CN110102856A - 一种激光扫描焊缝设备的3d扫描焊缝的方法 - Google Patents

一种激光扫描焊缝设备的3d扫描焊缝的方法 Download PDF

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李文志
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    • B23K9/12—Automatic feeding or moving of electrodes or work for spot or seam welding or cutting
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Abstract

一种激光扫描焊缝设备的3D扫描焊缝的方法，将工件放置到变位机上，调整设定好焊接的起弧位置和收弧位置，选择不同的焊缝路径，包括矩形、圆形和复杂形状，机械手装置移动激光扫描焊缝装置来找寻焊缝上的特征点，计算出其他焊缝的位置，得到完整的焊缝位置。

Description

一种激光扫描焊缝设备的3D扫描焊缝的方法
技术领域
本发明设计焊接领域，具体涉及一种激光扫描焊缝设备的3D扫描焊缝的方法。
背景技术
焊接是两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺过程，是制造业中应用非常广泛的一种加工方法。焊接设备通常由焊接机头、机械装置、供电装置和控制装置组成，而自动焊接设备根据工作需要的不同，由电气控制系统，配备送丝机、焊接摆动器、焊缝跟踪器、各种回转驱动装置、工装夹具、滚轮架、焊接电源等组成的一套自动化焊接设备，还包括焊接机器手、环纵缝自动焊机、变位机、焊接中心、龙门焊机等。早年的焊接设备的不具备对焊缝扫描和跟踪的功能，通过人工执行，存在焊接成品率低问题。随着科学技术的不断进步，机械化、自动化、智能化在工业领域的应用逐渐普遍，出现了电弧跟踪和机械跟踪等焊缝跟踪方法，然而，电弧跟踪和机械跟踪在如工件形状要求、角焊缝形式、对接焊缝、焊接方式等方面存在各类局限性，此外，还有精确度不高和速度偏低的问题。近些年，普遍使用的CCD相机以图像处理的方法从视觉图像中识别焊缝，存在易受光干扰、成本高、零部件易损的情况。
激光追踪的技术的出现，克服了CCD相机的不足，基于激光位移传感器的自动焊接控制方法具有非接触、高精度、结构简单等优点，逐步进入工业应用。如，申请号为201610165141.8，申请日为2016年03月22日的中国发明专利公布文件公开了一种自适应焊缝激光扫描装置及控制方法，其扫描装置的位置敏感探测器连接控制器的距离电信号输入端，控制器控制旋转电机的旋转，控制器控制焊接机器人和激光发射装置，激光发射装置、位置敏感探测器、振镜和旋转电机均固定在焊接机器人的焊枪支架上。其控制方法包括接收步骤、激光控制步骤、焊缝定位步骤、焊缝预测步骤、初始扫描控制步骤和工作扫描控制步骤，实现了自适应分精度扫描。然而该方案的操作步骤比较复杂，焊接成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以扫描工件不同的位置、扫描效率高的激光扫描焊缝设备的3D扫描焊缝的方法。
为了解决上述技术问题，本发明包括以下步骤：
A、将工件放置到变位机上，并调整设定好焊接的起弧位置和收弧位置，激光扫描焊缝设备包括机械手装置和激光扫描焊缝装置；
B、选择焊缝路径：
(1)焊缝路径为矩形：
a、机械手装置将激光扫描焊缝装置移动到工件扫描位置处，激光扫描器发出激光到工件的第一相交面上得到若干个垂直扫描点以及工件的第二相交面上得到若干个水平扫描点，其中一个垂直扫描点的坐标为：
X1＝L×cos(90°-2θ)，
Y1＝L×sin(90°-2θ)，
其中L为反射镜装置和激光扫描器发出激光的相交点与其中一个垂直扫描点的直线距离，θ为激光扫描器发出激光与垂直面的夹角；
b、通过线性拟合将若干个垂直扫描点拟合成第一直线，通过线性拟合将若干个水平扫描点拟合成第二直线，并模拟找到第一直线和第二直线的第一相交点；
c、机械手装置移动激光扫描焊缝装置，移动激光扫描焊缝装置重复上述扫描操作，得到第二相交点、第三相交点、第四相交点、第五相交点、第六相交点、第七相交点、第八相交点，通过第一相交点和第二相交点得到第一焊接直线，通过第三相交点和第四相交点得到第二焊接直线，通过第五相交点和第六相交点得到第三焊接直线，通过第七相交点和第八相交点得到第四焊接直线，最后通过第一焊接直线、第二焊接直线、第三焊接直线和第四焊接直线得到矩形焊接路径；
(2)焊缝路径为圆形：
a、机械手装置将激光扫描焊缝装置移动到工件扫描位置处，所述激光扫描焊缝装置包括装置座体和第一转动电机，所述装置座体包括第一座体和第二座体，所述第一座体和第二座体垂直设置，在第一座体内设有第一腔体，在第二座体内设有第二腔体，第一腔体和第二腔体相通且第一腔体处于第二腔体的上方，在第一座体和第二座体的左右连接处分别设有第一扫描口和第二扫描口，第一转动电机与装置座体连接，在第一腔体内设有反射镜装置，反射镜装置的一端与第一转动电机的驱动端连接，在第二腔体内设有激光扫描器，第一转动电机控制反射镜装置转动，激光扫描器发出激光并通过转动的反射镜装置反射到工件的第一相交面上得到若干个垂直扫描点以及工件的第二相交面上得到若干个水平扫描点，其中一个垂直扫描点的坐标为：
X1＝L×cos(90°-2θ)，
Y1＝L×sin(90°-2θ)，
其中L为反射镜装置和激光扫描器发出激光的相交点与其中一个垂直扫描点的直线距离，θ为激光扫描器发出激光与垂直面的夹角；
b、通过线性拟合将若干个垂直扫描点拟合成第一直线，通过线性拟合将若干个水平扫描点拟合成第二直线，并模拟找到第一直线和第二直线的第一相交点；
c、机械手装置移动激光扫描焊缝装置，移动激光扫描焊缝装置重复上述扫描操作，得到第二相交点、第三相交点；通过三个相交点得出三个相交点所在圆形的圆心坐标值和半径；
(3)焊缝路径为复杂形状：将焊缝路径分解成直线形和圆弧组合形式，然后由上述矩形焊缝路径和圆形焊缝路径的循迹方式来得出。
作为本发明的进一步改进，在步骤(2)中得出三个相交点所在圆形的圆心坐标值和半径的方法为：令第一相交点的坐标为(x1，y1，z1)，第二相交点的坐标为(x2，y2，z2)，第三相交点的坐标为(x3，y3，z3)；
得出：
A1x+B1y+C1z+D1＝0； (a)
其中：
A1＝y1·z2-y1·z3-z1·y2+z1·y3+y2·z3-y3·z2；
B1＝-x1·z2+x1·z3+z1·x2-z1·x3-x2·z3+x3·z2；
C1＝x1·y2-x1·y3-y1·x2+y1·x3+x2·y3-x3·y2；
D1＝-x1·y2·z3+x1·y3·z2+y1·x2·z3-y1·x3·z2-x2·y3·z1+x3·y2·z1；
根据圆心到三点的距离都为半径得出：
R2＝(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2； (b)
R2＝(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2； (c)
R2＝(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2； (d)
由(b)＝(c)得出：
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y+2(z3-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x3 2-y3 2-z3 2＝0； (e)
记为：A2x+B2y+C2z+D2＝0；
由(b)＝(d)得出：
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y+2(z3-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x3 2-y3 2-z3 2＝0； (f)
记为：A3x+B3y+C3z+D3＝0；
联合(a)、(e)、(f)得出：
解得圆心坐标为：
半径为：
得到圆形的焊接路径。
本发明的有益效果：通过机械手装置的自由度的灵活性来实现激光扫描焊缝装置的位置改变，从而对于焊缝的形式建立合适的数学模型，通过找寻焊缝上的特征点，计算出其他焊缝的位置，得到完整的焊缝位置。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明的立体视图。
图2为本发明的激光扫描焊缝装置的结构示意图。
图3为本发明的激光扫描焊缝装置的另一视角的立体图。
图4为本发明的激光扫描焊缝装置的保护盖板处于闭合状态的内部结构示意图。
图5为本发明的步骤图。
具体实施方式
由图1至图4所示，本发明的机械结构包括机械手装置和激光扫描焊缝装置12，所述激光扫描焊缝装置12包括装置壳体1，所述装置壳体1包括安装腔体，在装置壳体1上设有与安装腔体相通的扫描开口，在安装腔体内设有激光扫描器2，在安装腔体内且位于扫描开口处设有第一旋转气缸3，在第一旋转气缸3的驱动端设有连接件4，连接件4包括连接座195，在连接座195的外壁面设有第一支杆6和第二支杆7，第一支杆6和第二支杆7的夹角为直角，第一支杆6的一端设有将扫描开口盖住的保护盖板8，在安装腔体内还设有感应装置9，感应装置9与激光扫描器2连接，第二支杆7处于感应装置9的前方，在装置壳体1的底部设有与安装腔体相通的连接通孔10，在扫描开口的顶部设有导向座11，导向座11的横截面为类直角梯形状，所述导向座11通过螺栓连接的方式与装置壳体1连接，所述机械手装置包括第一机械手底座13，在第一机械手底座13上设有第一转动电机，在第一转动电机的驱动端设有第二机械手底座14，在第二机械手底座14上铰接有第一机械臂15，在第二机械手底座14上设有第二转动电机，第二转动电机的驱动端与第一机械臂15连接，在第一机械臂15的一端设有第三机械手底座16，第三机械手底座16上设有第三转动电机17，第三转动电机17的驱动端设有第二机械臂18，在第二机械臂18的前端铰接有连接座19，在第二机械臂18上设有第四转动电机，第四转动电机的驱动端与连接座19连接，激光扫描焊缝装置12与连接座19连接。通过第一转动电机、第二转动电机、第三转动电机17和第四转动电机的联动工作，实现连接座19上激光扫描焊缝装置12位置的改变，从而实现扫描不同位置的焊缝。当激光扫描焊缝装置12不工作时，第一旋转气缸3作用连接件4转动，使第一支杆6呈水平状，第二支杆7处于第一支杆6的下方，此时保护盖板8将扫描开口盖住，保护盖板8对激光扫描器2起到保护的作用，同时第二支杆7挡住感应装置9的发射端，感应装置9将反馈的信号发送给激光扫描器2使激光扫描器2停止工作，当激光扫描焊缝装置12开始工作时，第一旋转气缸3作用连接件4转动，使第二支杆7呈水平状，第一支杆6处于第二支杆7的上方，第二支杆7从感应装置9的发射端移开，感应装置9将反馈的信号发送给激光扫描器2使激光扫描器2开始工作，因为在扫描开口的顶部设有导向座11，使保护盖板8的转动过程更加稳定。感应装置9可以为红外感应装置9。连接通孔10用于第一旋转气缸3的接气管穿过。
本发明的工作方法，包括以下步骤：
A、将工件放置到变位机上，并调整设定好焊接的起弧位置和收弧位置，激光扫描焊缝设备包括机械手装置和激光扫描焊缝装置；
B、选择焊缝路径：
(1)焊缝路径为矩形：
a、机械手装置将激光扫描焊缝装置移动到工件扫描位置处，激光扫描器发出激光到工件的第一相交面上得到若干个垂直扫描点以及工件的第二相交面上得到若干个水平扫描点，其中一个垂直扫描点的坐标为：
X1＝L×cos(90°-2θ)，
Y1＝L×sin(90°-2θ)，
其中L为反射镜装置和激光扫描器发出激光的相交点与其中一个垂直扫描点的直线距离，θ为激光扫描器发出激光与垂直面的夹角；
b、通过线性拟合将若干个垂直扫描点拟合成第一直线，通过线性拟合将若干个水平扫描点拟合成第二直线，并模拟找到第一直线和第二直线的第一相交点；
c、机械手装置移动激光扫描焊缝装置，移动激光扫描焊缝装置重复上述扫描操作，得到第二相交点、第三相交点、第四相交点、第五相交点、第六相交点、第七相交点、第八相交点，通过第一相交点和第二相交点得到第一焊接直线，通过第三相交点和第四相交点得到第二焊接直线，通过第五相交点和第六相交点得到第三焊接直线，通过第七相交点和第八相交点得到第四焊接直线，最后通过第一焊接直线、第二焊接直线、第三焊接直线和第四焊接直线得到矩形焊接路径；
(2)焊缝路径为圆形：
a、机械手装置将激光扫描焊缝装置移动到工件扫描位置处，第一转动电机控制反射镜装置转动，激光扫描器发出激光并通过转动的反射镜装置反射到工件的第一相交面上得到若干个垂直扫描点以及工件的第二相交面上得到若干个水平扫描点，其中一个垂直扫描点的坐标为：
X1＝L×cos(90°-2θ)，
Y1＝L×sin(90°-2θ)，
其中L为反射镜装置和激光扫描器发出激光的相交点与其中一个垂直扫描点的直线距离，θ为激光扫描器发出激光与垂直面的夹角；
b、通过线性拟合将若干个垂直扫描点拟合成第一直线，通过线性拟合将若干个水平扫描点拟合成第二直线，并模拟找到第一直线和第二直线的第一相交点；
c、机械手装置移动激光扫描焊缝装置，移动激光扫描焊缝装置重复上述扫描操作，得到第二相交点、第三相交点；
令第一相交点的坐标为(x1，y1，z1)，第二相交点的坐标为(x2，y2，z2)，第三相交点的坐标为(x3，y3，z3)；
得出：
A1x+B1y+C1z+D1＝0； (a)
其中：
A1＝y1·z2-y1·z3-z1·y2+z1·y3+y2·z3-y3·z2；
B1＝-x1·z2+x1·z3+z1·x2-z1·x3-x2·z3+x3·z2；
C1＝x1·y2-x1·y3-y1·x2+y1·x3+x2·y3-x3·y2；
D1＝-x1·y2·z3+x1·y3·z2+y1·x2·z3-y1·x3·z2-x2·y3·z1+x3·y2·z1；
根据圆心到三点的距离都为半径得出：
R2＝(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2； (b)
R2＝(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2； (c)
R2＝(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2； (d)
由(b)＝(c)得出：
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y+2(z3-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x3 2-y3 2-z3 2＝0； (e)
记为：A2x+B2y+C2z+D2＝0；
由(b)＝(d)得出：
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y+2(z3-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x3 2-y3 2-z3 2＝0； (f)
记为：A3x+B3y+C3z+D3＝0；
联合(a)、(e)、(f)得出：
解得圆心坐标为：
半径为：
得到圆形的焊接路径。
(3)焊缝路径为复杂形状：将焊缝路径分解成若干个直线形和圆弧组合形式，然后由上述矩形焊缝路径和圆形焊缝路径的循迹方式来得出。

Claims (2)

1.一种激光扫描焊缝设备的3D扫描焊缝的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将工件放置到变位机上，并调整设定好焊接的起弧位置和收弧位置，激光扫描焊缝设备包括机械手装置和激光扫描焊缝装置；
B、选择焊缝路径：
(1)焊缝路径为矩形：
a、机械手装置将激光扫描焊缝装置移动到工件扫描位置处，激光扫描器发出激光到工件的第一相交面上得到若干个垂直扫描点以及工件的第二相交面上得到若干个水平扫描点，其中一个垂直扫描点的坐标为：
X1＝L×cos(90°-2θ)，
Y1＝L×sin(90°-2θ)，
其中L为反射镜装置和激光扫描器发出激光的相交点与其中一个垂直扫描点的直线距离，θ为激光扫描器发出激光与垂直面的夹角；
b、通过线性拟合将若干个垂直扫描点拟合成第一直线，通过线性拟合将若干个水平扫描点拟合成第二直线，并模拟找到第一直线和第二直线的第一相交点；
c、机械手装置移动激光扫描焊缝装置，移动激光扫描焊缝装置重复上述扫描操作，得到第二相交点、第三相交点、第四相交点、第五相交点、第六相交点、第七相交点、第八相交点，通过第一相交点和第二相交点得到第一焊接直线，通过第三相交点和第四相交点得到第二焊接直线，通过第五相交点和第六相交点得到第三焊接直线，通过第七相交点和第八相交点得到第四焊接直线，最后通过第一焊接直线、第二焊接直线、第三焊接直线和第四焊接直线得到矩形焊接路径；
(2)焊缝路径为圆形：
a、机械手装置将激光扫描焊缝装置移动到工件扫描位置处，所述激光扫描焊缝装置包括装置座体和第一转动电机，所述装置座体包括第一座体和第二座体，所述第一座体和第二座体垂直设置，在第一座体内设有第一腔体，在第二座体内设有第二腔体，第一腔体和第二腔体相通且第一腔体处于第二腔体的上方，在第一座体和第二座体的左右连接处分别设有第一扫描口和第二扫描口，第一转动电机与装置座体连接，在第一腔体内设有反射镜装置，反射镜装置的一端与第一转动电机的驱动端连接，在第二腔体内设有激光扫描器，第一转动电机控制反射镜装置转动，激光扫描器发出激光并通过转动的反射镜装置反射到工件的第一相交面上得到若干个垂直扫描点以及工件的第二相交面上得到若干个水平扫描点，其中一个垂直扫描点的坐标为：
X1＝L×cos(90°-2θ)，
Y1＝L×sin(90°-2θ)，
其中L为反射镜装置和激光扫描器发出激光的相交点与其中一个垂直扫描点的直线距离，θ为激光扫描器发出激光与垂直面的夹角；
b、通过线性拟合将若干个垂直扫描点拟合成第一直线，通过线性拟合将若干个水平扫描点拟合成第二直线，并模拟找到第一直线和第二直线的第一相交点；
c、机械手装置移动激光扫描焊缝装置，移动激光扫描焊缝装置重复上述扫描操作，得到第二相交点、第三相交点；通过三个相交点得出三个相交点所在圆形的圆心坐标值和半径；
(3)焊缝路径为复杂形状：将焊缝路径分解成直线形和圆弧组合形式，然后由上述矩形焊缝路径和圆形焊缝路径的循迹方式来得出。
2.按权利要求1所述的激光扫描焊缝设备的3D扫描焊缝的方法，其特征在于：在步骤(2)中得出三个相交点所在圆形的圆心坐标值和半径的方法为：令第一相交点的坐标为(x1，y1，z1)，第二相交点的坐标为(x2，y2，z2)，第三相交点的坐标为(x3，y3，z3)；
得出：
A1x+B1y+C1z+D1＝0； (a)
其中：
A1＝y1·z2-y1·z3-z1·y2+z1·y3+y2·z3-y3·z2；
B1＝-x1·z2+x1·z3+z1·x2-z1·x3-x2·z3+x3·z2；
C1＝x1·y2-x1·y3-y1·x2+y1·x3+x2·y3-x3·y2；
D1＝-x1·y2·z3+x1·y3·z2+y1·x2·z3-y1·x3·z2-x2·y3·z1+x3·y2·z1；
根据圆心到三点的距离都为半径得出：
R2＝(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2； (b)
R2＝(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2； (c)
R2＝(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2； (d)
由(b)＝(c)得出：
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y+2(z3-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x3 2-y3 2-z3 2＝0； (e)
记为：A2x+B2y+C2z+D2＝0；
由(b)＝(d)得出：
2(x3-x1)x+2(y3-y1)y+2(z3-z1)z+x1 2+y1 2+z1 2-x3 2-y3 2-z3 2＝0； (f)
记为：A3x+B3y+C3z+D3＝0；
联合(a)、(e)、(f)得出：
解得圆心坐标为：
半径为：
得到圆形的焊接路径。
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CN114669831B (zh) * 2022-05-11 2024-04-26 法孚低温设备(苏州)有限公司 一种应用于板翅式换热器的自动焊接系统及方法

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