CN110936077A - 一种膜式水冷壁堆焊路径生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膜式水冷壁堆焊路径生成方法，该方法采用工业3D相机配合机器人进行拍摄，拍摄后点云按照算法进行路径规划，同时计算焊枪姿态，得到与焊接工艺参数匹配的算法和工作流程，整个过程自动完成，生产效率大大提高；焊接过程通过3D视觉修正由于装夹、变形、零件本身尺寸精度等因素引起的误差，计算出合理的堆焊路径和焊接参数，本发明方法计算精度高、误差小。

Description

一种膜式水冷壁堆焊路径生成方法

技术领域

本发明涉及一种膜式水冷壁堆焊路径生成方法，属于自动焊接领域。

背景技术

膜式水冷壁在工业锅炉中应用广泛，相比普通水冷壁，在水冷壁上堆焊一层耐磨耐腐蚀层，膜式壁可以提高锅炉设备运行的稳定性和安全性。

堆焊耐磨防蚀层是比较常用的一种膜式壁生产方法，通常膜式壁宽度为2-3米，高度8-12米，目前该方法生产膜式壁主要依赖人工或半自动化焊接装置，生产过程中人工不断调整焊枪位置和角度，设置焊机工艺参数，整体过程人工干预较多，堆焊质量不易控制，生产效率很难提高。

膜式壁自动化堆焊生成的难点在于：膜式壁装夹精度、堆焊过程中有较大变形导致膜式壁形状和位置改变，离线编程路径需要人工干预进行调整。膜式壁堆焊时不同位置需要适配不同的焊枪姿态和焊接参数，需要人工干预调整。堆焊后质量检测需要人工干预，以便焊后进行修补工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种膜式水冷壁堆焊路径生成方法，该方法可以通过机器视觉识别膜式壁特征信息和位置参数后，自动生成堆焊路径，调整焊枪姿态，并配合不同的焊接工艺参数，降低人为因素，提高生成质量和效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种膜式水冷壁堆焊路径生成方法，包括如下步骤：

步骤1，使用机器人新建一个工件坐标系，记作Wobj1，从左到右钢管分别记作P1，P2...Pn，该坐标系原点距离膜式壁下方边沿约100mm，位于膜式壁最左侧两根钢管之间，坐标系Y正方向为延膜式壁钢管轴线向上方向，坐标系X方向为延膜式壁表面水平向右方向；

步骤2，通过控制系统软件生成膜式壁拍摄点路径，控制机器人抓取3D相机，升降台从下往上运动，机器人运动到指定拍摄点C1、C2、C3...Cm，设备静止后进行拍摄，软件记录拍摄点坐标和拍摄点云信息，即完成P1、P2管区域的所有点云信息采集；

步骤3，通过软件计算分析出每张照片中膜式壁管-板尺寸和位置信息，使用RANSAC算法从点云中提取出圆柱面的点，并计算出圆柱半径和轴线(轴线使用点法式表示，x，y，z，Nx，Ny，Nz即轴线经过空间点x，y，z，方向为Nx，Ny，Nz)，同时计算出扁钢平面的参数方程；

步骤4，通过圆柱参数和扁钢平面参数，新建一个坐标系，记作Wobj_std；Wobj_std坐标系原点与Wobj1坐标原点重合，Y轴正方向为圆柱轴线向上的方向，Z轴正方向为扁钢法线方向；

步骤5，将步骤2中的点云信息坐标转换为Wobj_std，即完成膜式壁特征识别和位置参数识别；

步骤6，根据识别出的模型参数，对每张照片中的工件进行焊缝路径规划，计算出该路径下的焊枪姿态和工艺参数，最后将路径从上到下进行拼接处理，生成若干条完整的从上到下的堆焊路径。

步骤7，将步骤6中的堆焊路径对应的机器人代码上传到机器人设备中，控制机器人完成膜式壁P1区域的堆焊工作。

步骤8，将拍摄区域X方向向右平移1根管的间距，重复第2步到第4步，拍摄出P1和P2区域，对P1已经堆焊区域进行焊缝表面特征识别，找出异常区域。

步骤9，重复步骤2到步骤8，即可完成P2，P3...Pn所有区域的堆焊生成工作。

其中，步骤6中，生成若干条完整的从上到下的堆焊路径的方法包括如下步骤，

首先计算圆柱面与平面交线，采用如下方法，

在Wobj_std坐标系下，假设圆柱轴线经过点(x0，y0，z0)，法线方向为(nx，ny，nz)，圆柱半径为R，则平面方程参数经过简化为[0，0，1，-d]，即z＝d；

y＝y0------式1

(x-x0)*(x-x0)+(z-z0)*(z-z0)＝R*R------式2

z＝d------式3

联立式1，2，3，即可求解出圆柱面与扁钢平面的两根交线为(x1，y1，z1，nx，ny，nz)和(x2，y1，z1，nx，ny，nz)；

然后计算圆柱面表面填充路径，方法如下，

根据预先设置的焊缝宽度w，圆柱半径R，以及圆柱面与扁钢交点、角焊缝焊接倾斜角度，可以计算出圆柱面需要几道焊缝填充，以及圆柱面表面填充点坐标；根据圆的几何知识，可以得到每个焊点之间的角度差(焊缝的角度)为θ＝w/2R，焊缝道数n＝∠BQG/θ，采用四舍五入取整数；然后计算调整后的焊缝宽度w＝∠BQG/n*2R；根据每道焊缝的角度θ可以计算出圆柱面表面填充的坐标；

然后计算扁钢填充路径采用如下方法：

根据预先设置焊缝宽度w，圆柱半径R，以及扁钢和圆柱交点坐标，可以计算出扁钢需要几道焊缝填充以及修正后的焊缝宽度wp；扁钢焊缝道数m＝D/w，其中D为扁钢填充路径开始和结束点，该点由圆柱填充路径计算时获取；使用四舍五入取整；然后计算调整后的焊缝宽度wd＝D/m；最后计算出每道焊缝边界点坐标；

然后，调整每道焊缝的焊枪姿态如下，

对于圆柱焊接时的姿态，选中圆柱上焊接的两点，焊枪应该是垂直于两点之间的线段，同时指向圆柱剖面的圆心点，这样就可以计算出圆柱面上每道焊缝姿态；扁钢焊缝姿态调整时考虑焊枪喷嘴是否会与工件发生碰撞，当焊缝位置与圆心距离大于喷嘴半径时，焊枪可以垂直于扁钢平面；然后，预先设置角焊缝、圆柱面焊缝、平面焊缝参数，软件计算出路径后，根据路径类型自动匹配合适的焊接工艺；

最后，从上到下，计算出膜式壁一根钢管最上端位置到最下端位置的焊缝路径，然后将这些焊缝路径拼接为一条完整路径。结合焊枪姿态、焊接工艺参数，即可生成机器人执行代码。

有益效果：本发明方法采用工业3D相机配合机器人进行拍摄，拍摄后点云按照算法进行路径规划，同时计算焊枪姿态，得到与焊接工艺参数匹配的算法和工作流程，整个过程自动完成，生产效率大大提高，焊接过程通过3D视觉修正由于装夹、变形、零件本身尺寸精度等因素引起的误差，计算出合理的堆焊路径和焊接参数，本发明方法计算精度高、误差小。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明方法中生成堆焊路径的流程图；

图3为本发明堆焊层示意图；

图4为本发明填充计算示意图；

图5为膜式壁图像采集过程。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

如图1～5所示，本发明膜式水冷壁堆焊路径生成方法，包括如下步骤：

步骤1，使用机器人新建一个工件坐标系，记作Wobj1，从左到右钢管分别记作P1，P2...Pn，该坐标系原点距离膜式壁下方边沿约100mm，位于膜式壁最左侧两根钢管之间，坐标系Y正方向为延膜式壁钢管轴线向上方向，坐标系X方向为延膜式壁表面水平向右方向。

步骤2，软件控制系统生成膜式壁拍摄点路径，控制机器人抓取3D相机，升降台从下往上运动，机器人运动到指定拍摄点C1、C2、C3...Cm后，设备静止后进行拍摄，软件记录拍摄点坐标和拍摄点云信息，此时系统已经完成P1、P2管区域的所有点云信息采集。

步骤3，软件计算分析出每张照片中膜式壁管-板尺寸和位置信息，使用RANSAC算法从点云中提取出圆柱面的点，并计算出圆柱半径和轴线(轴线使用点法式表示，x，y，z，Nx，Ny，Nz即轴线经过空间点x，y，z，方向为Nx，Ny，Nz)，同时计算出扁钢平面的参数方程。

步骤4，通过圆柱参数和扁钢平面参数，可以新建一个坐标系，记作Wobj_std。该坐标系原点与Wobj1重合，Y轴正方向为圆柱轴线向上的方向，Z轴正方向为扁钢法线方向。

步骤5，将点云坐标转换为Wobj_std，完成膜式壁特征识别和位置参数识别。

步骤6，根据识别出的模型参数，对每张照片中的工件进行焊缝路径规划，计算出该路径下的焊枪姿态和工艺参数，最后将路径从上到下进行拼接处理，生成若干条完整的从上到下的堆焊路径，具体步骤如下：

步骤6.1，计算圆柱面与平面交线：

在第5步中已经将点云转换为Wobj_std表达方式，这样可以简化交线计算，假设圆柱轴线经过点(x0，y0，z0)，法线方向为(nx，ny，nz)，圆柱半径为R。平面方程参数经过简化为[0，0，1，-d]，即z＝d；

y＝y0------式1

(x-x0)*(x-x0)+(z-z0)*(z-z0)＝R*R------式2

z＝d------式3

联立式1，2，3，即可求解出圆柱面与扁钢平面的两根交线为(x1，y1，z1，nx，ny，nz)和(x2，y1，z1，nx，ny，nz)。

步骤6.2计算圆柱面表面填充路径。

如图4所示，根据用户设置的焊缝宽度w，圆柱半径R，以及圆柱面与扁钢交点A、H、P点，角焊缝焊接倾斜角度，可以计算出圆柱面需要几道焊缝填充，以及填充CDEF点坐标。

根据圆的几何知识，可以得到每道焊缝的角度

θ＝w/2R

焊缝道数n＝∠BQG/θ，采用四舍五入取整数。

然后计算调整后的焊缝宽度w＝∠BQG/n*2R。

根据点B，G坐标和每道焊缝的角度θ可以计算出CDEF坐标。

步骤6.3计算扁钢填充路径。

如图4所示，根据用户设置焊缝宽度w，圆柱半径R，以及之前步骤计算出的H、I、L、P点坐标，可以计算出扁钢需要几道焊缝填充，和修正后的焊缝宽度wp。

扁钢焊缝道数m＝D_IL/w，使用四舍五入取整。

然后计算调整后的焊缝宽度wd＝D_IL/m

最后计算出每道焊缝边界点K、J等点坐标。(实际计算焊缝可能不止两道)

步骤6.4调整每道焊缝的焊枪姿态。

参看附图4，圆柱面焊缝姿态以BC路径为例，计算出BC中点，焊枪应该是垂直于线段BC，指向圆心Q点，这样就可以计算出圆柱面上每道焊缝姿态。

扁钢焊缝姿态，需要考虑焊枪喷嘴是否会与工件发生碰撞，当焊缝位置与圆心距离大于喷嘴半径时，焊枪可以垂直于扁钢平面。

步骤6.5匹配焊接工艺参数。

用户可以预先设置角焊缝、圆柱面焊缝、平面焊缝参数，软件计算出路径后，可以根据路径类型自动匹配合适的焊接工艺。

步骤6.6从上到下，计算出膜式壁一根钢管最上端位置到最下端位置的焊缝路径，然后将这些焊缝路径拼接为一条完整路径。结合焊枪姿态、焊接工艺参数，即可生成机器人执行代码。

步骤7，上传机器人代码到机器人设备，控制机器人完成膜式壁P1区域的堆焊工作。

步骤8，将拍摄区域X方向右平移1根管的间距，重复第2步到第5步，拍摄出P1和P2区域，对P1已经堆焊区域进行焊缝表面特征识别，找出异常区域。

步骤9，重复第2步到第8步，即可完成P2，P3...Pn所有区域的堆焊生成工作。

Claims (2)

1.一种膜式水冷壁堆焊路径生成方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

(1)使用机器人新建一个工件坐标系，记作Wobj1，从左到右钢管分别记作P1，P2…Pn，该坐标系原点距离膜式壁下方边沿约100mm，位于膜式壁最左侧两根钢管之间，坐标系Y正方向为延膜式壁钢管轴线向上方向，坐标系x方向为延膜式壁表面水平向右方向；

(2)通过控制系统软件生成膜式壁拍摄点路径，控制机器人抓取3D相机，升降台从下往上运动，机器人运动到指定拍摄点C1、C2、C3…Cm，设备静止后进行拍摄，软件记录拍摄点坐标和拍摄点云信息，完成P1、P2管区域的所有点云信息采集；

(3)通过软件计算分析出每张照片中膜式壁管-板尺寸和位置信息，使用RANSAC算法从点云中提取出圆柱面的点，并计算出圆柱半径和轴线，同时计算出扁钢平面的参数方程；轴线使用点法式表示，x，y，z，Nx，Ny，Nz即轴线经过空间点x，y，z，方向为Nx，Ny，Nz；

(4)通过圆柱参数和扁钢平面参数，新建一个坐标系，记作Wobj_std；Wobj_std坐标系原点与Wobj1坐标原点重合，Y轴正方向为圆柱轴线向上的方向，Z轴正方向为扁钢法线方向；

(5)将步骤(2)中的点云信息坐标转换为Wobj_std，即完成膜式壁特征识别和位置参数识别；

(6)根据识别出的模型参数，对每张照片中的工件进行焊缝路径规划，计算出该路径下的焊枪姿态和工艺参数，最后将路径从上到下进行拼接处理，生成若干条完整的从上到下的堆焊路径。

(7)将步骤(6)中的堆焊路径对应的机器人代码上传到机器人设备中，控制机器人完成膜式壁P1区域的堆焊工作。

(8)将拍摄区域X方向向右平移1根管的间距，重复第(2)步到第(4)步，拍摄出P1和P2区域，对P1已经堆焊区域进行焊缝表面特征识别，找出异常区域；

(9)重复步骤(2)到步骤(8)，即可完成P2，P3…Pn所有区域的堆焊生成工作。

2.根据权利要求1所述的膜式水冷壁堆焊路径生成方法，其特征在于：步骤(6)中，生成若干条完整的从上到下的堆焊路径的方法包括如下步骤，

首先计算圆柱面与平面交线，采用如下方法，

在Wobj_std坐标系下，假设圆柱轴线经过点(x0，y0，z0)，法线方向为(nx，ny，nz)，圆柱半径为R，则平面方程参数经过简化为[0，0，1，-d]，即z＝d；

y＝y0 式1

(x-x0)*(x-x0)+(z-z0)*(z-z0)＝R*R 式2

z＝d 式3

联立式1，2，3，即可求解出圆柱面与扁钢平面的两根交线为(x1，y1，z1，nx，ny，nz)和(x2，y1，z1，nx，ny，nz)；

然后计算圆柱面表面填充路径，方法如下，

根据预先设置的焊缝宽度w，圆柱半径R，以及圆柱面与扁钢交点、角焊缝焊接倾斜角度，可以计算出圆柱面需要几道焊缝填充，以及圆柱面表面填充点坐标；根据圆的几何知识，可以得到每个焊点之间的角度差为θ＝w/2R，焊缝道数n＝∠BQG/θ，采用四舍五入取整数；然后计算调整后的焊缝宽度w＝∠BQG/n*2R；根据每道焊缝的角度θ可以计算出圆柱面表面填充的坐标；

然后计算扁钢填充路径采用如下方法：

根据预先设置焊缝宽度w，圆柱半径R以及扁钢和圆柱交点坐标，可以计算出扁钢需要几道焊缝填充以及修正后的焊缝宽度wp；扁钢焊缝道数m＝D/w，其中D为扁钢填充路径开始和结束点，该点由圆柱填充路径计算时获取；使用四舍五入取整；然后计算调整后的焊缝宽度wd＝D/m；最后计算出每道焊缝边界点坐标；

然后，调整每道焊缝的焊枪姿态如下，

对于圆柱焊接时的姿态，选中圆柱上焊接的两点，焊枪是垂直于两点之间的线段，同时指向圆柱剖面的圆心点，这样计算出圆柱面上每道焊缝姿态；扁钢焊缝姿态调整时考虑焊枪喷嘴是否会与工件发生碰撞，当焊缝位置与圆心距离大于喷嘴半径时，焊枪可以垂直于扁钢平面；然后，预先设置角焊缝、圆柱面焊缝、平面焊缝参数，软件计算出路径后，根据路径类型自动匹配合适的焊接工艺；

最后，从上到下，计算出膜式壁一根钢管最上端位置到最下端位置的焊缝路径，然后将这些焊缝路径拼接为一条完整路径。结合焊枪姿态、焊接工艺参数，即可生成机器人执行代码。

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