CN107150183A - 全自动管子管板焊接装置及用于该装置的检测和焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全自动管子管板焊接装置及用于该装置的检测和焊接方法，所述装置包括：垂直升降机构(1)、垂直翻转机构(2)、CCD进给机构(3)、焊接机头进给机构(4)、水平回转机构(5)、水平横移机构(6)、CCD视觉成像系统(7)、CCD光源(8)、焊接机头(9)、激光测距传感器(10)。本发明可精确获得待检测管板面上管孔中心坐标，通过所获得的坐标数据可对管子管板进行精确的全自动焊接。

Description

全自动管子管板焊接装置及用于该装置的检测和焊接方法
技术领域
本发明属于压力容器制造技术领域，具体地，本发明涉及一种全自动管子管板焊接装置，以及用于全自动管子管板焊接装置的管孔中心坐标检测方法和焊接方法。
背景技术
在石油、化工、电站等行业中广泛使用各种换热器(换热器是在不同温度的流体间传递热能的装置)，换热器在这些行业中占有十分重要的地位。随着工业的迅速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界性问题。大力发展节能技术，已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，表现在两方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，可以减少能源的消耗；另一方面，用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。
在换热器的生产制造过程中，管子与管板焊接是整个换热器制造过程的关键工序。其特点是：1、接头数量大；2、焊接位置苛刻；3、工作环境恶劣。因此，管孔焊接质量的好坏，对换热器运行起到至关重要的作用。目前，我国在换热器的生产制造中，其管子管板的焊接均为单个管孔手动操作，生产效率低，质量不稳定。因此，研究开发出全自动管子管板焊接装备，实现整台换热器上千个管孔全自动焊接技术，已势在必行，有利于提高我国换热器生产制造自动化、智能化水平，提高制造质量及生产效率，提升我国生产企业国际市场竞争力。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种全自动管子管板焊接装置，使用该装置，可精确获得待检测管板面上管孔中心坐标，通过所获得的坐标数据可对管子管板进行精确的全自动焊接。
为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种全自动管子管板焊接装置，所述装置包括：垂直升降机构1、垂直翻转机构2、CCD进给机构3、焊接机头进给机构4、水平回转机构5、水平横移机构6、CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10；
所述水平横移机构6上面设置水平回转机构5，水平回转机构5上面设置垂直升降机构1，垂直升降机构1侧面设置垂直翻转机构2，垂直翻转机构2前面集成CCD进给机构3、焊接机头进给机构4、CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10；
所述垂直升降机构1用于CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10的垂直升降；
所述垂直翻转机构2用于CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10的垂直翻转；
所述水平回转机构5用于CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10的水平回转；
所述水平横移机构6用于CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10的水平横移；
所述CCD进给机构3用于CCD视觉成像系统7、CCD光源8和激光测距传感器10的前进和后退；
所述焊接机头进给机构4用于焊接机头9的前进和后退；
垂直升降机构1、CCD进给机构3、焊接机头进给机构4、水平横移机构6均由交流伺服驱动高精度滚珠丝杠在直线导轨上完成横移运动，垂直升降机构1所承载的CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10所在的高度位置信息，CCD进给机构3所承载的CCD视觉成像系统7的进给位置信息，焊接机头进给机构4所承载的焊接机头9进给位置信息以及水平横移机构6所承载的CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10水平位置信息均可以被记录下来；
垂直翻转机构2、水平回转机构5由交流伺服驱动高精度齿轮在轴承上完成旋转运动，垂直翻转机构2所承载的CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10的垂直翻转角度以及水平回转机构5所承载的CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10的水平回转角度信息均可以被记录下来。
本发明的另一个目的在于，还提供了一种用于全自动管子管板焊接装置的管孔中心坐标检测方法，所述检测方法包括如下步骤：
1)将待测工件(11)摆放至焊接装置前方，待测工件(11)的管板面与焊接装置所处水平面和垂直面的水平偏角为a和垂直偏角为b，管排的连线与在该板面上且与地面平行的线的夹角即管排倾角为c；
2)用垂直升降机构(1)和水平横移机构(6)带动激光测距传感器(10)上下左右移动，检测管板面上不在同一直线上的三个点分别到传感器的距离，确定待测工件(11)的管板面上三个点的坐标；
3)利用所得的三点坐标，求得待测管板面的平面方程：
假设三点坐标已经得到A(x1,y1,z1)B(x2,y2,z2)C(x3,y3,z3)，则该平面的法向量方程为：
其中，
a＝(y2-y1)*(z3-z1)-(z2-z1)*(y3-y1)；
b＝(z2-z1)*(x3-x1)-(x2-x1)*(z3-z1)；
c＝(x2-x1)*(y3-y1)-(x3-x1)*(y2-y1)；
通过计算得到管板面与检测系统所处水平面和垂直面所成水平偏角a和垂直偏角b，利用垂直翻转机构(2)和水平回转机构(5)带动CCD视觉成像系统(7)旋转水平偏角a和垂直偏角b，使CCD视觉成像系统(7)与管板面垂直，为后续管孔中心坐标的测量做好准备，此时焊接机头(9)同样也与管板面垂直，为后续管板的焊接同样做好了准备；
4)CCD视觉成像系统(7)与待测工件(11)垂直后，校正管板面上管孔的倾斜度即管排倾角c，利用CCD视觉成像系统(7)检测任意一排其中的两个管孔中心坐标，即可得到整个管板面管孔中心坐标理论排布方式即管孔中心坐标理论值；
5)通过得到的管孔中心坐标理论值，利用垂直升降机构(1)、水平横移机构(6)以及CCD进给机构(3)带着CCD视觉成像系统(7)进行垂直运动、水平运动以及进给运动，逐行扫描从而得到理论值与实际管孔坐标的偏差值，计算管孔中心坐标理论值与偏差值之和得到实际管孔中心坐标值。
本发明步骤3)的平面方程的确定中，坐标的原点不限，只要确定了管板面上的三个坐标点，即可确定平面方程，因为本发明关注的是相对位置，比如水平起始坐标是100，那么横移100之后得到的水平坐标是200，起始水平坐标是1000，水平横移100之后是1100，本发明用末点坐标减去起始点坐标得到的始终是100。最后的方程都是做差得到的。
本发明步骤5)中，逐行扫描从而得到理论值与实际管孔坐标的偏差指的是：按照预先知道的理论值(理论值是完全平面的二维的值)，根据实际的角度偏差计算得到新的行走的理论值，然后去拍照扫描得到偏差值，因为如果没有偏差，每次按照理论值行走的话，那么得到的偏差均为0，如果不是0，那么就有偏差，记录此偏差，待焊接机头行走到该位置时，用理论值加上偏差值，即为实际焊接机头需要行走的值，这样保证焊接机头能准确焊接该孔。
本发明还提供了一种基于上述管孔中心坐标检测方法的全自动焊接方法，所述焊接方法包括如下步骤：
根据所得到的实际管孔中心坐标值，利用垂直升降机构1、水平横移机构6以及焊接机头进给机构4带着焊接机头9进行垂直运动、水平运动以及进给运动，全自动完成管板焊接工序。
本发明的焊接方法可全自动完成对管板的胀接、焊接或焊后检测工作。
本发明提供的一种用于全自动管子管板焊接上的管孔中心坐标检测方法主要应用于石化、电力等行业中换热器制造工序中的一部分，隶属于压力容器制造领域。本发明的检测方法适用于获取管板表面管孔中心坐标为管子管板的全自动焊接工作提供精确数据。
附图说明
图1为本发明全自动管板焊接装置的结构主视图；
图2为本发明全自动管板焊接装置的结构俯视图；
图3为待检测工件端面及管孔分布图；
图4为管孔CAD理论分布位置图；
图5为管板面检测点及夹角示意图；
图6为管板面管排倾斜度；
附图标记：1、垂直升降机构；2、垂直翻转机构；3、CCD进给机构；4、焊接机头进给机构；5、水平回转机构；6、水平横移机构；7、CCD视觉成像系统；8、CCD光源；9、焊接机头；10、激光测距传感器；11、待测工件；11-1、管板面；11-2、焊缝；11-3、管子。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种全自动管子管板焊接装置，所述装置包括：垂直升降机构1、垂直翻转机构2、CCD进给机构3、焊接机头进给机构4、水平回转机构5、水平横移机构6、CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10；
所述水平横移机构6上面设置水平回转机构5，水平回转机构5上面设置垂直升降机构1，垂直升降机构1侧面设置垂直翻转机构2，垂直翻转机构2前面集成CCD进给机构3、焊接机头进给机构4、CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10；
垂直升降机构1用于CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10的垂直升降；
垂直翻转机构2用于CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10的垂直翻转；
水平回转机构5用于CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10的水平回转；
水平横移机构6用于CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10的水平横移；
CCD进给机构3用于CCD视觉成像系统7、CCD光源8和激光测距传感器10的前进和后退；
焊接机头进给机构4用于焊接机头9的前进和后退；
垂直升降机构1、CCD进给机构3、焊接机头进给机构4、水平横移机构6均由交流伺服驱动高精度滚珠丝杠在直线导轨上完成横移运动，所以垂直升降机构1所承载的CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10所在的高度位置信息，CCD进给机构3所承载的CCD视觉成像系统7的进给位置信息，焊接机头进给机构4所承载的焊接机头9进给位置信息以及水平横移机构6所承载的CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10水平位置信息均可以被记录下来；
垂直翻转机构2、水平回转机构5由交流伺服驱动高精度齿轮在轴承上完成旋转运动，所以垂直翻转机构2所承载的CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10的垂直翻转角度以及水平回转机构5所承载的CCD视觉成像系统7、CCD光源8、焊接机头9、激光测距传感器10的水平回转角度信息均可以被记录下来。
实施例2
如图1、图2、图3、图4所示，一种用于全自动管子管板焊接装置的管孔中心坐标检测方法，所述检测方法包括如下步骤：
1)将待测工件11摆放至检测系统前方，待测工件11的管板面与检测系统所处水平面和垂直面的水平偏角为a和垂直偏角为b(如图5所示)，管排倾角(如图6所示，该角度为管排的连线与在该板面上且与地面平行的线的夹角)为c；
2)用垂直升降机构1和水平横移机构6带动激光测距传感器10上下左右移动，检测管板面上不在同一直线上的三个点分别到传感器的距离，确定待测工件11的管板面上三个点的坐标(点到传感器之间的距离是Z坐标，垂直升降机构与水平横移机构提供的Y,X两个坐标点，共同构成一个点的三个X,Y,Z坐标值)；
3)利用所得的三点坐标，求得待测管板面的平面方程：
假设三点坐标已经得到A(x1,y1,z1)B(x2,y2,z2)C(x3,y3,z3)，则该平面的法向量方程为：
其中，
a＝(y2-y1)*(z3-z1)-(z2-z1)*(y3-y1)；
b＝(z2-z1)*(x3-x1)-(x2-x1)*(z3-z1)；
c＝(x2-x1)*(y3-y1)-(x3-x1)*(y2-y1)；
通过计算得到管板面与检测系统所处水平面和垂直面所成水平偏角a和垂直偏角b，利用垂直翻转机构2和水平回转机构5带动CCD视觉成像系统7旋转水平偏角a和垂直偏角b，使CCD视觉成像系统7与管板面垂直，为后续管孔中心坐标的测量做好准备，此时焊接机头9同样也与管板面垂直，为后续管板的焊接同样做好了准备；
4)CCD视觉成像系统7与待测工件11垂直后，校正管板面上管孔的倾斜度即管排倾角c，利用CCD视觉成像系统7检测任意一排其中的两个管孔中心坐标，即可得到整个管板面管孔中心坐标理论排布方式；
5)通过得到的管孔中心坐标理论值，利用垂直升降机构1、水平横移机构6以及CCD进给机构3带着CCD视觉成像系统7进行垂直运动、水平运动以及进给运动，逐行扫描从而得到理论值与实际管孔坐标的偏差，从而计算得到实际管孔中心坐标值。
本发明步骤3)的平面方程的确定中，坐标的原点不限，只要确定了管板面上的三个坐标点，即可确定平面方程，因为本发明关注的是相对位置，比如水平起始坐标是100，那么横移100之后得到的水平坐标是200，起始水平坐标是1000，水平横移100之后是1100，本发明用末点坐标减去起始点坐标得到的始终是100。最后的方程都是做差得到的。
本发明步骤5)中，逐行扫描从而得到理论值与实际管孔坐标的偏差指的是：按照预先知道的理论值(理论值是完全平面的二维的值)，根据实际的角度偏差计算得到新的行走的理论值，然后去拍照扫描得到偏差值，因为如果没有偏差，每次按照理论值行走的话，那么得到的偏差均为0，如果不是0，那么就有偏差，记录此偏差，待焊接机头行走到该位置时，用理论值加上偏差值，即为实际焊接机头需要行走的值，这样保证焊接机头能准确焊接该孔。
实施例3
一种基于上述管孔中心坐标检测方法的全自动焊接方法，所述焊接方法包括如下步骤：
根据所得到的实际管孔中心坐标值，利用垂直升降机构1、水平横移机构6以及焊接机头进给机构4带着焊接机头9进行垂直运动、水平运动以及进给运动，全自动完成管板焊接工序，即将管子11-3焊接在管板面11-1上，管板面11-1与管子11-3之间为焊缝11-2(如图1所示)。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种全自动管子管板焊接装置，其特征在于，所述装置包括：垂直升降机构(1)、垂直翻转机构(2)、CCD进给机构(3)、焊接机头进给机构(4)、水平回转机构(5)、水平横移机构(6)、CCD视觉成像系统(7)、CCD光源(8)、焊接机头(9)、激光测距传感器(10)；
所述水平横移机构(6)上面设置水平回转机构(5)，水平回转机构(5)上面设置垂直升降机构(1)，垂直升降机构(1)侧面设置垂直翻转机构(2)，垂直翻转机构(2)前面集成CCD进给机构(3)、焊接机头进给机构(4)、CCD视觉成像系统(7)、CCD光源(8)、焊接机头(9)、激光测距传感器(10)；
所述垂直升降机构(1)，用于CCD视觉成像系统(7)、CCD光源(8)、焊接机头(9)、激光测距传感器(10)的垂直升降；
所述垂直翻转机构(2)，用于CCD视觉成像系统(7)、CCD光源(8)、焊接机头(9)、激光测距传感器(10)的垂直翻转；
所述水平回转机构(5)，用于CCD视觉成像系统(7)、CCD光源(8)、焊接机头(9)、激光测距传感器(10)的水平回转；
所述水平横移机构(6)，用于CCD视觉成像系统(7)、CCD光源(8)、焊接机头(9)、激光测距传感器(10)的水平横移；
所述CCD进给机构(3)，用于CCD视觉成像系统(7)、CCD光源(8)和激光测距传感器(10)的前进和后退；
所述焊接机头进给机构(4)，用于焊接机头(9)的前进和后退；
所述的垂直升降机构(1)、CCD进给机构(3)、焊接机头进给机构(4)、水平横移机构(6)均由交流伺服驱动高精度滚珠丝杠在直线导轨上完成横移运动，垂直升降机构(1)所承载的CCD视觉成像系统(7)、CCD光源(8)、焊接机头(9)、激光测距传感器(10)所在的高度位置信息，CCD进给机构(3)所承载的CCD视觉成像系统(7)的进给位置信息，焊接机头进给机构(4)所承载的焊接机头(9)进给位置信息以及水平横移机构(6)所承载的CCD视觉成像系统(7)、CCD光源(8)、焊接机头(9)、激光测距传感器(10)水平位置信息均可以被记录下来；
垂直翻转机构(2)、水平回转机构(5)由交流伺服驱动高精度齿轮在轴承上完成旋转运动，垂直翻转机构(2)所承载的CCD视觉成像系统(7)、CCD光源(8)、焊接机头(9)、激光测距传感器(10)的垂直翻转角度以及水平回转机构(5)所承载的CCD视觉成像系统(7)、CCD光源(8)、焊接机头(9)、激光测距传感器(10)的水平回转角度信息均可以被记录下来。
2.一种用于全自动管子管板焊接装置的管孔中心坐标检测方法，所述检测方法包括如下步骤：
1)将待测工件(11)摆放至焊接装置前方，待测工件(11)的管板面与焊接装置所处水平面和垂直面的水平偏角为a和垂直偏角为b，管排的连线与在该板面上且与地面平行的线的夹角即管排倾角为c；
2)用垂直升降机构(1)和水平横移机构(6)带动激光测距传感器(10)上下左右移动，检测管板面上不在同一直线上的三个点分别到传感器的距离，确定待测工件(11)的管板面上三个点的坐标；
3)利用所得的三点坐标，求得待测管板面的平面方程：
假设三点坐标已经得到A(x1,y1,z1)B(x2,y2,z2)C(x3,y3,z3)，则该平面的法向量方程为：
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其中，
a＝(y2-y1)*(z3-z1)-(z2-z1)*(y3-y1)；
b＝(z2-z1)*(x3-x1)-(x2-x1)*(z3-z1)；
c＝(x2-x1)*(y3-y1)-(x3-x1)*(y2-y1)；
通过计算得到管板面与检测系统所处水平面和垂直面所成水平偏角a和垂直偏角b，利用垂直翻转机构(2)和水平回转机构(5)带动CCD视觉成像系统(7)旋转水平偏角a和垂直偏角b，使CCD视觉成像系统(7)与管板面垂直，为后续管孔中心坐标的测量做好准备，此时焊接机头(9)同样也与管板面垂直，为后续管板的焊接同样做好了准备；
4)CCD视觉成像系统(7)与待测工件(11)垂直后，校正管板面上管孔的倾斜度即管排倾角c，利用CCD视觉成像系统(7)检测任意一排其中的两个管孔中心坐标，即可得到整个管板面管孔中心坐标理论排布方式即管孔中心坐标理论值；
5)通过得到的管孔中心坐标理论值，利用垂直升降机构(1)、水平横移机构(6)以及CCD进给机构(3)带着CCD视觉成像系统(7)进行垂直运动、水平运动以及进给运动，逐行扫描从而得到理论值与实际管孔坐标的偏差值，计算管孔中心坐标理论值与偏差值之和得到实际管孔中心坐标值。
3.基于权利要求2所述管孔中心坐标检测方法的全自动焊接方法，所述焊接方法包括如下步骤：
根据所得到的实际管孔中心坐标值，利用垂直升降机构(1)、水平横移机构(6)以及焊接机头进给机构(4)带着焊接机头(9)进行垂直运动、水平运动以及进给运动，全自动完成管板焊接工序。
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