CN110421283B - 一种管板换热器的管板焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种管板换热器的管板焊接方法,属于自动焊接技术领域。其特征在于:包括如下步骤:步骤1)识别换热器管板焊接点及管板焊接点中心位置;步骤2)计算管板数s与焊接层数n,步骤3)控制装置根据管板数s、焊接层数n及管板焊接点中心坐标,按照出由外至内、且每次焊接后机械臂带动焊枪转动90°的原则制定焊接方案;步骤4)焊枪(7)移动至焊接点位置;步骤5)第二CCD照相机(10)识别、处理当前焊接点的图像信息,得出对应的单个管板圆的圆心坐标与半径;步骤6)焊枪(7)按照焊接方案对管板进行焊接;步骤7)焊枪(7)对未焊接管板焊接。本管板换热器的管板焊接方法实现了自动焊接,减少了焊接热应力,保证了焊接的密封性好。
Description
技术领域
一种管板换热器的管板焊接方法,属于自动焊接技术领域。
背景技术
目前管板式换热器是广泛用于石油、化工、冶金等工业领域的热交换器。在管板式换热器生产过程中,焊接固定管板与管束为极为重要的一环,管板焊接质量的好坏直接决定换热器能否正常工作。由于大型管板式换热器管束数量巨大,管板面积广,人工焊接人工成本大,生产效率低,难于保证焊接质量。此外,数量众多且密集的分布的焊缝会造成焊接时管板上下不同区域存在严重的热输入分布不均匀,会造成管板的焊接质量下降和较为严重的管板变形,对换热器的密封性造成威胁。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供一种能够实现自动焊接,且降低了焊接热应力的影响的管板换热器的管板焊接方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:该管板换热器的管板焊接方法,其特征在于:焊接装置包括机械臂、转轴以及焊枪,机械臂通过主轴转动安装在底座上,转轴转动安装在机械臂的自由端上,焊枪安装在转轴一侧并随转轴同步转动,转轴上安装有第二CCD照相机,机械臂或底座上设置有第一CCD照相机,转轴和主轴均连接有带动其转动的动力装置,第一CCD照相机、第二CCD照相机、机械臂以及动力装置均连接控制装置;
焊接方法包括如下步骤:
步骤1)使主轴与换热器的中心对正,第一CCD照相机识别换热器管板焊接点及管板焊接点中心位置;
步骤2)控制装置根据第一CCD照相机识别的管板目标,计算管板数s与焊接层数n,计算公式如下:
其中,n为正整数,k为计算的中间值,k为正整数;
步骤3)控制装置根据管板数s、焊接层数n及管板焊接点中心坐标,按照由外至内、且每次焊接后机械臂带动焊枪转动90°的原则制定焊接方案;
步骤4)控制装置控制动力装置和机械臂,使焊枪移动至焊接点位置;
步骤5)第二CCD照相机识别、处理当前焊接点的图像信息,得出对应的单个管板圆的圆心坐标与半径;
步骤6)控制装置控制动力装置以及机械臂,使焊枪按照对应的管板圆的圆心坐标与半径,并按照焊接方案对管板进行焊接;
步骤7)控制装置控制动力装置以及机械臂,使焊枪对未焊接管板焊接,完成整个管板的焊接。
优选的,步骤1)中所述的第一CCD照相机采用卷积神经网络识别换热器,并将管板标记为未焊接管板与已焊接管板,并得出将所有未焊接点框在内的方形目标检测框,目标检测框的对角的坐标,,根据目标检测框的对角的坐标得出管板焊接点中心位置:
优选的,步骤5)中所述的第二CCD照相机采用图像二值化、边缘提取与霍夫变换方法得出的单个管板圆的圆心坐标与半径。
优选的,步骤5)中得出单个管板圆的圆心坐标与半径的方法如下:
步骤a)对第二CCD照相机采集到的彩色图像二值化,根据加权平均值算法得到灰度图像:
其中,R、G、B分别表示图像像素点在RGB颜色空间的R值、G值、B值,Gray表示像素点灰度化后的灰度值;
步骤b)将图像划分成含有奇数个点的窗口,分别用对应窗口的像素中值灰度值来代替指定像素灰度值,指定像素为窗口的中心点,指定像素灰度值的数学公式表达为:
步骤c)采用大律法确定灰度阈值,把256的像素等级的灰度图像通过灰度阈值分割为二值化图像,其中黑色区域为背景,白色区域为未焊接管板圆;
步骤d)采用Canny算子提取单个管板圆边缘线,完成单个管板圆定位,并使用霍夫圆变换得出单个管板圆的圆心坐标与半径。
优选的,删除步骤c)中所述二值化图像中最小连通区域与区域填充处理,消除面积相对较小的白色干扰区域。
优选的,对步骤c)中所述的二值化图像进行膨胀算法处理,补偿边缘信息的丢失,保证处理后的图像与对应的管板圆吻合。
优选的,所述的机械臂包括第一摆臂、第二摆臂以及第三摆臂,第一摆臂安装在主轴上并随主轴同步转动,第二摆臂与第一摆臂转动连接,第三摆臂与第二摆臂转动连接,转轴安装在第三摆臂上,第二摆臂和第三摆臂均连接有推动其摆动的摆动油缸。
优选的,所述的主轴可升降的安装在底座上,主轴连接有推动其升降的升降油缸。
优选的,所述的焊枪与转轴之间设置有线性模组,线性模组垂直于转轴的轴线设置,线性模组与焊枪相连并带动其沿靠近或远离转轴的方向往复运动。
优选的,所述的焊枪通过安装杆安装在转轴上,焊枪与转轴的轴线的夹角为30°。
与现有技术相比,本发明所具有的有益效果是:
1、本管板换热器的管板焊接方法能够对换热器的管板实现自动识别,自动焊接,代替了手工焊接,提高了焊接的质量,焊接效率提高,通过由内至外、且每次焊接后机械臂带动焊枪转动90°的原则制定焊接方案,减少了焊接热应力,避免焊接导致管板变形,保证了焊接的密封性好。
2、采用卷积神经网络得出管板的位置信息,并根据位置信息得出管板焊接点的中心位置坐标,方便后续焊接方案的制作。
3、通过图像二值化、边缘提取与霍夫变换方法得出的单个管板圆的圆心坐标与半径,得出的圆心坐标与半径准确,进而保证焊接时的准确度更高。
4、为了减少背景噪声对图像识别的影响,选取中值滤波为图像预处理的方法,中值滤波是一种非线性信号处理方法,可实现图像的降噪处理,中值滤波及对图像降噪,又避免边缘模糊失真,实现图像的等效复原,避免焊接时产生误差。
5、由于噪声、背景纹理与拍摄角度等方面影响,二值化图像会出现白色区域,这些区域往往一般很小,所以采取删除最小连通区域与区域填充处理,消除面积相对较小的白色干扰区域。
6、在二值化和降噪等图像处理过程中,会造成边缘信息的丢失,导致处理后图像失真。为了确保信息的完整性,进行膨胀算法处理,补偿边缘信息的丢失,保证管束圆与实际圆吻合。
7、第一摆臂安装在主轴上并随主轴同步转动,第二摆臂、第三摆臂均连接有推动其摆动的摆动油缸,增加了摆臂的自由度,使焊枪的位置调节更加灵活,以保证对换热器的每个管板都能够进行焊接。
8、升降油缸推动主轴升降,从而能够调节主轴的位置,以满足不同尺寸的换热器的管板焊接的要求。
9、线性模组能够调节焊枪与转轴之间的间距,进而调节焊接半径的大小,且调节精确。
10、焊枪与转轴的轴线的夹角为30°,能够避免转轴对焊枪的工作造成妨碍,并且保证了焊接质量。
附图说明
图1为焊接装置的结构示意图。
图中:1、底座 2、主轴 3、第一摆臂 4、第二摆臂 5、第三摆臂 6、线性模组7、焊枪 8、第一CCD照相机 9、转轴 10、第二CCD照相机。
具体实施方式
图1是本发明的最佳实施例,下面结合附图1对本发明做进一步说明。
焊接装置包括机械臂、转轴9以及焊枪7,机械臂通过主轴2转动安装在底座1上,转轴9转动安装在机械臂的自由端上,焊枪7安装在转轴9一侧并随转轴9同步转动,转轴9上安装有第二CCD照相机10,机械臂或底座1上设置有第一CCD照相机8,转轴9和主轴2均连接有带动其转动的动力装置,第一CCD照相机8、第二CCD照相机10、机械臂以及动力装置均连接控制装置。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明,然而熟悉本领域的人们应当了解,在这里结合附图给出的详细说明是为了更好的解释,本发明的结构必然超出了有限的这些实施例,而对于一些等同替换方案或常见手段,本文不再做详细叙述,但仍属于本申请的保护范围。
具体的:如图1所示:底座1的右侧滑动安装有升降架(图中未画出),主轴2转动安装在升降架上,主轴2水平设置,升降架上还安装有与主轴2相连的动力装置(图中未画出),在本实施例中,动力装置为伺服电机,伺服电机的输出轴与主轴2相连并带动其同步转动。底座1上还安装有升降油缸,升降油缸竖向设置,升降油缸的活塞杆与升降架相连,并推动其升降。升降油缸可以替换为伺服电机(图中未画出),伺服电机安装在升降架上并带动升降架同步升降,伺服电机的输出轴上安装有升降齿轮,底座1上安装有竖向的升降齿条,升降齿条与升降齿轮相啮合,从而实现了升降架的精确升降。
机械臂包括第一摆臂3、第二摆臂4以及第三摆臂5,第一摆臂3的设置在主轴2的上侧,且第一摆臂3竖向设置,第一摆臂3的下端与主轴2的右端固定连接,且第一摆臂3随主轴2同步转动。第二摆臂4的左端与第一摆臂3的上端转动连接,第三摆臂5的左端与第二摆臂4的右端转动连接,第一摆臂3与第二摆臂4之间设置有推动第二摆臂4摆动的摆动油缸,第二摆臂4与第三摆臂5之间设置有推动第三摆臂5摆动的摆动油缸。主轴2、第一摆臂3、第二摆臂4以及第三摆臂5均位于同一平面内,且第二摆臂4和第三摆臂5在该平面内往复摆动,转轴9水平设置,转轴9转动安装在第三摆臂5的右端,第三摆臂5的右端还安装有与转轴9相连的动力装置(图中未画出),在本实施例中,动力装置为伺服电机,伺服电机的输出轴与转轴9相连并带动其同步转动。
焊枪7通过安装杆安装在转轴9的上侧,安装杆与转轴9平行设置,安装杆通过线性模组6安装在转轴9上,线性模组6垂直于转轴9的轴线设置,线性模组6的安装在转轴9上,线性模组6与安装杆相连并带动安装杆沿靠近或远离转轴9的方向移动。焊枪7安装在安装杆的右端,焊枪7的中心线与转轴9的轴线的夹角为30°。
第一CCD照相机8安装在主轴2右端的端面上,第二CCD照相机10安装在转轴9右端的端面上。控制装置为PLC控制器,第一CCD照相机8、第二CCD照相机10均与PLC控制器相连,伺服电机均与PLC控制器相连,PLC控制器根据第一CCD照相机8和第二CCD照相机10采集的图像,并控制焊枪7对换热器的管板进行自动焊接。
焊接方法包括如下步骤:
步骤1)使主轴2与换热器的中心对正,第一CCD照相机8识别换热器管板焊接点及管板焊接点中心位置。
将换热器安装在主轴2的一侧,并与主轴2与换热器的中心对正,此时第一CCD照相机8也与换热器管板的中心对正。
第一CCD照相机8采用卷积神经网络确定目标检测框架,目标检测框架为换热器未焊接管板,并将换热器的管板标记为未焊点与已焊点,且所有未焊点均位于目标检测框内,目标检测框为方形框,并输出目标检测框的对角的坐标,,根据目标检测框的对角的坐标得出管板焊接点的中心位置:
步骤2)控制装置根据第一CCD照相机8识别的管板目标,计算管板数s与焊接层数n,计算公式如下:
其中,n为正整数,k为计算的中间值,k为正整数。
对应的n值为换热器管板最大环数,根据换热器管板最大环数可以知道最外圈的管板数n*6,从最外圈管板数n*6,算出最外圈需要焊接的次数为n*6,按照焊接次序转动角度次数a=n*6/4的整数,然后进行下一层焊接,按照上述方案进行焊接,焊接完成一次进入下一层,直到焊接完成。
步骤3)控制装置根据管板数s、焊接层数n及管板焊接点中心坐标,按照由外至内、且每次焊接后机械臂带动焊枪转动90°的原则制定焊接方案。
PLC控制器确定焊接方案,根据第一CCD照相机8给出的位置坐标信息,第一焊接点坐标为所有未焊接点中最接近的点。逆时针旋转机械臂,且转动角度为π/2,从第一CCD照相机8给出的当前所有未焊接目标点中最接近的未焊接管板作为第二目标焊点。逆时针旋转机械臂π/2,从第一CCD照相机8给出的当前所有未焊接目标点中最接近的未焊接管板作为第三目标焊点。顺时针旋转机械手臂3π/4,从第一CCD照相机8给出的当前所有未焊接目标点中最接近的未焊接管板作为第四目标焊点。焊接次序以四个焊接点为一个焊接单位,对管板进行垂直焊接。根据焊接次序进行n*6/4个焊接单位且每一次首焊接定位转动角度依次为(0、π/2+π/4、π/2+π/8、π/2+π/4、π/2+π/16、π/2+π/8、π/2+π/8、π/2+π/8、…、π/2+π/r),第一层焊接完成。同样第二层焊接时,转动机械臂寻找当前所有未焊接目标点中最接近的点,如同第一层焊接。根据焊接次序进行n*6/4个焊接单位且每一次首焊接定位转动角度依次为(π/2+π/4、π/2+π/8、π/2+π/4、π/2+π/16、π/2+π/8、π/2+π/8、π/2+π/8、…、π/2+π/r)。依次按照层次焊接,直到焊接管板全部完成。
步骤4)控制装置控制动力装置和机械臂,使焊枪7移动至焊接点位置;
PLC控制器控制伺服电机运动,并使焊枪7移动至第一焊接点。
步骤5)第二CCD照相机10识别、处理当前焊接点的图像信息,得出对应的单个管板圆的圆心坐标与半径;
对第二CCD照相机10采集的图像二值化、边缘提取与霍夫变换,并得出单个管板圆的圆心坐标与半径,方法如下:
步骤a)对第二CCD照相机采集到的彩色图像二值化,根据加权平均值算法得到灰度图像:
其中,R、G、B分别表示图像像素点在RGB颜色空间的R值、G值、B值,Gray表示像素点灰度化后的灰度值。
步骤b)将图像划分成含有奇数个点的窗口,分别用对应窗口的像素中值灰度值来代替指定像素灰度值,指定像素为窗口的中心点,指定像素灰度值的数学公式表达为:
为了减少背景噪声对图像识别的影响,选取中值滤波为图像预处理的方法。中值滤波是一种非线性信号处理方法,可实现图像的降噪处理。中值滤波及对图像降噪,又避免边缘模糊失真,实现图像的等效复原。
步骤c)采用大律法确定灰度阈值,把256的像素等级的灰度图像通过灰度阈值分割为二值化图像,其中黑色区域为背景,白色区域为未焊接管板圆。
单个管板区域为圆形,了精确定位待焊接区域,采用图像的形态学方法处理灰度图像。使用图像二值化处理方法对单个管板待焊接区域与背景区域进行分离,二值化方法把灰度化的图像分离灰度值为0和255。通过采用大律法确定灰度阈值,把256的像素等级的灰度图像通过灰度阈值分割为二值化图像。黑色为背景,白色区域未为未焊接管板圆。
由于噪声、背景纹理与拍摄角度等方面影响,二值化图像会出现白色区域,这些区域往往一般很小,所以采取删除最小连通区域与区域填充处理,消除面积相对较小的白色干扰区域。
在二值化和降噪等图像处理过程中,会造成边缘信息的丢失,导致处理后图像失真,为了确保信息的完整性,进行膨胀算法处理,补偿边缘信息的丢失,保证管束圆与实际圆吻合。
步骤d)采用Canny算子提取单个管板圆边缘线,完成单个管板圆定位,并使用霍夫圆变换得出单个管板圆的圆心坐标与半径。
在单个管板圆确定的前提下,采用Canny算子提取单个管板圆边缘线,完成单个管板圆定位。将管板圆边缘图像作为输入,使用霍夫圆变换得出单个管板圆的圆心坐标与半径。
步骤6)控制装置控制动力装置以及机械臂,使焊枪7按照对应的管板圆的圆心坐标与半径,并按照焊接方案对管板进行焊接;
PLC控制器控制线性模组6移动,使焊枪7的焊接圆的圆心半径与管板圆的半径相等,PLC控制器控制伺服电机运动,并使焊枪7依照指定的焊接方案对管板进行焊接。
步骤7)控制装置控制动力装置以及机械臂,使焊枪7对未焊接管板焊接,完成整个管板的焊接。
PLC控制器根据第一CCD照相机8采集的未焊接点目标,控制伺服电机,使焊枪7补全未焊接管板,完成焊接。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种管板换热器的管板焊接方法,其特征在于:焊接装置包括机械臂、转轴(9)以及焊枪(7),机械臂通过主轴(2)转动安装在底座(1)上,转轴(9)转动安装在机械臂的自由端上,焊枪(7)安装在转轴(9)一侧并随转轴(9)同步转动,转轴(9)上安装有第二CCD照相机(10),机械臂或底座(1)上设置有第一CCD照相机(8),转轴(9)和主轴(2)均连接有带动其转动的动力装置,第一CCD照相机(8)、第二CCD照相机(10)、机械臂以及动力装置均连接控制装置;
焊接方法包括如下步骤:
步骤1)使主轴(2)与换热器的中心对正,第一CCD照相机(8)识别换热器管板焊接点及管板焊接点中心位置;
步骤2)控制装置根据第一CCD照相机(8)识别的管板目标,计算管板数s与焊接层数n,计算公式如下:
其中,n为正整数,k为计算的中间值,k为正整数;
步骤3)控制装置根据管板数s、焊接层数n及管板焊接点中心坐标,按照由外至内、且每次焊接后机械臂带动焊枪转动90°的原则制定焊接方案;
步骤4)控制装置控制动力装置和机械臂,使焊枪(7)移动至焊接点位置;
步骤5)第二CCD照相机(10)识别、处理当前焊接点的图像信息,得出对应的单个管板圆的圆心坐标与半径;步骤5)中所述的第二CCD照相机(10)采用图像二值化、边缘提取与霍夫变换方法得出的单个管板圆的圆心坐标与半径;
步骤6)控制装置控制动力装置以及机械臂,使焊枪(7)按照对应的管板圆的圆心坐标与半径,并按照焊接方案对管板进行焊接;
步骤7)控制装置控制动力装置以及机械臂,使焊枪(7)对未焊接管板焊接,完成整个管板的焊接;
步骤1)中所述的第一CCD照相机(8)采用卷积神经网络识别换热器,并将管板标记为未焊接管板与已焊接管板,并得出将所有未焊接点框在内的方形目标检测框,输出目标检测框的对角的坐标,,根据目标检测框的对角的坐标得出管板焊接点中心位置:
2.根据权利要求1所述的管板换热器的管板焊接方法,其特征在于:步骤5)中得出单个管板圆的圆心坐标与半径的方法如下:
步骤a)对第二CCD照相机采集到的彩色图像二值化,根据加权平均值算法得到灰度图像:
其中,R、G、B分别表示图像像素点在RGB颜色空间的R值、G值、B值,Gray表示像素点灰度化后的灰度值;
步骤b)将图像划分成含有奇数个点的窗口,分别用对应窗口的像素中值灰度值来代替指定像素灰度值,指定像素为窗口的中心点,指定像素灰度值的数学公式表达为:
步骤c)采用大律法确定灰度阈值,把256的像素等级的灰度图像通过灰度阈值分割为二值化图像,其中黑色区域为背景,白色区域为未焊接管板圆;
步骤d)采用Canny算子提取单个管板圆边缘线,完成单个管板圆定位,并使用霍夫圆变换得出单个管板圆的圆心坐标与半径。
3.根据权利要求2所述的管板换热器的管板焊接方法,其特征在于:对步骤c)中所述的二值化图像进行膨胀算法处理,补偿边缘信息的丢失,保证处理后的图像与对应的管板圆吻合。
4.根据权利要求1所述的管板换热器的管板焊接方法,其特征在于:所述的机械臂包括第一摆臂(3)、第二摆臂(4)以及第三摆臂(5),第一摆臂(3)安装在主轴(2)上并随主轴(2)同步转动,第二摆臂(4)与第一摆臂(3)转动连接,第三摆臂(5)与第二摆臂(4)转动连接,转轴(9)安装在第三摆臂(5)上,第二摆臂(4)和第三摆臂(5)均连接有推动其摆动的摆动油缸。
5.根据权利要求1或4所述的管板换热器的管板焊接方法,其特征在于:所述的主轴(2)可升降的安装在底座(1)上,主轴(2)连接有推动其升降的升降油缸。
6.根据权利要求1所述的管板换热器的管板焊接方法,其特征在于:所述的焊枪(7)与转轴(9)之间设置有线性模组(6),线性模组(6)垂直于转轴(9)的轴线设置,线性模组(6)与焊枪(7)相连并带动其沿靠近或远离转轴(9)的方向往复运动。
7.根据权利要求1或6所述的管板换热器的管板焊接方法,其特征在于:所述的焊枪(7)通过安装杆安装在转轴(9)上,焊枪(7)与转轴(9)的轴线的夹角为30°。
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