CN113909639A - 一种基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车及方法，包括配置有视觉焊缝传感单元、三维位置补偿装置、焊接单元和控制单元的焊接小车本体，三维位置补偿装置位于焊接小车本体上方，对焊接单元枪头相对焊缝中心位置偏差作出调整；焊接单元位于三维位置补偿装置上方，通过控制单元控制实现焊缝焊接；视觉焊缝传感单元位于焊接单元侧面，对焊接单元焊缝识别和焊缝跟踪；控制单元用于获取视觉焊缝传感单元焊缝信息，对焊接单元进行工艺参数设置、控制焊接作业，控制三维位置补偿装置实施自适应待焊工件下料误差、组对及装夹误差、焊接轨迹误差的偏差校正，以及对焊接小车运动控制。该小车自动化程度高、调节范围大、通用性强、人工介入程度低。

Description

一种基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车及方法

技术领域

本发明属于埋弧焊焊接技术领域，具体涉及一种具有焊缝位置自动补偿功能的埋弧焊小车的实现方法。

背景技术

埋弧焊作为工业生产中一种常用的焊接方法，广泛应用于建筑钢结构、造船、核电、风电等领域。目前，埋弧焊小车通常是由操作人员手动控制焊接小车进行埋弧焊作业，埋弧焊小车的工作方式主要分为无轨道式和有轨道式焊接小车两种。

无轨道式焊接小车在实际焊接过程中为了保证焊接质量，焊枪枪头要实时对准焊缝中心，这种方式主要靠操作工人眼睛盯着枪头位置，发现枪头相对焊缝中心有位置偏差时，操作工人通过手动调整焊枪枪头相对于焊缝中心的位置，这种调整方式与人的视力极为相关，容易产生质量缺陷，且长时间工作容易造成操作人员疲劳，不适应大批量生产。现有的无轨式小车跟踪方法主要包括激光跟踪器和弧压跟踪，但是目前该种方式跟踪效果较差、调节范围小、操作工人介入工作量较大和通用性差。

有轨道式焊接小车在实际焊接过程中普遍采用的方法是将焊接小车轨道做成与焊缝形状相同，焊接小车沿轨道行走从而实现焊枪轨迹与焊缝相同来进行焊接作业。但是这种焊接小车的轨道安装和校正较为繁琐，移动较为困难，轨道的长度也无法满足各种长焊缝的焊接需求。为了避免出现焊接缺陷，在焊接过程中操作工人需手动微调埋弧焊小车方向，操作工人劳动强度较大，生产效率低，此外，不同轨迹的焊缝均需相应的焊接小车轨道。

因此，研制一种自动化程度高、调节范围大、通用性强、人工介入程度低的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车具有十分重要的意义。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车，该小车跟踪效果好，调节范围大，焊缝偏斜自动补偿性能好，人工介入程度低，焊接效果好，通用性强。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。

本发明提供了一种基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车，包括：

焊接小车本体，配置有视觉焊缝传感单元、三维位置补偿装置、焊接单元和控制单元；

三维位置补偿装置位于焊接小车本体上方，对焊接单元枪头相对焊缝中心位置偏差作出调整；

焊接单元位于三维位置补偿装置上方，通过控制单元控制实现焊缝焊接；

视觉焊缝传感单元位于焊接单元侧面，对焊接单元焊缝识别和焊缝跟踪；

控制单元用于获取视觉焊缝传感单元焊缝信息，对焊接单元进行工艺参数设置、控制焊接作业，控制三维位置补偿装置实施自适应待焊工件下料误差、组对及装夹误差和焊接轨迹误差的偏差校正，以及对焊接小车运动控制。

作为优选，在焊接小车本体上固定有控制单元、机头、视觉焊缝传感单元和焊接单元；机头位于三维位置补偿装置上方，控制单元位于机头上，视觉焊缝传感单元和焊接单元连接在机头上。

作为优选，所述焊接单元包括固定在机头上的焊丝盘、送丝轮、导丝轮、焊剂料斗、漏料斗和焊枪；焊丝盘、送丝轮和导丝轮通过焊丝传动连接至焊枪，焊剂料斗下方连接漏料斗，漏料斗连接焊枪。

作为优选，视觉焊缝传感单元通过焊枪夹具和转接板固定在焊枪上，视觉焊缝传感单元内部包括激光器和相机。

作为优选，所述三维位置补偿装置包括水平调节机构和上下调节机构，每个调节机构包括调节基板和固定于其上的伺服电机、传动机构和移动机构；伺服电机通过传动机构连接移动机构；

上下调节机构的移动机构连接机头，水平调节机构的移动机构连接上下调节机构的调节基板。

作为优选，所述传动机构包括固定于调节基板上的伺服电机、主动带轮、V型同步带和从动带轮，伺服电机连接主动带轮，主动带轮通过V型同步带连接从动带轮，从动带轮连接移动机构。

作为优选，所述移动机构包括固定在调节基板上的丝杠和一对导轨，丝杠和一对导轨上滑动连接有滑块，上下调节机构的滑块连接机头，水平调节机构的滑块连接上下调节机构的调节基板。

相应地，本发明提供了一种小车的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊方法，包括：

步骤1，三维位置补偿装置、控制单元和视觉焊缝传感单元初始化；

步骤2，移动焊接小车本体，待焊工件的焊缝位于视觉焊缝传感单元视野内，在控制单元中输入待焊工件的焊接工艺参数；

步骤3，视觉焊缝传感单元将识别到工件焊缝的起点信息传输至控制单元，控制单元控制三维位置补偿装置使得激光器的激光条纹与焊缝中心吻合；焊接单元执行焊接作业；

步骤4，视觉焊缝传感单元的激光条纹所识别的焊缝特征点在Z向视场发生变化，焊缝的水平和垂直方向偏差≥1mm时，视觉焊缝传感单元发送信号至控制单元，控制三维位置补偿装置在时间t内调节焊枪与焊缝对准；

步骤5，视觉焊缝传感单元检测到当前焊缝的末点时，控制单元控制漏料斗自动停止焊剂填充，埋弧焊焊接电源断电，当前焊缝焊接作业完成。

其中，步骤4中，在同一坐标系的同一时刻下，假设视觉焊缝传感单元的激光条纹中点与焊缝长度方向交点的当前位置坐标为M(X₁,Y₁,Z₁)，焊枪沿焊丝末端与焊缝中心位置当前坐标为N(X₂,Y₂,Z₂)，当焊缝没有偏差时，Y₁＝Y₂，Z₁＝Z₂，其中|X₁-X₂|为焊枪与激光条纹之间的滞后距离；当焊缝的水平和垂直方向偏差≥1mm时，即当

控制单元控制三维位置补偿装置在时间t内调节焊枪与焊缝对准为：

其中，V指埋弧焊焊接小车前进速度，t为实时调整时间，t≥0。

当焊接过程中缺少焊剂、焊丝或者出现异常时，控制单元设置语音或报警灯提示。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明设置三维位置全自动补偿装置可左右和上下快速调节焊枪的位置，焊枪左右和上下调节的距离均为±135mm，焊枪左右调节和上下调节的两个调节机构互不影响，结合小车沿焊缝方向前进，焊枪可以实现三维全位置自动补偿。视觉焊缝传感单元可通过视觉检测出焊缝的实际位置，自动适应一定的来料偏差，自动补偿焊枪与焊缝的位置偏差，使得焊枪中心与焊缝实时对准。

本发明基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车，具有自动化程度高、大范围自动补偿焊缝偏差、通用性强、人工介入程度低、可提高焊接效率和品质的优势。

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，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明小车的结构示意图；

图2为本发明三维位置补偿装置的结构示意图；

图3为本发明视觉焊缝传感单元的结构示意图；

图4为本发明视觉焊缝传感跟踪示意图；

图5为本发明方法流程图。

图中：1、焊接小车本体；2、三维位置补偿装置；3、控制单元；4、视觉焊缝传感单元；5、焊接小车车轮；6、焊丝盘；7、焊剂料斗；8、送丝轮；9、机头；10、导丝轮；11、漏料斗；12、焊丝；13、离合器；14、急停开关；15、小车把手；16、法兰；17、伺服电机；18、主动带轮；19、V型同步带；20、从动带轮；21、丝杠；22、导轨；23、滑块；24、遮尘罩；25、焊枪；26、焊枪夹具；27、转接板；28、激光条纹；29、相机视场；30、工件；31、焊缝。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1～图4所示，本发明一种基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车，包括：焊接小车本体1、三维位置补偿装置2、控制单元3、视觉焊缝传感单元4和焊接单元。焊接小车本体1上设三维位置补偿装置2、视觉焊缝传感单元4和焊接单元，控制单元3连接焊接小车本体1、三维位置补偿装置2、视觉焊缝传感单元4和焊接单元。

其中，焊接小车本体1作为埋弧焊接的执行主体，沿焊缝轨迹行走并执行相应的埋弧焊焊接工作任务。三维位置补偿装置2为三维全自动装置，位于焊接小车本体上方，当枪头相对焊缝中心有位置偏差时，三维位置补偿装置2通过反馈系统一定范围内可上下左右调节焊枪枪头相对于焊缝中心的位置，使得焊枪25枪头始终位于焊缝中心位置，保证焊接质量。视觉焊缝传感单元位于焊接单元侧面，视觉焊缝传感单元4主要负责焊缝识别、焊缝跟踪。焊接单元位于三维位置补偿装置上方，通过控制单元控制实现焊缝焊接；控制单元3获取视觉焊缝传感单元焊缝信息，主要负责焊接作业控制、焊接工艺参数设置，控制三维位置补偿装置实施自适应待焊工件下料、组对及装夹的偏差和焊接轨迹误差的偏差校正，以及焊接小车运动控制等。

如图1所示，焊接小车本体1包括用于沿焊缝轨迹行走的焊接小车车轮5和离合器13，离合器13位于小车本体1上，用于控制焊接小车的制动和运行，控制单元3上方设有急停开关14和小车把手15，当出现紧急情况时按下急停开关14整个设备将会停止运行，小车把手15主要便于操作人员移动焊接小车。

设在焊接小车本体1顶部的三维位置补偿装置2经控制单元3控制，在一定范围内可上下左右调节焊枪25枪头相对于焊缝的中心位置。

在焊接小车本体1上固定有控制单元3、机头9、视觉焊缝传感单元4和焊接单元，焊接单元包括固定在机头9上的焊丝盘6、焊剂料斗7、送丝轮8、导丝轮10、漏料斗11和焊枪25；焊丝盘6和送丝轮8固定于机头9前侧，相互传动连接，焊丝自焊丝盘6连接至送丝轮8上，焊剂料斗7固定于机头9后侧，焊剂料斗7下方连接漏料斗11，漏料斗11下方连接焊枪25，焊剂料从焊剂料斗7、漏料斗11输送至焊枪25枪头，焊丝盘6的焊丝12通过送丝轮8和导丝轮10进入焊枪25用于焊接。焊枪25枪头同侧连接有视觉焊缝传感单元4。

如图2所示，三维位置补偿装置2包括用于机头9左右和上下调节的水平调节机构和上下调节机构，每个调节机构包括调节基板和固定于其上的伺服电机、传动机构和移动机构；伺服电机通过传动机构连接移动机构。

传动机构包括固定于调节基板上的带刹车伺服电机17、主动带轮18、V型同步带19和从动带轮20，调节机构基板侧设有伺服电机17，伺服电机17输出轴连接主动带轮18，通过V型同步带19连接从动带轮20，从动带轮20连接移动机构。

移动机构包括固定在调节基板上的丝杠21、导轨22和滑块23，其中V型同步带19周围安装遮尘罩24，丝杠21和一对导轨22设在调节机构基板上，滑块23沿导轨22和丝杠21在调节机构基板上下移动。上下调节机构和左右调节机构通过法兰16连接，上下调节机构的滑块23连接机头9，水平调节机构的滑块23连接上下调节机构的调节基板，实现上下左右调节。

如图3和图4所示，视觉焊缝传感单元4通过焊枪夹具26和转接板27固定在焊枪25上，视觉焊缝传感单元4内部包括激光器和相机，激光器和相机用于对激光条纹28和相机视场29内焊缝31的识别及在线跟踪。

图4示出了焊枪25上焊丝12对工件30的焊缝31进行焊接示意图。

如图5所示，本发明相应的给出了一种基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车的工作流程，步骤如下：

步骤1，设备上电启动，依次对三维位置补偿装置2、控制单元3和视觉焊缝传感单元4进行初始化，初始化完成后手动打开离合器13；

步骤2，移动焊接小车本体1，使得待焊工件30的焊缝31位于视觉焊缝传感单元4的视野内，然后在控制单元3中输入待焊工件的焊接工艺参数；

步骤3，当视觉焊缝传感单元4识别到工件焊缝的起点，视觉焊缝传感单元4通过发送反馈信号至控制单元3，控制单元3通过控制三维位置补偿装置2使得激光器的激光条纹28所识别的焊缝特征中心位于视野的中点；然后，焊接小车本体1开始沿焊缝前进，当焊剂料斗7到达焊缝起点时，漏料斗11自动流出焊剂填充焊缝，当焊枪25到达焊缝起点时，开始执行焊接作业；

步骤4，焊缝在线实时跟踪。由于焊枪25与视觉焊缝传感单元4之间有一段滞后距离，在实际焊接作业过程中激光器检测焊缝的横向偏斜位移，相机计算焊缝的深度信息同时采集焊缝的点云数据，并实时读取视野内激光条纹28中点位置信息。当焊缝倾斜、横向弯曲或翘曲时，视觉焊缝传感单元4的激光条纹28所识别的焊缝特征中心将偏离视野的中点，焊缝特征点在视觉焊缝传感单元4Z向视场也将发生变化，当焊缝的综合偏差(包括水平方向和垂直方向)≥1mm时，视觉焊缝传感单元4通过发送反馈信号至控制单元3，控制单元3控制三维位置补偿装置2在时间t内调节焊枪25的位置使得焊枪25在焊缝倾斜、横向弯曲或翘曲处仍与焊缝对准。

在同一坐标系的同一时刻下，假设视觉焊缝传感单元4的激光条纹28中点与焊缝长度方向交点的当前位置坐标为M(X₁,Y₁,Z₁)，焊枪25沿焊丝12方向(焊丝末端)与焊缝中心位置当前坐标为N(X₂,Y₂,Z₂)，当焊缝没有偏差时，Y₁＝Y₂，Z₁＝Z₂，其中|X₁-X₂|为焊枪25与激光条纹28之间的滞后距离。由于焊接小车沿焊缝移动过程中视觉焊缝传感单元4的激光条纹28检测频率很高，另外焊缝在实际情况下偏斜或翘曲的突变情况极少，当焊缝的综合偏差(包括水平方向和垂直方向)≥1mm时，即当

视觉焊缝传感单元4通过发送反馈信号至控制单元3，控制单元3控制三维位置补偿装置2在时间t内调节焊枪25的位置，使得焊枪25在焊缝倾斜、横向弯曲或翘曲处仍与焊缝31对准。

其中，V指埋弧焊焊接小车前进速度，t为实时调整时间，t≥0。

步骤5，视觉焊缝传感单元4检测到当前焊缝的末点时，控制单元3获得焊缝末点的位置信息，当焊剂料斗7到达焊缝末点时，漏料斗11自动停止焊剂填充，当焊枪25接近焊缝末点时，埋弧焊焊接电源断电，当前焊缝焊接作业完成，待所有焊接任务完成时，关闭控制单元3，整个焊接小车1关闭。

如果焊接过程中缺少焊剂、焊丝或者出现其他异常时，控制单元3屏幕上会出现提示，同时会发出蜂鸣声或报警灯提醒用户处理异常。

本发明基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车，解决了现有无轨式小车跟踪方法中跟踪效果较差、调节范围小、操作工人介入工作量较大和通用性差的问题，针对来料偏差进行自动补偿焊枪与焊缝的位置偏差，使得焊枪中心与焊缝实时对准，实现了三维全位置自动补偿。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车，其特征在于，包括：

焊接小车本体，配置有视觉焊缝传感单元、三维位置补偿装置、焊接单元和控制单元；

三维位置补偿装置位于焊接小车本体上方，对焊接单元枪头相对焊缝中心位置偏差作出调整；

焊接单元位于三维位置补偿装置上方，通过控制单元控制实现焊缝焊接；

视觉焊缝传感单元位于焊接单元侧面，对焊接单元焊缝识别和焊缝跟踪；

控制单元用于获取视觉焊缝传感单元焊缝信息，对焊接单元进行工艺参数设置、控制焊接作业，控制三维位置补偿装置实施自适应待焊工件下料误差、组对及装夹误差、焊接轨迹误差的偏差校正，以及对焊接小车运动控制。

2.根据权利要求1所述的基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车，其特征在于，在焊接小车本体上固定有控制单元、机头、视觉焊缝传感单元和焊接单元；机头位于三维位置补偿装置上方，控制单元位于机头上，视觉焊缝传感单元和焊接单元连接在机头上。

3.根据权利要求1所述的基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车，其特征在于，所述焊接单元包括固定在机头上的焊丝盘、送丝轮、导丝轮、焊剂料斗、漏料斗和焊枪；焊丝盘、送丝轮和导丝轮通过焊丝传动连接至焊枪，焊剂料斗下方连接漏料斗，漏料斗连接焊枪。

4.根据权利要求1所述的基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车，其特征在于，视觉焊缝传感单元通过焊枪夹具和转接板固定在焊枪上，视觉焊缝传感单元内部包括激光器和相机。

5.根据权利要求1所述的基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车，其特征在于，所述三维位置补偿装置包括水平调节机构和上下调节机构，每个调节机构包括调节基板和固定于其上的伺服电机、传动机构和移动机构；伺服电机通过传动机构连接移动机构；

上下调节机构的移动机构连接机头，水平调节机构的移动机构连接上下调节机构的调节基板。

6.根据权利要求5所述的基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车，其特征在于，所述传动机构包括固定于调节基板上的伺服电机、主动带轮、V型同步带和从动带轮，伺服电机连接主动带轮，主动带轮通过V型同步带连接从动带轮，从动带轮连接移动机构。

7.根据权利要求5所述的基于视觉检测的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊小车，其特征在于，所述移动机构包括固定在调节基板上的丝杠和一对导轨，丝杠和一对导轨上滑动连接有滑块，上下调节机构的滑块连接机头，水平调节机构的滑块连接上下调节机构的调节基板。

8.一种权利要求1-7任一项所述小车的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊方法，其特征在于，包括：

步骤1，三维位置补偿装置、控制单元和视觉焊缝传感单元初始化；

步骤2，移动焊接小车本体，待焊工件的焊缝位于视觉焊缝传感单元视野内，在控制单元中输入待焊工件的焊接工艺参数；

步骤3，视觉焊缝传感单元将识别到工件焊缝的起点信息传输至控制单元，控制单元控制三维位置补偿装置使得激光器的激光条纹与焊缝中心吻合；焊接单元执行焊接作业；

步骤4，视觉焊缝传感单元的激光条纹所识别的焊缝特征点在Z向视场发生变化，焊缝的水平和垂直方向偏差≥1mm时，视觉焊缝传感单元发送信号至控制单元，控制三维位置补偿装置在时间t内调节焊枪与焊缝对准；

步骤5，视觉焊缝传感单元检测到当前焊缝的末点时，控制单元控制漏料斗自动停止焊剂填充，埋弧焊焊接电源断电，当前焊缝焊接作业完成。

9.根据权利要求8所述的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊方法，其特征在于，所述步骤4中，在同一坐标系的同一时刻下，假设视觉焊缝传感单元的激光条纹中点与焊缝长度方向交点的当前位置坐标为M(X₁,Y₁,Z₁)，焊枪沿焊丝末端与焊缝中心位置当前坐标为N(X₂,Y₂,Z₂)，当焊缝没有偏差时，Y₁＝Y₂，Z₁＝Z₂，其中|X₁-X₂|为焊枪与激光条纹之间的滞后距离；当焊缝的水平和垂直方向偏差≥1mm时，即当

控制单元控制三维位置补偿装置在时间t内调节焊枪与焊缝对准为：

其中，V指埋弧焊焊接小车前进速度，t为实时调整时间，t≥0。

10.根据权利要求8所述的焊缝偏斜自动补偿埋弧焊方法，其特征在于，当焊接过程中缺少焊剂、焊丝或者出现异常时，控制单元设置语音或报警灯提示。

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