CN112719593A - 一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法及系统 - Google Patents

一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法及系统 Download PDF

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    • B23K26/702—Auxiliary equipment

Abstract

本发明公开了一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法及系统，涉及机械控制领域，该方法包括基于激光头上安装的相机获取锅炉底部和导管连接处的焊缝画面，并根据获取的焊缝画面测量得到焊缝尺寸；以锅底的底部中心为原点建立空间直角坐标系，并创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程；根据创建的半球面的函数方程以及创建的圆的函数方程，计算得到导管与锅底的交点；基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标实现对激光头的控制。本发明能够实现对激光头的有效控制。

Description

一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法及系统
技术领域
本发明涉及机械控制领域，具体涉及一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法及系统。
背景技术
金属焊接所形成的焊缝，在一段时间之后，由于焊接过程中引起的残余应力，导致焊缝产生应力腐蚀开裂，从而加速设备老化，甚至可能引起严重的安全事故。常见的维修做法是通过激光喷丸方式，消除焊缝内部的应力，但大型设备安装到位后，拆卸维修十分困难，而不拆卸设备维修又会因为内部环境狭小，激光可能伤人等其它因素，导致维修过程较为困难，因此设计一套基于激光喷丸原理的自动化维修设备很有必要。
激光喷丸方法要求激光头与焊缝严格垂直且两者间间隔合适的距离，大型设备内部结构复杂，运送激光头的机械臂的运动轨迹规划至关重要，大量焊缝需要维修时对轨迹规划效率也有较高要求，但当前却缺乏有效的对激光头的控制方法。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法及系统，能够实现对激光头的有效控制。
为达到以上目的，本发明提供的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法，包括以下步骤：
基于激光头上安装的相机获取锅炉底部和导管连接处的焊缝画面，并根据获取的焊缝画面测量得到焊缝尺寸；
以锅底的底部中心为原点建立空间直角坐标系，并创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程；
根据创建的半球面的函数方程以及创建的圆的函数方程，计算得到导管与锅底的交点；
基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标实现对激光头的控制。
在上述技术方案的基础上，所述创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程，具体为：
基于锅底所在的半球面半径、导管底面所在圆的半径和建立的空间直角坐标系，创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程。
在上述技术方案的基础上，基于锅炉设计图纸中的参数信息，获取锅底所在的半球面半径和导管底面所在圆的半径。
在上述技术方案的基础上，所述锅底所在半球面的函数方程为：
xa 2+ya 2+(za-R)2＝R2
其中，R表示锅底所在半球面的半径，xa表示点a的横坐标，ya表示点a的纵坐标，za表示点a的竖坐标，所述点a为锅底所在半球面上的任意一点。
在上述技术方案的基础上，所述导管底面所在圆的函数方程：
(xb-x0)2+(yb-y0)2＝r2
其中，x0表示锅底底部中心的横坐标，y0表示锅底底部中心的纵坐标，r表示导管底面所在圆的半径，xb表示点b的横坐标，yb表示点b的纵坐标，所述点b为导管底面所在圆上的任意一点。
在上述技术方案的基础上，所述基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标实现对激光头的控制，具体步骤包括：
基于导管与锅底的交点、焊缝与导管相交的最高点，以及锅底底部中心三点构成的平面，确定焊缝与锅底相交的最高点；
确定导管与锅底的交点和锅底底部中心两点所在的直线；
基于激光头与所述直线的距离，激光头与所述平面的位置关系，确定激光头的位置坐标，实现对激光头的控制。
在上述技术方案的基础上，所述基于激光头与所述直线的距离，激光头与所述平面的位置关系，确定激光头的位置坐标，具体为：
基于激光头与所述直线的距离，建立关系式：
(x5-x4)(x3-x2)+(y5-y4)(y3-y2)+(z5-z4)(z3-z2)＝0
(x5-x4)2+(y5-y4)2+(z5-z4)2＝L2 2
其中，x5表示激光头位置坐标的横坐标，y5表示激光头位置坐标的纵坐标，z5表示激光头位置坐标的竖坐标，x4表示激光头垂直照射于所述直线上所述直线交点的横坐标，y4表示激光头垂直照射于所述直线上所述直线交点的纵坐标，z4表示激光头垂直照射于所述直线上所述直线交点的竖坐标，x3表示焊缝与锅底相交的最高点的横坐标，y3表示焊缝与锅底相交的最高点的纵坐标，z3表示焊缝与锅底相交的最高点的竖坐标，x2表示焊缝与导管相交的最高点的横坐标，y2表示焊缝与导管相交的最高点的纵坐标，z2表示焊缝与导管相交的最高点的竖坐标，L2表示激光头与所述直线的距离；
基于激光头与所述平面的位置关系，将激光头的位置坐标代入所述平面的函数方程Ax+By+C＝0中，建立关系式：
Ax5+By5+C＝0
其中，Ax+By+C＝0表示所述平面的函数方程；
基于建立的关系式，求解得到x5、y5和z5的值，得到激光头的位置坐标(x5，y5，z5)。
本发明提供的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制系统，包括：
测量模块，其用于基于激光头上安装的相机获取锅炉底部和导管连接处的焊缝画面，并根据获取的焊缝画面测量得到焊缝尺寸；
创建模块，其用于以锅底的底部中心为原点建立空间直角坐标系，并创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程；
交点计算模块，其用于根据创建的半球面的函数方程以及创建的圆的函数方程，计算得到导管与锅底的交点；
激光头位置计算模块，其用于基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标实现对激光头的控制。
在上述技术方案的基础上，所述创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程，具体为：
基于锅底所在的半球面半径、导管底面所在圆的半径和建立的空间直角坐标系，创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程。
在上述技术方案的基础上，基于锅炉设计图纸中的参数信息，获取锅底所在的半球面半径和导管底面所在圆的半径。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过建立空间直角坐标系，并创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程，计算得到导管与锅底的交点，然后基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标，从而根据激光头的位置坐标调控激光头的角度以及设计激光头所在机械臂的运动轨迹，实现对激光头的有效控制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法的流程图；
图2为本发明实施例中一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法，通过建立空间直角坐标系，并创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程，计算得到导管与锅底的交点，然后基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标，从而根据激光头的位置坐标调控激光头的角度以及设计激光头所在机械臂的运动轨迹，实现对激光头的有效控制。本发明实施例相应地还提供了一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制系统。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图1所示，本发明实施例提供的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法，具体包括以下步骤：
S1：基于激光头上安装的相机获取锅炉底部和导管连接处的焊缝画面，并根据获取的焊缝画面测量得到焊缝尺寸。导管垂直位于锅底内部，焊缝位于导管与锅底的连接处，且焊缝位于导管外侧并具有一定的厚度。
S2：以锅底的底部中心为原点建立空间直角坐标系，并创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程；
本发明实施例中，创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程，具体为：基于锅底所在的半球面半径、导管底面所在圆的半径和建立的空间直角坐标系，创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程。其中，基于锅炉设计图纸中的参数信息，获取锅底所在的半球面半径和导管底面所在圆的半径。锅炉的锅底为一个标准的半球面型，导管为一个标准的圆柱，故导管的底面为一个圆。建立的空间直角坐标系中，空间直角坐标系的z轴与导管的中轴线平行。
本发明实施例中，锅底所在半球面的函数方程为：
xa 2+ya 2+(za-R)2＝R2
其中，R表示锅底所在半球面的半径，xa表示点a的横坐标，ya表示点a的纵坐标，za表示点a的竖坐标，所述点a为锅底所在半球面上的任意一点。
导管底面所在圆的函数方程：
(xb-x0)2+(yb-y0)2＝r2
其中，x0表示锅底底部中心的横坐标，y0表示锅底底部中心的纵坐标，r表示导管底面所在圆的半径，xb表示点b的横坐标，yb表示点b的纵坐标，所述点b为导管底面所在圆上的任意一点。
S3：根据创建的半球面的函数方程以及创建的圆的函数方程，计算得到导管与锅底的交点；联立圆的函数方程和半球面的函数方程，即可求解得到导管与锅底的交点。
S4：基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标实现对激光头的控制。
将锅底与导管的任一交点设为(x1,y1,z1)，焊缝与导管相交的最高点设为(x2,y2,z2)，可知x1＝x2，y1＝y2，z1＝z2-L0，L0为锅底与导管的任一交点，和焊缝与导管相交的最高点间的距离，(x0，y0，z0)、(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)三点构成平面，焊缝与锅底相交的最高点设为(x3,y3,z3)，(x3,y3,z3)与(x1,y1,z1)的距离设为L1，(x0，y0，z0)、(x1,y1,z1)、(x3,y3,z3)三点近似在同一直线上，设该直线为l，由(x0，y0，z0)和(x1,y1,z1)求出该两点的直线方程，由直线方程以及(x3,y3,z3)与(x1,y1,z1)的距离L1可求出(x3,y3,z3)的坐标。
本发明实施例中，基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标实现对激光头的控制，具体步骤包括：
S401：基于导管与锅底的交点、焊缝与导管相交的最高点，以及锅底底部中心三点构成的平面，确定焊缝与锅底相交的最高点；
S402：确定导管与锅底的交点和锅底底部中心两点所在的直线；
S403：基于激光头与所述直线的距离，激光头与所述平面的位置关系，确定激光头的位置坐标，实现对激光头的控制。
本发明实施例中，基于激光头与所述直线的距离，激光头与所述平面的位置关系，确定激光头的位置坐标，具体为：
(1)基于激光头与所述直线的距离，建立关系式：
(x5-x4)(x3-x2)+(y5-y4)(y3-y2)+(z5-z4)(z3-z2)＝0
(x5-x4)2+(y5-y4)2+(z5-z4)2＝L2 2
其中，x5表示激光头位置坐标的横坐标，y5表示激光头位置坐标的纵坐标，z5表示激光头位置坐标的竖坐标，x4表示激光头垂直照射于所述直线上所述直线交点的横坐标，y4表示激光头垂直照射于所述直线上所述直线交点的纵坐标，z4表示激光头垂直照射于所述直线上所述直线交点的竖坐标，x3表示焊缝与锅底相交的最高点的横坐标，y3表示焊缝与锅底相交的最高点的纵坐标，z3表示焊缝与锅底相交的最高点的竖坐标，x2表示焊缝与导管相交的最高点的横坐标，y2表示焊缝与导管相交的最高点的纵坐标，z2表示焊缝与导管相交的最高点的竖坐标，L2表示激光头与所述直线的距离；
(2)基于激光头与所述平面的位置关系，将激光头的位置坐标代入所述平面的函数方程Ax+By+C＝0中，建立关系式：
Ax5+By5+C＝0
其中，Ax+By+C＝0表示所述平面的函数方程；
(3)基于建立的关系式，求解得到x5、y5和z5的值，得到激光头的位置坐标(x5，y5，z5)。因为在所述直线两侧各有一点满足上述关系式，故需要舍去直线下方的点，保留直线上方的点，直线上方的点即为激光头在建立的空间直角坐标系中的位置坐标。
本发明实施例的锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法，通过建立空间直角坐标系，并创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程，计算得到导管与锅底的交点，然后基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标，从而根据激光头的位置坐标调控激光头的角度以及设计激光头所在机械臂的运动轨迹，实现对激光头的有效控制。根据求解得到的激光头的坐标来调控激光头的角度，所有焊缝的维修顺序与维修单个焊缝时机械臂的协同配合，结合已知的坐标，以及机械臂结构来设计运动轨迹，实现对于焊缝激光喷丸的自动化。
参见图2所示，本发明实施例提供的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制系统，包括测量模块、创建模块、交点计算模块和激光头位置计算模块。
测量模块用于基于激光头上安装的相机获取锅炉底部和导管连接处的焊缝画面，并根据获取的焊缝画面测量得到焊缝尺寸；创建模块用于以锅底的底部中心为原点建立空间直角坐标系，并创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程；交点计算模块用于根据创建的半球面的函数方程以及创建的圆的函数方程，计算得到导管与锅底的交点；激光头位置计算模块用于基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标实现对激光头的控制。
本发明实施例中，创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程，具体为：基于锅底所在的半球面半径、导管底面所在圆的半径和建立的空间直角坐标系，创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程。基于锅炉设计图纸中的参数信息，获取锅底所在的半球面半径和导管底面所在圆的半径。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

Claims (10)

1.一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于激光头上安装的相机获取锅炉底部和导管连接处的焊缝画面，并根据获取的焊缝画面测量得到焊缝尺寸；
以锅底的底部中心为原点建立空间直角坐标系，并创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程；
根据创建的半球面的函数方程以及创建的圆的函数方程，计算得到导管与锅底的交点；
基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标实现对激光头的控制。
2.如权利要求1所述的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法，其特征在于，所述创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程，具体为：
基于锅底所在的半球面半径、导管底面所在圆的半径和建立的空间直角坐标系，创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程。
3.如权利要求2所述的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法，其特征在于：基于锅炉设计图纸中的参数信息，获取锅底所在的半球面半径和导管底面所在圆的半径。
4.如权利要求2所述的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法，其特征在于，所述锅底所在半球面的函数方程为：
xa 2+ya 2+(za-R)2＝R2
其中，R表示锅底所在半球面的半径，xa表示点a的横坐标，ya表示点a的纵坐标，za表示点a的竖坐标，所述点a为锅底所在半球面上的任意一点。
5.如权利要求2所述的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法，其特征在于，所述导管底面所在圆的函数方程：
(xb-x0)2+(yb-y0)2＝r2
其中，x0表示锅底底部中心的横坐标，y0表示锅底底部中心的纵坐标，r表示导管底面所在圆的半径，xb表示点b的横坐标，yb表示点b的纵坐标，所述点b为导管底面所在圆上的任意一点。
6.如权利要求1所述的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法，其特征在于，所述基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标实现对激光头的控制，具体步骤包括：
基于导管与锅底的交点、焊缝与导管相交的最高点，以及锅底底部中心三点构成的平面，确定焊缝与锅底相交的最高点；
确定导管与锅底的交点和锅底底部中心两点所在的直线；
基于激光头与所述直线的距离，激光头与所述平面的位置关系，确定激光头的位置坐标，实现对激光头的控制。
7.如权利要求6所述的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制方法，其特征在于，所述基于激光头与所述直线的距离，激光头与所述平面的位置关系，确定激光头的位置坐标，具体为：
基于激光头与所述直线的距离，建立关系式：
(x5-x4)(x3-x2)+(y5-y4)(y3-y2)+(z5-z4)(z3-z2)＝0
(x5-x4)2+(y5-y4)2+(z5-z4)2＝L2 2
其中，x5表示激光头位置坐标的横坐标，y5表示激光头位置坐标的纵坐标，z5表示激光头位置坐标的竖坐标，x4表示激光头垂直照射于所述直线上所述直线交点的横坐标，y4表示激光头垂直照射于所述直线上所述直线交点的纵坐标，z4表示激光头垂直照射于所述直线上所述直线交点的竖坐标，x3表示焊缝与锅底相交的最高点的横坐标，y3表示焊缝与锅底相交的最高点的纵坐标，z3表示焊缝与锅底相交的最高点的竖坐标，x2表示焊缝与导管相交的最高点的横坐标，y2表示焊缝与导管相交的最高点的纵坐标，z2表示焊缝与导管相交的最高点的竖坐标，L2表示激光头与所述直线的距离；
基于激光头与所述平面的位置关系，将激光头的位置坐标代入所述平面的函数方程Ax+By+C＝0中，建立关系式：
Ax5+By5+C＝0
其中，Ax+By+C＝0表示所述平面的函数方程；
基于建立的关系式，求解得到x5、y5和z5的值，得到激光头的位置坐标(x5，y5，z5)。
8.一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制系统，其特征在于，包括：
测量模块，其用于基于激光头上安装的相机获取锅炉底部和导管连接处的焊缝画面，并根据获取的焊缝画面测量得到焊缝尺寸；
创建模块，其用于以锅底的底部中心为原点建立空间直角坐标系，并创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程；
交点计算模块，其用于根据创建的半球面的函数方程以及创建的圆的函数方程，计算得到导管与锅底的交点；
激光头位置计算模块，其用于基于导管与锅底的交点、焊缝的尺寸和激光头与焊缝间的距离，计算得到激光头的位置坐标实现对激光头的控制。
9.如权利要求8所述的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制系统，其特征在于，所述创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程，具体为：
基于锅底所在的半球面半径、导管底面所在圆的半径和建立的空间直角坐标系，创建锅底所在半球面的函数方程以及导管底面所在圆的函数方程。
10.如权利要求9所述的一种锅炉底部导管焊接时的激光头控制系统，其特征在于：基于锅炉设计图纸中的参数信息，获取锅底所在的半球面半径和导管底面所在圆的半径。
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