为角焊缝K型坡口形式，一些为平对接K型坡口形式。

由上述可知，工件单次焊接的焊缝长，坡口形式复杂，材料的板厚较大，焊接工艺为多道多层焊接，焊接的层数和道数即使在较大规范的前提下也可能要达30～40道左右。由此可见，焊接的工作量十分巨大，工人的劳动强度非常高，而现有技术均采用手工半自动焊接，操作人员需在高温高辐射的环境长时间的从事焊接工作，对工人的身体健康和焊件的品质极为不利。目前焊接一条焊缝至少需要一个礼拜左右的时间。可以想见，其焊接工作量十分巨大，由于长期的告高温、高辐射的影响，对工人的身体健康和焊件的品质较为不利。因此，现有的手工半自动的焊接技术的低效率，返修率大，焊接质量受人为因素影响大，焊接品质无法保证，无法适应当前快速发展的船舶行业对柴油机的需求。

经对现有技术文献检索发现，中国专利文献号CN1405482，公开日2003-3-26，记载了一种“低速柴油机机架焊接方法”，该技术描述了如何利用定位铁管等辅助夹具，采用一定的焊接顺序，或者改变坡口形式，以及换用不同形状的衬垫等从工艺角度去解决机架的焊接变形问题，焊接质量问题等，从而在一定程度上提高了焊接效率和保证了焊接质量。但其焊接方法还是采用的手工的半自动焊接方法，同样面临焊接效率不高，焊接质量不稳定，不同的焊工其焊接质量可能完全不一样，焊接质量受人为影响因素大，同时焊接工作量极大，对焊工的身体健康以及焊接品质的控制都极为不利。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于船用柴油机机架机座的自动焊接系统，采用双枪双工位工作模式，利用激光视觉传感器在焊接过程中进行实时跟踪的自动焊接方法，取代传统的手工半自动焊接模式，具有焊接效率高，焊接质量好易控制，焊接变形小，焊接质量不受人为因素的影响的优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：两个相对设置的焊接机构、主控制器、图像处理模块、摆动控制器、知识模型库和视频监视器，其中：图像处理模块分别与焊接机构相连以传输焊缝图像信息，图像处理模块的输出端与主控制器相连接以输出焊缝偏差信息，主控制器的输出端分别与视频监视器和摆动控制器相连接以输出焊缝偏差的图像信息和摆动控制信息，摆动控制器分别与两个摆动机构的伺服驱动器相连接以传输速度信息和位置信息，两个摆动机构固定设置于焊接机构上，两个焊接机构的控制端分别与主控制器相连以接收速度控制信号和位置控制信号，知识模型库与主控制器相连接以传输焊接姿态以及焊接规范参数。

所述的焊接机构包括：焊枪、激光视觉传感器、行走机构、伺服十字滑架和摆动机构，其中：焊枪固定设置于摆动机构末端的旋转轴上，激光视觉传感器固定设置于摆动器上且位于焊接机构前并与主控制器相连接，摆动机构固定设置于十字滑架的纵向滑架上，伺服十字滑架分别与行走机构和摆动机构相连接。

所述的行走机构包括：大车行走机构以及两个焊接方向行走机构，其中：两个焊接方向行走机构分别活动设置于大车行走机构上并与焊接机构相匹配，大车行走机构与摆动机构相连接以接受移动指令，从而完成焊接双工位的切换。

所述的伺服十字滑架包括：横向十字滑架和纵向十字滑架，其中：横向十字滑架固定设置于行走机构上，纵向十字滑架安装于横向十字滑架上，纵向十字滑架下端与摆动机构相连。在焊接过程中，当进行左右调节时，横向滑架带动纵向滑架，纵向滑架带动摆动机构、然后摆动机构带动焊枪以及激光视觉传感器一起移动，而上下调节时，仅仅纵向滑架带动摆动机构，然后摆动机构带动焊枪以及激光跟踪器一起移动。

所述的摆动控制器的输入端通过RS232接口与主控制器相连接以接收摆动频率信息、摆动幅度信息和摆动方式信息，摆动控制器的输出端与摆动机构相连接以传输位置信息和速度信息并控制摆动机构按照期望的方式进行摆动。

所述的视频监视器包括：两个分别固定设置于焊接机构上的激光视觉传感器以及一个视频监视器，其中：激光视觉传感器采集激光条纹投射到焊缝坡口上的畸变图像以及焊接坡口，显示到视频监视器上。在焊接之前，在视频监视器上的激光条纹应该是清晰且没有断点的，同时显示的左右及高低偏差量应当稳定而不闪烁和跳跃的，否则应进行相应的调整。在焊接过程中也可以对焊缝图像进行实时监控，良好的焊缝图像应该是：在焊接过程中激光条纹是否清晰，是否受到很多飞溅、烟尘的干扰，据此可以对焊接过程进行保护和改进。

与现有的技术相比，本发明焊接过程稳定，焊接质量易控制，所以焊接质量得以大大提高；焊前的自动焊缝搜索功能，提高了系统的智能化程度，简化了焊前焊接机构的对中，提高了生产效率；自动排列焊道功能大大提高了系统的智能化程度，特别对工艺成熟的标准化工件。自动排列焊道，自动调用数据库中的焊接参数，焊接工艺标准化，便于更好的控制焊接质量，降低对操作人员的要求，大大提高了焊接质量和生产效率；双枪双工位的焊接模式，对于焊缝基本对称的工件，两把焊接机构同时施焊，可以提高效率，更有利于控制工件的变形。而双工位工作模式，当一个工位在焊接时，可以同时在另一工位进行工件的装卸、翻身以及放置等，大大提高了实际焊接生产的效率。

使用本发明实现了柴油机机架机座的长直焊缝的自动化焊接，提高了焊接效率和质量，降低了生产成本，相比已有技术其效率和质量都有显著进步。效率为已有技术的3～5倍，保证了焊接品质，降低了对操作人员焊接技能的依赖，减少了人为因素的影响。而产品的一次合格率达到98％以上。无论从工艺角度还是从经济效益的角度来讲，该技术都有很大的推广应用价值和发展前景。

附图说明

图1为本发明系统示意图。

图2为本发明的K型坡口多道多层焊的示意图。

图3为机架、机座自动焊接专机的双枪双工位示意图。

图4为实施例工作示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：两个相对设置的左焊接机构1和右焊接机构2、主控制器3、图像处理模块4、摆动控制器5、知识模型库6、视频监视器7和焊接电源8，其中：图像处理模块4分别与左焊接机构1和右焊接机构2相连以传输焊缝图像信息，图像处理模块4的输出端与主控制器3相连接以输出焊缝偏差信息，主控制器3的输出端分别与视频监视器7和摆动控制器5相连接以输出焊缝偏差的图像信息和摆动控制信息，摆动控制器5分别与两个摆动机构13的伺服驱动器相连接以传输速度信息和位置信息，两个摆动机构13固定设置于左焊接机构1和右焊接机构2上，两个左焊接机构1和右焊接机构2的控制端分别与主控制器3相连以接收速度控制信号和位置控制信号，知识模型库6与主控制器3相连接以传输焊接姿态以及焊接规范参数。

所述的左焊接机构1和右焊接机构2结构相同且均包括：焊枪9、激光视觉传感器10、行走机构11、伺服十字滑架12和摆动机构13，其中：焊枪9固定设置于摆动机构13末端的旋转轴上，激光视觉传感器10固定设置于摆动器上且位于左焊接机构1和右焊接机构2前并与主控制器3相连接，摆动机构13固定设置于十字滑架的纵向滑架上，伺服十字滑架12分别与行走机构11和摆动机构13相连接。

所述的行走机构11如图2所示，包括：大车行走机构14以及两个焊接方向行走机构15，其中：两个焊接方向行走机构15分别活动设置于大车行走机构14上并与左焊接机构1和右焊接机构2相匹配，大车行走机构14与摆动机构13相连接以接受移动指令，从而完成焊接双工位的切换。

所述的伺服十字滑架12包括：横向滑架16和纵向滑架17，其中：横向滑架16固定设置于行走机构11上，纵向滑架17安装于横向滑架16上，纵向滑架17下端与摆动机构13相连。在焊接过程中，当进行左右调节时，横向滑架带动纵向滑架，纵向滑架带动摆动机构13、然后摆动机构13带动焊枪9以及激光视觉传感器10一起移动，而上下调节时，仅仅纵向滑架带动摆动机构13，然后摆动机构13带动焊枪9以及激光视觉传感器10一起移动。

所述的主控制器3包括：运动控制单元、模拟输入单元、模拟输出单元和接口单元，知识模型库6单元，其中：运动控制单元与大车行走机构13的伺服驱动器相连接以传输位置、速度以及运动方向信息，运动控制单元与焊枪9行走机构11的伺服驱动器相连接以传输焊接的焊接位置、焊接速度以及焊接方向信息，运动控制单元与纵向滑架的伺服驱动器相连接以传输焊接过程中焊枪9上下方向的偏差信息，运动控制单元与横向滑架的伺服驱动器相连接以传输焊接过程中焊枪9左右方向的偏差信息；模拟输入单元与操作面板上的焊接电流、焊接电压旋钮相连以接收设定的焊接电流、焊接电压等信号，通过霍尔原件与焊接电源的输出端相连以传输焊接电流和焊接电压信息，与图像处理模块4相连以传输焊缝图像经处理后得到的左右偏差以及上下偏差信息；模拟输出单元与左右焊接电源相连接以传输需要控制输出的焊接电流和焊接电压信息。I/O单元的输入接口与焊接操作面板相连以传输焊缝搜索，焊接模式选择(全自动，半自动)，复位，焊接示教，联动，各个轴的动作点动，焊接，停止等控制信息，输入接口也与大车行走、焊接行走、伺服十字滑架12等的限位传感器相连，以传输运动零点，上下限位信息，I/O单元的输出则与焊接电源，激光视觉传感器10，摆动控制器5等相连接以传输控制信息，以使整个系统按照一定的时序工作。知识模型库6单元与主控制器3相连接以传输焊接规范，焊接姿态等信息。

所述的图像处理模块4包括：焊缝图像采集单元和处理单元，其中：焊缝图像采集单元与激光视觉传感器10相连以传输焊接过程激光条纹投射到焊接坡口上形成的畸变条纹图像信息，而处理单元与焊接系统的主控制器3相连以传输经过图像处理得到的上下、左右的偏差信息。

所述的摆动控制器5是指：输入端通过RS232接口与主控制器3相连接以接收摆动频率，摆动幅度，摆动方式等信息，输出端与摆动机构13的伺服驱动器相连接以传输位置信息和速度信息，从而控制摆动机构13按照期望的方式进行摆动。

所述的知识模型库6包括：柴油机机架库、机座类型库、焊缝形式库、焊缝层数及道数库以及未知焊缝类型推理单元，知识模型库6能够在自动焊接的情况下，从上述库中调用相应的焊接参数。

所述的视频监视器7包括：两个分别固定设置于焊接机构上的激光视觉传感器10以及一个视频监视器7，其中：激光视觉传感器10采集激光条纹投射到焊缝坡口上的畸变图像以及焊接坡口，实时显示到视频监视器7上。在焊接之前，在视频监视器7上的激光条纹应该是清晰且没有断点的，同时显示的左右及高低偏差量应当稳定而不闪烁和跳跃的，否则应进行相应的调整。在焊接过程中也可以对焊缝图像进行实时监控，良好的焊缝图像应该是：在焊接过程中激光条纹是否清晰，是否受到很多飞溅、烟尘的干扰，据此可以对焊接过程进行保护和改进。

本实施例具体工作步骤如下：

第一步，建立基于激光视觉传感器10的双枪双工位模式的柴油机机架、机座部件自动焊接专机系统；

第二步，自动焊接专机移动到待焊工位待焊工件焊缝的上方附近，自动进行焊缝搜索；

所述的焊缝搜索，是指：在焊接开始前，激光视觉传感器10首先采集焊缝图像，经过图像处理后，得到左焊接机构1和右焊接机构2与期望位置和姿态之间的偏差，送入主控器，主控制器3根据一定的搜索策略，驱动左焊接机构1和右焊接机构2不断进行左焊接机构1和右焊接机构2的上下，左右以及姿态角的调整，直至使左焊接机构1和右焊接机构2精确地对准焊缝，达到期望的焊接姿态。

第三步，进行多道多层焊的焊缝实时跟踪焊接。

所述的焊缝实时跟踪焊接，是指：在焊接过程中，激光传感器不断检测和辨识左焊接机构1和右焊接机构2与焊缝之间的偏差，并将其送入主控制器3，主控制器3采用一定的控制策略得到纠偏量，驱动调节结构对左焊接机构1和右焊接机构2进行左右和上下方向的实时纠偏，从而始终保持左焊接机构1和右焊接机构2精确对准焊缝，保证高质量的完成焊接过程。

所述的跟踪焊接，主要用于多道多层焊的坡口打底、加热焊道以及填充焊道的焊接过程，如图3所示。

第四步，一道焊缝结束，系统根据知识模型库6自动排列的焊道位置进行下一道焊缝的焊接。

所述的自动排列焊道，是指：在下一道焊缝焊接之前，主控制器3首先调用知识模型库6中该工件类型的下一道的位置参数，驱动左焊接机构1和右焊接机构2的各个轴将左焊接机构1和右焊接机构2移动到该道焊缝的标准跟踪位置，再调用知识模型库6中相应的焊接规范以及工作模式等进行跟踪焊接。如图3所示，211，212，213分别表示在系统自动排列焊道下焊枪在第一、第二、第三焊道的示意位置。

第五步，当填充焊道焊接结束后，停止焊缝跟踪，对最后的几道焊缝进行盖面焊接；

第六步，专机移到下一个工位进行焊接，同时对第一个工位的工件进行翻转或者装卸，系统可在两个工位之间来回移动切换。

如图4所示，当第一工位工件18正面的焊接结束时，专机移到第二工位进行工件19的焊接，同时第一工位的工件18翻转到另一面，为反面的焊接准备。与此类似，当结束第二工位工件19的正面焊缝的焊接时，专机再回到第一工位进行工件18的焊接，同时对工件19进行翻转，如此循环往复，在两个工位间交替进行焊接，则可大大提高焊接生产的效率。

本实施例实现了柴油机机架、机座部件高效、高精度的焊接。激光焊缝实时跟踪，按知识模型库6自动排列焊道等技术有利于稳定焊接过程，降低人为因素的影响，提高产品质量，降低返修率，而左焊接机构1和右焊接机构2焊缝自动搜索，双枪双工位的工作模式，可以使系统具有更高生产效率，更好的控制焊接变形。相比已有焊接技术，其效率提高了3～5倍，产品的一次焊接合格率提高到98％以上，对高级焊工的需求减少了40％。因此，该自动焊接方法无论从提高焊接质量，控制焊接品质还是提高生产效率，还是从经济效益和社会效益的角度，该焊接方法都具有较大的推广应用价值。

Claims (6)

1.一种用于船用柴油机机架机座的自动焊接系统，其特征在于，包括：两个相对设置的焊接机构、主控制器、图像处理模块、摆动控制器、知识模型库和视频监视器，其中：图像处理模块分别与焊接机构相连以传输焊缝图像信息，图像处理模块的输出端与主控制器相连接以输出焊缝偏差信息，主控制器的输出端分别与视频监视器和摆动控制器相连接以输出焊缝偏差的图像信息和摆动控制信息，摆动控制器分别与两个摆动机构的伺服驱动器相连接以传输速度信息和位置信息，两个摆动机构固定设置于焊接机构上，两个焊接机构的控制端分别与主控制器相连以接收速度控制信号和位置控制信号，知识模型库与主控制器相连接以传输焊接姿态以及焊接规范参数。

2.根据权利要求1所述的用于船用柴油机机架机座的自动焊接系统，其特征是，所述的焊接机构包括：焊枪、激光视觉传感器、行走机构、伺服十字滑架和摆动机构，其中：焊枪固定设置于摆动机构末端的旋转轴上，激光视觉传感器固定设置于摆动机构上且位于焊接机构前并与主控制器相连接，摆动机构固定设置于十字滑架的纵向滑架上，伺服十字滑架分别与行走机构和摆动机构相连接。

3.根据权利要求2所述的用于船用柴油机机架机座的自动焊接系统，其特征是，所述的行走机构包括：大车行走机构以及两个焊接方向行走机构，其中：两个焊接方向行走机构分别活动设置于大车行走机构上并与焊接机构相匹配，大车行走机构与摆动机构相连接以接受移动指令，从而完成焊接双工位的切换。

4.根据权利要求2所述的用于船用柴油机机架机座的自动焊接系统，其特征是，所述的伺服十字滑架包括：横向十字滑架和纵向十字滑架，其中：横向十字滑架固定设置于行走机构上，纵向十字滑架安装于横向十字滑架上，纵向十字滑架下端与摆动机构相连。

5.根据权利要求1所述的用于船用柴油机机架机座的自动焊接系统，其特征是，所述的摆动控制器的输入端通过RS232接口与主控制器相连接以接收摆动频率信息、摆动幅度信息和摆动方式信息，摆动控制器的输出端与摆动机构相连接以传输位置信息和速度信息并控制摆动机构按照期望的方式进行摆动。

6.根据权利要求1所述的用于船用柴油机机架机座的自动焊接系统，其特征是，所述的视频监视器包括：两个分别固定设置于焊接机构上的激光视觉传感器以及一个视频监视器，其中：激光视觉传感器采集激光条纹投射到焊缝坡口上的畸变图像以及焊接坡口，显示到视频监视器上。

Images