CN111531299A - 一种高速管子管板焊接机器人及检测和焊接方法 - Google Patents

一种高速管子管板焊接机器人及检测和焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种高速管子管板焊接机器人及检测和焊接方法，属于焊接机器人领域。高速管子管板焊接机器人是由X轴移动机构、Z轴旋转机构、Z轴移动机构、Y轴移动机构、X轴旋转机构、Y轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器、CCD进给机构和控制柜组成的。本发明可精确获得待检测管板面上管孔中心坐标，通过所获得的坐标数据可对管子管板进行精确的全自动焊接。

Description

一种高速管子管板焊接机器人及检测和焊接方法
技术领域
本发明射击一种高速管子管板焊接机器人，以及用于高速管子管板焊接机器人的检测和焊接方法，属于焊接机器人领域。
背景技术
在石油、化工、电站等行业中广泛使用各种换热器。在换热器的生产制造过程中，管子与管板焊接是整个换热器制造过程的关键工序。其特点是：1、接头数量大；2、焊接位置苛刻；3、工作环境恶劣。因此，管孔焊接质量的好坏，对换热器运行起到至关重要的作用。
中国专利CN2017103571588公开了一种全自动管子管板焊接装置，该焊接装置具备五个自由度，当管排连线不保持水平时，焊接装置无法对焊接机头做出调整，引起焊接不便，而且在检测管孔中心坐标时，需要进行校正。
发明内容
针对上述的不足，本发明提供了一种高速管子管板焊接机器人，以及用于高速管子管板焊接机器人的检测和焊接方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种高速管子管板焊接机器人，是由X 轴移动机构、Z轴旋转机构、Z轴移动机构、Y轴移动机构、X轴旋转机构、Y 轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器、CCD进给机构和控制柜组成的，所述的X轴移动机构上方安装有 Z轴旋转机构，Z轴旋转机构上方安装有Z轴移动机构，Z轴移动机构侧方安装有Y轴移动机构，Y轴移动机构侧方安装有X轴旋转机构，X轴旋转机构侧方安装有Y轴旋转机构，Y轴旋转机构上方安装有机头进给机构和CCD进给机构，机头进给机构前方安装有焊接机头，CCD进给机构前方安装有激光测距传感器、CCD光源和CCD视觉成像系统，X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴旋转机构、 Z轴移动机构、Y轴旋转机构、X轴旋转机构、机头进给机构、CCD进给机构的运动信息被记录下来，控制柜用于高速管板焊接机器人的控制。
所述的X轴移动机构用于Z轴旋转机构、Z轴移动机构、Y轴移动机构、X 轴旋转机构、Y轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、 CCD光源、激光测距传感器和CCD进给机构的X方向移动。
所述的Z轴旋转机构用于Z轴移动机构、Y轴移动机构、X轴旋转机构、Y 轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器和CCD进给机构的Z方向转动。
所述的Z轴移动机构用于Y轴移动机构、X轴旋转机构、Y轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器和 CCD进给机构的Z方向移动。
所述的Y轴移动机构用于X轴旋转机构、Y轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器和CCD进给机构的Y方向移动。
所述的X轴旋转机构用于Y轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD 视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器和CCD进给机构的X方向转动。
所述的Y轴旋转机构用于焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、 CCD光源、激光测距传感器和CCD进给机构的Y方向转动。
所述的X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构、机头进给机构和CCD 进给机构均由交流伺服驱动高精度滚珠丝杠在直线导轨上完成横移运动，Z轴旋转机构、Y轴旋转机构和X轴旋转机构均由交流伺服驱动高精度齿轮在轴承上完成旋转运动。
本发明还提供了一种用于高速管子管板焊接机器人的管孔中心坐标检测方法，所述检测方法包括如下步骤：
1)将待测工件摆放至高速管板焊接机器人前方，待测工件的管板面与焊接机器人所处水平面和垂直面的水平偏角为a和垂直偏角为b，管排的连线与在该板面上且与地面平行的线的夹角为管排倾角c；
2)确定板面上不共线四点的坐标。用X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构带动激光测距传感器上下左右移动，检测管板面上不在同一直线上的四个点分别到传感器的距离，确定待测工件的管板面上三个点的坐标；
3)求得待测板面的平面方程。假设不共线的四点P1、P2、P3、P4坐标分别为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)、P3(x3，y3，z3)，P4(x4，y4，z4)，设板面的一般方程为：
Ax+By+Cz+D＝0
将所得到的三点坐标代入所设板面方程可得：
Figure RE-GDA0002535939630000031
化成矩阵形式为
Figure RE-GDA0002535939630000032
对四阶坐标矩阵作初等行变换，将其主对角线元素化为1，即可得到A、B、 C的值，其中，
A＝[(x1y2-x2y1)-yl(x1-x2)]/[x1(x1y2-x2y1)]-[(x1-x3)(x1y2-x2y1)2x1-(x1-x2)(x1y3- x3y1)(x1y2-x2y1)x1][z1(x1y2-x2y1)-y1(x1z2-x2z1)]/[x12(x1y2-x2y1)3(x1z3-x3z1)- x12(x1y2-x2y1)2(x1z2-x2z1)(x1y3-x3y1)]；
B＝(x1-x2)]/(x1y2-x2y1)-[(x1z2-x2z1)(x1-x3)(x1y2-x2y1)2x1-(x1z2-x2z1)(x1-x2)(x1 y3-x3y1)(x1y2-x2y1)x1]/[x1(x1y2-x2y1)3(x1z3-x3z1)-x1(x1y2-x2y1)2(x1z2-x2z1)(x 1y3-x3y1)]；
C＝[(x1-x3)(x1y2-x2y1)2x1-(x1-x2)(x1y3-x3y1)(x1y2-x2y1)x1]/[x1(x1y2-x2y1)2(x1z 3-x3z1)-x1(x1y2-x2y1)(x1z2-x2z1)(x1y3-x3y1)]；
将所得A、B、C的值代入板面方程并代入四点中任意一点即可得到D值；
4)根据板面方程，通过计算得到平面与检测系统的夹角a、b、c，利用X 轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴旋转机构、Z轴移动机构、Y轴旋转机构和X 轴旋转机构带动CCD视觉成像系统旋转a、b、c，使CCD视觉成像系统与板面垂直，此时焊接机头同样与板面垂直；
5)利用X轴移动机构和Z轴移动机构带动CCD视觉成像系统移动，通过逐行扫描即可得到每个管孔中心的实际坐标值。
本发明还提供了一种基于上述管孔中心坐标检测方法的全自动焊接方法，所述焊接方法包括如下步骤：
根据所得到的实际管孔中心坐标值，利用X轴移动机构、Y轴移动机构、Z 轴移动机构和机头进给机构带动焊接机头运动，完成管板焊接工序。
该发明的有益之处是，该机器人能够完成管板焊接工作；该机器人具有六自由度，能够实时对焊接机头做出调整。
附图说明
附图1为本发明的结构示意图
附图2为本发明去掉控制柜的俯视图
图3为本发明水平偏角示意图
图4为本发明垂直偏角示意图
图5为本发明管排倾角示意图
图中，1、X轴移动机构，2、Z轴旋转机构，3、Z轴移动机构、4、Y轴移动机构，5、X轴旋转机构，6、Y轴旋转机构，7、焊接机头，8、机头进给机构，9、CCD视觉成像系统，10、CCD光源，11、激光测距传感器，12、CCD 进给机构，13、控制柜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
一种高速管子管板焊接机器人，是由X轴移动机构1、Z轴旋转机构2、Z 轴移动机构3、Y轴移动机构4、X轴旋转机构5、Y轴旋转机构6、焊接机头7、机头进给机构8、CCD视觉成像系统9、CCD光源10、激光测距传感器11、CCD 进给机构12和控制柜13组成的，所述的X轴移动机构1上方安装有Z轴旋转机构2，Z轴旋转机构2上方安装有Z轴移动机构3，Z轴移动机构3侧方安装有Y轴移动机构4，Y轴移动机构4侧方安装有X轴旋转机构5，X轴旋转机构 5侧方安装有Y轴旋转机构6，Y轴旋转机构6上方安装有机头进给机构8和 CCD进给机构12，机头进给机构8前方安装有焊接机头7，CCD进给机构12 前方安装有激光测距传感器11、CCD光源10和CCD视觉成像系统9，X轴移动机构1、Y轴移动机构4、Z轴旋转机构2、Z轴移动机构3、Y轴旋转机构6、 X轴旋转机构5、机头进给机构8、CCD进给机构12的运动信息被记录下来，控制柜13用于高速管子管板焊接机器人的控制。
所述的X轴移动机构1用于Z轴旋转机构2、Z轴移动机构3、Y轴移动机构4、X轴旋转机构5、Y轴旋转机构6、焊接机头7、机头进给机构8、CCD 视觉成像系统9、CCD光源10、激光测距传感器11和CCD进给机构12的X 方向移动。
所述的Z轴旋转机构2用于Z轴移动机构3、Y轴移动机构4、X轴旋转机构5、Y轴旋转机构6、焊接机头7、机头进给机构8、CCD视觉成像系统9、CCD光源10、激光测距传感器11和CCD进给机构12的Z方向转动。
所述的Z轴移动机构3用于Y轴移动机构4、X轴旋转机构5、Y轴旋转机构6、焊接机头7、机头进给机构8、CCD视觉成像系统9、CCD光源10、激光测距传感器11和CCD进给机构12的Z方向移动。
所述的Y轴移动机构4用于X轴旋转机构5、Y轴旋转机构6、焊接机头7、机头进给机构8、CCD视觉成像系统9、CCD光源10、激光测距传感器11和 CCD进给机构12的Y方向移动。
所述的X轴旋转机构5用于Y轴旋转机构6、焊接机头7、机头进给机构8、 CCD视觉成像系统9、CCD光源10、激光测距传感器11和CCD进给机构12 的X方向转动。
所述的Y轴旋转机构6用于焊接机头7、机头进给机构8、CCD视觉成像系统9、CCD光源10、激光测距传感器11和CCD进给机构12的Y方向转动。
所述的X轴移动机构1、Y轴移动机构4、Z轴移动机构3、机头进给机构 8和CCD进给机构12均由交流伺服驱动高精度滚珠丝杠在直线导轨上完成横移运动，Z轴旋转机构2、Y轴旋转机构6和X轴旋转机构5均由交流伺服驱动高精度齿轮在轴承上完成旋转运动。
本发明还提供了一种用于高速管子管板焊接机器人的管孔中心坐标检测方法，所述检测方法包括如下步骤：
1)将待测工件摆放至高速管子管板焊接机器人前方，待测工件的管板面与焊接机器人所处水平面和垂直面的水平偏角为a和垂直偏角为b，管排的连线与在该板面上且与地面平行的线的夹角为管排倾角c；
2)确定板面上不共线四点的坐标。用X轴移动机构1、Y轴移动机构4和 Z轴移动机构3带动激光测距传感器11上下左右移动，检测管板面上不在同一直线上的四个点分别到传感器的距离，确定待测工件的管板面上三个点的坐标；
3)求得待测板面的平面方程。假设不共线的四点P1、P2、P3、P4坐标分别为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)、P3(x3，y3，z3)，P4(x4，y4，z4)，设板面的一般方程为：
Ax+By+Cz+D＝0
将所得到的三点坐标代入所设板面方程可得：
Figure RE-GDA0002535939630000071
化成矩阵形式为
Figure RE-GDA0002535939630000072
对四阶坐标矩阵作初等行变换，将其主对角线元素化为1，即可得到A、B、 C的值，其中，
A＝[(x1y2-x2y1)-yl(x1-x2)]/[x1(x1y2-x2y1)]-[(x1-x3)(x1y2-x2y1)2x1-(x1-x2)(x1y3- x3y1)(x1y2-x2y1)x1][z1(x1y2-x2y1)-y1(x1z2-x2z1)]/[x12(x1y2-x2y1)3(x1z3-x3z1)- x12(x1y2-x2y1)2(x1z2-x2z1)(x1y3-x3y1)]；
B＝(x1-x2)]/(x1y2-x2y1)-[(x1z2-x2z1)(x1-x3)(x1y2-x2y1)2x1-(x1z2-x2z1)(x1-x2)(x1 y3-x3y1)(x1y2-x2y1)x1]/[x1(x1y2-x2y1)3(x1z3-x3z1)-x1(x1y2-x2y1)2(x1z2-x2z1)(x 1y3-x3y1)]；
C＝[(x1-x3)(x1y2-x2y1)2x1-(x1-x2)(x1y3-x3y1)(x1y2-x2y1)x1]/[x1(x1y2-x2y1)2(x1z 3-x3z1)-x1(x1y2-x2y1)(x1z2-x2z1)(x1y3-x3y1)]；
将所得A、B、C的值代入板面方程并代入四点中任意一点即可得到D值；
4)根据板面方程，通过计算得到平面与检测系统的夹角a、b、c，利用X 轴移动机构1、Y轴移动机构4、Z轴旋转机构2、Z轴移动机构3、Y轴旋转机构6和X轴旋转机构5带动CCD视觉成像系统9旋转a、b、c，使CCD视觉成像系统9与板面垂直，此时焊接机头7同样与板面垂直；
5)利用X轴移动机构1和Z轴移动机构3带动CCD视觉成像系统9移动，通过逐行扫描即可得到每个管孔中心的实际坐标值。
本发明还提供了一种基于上述管孔中心坐标检测方法的全自动焊接方法，所述焊接方法包括如下步骤：
根据所得到的实际管孔中心坐标值，利用X轴移动机构1、Y轴移动机构4、 Z轴移动机构3和机头进给机构8带动焊接机头7运动，完成管板焊接工序。
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高速管子管板焊接机器人，是由X轴移动机构、Z轴旋转机构、Z轴移动机构、Y轴移动机构、X轴旋转机构、Y轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器、CCD进给机构和控制柜组成的，奇特真在于：所述的X轴移动机构上方安装有Z轴旋转机构，Z轴旋转机构上方安装有Z轴移动机构，Z轴移动机构侧方安装有Y轴移动机构，Y轴移动机构侧方安装有X轴旋转机构，X轴旋转机构侧方安装有Y轴旋转机构，Y轴旋转机构上方安装有机头进给机构和CCD进给机构，机头进给机构前方安装有焊接机头，CCD进给机构前方安装有激光测距传感器、CCD光源和CCD视觉成像系统，X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴旋转机构、Z轴移动机构、Y轴旋转机构、X轴旋转机构、机头进给机构、CCD进给机构的运动信息被记录下来，控制柜用于高速管板焊接机器人的控制。
2.如权利要求1所述的一种高速管子管板焊接机器人，其特征在于：所述的X轴移动机构用于Z轴旋转机构、Z轴移动机构、Y轴移动机构、X轴旋转机构、Y轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器和CCD进给机构的X方向移动。
3.如权利要求1所述的一种高速管子管板焊接机器人，其特征在于：所述的Z轴旋转机构用于Z轴移动机构、Y轴移动机构、X轴旋转机构、Y轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器和CCD进给机构的Z方向转动。
4.如权利要求1所述的一种高速管子管板焊接机器人，其特征在于：所述的Z轴移动机构用于Y轴移动机构、X轴旋转机构、Y轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器和CCD进给机构的Z方向移动。
5.如权利要求1所述的一种高速管子管板焊接机器人，其特征在于：所述的Y轴移动机构用于X轴旋转机构、Y轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器和CCD进给机构的Y方向移动。
6.如权利要求1所述的一种高速管子管板焊接机器人，其特征在于：所述的X轴旋转机构用于Y轴旋转机构、焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器和CCD进给机构的X方向转动。
7.如权利要求1所述的一种高速管子管板焊接机器人，其特征在于：所述的Y轴旋转机构用于焊接机头、机头进给机构、CCD视觉成像系统、CCD光源、激光测距传感器和CCD进给机构的Y方向转动。
8.一种用于高速管子管板焊接机器人的管孔中心坐标检测方法，其特征在于：所述检测方法包括如下步骤：
1)将待测工件摆放至高速管板焊接机器人前方，待测工件的管板面与焊接机器人所处水平面和垂直面的水平偏角为a和垂直偏角为b，管排的连线与在该板面上且与地面平行的线的夹角为管排倾角c；
2)确定板面上不共线四点的坐标。用X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构带动激光测距传感器上下左右移动，检测管板面上不在同一直线上的四个点分别到传感器的距离，确定待测工件的管板面上三个点的坐标；
3)求得待测板面的平面方程。假设不共线的四点P1、P2、P3、P4坐标分别为P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)、P3(x3，y3，z3)，P4(x4，y4，z4)，设板面的一般方程为：
Ax+By+Cz+D＝0
将所得到的三点坐标代入所设板面方程可得：
Figure FDA0002487951500000031
化成矩阵形式为
Figure FDA0002487951500000032
对四阶坐标矩阵作初等行变换，将其主对角线元素化为1，即可得到A、B、C的值，其中，
A＝[(x1y2-x2y1)-yl(x1-x2)]/[x1(x1y2-x2y1)]-[(x1-x3)(x1y2-x2y1)2x1-(x1-x2)(x1y3-x3y1)(x1y2-x2y1)x1][z1(x1y2-x2y1)-y1(x1z2-x2z1)]/[x12(x1y2-x2y1)3(x1z3-x3z1)-x12(x1y2-x2y1)2(x1z2-x2z1)(x1y3-x3y1)]；
B＝(x1-x2)]/(x1y2-x2y1)-[(x1z2-x2z1)(x1-x3)(x1y2-x2y1)2x1-(x1z2-x2z1)(x1-x2)(x1y3-x3y1)(x1y2-x2y1)x1]/[x1(x1y2-x2y1)3(x1z3-x3z1)-x1(x1y2-x2y1)2(x1z2-x2z1)(x1y3-x3y1)]；
C＝[(x1-x3)(x1y2-x2y1)2x1-(x1-x2)(x1y3-x3y1)(x1y2-x2y1)x1]/[x1(x1y2-x2y1)2(x1z3-x3z1)-x1(x1y2-x2y1)(x1z2-x2z1)(x1y3-x3y1)]；
将所得A、B、C的值代入板面方程并代入四点中任意一点即可得到D值；
4)根据板面方程，通过计算得到平面与检测系统的夹角a、b、c，利用X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴旋转机构、Z轴移动机构、Y轴旋转机构和X轴旋转机构带动CCD视觉成像系统旋转a、b、c，使CCD视觉成像系统与板面垂直，此时焊接机头同样与板面垂直；
5)利用X轴移动机构和Z轴移动机构带动CCD视觉成像系统移动，通过逐行扫描即可得到每个管孔中心的实际坐标值。
9.基于权利要求8所述的高速管子管板焊接机器人的管孔中心坐标检测方法的全自动焊接方法，其特征在于：所述焊接方法包括如下步骤：根据所得到的实际管孔中心坐标值，利用X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构和机头进给机构带动焊接机头运动，完成管板焊接工序。
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