CN111730245A - 焊接系统及铸件缺陷补焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊接系统及其铸件缺陷补焊方法。焊接系统包括：焊接机器人、机器人控制平台、激光扫描器以及检测组件；所述激光扫描器安装于所述焊接机器人上，用于跟随所述焊接机器人转动扫描铸件的缺陷部位；所述机器人控制平台用于接收所述激光扫描器的扫描数据，并将所述扫描数据转换成焊接机器人的焊接坐标；所述检测组件用于检测缺陷部位的焊接温度是否符合焊接要求，并将满足焊接的反馈信号发送所述焊机机器人，所述焊机机器人根据所述反馈信号按照所述焊接坐标执行焊接操作。焊接系统及铸件缺陷补焊方法能够自动对大型铸件的不规则缺陷进行扫描，且扫描后生成的三维模型经焊接机器人控制系统处理后进行自动补焊。

Description

焊接系统及铸件缺陷补焊方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种焊接系统及铸件缺陷补焊方法。

背景技术

大型铸钢件是很多重大技术装备的核心基础零部件，因其铸造过程控制难度大、生产周期长，容易产生各类铸造缺陷，特别是铸件浇注冷却后产生的夹渣、缩孔、疏松等缺陷，需要气刨挖除后再进行焊补，而碳弧气刨是由人工操作利用电弧熔化和压缩空气双重作用下进行的，操作复杂多变，无法达到如加工坡口那样高精度尺寸，导致缺陷呈现不规则形状。目前在管材、钣金等结构焊接领域广泛应用的焊接机器人，都是根据预先规划和规则焊接路径，进行重复性点焊或对接焊，无法实现对大型铸钢件不规则缺陷的识别和自动焊补。

为了提高焊接作业的焊接速度和焊接精度，这就需要采用具有识别功能的机器人替代传统的人工焊接操作，而如何实现机器人的识别功能也必将影响其执行焊接作业的性能优劣。专利CN109986172A一种焊缝定位方法、设备及系统提出采用两台CCD相机作为图像采集装置，获取焊缝定位图像与模板图像进行匹配，最终实现焊缝自动跟踪定位，可用于大批量板材等自动焊接的，但此方法无法实现对大型铸钢件不规则缺陷的自动识别和补焊。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中无法实现对大型铸钢件不规则缺陷的自动识别和补焊的问题，提供一种能够自动对大型铸件的不规则缺陷进行扫描，且扫描后生成的三维模型经焊接机器人控制系统处理后进行自动补焊的焊接系统及铸件缺陷补焊方法。

一种焊接系统，所述焊接系统包括：焊接机器人、机器人控制平台、激光扫描器以及检测组件；所述激光扫描器安装于所述焊接机器人上，用于跟随所述焊接机器人转动扫描铸件的缺陷部位；所述机器人控制平台用于接收所述激光扫描器的扫描数据，并将所述扫描数据转换成焊接机器人的焊接坐标；所述检测组件用于检测缺陷部位的焊接温度是否符合焊接要求，并将满足焊接的反馈信号发送所述焊机机器人，所述焊机机器人根据所述反馈信号按照所述焊接坐标执行焊接操作。

在其中一个实施例中，所述检测组件包括红外测温件，所述红外测温件用于检测铸件的缺陷部位的温度。

在其中一个实施例中，所述焊接系统还包括清渣器，所述清渣器用于对补焊后的铸件的缺陷部位进行打磨处理。

在其中一个实施例中，所述检测组件还包括质量检测件，所述质量检测件用于检测铸件的缺陷部位是否补焊合格。

一种铸件缺陷补焊方法，采用所述的焊接系统进行补焊，包括如下步骤：

机器人控制平台下发补焊指令；焊接机器人根据补焊指令带动激光扫描器对铸件进行缺陷扫描，并获取扫描数据；机器人控制平台接收扫描数据，并根据扫描数据获取铸件的缺陷部位的坐标与焊接机器人的焊接坐标；根据铸件的缺陷部位的坐标进行逆向建模，并提取缺陷特征获取缺陷部；对铸件的缺陷部采用检测组件检测焊接温度是否符合焊接要求，若符合则焊机机器人根据焊接坐标执行焊接操作。

在其中一个实施例中，焊接机器人的坐标P1与缺陷部位的坐标P2的变换关系如下：

P2＝RP1+T

R为旋转矩阵，T为平移矩阵。

在其中一个实施例中，对铸件上的各缺陷部分别进行顺序标记，焊接机器人按照标记顺序进行补焊。

在其中一个实施例中，机器人控制平台对各缺陷部进行切片处理并根据切片数据规划补焊路径，焊接机器人根据补焊路径进行补焊。

在其中一个实施例中，检测当前的缺陷部不符合焊接温度时，则焊机机器人跳转至另一缺陷部执行焊接操作。

上述焊接系统，通过采用所述铸件缺陷补焊方法，通过焊接机器人根据补焊指令带动激光扫描器对铸件进行缺陷扫描获取扫描数据，机器人控制平台根据扫描数据获取铸件的缺陷部位的坐标与机机器人的焊接坐标，根据铸件的缺陷部位的坐标进行逆向建模获取缺陷部，进一步通过对铸件的缺陷部的温度检测是否符合焊接要求，继而安排焊机机器人根据焊接坐标执行焊接操作。这样通过利用机器人补焊可大幅提高焊接的合格率和效率。

附图说明

图1为一实施例的焊接系统的框架结构示意图。

图2为一实施例的铸件缺陷补焊方法的流程图。

图3为一实施例的数据三维空间坐标图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“底端”、“顶端”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在一实施方式中，一种焊接系统，所述焊接系统包括：焊接机器人、机器人控制平台、激光扫描器以及检测组件；所述激光扫描器安装于所述焊接机器人上，用于跟随所述焊接机器人转动扫描铸件的缺陷部位；所述机器人控制平台用于接收所述激光扫描器的扫描数据，并将所述扫描数据转换成焊接机器人的焊接坐标；所述检测组件用于检测缺陷部位的焊接温度是否符合焊接要求，并将满足焊接的反馈信号发送所述焊机机器人，所述焊机机器人根据所述反馈信号按照所述焊接坐标执行焊接操作。

在一实施方式中，一种铸件缺陷补焊方法，采用所述的焊接系统进行补焊，包括如下步骤：机器人控制平台下发补焊指令；焊接机器人根据补焊指令带动激光扫描器对铸件进行缺陷扫描，并获取扫描数据；机器人控制平台接收扫描数据，并根据扫描数据获取铸件的缺陷部位的坐标与机机器人的焊接坐标；根据铸件的缺陷部位的坐标进行逆向建模，并提取缺陷特征获取缺陷部；对铸件的缺陷部采用检测组件检测焊接温度是否符合焊接要求，若符合则焊机机器人根据焊接坐标执行焊接操作。

上述焊接系统，通过采用铸件缺陷补焊方法，通过焊接机器人根据补焊指令带动激光扫描器对铸件进行缺陷扫描获取扫描数据，机器人控制平台根据扫描数据获取铸件的缺陷部位的坐标与机机器人的焊接坐标，根据铸件的缺陷部位的坐标进行逆向建模获取缺陷部，进一步通过对铸件的缺陷部的温度检测是否符合焊接要求，继而安排焊机机器人根据焊接坐标执行焊接操作。这样通过利用机器人补焊可大幅提高焊接的合格率和效率。

下面结合具体实施例对所述焊接系统进行说明，以进一步理解所述焊接系统的发明构思。请参阅图1，一种焊接系统10，所述焊接系统包括：焊接机器人100、机器人控制平台200、激光扫描器300以及检测组件400；所述激光扫描器300安装于所述焊接机器人100上，用于跟随所述焊接机器人100转动扫描铸件的缺陷部位；所述机器人控制平台200用于接收所述激光扫描器300的扫描数据，并将所述扫描数据转换成焊接机器人的焊接坐标；所述检测组件400 用于检测缺陷部位的焊接温度是否符合焊接要求，并将满足焊接的反馈信号发送所述焊机机器人，所述焊机机器人根据所述反馈信号按照所述焊接坐标执行焊接操作。

具体地，焊接机器人100是从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人。工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机(Manipulator)，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域，其中为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。而本实施中的焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊(割)枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。机器人控制平台200是焊接机器人100执行操作的控制系统，其能够接收、发送、解析不同类型数据，从而对应将指令发送焊接机器人执行。

具体地，激光扫描器300是一种光学距离传感器，其扫描方式有单线扫描、光栅式扫描和全角度扫描三种方式。在本实施例中可以选择任一种类型的激光扫描器，其主要目的是对铸件进行全面扫描，对铸件缺陷部位的数据进行提取。具体在本实施例中，所述激光扫描器300安装于所述焊接机器人100上，激光扫描器300跟随焊接机器人100的运动对铸件进行缺陷部位的扫描。在其中一实施例中，激光扫描器300设置于焊接机器人100的转动臂上。这样，激光扫描器300在机器人控制平台200的指令控制下跟随焊接机器人100的转动臂的转动幅度及角度进行扫描，这样更加有利于灵活对铸件的各个部分进行全面扫描。同时，激光扫描器与机器人控制平台之间建立有数据传输通道，在激光扫描器扫描获取数据后通过数据传输通道将扫描数据发送至机器人控制平台，机器人控制平台通过对扫描数据解析后将扫描数据转换成焊接机器人的焊接坐标，以实现焊接机器人后续按照该焊接坐标执行补焊操作。

具体地，检测组件400主要用于检测铸件的缺陷部位在进行补焊时其温度是否达到焊接要求，否则将无法进行有效焊接。在其中一实施例中，所述检测组件400包括红外测温件，所述红外测温件用于检测铸件的缺陷部位的温度。即，通过红外测温件对缺陷部位进行检测以获取其温度，然后将满足要求的反馈信息发送给机器人控制平台200，机器人控制平台200发送操作指令给焊接机器人100，焊接机器人100根据该反馈信号后按照焊接坐标执行焊接操作。

在其中一实施例中，所述焊接系统还包括清渣器500，所述清渣器500用于对补焊后的铸件的缺陷部位进行打磨处理。其中，清渣器500为打磨手，通过清渣器500对补焊后的铸件的缺陷部位的焊接表面进行打磨清理以便提高焊接质量，从而使得铸件的表面光滑以符合产品检测要求。进一步地，所述检测组件400还包括质量检测件，所述质量检测件用于检测铸件的缺陷部位是否补焊合格。具体而言，质量检测件将检测数据实时传回给机器人控制平台以便进行数据分析判断，当质量不合格时继续进行清渣，清渣质量合格后则继续执行下一层补焊直至此缺陷补焊完毕。也就是说，质量检测工序是在每一次补焊操作后进行清渣器打磨后执行。

在其中一实施方式中，请参阅图2，一种铸件缺陷补焊方法，采用上述任一项实施例的所述的焊接系统进行补焊，包括如下步骤：

S110：机器人控制平台下发补焊指令；

在本步骤中，机器人控制平台记载若干铸件信息(包括铸件编号、铸件位置等信息)，机器人控制平台选择对其中某铸件进行缺陷扫描和补焊，对应地将发出补焊指令，启动补焊操作。

S120：焊接机器人根据补焊指令带动激光扫描器对铸件进行缺陷扫描，并获取扫描数据；

焊接机器人的动作执行机构接收到机器人控制平台下发的补焊指令后，对应地移动到相应铸件位置处，而安装于焊接机器人的激光扫描器开始对铸件进行缺陷扫描，扫描后将获取一系列扫描数据。其中扫描数据实际是一系列点云数据，包括坐标数据、以及通过数据计算获取的数据反射率信息。反射率具体是计划得到数据于扫描获取数据之间的比率，若反射率高则意味着扫描得到数据较多，相应地缺陷部位的确定也相应地更加准确。具体在该扫描过程中，激光扫描器是从铸件的一侧开始逐渐扫描铸件表面，同时将扫描的数据同步实时传回机器人控制平台。

S130：机器人控制平台接收扫描数据，并根据扫描数据获取铸件的缺陷部位的坐标与焊接机器人的焊接坐标；

机器人控制平台接收扫描数据后，通过对扫描数据进行解析如下：

其中，设定坐标系的坐标原点O为激光发射器的发射处，Z轴沿扫描面竖直向上，Y轴为水平面内激光发射方向，X轴为垂直于YOZ平面向右，构成右手坐标系统，P点的三维空间坐标如附图3所示。

O点为激光三维扫描系统原点，P为空间任意一点坐标，坐标计算公式如下：

X＝S×cosθ×sinΦ

Y＝S×cosθ×cosΦ

Z＝S×sinθ

进一步设定，P点在机器人坐标系下的点为P1，在激光三维扫描系统下的坐标为P2，在忽略姿态的情况下通过空间几何变换得到P1与P2的关系。

在其中一实施例中，焊接机器人的坐标P1与缺陷部位的坐标P2的变换关系如下：

P2＝RP1+T

R为旋转矩阵，T为平移矩阵。

这样通过数据解析转换获取得到铸件的缺陷部位的坐标与机器人的焊接坐标，从而使得机器人可以根据焊接坐标对准缺陷部位的坐标进行补焊。

S140：根据铸件的缺陷部位的坐标进行逆向建模，并提取缺陷特征获取缺陷部；

逆向建模是根据扫描获取的缺陷部位的若干点云数据建立起立体结构，通过提取建模特征形成具有一定空间结构的缺陷部的结构，这样铸件的缺陷部位形成有形结构，焊接机器人在进行补焊操作时相当于是重新焊接一个立体结构，这样相较于传统方式而言焊接准确率更高，不会出现补焊堆积或者少焊的问题。

在其中一实施例中，机器人控制平台对各缺陷部进行切片处理并根据切片数据规划补焊路径，焊接机器人根据补焊路径进行补焊。即，通过采用切片软件对建模后的缺陷部的结构进行切片处理，从而形成若干平面层，更加有助于焊接机器人按照如3D打印机的运行模式挤出焊丝进行焊接。由于缺陷部的结构不可能是规则形状，这样意味着每一切片层的图形并不相同，机器人控制平台通过按照分析各切片层形状进行焊接路径规划，将规划的焊接路径发送给焊接机器人以便焊接机器人可以按照该路径快速焊接。进一步地，由于不同材质的铸件其焊接层厚、焊接速度、焊接角度需要根据焊接调整优化。

在其中一实施例中，对铸件上的各缺陷部分别进行顺序标记，焊接机器人按照标记顺序进行补焊。即，对于需要补焊的缺陷部的三维模型按照每个独立的封闭模型进行标记，标记顺序可以按照铸件从上到下和从左到右的顺序进行编号，焊接机器人按照该顺序进行补焊。也就是说，焊接时根据缺陷编号顺序补焊，焊接机器人按缺陷编号顺序依次完成编号的缺陷补焊。

S150：对铸件的缺陷部采用检测组件检测焊接温度是否符合焊接要求，若符合则焊机机器人根据焊接坐标执行焊接操作。

需要说明的是，焊接时对于焊接温度有一定的要求，不同材质的铸件其焊接温度并不相同。在其中一实施例中，检测当前的缺陷部不符合焊接温度时，则焊机机器人跳转至另一缺陷部执行焊接操作。也就是说，焊接前对焊接温度检测符合要求则进行焊接，不符合则跳转到下一个编号的缺陷部进行测温再焊接。这样由于利用焊接机器人本身的稳定焊接质量，同时采用这样的焊接方式可有助于提高生产效率，缩短生产周期。

上述焊接系统，通过采用铸件缺陷补焊方法，通过焊接机器人根据补焊指令带动激光扫描器对铸件进行缺陷扫描获取扫描数据，机器人控制平台根据扫描数据获取铸件的缺陷部位的坐标与机机器人的焊接坐标，根据铸件的缺陷部位的坐标进行逆向建模获取缺陷部，进一步通过对铸件的缺陷部的温度检测是否符合焊接要求，继而安排焊机机器人根据焊接坐标执行焊接操作。这样通过利用机器人补焊可大幅提高焊接的合格率和效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种焊接系统，其特征在于，所述焊接系统包括：焊接机器人、机器人控制平台、激光扫描器以及检测组件；

所述激光扫描器安装于所述焊接机器人上，用于跟随所述焊接机器人转动扫描铸件的缺陷部位；

所述机器人控制平台用于接收所述激光扫描器的扫描数据，并将所述扫描数据转换成焊接机器人的焊接坐标；

所述检测组件用于检测缺陷部位的焊接温度是否符合焊接要求，并将满足焊接的反馈信号发送所述焊机机器人，所述焊机机器人根据所述反馈信号按照所述焊接坐标执行焊接操作。

2.根据权利要求1所述的焊接系统，其特征在于，所述检测组件包括红外测温件，所述红外测温件用于检测铸件的缺陷部位的温度。

3.根据权利要求1所述的焊接系统，其特征在于，所述焊接系统还包括清渣器，所述清渣器用于对补焊后的铸件的缺陷部位进行打磨处理。

4.根据权利要求1所述的焊接系统，其特征在于，所述检测组件还包括质量检测件，所述质量检测件用于检测铸件的缺陷部位是否补焊合格。

5.一种铸件缺陷补焊方法，其特征在于，采用如权利要求1至4中任一项所述的焊接系统进行补焊，包括如下步骤：

机器人控制平台下发补焊指令；

焊接机器人根据补焊指令带动激光扫描器对铸件进行缺陷扫描，并获取扫描数据；

机器人控制平台接收扫描数据，并根据扫描数据获取铸件的缺陷部位的坐标与焊接机器人的焊接坐标；

根据铸件的缺陷部位的坐标进行逆向建模，并提取缺陷特征获取缺陷部；

对铸件的缺陷部采用检测组件检测焊接温度是否符合焊接要求，若符合则焊机机器人根据焊接坐标执行焊接操作。

6.根据权利要求5所述的铸件缺陷补焊方法，其特征在于，焊接机器人的坐标P1与缺陷部位的坐标P2的变换关系如下：

P2＝RP1+T

R为旋转矩阵，T为平移矩阵。

7.根据权利要求5所述的铸件缺陷补焊方法，其特征在于，对铸件上的各缺陷部分别进行顺序标记，焊接机器人按照标记顺序进行补焊。

8.根据权利要求5所述的铸件缺陷补焊方法，其特征在于，机器人控制平台对各缺陷部进行切片处理并根据切片数据规划补焊路径，焊接机器人根据补焊路径进行补焊。

9.根据权利要求5所述的铸件缺陷补焊方法，其特征在于，检测当前的缺陷部不符合焊接温度时，则焊机机器人跳转至另一缺陷部执行焊接操作。

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