CN112338379A

CN112338379A - 一种复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统

Info

Publication number: CN112338379A
Application number: CN201910728152.6A
Authority: CN
Inventors: 王克鸿; 张明朗; 朱科宇; 金鸣; 钱旭升; 汪海
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2021-02-09

Abstract

本发明公开了一种复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统，属于薄板焊接领域。该系统集成双目视觉与多热源加热装置，结合有限元分析技术，能及时获取焊接薄板应力应变情况，从而准确获得热源加热位置实时施加热源，有效控制薄板焊接过程变形，自动化程度高，提高生产效率。

Description

一种复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统

技术领域

本发明属于薄板焊接变形控制领域，尤其涉及一种复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统。

背景技术

薄板由于厚度较薄，在焊接过程中由于受到不均匀温度场作用而产生形状尺寸的变化。焊接变形通常是由多种因素共同作用而引起的，而且涉及电弧物理、传热学、冶金学、力学等多门学科，情况复杂而且难于预测。对变形温度场的有效控制，是如今薄板焊接的重要课题。传统的焊接变形控制方法，如施加合理的焊接顺序、焊接方法与工艺、加快散热等方法成效有限，而预置变形与锤击焊缝存在效率差。

传统焊接变形控制方法中，加热法主要是通过控制特定位置的温度，产生局部塑性变形，使金属材料冷却后缩短消除变形。决定加热矫正效果主要因素为：加热位置，加热温度和加热区形状；其中决定成败的关键是加热位置的正确选择。传统方式为：一般简构件凭经验判断；对于复杂构件要反复测试才能找到最佳加热位置。因此通过温度场模拟与分析判断复杂构件焊接过程中加热位置对使用该方法矫正焊接变形具有重要意义。

热弹塑性分析是在焊接热循环过程中逐步计算出热应变和热应力的一种有限元数值模拟方法，更加详尽地了解焊接变形和应力的产生以及发展历程，有助于研究焊接过程的本质以及内部变化关系，实现焊接应力、应变的预测，优化工艺。

随着近年我国制造业的快速发展，靠累积经验来控制焊接中的残余变形的传统方法已经远不能满足实际生产要求。因此，探究一种控制焊接温度场的方法具有重要意义。

申请号为CN 109108554 A公开了一种弧面金属薄板焊接变形控制装置，其采用的是一种机械装置使焊缝处于压紧状态、加快散热以减少变形，但是其只对特定位置进行压紧，不能控制整体变形，且控制变形程度有限。

发明内容

本发明目的在于提供一种复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统。

实现本发明的目的的解决方案为：

一种复杂异形薄板机器人高效精准焊接系统，该系统包括计算机、焊接系统、CCD测温系统、FPGA装置、多热源加热装置，其中，CCD测温系统、多热源加热装置均与FPGA装置相连；FPGA装置与计算机相连；所述的焊接系统包括：焊接电源、控制柜、焊接机器人、保护气、焊接水冷装置；

所述的CCD测温系统包括CCD相机、滤光片、数据采集卡、夹具；通过夹具固定于焊枪，调节至焊缝前端熔池位于CCD相机视场中心，与焊枪协同运动，获得薄板焊缝周围的图像；

所述的计算机内设置MATLAB软件对CCD测温系统的获得薄板焊缝周围图像进行处理获得薄板温度场；设置ANSYS软件，利用测温系统获得的温度场获得薄板应力应变场，进而获得多热源加热装置作用位置；

所述的FPGA装置获得ANSYS软件分析所得的位置信息，向多热源加热装置的伺服电机发送脉冲串，形成运动指令控制伺服电机运动，使多热源加热装置以运动到相应位置。该装置运算速度高，运动控制同步性强，且具有可编程性，保证了系统的可扩展性。

进一步的，集成FPGA装置与ANSYS软件，用于准确获得焊接热源装置在工件上的加热位置。

进一步的，FPGA装置采用ALTERA公司EP1C20，装置高速运算特性，能够很好实现运动同步性。

进一步的，多热源加热装置以圆周形式均匀分布有17个分热源，该装置通过夹具固定。

进一步的，多热源加热装置的总直径为20cm，可覆盖常见薄板点焊接变形区域。

进一步的，分热源为单独控制管道，17个单管道集成于总管道；每个管道具有开启和闭合功能，受控于FPGA装置。因此分热源单独可控加热温度。

进一步的，多热源加热装置设置在薄板下部，固定于导轨上，故加热装置可运动且速度可调，用于加热不同大小的薄板件。

进一步的，多热源加热装置分热源的加热温度依靠温度场数据反馈至FPGA装置进行控制，加热装置的运动实现依靠FPGA装置获取加热位置信息。

进一步的，CCD相机型号为acA1920-155μm。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点：1、本发明的装置集成双目视觉技术和温度场模拟技术；2、本发明的装置可以精确获取加热位置，准确控制变形；3、本发明的装置的抗干扰能力强，自动化程度高，能有效控制复杂薄板焊接变形。

附图说明

图1是复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统的示意图。

图2-1至图2-3是复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统的多热源加热装置示意图。其中，

图2-1是复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统的多热源加热装置的机构示意图。图2-2是复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统的多热源加热装置的热源进口示意图。图2-3是复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统的多热源加热装置的热源出口示意图。

图3是复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统的多热源加热装置的工作流程图。

其中，1—焊枪；2—焊接系统；3—CCD相机遮光片；4—CCD相机滤波片；5—CCD 相机；6—数据采集卡；7—FPGA装置；8—计算机；9—熔池；10—异形薄板工件；11—分热源；12—多热源加热装置热源夹具；13—多热源加热装置导轨；14-多热源加热装置。

具体实施方式

以下结合实施例与附图对本发明做进一步说明：

本发明复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接装置采用如下装置：

如图1所示，主要包括：一把焊枪，焊接机器人，机器人控制柜，焊枪水冷装置，焊接电源，数据采集卡，计算机，CCD测温系统，FPGA装置，特别地，包括一种多热源加热装置。

一种复杂异形薄板机器人高效精准焊接系统包括计算机、焊接系统、CCD测温系统、FPGA装置、多热源加热装置。其中CCD测温系统、多热源加热装置均与FPGA 装置相连。FPGA装置与计算机相连。计算机装有ANSYS软件。焊接电源、控制柜、焊接机器人、保护气、焊接水冷装置共同组成焊接系统。

CCD测温系统包含CCD相机5、滤光片4、遮光片3、数据采集卡6、夹具等部件。 CCD相机通过夹具固定于焊枪，调节至熔池位于相机视场中心，与焊枪协同运动，获得薄板特征，重建薄板三维模型，获得温度场模拟，通过实时监测焊接过程中薄板的温度场。

如图2-1，结合图2-2和图2-3，多热源加热装置以圆周形式均匀分布有17个分热源11，分热源通过夹具12固定。分热源可单独控制。多热源加热装置，直径20cm，放于薄板下部，固定于导轨13上，导轨长度可根据工件大小定制。因此多热源加热装置可运动且速度可调，用于加热不同大小的薄板件。

如图3所示，有如下步骤：

焊接开始，将CCD相机5采集焊缝半径区域3-8cm范围的图像，通过数据采集卡 6传入计算机系统，利用MATLAB软件，基于比色测温法获得焊接温度场；

利用焊接过程温度场，实现计算机系统8中ANSYS软件对薄板的焊接过程进行基于有限元分析的跟踪式热弹塑性分析，得到焊接材料内部的应力、应变和变形情况；

通过上一步所得薄板结构10中变形情况等，获取多热源加热位置的坐标，即多热源装置加热位置空间坐标；

将待加热位置坐标数据传入FPGA装置7，触发多热源加热装置变形薄板区域加热，将温度场数据通过CCD测温系统反馈至FPGA装置7中，当获得均匀温度场时控制多热源加热装置停止加热。

焊枪与控制柜、焊接电源、保护气、焊接机器人等共同构成焊接系统，3、4、5、6 共同构成CCD测温系统，11、12、13构成多热源加热装置。

控制变形原理为：一方面，薄板焊接过程中由于温度场分布不均，极易产生内应力，从而产生变形。通过图像比色法获得薄板焊接温度场，通过热弹塑性有限元分析技术获得薄板应力应变情况。另一方面，加热法矫正焊接变形发展多年，经验积累较为丰富，而其关键一步在于加热位置的判断。通过以上步骤获得的加热位置较为精确，自动化程度较高。

实施例1

利用上述装置，以焊接铝薄板为例，其中薄板尺寸为200mm×200mm×40mm。本案例基于CCD熔池视觉采集系统、MATLAB图像处理、ANSYS弹塑性有限元分析，部分硬件包括CCD工业相机5一套、数据采集卡6一套、FPGA装置7一套，Fronius焊枪人、Fronius焊接电源、ABB焊接机器人、控制柜各一套，相机夹具一套。

采用本发明所述的复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接装置，其具体步骤为：

步骤1，如图1，启动机器人焊接系统实施焊接，图像采集软件同步进行熔池视觉采集。使用Matlab软件库函数对采集的熔池图像进行处理，通过图像比色温度，生成温度灰度图像，从而获得焊接薄板的温度场。

步骤2，基于ANSYS软件，通过步骤1所获温度场进行热弹塑性分析，计算得到铝薄板应力场，判断温度场是否发生变化。

步骤3，通过步骤2所得薄板结构中变形情况，获取多热源加热位置的坐标，即多热源装置加热位置。

步骤4，若步骤2中温度场发生变化，通过FPGA装置触发多热源加热装置(图2-1至图2-3)，以高斯热源加热方式对铝板进行加热，直至获得均匀温度场停止加热。

Claims

1.一种复杂异形薄板机器人高效精准焊接系统，其特征在于，该系统包括计算机、焊接系统、CCD测温系统、FPGA装置、多热源加热装置，其中，CCD测温系统、多热源加热装置均与FPGA装置(7)相连；FPGA装置与计算机(8)相连；所述的焊接系统包括：焊接电源、控制柜、焊接机器人、保护气、焊接水冷装置；

所述的CCD测温系统包括CCD相机(5)、滤光片(4)、数据采集卡(6)、夹具；通过夹具固定于焊枪(1)，调节至焊缝(9)前端熔池位于CCD相机(5)视场中心，与焊枪(1)协同运动，获得薄板(10)焊缝周围的图像；

所述的计算机(8)内设置MATLAB软件对CCD测温系统的获得薄板(10)焊缝周围图像进行处理获得薄板温度场；设置ANSYS软件，利用测温系统获得的温度场获得薄板应力应变场，进而获得多热源加热装置作用位置；

所述的FPGA装置(7)获得ANSYS软件分析所得的位置信息，向多热源加热装置(14)的伺服电机发送脉冲串，形成运动指令控制伺服电机运动，使多热源加热装置(14)以运动到相应位置。

2.如权利要求1所述的复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统，其特征在于，集成FPGA装置(7)与ANSYS软件，用于准确获得焊接热源装置(14)在工件(10)上的加热位置。

3.如权利要求1所述的复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统，其特征在于，FPGA装置(7)采用ALTERA公司EP1C20。

4.如权利要求1所述的复杂异形薄板机器人高效精准焊接系统，其特征在于，所述的多热源加热装置(14)以圆周形式均匀分布有17个分热源(11)，该装置通过夹具(12)固定。

5.如权利要求4所述的复杂异形薄板机器人高效精准焊接系统，其特征在于，多热源加热装置(14)的总直径为20cm，可覆盖常见薄板点焊接变形区域。

6.如权利要求4所述的复杂异形薄板机器人高效精准焊接系统，其特征在于，分热源为单独控制管道，17个单管道集成于总管道；每个管道具有开启和闭合功能，受控于FPGA装置。

7.如权利要求4所述的复杂异形薄板机器人高效精准焊接系统，其特征在于，多热源加热装置(14)设置在薄板(10)下部，固定于导轨(13)上，故加热装置可运动且速度可调，用于加热不同大小的薄板件。

8.如权利要求4所述的复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统，其特征在于，多热源加热装置(14)分热源(11)的加热温度依靠温度场数据反馈至FPGA装置(7)进行控制，加热装置的运动实现依靠FPGA装置(7)获取加热位置信息。

9.如权利要求1所述的复杂异形薄板箱型结构机器人高效精准焊接系统，其特征在于，CCD相机(5)型号为acA1920-155μm。