CN102481655A - 用于自动多头焊接的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了用于自动多头焊接的焊接装置(1)和方法。线性照明组件(10)设置为通过沿接缝线(8)扫描光束来照射接缝。照相机(16)设置为当用被扫描的光束照明所述接缝时记录所述接缝的线图像。基于所记录的线图像借助于三角测量测定所述接缝的边缘(12、13)的位置。所述焊接装置(1)包括立体图像组件，该立体图像组件设置为与记录所述线图像同步地记录所述接缝的光度立体图像。所述焊接装置(1)设置为，在利用多粒焊珠焊接焊缝期间，根据立体图像和线图像二者来控制焊头(9)。

Description

用于自动多头焊接的装置和方法
技术领域
本发明涉及自动焊接，具体而言，本发明涉及一种用于自动多头焊接的方法和装置，所述自动多头焊接包括接缝跟踪(joint tracking)。
背景技术
在焊接片材时，通过在片材间的接缝中填充熔融金属来连接片材。所述熔融金属被称为焊珠(weld bead)，且所述熔融金属可源自片材或焊丝供应的材料。对于许多产品，需要使用薄片材，这些产品的实例为：船舶、管道和风力发电站塔。在焊接薄片材时，不可能通过仅焊接单粒焊珠来获得牢固的焊接。为了获得牢固的焊缝，需要在片材间的接缝中填充数粒焊珠。为了使焊缝牢固，需要一粒接一粒地填充连续焊珠，从而用焊珠填满片材间的整条焊缝。上面作为实例提到的风力发电站塔，一般自管道部分焊接在一起。所述管道部分的长度通常为若干米。当两个所述管道部分要被焊接在一起时，所述管道部分通常一个挨着一个地设置在旋转摇架上，从而使所述管道部分的纵向轴线基本上重合。所述管道部分可在所述旋转摇架上绕其纵向轴线旋转。焊头设置在所述管道部分间的接缝处。在焊接中，这些管道部分绕它们的纵向轴线旋转，而焊头基本保持固定。然而，所述管道部分的端面并非完全是平的且并非完全垂直于所述纵向轴线，并且所述管道部分不完全是圆柱形的。这样的结果是：焊头必须相对于所述管道部分的纵向轴线径向移动和轴向移动，以便使焊珠正确定位。存在许多用于沿着接缝控制焊头的公知技术。
瑞典专利515773中描述了一种用于接缝跟踪的方法，在所述方法中使用激光扫描仪来测出接缝的几何形状。激光扫描仪使用激光三角测量，以便测出接缝的边缘和侧面。自动调节电极(electrode)给进速度、焊接速度和电极的位置、以及焊珠的数目，从而即使接缝的几何图形或接缝的体积有偏差，最终结果仍将达到要求。所述方法要求在每个新的焊珠之前测定接缝的几何图形。然而，当填入焊珠时，测定接缝的边缘变得越来越困难。
美国专利US 5302799描述了一种焊接分析系统和一种旨在用于自动焊接装置的控制系统。所述控制系统使用了一种在美国专利US 5111126中描述的光学立体引导系统(optical stereo guiding system)。所述光学立体引导系统包括：确保两幅独立的图像到达照相机的反射镜。
美国专利5572102描述了一种用于控制焊接机器人的方法和装置，所述专利基于对在参照工件上的焊接点的参考图像进行记录。当焊接另一工件时，使用所述参考图像，由此来将所述另一工件的图像与所述参考图像进行比较。然后，基于比较结果控制焊接。采用所述方法避免了焊接路径的实时校正。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能进行稳健的接缝跟踪的方法和装置。
本发明的另一目的是提供一种即使当焊缝被填充时也能进行接缝跟踪的方法和装置。
至少一个所述目的是利用根据独立权利要求的装置和方法来获得的。
本发明的进一步有益效果是通过从属权利要求中的特征获得的。
本发明的基本思想是：将借助于三角测量的接缝跟踪与基于立体图像的接缝跟踪相结合。
三角测量是一种更快速的方法，只要能用该技术检测接缝就可有利地使用三角测量。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于对接缝进行自动多头焊接的焊接装置，所述接缝由两个接缝表面形成，所述接缝沿着接缝线延伸并包括在所述接缝线一侧的第一边缘以及在所述接缝线另一侧的第二边缘，所述边缘界定了所述接缝沿所述接缝线的延伸。所述焊接装置包括：焊头，所述焊头用于在接缝中填充焊珠；线性照明组件，所述线性照明组件设置为通过沿所述接缝线扫描光束来照射所述接缝；至少一个照相机，所述至少一个照相机设置为当用所述被扫描的光束照射所述接缝时记录所述接缝的线图像；和处理组件，所述处理组件用于基于所记录的线图像借助于三角测量来至少测定所述接缝的边缘的位置。所述焊接装置的特征在于，该焊接装置包括立体图像组件，该立体图像组件设置为与记录所述线图像基本上同步地记录所述接缝的光度立体图像，其中，所述焊接装置设置为，在利用多粒焊珠焊接焊缝期间，根据立体图像和线图像二者来控制所述焊头。
通过三角测量测定接缝的边缘的位置在焊接中是公知的方法，这里将不再进行更进一步的描述。然而，当接缝几乎填满了焊珠时，使用三角测量以找出焊缝的边缘是困难的。当焊缝几乎被填满时，通过记录光度立体图像，可以更准确的测定焊缝的边缘。然而，三角测量是一种更快速的方法，这意味着只要有可能，就要使用三角测量。通过所述光度立体图像意味着所述图像具有关于相同区域的不同信息。所述不同的信息可以是，例如，通过从不同角度对相同地区照相来获得的。依照本发明，可以在一个立体图像中使用超过两个的不同图像。
控制所述焊头，从而焊珠将准确地落入焊缝。为了能获得该目的，需要获知焊头相对于照相机的位置。
所述立体图像组件可包括第一照明组件和第二照明组件，其中，所述第一照组件设置为从所述接缝线的一侧照射所述接缝，而所述第二照明组件设置为，从所述接缝线的另一侧照射所述接缝，其中，所述焊接装置设置为，利用所述至少一个照相机在用所述第一照明组件照射所述接缝时记录第一立体图像而在用所述第二照明组件照射所述接缝时记录第二图像。将所述立体图像一起放入用于测定所述接缝的边缘的位置的光度立体图像中。可以使用两个光源和/或超过两个的立体图像。例如，可以获得没有用任何照明组件照射的一个图像。
有利地，所述第一和第二照明组件可以设置为它们基本上各自沿着一个照明方向照射，其中，所述第一照明组件和第二照明组件的照明方向之间角度大于90°。这种照明方向的设置，在合成图像中给出了良好的对比，其结果是，可以以高确定性测定所述边缘的位置。
所述设置为记录立体图像的照相机还可以设置为用于记录线图像。通过仅具有一个照相机，使所述照相机的设置比所述焊头更容易。此外，仅具有一个照相机的焊接装置比具有两个或超过两个照相机的焊接装置成本更低。
有利地，所述焊接装置包括位置测定组件，用于测定用来进行所述立体图像和所述线图像记录的位置，其中，所述立体图像与用来进行所述记录的位置一起存储在所述处理组件中。以这种方式，可以在填充焊珠前测定所述边缘的位置时，使用先前的焊珠填充时记录的图像。
所述处理组件可以设置为，当在先前已记录了立体图像的位置处记录立体图像时，将所记录的立体图像与先前存储的立体图像就位置进行关联以获得位移值，所述位移值描述所述接缝已沿所述接缝线相对于所述先前存储的图像移动了多远。所述位移值可用于控制所述焊头。
所述处理装置可设置为，当在一先前已记录了线图像的位置处记录一线图像时，如果可从所记录的线图像测定位置，则用所测定的位置来替换先前存储的所述接缝的边缘，否则在先前存储的所述接缝的边缘的位置上增加所述位移值。当在焊缝中已经填充了多粒焊珠并且所述三角测量不再给出任何关于所述边缘的位置的可靠信息时，以所提到的方式使用所述位移值。
所述处理组件设置为，在将所记录的立体图像与先前存储立体图像进行关联中，使用与先前的焊珠所填充处有关的信息。这可在控制所述焊头时提供进一步的保证以使所述焊珠落到正确的位置上。
可以以许多不同的方式设计所述线性照明组件，但是根据优选实施例，所述线性照明组件包括激光器。有利地，所述激光器为二级管激光器。用激光器作为光源可以在焊缝上获得很完善的光束。二极管激光器相对便宜，这可使得所述焊接装置的价格低。
有利地，所述至少一个照相机配备有干扰过滤器，所述干扰过滤器设置为传输来自所述第一照明组件和所述第二照明组件的光。利用干扰过滤器过滤出了不需要的光。这样的结果是，所述光度立体图像变得更清晰。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制对接缝进行多头焊接的方法，所述接缝由两个接缝表面形成，所述接缝沿着接缝线延伸并包括在所述接缝线一侧的第一边缘以及在所述接缝表面另一侧的第二边缘，所述边缘界定了所述接缝沿所述接缝线的延伸，所述方法包括步骤：通过沿所述接缝线扫描光束来利用所述光束照射所述接缝；当用所述被扫描的光束照射时，沿着所述接缝线在多个位置处记录所述接缝的线图像；和基于所记录的线图像借助于三角测量至少测定所述接缝的边缘的位置，所述方法的特征在于，所述方法还包括步骤：与利用所述被扫描的光束记录所述线图像基本上同步地沿着所述接缝线在所述多个位置处记录所述接缝的光度立体图像；在利用多粒焊珠焊接焊缝期间，根据立体图像和与所述接缝的形状有关的所述数据二者来控制所述焊头。
利用根据本发明第二方面的方法，获得了与关于本发明第一方面描述的有益效果相同的有益效果。
有利地，所述方法还包括步骤：测定用来进行所述立体图像和所述线图像记录的位置；将所述立体图像和所述接缝的边缘的位置，与用来进行所述记录的位置一起存储在所述处理组件中。以这种方式，可以当在填充焊珠前测定所述边缘的位置时，使用在先前的焊珠填充时记录的图像。
当在先前已记录了立体图像的位置处记录立体图像时，将所记录的立体图像与先前存储的立体图像就位置进行关联以获得位移值，所述位移值描述所述接缝已沿沿所述接缝线相对于所述先前存储的立体图像移动了多远。所述位移值可被用于控制所述焊头。
当在一先前已记录了线图像的位置处记录一线图像时，如果能够从所记录的线图像测定位置，则用所测定的位置来替换先前存储的所述接缝的边缘的位置，否则在先前存储的位置上增加所述位移值。当已经在焊缝中填充了多个焊珠并且所述三角测量不再给出任何关于所述边缘的位置的可靠信息时，以所提到的方式使用所述位移值。可在将所记录的立体图像与先前存储的立体图像进行关联中，使用与在先前的焊珠所填充处有关的信息。这在控制所述焊头时，可提供进一步的保证以使所述焊珠落到正确的位置上。
下面，将参照附图描述本发明的优选实施例。
附图说明
图1示出了当两个管道被焊接在一起时焊接装置和所述管道的示意图；
图2更详细地示出了所述焊接装置和用于记录图像的组件；
图3为描述了根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
在下面的本发明的优选实施例的描述中，位于不同附图中的相应特征将由相同的附图标记来标识。
图1示意性示出了用于对接缝进行自动多头焊接的焊接装置1，所述接缝由两个接缝表面(joint surface)23、24形成。图1示出了具有对称轴3的第一管道2，以及具有对称轴5的第二管道4，其中，第一管道2的直径基本上与第二管道4的直径相同。所述管道设置在摇架20中，第一管道2的第一端6挨着第二管道4的第一端7，并且所述对称轴设置为基本上互相重合。管道2、4间的接合处界定了接缝线8。管道2、3可绕它们的对称轴在摇架20中旋转。焊接装置1包括：焊头9，用于在接缝中填充焊珠以便将所述管道焊接在一起；线性照明组件10，设置为通过沿接缝线8扫描光束来照射所述接缝。根据本发明的实施例，所述线性照明组件包括：激光器，例如二极管激光器。当然，也可使用其他类型的激光器或其他类型的光源。焊接装置1还包括：照相机16，设置为当用被扫描的光束照射所述接缝时，记录所述接缝的图像。在下文中将这种图像称为线图像。所述焊接装置还包括：计算机11形式的处理组件，用于基于所记录的线图像借助于三角测量测定所述接缝的边缘的位置。三角测量是用于测定焊缝的边缘的位置的公知方法，因此，这里将不再对三角测量进行详细描述。
焊接装置1还包括：立体图像组件，设置为基本上与记录所述线图像同步地记录接缝的光度立体图像。下面将结合对图2的描述更详细地描述所述立体图像组件。焊接装置1还包括：位置测定组件，用于测定用来进行所述立体图像和三角测量图像记录的位置。所述位置测定组件可包括：角指示器19，连接到摇架20，以便测量管道2、4的旋转。所述立体图像与用来进行该图像记录的位置一起存储在计算机中，而用来进行该图像记录的位置已利用角指示器19进行了记录。焊接装置1基于立体图像和所述接缝的边缘的位置这二者来控制焊头9。
图2更详细地示出了焊接装置和用于记录图像的组件。在图2中还更详细地示出了所述接缝。所述接缝包括：在接缝线8一侧的第一边缘12，以及在接缝线8另一侧的第二边缘13。边缘12、13界定了所述接缝沿接缝线8的延伸。所述立体图像组件包括：第一照明组件14和第二照明组件15；其中，第一照明组件14设置为从接缝线8的一侧照射所述接缝，第二照明组件15设置为从接缝线8的另一侧照射所述接缝。焊接装置1设置为，利用与记录线图像所使用的相同的照相机16，在用第一照明组件14照射所述接缝时还记录第一立体图像，在用第二照明组件15照射所述接缝时还记录第二图像。所述照相机配备有：干扰过滤器18，设置为传输来自所述第一照明组件和第二照明组件的光。干涉过滤器18过滤并非源自照明组件14、15的不需要的光。
第一照明组件14沿着第一理论照明方向21进行照射，第二照明组件15沿着第二理论照明方向22进行照射。第一照明组件14和第二照明组件15的照明方向之间的角度大于90°。
现在，将参照流程图图3以及图1和图2描述根据本发明的焊接装置的功能。在第一步中，用光束照射接缝，即沿接缝线8扫描来自线性照明组件10的激光束。从图3中的第二步可以看出，当用第二被扫描的光束照射所述接缝时，沿着接线8在多个位置处记录所述接缝的线图像。基本上与用被扫描的光束记录线图像同步地，沿着接缝线8在所述多个位置处记录所述接缝的光度立体图像。测定记录立体图像和线图像的位置，并且将所述接缝的边缘的位置与用来进行图像记录的位置一起存储在处理组件中。
如果可能，则基于所记录的线图像借助于三角测量测定所述接缝的边缘的位置。当在先前已经记录了立体图像的位置处记录立体图像时，将所记录的立体图像与先前存储的立体图像就位置相关联，以便获得位移值，所述位移值描述了所述接缝已沿接缝线相对于所述先前存储的立体图像移动了多远。如果不能基于所存储的线图像借助于三角测量来确定所述接缝的边缘的位置，则在先前存储的位置上增加所述位移值。在焊接开始时，当在所述接缝中填充第一焊珠时，容易通过三角测量并基于所述线图像来测定所述接缝的边缘的位置。随着接缝被填充，基于所述线图像测定所述接缝的边缘的位置变得越来越困难。之后，转而使用所述立体图像。在将所记录的立体图像与先前存储的图像进行关联中，使用有关先前的焊珠填充在何处的信息。
焊头相对于照相机的位置是已知的。依靠所述边缘的位置控制所述焊头。从而，在用多粒焊珠焊接焊缝期间，依靠立体图像和所述与接缝的形状有关的数据二者来控制所述焊头。
在不背离仅由所附权利要求限定的本发明精神和范围的情况下，上述实施例可用很多不同的方式进行修改。
当然，可以使用超过两幅的图像来记录所述光度立体图像。
本发明可应用于宽度沿接缝线变化的接缝，和/或片材厚度沿接缝线变化的接缝。

Claims (15)

1.一种用于对接缝进行自动多头焊接的焊接装置(1)，所述接缝由两个接缝表面(23、24)形成，所述接缝沿着接缝线(8)延伸并且包括在所述接缝线(8)一侧的第一边缘(12)以及在所述接缝线(8)另一侧的第二边缘(13)，所述边缘(12、13)界定了所述接缝沿所述接缝线(8)的延伸，所述焊接装置(1)包括：
焊头(9)，所述焊头(9)用于在所述接缝中填充焊珠；
线性照明组件(10)，所述线性照明组件(10)设置为通过沿所述接缝线(8)扫描光束来照射所述接缝；
至少一个照相机(16)，所述至少一个照相机(16)设置为当用所述被扫描的光束照射所述接缝时记录所述接缝的线图像；和
处理组件(11)，所述处理组件(11)用于基于所记录的线图像借助于三角测量来至少测定所述接缝的边缘(12、13)的位置，其特征在于，所述焊接装置(1)包括立体图像组件，该立体图像组件设置为与记录所述线图像基本上同步地记录所述接缝的光度立体图像，其中，所述焊接装置(1)设置为，在利用多粒焊珠焊接焊缝期间，根据立体图像和线图像二者来控制所述焊头(9)。
2.根据权利要求1所述的焊接装置(1)，其中所述立体图像组件包括第一照明组件(14)以及第二照明组件(15)，其中，所述第一照明组件(14)设置为从所述接缝线(8)的一侧照射所述接缝，而所述第二照明组件(15)设置为从所述接缝线(8)的另一侧照射所述接缝，其中，所述焊接装置(1)设置为利用所述至少一个照相机(16)在用所述第一照明组件(14)照射所述接缝时记录第一立体图像而在用所述第二照明组件(15)照射所述接缝时记录第二图像。
3.根据权利要求2所述的焊接装置，其中所述第一照明组件(14)和所述第二照明组件(15)基本上各自沿一个照明方向(21、22)照射，其中，所述第一照明组件(14)和所述第一照明组件(15)的照明方向(21、22)之间的角度大于90°。
4.根据权利要求1或2所述的焊接装置(1)，其中所述设置为记录立体图像的照相机(16)还设置为用于记录线图像。
5.根据前述任一项权利要求所述的焊接装置(1)，包括：位置测定组件(19)，用于测定用来进行所述立体图像和所述线图像记录的位置，其中，所述立体图像与用来进行所述记录的位置一起存储在所述处理组件(11)中。
6.根据权利要求5所述的焊接装置(1)，其中所述处理组件(11)设置为，当在先前已记录了立体图像的位置处记录立体图像时，将所记录的立体图像与先前存储的立体图像就位置进行关联以获得位移值，所述位移值描述所述接缝已沿所述接缝线(8)相对于所述先前存储的立体图像移动了多远。
7.根据权利要求6所述的焊接装置(1)，其中所述处理组件(11)设置为，当在一先前已记录了线图像的位置处记录一线图像时，如果能够从所记录的线图像测定位置，则用所测定的位置来替换先前存储的所述接缝的边缘(12、13)的位置，否则在先前存储的所述接缝的边缘(12、13)的位置上增加所述位移值。
8.根据权利要求6或7所述的焊接装置(1)，其中所述处理组件(11)设置为，在将所记录的立体图像与先前存储的立体图像进行关联中，使用与先前的焊珠所填充处有关的信息。
9.根据前述任一项权利要求所述的焊接装置(1)，其中所述线性照明组件(10)包括激光器。
10.根据前述任一项权利要求所述的焊接装置(1)，其中所述至少一个照相机(16)配备有干扰过滤器(18)，所述干扰过滤器(18)设置为传输来自所述第一照明组件(14)和所述第二照明组件(15)的光。
11.一种用于控制对接缝进行多头焊接的方法，所述接缝由两个接缝表面(23、24)形成，所述接缝沿着接缝线(8)延伸并且包括在所述接缝线(8)一侧的第一边缘(12)以及在所述接缝线(8)另一侧的第二边缘(13)，所述边缘(12、13)界定了所述接缝沿所述接缝线(8)的延伸，所述方法包括步骤：
通过沿所述接缝线(8)扫描光束来利用所述光束照射所述接缝；
当用所述被扫描的光束照射时，沿着所述接缝线在多个位置处记录所述接缝的线图像；和
基于所记录的线图像借助于三角测量至少测定所述接缝的边缘(12、13)的位置，其特征在于，所述方法还包括步骤：
与利用所述被扫描的光束记录所述线图像基本上同步地沿所述接缝线(8)在所述多个位置处记录所述接缝的光度立体图像；
在利用多粒焊珠焊接焊缝期间，根据立体图像和与所述接缝的形状有关的所述数据二者来控制所述焊头(9)。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：
测定用来进行所述立体图像和所述线图像记录的位置；
将所述立体图像和所述接缝的边缘(12、13)的位置，与用来进行所述记录的位置一起存储在处理组件中。
13.根据权利要求12所述的方法，包括步骤：
当在先前已记录了立体图像的位置处记录立体图像时，将所记录的立体图像与先前存储的立体图像就位置进行关联以获得位移值，所述位移值描述所述接缝已沿所述接缝线(8)相对于所述先前存储的立体图像移动了多远。
14.根据权利要求13所述的方法，包括步骤：
当在一先前已记录了线图像的位置处记录一线图像时，如果能够从所记录的线图像测定位置，则用所测定的位置来替换先前存储的所述接缝的边缘(12、13)的位置，否则在先前存储的位置上增加所述位移值。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中在将所记录的立体图像与先前存储的立体图像进行关联中，使用与先前的焊珠所填充处有关的信息。
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