CN107414248A - 面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统及方法，其系统包括运动控制器、图像处理器、焊缝跟踪模块、滑轨、多个变位机和设置在滑轨上的多个位置传感器，待焊弯管夹装在变位机上，滑台、滑轨及多个位置传感器用于实现焊接机器人与待焊弯管所在变位机位置的匹配；焊缝跟踪模块捕获待焊弯管的焊接位置、焊接过程中待焊弯管姿态以及焊缝所发生的变化量，并经图像处理器处理后传送给运动控制器，由运动控制器控制焊接机器人运动轨迹和摆弧器的工艺参数，使焊枪以恰当的焊接工艺参数沿着变位机上的待焊弯管的焊缝施焊。本发明实现了变位机及移动焊接机器人协同控制，焊枪位置能实时精确对准弯管焊接位置，焊接效率高，品质容易保证。

Description

面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统及方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统及方法。

背景技术

在船舶、核电等管道制造过程中，将不同形状的管件(如直管、弯管)以不同的姿态进行拼装，得到结构复杂的管道，用于能源、气体等的输送。弯管在制造过程中，存在小批量、多品种、尺寸形貌各异等特征。

目前较多的厂家采用了手工焊接的方式，其焊接效率较低，焊接质量均一性较低，人工成本较高。为了加快焊接效率，降低工人劳动强度，一些大型的船舶、核电等制造企业采用了变位机及人工相结合的方式，该焊接方式为半自动化焊接，焊接质量对工人技能的依赖性较高，焊接过程中的辐射、烟尘等严重影响着工人的身心健康。

为了进一步降低大中型弯管焊接过程中焊接环境对工人的伤害，提高焊接效率，提升焊接品质及均一性，国内外一些科研机构、高校相序研发了摆臂式焊接机器人及变位机相结合的焊接系统，该类系统在标准化的直管焊接中得到了一定的应用。在型号各异的弯管焊接过程中，一方面，每个变位机只能适应一个系列的弯管的焊接，因此每个变位机的利用率不高，若每个变位机都配备相应的摆臂式机器人系统，则成本较高，投入产出比较低；另一方面，现有的基于离线编程的摆臂式机器人与变位机相结合的焊接系统，在焊接过程中需要针对不同管件的形貌编制相应的代码并进行预演，编程人员工作量较大且焊接效率依然不高；再者，该类基于离线编程的方式，难以考虑焊接过程中热输入造成的待焊焊缝空间位姿改变、焊丝弯曲、磁偏吹等因素引起的焊枪相对待焊焊缝相对位姿的偏离，造成焊接品质难以保障，特别是一些大直径、薄壁的弯管焊接。因此，基于离线编程的摆臂机器人与变位机相结合的焊接系统在弯管的实际焊接过程中难以应用。因此，结合船舶中大型弯管环焊缝的智能化焊接的需求，研发一套柔性、低成本的中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统具有重要的应用价值。

发明内容

为解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统及方法，实现了变位机及移动焊接机器人协同控制，焊枪位置能实时精确对准弯管焊接位置，焊接效率高，品质容易保证。

本发明面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统，包括运动控制器、图像处理器、焊缝跟踪模块、滑轨、多个变位机和设置在滑轨上的多个位置传感器，滑轨上设有可沿滑轨运动的滑台，滑台上固定有焊接机器人，焊接机器人通过摆弧器与焊枪连接，待焊弯管夹装在变位机上；滑台、滑轨及多个位置传感器用于实现焊接机器人与待焊弯管所在变位机位置的匹配；焊缝跟踪模块捕获待焊弯管的焊接位置、焊接过程中待焊弯管姿态以及焊缝所发生的变化量，并经图像处理器处理后传送给运动控制器，由运动控制器控制焊接机器人运动轨迹及摆弧器工艺参数(摆动频率、幅度)，使焊枪以恰当的焊接工艺参数沿着变位机上的待焊弯管的焊缝施焊。

优先地，夹装在同一变位机上的待焊弯管是同一类型的。所述待焊弯管为S形、U形或L形。

优先地，所述焊缝跟踪模块包括激光测距传感器和焊缝视觉传感器，焊缝跟踪模块根据激光测距传感器测得的激光测距传感器与待焊弯管的焊接位置的距离，并结合激光测距传感器与焊缝视觉传感器相对固定的空间关系，换算出焊缝视觉传感器与待焊弯管的焊接位置的实际物距，并与理论物距进行对比，进而实现焊缝视觉传感器的物距智能调整，将调整后的物距捕获为待焊弯管的焊接位置。

本发明焊接方法基于上述面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统，包括以下步骤：

A、启动自动化焊接系统，运动控制器控制滑台沿滑轨运动到位置传感器给出的预定位置；

B、焊缝跟踪模块捕获待焊弯管的焊接位置，经图像处理器处理后将待焊弯管上需焊接的位置以及形状信息传送给运动控制器，再由运动控制器规划焊接机器人的运动轨迹及摆弧器的工作参数；

C、启动焊接电源和送丝机构启动，开始焊接；

D、焊缝跟踪模块捕获焊接过程中线结构光投影在弯管待焊装配缝区域的图像，经图像处理器获取焊枪相对弯管焊缝偏离量及焊缝宽度信息，并将其反馈给运动控制器，运动控制器根据焊枪相对弯管焊缝偏离量信息实时规划移动焊接机器人运动轨迹；根据焊缝宽度信息，实施规划摆弧器的工作参数，进而自适应的实现焊接过程中参数的智能调整；

E、一个弯管焊接完成后，由运动控制器控制滑台继续沿滑轨运动到下一个预定位置，重复步骤B-E，直到全部弯管焊接完成。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

1、对变位机进行智能控制，完成基于位移传感器、视觉传感器的移动式焊接机器人自适应控制，实现了变位机及移动焊接机器人协同控制，焊枪位置能实时精确对准弯管焊接位置。

2、由于每个变位机可夹持同一类型的弯管(如S形、U形或L形等)，多个变位机可适应一系列型号的弯管环焊缝焊接，因而本发明可对多类型的弯管环进行焊接，适用范围广泛，还提高了整体作业的工作效率。

附图说明

图1是本发明的系统方框图；

图2是变位机运动执行模块图；

图3是焊接机器人运动执行模块图；

图4是待焊工件表面、激光器及视觉传感器的相对位置关系图；

图5是待焊装配缝的偏离量示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1，本发明自动化焊接系统包括运动控制器、图像处理器、焊缝跟踪模块、滑轨、多个变位机和设置在滑轨上的多个位置传感器，滑轨上设有可沿滑轨运动的滑台，滑台上固定有四自由度机械手(即焊接机器人)，四自由度机械手通过摆弧器与焊枪连接，焊缝跟踪模块捕获线结构光投影在弯管待焊装配缝区域的图像，经图像处理器获取焊枪相对弯管焊缝偏离量及焊缝宽度等信息，并将其传送给运动控制器，由运动控制器根据焊枪相对弯管焊缝偏离量信息实时规划移动焊接机器人运动轨迹；根据焊缝宽度信息，实施规划摆弧器的工作参数，使焊枪以恰当的工艺参数精确对准变位机上的待焊弯管焊接位置。焊缝跟踪模块包括激光测距传感器和焊缝视觉传感器。

本发明在一个变位机上放置同一类型的弯管(如S形、U形或L形等)，即每一个变位机所夹装的弯管是同一类型的，多个变位机可适应一系列型号的弯管环焊缝焊接。如图2，每个变位机上设有变位机运动执行模块，用来夹装待焊工件，使得待焊工件相对移动焊接机器人处于相对合理的空间位姿，得到理想的焊接位置和焊接速度。设变位机局部坐标系为o₁x₁y₁z₁，变位机运动执行模块包括变位机底座20、绕z₁方向旋转机构及驱动装置21、沿z₁方向升降结构及驱动装置22、绕y₁方向旋转机构及驱动装置23、绕x₁方向旋转机构及驱动装置24、夹紧装置及驱动装置25，绕z₁方向旋转机构及驱动装置21、沿z₁方向升降结构及驱动装置22固定在变位机底座20上，绕y₁方向旋转机构及驱动装置23的两端分别与绕z₁方向旋转机构及驱动装置21、绕x₁方向旋转机构及驱动装置24连接，夹紧装置及驱动装置25设置在绕x₁方向旋转机构及驱动装置24的末端。待焊弯管夹装在夹紧装置上。

本发明设置焊接机器人运动执行模块，前述滑台、滑轨及多个位置传感器用于实现焊接机器人与待焊弯管所在变位机位置的匹配，待位置匹配完成后，焊接机器人运动执行模块驱动焊枪沿着待焊装配缝施焊。如图3，设焊接机器人局部坐标系为o₂x₂y₂z₂，焊接机器人运动执行模块包括绕x₂向旋转运动机构及驱动装置36、绕y₂向旋转运动机构及驱动装置35和绕z₂向旋转运动机构及驱动装置34，绕y₂向旋转运动机构及驱动装置35的两端分别与绕x₂向旋转运动机构及驱动装置36、绕z₂向旋转运动机构及驱动装置34连接，绕x₂向旋转运动机构及驱动装置36的末端安装摆弧器及焊枪39、焊缝跟踪模块的激光测距传感器38和焊缝视觉传感器37。焊接机器人随滑台而滑动的滑轨包括x₂向导轨31和y₂向导轨32，多个位置传感器33设置在x₂向导轨31上，滑台沿x₂向导轨31滑动时改变焊接机器人所对应的变位机系统，即改变焊接工位；滑台沿y₂向导轨32滑动时改变焊接机器人相对于所对应的变位机的距离，以调整焊枪与待焊弯管之间的焊接距离至最佳状态。

本发明设置焊缝跟踪模块用于实时检测、跟踪实际焊缝的位置。假设在工位i(即变位机i)处，移动焊接机器人对应的理论工作位置为i₀，则位置传感器的作用就是实现在工位i处，变位机与移动焊接机器人工位的粗略匹配。激光测距传感器通过激光测距的手段，实现激光测距传感器与待焊工件待焊处距离的测距，结合激光测距传感器与焊缝视觉传感器相对固定的空间关系，换算出焊缝视觉传感器与待焊工件的实际物距，并与理论物距进行对比，进而实现视觉传感器的物距智能调整。

由图4可知，以待焊弯管环焊缝的焊接所在面40的切面为x₀y₀平面，其法线为z₀方向，环焊缝的切线为x₀方向，变位机的原点为坐标原点o₀，建立工件焊接工作坐标系o₀x₀y₀z₀。依据激光测距传感器与焊缝视觉传感器的相对空间位置关系可知，焊缝视觉传感器在工作坐标系o₀x₀y₀z₀中的实际跟踪高度(视觉系统物距h_v0)为：

假设视觉系统的理论物距为h_v，则焊缝跟踪高度偏离量Δh₀为：

视觉传感器通过获取线结构光在待焊工件表面的图像，结合视觉系统标定参数ζ(mm/pixel)，相机、线激光器、待焊工件、焊枪之间相对空间关系，换算出焊枪的偏离量、焊缝宽度等信息，进而实时的规划焊枪运动轨迹、摆弧器参数(摆动幅度、频率)等信息。

图5中，51为实际待焊装配缝位置，52为理论待焊装配缝位置，53为理论结构光线投影，54为实际结构光线投影。由图5可知，设全局坐标系为XYZ，其原点O为移动焊接机器人沿着x₂向导轨移动的理论起点，变位机位于xy平面上，且在全局坐标系中相对位置固定。视觉系统中线结构光以倾斜角(相机光轴与线激光器光轴之间的夹角为α_z0)投射到待焊工件表面。在移动式焊缝跟踪过程中，若焊缝跟踪模块垂直待焊弯管环焊缝的切面沿着理论待焊装配缝轨迹施焊时，理论焊缝跟踪高度为h_v(即理论视觉跟踪系统物距)，激光线在待焊装配缝轨迹处调制的拐点A₀、B₀、M₀、N₀分布位于视场中心，其在图像坐标系统中的定位坐标分别为(u_A，v_A)、(u_B，v_B)、(u_M，v_M)、(u_N，v_N)、(u_A0，v_A0)、(u_B0，v_B0)、(u_M0，v_M0)、(u_N0，v_N0)。

本实施例焊接跟踪模块的视觉传感器采用相机捕获图像信息，用于获取结构光投影线。由于焊缝跟踪模块与待焊环缝所在切面垂直，故可假设在t时刻，相机坐标系中的点(u_t，v_t)在工作坐标系o₀x₁y₁z₁的关系为：

其中[Δx，Δy，Δz]为t时刻相机坐标系与全局坐标系的平移矩阵，单位为mm，εx、εy为标定系统，单位为mm/pixel。若t+Δt时刻，获取的结构光投影线，此时结构光在待焊装配缝处调制的拐点为A、B、M、N，其在图像坐标系统中的定位坐标分别为(u_A，v_A)、(u_B，v_B)、(u_M，v_M)、(u_N，v_N)，则焊缝跟踪模块相对待焊装配缝在y方向的偏离量为：

本发明自动化焊接系统的工作过程，包括以下步骤：

1.由工人将弯管装到变位机上，并输入各弯管的壁厚和直径信息到相应的变位机。

2.启动焊接系统，运动控制器控制滑台沿x₂方向运动到预定位置，预定位置由位置传感器给出。当龙门架上的位置传感器检测到滑台时，将检测信号传递给运动控制器，运动控制器控制滑台停止。

3.焊接位置由焊缝跟踪模块捕获，经图像处理器处理后将待焊弯管上需焊接的位置以及形状信息传送给运动控制器，再由运动控制器规划焊接机器人的运动轨迹及摆弧器的工作参数。

4.焊接电源和送丝机构启动，开始焊接。

5.由于焊接过程中弯管姿态以及焊缝均会发生变化，这些变化由焊缝跟踪模块捕获。焊缝跟踪模块捕获焊接过程中线结构光投影在弯管待焊装配缝区域的图像，经图像处理器获取焊枪相对弯管焊缝偏离量及焊缝宽度信息，并将其反馈给运动控制器，运动控制器根据焊枪相对弯管焊缝偏离量信息实时规划移动焊接机器人运动轨迹；根据焊缝宽度信息，实施规划摆弧器的工作参数，进而自适应的实现焊接过程中参数的智能调整。

6.一个弯管焊接完成后由运动控制器控制滑台继续沿x₂运动方向运动到下一个预定位置，重复步骤3-6，直到全部焊接完成。

焊接完成后由工人完成卸载任务。整个焊接过程只有两个环节需要工人参与，一个是装载和输入信息过程，另一个是卸载弯管。

如上所述，便可较好地实现本发明。

Claims (10)

1.面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统，其特征在于，包括运动控制器、图像处理器、焊缝跟踪模块、滑轨、多个变位机和设置在滑轨上的多个位置传感器，滑轨上设有可沿滑轨运动的滑台，滑台上固定有焊接机器人，焊接机器人通过摆弧器与焊枪连接，待焊弯管夹装在变位机上；滑台、滑轨及多个位置传感器用于实现焊接机器人与待焊弯管所在变位机位置的匹配；焊缝跟踪模块捕获待焊弯管的焊接位置、焊接过程中待焊弯管姿态以及焊缝所发生的变化量，并经图像处理器处理后传送给运动控制器，由运动控制器控制焊接机器人运动轨迹和摆弧器的工艺参数，使焊枪以恰当的焊接工艺参数沿着变位机上的待焊弯管的焊缝施焊。

2.根据权利要求1所述的面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统，其特征在于，夹装在同一变位机上的待焊弯管是同一类型的。

3.根据权利要求2所述的面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统，其特征在于，所述待焊弯管为S形、U形或L形。

4.根据权利要求1所述的面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统，其特征在于，所述焊缝跟踪模块包括激光测距传感器和焊缝视觉传感器，焊缝跟踪模块根据激光测距传感器测得的激光测距传感器与待焊弯管的焊接位置的距离，并结合激光测距传感器与焊缝视觉传感器相对固定的空间关系，换算出焊缝视觉传感器与待焊弯管的焊接位置的实际物距，并与理论物距进行对比，进而实现焊缝视觉传感器的物距智能调整，将调整后的物距捕获为待焊弯管的焊接位置。

5.根据权利要求4所述的面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统，其特征在于，所述焊缝视觉传感器采用相机捕获图像信息。

6.根据权利要求1所述的面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统，其特征在于，每个变位机上设有用于夹装待焊弯管的变位机运动执行模块；设变位机局部坐标系为o₁x₁y₁z₁，变位机运动执行模块包括变位机底座、绕z₁方向旋转机构及驱动装置、沿z₁方向升降结构及驱动装置、绕y₁方向旋转机构及驱动装置、绕x₁方向旋转机构及驱动装置、夹紧装置及驱动装置，绕z₁方向旋转机构及驱动装置、沿z₁方向升降结构及驱动装置固定在变位机底座上，绕y₁方向旋转机构及驱动装置的两端分别与绕z₁方向旋转机构及驱动装置、绕x₁方向旋转机构及驱动装置连接，夹紧装置及驱动装置设置在绕x₁方向旋转机构及驱动装置的末端。

7.根据权利要求1所述的面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统，其特征在于，所述焊接机器人上设有焊接机器人运动执行模块；设焊接机器人局部坐标系为o₂x₂y₂z₂，焊接机器人运动执行模块包括绕x₂向旋转运动机构及驱动装置、绕y₂向旋转运动机构及驱动装置和绕z₂向旋转运动机构及驱动装置，绕y₂向旋转运动机构及驱动装置的两端分别与绕x₂向旋转运动机构及驱动装置、绕z₂向旋转运动机构及驱动装置连接，绕x₂向旋转运动机构及驱动装置的末端安装摆弧器及焊枪。

8.根据权利要求7所述的面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统，其特征在于，所述滑轨包括x₂向导轨和y₂向导轨，多个位置传感器设置在x₂向导轨上。

9.基于权利要求1所述面向船舶中大型弯管环焊缝的自动化焊接系统的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、启动自动化焊接系统，运动控制器控制滑台沿滑轨运动到位置传感器给出的预定位置；

B、焊缝跟踪模块捕获待焊弯管的焊接位置，经图像处理器处理后将待焊弯管上需焊接的位置以及形状信息传送给运动控制器，再由运动控制器规划焊接机器人的运动轨迹及摆弧器的工作参数；

C、启动焊接电源和送丝机构启动，开始焊接；

D、焊缝跟踪模块捕获焊接过程中线结构光投影在弯管待焊装配缝区域的图像，经图像处理器获取焊枪相对弯管焊缝偏离量及焊缝宽度信息，并将其反馈给运动控制器，运动控制器根据焊枪相对弯管焊缝偏离量信息实时规划移动焊接机器人运动轨迹；根据焊缝宽度信息，实施规划摆弧器的工作参数，进而自适应的实现焊接过程中参数的智能调整；

E、一个弯管焊接完成后，由运动控制器控制滑台继续沿滑轨运动到下一个预定位置，重复步骤B-E，直到全部弯管焊接完成。

10.根据权利要求9所述的焊接方法，其特征在于，夹装在同一变位机上的待焊弯管是同一类型的；所述待焊弯管为S形、U形或L形。