CN111451610B - 焊接过程的控制方法和控制装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种焊接过程的控制方法和控制装置，该方法基于激光图像确定焊缝坡口宽度和深度；基于熔敷量和焊接参数获得熔敷宽度和熔敷高度；建立所述焊缝坡口宽度和焊缝坡口深度与所述熔敷宽度和熔敷高度之间的映射关系；基于所述映射关系确定焊枪的移动路径。在焊接装置到达相应位置时，焊枪自动移动到需要焊接的位置，无需焊接人员操作控制，操作简单、准确性好且效率较高。

Description

焊接过程的控制方法和控制装置

技术领域

本发明一般涉及焊接控制技术领域，尤其涉及一种焊接过程的控制方法和控制装置。

背景技术

管道焊接作为与制造业密切相关的重要生产方式，随着工业生产的现代化发展逐步深入，在诸多方面面临前所未有的挑战，对焊接技术水平与焊接生产模式提出了新的要求，亟待提高焊接中的智能化和自动化水平。而管道焊缝自动跟踪系统作为体现焊接自动化技术水平的一个重要方面，正起到越来越重要的作用。目前国内使用的自动焊接机器人大部分采用导轨式焊接设计，机器人沿着导轨行进，取得了一定的效果。但在机器人到达相应位置时需要一定的焊接人员操作控制焊枪移动到需要焊接的位置。上述焊接控制方式对操作人员要求高，操作难度大、准确性差且效率低下。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种焊接过程的控制方法和控制装置，在焊接装置到达相应位置时，焊枪自动移动到需要焊接的位置，无需焊接人员操作控制，操作简单、准确性好且效率较高。

第一方面，本发明提供一种焊接过程的控制方法，其特殊之处在于，包括：

确定焊缝坡口的宽度和深度；

基于熔敷量和焊接参数获得熔敷宽度和熔敷高度；

建立所述焊缝坡口的宽度和所述焊缝坡口的深度与所述熔敷宽度和所述熔敷高度之间的映射关系；

基于所述映射关系确定焊枪的移动路径。

在一实施例中，确定焊缝坡口的宽度和深度的步骤包括：

基于激光图像识别焊缝坡口的顶部两侧拐点、所述顶部两侧拐点的中间点、底部两侧拐点以及所述底部两侧拐点的中间点；

基于所述焊缝坡口的所述顶部两侧拐点和所述底部两侧拐点获得所述焊缝坡口的顶部宽度和底部宽度，基于所述顶部两侧拐点的中间点和所述底部两侧拐点的中间点获得所述焊缝坡口的深度。

在一实施例中，确定焊缝坡口的宽度和深度的步骤还包括：

获取焊缝坡口形状轮廓的参数方程；

基于所述参数方程内对所述焊缝坡口的顶部宽度和底部宽度以及所述焊缝坡口的深度进行校验；

根据所述参数方程的校验结果判断是否重新获取激光图像，直至校验通过。

在一实施例中，基于熔敷量和焊接参数获得熔敷宽度和熔敷高度的步骤包括：

基于所述熔敷量和所述焊接参数中的焊接速度获得熔敷截面的面积；

基于所述焊接参数中的其他焊接参数获得熔敷宽度；

基于所述熔敷截面的面积和所述熔敷宽度计算所述熔敷高度。

在一实施例中，建立所述焊缝坡口宽度和焊缝坡口深度与所述熔敷宽度和熔敷高度之间的映射关系的步骤包括：

基于所述焊缝坡口的宽度与所述熔敷宽度的比值，确定焊缝坡口宽度方向上的焊道数量；

基于所述焊缝坡口的深度与所述熔敷高度的比值，确定焊缝坡口深度方向上的焊层数量。

在一实施例中，基于所述焊缝坡口宽度与所述熔敷宽度的比值，确定焊缝坡口宽度方向上的焊道数量的步骤包括：

计算所述焊缝坡口的宽度与所述熔敷宽度的比值，若所述焊缝坡口的宽度与所述熔敷宽度的比值大于n-1小于等于n，则确定的所述焊道数量为n道，其中n为自然数。

在一实施例中，基于所述焊缝坡口深度与所述熔敷高度的比值，确定焊缝坡口深度方向上的焊层数量的步骤包括：

计算所述焊缝坡口高度与所述熔敷高度的比值，若所述焊缝坡口高度与所述熔敷高度的比值大于n-1小于等于n，则确定的所述焊层数量为n层，其中n为自然数。

在一实施例中，基于所述映射关系确定焊枪的移动路径的步骤包括：

基于所述焊道数量确定所述焊枪在焊缝坡口宽度方向上的移动顺序和位置；

基于所述焊层数量确定所述焊枪在焊缝坡口深度方向上的移动顺序和位置。

第二方面，本发明提供一种焊接过程的控制装置，其特殊之处在于，能够执行上面所述的焊接过程的控制方法。

根据本申请实施例提供的技术方案，该方法确定焊缝坡口的宽度和深度；基于熔敷量和焊接参数获得熔敷宽度和熔敷高度；建立所述焊缝坡口的宽度和所述焊缝坡口的深度与所述熔敷宽度和所述熔敷高度之间的映射关系；基于所述映射关系确定焊枪的移动路径。在焊接装置到达相应位置时，焊枪自动移动到需要焊接的位置，无需焊接人员操作控制，操作简单、准确性好且效率较高。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本申请的实施例的焊接过程的控制方法的流程图；

图2是根据本申请的实施例的一个焊缝的侧视图；

图3是根据本申请的实施例的另一个焊缝的侧视图；

图4是根据本申请的实施例的又一个焊缝的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如背景技术中提到的，目前国内使用的自动焊接机器人大部分采用导轨式焊接设计，机器人沿着导轨行进，取得了一定的效果。但在机器人到达相应位置时需要一定的焊接人员操作控制焊枪移动到需要焊接的位置。上述焊接控制方式对操作人员要求高，操作难度大、准确性差且效率低下。

因此，如何高效准确地操作控制焊枪移动到需要焊接的位置将成为本申请的改进方向。针对上述目的，本申请提供一种焊接过程的控制方法和控制装置，通过建立所述焊缝坡口宽度和焊缝坡口深度与所述熔敷宽度和熔敷高度之间的映射关系，基于所述映射关系确定焊枪的移动路径。在焊接装置到达相应位置时，焊枪能自动移动到需要焊接的位置，无需焊接人员操作控制，操作简单、准确性好且效率较高。

如图1所示，本发明提供一种焊接过程的控制方法，包括：

步骤10中，确定焊缝坡口的宽度和深度；

步骤20中，基于熔敷量和焊接参数获得熔敷宽度和熔敷高度；

步骤30中，建立所述焊缝坡口的宽度和所述焊缝坡口的深度与所述熔敷宽度和所述熔敷高度之间的映射关系；

步骤40中，基于所述映射关系确定焊枪的移动路径。

需要说明的是，熔敷量指的是单位时间内进入焊缝金属的焊丝、焊芯等金属的熔化量，例如重量或体积。焊接工艺参数主要包括焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度和预热温度等。

根据预先确定的焊枪移动路径，在焊接装置到达相应位置时，焊枪自动移动到需要焊接的位置。

首先，结合图2对步骤10展开说明。确定焊缝坡口的宽度和深度的步骤具体可以包括：

步骤101，基于激光图像识别焊缝坡口的顶部两侧拐点A和C、所述顶部两侧拐点的中间点、底部两侧拐点B和D以及所述底部两侧拐点的中间点；

步骤102，基于所述焊缝坡口的所述顶部两侧拐点和所述底部两侧拐点获得所述焊缝坡口的顶部宽度和底部宽度，基于所述顶部两侧拐点的中间点和所述底部两侧拐点的中间点获得所述焊缝坡口的深度。

对于V型焊缝坡口而言，焊缝坡口呈大致梯形截面，特别是等腰梯形，因此，获得了坡口的顶部宽度、底部宽度和深度可以大致概括出坡口的截面参数。

但对于一些其他形状的焊缝坡口，例如U型焊缝坡口，则需要根据实际情况去焊缝坡口根部点的坐标，以便于较为准确地获得该形状坡口的截面参数。需要说明的是U型焊缝坡口的底部两侧拐点为U型焊缝坡口曲线部分的两端点，焊缝坡口根部点为U型焊缝坡口曲线部分的顶点。

基于上面叙述，确定焊缝坡口的宽度和深度的步骤还包括：

步骤103，获取焊缝坡口形状轮廓的参数方程；

步骤104，基于所述参数方程内对所述焊缝坡口的顶部宽度和底部宽度以及所述焊缝坡口的深度进行校验；

步骤105，根据所述参数方程的校验结果判断是否重新获取激光图像，直至校验通过。

基于所述参数方程内对所述焊缝坡口的顶部宽度和底部宽度以及所述焊缝坡口的深度进行校验具体可以包括：

将所述顶部两侧拐点、所述顶部两侧拐点的中间点、所述底部两侧拐点以及所述底部两侧拐点的中间点代入所述参数方程内对所述焊缝坡口的顶部宽度和底部宽度以及所述焊缝坡口的深度进行校验；

若顶部两侧拐点、所述顶部两侧拐点的中间点、所述底部两侧拐点以及所述底部两侧拐点的中间点的坐标在所允许的误差范围内，则无需重新获取激光图像；

若顶部两侧拐点、所述顶部两侧拐点的中间点、所述底部两侧拐点以及所述底部两侧拐点的中间点的坐标超出所允许的误差范围内，则需要重新获取激光图像；

下面以U型焊缝坡口为例进行详细说明。

假设U型焊缝坡口曲线部分的方程为：y＝2x²，根据激光图像识别的底部两侧拐点的坐标分别为：底部左侧拐点坐标(-1.1，-2.3)和底部右侧拐点坐标(0.9，2.1)，而x坐标和y坐标允许的误差范围小于等于0.1，通过计算可知底部左侧拐点坐标在所允许的误差范围内，而底部右侧拐点超出了所允许的范围，因此仍需重新获取激光图像，直至底部两侧拐点的坐标均处于所允许的误差范围内，这时校验通过。

随后，对步骤20进行详细叙述。基于熔敷量和焊接参数获得熔敷宽度和熔敷高度的步骤具体可以包括：

步骤201，基于所述熔敷量和焊接速度获得熔敷截面的面积；

步骤202，基于一个或多个其他焊接参数获得熔敷宽度；

步骤203，基于所述熔敷截面的面积和所述熔敷宽度计算所述熔敷高度。

在此对上述内容进一步说明，熔敷量除以焊接速度(例如焊接小车的行走速度)可以得到熔敷截面，焊接参数直接决定了焊接热影响区的范围，而根据焊接热影响区的范围可以得到熔敷宽度。

在明确焊缝坡口宽度和深度以及熔敷宽度和熔敷高度的基础上，接着对步骤30进行说明。建立所述焊缝坡口宽度和焊缝坡口深度与所述熔敷宽度和熔敷高度之间的映射关系的步骤具体可以包括：

基于所述焊缝坡口的宽度与所述熔敷宽度的比值，确定焊缝坡口宽度方向上的焊道数量；

基于所述焊缝坡口的深度与所述熔敷高度的比值，确定焊缝坡口深度方向上的焊层数量。

其中，基于所述焊缝坡口宽度与所述熔敷宽度的比值，确定焊缝坡口宽度方向上的焊道数量的步骤具体可以包括：

计算所述焊缝坡口的宽度与所述熔敷宽度的比值，若所述焊缝坡口的宽度与所述熔敷宽度的比值大于n-1小于n，则确定的焊道数量为n道，其中n为自然数。

其中，基于所述焊缝坡口深度与所述熔敷高度的比值，确定焊缝坡口深度方向上的焊层数量的步骤具体可以包括：

计算所述焊缝坡口高度与所述熔敷高度的比值，若所述焊缝坡口高度与所述熔敷高度的比值大于n-1小于n，则确定的焊层数量为n层，其中n为自然数。

如此，则建立所述焊缝坡口宽度和焊缝坡口深度与所述熔敷宽度和熔敷高度之间的映射关系。事实上，所述映射关系可以理解为包括填充焊缝破口的焊道层数以及每焊道层的焊道数量。

可以看出，映射关系的本质在于获得焊道数量和焊层数量，因而步骤40基于所述映射关系确定焊枪的移动路径的步骤具体可以包括：

基于所述焊道数量确定所述焊枪在焊缝坡口宽度方向上的移动顺序和位置；

基于所述焊层数量确定所述焊枪在焊缝坡口深度方向上的移动顺序和位置。

需要特别指出的是，实际焊层在焊缝坡口的高度方向上为弧形结构，并非规则的矩形，因此理想熔敷高度与实际认为的熔敷高度存在一定的误差，但是因为焊枪存在电弧长度，电弧长度远大于理想熔敷高度与实际熔敷高度的误差，所以此误差可以忽略不计，可以近似认为各个焊层的高度相同。

此外，焊缝坡口宽度和焊缝坡口深度可以不是完全等分的，而是可以根据焊接参数所对应的熔敷宽度和熔敷高度来确定。例如：焊缝坡口宽度是9mm,而焊接参数所能达到的熔敷宽度是2mm，那就必须在焊缝坡口宽度方向上分成5道焊接，我们可以适当调节每一焊道宽度，比如将焊道宽度调节至1.8mm，熔敷宽度2mm相对于焊道宽度多出来的0.2mm，可以通过各焊道对应的熔敷宽度相互交叠来吸收多出来的0.2mm。同样，焊缝坡口深度方向各个焊层的调节方式与焊缝坡口宽度上各个焊道的调节方式类似，在此不做展开说明。

此外需要强调的是，本发明还提供一种焊接过程的控制装置，该控制装置能够执行上面所述的焊接过程的控制方法。

为便于对本发明的理解，下面以本发明焊接过程的控制装置的原理，结合实施例中对焊接过程的控制方法的描述，对本发明进一步举例说明。

假设焊层为一层时，焊枪的移动距离为H0；则焊层为两层时，焊枪的移动距离为2H0，焊层为三层时，焊枪的移动距离为3H0，首先判断焊缝坡口深度H1与熔敷高度H0之间的关系。

如图2所示，若H1＜H0，则焊缝坡口深度方向上的焊层数量为一层，也就是焊枪在焊缝坡口高度方向上需要摆动一次即可满足焊接填充需求，将焊枪移动至H0高度处A、C两点的连线上方，也就是焊缝坡口顶部进行焊接填充操作；

如图3所示，若H0＜H1＜2H0，则焊缝坡口深度方向上的焊层数量为两层，也就是焊枪在焊缝坡口高度方向上需要摆动两次才能满足焊接填充需求，将焊枪移动至焊缝坡口H0高度处G、H连线的上方进行焊接填充操作，待焊缝坡口H0高度处所在平面焊接完成后，再将焊枪移动至2H0高度处A、C连线的上方，也就是焊缝坡口顶部进行焊接填充操作；

如图4所示，若2H0＜H1＜3H0，则焊缝坡口深度方向上的焊层数量为三层，也就是焊枪在焊缝坡口高度方向上需要摆动三次才能满足焊接填充需求，将焊枪分别移动至焊缝坡口H0高度处G、H连线上方、2H0高度处J、K连线上方和3H0高度处A、C连线上方进行焊接填充操作。

根据上面列举的情况根据依次类推，完成不同深度焊缝坡口在焊缝坡口高度方向上的焊接填充。

结合焊缝坡口深度H1与熔敷高度H0之间的关系，判断焊缝坡口不同高度处焊缝坡口深度宽度W1与熔敷宽度W0之间的关系。

再次参见图2，若W1＜W0，则焊缝坡口宽度方向上的焊道数量为一道，也就是焊枪在相应焊缝坡口高度处的焊缝坡口宽度方向上需要摆动一次即可满足焊接填充需求，将焊枪移动至顶部两侧拐点B、D的中间点进行焊接填充操作；

再次参见图3，若W0＜W1＜2W0，则焊缝坡口深度方向上的焊层数量为两道，也就是焊枪在相应焊缝坡口高度处的焊缝坡口宽度方向上需要摆动两次才能满足焊接填充需求，先将焊枪移动至将焊枪移动第一个焊道两端点B、E的中间点进行焊接填充操作，再将焊枪移动第二个焊道两端点E、D的中间点进行焊接填充操作。

再次参见图4，若2W0＜H1＜3W0，则焊缝坡口深度方向上的焊道数量为三层，也就是焊枪在相应焊缝坡口高度处的焊缝坡口宽度方向上需要摆动三次才能满足焊接填充需求，将焊枪分别移动至第一焊道两端点B、E的中间点，第二焊道两端点E、F的中间点和第三焊道两端点E、D的中间点进行焊接填充操作。

由此，本申请提供了一种可以高效准确地操作控制焊枪移动到需要焊接的位置的焊接过程的控制方法和控制装置。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种焊接过程的控制方法，其特征在于，包括：

确定焊缝坡口的宽度和深度；

基于熔敷量和焊接参数获得熔敷宽度和熔敷高度；

建立所述焊缝坡口的宽度和所述焊缝坡口的深度与所述熔敷宽度和所述熔敷高度之间的映射关系；

基于所述映射关系确定焊枪的移动路径；

基于熔敷量和焊接参数获得熔敷宽度和熔敷高度的步骤包括：

基于所述熔敷量和所述焊接参数中的焊接速度获得熔敷截面的面积；

基于所述焊接参数中的其他焊接参数获得熔敷宽度；

基于所述熔敷截面的面积和所述熔敷宽度计算所述熔敷高度；

建立所述焊缝坡口宽度和焊缝坡口深度与所述熔敷宽度和熔敷高度之间的映射关系的步骤包括：

基于所述焊缝坡口的宽度与所述熔敷宽度的比值，确定焊缝坡口宽度方向上的焊道数量；

基于所述焊缝坡口的深度与所述熔敷高度的比值，确定焊缝坡口深度方向上的焊层数量。

2.根据权利要求1所述的焊接过程的控制方法，其特征在于，确定焊缝坡口的宽度和深度的步骤包括：

基于激光图像识别焊缝坡口的顶部两侧拐点、所述顶部两侧拐点的中间点、底部两侧拐点以及所述底部两侧拐点的中间点；

基于所述焊缝坡口的所述顶部两侧拐点和所述底部两侧拐点获得所述焊缝坡口的顶部宽度和底部宽度，基于所述顶部两侧拐点的中间点和所述底部两侧拐点的中间点获得所述焊缝坡口的深度。

3.根据权利要求2所述的焊接过程的控制方法，其特征在于，确定焊缝坡口的宽度和深度的步骤还包括：

获取焊缝坡口形状轮廓的参数方程；

基于所述参数方程内对所述焊缝坡口的顶部宽度和底部宽度以及所述焊缝坡口的深度进行校验；

根据所述参数方程的校验结果判断是否重新获取激光图像，直至校验通过。

4.根据权利要求1所述的焊接过程的控制方法，其特征在于，基于所述焊缝坡口宽度与所述熔敷宽度的比值，确定焊缝坡口宽度方向上的焊道数量的步骤包括：

计算所述焊缝坡口的宽度与所述熔敷宽度的比值，若所述焊缝坡口的宽度与所述熔敷宽度的比值大于n-1小于等于n，则确定的所述焊道数量为n道，其中n为自然数。

5.根据权利要求1所述的焊接过程的控制方法，其特征在于，基于所述焊缝坡口深度与所述熔敷高度的比值，确定焊缝坡口深度方向上的焊层数量的步骤包括：

计算所述焊缝坡口高度与所述熔敷高度的比值，若所述焊缝坡口高度与所述熔敷高度的比值大于n-1小于等于n，则确定的所述焊层数量为n层，其中n为自然数。

6.根据权利要求1所述的焊接过程的控制方法，其特征在于，基于所述映射关系确定焊枪的移动路径的步骤包括：

基于所述焊道数量确定所述焊枪在焊缝坡口宽度方向上的移动顺序和位置；

基于所述焊层数量确定所述焊枪在焊缝坡口深度方向上的移动顺序和位置。

7.一种焊接过程的控制装置，其特征在于，能够执行根据权利要求1至6中的任一项所述的焊接过程的控制方法。

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