CN112276312A - 瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置及焊接方法，更适用于圆型曲线、椭球型曲线空间对接焊缝，其包括柔性轨道、位于间隙上方的激光视觉传感器、可移动连接在柔性导轨上并通过基板连接为一体的两个车架、位于待焊接的深窄间隙上方的导向机构、与导向机构的z轴导轨滑块相连接的自动焊剂输送机构和自动送丝机构，深窄间隙焊枪固定连接在自动送丝机构下方，自动焊剂输送机构与深窄间隙焊枪固定连接，导向机构的y轴导轨固定连接在基板上，导向机构的z轴导轨固定连接在y轴导轨的滑块上。本发明适用于平焊，立向上焊，立向上焊向平焊过渡的施焊场合，能保证良好焊缝成形质量，提高焊接效率。

Description

瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置及焊接方法

技术领域

本发明属于焊接自动化领域，特别涉及激光视觉传感技术以及深窄间隙单丝埋弧焊施焊轨迹识别技术，尤指一种瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置及焊接方法。

背景技术

深窄间隙埋弧焊接技术广泛用于石油管道、压力容器、船舶、航空等中厚板结构件焊接，传统的深窄间隙埋弧焊设备具有如下特点：

一、基本采用平焊单一焊接形式；主要存在两种方式：一是焊枪竖直向下静止不动，在大型变位机的配合下，控制工件的变位运动继而完成整个深窄间隙施焊过程，其较多适合圆弧焊缝，且成本巨大；二是竖直向下的焊枪在焊接小车的带动下，沿焊缝稳定向前行走，施焊对象多为厚板对接，其较多适合直线焊缝。

二、传统上的深窄间隙埋弧焊技术往往采用激光视觉偏差调节技术消除实际焊接运行轨迹与示教焊接轨迹的横向偏差：

1、在尺寸规格不等工件施焊场合下，人工示教工序显著增加焊接准备时间，但该技术未能达到对各层各道施焊路径自主规划与智能控制的功效，未能去除人工示教的工序，无法更主动地识别焊接轨迹与自主规划施焊路径；

2、当深窄间隙焊缝为空间曲线，如椭圆时，该技术适应性略显不足，该技术需利用变位机通过反复人工示教寻找施焊轨迹，严重增加施焊工时，且很难适用于户外。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置，适用于深窄间隙对接焊缝，不仅适用于直线对接焊缝，还适用于圆型曲线、椭球型曲线空间对接焊缝；不仅适用于平焊，立向上焊，同时还适应于立向上焊向平焊过渡的施焊场合，能保证良好焊缝成形质量，提高焊接效率。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置，包括柔性轨道、激光视觉传感器和装置行走本体2；所述的柔性轨道包括位于待焊接的深窄间隙的两侧且平行布置的柔性导轨1，每条柔性导轨1的下方固定有用于吸附待焊件的开关磁铁座3；所述的装置行走本体2包括可移动连接在柔性导轨1上通过基板7连接为一体的导向机构、位于待焊接的深窄间隙的上方的自动焊剂输送机构9和深窄间隙焊枪14、固定连接在深窄间隙焊枪14上方的自动送丝机构11，所述的深窄间隙焊枪14固定连接在自动焊剂输送机构9的侧方，并且自动焊剂输送机构9的焊剂槽26与深窄间隙焊枪14的焊枪主体板33位于同一平面，所述的导向机构包括y轴导轨10和z轴导轨8，所述的y轴导轨10固定连接在基板7上，所述的z轴导轨8固定连接在y轴导轨10的滑块上，所述的自动送丝机构11和自动焊剂输送机构9固定连接在z轴导轨8的滑块上；所述的激光视觉传感器包括CCD工业相机13和线激光发生器12，所述的CCD工业相机13固定连接在待焊接的深窄间隙上方的z轴导轨8的滑块上，所述的线激光发生器12固定连接在待焊接的深窄间隙一侧与CCD工业相机13邻近的车架4上。

作为本发明更优的技术方案，所述的深窄间隙焊枪14包括焊枪主体板33、焊枪副板44和摆动机械传动机构，所述的焊枪主体板33下方与焊枪副板44转动连接，焊枪主体板33的一侧与自动焊剂输送机构9固定连接，上方与自动送丝机构11固定连接，所述的摆动机械传动机构包括摆动连杆34，所述的摆动连杆34的上端固定连接有刻度旋转盘38，中部依次套置有连杆卡套39和螺纹连接的内螺纹孔卡套40，所述的连杆卡套39和内螺纹孔卡套40固定连接在焊枪主体板33的另一侧上，所述的摆动连杆34的下部固定连接有球头摆杆35，所述的球头摆杆35与焊枪副板44的球型摆动槽36配合。

作为本发明更优的技术方案，所述的焊枪主体板33和焊枪副板44之间连接有弹性导电片42。

作为本发明更优的技术方案，所述的车架4包括轴承基座15、加紧滑轮16、主动锥齿轮17、传动轴18、从动锥形齿轮19和输出轮20；所述的主动锥齿轮17上安装有行走减速机6，所述的行走减速机6连接有行走伺服电机5，所述的主动锥齿轮17通过行走减速机6的输出轴键连接，并与从动锥形齿轮19啮合，传动轴18固定到轴承基座15之上，其上安装有从动锥形齿轮19与输出轮20，输出轮20的齿与柔性导轨1上的齿槽啮合。

作为本发明更优的技术方案，所述的自动焊剂输送机构9包括焊剂容腔22、焊剂输送电机23、焊剂螺旋传输杆24、焊剂传输通道25、焊剂槽26、焊剂出料口27；焊剂输送电机23输出轴与焊剂螺旋传输杆24相连位于焊剂容腔22端部，焊剂传输通道25位于焊剂螺旋传输杆24输料口下端，其为空降曲线形，焊剂槽26上部与焊剂传输通道25连接，焊剂出料口27靠近导电嘴37，焊剂出料口27出料口面由焊剂槽26竖直向下切断形成，且最低端低于导电嘴37最低端，焊剂槽26与焊枪主体板33宽度一致，且位于同一平面，同时焊剂槽26在上部通过连接桥47与深窄间隙焊枪14刚性连接，焊剂输送电机23控制焊剂螺旋传输杆24转速。

作为本发明更优的技术方案，所述的自动送丝机构11包括送丝机构减速机28、送丝机构驱动电机29、焊丝矫直装置30和送丝嘴31；埋弧焊焊丝从焊丝矫直装置30穿过并矫直，后通过送丝嘴31进入送丝轮凹槽内，送丝机构驱动电机29通过送丝机构减速机28为送丝轮提供驱动力。

作为本发明更优的技术方案，所述的z轴导轨8上固定有连接板21，所述的自动送丝机构11、自动焊剂输送机构9和CCD工业相机13固定连接在连接板21上。

本发明还有一个目的是提供基于如权利要求1所述的瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置的焊接方法，具体步骤如下：

S1、标定系统参数，将CCD工业相机拍摄的图片上的像素坐标与相机坐标系下焊丝端点的三维坐标建立联系：

S1.1、将焊缝区域中一点P在CCD工业相机拍摄的图片上的像素坐标(x^u，y^v)转化为相机坐标系下的实际坐标(x_p，y_p，z_p)，包含相机内参数标定和光平面方程标定：

相机内参标定：相机内参采用Halcon开发相机标定程序标定，相机内参标定后通过像平面二维坐标(x^u，y^v)，获得相机坐标系下的P点二维坐标(X_u，Y_v)，转换矩阵为W¹：

转换公式为：

光平面方程标定：采用直接标定法标定光平面方程，光平面方程与相机坐标系下二维坐标(X_u，Y_v)联立并结合黄金分割法求得P点在相机坐标系下三维坐标(x_p，y_p，z_p)，相机坐标系(o-xyz)原点为CCD工业相机光心，转换矩阵为W²；

转换公式为：

得：

S1.2、确定相机坐标系下焊丝端点坐标；

当深窄间隙未发生摆动时，导电嘴端口中心在相机坐标系o-xyz下为s点，通过手眼标定获取的坐标为(x_s，y_s，z_s)，则不管深窄间隙是否发生摆动，焊枪下伸出的焊丝端点坐标为(x_j，y_j，z_j)：

x_j＝x_s；

坐标原点为CCD工业相机光心，其中h为焊丝干伸长，a为导电嘴摆动幅度，L为导电嘴端口中心到焊枪副板摆动轴线的距离。

S2、分段式各层各道施焊轨迹智能识别与规划：

S2.1、在施焊过程中，一字激光线在焊接前方倾斜投射于待施焊区域表面，CCD工业相机以帧数f在T时间内不断拍摄带有激光线的焊缝图像，经过图像处理，得到f*T张图像处理过后的带有激光中心条纹的图片；

S2.2、图像处理后每张图片上的激光中心条纹深窄间隙坡口中点像素点坐标(x^中，y^中)、深窄间隙坡口左边界像素点坐标(x^左，y^左)、深窄间隙坡口右边界像素点坐标(x^右，y^右)都对应相机坐标系下的实际坐标(x_中，y_中，z_中)，(x_左，y_左，z_左)，(x_右，y_右，z_右)转换矩阵关系为：

S2.3、输入焊前参数：

根据坡口参数与焊接工艺输入其每道焊接参数，包括宽度、深度、层数、焊丝直径d、导电嘴摆动幅度a、每层施焊道数m、每层焊接电流I、每层焊接电压U、每层焊剂输送速度V_j、每层焊接速度V_焊；

S2.4、求取与规划分段式焊接轨迹：

启动线激光发生器使其产生的线激光平行y轴，打在焊缝表面，且确定相机的拍摄帧数f，设定时间节点T，在T时间内相机的拍摄图像个数为f*T，时间节点将每道焊缝施焊路径等规划q(q＝1、2、3......)个小段路径，每个小段路径起始点处CCD工业相机光心为该小段路径的坐标系o-xyz原点，通过步骤S1得到第q段路径下第e(e＝1、2、3......f*T)个焊缝截面上在焊丝端点的坐标(x_中、

z_中+r_s)，其坐标原点仍为CCD工业相机光心，其中r_s为每层施焊焊枪深入的深度；再次定义每一小段路径运行结束后焊丝端点位于下一段焊丝运行轨迹的小路径坐标原点上，该坐标原点为假想点且随着焊枪移动不断变化，转化为各个一段小路径的该坐标原点上的坐标为：

x_e＝x_中-x_j；

z_e＝z_中+r_s-z_j；

通过最小二乘法曲线拟合，将e个(x₁、y₁、z₁)，(x₂、y₂、z₂)......(x_e、y_e、z_e)空间坐标点拟合成第q段路径下焊丝端点行走轨迹曲线Lq；

S3、将焊前参数与焊丝端点行走轨迹曲线Lq通过信息转化传递给z轴伺服电机、y轴伺服电机和行走伺服电机进行焊枪行走控制与焊接参数控制。

作为本发明更优的技术方案：还包括步骤S2.5、报警预制：

设定距变量控制值&，实际距变量为σ，即：

当σ≥&立即报警警示。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的埋弧焊装置在深窄间隙施焊过程中自动实时识别并规划各层各道施焊轨迹，每道焊缝施焊参数确定后一键式启动，自动控制焊枪沿焊缝长度、焊缝横向和焊缝深度三个方向上运动，去除深窄间隙人工反复示教，很大程度上提高深窄间隙焊接效率。

2、本发明的埋弧焊装置利用自动焊剂输送机构确保各种位姿下深窄间隙施焊焊接始终覆盖整个熔池，保障了由立向上焊向平焊过渡的施焊场合。

3、本发明利用的移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹理论识别精度可达0.02mm，同时利用报警预制可对焊枪实时监控，后利用视频传输体系将焊前状态传输到工控机显示屏，用于人工监控，极大地确保了焊接可靠性。

4、本发明的焊接装置重量轻，随手可提，便捷安装拆卸，自我坐标设定，极其适合户外自动焊接，特别适合于窄间隙直线焊缝，窄间隙圆形焊缝，窄间隙椭圆形焊缝。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置结构示意图；

图2为本发明的装置行走本体结构示意图；

图3为本发明的装置行走本体另一角度结构示意图；

图4为本发明的自动焊剂输送机构结构示意图；

图5为本发明的自动送丝机构结构示意图；

图6为本发明的深窄间隙焊枪结构示意图；

图7为本发明的自动焊剂输送机构与深窄间隙焊枪装配部分分解图；

图中：1、柔性导轨；2、装置行走本体；3、开关磁铁座；4、车架；5、行走伺服电机；6、行走减速机；7、基板；8、z轴导轨；9、自动焊剂输送机构；10、y轴导轨；11、自动送丝机构；12、线激光发生器；13、CCD工业相机；14、深窄间隙焊枪；15、轴承基座；16、加紧滑轮；17、主动锥齿轮；18、传动轴；19、从动锥形齿轮；20、输出轮；21、连接板；22、焊剂容腔；23、焊剂输送电机；24、焊剂螺旋传输杆；25、焊剂传输通道；26、焊剂槽；27、焊剂出料口；28、送丝机构减速机；29、送丝机构驱动电机；30、焊丝矫直装置；31、送丝嘴；32、焊枪安装基座；33、焊枪主体板；34、摆动连杆；35、球头摆杆；36、球型摆动槽；37、导电嘴；38、刻度旋转盘；39、连杆卡套；40、内螺纹孔卡套；41、螺纹孔台阶；42、弹性导电片；43、螺栓；44、焊枪副板；45、固定槽；46、半牙螺栓；47、连接桥。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图3所示，本发明提供一种瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置，包括柔性轨道、激光视觉传感器和装置行走本体2；所述的柔性轨道包括位于待焊接的深窄间隙的两侧且平行布置的柔性导轨1，每条柔性导轨1的下方固定有用于吸附待焊件的开关磁铁座3；所述的装置行走本体2包括可移动连接在柔性导轨1上通过基板7连接为一体的导向机构、位于待焊接的深窄间隙的上方的自动焊剂输送机构9和深窄间隙焊枪14、固定连接在深窄间隙焊枪14上方的自动送丝机构11，所述的深窄间隙焊枪14固定连接在自动焊剂输送机构9的侧方，并且自动焊剂输送机构9的焊剂槽26与深窄间隙焊枪14的焊枪主体板33位于同一平面，所述的导向机构包括y轴导轨10和z轴导轨8，所述的y轴导轨10固定连接在基板7上，所述的z轴导轨8固定连接在y轴导轨10的滑块上，所述的自动送丝机构11和自动焊剂输送机构9固定连接在z轴导轨8的滑块上；所述的激光视觉传感器包括CCD工业相机13和线激光发生器12，所述的CCD工业相机13固定连接在待焊接的深窄间隙上方的z轴导轨8的滑块上，所述的线激光发生器12固定连接在待焊接的深窄间隙一侧与CCD工业相机13邻近的车架4上。

本发明所述的线激光发生器12与CCD工业相机13构成瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置视觉表征的激光视觉，深窄间隙焊枪14在激光视觉深窄间隙焊接轨迹识别与规划下借助柔性轨道、y轴导轨、z轴导轨可沿焊缝长度方向、焊缝横向方向、焊缝深度方向三自由度空间运动。

参见图1所示，所述的柔性轨道分左轨道和右轨道，以深窄间隙焊缝中心面对称排置，包含柔性导轨1及开关磁铁座3，所述柔性导轨1采用4mm厚高强度钢板高精度激光切割制成，所述开关磁铁座3每件吸力60kg，等距排列柔性导轨1下方，通过螺栓与柔性导轨1固定，通过磁性吸附于待焊件表面，柔性轨道平行于焊缝，行走伺服电机5在行走减速机6的配合下驱动输出轮20使得装置行走本体2沿着焊缝长度方向行走。

参见图1至图3所示，所述的车架4、行走伺服电机5、行走减速机6左右对称各置一个，以深窄间隙焊缝中心面对称排置，左右行走伺服电机5通过左右行走减速机6分别与左右车架4螺栓固定连接，左右车架4刚性固定到基板7底板两端，y轴导轨10基座刚性固定到基板7的侧板上，y轴导轨丝杠轴线与基板7长度方向平行，z轴导轨8基座与y轴导轨10滑块刚性固定到一起，连接板21固定到z轴导轨8滑块之上，自动送丝机构11通过装置行走本体2内连接板21与装置行走本体2连接为一整体，自动焊剂输送机构9通过装置行走本体2内连接板21与装置行走本体2连接为一整体，深窄间隙焊枪14刚性固定到自动送丝机构11下方，同时通过连接桥47与自动焊剂输送机构9内焊剂槽26刚性连接，激光视觉传感器内CCD工业相机13固定到连接板21上，线激光发生器12固定于装置行走本体2内靠近自动焊剂输送机构9一侧的车架4之上；装置行走本体2安装到柔性轨道之上、在左右同步行走伺服电机5、y轴导轨电机、z轴导轨电机驱动下，沿着柔性轨道、y轴导轨、z轴导轨可沿焊缝长度方向、焊缝横向方向、焊缝深度方向三自由度空间运动。

参见图1至图3所示，所述的激光视觉传感器由线激光发生器12、CCD工业相机13构成，所述线激光发生器12固定于装置行走本体2内靠近自动焊剂输送机构9一侧的车架4之上，线激光倾斜打在待焊工件表面，所述CCD工业相机13竖直向下固定到装置行走本体2内连接板21之上与装置行走本体2连接为一整体，CCD工业相机13为工业面阵彩色相机，下端装配有相机镜头，支持变焦，相机镜头装配有透光防护片，维护相机镜头不受污染；安装保证CCD工业相机13的光轴线垂直向下，与焊缝深度方向平行，保证CCD工业相机13的光轴线位于深窄间隙焊枪14内焊枪主体板33厚度方向的轴面上，保证线激光发生器12的光轴线与CCD工业相机13的光轴线之间具有固定夹角且投射的激光线必须平行于焊缝横向方向同时与CCD工业相机13的光轴线垂直；CCD工业相机13不仅可以以一定帧率拍摄带有激光线的焊缝图像，同时利用视觉传输将焊接前端施焊情况实时传输到到工控机显示屏之上，视觉实时监督焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置运作情况。

参见图1至图3所示，所述的车架4包含轴承基座15、加紧滑轮16、主动锥齿轮17、传动轴18、从动锥形齿轮19、输出轮20；主动锥齿轮17上安装有行走减速机6，所述的行走减速机6连接有行走伺服电机5，所述的主动锥齿轮17通过行走减速机6的输出轴键连接，并与从动锥形齿轮19啮合，传动轴18固定到轴承基座15之上，其上安装有从动锥形齿轮19与输出轮20，输出轮20的齿与柔性导轨1上的齿槽啮合。

参见图4所示，所述的自动焊剂输送机构9包括焊剂容腔22、焊剂输送电机23、焊剂螺旋传输杆24、焊剂传输通道25、焊剂槽26、焊剂出料口27；焊剂输送电机23输出轴与焊剂螺旋传输杆24相连位于焊剂容腔22端部，焊剂传输通道25位于焊剂螺旋传输杆24输料口下端，其为空降曲线形，焊剂槽26上部与焊剂传输通道25连接，焊剂出料口27靠近导电嘴37，焊剂出料口27出料口面由焊剂槽26竖直向下切断形成，且最低端低于导电嘴37最低端，可确保焊剂输送到深窄间隙底部，焊剂槽26与焊枪主体板33宽度一致，且位于同一平面，同时焊剂槽26在上部通过连接桥47与深窄间隙焊枪14刚性连接，焊剂输送电机23控制焊剂螺旋传输杆24转速，主动输送焊剂，在立向上焊向平焊过渡的施焊过程中保障焊剂完全覆盖焊缝熔池。

参见图5所示，所述的自动送丝机构11包括送丝机构减速机28、送丝机构驱动电机29、焊丝矫直装置30和送丝嘴31；埋弧焊焊丝从焊丝矫直装置30穿过并矫直，后通过送丝嘴31进入送丝轮凹槽内，送丝机构驱动电机29通过送丝机构减速机28为送丝轮提供驱动力。

参见图6至图7所示，所述的深窄间隙焊枪14包括焊枪主体板33、焊枪副板44和摆动机械传动机构，所述的焊枪主体板33下方与焊枪副板44转动连接，焊枪主体板33的两侧分别与自动焊剂输送机构9和摆动机械传动机构连接，所述的摆动机械传动机构包括摆动连杆34，所述的摆动连杆34的上端固定连接有刻度旋转盘38，中部依次套置有连杆卡套39和螺纹连接的内螺纹孔卡套40，所述的连杆的下部固定连接有球头摆杆35，所述的球头摆杆35与焊枪副板44的球型摆动槽36配合。所述的焊枪主体板33通过焊枪安装基座32连接到自动送丝机构11下方，焊枪主体板33上端靠近焊枪安装基座32处通过连接桥47与焊剂槽26刚性连接；摆动连杆34通过上部的一个连杆卡套39与下部两个内螺纹孔卡套40固定到焊枪主体板33上，内螺纹孔卡套40与摆动连杆34螺纹耦合，连杆卡套39用于卡紧摆动连杆34防止受力旋转，摆动连杆34下端连接球头摆杆35，球头摆杆35置于球型摆动槽36内，球型摆动槽36倾斜开在焊枪副板44一侧；焊枪副板44通过半牙螺栓46固定到固定槽45上，并可以围绕半牙螺栓46轴线自由摆动，弹性导电片42通过螺栓43交叉固定到焊枪主体板33与焊枪副板44上的螺纹孔台阶41上；所述的弹性导电片42为铜片，交叉固定到焊枪主体板33与焊枪副板44上的螺纹孔台阶41上为了能够摆动过程中与焊枪主体板33和焊枪副板44精密接触，确保焊接可靠；导电嘴37位于焊枪副板44下方，焊枪主体板33内焊丝孔、导电嘴37内焊丝孔、焊枪副板44内焊丝孔、自动送丝机构11内送丝嘴31同轴线；转动刻度旋转盘38由于内螺纹孔卡套40与摆动连杆34螺纹连接并通过球头摆杆35可以使得焊枪副板44实现双向角度摆动，即导电嘴37端部实现双向角度摆动；该所述的深窄间隙焊枪14结构简单，厚度为16mm，导电嘴37端部双向摆动幅度为10mm，适合于350mm以上的深的深窄间隙坡口的窄间隙埋弧焊接。

参见图1至图7所示，本发明提供的瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊焊接方法是基于视觉表征多层多道焊接，步骤依次为系统参数标定、分段式各层各道施焊轨迹智能识别与规划。

S1系统参数标定：

瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置以相机坐标系的坐标原点建立坐标系，相机坐标系的坐标原点为CCD工业相机光心，系统参数标定的目的是将CCD工业相机拍摄的图片上的像素坐标与相机坐标系下焊丝端点坐标的三维坐标建立联系，主要存在两步：

S1.1、将焊缝区域中一点P在CCD工业相机拍摄的图片上的像素坐标(x^u，y^v)转化为相机坐标系下的实际坐标(x_p，y_p，z_p)，包含相机内参数标定和光平面方程标定：

相机内参标定：相机内参采用Halcon开发相机标定程序标定，相机内参标定后通过像平面二维坐标(x^u，y^v)，获得相机坐标系下的P点二维坐标(X_u，Y_v)，转换矩阵为W¹：

转换公式为：

光平面方程标定：采用直接标定法标定光平面方程，光平面方程与相机坐标系下二维坐标(X_u，Y_v)联立并结合黄金分割法求得P点在相机坐标系下三维坐标(x_p，y_p，z_p)，相机坐标系(o-xyz)原点为CCD工业相机光心，转换矩阵为W²；

转换公式为：

得：

S1.2、确定相机坐标系下焊丝端点坐标；

当深窄间隙未发生摆动时，导电嘴端口中心在相机坐标系o-xyz下为s点，通过手眼标定获取的坐标为(x_s，y_s，z_s)，则不管深窄间隙是否发生摆动，焊枪下伸出的焊丝端点坐标为(x_j，y_j，z_j)：

x_j＝x_s；

坐标原点为CCD工业相机光心，其中h为焊丝干伸长，a为导电嘴摆动幅度，L为导电嘴端口中心到焊枪副板摆动轴线的距离。

S2、分段式各层各道施焊轨迹智能识别与规划：

S2.1、在施焊过程中，一字激光线在焊接前方倾斜投射于待施焊区域表面，CCD工业相机以帧数f在T时间内不断拍摄带有激光线的焊缝图像，经过图像处理，得到f*T张图像处理过后的带有激光中心条纹的图片；

S2.2、图像处理后每张图片上的激光中心条纹深窄间隙坡口中点像素点坐标(x^中，y^中)、深窄间隙坡口左边界像素点坐标(x^左，y^左)、深窄间隙坡口右边界像素点坐标(x^右，y^右)都对应相机坐标系下的实际坐标(x_中，y_中，z_中)，(x_左，y_左，z_左)，(x_右，y_右，z_右)转换矩阵关系为：

S2.3、焊前参数输入

深窄间隙的多层多道焊缝接头每层均施焊两道焊缝，当板厚、坡口尺寸、坡口形状、材质确定后，坡口填充金属量固定，即焊缝层数固定，根据坡口参数与焊接工艺输入其每道焊接参数，参见表1；

表1焊前参数输入

施焊之前，根据当板厚、坡口尺寸、坡口形态、材质等输入宽度、深度、层数、焊丝直径d、导电嘴摆动幅度a、每层施焊道数m(其中每层施焊道数均为2)、每层焊接电流I、每层焊接电压U、每层焊剂输送速度V_j、每层焊接速度V_焊。

S2.4、分段式焊接轨迹求取与规划

启动线激光发生器使其产生的线激光平行y轴，打在焊缝表面，且确定相机的拍摄帧数f，设定时间节点T，在T时间内相机的拍摄图像个数为f*T，时间节点将每道焊缝施焊路径等规划q(q＝1、2、3......)个小段路径，每个小段路径起始点处CCD工业相机光心为该小段路径的坐标系o-xyz原点，通过步骤S1得到第q段路径下第e(e＝1、2、3......f*T)个焊缝截面上在焊丝端点的坐标(x_中、

z_中+r_s)，其坐标原点仍为CCD工业相机光心，其中r_s为每层施焊焊枪深入的深度；再次定义每一小段路径运行结束后焊丝端点位于下一段焊丝运行轨迹的小路径坐标原点上，该坐标原点为假想点且随着焊枪移动不断变化，转化为各个一段小路径的该坐标原点上的坐标为：

x_e＝x_中-x_j；

z_e＝z_中+r_s-z_j；

通过最小二乘法曲线拟合，将e个(x₁、y₁、z₁)，(x₂、y₂、z₂)......(x_e、y_e、z_e)空间坐标点拟合成第q段路径下焊丝端点行走轨迹曲线Lq。

S2.5、报警预制

设定距变量控制值&，实际距变量为σ，即：

当σ≥&立即报警警示；

将表1焊前参数与Lq曲线通过信息转化传递给z轴伺服电机、y轴伺服电机、行走伺服电机进行焊枪行走控制与焊接参数控制。

本发明的瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置的使用过程如下：

S3.1、装置安装，要求起始时焊枪处于深窄间隙外，并手动调节焊枪到深窄间隙内部，进行行走验证。

S3.2、开启系统，并焊前参数输入，后将激光线移动至起弧点。

S3.3、确定导电嘴摆动幅度与焊枪每层施焊焊枪深入的深度，焊枪以焊接速度V_焊开始行走，并向起弧点运功，该段路径行走过程中线激光发生器不断扫查焊缝，通过步骤S1、步骤S2系统自动获取当下焊道焊接轨迹第1段施焊小路径行走的曲线L1，焊枪未达到起弧点时开始输送焊剂，焊枪到达起弧点，并停留T_起时间，T_起为起弧停留时间；T_起时间后，焊丝端点依据第1段施焊小路径行走的曲线L1向第2段施焊小路径起点行走。

S3.4、在第1段施焊小路径行走过程中，通过焊接方向前端的激光视觉获取第2段施焊小路径行走的曲线L2，焊丝端点依据第2段施焊小路径行走的曲线L2以焊接速度向第3段施焊小路径起点行走。

S3.5、如此反复，直到熄弧点，焊枪到达熄弧点时停留T_熄时间，T_熄为熄弧停留时间；T_熄时间后，熄弧，该道焊缝自动施焊结束；每一道焊缝焊接时手动调节导电嘴摆动幅度与焊枪每层施焊焊枪深入的深度。

S3.6、装置退回原位，以相同形式进行下一道焊接，直至所有焊道施焊结束。

上述焊接过程中本发明的瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置利用自动焊剂输送机构确保了各种位姿下深窄间隙施焊焊接始终覆盖整个熔池，保障了瓜瓣由立向上焊向平焊过渡的施焊场合。

本发明瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置重量轻盈，安装过后，无需人工反复示教，一键式启动。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵”“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多种实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置，其特征在于：包括柔性轨道、激光视觉传感器和装置行走本体(2)；所述的柔性轨道包括位于待焊接的深窄间隙的两侧且平行布置的柔性导轨(1)，每条柔性导轨(1)的下方固定有用于吸附待焊件的开关磁铁座(3)；所述的装置行走本体(2)包括可移动连接在柔性导轨(1)上通过基板(7)连接为一体的导向机构、位于待焊接的深窄间隙的上方的自动焊剂输送机构(9)和深窄间隙焊枪(14)、固定连接在深窄间隙焊枪(14)上方的自动送丝机构(11)，所述的深窄间隙焊枪(14)固定连接在自动焊剂输送机构(9)的侧方，并且自动焊剂输送机构(9)的焊剂槽(26)与深窄间隙焊枪(14)的焊枪主体板(33)位于同一平面，所述的导向机构包括y轴导轨(10)和z轴导轨(8)，所述的y轴导轨(10)固定连接在基板(7)上，所述的z轴导轨(8)固定连接在y轴导轨(10)的滑块上，所述的自动送丝机构(11)和自动焊剂输送机构(9)固定连接在z轴导轨(8)的滑块上；所述的激光视觉传感器包括CCD工业相机(13)和线激光发生器(12)，所述的CCD工业相机(13)固定连接在待焊接的深窄间隙上方的z轴导轨(8)的滑块上，所述的线激光发生器(12)固定连接在待焊接的深窄间隙一侧与CCD工业相机(13)邻近的车架(4)上。

2.如权利要求1所述的瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置，其特征在于：所述的深窄间隙焊枪(14)包括焊枪主体板(33)、焊枪副板(44)和摆动机械传动机构，所述的焊枪主体板(33)下方与焊枪副板(44)转动连接，焊枪主体板(33)的一侧与自动焊剂输送机构(9)固定连接，焊枪主体板(33)的上方与自动送丝机构(11)固定连接，所述的摆动机械传动机构包括摆动连杆(34)，所述的摆动连杆(34)的上端固定连接有刻度旋转盘(38)，中部依次套置有连杆卡套(39)和螺纹连接的内螺纹孔卡套(40)，所述的连杆卡套(39)和内螺纹孔卡套(40)固定连接在焊枪主体板(33)的另一侧上，所述的摆动连杆(34)的下部固定连接有球头摆杆(35)，所述的球头摆杆(35)与焊枪副板(44)的球型摆动槽(36)配合。

3.如权利要求1所述的瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置，其特征在于：所述的焊枪主体板(33)和焊枪副板(44)之间连接有弹性导电片(42)。

4.如权利要求1所述的瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置，其特征在于：所述的车架(4)包括轴承基座(15)、加紧滑轮(16)、主动锥齿轮(17)、传动轴(18)、从动锥形齿轮(19)和输出轮(20)；所述的主动锥齿轮(17)上安装有行走减速机(6)，所述的行走减速机(6)连接有行走伺服电机(5)，所述的主动锥齿轮(17)通过行走减速机(6)的输出轴键连接，并与从动锥形齿轮(19)啮合，传动轴(18)固定到轴承基座(15)之上，其上安装有从动锥形齿轮(19)与输出轮(20)，输出轮(20)的齿与柔性导轨(1)上的齿槽啮合。

5.如权利要求1所述的瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置，其特征在于：所述的自动焊剂输送机构(9)包括焊剂容腔(22)、焊剂输送电机(23)、焊剂螺旋传输杆(24)、焊剂传输通道(25)、焊剂槽(26)、焊剂出料口(27)；焊剂输送电机(23)输出轴与焊剂螺旋传输杆(24)相连位于焊剂容腔(22)端部，焊剂传输通道(25)位于焊剂螺旋传输杆(24)输料口下端，其为空降曲线形，焊剂槽(26)上部与焊剂传输通道(25)连接，焊剂出料口(27)靠近导电嘴(37)，焊剂出料口(27)出料口面由焊剂槽(26)竖直向下切断形成，且最低端低于导电嘴(37)最低端，焊剂槽(26)与焊枪主体板(33)宽度一致，且位于同一平面，同时焊剂槽(26)在上部通过连接桥(47)与深窄间隙焊枪(14)刚性连接。

6.如权利要求1所述的瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置，其特征在于：所述的自动送丝机构(11)包括送丝机构减速机(28)、送丝机构驱动电机(29)、焊丝矫直装置(30)和送丝嘴(31)；埋弧焊焊丝从焊丝矫直装置(30)穿过并矫直，后通过送丝嘴(31)进入送丝轮凹槽内，送丝机构驱动电机(29)通过送丝机构减速机(28)为送丝轮提供驱动力。

7.如权利要求1所述的瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置，其特征在于：所述的z轴导轨(8)上固定有连接板(21)，所述的自动送丝机构(11)、自动焊剂输送机构(9)和CCD工业相机(13)固定连接在连接板(21)上。

8.一种基于如权利要求1所述的瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置的焊接方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1、标定系统参数，将CCD工业相机拍摄的图片上的像素坐标与相机坐标系下焊丝端点的三维坐标建立联系：

S1.1、将焊缝区域中一点P在CCD工业相机拍摄的图片上的像素坐标(x^u，y^v)转化为相机坐标系下的实际坐标(x_p，y_p，z_p)，包含相机内参数标定和光平面方程标定：

相机内参标定：相机内参采用Halcon开发相机标定程序标定，相机内参标定后通过像平面二维坐标(x^u，y^v)，获得相机坐标系下的P点二维坐标(X_u，Y_v)，转换矩阵为W¹：

转换公式为：

光平面方程标定：采用直接标定法标定光平面方程，光平面方程与相机坐标系下二维坐标(X_u，Y_v)联立并结合黄金分割法求得P点在相机坐标系下三维坐标(x_p，y_p，z_p)，相机坐标系(o-xyz)原点为CCD工业相机光心，转换矩阵为W²；

转换公式为：

得：

S1.2、确定相机坐标系下焊丝端点坐标；

当深窄间隙未发生摆动时，导电嘴端口中心在相机坐标系o-xyz下为s点，通过手眼标定获取的坐标为(x_s，y_s，z_s)，则不管深窄间隙是否发生摆动，焊枪下伸出的焊丝端点坐标为(x_j，y_j，z_j)：

x_j＝x_s；

坐标原点为CCD工业相机光心，其中h为焊丝干伸长，a为导电嘴摆动幅度，L为导电嘴端口中心到焊枪副板摆动轴线的距离。

S2、分段式各层各道施焊轨迹智能识别与规划：

S2.1、在施焊过程中，一字激光线在焊接前方倾斜投射于待施焊区域表面，CCD工业相机以帧数f在T时间内不断拍摄带有激光线的焊缝图像，经过图像处理，得到f*T张图像处理过后的带有激光中心条纹的图片；

S2.2、图像处理后每张图片上的激光中心条纹深窄间隙坡口中点像素点坐标(x^中，y^中)、深窄间隙坡口左边界像素点坐标(x^左，y^左)、深窄间隙坡口右边界像素点坐标(x^右，y^右)都对应相机坐标系下的实际坐标(x_中，y_中，z_中)，(x_左，y_左，z_左)，(x_右，y_右，z_右)转换矩阵关系为：

S2.3、输入焊前参数：

根据坡口参数与焊接工艺输入其每道焊接参数，包括宽度、深度、层数、焊丝直径d、导电嘴摆动幅度a、每层施焊道数m、每层焊接电流I、每层焊接电压U、每层焊剂输送速度V_j、每层焊接速度V_焊；

S2.4、求取与规划分段式焊接轨迹：

启动线激光发生器使其产生的线激光平行y轴，打在焊缝表面，且确定相机的拍摄帧数f，设定时间节点T，在T时间内相机的拍摄图像个数为f*T，时间节点将每道焊缝施焊路径等规划q(q＝1、2、3......)个小段路径，每个小段路径起始点处CCD工业相机光心为该小段路径的坐标系o-xyz原点，通过步骤S1得到第q段路径下第e(e＝1、2、3......f*T)个焊缝截面上在焊丝端点的坐标

其坐标原点仍为CCD工业相机光心，其中r_s为每层施焊焊枪深入的深度；再次定义每一小段路径运行结束后焊丝端点位于下一段焊丝运行轨迹的小路径坐标原点上，该坐标原点为假想点且随着焊枪移动不断变化，转化为各个一段小路径的该坐标原点上的坐标为：

x_e＝x_中-x_j；

z_e＝z_中+r_s-z_j；

通过最小二乘法曲线拟合，将e个(x₁、y₁、z₁)，(x₂、y₂、z₂)......(x_e、y_e、z_e)空间坐标点拟合成第q段路径下焊丝端点行走轨迹曲线Lq；

S3、将焊前参数与焊丝端点行走轨迹曲线Lq通过信息转化传递给z轴伺服电机、y轴伺服电机和行走伺服电机进行焊枪行走控制与焊接参数控制。

9.如权利要求8所述的一种瓜瓣焊接轨迹自识别的深窄间隙埋弧焊装置的焊接方法，其特征在于，具体步骤如下：还包括步骤S2.5、报警预制：

设定距变量控制值&，实际距变量为σ，即：

当σ≥&立即报警警示。

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