CN113245752B - 一种用于智能焊接的焊缝识别系统及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能焊接技术领域，尤其为一种用于智能焊接的焊缝识别系统及焊接方法，包括智能焊接的焊缝识别装置、计算机(系统)和智能焊接机器人，所述智能焊接的焊缝识别装置，包括壳体，壳体内有电子陀螺仪、温湿度传感器、阵列式位移传感器。本发明不限定操作人员有无专业能力，包括掌握电焊技术和操作智能设备，操作人员使用焊缝识别装置，实现对焊接工件的焊缝和工作环境等进行识别，其余交计算机(系统)处理、智能焊接机器人完成焊接，极大的降低了对智能焊接的操作能力要求；本发明中能够与基于视觉识别、语音控制的智能焊接方法，在工作环境许可的情况下结合起来使用，能够使智能焊接的技术更加完善，智能焊接质量达到最佳。

Description

一种用于智能焊接的焊缝识别系统及焊接方法

技术领域

本发明涉及智能焊接技术领域，尤其涉及一种用于智能焊接的焊缝识别系统及焊接方法。

背景技术

现在的工业焊接机器人通过机器人的示教、防形，实际操作有难度，工件与机器人位置有严格要求，对于单个构件使用成本偏高、耗时，同一工件有多道不连续焊缝，不能一次性完成焊接，焊缝位于焊件内部，很难利用设备直接操作，需要人工补充完成。对于无设计图的工件还需进行测量绘图，处于光线暗、或噪音大、或水下等环境下使用更具有局限性。因设备高性能、操作高要求，普通人员很难操作。

目前，企业用工成本逐年攀升，而电焊工作属于苦、脏、累工种，从业人数越来越少，从业人员技能有限，焊接质量不稳定，不能操作专业性高的设备。智能焊接设备需要操作人员具有较高的专业能力如编程、绘图等。同时具有焊接技能和智能设备专业操作能力的人才更少，人工成本更高。产品质量要求高和市场竞争激烈的社会背景下，一方面生产企业要把质优、价廉的产品投入市场，另一方面设备制造商要供给生产企业简易操作、性能稳定的焊接设备。

因此，我们提出了一种用于智能焊接的焊缝识别系统及焊接方法用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于智能焊接的焊缝识别系统及焊接方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本申请实施例采用下述技术方案：

一种用于智能焊接的焊缝识别系统，包括智能焊接的焊缝识别装置、计算机(系统)和智能焊接机器人，所述智能焊接的焊缝识别装置，包括壳体，壳体内有电子陀螺仪、温湿度传感器、阵列式位移传感器、长度传感器、带加速度传感器的导向轮、控制开关，以及控制电路；所述计算机(系统)包括图形处理、控制系统、焊机系统。

优选的，所述壳体分为底部为开口的安装罩和保护罩，安装罩的内壁上固定安装有数量至少为两个的陀螺仪，所述安装罩的内壁接近开口处固定安装有温湿度传感器、长度传感器和阵列式位移传感器，所述阵列式位移传感器位于温湿度传感器的下方，所述安装罩的一侧贯穿固定安装有控制开关，所述安装罩上开设有数据线接口、存储卡插槽所述保护罩和安装罩卡接在一起，所述阵列式位移传感器、长度传感器均位于保护罩内。

优选的，所述阵列式位移传感器包括多个等距间隔排列组合的位移传感器，单个位移传感器的顶部均设有独立的弹簧，弹簧使所支持的传感器贴合在焊接工件面，以及复位作用，所述位移传感器包括光栅位移传感器、磁栅式位移传感器和拉线式位移传感器。

优选的，所述导向轮与阵列式位移传感器固定连接在一起。

优选的，所述控制开关，分为焊接开关、姿态记录开关。

优选的，所述控制电路包括输入端、控制器、存储器、运算器，以及输出设备，所述输入端连接用于焊缝识别装置内的各传感器、控制开关，所述输出设备包括存储卡、有线连接端口和无线输出设备口。

一种用于智能焊接的焊接方法，包括上述任一项的焊缝识别系统，还包括以下步骤：

步骤一，准备工作：包括检查焊缝识别装置、计算机(系统)、智能机器人之间的连接情况；

步骤二，采集信号、数据：操作人员对焊接工件进行识别前定位，该定位点的标记，易于智能焊接机器人识别；操作人员使用焊接识别装置开始对焊接工件进行识别工作，操作人员将焊缝识别装置的阵列式位移传感器端抵在在焊接工件上，保持导向轮在焊缝上，沿焊缝向前移动，形成运行轨迹，通过焊接开关可以连续记录焊接工件的焊缝，一次性完成数据采集，将焊缝识别装置离开焊接工件，阵列式位移传感器通过弹簧全部复位，或同时操作控制开关，套上保护罩，停止采集数据。

步骤三，数据传递：装置内的数据传递方式，1、不同步，数据存储于装置内，装置内存储卡取出插计算机(系统)读取。2、同步，a计算机(系统)与识别装置通过数据电缆进行通信相连，识别装置的信息动态传递给计算机(系统)，b计算机(系统)与识别装置通过无线通信，识别装置内的数据实时传递。

步骤四，计算机(系统)处理：数据被计算机(系统)读取后，各系统进行处理，先生成对当前工作环境判断，焊机、焊材要求，焊机调节指令，再生成机器人持枪运行轨迹、焊接轨迹、焊枪姿态、智能机器人(焊接小车)运行轨迹和动作的指令。

步骤五，焊接工作：接到指令后，智能焊接机器人根据指令调整好运行参数，包括焊机电流、送丝速度等，运行过程中也根据指令进行动作，包括机器臂转动、焊机焊接、小车行走等动作，从而对工件进行焊接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、不限定操作人员有无专业能力，包括掌握电焊技术和操作智能设备，操作人员使用焊缝识别装置，实现对焊接工件的焊缝和工作环境等进行识别，其余交计算机(系统)处理、智能焊接机器人完成焊接，极大的降低了对智能焊接的操作能力要求

2.本发明中能够与基于视觉识别、语音控制的智能焊接方法，在工作环境许可的情况下结合起来使用，能够更有效提高设备的智能，使智能焊接的质量达到最佳。

附图说明

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

图1为本发明提出的一种用于智能焊接的焊缝识别系统及焊接方法中焊缝识别装置的结构示意图；

图2为本发明提出的一种用于智能焊接的焊缝识别系统及焊接方法中阵列式位移传感器的截面图；

图3为图1中A部分的放大结构示意图；

图4为本发明提出的一种用于智能焊接的焊缝识别系统及焊接方法中的控制电路图；

图5为本发明提出的一种用于智能焊接的焊缝识别系统及焊接方法的流程图。

图中：1、壳体；101、安装罩；102、保护罩；2、电子陀螺仪；3、温湿度传感器；4、阵列式位移传感器；401、位移传感器；402、弹簧；5、长度传感器；6、控制开关；7、控制电路；8、数据线接口、存储卡插槽；9、导向轮。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，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。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

请参阅图1-5，本实施例中提出了一种用于智能焊接的焊缝识别系统，包括智能焊接的焊缝识别装置、计算机(系统)和智能焊接机器人，智能焊接的焊缝识别装置，包括壳体1，壳体1内有电子陀螺仪2、温湿度传感器3、阵列式位移传感器4、长度传感器5、带加速度传感器的导向轮9、控制开关6，以及控制电路7；计算机(系统)包括图形处理、控制系统、焊机系统。

具体的，温湿度传感器3采集了焊接工件的环境工作状态，包括温度、湿度，该数据传递给计算机(系统)系统，长度传感器5视焊接工件的规则程度，传感器打开，测量出规则焊接工件的厚度及焊缝的宽度，该数据传递给计算机(系统)系统，导向轮9的作用是与焊缝走向保持一致，在装置在工作状态下，电子陀螺仪2的角度变化，反应出本装置的姿态，必要时打开控制开关6采集本发明装置姿态数据，本装置采用至少一个电子陀螺仪，也可以采用两个及以上，合理分布在本装置上，采用两个及以上电子陀螺仪2采集数据进行比较、运算，有利于装置采集的姿态数据更准确，电子陀螺仪2产生的信号数据进行比对，产生的差异值超出设定的误差范围，可以判断至少一个电子陀螺仪2有故障，需要进行维修或更换，图形处理是把焊缝识别装置的运行轨迹、焊缝、姿态的数据转换成包括三维图，可以把技术人员的设计图进行处理转换成焊缝图，也可以把两图进行比对，以修正焊缝识别装置的焊缝图；控制系统是把装置采集的数据经本系统处理后自动生成各种动作指令，如焊机焊接，智能机器人行走、动臂等，也包括利用智能机器人的防形学习能力而反馈的信号数据，控制系统同时接受操作人员根据实际情况或操作经验输入信息，如现场有焊机、机器人、焊材等；焊机系统根据焊缝识别装置采集的信号数据和操作人员输入的信息，生成焊接工件要求的指令，或当前工作条件焊接时长，提醒操作人员进行保温等。

壳体1分为底部为开口的安装罩101和保护罩102，安装罩101的内壁上固定安装有两个电子陀螺仪2，安装罩101的内壁接近开口处固定安装有温湿度传感器3、长度传感器5和阵列式位移传感器4，阵列式位移传感器4位于温湿度传感器3的下方，安装罩101的一侧贯穿固定安装有控制开关6，安装罩101上开设有数据线接、存储卡插槽8保护罩102和安装罩101卡接在一起，阵列式位移传感器4、长度传感器5均位于保护罩102内。

阵列式位移传感器4包括多个等距间隔排列组合的位移传感器401，单个位移传感器401的顶部均设有独立的弹簧402，弹簧402使所支持的传感器贴合在焊接工件面，以及复位作用，位移传感器401包括光栅位移传感器、磁栅式位移传感器和拉线式位移传感器。

具体的，阵列式位移传感器4通过组成的每个位移传感器与工作面焊缝接触，这时每个位移传感器给出一个长度数据，所有位移传感器的数据形成一组数据，计算机(系统)的图形处理程序处理后绘制成焊缝的截面图，也包括工件厚度。

导向轮9与阵列式位移传感器4固定连接在一起。

具体的，导向轮9带动加速器传感器的移动说明本发明处于移动识别状态，阵列式位移传感器4也随之移动的信号形成数据流，数据流通过计算机(系统)的图形处理程序而绘制成焊缝路线与焊缝的三维图，包括焊缝长度与焊缝的截面。

具体的，导向轮9在工作中与焊接方向一致，沿焊缝单向运行，同时导向轮9与阵列式位移传感器4相对固定，阵列式位移传感器4随导向轮9的方向改变而改变，加速度传感器，不限定于某一类型，应用于本装置并用于判断是否处于运动状态，以准确采集所需数据。

控制开关6，分为焊接开关、姿态记录开关。

具体的，控制开关6，分为焊接开关、姿态记录开关；焊接开关用于操作人员在识别过程中，对于是否开始焊接动作作出判断，操作该控制开关6，同时要求本装置采集该信号。姿态记录开关则用于焊接工件中焊缝处于在实际工况条件下，是否需要特定的焊枪把持角度，由操作人员直接作出判断，操作该控制开关6，同时要求本装置采集该信号。

控制电路7包括输入端、控制器、存储器、运算器，以及输出设备，输入端连接各传感器、控制开关，输出设备包括存储卡、有线连接端口和无线输出设备口。

具体的，控制电路7接受上述传感器的数据，自运算器、控制器、存储器处理后，把焊缝识别装置内的数据通过输出设备传递给计算机(系统)。

本实施例中，焊缝识别装置用于智能焊接及其他相关用途的三种工作形式：

焊缝识别装置独立识别工作，用于焊缝、喷砂、喷漆等轨迹识别，而机器人或计算机(系统)不在旁边，数据不需要实时处理，本装置识别数据集中存储在存储卡内，计算机(系统)读取存储卡内数据进行处理；

数据同步传输与处理，焊缝识别装置和计算机(系统)通过无线或有线的方式连接，或焊缝识别装置与焊接机器人上焊枪进行捆绑，焊缝识别装置将工作识别数据同步传递，计算机(系统)实时进行处理，生成轨迹图、焊接指令；

焊缝识别、计算机(系统)处理、焊接机器人焊接三同步，焊缝识别装置与计算机(系统)、焊接机器人均处于准工作状态，焊缝识别装置和焊接机器人的焊枪放置于同一起始点，焊缝识别装置先行由操作人员进行识别，计算机(系统)接受识别数据进行处理，产生指令给焊接机器人，同时要求焊接机器人在焊缝识别装置距离焊枪一定距离后开始工作。

本实施例中，一种用于智能焊接的焊接方法，用于对金属结构焊缝进行焊接，通过上述用于智能焊接的焊缝识别系统进行焊接，步骤如下：

步骤一，准备工作：操作人员的准备工作，包括检查焊缝识别装置、计算机(系统)、智能机器人之间的连接情况，设备通电开机需完成自检，如提示焊缝识别装置、机器人、焊机有故障，参照工具说明书或设备提示进行简单的调整，必要时由设备厂家进行专业维护；

步骤二，S1、采集信号、数据：

S2、操作人员打开保护罩102，焊缝识别装置自检。

S3、操作人员对焊接工件进行识别前定位，该定位点的作用一是用于焊缝识别装置起始工作点，二是智能焊接机器人上的焊枪起始工作点。该定位点的标记，易于智能焊接机器人识别。

S4、操作人员使用焊接识别装置开始对焊接工件进行识别工作，利用长度传感器5测量规则焊接工件的厚度、焊缝形状、宽度，焊缝识别装置的导向轮9与所需焊接的焊缝处重合。对于不规则焊接工件，特别是材料厚度变化较大时，应分别进行测量、记录，在计算机(系统)进行相应调整，以保证焊接质量。

S5、操作人员将焊缝识别装置的阵列式位移传感器4端抵在在焊接工件上，保持导向轮9在焊缝上，沿焊缝向前移动，形成运行轨迹。

S6、操作人员在识别进行中，对运行轨迹中的确认为焊缝的，应操作焊接开关，以使焊缝识别装置处于焊缝焊接动作记录状态。通过焊接开关可以连续记录焊接工件的焊缝，一次性完成数据采集。

S7、操作人员在识别进行中，由于焊缝处于焊接工件中的位置、空间局限，致使焊枪必须以一定姿态才能完成焊接，应操作姿态控制开关6，以使焊缝识别装置当前的姿态处于记录状态。

S8、操作人员在轨迹识别结束，将焊缝识别装置离开焊接工件，或同时操作控制开关6，阵列式位移传感器4因弹簧402而自然复位，套上保护罩102，停止采集数据。

S9、运行轨迹的另一种方法，将识别装置固定在机器人固定焊枪的位置，由操作人员手动操作识别装置与机器人运行，利用机器人的防形学习功能，机器人与识别装置同时记录焊枪运行轨迹和焊接工作姿态。

步骤三，数据传递：装置内的数据传递方式，1、不同步，数据存储于装置内，装置内存储卡取出插计算机(系统)读取；2、同步，a计算机(系统)与识别装置通过数据电缆进行通信相连，识别装置的信息动态传递给计算机(系统)，b计算机(系统)与识别装置通过无线通信，识别装置内的数据实时传递。

步骤四，计算机(系统)处理：S1、数据被计算机(系统)读取后，各系统进行处理，先生成对当前工作环境判断，焊机、焊材要求，焊机调节指令，再生成机器人持枪运行轨迹、焊接轨迹、焊枪姿态、智能机器人焊接小车运行轨迹和动作。

S2、阵列式位移传感器4采集的数据，根据各个位移传感器的数据，经过计算机(系统)处理后，产生了焊缝及焊缝两边有限距离内的截面图。

S3、导向轮9的加速度传感器，以及电子陀螺仪2，在移动时的信号数据，经过计算机(系统)处理后，产生了焊缝识别装置的运行轨迹图，由于焊接工件的焊缝不处于一个平面，则轨迹图是立体三维图。该轨迹图是应用于智能焊接机器人，要求机器人手臂所持焊枪的运行轨迹。

S4、上述阵列式位移传感器产生的焊缝截面图和加速度传感器、电子陀螺仪2的运行轨迹图进行叠加，经过计算机(系统)处理后，产生了焊接工件的焊缝及运行轨迹三维图。

S5、电子陀螺仪2的信号数据是当前状态下焊缝识别装置的姿态，在姿态控制开关6打开状态下，连续记录运行轨迹中焊缝识别装置的姿态，经计算机(系统)处理后，产生了显示焊缝识别装置的三维图。

S6、根据焊缝识别装置采集的数据，经计算机(系统)处理产生相应的指令：

S7、温湿度仪采集工作环境的温度、湿度，用于判断当前状态是否能进行焊接工作，以及是否要求操作人员采取保温等措施。

S8、运行轨迹经计算机(系统)的控制系统处理后，发送给智能焊接机器人，要求机器人持枪动臂运行一致轨迹，并要求智能机器人因前述动作而调整其前后行走的动作。

S9、焊缝三维图经计算机(系统)的控制系统处理后，产生了焊机沿运行轨迹运动中，要求焊机工作的指令。

S10、环境温湿度数据和焊缝三维图经计算机(系统)的焊机系统处理后，产生了当前工件条件下的最佳焊接设备和焊接参数，和就当前焊机设备条件下最优焊接参数。

S11、焊缝识别装置的姿态图经计算机(系统)的控制系统处理后，发送给智能焊接机器人，要求机器人持枪动臂运行一致姿态。

S12、计算机(系统)生成以上数据通过表单及图形告知操作人员，操作人员根据自身技能、现场条件、焊件实物做出合理调整，如根据当前仅有的焊机或焊材调整计算机(系统)参数，如焊机电流在给出的数据作出更合理的调整，如绘制焊缝及标示尺寸与实物不符，进行图形修正、尺寸修改。

S13、计算机(系统)绘制的焊缝轨迹与技术人员对产品部件设计而绘制三维图进行重合比对，从而对焊缝轨迹进行修正。

S14、操作人员完成上述动作后，由计算机(系统)控制系统统一产生指令，发送给包括智能机器人焊接小车、焊机。

步骤五，焊接工作：S1、接到指令后，智能焊接机器人根据指令调整好运行参数，包括焊机电流、送丝速度等，运行过程中也根据指令进行动作，包括机器臂转动、焊机焊接、小车行走等动作。

S2、智能焊接机器人的焊枪起始位置定位方法：1.在不同步数据传输、处理时，焊枪枪头人工操作放置在焊缝识别时所作的标识位置，包括焊缝识别装置固定于智能焊接机器人焊枪位置的运行轨迹采集，产生工作指令后，命令智能焊接机器人开始工作。2.在同步数据传输、处理时，将焊缝识别装置与计算机(系统)、智能焊接机器人连接好，智能焊接机器人的焊枪与焊缝识别装置共同放置于焊接工件起始位置，设定焊缝识别装置工作一定距离后，智能焊接机器人开始工作。

S3、操作人员在无害环境下发现偏离焊缝、电流偏大、焊缝不规则等，及时停止运行并作调整。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等上实施的计算机程序产品的形式。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种用于智能焊接的焊缝识别系统的焊接方法，所述焊缝识别系统包括智能焊接的焊缝识别装置、计算机和智能焊接机器人，其特征在于，所述智能焊接的焊缝识别装置，包括壳体(1)，壳体(1)内有电子陀螺仪(2)、温湿度传感器(3)、阵列式位移传感器(4)、长度传感器(5)、带加速度传感器的导向轮(9)、控制开关(6)，以及控制电路(7)；所述计算机包括图形处理、控制系统、焊机系统；所述导向轮 (9)与阵列式位移传感器(4)固定连接在一起；

所述壳体(1)分为底部为开口的安装罩(101)和保护罩(102)，安装罩(101)的内壁上固定安装有数量至少为一个的电子陀螺仪(2)，所述安装罩(101)的内壁接近开口处固定安装有温湿度传感器(3)、长度传感器(5)和阵列式位移传感器(4)，所述阵列式位移传感器(4)位于温湿度传感器(3)的下方，所述安装罩(101)的一侧贯穿固定安装有控制开关(6)，所述安装罩(101) 上开设有数据线接口、存储卡插槽(8)，所述保护罩(102)和安装罩(101)卡接在一起，所述阵列式位移传感器(4)、长度传感器(5)均位于保护罩(102)内；所述阵列式位移传感器(4)包括多个等距间隔排列组合的位移传感器(401)，单个位移传感器(401)的顶部均设有独立的弹簧(402)，所述弹簧(402)使所支持的传感器贴合在焊接工件面，以及复位作用；所述位移传感器(401)包括光栅位移传感器、磁栅式位移传感器和拉线式位移传感器；所述控制开关(6)分为焊接开关、姿态记录开关；

上述用于智能焊接的焊缝识别系统的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一，准备工作：包括检查焊缝识别装置、计算机、智能焊接机器人之间的连接情

况；

步骤二，采集信号、数据：操作人员对焊接工件进行识别前定位，该定位点的标记，易于智能焊接机器人识别；操作人员使用焊缝识别装置开始对焊接工件进行识别工作，操作人员将焊缝识别装置的阵列式位移传感器(4)端抵在焊接工件上，保持导向轮(9)在焊缝上，沿焊缝向前移动，形成运行轨迹，通过焊接开关可以连续记录焊接工件的焊缝，一次性完成数据采集，将焊缝识别装置离开焊接工件，阵列式位移传感器(4)因弹簧(402)而自然复位，或同时操作控制开关(6)，套上保护罩(102)，停止采集数据；

步骤三，数据传递：装置内的数据传递方式可以为以下方式中的任一种：1、不同步，数据存储于焊缝识别装置内，装置内存储卡取出插计算机读取；2、同步，a计算机与焊缝识别装置通过数据电缆进行通信相连，焊缝识别装置的信息动态传递给计算机，b计算机与焊缝识别装置通过无线通信，焊缝识别装置内的数据实时传递；

步骤四，计算机处理：数据被计算机读取后，各系统进行处理，先生成对当前工作环境判断，焊机、焊材要求，焊机调节指令，再生成机器人持枪运行轨迹、焊接轨迹、焊枪姿态、焊接小车运行轨迹和动作的指令；

步骤五，焊接工作：接到指令后，智能焊接机器人根据指令调整好运行参数，包括焊机

电流、送丝速度，运行过程中也根据指令进行动作，包括机器臂转动、焊机焊接、焊接小车行走动作，从而对工件进行焊接。

2.根据权利要求1所述的一种用于智能焊接的焊缝识别系统的焊接方法，其特征在于，所述控制电路(7)包括输入端、控制器、存储器、运算器，以及输出设备，所述输入端连接用于焊缝识别装置内的各传感器、控制开关，所述输出设备包括存储卡、有线连接端口和无线输出设备口。

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