CN110724951A - 一种自动熔敷系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种自动熔敷系统及方法，涉及水冷壁熔敷中实时控制熔敷枪头移动和精准定位的系统和方法，目的是为了克服熔敷控制方式落后，浪费人力与材料的问题；其中，自动熔敷系统，包括手动操作控制模块、定位控制模块、激光扫描模块和熔敷工作控制模块；手动操作控制模块，实现粗定位；定位控制模块，完成精确定位；激光扫描模块，与定位控制模块连接，当完成精确定位，激光扫描模块，用于对待熔敷部件的需熔敷位置进行扫描得到多个离散点图，根据多个离散点图拟合构成待熔敷部件形貌图；熔敷工作控制模块，与激光扫描模块连接，用于从待熔敷部件形貌图中提取熔敷轨迹，使得熔敷枪头根据熔敷轨迹对待熔敷部件的需熔敷位置进行熔敷。

Description

一种自动熔敷系统及方法
技术领域
本发明涉及工业熔敷领域，具体涉及水冷壁熔敷中实时控制熔敷枪头移动和精准定位的系统和方法。
背景技术
随着现代工业的迅猛发展，在许多机械化工领域中对机器的效率和准确度要求越来越高，许多机器都需要在精密和准确的操作下运行，所以对于机械的操控手段提出了更高的要求。工业上尤其是锅炉行业中越来越多的采用堆焊熔敷技术，在工件表面熔敷一层耐磨或耐腐蚀性的合金层能够大大增加提高其使用寿命，并且还能够节省材料，具有较好的经济性。
然而，这种对焊熔敷技术对熔敷枪头的操控精确度要求较高，在实现这种技术时需要一种可以实时控制熔敷枪头移动和精准定位等操作的系统。而现有的熔敷控制方式都十分的落后，需要大量的人力来进行此工作，浪费人力与材料。
发明内容
本发明的目的是为了克服熔敷控制方式落后，浪费人力与材料的问题，提供了一种自动熔敷系统。
本发明的一种自动熔敷系统，包括手动操作控制模块、定位控制模块、激光扫描模块和熔敷工作控制模块；
手动操作控制模块，用于输入方向按键控制信号，熔敷枪头根据方向按键控制信号移动至待熔敷部件的需熔敷位置，实现粗定位；
定位控制模块，与手动操作控制模块连接，当完成粗定位，定位控制模块用于输入待熔敷部件的需熔敷位置坐标及熔敷枪头的调整角度，熔敷枪头移动至需熔敷位置坐标处，且根据调整角度调整熔敷枪头垂直于需熔敷位置，完成精确定位；
激光扫描模块，与定位控制模块连接，当完成精确定位，激光扫描模块，用于利用激光扫描仪对待熔敷部件的需熔敷位置进行扫描得到多个离散点图，根据多个离散点图拟合构成待熔敷部件形貌图；
熔敷工作控制模块，与激光扫描模块连接，用于从待熔敷部件形貌图中提取熔敷轨迹，当接收到熔敷信号，使得熔敷枪头根据熔敷轨迹对待熔敷部件的需熔敷位置进行熔敷。
本发明的一种自动熔敷方法，方法包括如下步骤：
步骤一：输入熔敷枪头的手动移动速度信号和定位速度信号；
步骤二：输入方向按键控制信号，熔敷枪头根据方向按键控制信号和手动移动速度信号移动至待熔敷部件的需熔敷位置，实现粗定位；
步骤三：输入待熔敷部件的需熔敷位置坐标及熔敷枪头的调整角度，熔敷枪头根据定位速度信号移动至需熔敷位置坐标处，熔敷枪头根据调整角度调整至垂直于需熔敷位置，完成精确定位；
步骤四：利用激光扫描仪对待熔敷部件的需熔敷位置进行扫描得到多个离散点图，根据多个离散点图拟合构成待熔敷部件形貌图；
步骤五：从待熔敷部件形貌图中提取熔敷轨迹，使得熔敷枪头根据熔敷轨迹对待熔敷部件进行熔敷。
本发明的有益效果是：
本发明可以快速的对数据进行处理，减少通讯所用时间，通过激光扫描仪实时扫描得到离散点图，通讯后将离散点图通过计算拟合成所需要的待熔敷部件形貌图，省略了现有熔敷过程中通过人力观察熔敷部件的步骤，然后熔敷程序通过待熔敷部件形貌图进行精准熔敷，能够节省熔敷材料。
附图说明
图1为本发明的一种自动熔敷方法的工作流程图；
图2为本发明的一种自动熔敷系统的主界面示意图；
图3为本发明的一种自动熔敷系统的激光扫描图像处理界面示意图；
图4为本发明的一种自动熔敷系统的参数设置界面示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种自动熔敷系统，包括手动操作控制模块、定位控制模块、激光扫描模块和熔敷工作控制模块；
手动操作控制模块，用于输入方向按键控制信号，熔敷枪头根据方向按键控制信号移动至待熔敷部件的需熔敷位置，实现粗定位；
定位控制模块，与手动操作控制模块连接，当完成粗定位，定位控制模块用于输入待熔敷部件的需熔敷位置坐标及熔敷枪头的调整角度，熔敷枪头移动至需熔敷位置坐标处，且根据调整角度调整熔敷枪头垂直于需熔敷位置，完成精确定位；
激光扫描模块，与定位控制模块连接，当完成精确定位，激光扫描模块，用于利用激光扫描仪对待熔敷部件的需熔敷位置进行扫描得到多个离散点图，根据多个离散点图拟合构成待熔敷部件形貌图；
熔敷工作控制模块，与激光扫描模块连接，用于从待熔敷部件形貌图中提取熔敷轨迹，当接收到熔敷信号，使得熔敷枪头根据熔敷轨迹对待熔敷部件的需熔敷位置进行熔敷。
其中，还包括熔敷枪头方位控制装置，熔敷枪头方位控制装置上设有方位按键，
手动操作控制模块中的方向按键控制信号映射于方位按键，使得方位按键能够产生方向按键控制信号，进而熔敷枪头方位控制装置控制熔敷枪头根据待熔敷部件的移动至需熔敷的位置。
其中，还包括参数设置模块，参数设置模块，同时与手动操作控制模块和定位控制模块连接，用于输入熔敷枪头的手动移动速度信号和定位速度信号；
手动移动速度信号，用于确定手动操作控制模块中熔敷枪头的移动速度；
定位速度信号，用于确定定位控制模块中熔敷枪头的移动速度。
其中，激光扫描模块还包括采集控制模块；
激光扫描模块生成待熔敷部件的多个面的待熔敷部件形貌图，采集控制模块，用于对多个面的待熔敷部件形貌图进行储存。
其中，还包括测试熔敷工作控制模块，测试熔敷工作控制模块，同时与激光扫描模块和熔敷工作控制模块连接，用于从待熔敷部件形貌图中提取熔敷轨迹，当接收到熔敷测试信号，使得熔敷枪头根据熔敷轨迹对待熔敷部件的需熔敷位置进行熔敷测试，当熔敷测试结果准确，向熔敷工作控制模块发送熔敷信号。
其中，还包括标定控制模块，标定控制模块，同时与定位控制模块和测试熔敷工作控制模块连接，当完成精确定位或熔敷测试，标定控制模块，用于输入待熔敷部件的需熔敷位置坐标及熔敷枪头的调整角度，使得熔敷枪头重新精确定位。
具体实施方式二：本实施方式的一种自动熔敷方法，方法包括如下步骤：
步骤一：输入熔敷枪头的手动移动速度信号和定位速度信号；
步骤二：输入方向按键控制信号，熔敷枪头根据方向按键控制信号和手动移动速度信号移动至待熔敷部件的需熔敷位置，实现粗定位；
步骤三：输入待熔敷部件的需熔敷位置坐标及熔敷枪头的调整角度，熔敷枪头根据定位速度信号移动至需熔敷位置坐标处，熔敷枪头根据调整角度调整至垂直于需熔敷位置，完成精确定位；
步骤四：利用激光扫描仪对待熔敷部件的需熔敷位置进行扫描得到多个离散点图，根据多个离散点图拟合构成待熔敷部件形貌图；
步骤五：从待熔敷部件形貌图中提取熔敷轨迹，使得熔敷枪头根据熔敷轨迹对待熔敷部件进行熔敷。
其中，步骤四中还包括，生成待熔敷部件的多个面的待熔敷部件形貌图，对所述多个面的待熔敷部件形貌图进行储存并标记。
其中，步骤三中还包括，如果检测到熔敷枪头不垂直于需熔敷位置，则再次输入待熔敷部件的需熔敷位置坐标及熔敷枪头的调整角度，对所述熔敷枪头重新进行标定，直至检测到熔敷枪头垂直于需熔敷位置。
其中，步骤四中还包括，从待熔敷部件形貌图中提取熔敷轨迹，使得熔敷枪头根据所述熔敷轨迹对待熔敷部件的需熔敷位置进行熔敷测试，
当熔敷测试结果准确，转入步骤五；
否则，根据熔敷测试时实际运动轨迹与所述熔敷轨迹的偏移量对所述熔敷枪头重新进行标定。
具体地，本发明的一种自动熔敷系统，实际应用中可配置为安装于客户端的软件。
本系统主要包括参数设置模块、采集控制模块、手动操作控制模块、熔敷工作控制模块、标定控制模块、定位控制模块、激光扫描模块和刷新时间模块，先通过参数设置模块设置各项参数，然后通过手动操作控制模块找到合适的采集位置，通过定位控制模块和标定控制模块通过计算调整好合适的采集角度，打开激光模块采集到图像数据，最后使用熔敷工作控制模块进行熔敷。
根据图1～图4所示，详细阐述如下步骤：
一、参数设置模块提供参数设置功能，如图2所示，点击图2中参数设置可以弹出图4参数设置界面，此功能通过参数文本框中写入的数据改变程序的参数变量，可以根据实际情况调整运动参数模块下熔敷枪头手动移动速度和定位速度，包括熔敷枪头的运动速度和角度偏移速度，避免接下来的手动操作功能和定位功能由于熔敷枪头速度过快而与机器发生碰撞，或者速度过慢浪费时间。如图4所示，参数设置功能包括熔敷参数设置、运动参数设置和(被熔敷)管道参数设置，通过参数设置界面文本框内输入的数据提交到matlab为变量赋值，供编写的程序调用，通过参数设置功能可以手动设置熔敷枪头的各个方向的移动速度和定位速度，以及设置被熔敷的圆管直径与鳍片等参数。
二、手动操作控制模块提供手动操作控制功能，通过参数设置模块设置好的各个方向的移动速度和定位速度来进行手动操作和定位，具体操作为点击图2中手动模式后点击右侧坐标按钮(X轴+、X轴-、Y轴+、Y轴-、Z轴+、Z轴-、B轴+、B轴-、Sy轴+、Sy轴-、Sz轴+和Sz轴-)配合控制器(即熔敷枪头方位控制装置)按钮进行操作，手动操作控制功能可以调整熔敷枪头大概的角度与位置，然后再使用定位功能。手动操作控制功能包括熔敷枪头移动速度控制和位置控制，点击手动操作按钮后点击坐标按钮，通过按下控制器按钮来不断改变matlab软件自带的函数的变量，从而控制熔敷枪头，调整熔敷枪头的移动速度、坐标与角度，为后续的定位功能选好大概位置。
三、定位控制模块提供定位功能，包括各个坐标具体数值设置，点击图2定位控制按钮后可以通过向图2下方坐标文本框(定位坐标[x,y,z,b,Sy,Sz])中输入参数数据，设置参数后点击定位按钮，matlab程序会调用移动熔敷枪头的函数，熔敷枪头会自动调整位置与角度，实现精准控制。定位完成后记录数据，通过计算得出熔敷枪头是否垂直地面，如果不垂直则通过后续标定功能调整熔敷枪头角度，如果垂直则打开激光扫描功能。
四、标定控制模块提供标定功能，如图2所示，包括平移矩阵参数设置、熔敷枪长参数设置和吸粉平移矩阵设置，采集数据后如果发现数据不准确，可以点击标定功能来手动修改数据，点击二次标定坐标按钮后，软件通过读取设置的参数来改变原有数据，提高熔敷精准度。
标定功能分为一次标定功能和二次标定功能，其中一次标定功能为，如果检测到熔敷枪头不垂直于需熔敷位置，则再次输入待熔敷部件的需熔敷位置坐标及熔敷枪头的调整角度，对所述熔敷枪头重新进行标定，直至检测到熔敷枪头垂直于需熔敷位置；
而二次标定功能为，如果熔敷测试结果不准确，则根据熔敷测试时实际运动轨迹与所述熔敷轨迹的偏移量对所述熔敷枪头重新进行标定。上述设置的参数即为偏移量。
但如果熔敷测试后发现熔敷枪头严重偏移，则在必要时不进行二次标定，而是从一次标定重新开始。
五、激光扫描模块提供激光扫描功能，激光扫描功能包括打开激光功能、接收原始图像功能和拟合实际所需图像功能，点击图2中打开激光按钮后出现图3激光扫描界面，通过上述手动操作控制与定位控制确定熔敷枪头垂直于地面后，点击图3中扫描仪激光的开关来打开激光显示到激光功能界面，通过用Visual Studio 2017软件C语言中socket通讯方式发送指令来控制扫描仪的开关，激光扫描仪扫描到待熔敷部件的图像后点击图3中手动接收按钮可以使用软件内部定义的算法拟合处理得到熔敷所需要的准确图像数据，显示在界面上，实现节约材料和精准熔敷的目的。
因为拟合图像得到的是待熔敷部件的准确形貌，而激光扫描仪扫描到的原始图像是离散点图，离散点图是不能直接作为熔敷数据。通过现有图像拟合算法进行拟合后，将离散点图拟合成待熔敷部件准确的待熔敷部件形貌图，就可以计算出待熔敷部件的具体位置从而得到熔敷轨迹，熔敷枪头就可以根据熔敷轨迹进行准确的熔敷。
六、采集控制模块提供采集数据功能，包括数字写入、存管位和存面位，用于每次打开激光模块扫描到不同位置的图像数据后把位置写入采集控制模块的文本框中，点击保存后通过变量传值的方式提交后通过软件保存到数据文件中。具体为，激光扫描仪扫描到图像后，点击图2中采集控制按钮，采集数据功能可以手动的存储不同位置的待熔敷部件的准确图像数据信息，通过向图2中采集控制模块文本框(管信息采集处)中输入不同位置的数字可以使收集的图像数据信息更加准确，为熔敷提供数据。
七、测试熔敷工作控制模块提供测试熔敷功能，用于检测熔敷过程是否准确，包括工作部位参数选择设置、测试功能和断点功能，勾选主界面中测试功能后在matlab软件中设置全局变量，可以手动选择各个部位测试熔敷还是实际熔敷，在点击断点功能后已有数据保存在数据文件中使断点功能可以继续之前中断的任务；测试与断点功能，先点击图2右上角切换到熔敷模式后，点击熔敷工作控制按钮，根据采集控制功能得到的数据先进行测试熔敷，勾选测试功能按钮后改变程序内变量，可以在点击熔敷按钮后只移动熔敷枪头而不实际熔敷，为了避免标定错误而造成的材料浪费，断点功能可以继续执行之前未完成操作。如果测试熔敷后，发现熔敷枪头的熔敷运行路线不正确，熔敷过程存在问题，则需要重新标定。
八、熔敷工作控制模块提供熔敷功能，在测试功能结束后，如果熔敷枪头运行路线正确，熔敷过程没有问题，可以点击图2中熔敷按钮进行实际熔敷工作。
刷新时间模块提供刷新时间功能，包括数据刷新周期和通讯报警周期，通过clock函数的调用判断时间，可以实时显示数据刷新周期和通讯报警周期。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明的通讯部分是利用最底层的C语言，利用C语言中的socket通讯方法，接收数据后用Visual Studio 2017软件进行处理，处理后的数据通过数据文件供matlab软件读取。这样做可以更加快速的对数据进行处理，减少通讯所用时间，本软件通讯周期是15ms/次。
2、本发明的图像部分是通过扫描仪实时的扫描到图像，通讯后将数据信息以数据的方式交给matlab软件进行拟合，通过计算拟合成所需要的图像，熔敷程序通过图像进行精准熔敷。
3、本发明的控制部分是使用了matlab软件自带的M语言，此语言带有很多封装好的精确的数据处理函数，使数据更加精确。本软件可以手动输入熔敷枪头的坐标进行定位，同时有断点功能，可以继续执行之前保存的断点的工作，这样可以使熔敷更加精准。
4、本发明的操作方式是软件与控制器硬件按钮相结合，操作者可以按控制器的按钮来控制熔敷各个操作，这样的控制方式可以使熔敷工作更加方便。
5、本发明相较于之前发明增加了测试功能，在熔敷程序工作之前可以只模拟熔敷动作，而不实际熔敷，在这个过程中观察熔敷步骤是否合理，节省材料。
上述的，软件开发环境是Windows10系统，开发工具是matlab软件和VisualStudio2017，开发语言是C语言和少量的M语言，C/S架构模式。
软件与激光扫描仪通讯部分使用了C语言中socket函数进行通讯，保证了通讯速度。通过离散点进行图像拟合的部分使用了matlab封装好的函数，保证了数据的准确性。不同开发工具之间的数据传输使用了IO流读取数据文件的传输方式，防止文件由于程序错误关闭或断电等操作后丢失。软件带有测试功能，在熔敷程序工作之前可以只模拟熔敷动作，而不实际熔敷。软件与控制器硬件按钮相结合，操作简单化。软件的客户端为电脑。

Claims (10)

1.一种自动熔敷系统，其特征在于，包括手动操作控制模块、定位控制模块、激光扫描模块和熔敷工作控制模块；
所述手动操作控制模块，用于输入方向按键控制信号，熔敷枪头根据所述方向按键控制信号移动至待熔敷部件的需熔敷位置，实现粗定位；
所述定位控制模块，与手动操作控制模块连接，当完成粗定位，所述定位控制模块用于输入待熔敷部件的需熔敷位置坐标及熔敷枪头的调整角度，熔敷枪头移动至所述需熔敷位置坐标处，且根据所述调整角度调整所述熔敷枪头垂直于需熔敷位置，完成精确定位；
所述激光扫描模块，与所述定位控制模块连接，当完成精确定位，所述激光扫描模块，用于利用激光扫描仪对待熔敷部件的需熔敷位置进行扫描得到多个离散点图，根据多个离散点图拟合构成待熔敷部件形貌图；
所述熔敷工作控制模块，与激光扫描模块连接，用于从待熔敷部件形貌图中提取熔敷轨迹，当接收到熔敷信号，使得熔敷枪头根据所述熔敷轨迹对待熔敷部件的需熔敷位置进行熔敷。
2.根据权利要求1所述的一种自动熔敷系统，其特征在于，还包括熔敷枪头方位控制装置，所述熔敷枪头方位控制装置上设有方位按键，
手动操作控制模块中的方向按键控制信号映射于所述方位按键，使得所述方位按键能够产生方向按键控制信号，进而熔敷枪头方位控制装置控制熔敷枪头根据待熔敷部件的移动至需熔敷的位置。
3.根据权利要求1或2所述的一种自动熔敷系统，其特征在于，还包括参数设置模块，
所述参数设置模块，同时与手动操作控制模块和定位控制模块连接，用于输入所述熔敷枪头的手动移动速度信号和定位速度信号；
所述手动移动速度信号，用于确定所述手动操作控制模块中所述熔敷枪头的移动速度；
所述定位速度信号，用于确定所述定位控制模块中所述熔敷枪头的移动速度。
4.根据权利要求3所述的一种自动熔敷系统，其特征在于，所述激光扫描模块还包括采集控制模块，
所述激光扫描模块生成待熔敷部件的多个面的待熔敷部件形貌图，所述采集控制模块，用于对所述多个面的待熔敷部件形貌图进行储存。
5.根据权利要求4所述的一种自动熔敷系统，其特征在于，还包括测试熔敷工作控制模块，
所述测试熔敷工作控制模块，同时与激光扫描模块和熔敷工作控制模块连接，用于从待熔敷部件形貌图中提取熔敷轨迹，当接收到熔敷测试信号，使得熔敷枪头根据所述熔敷轨迹对待熔敷部件的需熔敷位置进行熔敷测试，当熔敷测试结果准确，向熔敷工作控制模块发送熔敷信号。
6.根据权利要求5所述的一种自动熔敷系统，其特征在于，还包括标定控制模块，
所述标定控制模块，同时与定位控制模块和测试熔敷工作控制模块连接，当完成精确定位或熔敷测试，所述标定控制模块，用于输入待熔敷部件的需熔敷位置坐标及熔敷枪头的调整角度，使得所述熔敷枪头重新精确定位。
7.一种自动熔敷方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：输入熔敷枪头的手动移动速度信号和定位速度信号；
步骤二：输入方向按键控制信号，所述熔敷枪头根据所述方向按键控制信号和手动移动速度信号移动至待熔敷部件的需熔敷位置，实现粗定位；
步骤三：输入待熔敷部件的需熔敷位置坐标及熔敷枪头的调整角度，熔敷枪头根据定位速度信号移动至所述需熔敷位置坐标处，所述熔敷枪头根据所述调整角度调整至垂直于需熔敷位置，完成精确定位；
步骤四：利用激光扫描仪对待熔敷部件的需熔敷位置进行扫描得到多个离散点图，根据多个离散点图拟合构成待熔敷部件形貌图；
步骤五：从待熔敷部件形貌图中提取熔敷轨迹，使得熔敷枪头根据所述熔敷轨迹对待熔敷部件进行熔敷。
8.根据权利要求7所述的一种自动熔敷方法，其特征在于，步骤四中还包括，
生成待熔敷部件的多个面的待熔敷部件形貌图，对所述多个面的待熔敷部件形貌图进行储存并标记。
9.根据权利要求7所述的一种自动熔敷方法，其特征在于，步骤三中还包括，
如果检测到熔敷枪头不垂直于需熔敷位置，则再次输入待熔敷部件的需熔敷位置坐标及熔敷枪头的调整角度，对所述熔敷枪头重新进行标定，直至检测到熔敷枪头垂直于需熔敷位置。
10.根据权利要求7所述的一种自动熔敷方法，其特征在于，步骤四中还包括，
从待熔敷部件形貌图中提取熔敷轨迹，使得熔敷枪头根据所述熔敷轨迹对待熔敷部件的需熔敷位置进行熔敷测试，
当熔敷测试结果准确，转入步骤五；
否则，根据熔敷测试时实际运动轨迹与所述熔敷轨迹的偏移量对所述熔敷枪头重新进行标定。
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