CN109262114B - 一种用于锅炉管管焊的自定位焊缝跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锅炉管管焊的自定位焊缝跟踪装置，该装置由摄像机、电弧传感器、转台、定位力觉传感器和焊接点位置补偿机构组成。其中定位力觉传感器的圆板和导杆上都开设了通光孔，当陶瓷压片受压推动导杆使圆板上的通光孔和导杆上的通光孔连通形成光路时，光电晶体管（作为受光元件）就能接受到发光二极管（作为发光源）的光信息，从而感知定位杆的偏向，通过矫正偏差完成初次定位。对于定位后的小偏差和由于对流管的尺寸和安装造成的偏差通过焊接点补偿机构形成摆动电弧扫描焊缝，根据扫描得到的上下偏差信息可判断出焊接点位置，再通过十字滑台调整焊接点位置，使电弧摆动中心始终为焊缝中心，从而精确定位焊接点位置实现焊缝跟踪。

Description

一种用于锅炉管管焊的自定位焊缝跟踪装置

技术领域

本发明涉及一种用于锅炉管管焊的自定位焊缝跟踪装置。

背景技术

锅炉长期运行在高温高压的环境下，所以焊接就成为了锅炉制造的一道关键工序，焊接质量直接影响到锅炉的性能。近些年来，随着锅炉参数和容量的不断提升，锅炉制造技术的发展与锅炉焊接技术的发展更是密不可分，只有不断提高焊接技术实现锅炉的焊接自动化才能使锅炉的制造技术得到更有效的发展，才能降低锅炉的制造成本。目前，锅炉的焊接还停留在手工焊或半自动化阶段，其主要是因为锅筒直径较小，对流管、换热管等管道很多，在现今的工装条件下，管道的装配精度还不够高，难以对所有对流管、换热管进行统一高精度安装，同时还因为对流管较为密集地分布到锅筒圆柱面上，采用视觉传感器(包括被动视觉传感器和结构光传感器)会由于对流管分布密集而造成视觉干扰，对流管和锅筒之间的焊缝呈现为空间曲线焊缝，加上管道在锅筒上安装精度不一，所以在自动化焊接中难以定位对流管和实现管管焊的自动化焊缝跟踪。现今管板焊可以实现全自动化焊接，但是管板焊的焊缝呈现为平面环角焊缝，如果采用管板焊的方法来应用在管管焊中，由于管管焊缝为空间环角焊缝，这样势必会造成虚焊，影响焊接质量。锅炉是一个庞大的并且运行在高温高压的环境下，筒体空间窄小，需要工人长期弯曲身体进行高注意力焊接作业。锅筒内温度较高，焊接废气难以排出，长期工作在这样的环境下会大大加深工人的工作疲劳甚至影响其身体健康。所以急需要能满足锅炉焊接要求和更具有灵活性的焊接设备来提高锅炉的焊接质量和降低工人工作强度。

对于上述问题，本发明提出了一种用于锅炉管管焊的自定位焊缝跟踪装置，用于锅炉对流管的自动定位和焊缝跟踪。该装置有以下优点：1)不像视觉传感器因对流管分布密集造成视觉干扰，难以实现焊缝跟踪，该装置采用电弧本身为传感器，在对流管分布密集的情况下也能稳定可靠地实现焊缝跟踪；2)该装置对焊接点的定位是采用逐步修正的方式，通过定位力觉传感器初次定位使焊接点落在焊缝附近，再由焊接点位置补偿机构实现焊接点精确定位时能有效地减小十字滑台的行程和体积，从而使焊接机构具有更高的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种用于锅炉管管焊的自定位焊缝跟踪装置。在现今锅炉管管自动化焊接中，由于管道的装配精度还不够高，对流管密集地分布在锅筒圆柱面上，对流管和锅筒之间的焊缝呈现为空间曲线焊缝，加上管道在锅筒上安装精度不一，所以在自动化焊接中难以对对流管实行自动化定位和实现管管焊的自动化焊缝跟踪。同时为了克服像视觉传感器在对流管分布密集时因造成视觉干扰而难以实现焊缝跟踪，同时减小焊缝跟踪机构的体积增加其在狭窄空间的焊接灵活性，本发明提供了一种用于锅炉管管焊的自定位焊缝跟踪装置。通过摄像头获取对流管的横截面图像信息，图像处理得到对流管轮廓边界，进而得到对流管横截面的中心点，焊接机器人以较快的速度移动到对流管管口，焊接机器人上装有定位力觉传感器的定位杆移动到管口使陶瓷压片与管口接触受压并使光路连通时，当装有定位力觉传感器的定位杆触碰到对流管时，焊臂移动速度减慢开始对定位杆角度绕着对流管截面中心以设定好的小角度进行调整，当导杆上八处光路都打开时，定位杆与对流管轴线重合，焊接机器人机械臂停止移动，完成初始定位，转盘转动开始焊接。对于定位后的小偏差和由于对流管的尺寸和安装偏差通过焊接点补偿机构中的摆动机构形成摆动电弧扫描焊缝，根据扫描得到的上下偏差信息可判断出焊接点位置，再通过十字滑台调节焊接点位置，使电弧摆动中心始终为焊缝中心，从而矫正偏差实现焊缝跟踪。

本发明所述的定位力觉传感器产生的信号电位真值表设定如下：设受光元件接受到光信号为1，没有光信号为0，其真值表为(位置设定参考图4)：

上述所述的定位力觉传感器共有四种工作情况，情况一：当陶瓷压片没有受压时，弹簧处于松弛状态，下圆板的通光小孔和导杆的通光孔没有连通，此时没有形成光路，八个受光元件都没有接受到光(如真值表ABCDEFGH＝00000000的情况)，定位力觉传感器还没有触碰到对流管；情况二：定位杆轴线与对流管轴线不重合成一定角度插入时(如真值表：在ABCDEFGH＝11000001,ABCDEFGH＝11100000,ABCDEFGH＝01110000,ABCDEFGH＝00111000,ABCDEFGH＝00011100,ABCDEFGH＝00001110,ABCDEFGH＝00000111,ABCDEFGH＝10000011中其中一种情况)，八个陶瓷压片中其中相邻的三个受光元件接受到光信息，则定位杆偏向于三个受光元件中中间受光元件的附近方向。情况三：定位杆轴线与对流管轴线不重合成一定角度插入时(如真值表：在ABCDEFGH＝11000000,ABCDEFGH＝01100000,ABCDEFGH＝00110000，ABCDEFGH＝00011000,ABCDEFGH＝00001100,ABCDEFGH＝00000110,ABCDEFGH＝00000011,ABCDEFGH＝10000001中其中一种情况),八个陶瓷压片中其中相邻的两个受光元件接受到光信息，则定位杆偏向于两个受光元件中间附近方向，情况四：定位杆插入时轴线刚好与对流管轴线重合(如真值表：ABCDEFGH＝11111111的情况)，八个陶瓷受压片中八个受光元件都接受到光信息。该定位力觉传感器定位步骤为：

步骤一，摄像机获取对流管图像信息，通过图像处理得到对流管中心，机械臂带动定位杆向对流管方向移动。

步骤二，安装在定位杆上的定位力觉传感器触碰到对流管，使安装在定位力觉传感器上的陶瓷压片受压使光路打开(假设不是八个光路同时打开，八个光路同时打开说明定位完成)光电晶体管接收到光信息时，定位杆停止移动开始对定位杆偏差进行微调。

步骤三，定位杆绕对流管中心向偏差方向以小角度进行微调，直到光路再次关闭(由于不是八个光路同时打开，所以再次进行调整)，然后机械臂带动定位杆继续向对流管方向以小位移递进，直到定位力觉传感器的光路再次打开时停止移动，此时如果八个光路同时打开就说明定位完成，退出微调，否则就再次对定位杆位置进行调整，重复二三步骤，直到光路同时打开，完成初次定位。

上述所述的定位力觉传感器完成初次定位后，由于该定位力觉传感器感知定位杆偏转角的范围有限，定位杆与对流管轴线不一定完成重合，会存在一定的小偏差，同时对流管外形尺寸和安装位置存在着偏差，对流管和锅筒的相交线为空间曲线，所以在整个焊接过程中焊接点位置多变，根据焊接点实际位置的不同，实际扫描的位置有三种情况：一，焊接点在焊缝附近，摆动电弧扫描到焊缝(即上摆扫描到对流管，下摆扫描到锅筒)；二，焊接点沿对流管径向外偏，摆动电弧只扫描到锅筒(即上摆为空，下摆扫描到锅筒)；三，焊接点沿对流管轴线方向上偏，摆动电弧只扫描到对流管(即上摆扫描到对流管，下摆为空)。根据焊接点位置的不同，通过焊接点位置补偿机构对焊接点沿环角焊缝径向前后上下进行位置纠偏，使电弧的摆动中心始终为焊缝的中心。上述所述的焊接点位置补偿机构的纠偏方法为：出现情况一接点在焊缝附近，调节方法为：摆动电弧扫描焊缝，得到焊缝上下偏差信息，根据偏差信息通过十字滑架的调节移动焊枪进行焊接点位置的补偿，使电弧的摆动中心始终为焊缝中心；出现情况二焊接点沿对流管径向外偏，其调节方法为：通过十字滑架机构移动焊枪向对流管径向方向移动，直到有位置偏差的变化(即摆动电弧扫描到焊缝)，然后再根据上述情况一的调节方法移动焊枪使电弧的摆动中心始终为焊缝中心；出现情况三焊接点沿对流管轴线方向上偏，其调节方法为：通过十字滑架机构移动焊枪向对流管轴向方向下移，直到有位置偏差的变化(即摆动电弧扫描到焊缝)，然后在根据情况一的调节方法移动焊枪使电弧的摆动中心始终为焊缝中心。

附图说明

图1是本发明的工作示意图。

图2为定位力觉传感器结构图。

图3为焊接点位置补偿机构结构图。

图4为定位力觉传感器四种工作情况中的情况一示意图(以A端为例)。

图5为定位力觉传感器四种工作情况中的情况三示意图(以AB端为例)。

图6为定位力觉传感器四种工作情况中的情况二示意图(以ABC端为例)。

图7为实际扫描的位置三种情况中的情况一示意图。

图8为实际扫描的位置三种情况中的情况二示意图。

图9为实际扫描的位置三种情况中的情况三示意图。

图10为装置的工作流程框图。

图1中：1-转台、2-转接板、3-焊枪、4-焊接点位置补偿机构、5-定位杆、6-定位传感器、7-锅筒、8-对流管。

图2中：9-陶瓷压片、10-支架、11-铰链、12-上盖、13-光电晶体管、14-圆板、15-弹簧、16-连杆、17-发光二极管。

图3中：2-转接板、3-焊枪、18-摆动机构、19-十字滑台。

图4中：14-弹簧、20-连杆光孔、21-圆板光孔。

具体实施方式

为了更好的表达整个发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施案例对本发明做进一步详细说明。但是，本发明的实施方式不限于此。

本发明公开了一种用于锅炉管管焊的自定位焊缝跟踪装置，该装置所述的定位力觉传感器结构包括：9-陶瓷压片、10-支架、11-铰链、12-上盖、13-光电晶体管、14-圆板、15-弹簧、16-连杆、17-发光二极管；该定位力觉传感器调节具体步骤为：

步骤一，摄像机获取对流管8图像信息，通过图像处理得到对流管8中心，机械臂带动定位杆5向对流管8方向移动。

步骤二，安装在定位杆5的定位力觉传感器触碰到对流管8，使安装在定位力觉传感6上的陶瓷压片9受压使光路打开(假设不是八个光路同时打开，八个光路同时打开说明定位完成)光电晶体管13接收到光信息时，定位杆5停止移动开始对偏差进行微调。

步骤三，定位杆5绕对流管8中心向偏差方向以小角度进行微调，直到光路再次关闭(由于不是八个光路同时打开，所以再次进行调整)，然后机械臂带动定位杆5继续向对流管8方向以小位移递进，直到定位力觉传感器6的光路再次打开时停止移动，此时如果八个光路同时打开就说明定位完成，退出微调，否则就再次对定位杆5位置进行调整，重复二三步骤，直到光路同时打开，完成初次定位。

本发明公开了一种用于锅炉管管焊的自定位焊缝跟踪装置，该装置所述的焊接点位置补偿机构包括：2-转接板、3-焊枪、18-摆动机构、19-十字滑台。焊接点位置补偿机构实现焊接点位置补偿的具体步骤如下：

步骤一，上述所述的定位力觉传感器6调节具体步骤对焊接点完成初步定位后，焊枪起弧，摆动机构18带动焊枪3上下小幅度摆动形成摆动电弧，摆动电弧扫描焊缝，电弧传感器把电弧扫描得到的电流变化信息发送给主控，主控根据电流和电弧高度的关系得到焊缝偏差信息，同时判断出是上述情况的那一种(三种情况分别为：情况一焊接点在焊缝附近；情况二焊接点沿对流管径向外偏；情况三焊接点沿对流管轴线方向上偏)。

步骤二：主控根据步骤一判断出的情况驱使十字滑台19进行位置补偿；出现情况一接点在焊缝附近，调节方法为：摆动电弧扫描焊缝，得到焊缝上下偏差信息，根据偏差信息通过十字滑台19的调节移动焊枪进行焊接点位置的补偿，使电弧的摆动中心始终为焊缝中心；出现情况二焊接点沿对流管径向外偏，其调节方法为：通过十字滑台19移动焊枪3向对流管径向方向移动，直到有位置偏差的变化(即摆动电弧扫描到焊缝)，然后再根据上述情况一的调节方法移动焊枪3使电弧的摆动中心始终为焊缝中心；出现情况三焊接点沿对流管8轴线方向上偏，其调节方法为：通过十字滑台移动焊枪3向对流管8轴向方向下移，直到有位置偏差的变化(即摆动电弧扫描到焊缝)，然后在根据情况一的调节方法移动焊枪3使电弧的摆动中心始终为焊缝中心。

Claims (1)

1.一种用于锅炉管管焊的自定位焊缝跟踪装置，该装置包括摄像机、电弧传感器、定位杆、定位力觉传感器和焊接点位置补偿机构；其特征在于，所述的定位力觉传感器包括：陶瓷压片、支架、铰链、上盖、发光二极管、光电晶体管、弹簧、连杆、圆板；所述的陶瓷压片所用的材料为陶瓷材料，其作用是感知受压方向和承受焊接时的焊接热，八块陶瓷压片以45度的角度安装在力觉传感器的支架上，一端通过铰链连接，一端通过插入圆板的连杆与弹簧连接；所述的圆板与支架连接，所述的上盖与圆板连接，所述的定位力觉传感器与定位杆连接；所述的定位力觉传感器的圆板和连杆上都开设了通光孔；当陶瓷压片受压推动连杆使圆板上的通光孔和连杆上的通光孔连通形成光路时，位于上方的安装在上盖和圆板之间的光电晶体管就能接受到位于下方的安装在圆板和支架之间的发光二极管的光信息，从而感知定位杆的偏向，通过纠正偏向，使八个光路同时打开完成初次定位；

其中所述的摄像机在焊接前获取对流管图像信息，通过图像处理得到对流管的平面中心坐标；定位力觉传感器是通过机械臂带动定位杆向获得的对流管平面中心坐标移动，使安装在定位力觉传感器上的陶瓷压片与对流管触碰受压所产生的位置信息进行调节完成初次定位；初次定位后的定位偏差和对流管本身的尺寸和安装偏差通过焊接点位置补偿机构在整个焊接过程中对焊接点位置实时修正；所述的自定位焊缝跟踪装置对焊接点的定位是采用逐步修正的方式，定位力觉传感器先对焊接点进行初步定位，初次定位后使焊接点落在焊缝附近，再通过焊接点位置补偿机构的焊枪形成的摆动电弧扫描焊缝，电弧传感器把电弧扫描得到的电流变化信息发送给主控，主控根据电流和电弧高度的关系得到焊缝偏差信息，根据偏差信息判断出焊接点位置情况后再通过焊接点位置补偿机构的十字滑台的调节移动焊枪实现焊接点沿环角焊缝径向前后上下进行位置补偿，使电弧摆动中心始终为焊缝中心，完成焊接点在整个焊接工程中的精确定位，最终实现焊缝跟踪。

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