CN117583700B - 一种辊压机辊面花纹自动焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业装备控制技术领域，公开了一种辊压机辊面花纹自动焊接方法，所采用的焊接设备包括：送丝机；焊机；机械臂本体；焊枪；熔池相机；滚轮架；焊接方法包括：建立焊丝规格、送丝速度、焊机电流之间的对应关系规则表；建立焊道规格、机械臂本体末端移动速度、送丝速度之间的对应关系规则表；设定标准工作参数：在辊子速度和位置控制准确的工况下，确定机械臂本体末端的移动速度、送丝机的送丝速度、焊机电流；本发明可以校正焊接过程中的转角误差、被焊接工件的转速误差，实现高精度的花纹焊接位置，提高所焊接花纹的质量；能够检测焊丝伸出长度，并自动调整保证焊丝伸出长度始终处于合理区间，实现焊丝长度的闭环控制。

Description

一种辊压机辊面花纹自动焊接方法

技术领域

本发明涉及工业装备控制技术领域，具体涉及一种辊压机辊面花纹自动焊接方法。

背景技术

辊压机是一种基于料层粉碎理论工作的破碎和粉磨设备，被广泛应用于水泥、矿山等行业。如图1所示，辊压机主要包括固定辊1、活动辊2、液压缸3、蓄能器4、机架5、进料漏斗6；辊压机在工作过程中，两只相向转动的固定辊和活动辊将大颗粒物料拉入两辊之间，在液压力作用下，物料经过挤压破碎之后形成料饼7。固定辊和活动辊是辊压机工作时直接与物料接触的部件，其表面形貌与对辊压机的工作效率有较大影响。如图2所示，辊面母材上焊接有不同形状的花纹，如一字纹、人字纹等。这些花纹的主要作用有两点：1）增加辊面与物料之间的摩擦力，减少物料在辊面上的滑动，使得物料更好地被拉入两辊之间被挤压，从而提升挤压效率；2）花纹在辊面上形成了一系列高低不平的起伏区域，在花纹间的凹陷处可以堆积物料，在压力作用下形成致密的料层，工作时辊面母材不直接与物料接触，而是料层与物料接触摩擦，从而提高了辊面的使用寿命。因此，在原先光滑的辊面上焊接花纹，是辊子出厂前必不可少的加工步骤。

辊子两端为轴颈，中间段为轴身，轴颈半径小于轴身。轴身原先是光滑的圆柱体，本发明即是在轴身上焊接花纹，焊接完成后的辊子即为成品。辊子的轴颈被架设在滚轮架的托轮上，辊子整体由托轮驱动旋转。

当前辊压机辊子表面的花纹焊接有两种工艺：1）人工焊接。焊工手持耐磨焊条，逐条焊接辊面上的花纹。这种工艺劳动强度大，焊接时间长，焊接位置精度差，焊接质量受焊工人为因素影响大。随着劳动力资源的日益紧张，这种工艺正被逐渐淘汰；2）半自动焊接。这种工艺通过焊机和送丝机配合完成起弧，代替人工手持焊条焊接。之所以称为半自动，是因为焊接时需要人工参与调整参数，如辊面上花纹的位置、焊机电流、焊接速度等。这种焊接工艺虽然很大程度上降低了焊工的劳动强度，但是焊接质量和效率仍受人为因素影响较多。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种辊压机辊面花纹自动焊接方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种辊压机辊面花纹自动焊接方法，用于在辊子的轴身上焊接花纹，花纹包括一字纹、人字纹和菱形纹；所采用的焊接设备包括：

送丝机，用于在焊接过程中以设定的速度向焊接部位连续送入焊丝；

焊机，用于产生熔化焊丝的焊机电流；

机械臂本体；

焊枪，固定安装在机械臂本体的末端；焊枪的末端设置有导电嘴，焊丝从导电嘴中伸出；

熔池相机，固定安装在机械臂本体的末端，在焊接过程中实时采集并传输焊枪导电嘴部位的图像；

滚轮架，设置有用于承载并驱动辊子旋转的托轮；

焊接方法包括以下步骤：

步骤一，建立焊丝规格、送丝速度、焊机电流之间的对应关系规则表Rule_Table1；建立焊道规格、机械臂本体末端移动速度、送丝速度之间的对应关系规则表Rule_Table2；

步骤二，设定标准工作参数：标准工作参数包括滚轮架的托轮转速、辊子所要焊接的花纹样式、焊丝规格、机械臂本体末端的标准移动速度/>、焊道规格/>、焊丝标准伸出长度、焊丝上限伸出长度、焊丝下限伸出长度、送丝速度调整率/>和焊机电流调整率；

步骤三，启动焊接：在辊子速度和位置控制准确的工况下，根据辊子所要焊接的花纹样式、焊丝规格、机械臂本体末端的标准移动速度/>、焊道规格/>确定机械臂本体末端的移动速度/>、送丝机的送丝速度/>、焊机电流/>，实施花纹的焊接；

步骤三还包括转角转速监控过程和焊丝长度监控过程；

其中，转角转速监控过程包括：实时监控辊子的转角和转速，消除焊接每道一字纹或者人字纹的静态误差，以及焊接每道菱形纹过程中的动态误差；

焊丝长度监控过程包括：实时监控和调整焊丝长度；焊丝长度是指焊丝伸出导电嘴的长度；监控焊丝长度时，采集导电嘴部位的图像，利用图像处理算法获得当前时刻焊丝伸出导电嘴的长度；当/>小于或者等于步骤二中设置的焊丝下限伸出长度，或者，当/>大于或者等于步骤二中设置的焊丝上限伸出长度时，通过调整送丝机的送丝速度/>以及焊机电流来调整焊丝长度；

步骤四，重复执行步骤三，直至所有辊子上的所有花纹完成焊接。

进一步地，对应关系规则表Rule_Table1的建立过程如下：焊丝规格是指焊丝的型号，在焊丝规格确定的情况下，焊丝的融化速度与焊机电流/>相关；通过实验方法，改变送丝机的送丝速度/>，同时调整焊机电流/>，当/>与/>匹配时，焊丝的融化速度等于送丝速度/>，则焊丝伸出导电嘴的长度始终为/>，进而得到一组焊丝规格/>、送丝速度/>、焊机电流/>的关系规则；对于一个规格为/>的焊丝，设置/>个送丝速度/>，/>为设置的第/>个送丝速度。通过实验方法得到/>个送丝速度对应的焊机电流/>，/>为/>对应的焊机电流；经过多次实验，能够得到焊丝规格、送丝速度、焊机电流之间的对应关系规则表Rule_Table1。

进一步地，对应关系规则表Rule_Table2的建立过程如下：焊道规格是指焊道的尺寸特征，包括熔宽、余高；将焊接辊面花纹时所用的种焊道规格分别记为/>，/>为第/>种焊道规格；将机械臂本体末端的允许移动速度范围均分为/>档：/>，/>为设置的第/>个机械臂本体末端允许移动速度；选择焊道规格/>中的任意一个，记为/>；选择机械臂本体末端移动速度/>中的任意一个，记为/>；控制送丝机的送丝速度/>进行变化，直至焊出的焊道符合所选定的焊道规格/>，此时，记录此时的（/>,/>,/>）为一组对应关系；分别改变焊道规格/>和机械臂本体末端移动速度/>，重复多组实验，获得多个对应工况下的/>，制作成焊道规格、机械臂本体末端移动速度、送丝速度的对应关系规则表Rule_Table2。

进一步地，静态误差是指焊接每道一字纹或者人字纹时，每道花纹预设的焊枪焊接位置与正确焊接位置的位置偏差：。其中，/>为辊子停止转动时所处的实际角度与目标角度的转角误差，/>为在机器人坐标系下焊枪的预设焊接位置与正确焊接位置的横向误差，/>为在机器人坐标系下焊枪的预设焊接位置与正确焊接位置的纵向误差。

所述焊接设备包括编码器；所述编码器固定安装在辊子的轴颈端面圆的圆心处，用于实时检测辊子的转动角度；

消除静态误差的方法是：每次辊子停止转动后，读取编码器的实际角度，与目标角度进行比较，计算转角误差，再计算出横向误差/>和纵向误差/>；根据位置偏差/>和/>对焊接起始位置进行补偿，从而消除静态位置误差；焊枪补偿后的位置为：

；

其中：是在机器人坐标系下，每道花纹预设的焊枪起始焊接位置的横坐标。/>是在机器人坐标系下，每道花纹位置补偿后的焊枪起始焊接位置的横坐标，即正确焊接位置的横坐标。

是在机器人坐标系下，每道花纹预设的焊枪起始焊接位置的纵坐标。/>是在机器人坐标系下，每道花纹位置补偿后的焊枪起始焊接位置的纵坐标，即正确焊接位置的纵坐标。

进一步地，动态误差是指在焊接菱形纹过程中，焊接的花纹形状与标准螺旋线的偏离程度；菱形纹的焊道在空间中是一条螺旋线：，焊接时，辊子转动，机械臂本体末端沿Z轴平动；/>是在辊子的轴颈与滚轮架的托轮在不打滑的情况下，辊子的转动角速度；/>是/>时刻菱形纹某一条焊道投影至机器人坐标系XY平面，焊道起始点和当前焊接点之间弧长对应的角度，可以通过编码器读取；/>是机械臂本体末端的移动速度，在辊子的轴颈与滚轮架的托轮不打滑的情况下，/>是/>时刻的当前焊接点和起始焊接点之间的位移在Z轴方向的投影长度；实际焊接过程中，在辊子的轴颈与滚轮架的托轮存在打滑，/>随着时间发生改变，记为/>；

所述焊接设备包括编码器；所述编码器固定安装在辊子的轴颈端面圆的圆心处，用于实时检测辊子当前的转动角度，即；

消除动态误差的方法是：实时控制机械臂本体末端的移动速度与辊子转动速度相匹配，使/>随时间发生改变，记为/>，则菱形纹的焊道在空间中的轨迹变为；根据读取的编码器的实时角度/>，计算得到辊子实时的转动角速度；计算实时的机械臂本体末端移动速度：/>，其中/>是辊子的轴身沿机器人坐标系Z轴的投影长度，/>是菱形纹的某一条完整花纹的焊道投影至机器人坐标系XY平面，焊道起始点和终点之间弧长对应的角度；驱动机械臂本体末端以/>沿Z轴平动；

为了保证焊接过程中焊道规格保持一致，需要根据匹配相应的送丝速度/>；根据当前的焊道规格/>和机械臂本体末端移动速度/>，通过查询Rule_Table2并采用线性插值法，确定送丝机的送丝速度/>；

同时，在时刻，根据当前焊丝规格和送丝速度/>，由Rule_Table1查询对应的焊机电流/>。

进一步地，焊丝长度监控过程中，利用图像处理算法获得当前时刻焊丝伸出导电嘴的长度时，具体包括以下步骤：

S31：熔池相机实时拍摄焊接熔池部位的图像；拍摄过程中，熔池相机与焊枪的相对位置保持固定，以保证焊丝尾部在图像中的位置固定、且能够标定图像的像素距离与实际距离的换算关系；

S32：根据图像灰度值，寻找图像中亮度最高区域的面积中心点，视为焊丝的头部，得到焊丝头部的像素坐标；

S32：计算焊丝尾部的像素坐标和焊丝头部的像素坐标的像素距离；

S34：根据所述像素距离，以及像素距离与实际距离的换算关系，换算得到焊丝伸出导电嘴的长度。

进一步地，当小于或者等于步骤二中设置的焊丝下限伸出长度，或者当/>大于或者等于步骤二中设置的焊丝上限伸出长度，则通过调整送丝机的送丝速度/>以及焊机电流/>来调整焊丝长度，具体包括：

当小于或者等于焊丝下限伸出长度时，则提高送丝机的送丝速度/>，以及降低焊机电流/>，直至s等于所述焊丝标准伸出长度：/>，其中，/>是调整前的送丝速度，即所述送丝速度/>；/>是调整后的送丝速度；/>是调整前的焊机电流，即所述焊机电流/>；/>是调整后的焊机电流，/>所设置的焊机电流调整率；

当大于或者等于焊丝上限伸出长度时，则降低送丝机的送丝速度/>，以及提高焊机电流/>，直至/>等于所述焊丝标准伸出长度：/>。

进一步地，步骤三中，所述启动焊接具体包括：当焊接的花纹为一字纹或人字纹时，焊接动作一如下：滚轮架的托轮转速为0，辊子不转动，机械臂本体末端移动至焊接起始位置后，控制焊机起弧，机械臂本体末端按照步骤二中设定的机械臂本体末端标准移动速度沿Z轴方向水平运动；送丝机的送丝速度/>根据步骤二中设置的焊道规格/>和机械臂本体末端标准移动速度/>，由Rule_Table2中查出并设置；焊机电流/>根据焊丝规格/>和送丝速度/>，由Rule_Table1查出并设置；当完成一道花纹的焊接后，焊机熄弧；根据步骤二中设置的花纹样式，滚轮架的托轮转动从而驱动辊子转动一个角度，以便下一道花纹的焊接；

机械臂本体末端移动到下一道花纹的起始焊接点，焊机起弧，重复焊接动作一，开始下一道花纹的焊接。

进一步地，步骤三中，所述启动焊接具体包括：当焊接的花纹为菱形纹时，焊接动作二如下：

送丝速度根据步骤二中设置的焊道规格/>、机械臂本体末端标准移动速/>，从Rule_Table2中查出并设置；当焊丝规格/>和送丝速度/>确定之后，焊机电流/>由Rule_Table1查出并设置；滚轮架的托轮以恒定转速驱动辊子转动；一道花纹焊接完成后，焊机熄弧，辊子不停转，机械臂本体末端移动到下一道花纹的起始焊接点；

当辊子转动到下一道花纹的起始焊接角度时，焊机重新起弧，重复焊接动作二。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明提出了一种全自动焊接辊面花纹的设备，取代目前人工焊接和半自动焊接，提高了自动化程度，提升了焊接时的工作效率；焊接过程中不受人为因素干扰，保证了花纹焊接质量的均一性；减轻了人员工作量，使得人员不必在焊接现场操作焊接设备，避免了现场烟尘、噪声、弧光对人体健康的伤害；焊接过程中的各项参数可以数字化记录，便于追溯产品质量问题，持续改善工艺。

本发明提出了一种全自动辊面花纹焊接方法，该方法可以校正焊接过程中的转角误差，自动补偿焊接过程中的焊枪起始焊接位置的静态误差。即使使用低端的负载驱动设备，也可以实现高精度的花纹焊接位置，实现了低成本搭建焊接系统。

本发明中的焊接方法可以校正焊接过程中的被焊接工件的转速误差，自动调整焊枪的移动速度、送丝机的送丝速度、焊机电流等参数，保证焊接花纹时焊枪始终沿设定轨迹高精度运动、保证所焊接花纹的规格在焊接过程中始终保持一致，提高了所焊接花纹的质量。

本发明中的焊接方法可以在焊接过程中检测焊丝伸出长度，并自动调整保证焊丝伸出长度始终处于合理区间，实现焊丝长度的闭环控制。减少了焊接过程中的焊渣飞溅少，提高了焊接花纹的质量。同时焊接过程中不会断弧、熄弧，提高了焊接过程的连续性和安全性。

附图说明

图1为辊压机的工作原理示意图；

图2为辊面花纹的示意图；其中（a）为一字纹，（b）为人字纹，（c）为菱形纹，（d）为菱形纹加硬质点；

图3为本发明实施例中的焊接设备的示意图；

图4为静态误差补偿的原理示意图；

图5为本发明实施例中的焊接方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

如图3所示，本发明所建立的空间右手坐标系中：Z轴为水平面内辊子的轴向方向，X轴为水平面内与Z轴垂直的方向，Y轴为垂直水平面竖直方向。坐标系原点被放置在机器人第1轴的转动中心，称为机器人坐标系。

如图3所示，本发明中的焊接设备，主要包括：

送丝机101，用于在焊接过程中以设定的速度向焊接部位连续送入焊丝，送丝机的送丝速度可以由外部输入信号控制。

焊机102，用于产生电弧电流熔化焊丝。本发明使用MIG焊工艺，焊机与送丝机电连接，焊接时焊丝是正极，工件为负极。焊机电流可以由外部输入信号控制。

焊枪103，被固定安装在机械臂的末端，随机械臂末端一起移动，用于支撑焊丝。焊枪的末端是导电嘴，焊丝从导电嘴中伸出。焊丝伸出导电嘴的长度对焊接质量有重要影响。伸出的焊丝长度过长会导致焊接过程中容易断弧，过短则导致焊接时焊渣飞溅且导电嘴容易被堵塞造成熄弧。一般焊丝伸出导电嘴的长度约15mm~20mm。

机械臂本体104，优选六自由度工业机械臂。机械臂本体的底座被固定安装在地面上，末端固定安装有焊枪和熔池相机。

机械臂控制箱105，用于控制机械臂本体末端移动速度及空间位姿。可以在机械臂控制箱中预设机械臂本体的运动轨迹，工作时按照预设的轨迹进行动作，即示教功能；也可以接收外部信号，实时控制机械臂本体位姿和移动速度。

承重驱动机构，用于驱动被焊接工件旋转，即驱动辊子旋转。可以选择滚轮架或变位机等装备。滚轮架106和变位机都是重载旋转设备，功能相同。变位机相对于滚轮架的优势在于转动角度和转速的控制更为精确，但是成本比滚轮架高得多。这里优选滚轮架，滚轮架上端有2个托轮，工作时可以控制托轮转动速度和角度。

承重驱动机构控制箱107，可以接受外部信号，从而控制承重驱动机构的转速和转角。这里优选滚轮架控制器。

编码器201，固定安装在辊子轴颈端面圆的圆心处，用于实时检测辊子的转动角度。

熔池相机202，可以采集和传输焊接部位的实时图像。本发明将熔池相机固定安装在机械臂本体的末端，与焊枪的相对位置保持固定。通过实时采集焊枪导电嘴部位的图像，传输至主控制器中，利用图像处理算法实时计算焊丝伸出焊枪嘴的长度。

主控制器301，可接收编码器、熔池相机的检测信号；接收送丝机、焊机、机械臂控制箱、驱动机构控制箱的实时反馈信号，以及向它们发出控制信号。

本发明中的辊子108，两端为轴颈，中间段为轴身，轴颈半径小于轴身。轴身原先是光滑的圆柱体，本发明的目的是在轴身上焊接花纹，焊接完成后的辊子即为成品。辊子的轴颈被架设在滚轮架的托轮上，辊子整体由滚轮架的托轮驱动旋转。

如图5所示，本发明中的辊压机辊面花纹自动焊接方法，包括以下步骤：

步骤一：建立焊丝规格、送丝速度、焊机电流之间的关系规则表Rule_Table1。建立焊道规格、机械臂本体末端移动速度、送丝速度之间的关系规则表Rule_Table2。

Rule_Table1的建立过程如下：焊丝规格是指一种特定型号的焊丝，如1.6mm直径的药芯焊丝、2.0mm直径的药芯焊丝等。在焊丝规格确定的情况下，焊丝的融化速度只与焊机电流相关。实验时，给定焊丝规格，给定焊丝伸出焊枪103导电嘴的标准长度，例如为18mm。改变送丝机101的送丝速度/>，同时调整焊机102的电流/>，当/>与/>相匹配时，焊丝融化速度等于送丝速度/>，则焊丝伸出导电嘴的长度始终为/>不变。此时，得到了一组焊丝规格/>、送丝速度/>、焊机电流/>的关系规则。假设对于一个规格为/>的焊丝，送丝速度分设置为，共/>个档，则采用上述实验方法可以实验得到对应/>个不同的焊机电流/>。实验完一种规格的焊丝后，更换其他规格的焊丝，经过多次实验，可以得到焊丝规格、送丝速度、焊机电流之间的对应关系规则表，即Rule_Table1，如表1所示。

表1

Rule_Table2的建立过程如下：焊道规格是指焊道的尺寸特征，主要包括熔宽、余高等特征参数。根据辊面花纹的工艺要求，将焊道规格分为，共/>种。将机械臂本体104末端的允许移动速度范围均分为/>，共/>档。则实验时，选择焊道规格为中的一个，假设为/>。机械臂104末端移动速度为/>中的一个，假设为/>。控制送丝机101的送丝速度/>缓慢变化，直至焊出的焊道符合所选定焊道的规格/>。此时，记录此时的为一组对应关系。分别改变焊道规格/>和机械臂本体104末端移动速度/>，重复多组实验，制作成焊道规格、机械臂本体104末端移动速度、送丝速度的对应关系规则表Rule_Table2，如表2所示。

表2

步骤二：在主控制器301中设定标准工作参数，启动焊接设备。在主控制器301中设定滚轮架106的托轮转速、辊面所要焊接的花纹样式、焊丝规格、机械臂本体104末端的标准移动速度/>、焊道规格/>、焊丝标准伸出长度、焊丝上限伸出长度、焊丝下限伸出长度、送丝机101的送丝速度调整率/>、焊机102的焊接电流调整率/>。

步骤三：启动焊接。步骤二中设置完上述参数之后，主控制器发出启动控制指令给送丝机101、焊机102、机械臂控制箱105、驱动机构控制箱107，启动这些设备开始工作。

启动焊接的主要任务是在辊子108速度和位置控制准确的工况下，确定机械臂本体104末端的移动速度、送丝机101的送丝速度/>、焊机102的焊接电流/>这三个参数，其主要计算过程如下：

根据步骤二中主控制301中设定的辊面所要焊接的花纹样式，分为两种情况：

1）若焊接一字纹、人字纹，则焊接时，辊子108不转动，机械臂本体104末端沿Z轴平动。主控制器301控制滚轮架106的托轮转速为0，从而辊子108转速为0，停止在某一角度。主控制器301驱动机械臂本体104末端至焊接起始位置后，控制焊机102起弧，按照步骤二中设定的机械臂本体104末端标准移动速度，沿Z轴方向水平运动。送丝机101的送丝速度/>可以根据步骤二中设置的焊道规格/>和机械臂本体104末端标准移动速度/>，从Rule_Table2中查出，进而主控制器301发出指令给送丝机101，控制其送丝速度为/>。同时，当焊丝规格/>和送丝速度/>确定之后，焊机电流/>可以由Rule_Table1查出。进而主控制器301发出指令给焊机102，控制其输出电流为/>。当焊接完成一道花纹后，主控制器301控制焊机102熄弧。主控制器301根据步骤二中设置的花纹样式，发出指令给承重驱动机构控制箱107，控制滚轮架106的托轮转动一定角度后停止，从而间接驱动辊子108转动一个角度以便下一道花纹的焊接。机械臂本体104末端移动到下一道花纹的起始焊接点，焊机102起弧，重复上述动作开始下一道花纹的焊接。

2）若所要焊接的花纹样式为菱形纹，则焊接时，辊子108转动，机械臂本体104末端沿Z轴平动，焊道在空间中是一条螺旋线：。/>是在辊子108的轴颈与滚轮架106的托轮在不打滑的情况下，辊子108的转动速度；/>是/>时刻菱形花纹某一条焊道投影至XY平面、焊道起始点和当前焊接点之间弧长对应的角度。/>是机械臂本体104末端的移动速度，在辊子108的轴颈与滚轮架106的托轮在不打滑的情况下，/>。/>是/>时刻的当前焊接点和起始焊接点之间的位移在Z轴方向的投影长度。

送丝速度可以根据步骤二中设置的焊道规格/>、机械臂本体104末端移动速度/>，由Rule_Table2中查出。主控制器301发出指令给送丝机101，控制其送丝速度为/>。同时，当焊丝规格/>和送丝速度/>确定之后，焊机电流/>可以由Rule_Table1查出。主控制器301发出指令给焊机102，控制其输出电流为/>。焊接过程中，主控制器301发出控制指令给承重驱动机构控制箱107，从而控制滚轮架106的托轮以恒定转速运动，间接驱动辊子108保持恒定角速度转动。一道花纹焊接完成后，焊机102熄弧，辊子108不停转，机械臂本体104末端移动到下一道花纹的起始焊接点。当辊子108转动到下一道花纹的起始焊接角度时，焊机102重新起弧，重复上一道花纹的焊接过程。

焊接过程中，实时监控辊子108的转角和转速，消除焊接过程中产生的误差。在步骤三的焊接过程中，会产生两种焊接误差：静态误差和动态误差，分别对应两类焊接花纹样式：

静态误差是指焊接每道一字纹、人字纹时，每道花纹的焊接位置不是辊面上指定的位置。上文中提到：在焊接一字纹、人字纹的过程中，滚轮架106托轮转动带动半径为的辊子108转动到目标角度后停止，随后机械臂本体104末端按照标准移动速度/>沿辊子108轴向平动开始焊接。这里存在一个问题：由于滚轮架106本身无法电动精确控制托轮的转动角度、滚轮架106的托轮与辊子108轴颈之间存在打滑等原因，辊子108停止转动时所处的实际角度无法与目标角度完全一致，存在转角误差/>。因此，若机械臂本体104末端按照步骤三所述的焊接起始点开始焊接花纹，则会出现位置偏差：/>。如图4所示，A点为修正前的焊接起始点，B点为修正后的焊接起始点，/>为辊子停止转动时所处的实际角度与目标角度的转角误差，/>为在机器人坐标系下焊枪103的预设焊接位置与正确焊接位置的横向误差，/>为在机器人坐标系下焊枪103的预设焊接位置与正确焊接位置的纵向误差。消除静态误差的方法是：每次辊子108停止转动后，主控制301器读取编码器201实际角度，与目标角度进行比较，计算转角误差/>，再根据公式/>计算出位置偏差/>和/>，对焊接起始位置进行补偿，焊枪103补偿后的位置/>，从而消除静态位置误差。其中：/>是在机器人坐标系下，每道花纹预设的起始焊接位置的横坐标。/>是在机器人坐标系下，每道花纹位置补偿后的起始焊接位置的横坐标，即正确焊接位置的横坐标。/>是在机器人坐标系下，每道花纹预设的起始焊接位置的纵坐标。/>是在机器人坐标系下，每道花纹位置补偿后的起始焊接位置的纵坐标，即正确焊接位置的纵坐标。

2）动态误差是指在焊接菱形纹过程中，焊接的花纹形状与标准螺旋线的偏离程度。前文中提到过，在焊接菱形花纹时，焊接时，辊子转动，机械臂本体末端沿Z轴平动，焊道在空间中是一条螺旋线：。其中，/>是在辊子108的轴颈与滚轮架106的托轮在不打滑的情况下，辊子108的转动角速度；/>是/>时刻菱形纹某一条焊道投影至机器人坐标系XY平面，焊道起始点和当前焊接点之间弧长对应的角度，该值可以从编码器201中读取；/>是机械臂本体104末端的移动速度，在辊子的轴颈与滚轮架的托轮不打滑的情况下，是/>时刻的当前焊接点和起始焊接点之间的位移在Z轴方向的投影长度。由于滚轮架106的托轮与辊子108轴颈之间存在打滑、轴颈本身由于加工误差不是标准圆等原因，造成辊子108转速/>是时变的，即/>。消除动态误差的方法是：实时控制机械臂本体104末端的移动速度/>与辊子108转动速度/>相匹配，即/>不再保持不变，变为/>，则焊道在空间中的轨迹变为/>。主控制器301读取编码器201的实时角度/>，当读取的时间间隔足够小时，可以得到辊子108的实时转动角速度/>。主控制器301计算实时的机械臂本体末端移动速度：/>，其中/>是辊子108的轴身沿Z轴方向的投影长度，/>是菱形花纹的某一条焊道投影至XY平面、焊道起始点和终点之间弧长对应的角度。主控制器301将实时速度/>发送至机械臂控制箱105中，驱动机械臂本体104末端以此速度沿Z轴平动。

同时需要注意到，由于机械臂104末端移动速度是时变的，若送丝速度/>不变则会导致焊道规格发生变化。为了保证焊接过程中，焊道规格保持一致，需要根据/>匹配相应的送丝速度/>：主控制器301根据当前的焊道规格/>和机械臂本体104末端移动速度，查询Rule_Table2，实时确定送丝机的送丝速度/>。由于Rule_Table2中的机械臂本体104末端移动速度和送丝速度是有级的，可以采用线性插值法计算送丝速度，使得送丝速度可以连续调节。主控制器301发出指令给送丝机101，控制其送丝速度为/>。同时，在/>时刻，主控制器301根据当前焊丝规格/>和送丝速度/>，由Rule_Table1查询对应的焊机电流，同样采用线性插值法使得/>可以连续变化。主控制器301发出指令给焊机102，控制其输出电流为/>。

焊丝伸出焊枪103的长度，对焊接的连续性和安全性有重要影响。若焊丝伸出长度过长，则焊接时容易断弧；若焊丝长度过短，则易产生焊渣飞溅，影响焊接工件表面质量。并且还容易堵枪导致焊接中断。实时监控和调整焊丝长度的方法如下：

主控制器301读取熔池相机202所采集的焊枪103末端位置视频，利用图像处理算法获得当前时刻焊丝末端伸出焊枪103导电嘴的长度。当/>小于或者等于步骤二中设置的焊丝下限伸出长度，或者，/>大于或者等于步骤二中设置的焊丝上限伸出长度，则触发主控制器301执行焊丝长度调整程序：1）当/>小于或者等于焊丝下限伸出长度时，按下式进行调整：/>，其中，/>是调整前的送丝速度，即前面计算出的实时的送丝速度/>；/>是调整后的送丝速度；/>是步骤二中预设的送丝速度调整率。/>是调整前的焊机电流，即前面计算出的实时的焊机电流/>；/>是调整后的焊机电流，/>是步骤二中预设的焊机电流调整率。调整后实时观察，若当前焊丝长度/>等于步骤二中设置的焊丝标准伸出长度，主控制器301退出焊丝长度调整程序；2）当s大于或者等于焊丝上限伸出长度时，按下式进行调整：/>。调整后实时观察，若当前焊丝长度/>等于步骤二中设置的焊丝标准伸出长度，主控制器301退出焊丝长度调整程序。

本实施例中获取焊丝伸出长度时，采用的图像处理算法的过程如下：1）熔池相机202实时拍摄焊接熔池部位的过程中，与焊枪103的相对位置保持固定。因此：a.焊丝底部在所拍摄图像中的像素位置固定；b.可以标定熔池相机202在此拍摄距离下像素距离与实际距离的换算关系，即像素分辨率；2）焊接时，根据图像灰度值，寻找图像中亮度最高区域的面积中心点，认为是焊丝的头部，记下焊丝的头部的像素坐标；3）焊丝的尾部像素坐标在图像中位置始终保持不变，由此可以计算焊丝头部和尾部的像素坐标距离；4）根据1）中标定的像素分辨率，换算焊丝的实际空间长度。实际使用过程中，还可以使用机器学习等算法实现此功能。

步骤四：重复执行步骤三，直至所有辊子108上的所有花纹完成。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种辊压机辊面花纹自动焊接方法，用于在辊子的轴身上焊接花纹，花纹包括一字纹、人字纹和菱形纹；其特征在于，所采用的焊接设备包括：

送丝机，用于在焊接过程中以设定的速度向焊接部位连续送入焊丝；

焊机，用于产生熔化焊丝的焊机电流；

机械臂本体；

焊枪，固定安装在机械臂本体的末端；焊枪的末端设置有导电嘴，焊丝从导电嘴中伸出；

熔池相机，固定安装在机械臂本体的末端，在焊接过程中实时采集并传输焊枪导电嘴部位的图像；

滚轮架，设置有用于承载并驱动辊子旋转的托轮；

焊接方法包括以下步骤：

步骤一，建立焊丝规格、送丝速度、焊机电流之间的对应关系规则表Rule_Table1；建立焊道规格、机械臂本体末端移动速度、送丝速度之间的对应关系规则表Rule_Table2；

步骤二，设定标准工作参数：标准工作参数包括滚轮架的托轮转速、辊子所要焊接的花纹样式、焊丝规格、机械臂本体末端的标准移动速度/>、焊道规格/>、焊丝标准伸出长度、焊丝上限伸出长度、焊丝下限伸出长度、送丝速度调整率/>和焊机电流调整率/>；

步骤三，启动焊接：在辊子速度和位置控制准确的工况下，根据辊子所要焊接的花纹样式、焊丝规格、机械臂本体末端的标准移动速度/>、焊道规格/>确定机械臂本体末端的移动速度/>、送丝机的送丝速度/>和焊机电流/>，实施花纹的焊接；

步骤三还包括转角转速监控过程和焊丝长度监控过程；其中，转角转速监控过程包括：实时监控辊子的转角和转速，消除焊接每道一字纹或者人字纹的静态误差，以及焊接每道菱形纹过程中的动态误差；焊丝长度监控过程包括：实时监控和调整焊丝长度；焊丝长度是指焊丝伸出导电嘴的长度；监控焊丝长度时，采集导电嘴部位的图像，利用图像处理算法获得当前时刻焊丝伸出导电嘴的长度；当/>小于或者等于步骤二中设置的焊丝下限伸出长度，或者，当/>大于或者等于步骤二中设置的焊丝上限伸出长度时，通过调整送丝机的送丝速度/>以及焊机电流来调整焊丝长度；

其中，动态误差是指在焊接菱形纹过程中，焊接的花纹形状与标准螺旋线的偏离程度；菱形纹的焊道在空间中是一条螺旋线：，焊接时，辊子转动，机械臂本体末端沿Z轴平动；/>是在辊子的轴颈与滚轮架的托轮在不打滑的情况下，辊子的转动角速度；/>是/>时刻菱形纹某一条焊道投影至机器人坐标系XY平面，焊道起始点和当前焊接点之间弧长对应的角度；/>是机械臂本体末端的移动速度，在辊子的轴颈与滚轮架的托轮不打滑的情况下，/>；/>是/>时刻的当前焊接点和起始焊接点之间的位移在Z轴方向的投影长度；实际焊接过程中，在辊子的轴颈与滚轮架的托轮存在打滑，/>随着时间发生改变，记为/>；

所述焊接设备包括编码器；所述编码器固定安装在辊子的轴颈端面圆的圆心处，用于实时检测；

消除动态误差的方法是：实时控制机械臂本体末端的移动速度与辊子转动速度/>相匹配，使/>随时间发生改变，记为/>，则菱形纹的焊道在空间中的轨迹变为；根据读取的编码器的实时角度/>，计算得到辊子实时的转动角速度；计算实时的机械臂本体末端移动速度：/>，其中/>是辊子的轴身沿机器人坐标系Z轴的投影长度，/>是菱形纹的某一条完整花纹的焊道投影至机器人坐标系XY平面，焊道起始点和终点之间弧长对应的角度；驱动机械臂本体末端以/>沿Z轴平动；

为了保证焊接过程中焊道规格保持一致，需要根据匹配相应的送丝速度/>；根据当前的焊道规格/>和机械臂本体末端移动速度/>，通过查询Rule_Table2并采用线性插值法，确定送丝机的送丝速度/>；

同时，在时刻，根据当前焊丝规格和送丝速度/>，由Rule_Table1查询对应的焊机电流/>；

步骤四，重复执行步骤三，直至所有辊子上的所有花纹完成焊接。

2.根据权利要求1所述的辊压机辊面花纹自动焊接方法，其特征在于：对应关系规则表Rule_Table1的建立过程如下：焊丝规格是指焊丝的型号，在焊丝规格确定的情况下，焊丝的融化速度与焊机电流/>相关；通过实验方法，改变送丝机的送丝速度/>，同时调整焊机电流/>，当/>与/>匹配时，焊丝的融化速度等于送丝速度/>，则焊丝伸出导电嘴的长度始终为/>，进而得到一组焊丝规格/>、送丝速度/>、焊机电流/>的关系规则；对于一个规格为/>的焊丝，设置/>个送丝速度/>，/>为设置的第/>个送丝速度；通过实验方法得到/>个送丝速度对应的焊机电流/>，/>为/>对应的焊机电流；经过多次实验，能够得到焊丝规格、送丝速度、焊机电流之间的对应关系规则表Rule_Table1。

3.根据权利要求1所述的辊压机辊面花纹自动焊接方法，其特征在于：对应关系规则表Rule_Table2的建立过程如下：焊道规格是指焊道的尺寸特征，包括熔宽、余高；将焊接辊面花纹时所用的种焊道规格分别记为/>，/>为第/>种焊道规格；将机械臂本体末端的允许移动速度范围均分为/>档：/>，/>为设置的第/>个机械臂本体末端允许移动速度；选择焊道规格/>中的任意一个，记为/>；选择机械臂本体末端移动速度中的任意一个，记为/>；控制送丝机的送丝速度/>进行变化，直至焊出的焊道符合所选定的焊道规格/>，此时，记录此时的/>为一组对应关系；分别改变焊道规格/>和机械臂本体末端移动速度/>，重复多组实验，获得多个对应工况下的/>，制作成焊道规格、机械臂本体末端移动速度、送丝速度的对应关系规则表Rule_Table2。

4.根据权利要求1所述的辊压机辊面花纹自动焊接方法，其特征在于：静态误差是指焊接每道一字纹或者人字纹时，每道花纹预设的焊枪焊接位置与正确焊接位置的位置偏差：；其中，/>为辊子停止转动时所处的实际角度与目标角度的转角误差，/>为在机器人坐标系下焊枪的预设焊接位置与正确焊接位置的横向误差，/>为在机器人坐标系下焊枪的预设焊接位置与正确焊接位置的纵向误差；

所述焊接设备包括编码器；所述编码器固定安装在辊子的轴颈端面圆的圆心处，用于实时检测辊子的转动角度；

消除静态误差的方法是：每次辊子停止转动后，读取编码器的实际角度，与目标角度进行比较，计算转角误差，再计算出横向误差/>和纵向误差/>；根据/>和/>对焊接起始位置进行补偿，从而消除静态位置误差；焊枪补偿后的位置为：

；

其中：是在机器人坐标系下，每道花纹预设的焊枪起始焊接位置的横坐标；/>是在机器人坐标系下，每道花纹位置补偿后的焊枪起始焊接位置的横坐标；

是在机器人坐标系下，每道花纹预设的焊枪起始焊接位置的纵坐标；/>是在机器人坐标系下，每道花纹位置补偿后的焊枪起始焊接位置的纵坐标。

5.根据权利要求1所述的辊压机辊面花纹自动焊接方法，其特征在于，焊丝长度监控过程中，利用图像处理算法获得当前时刻焊丝伸出导电嘴的长度时，具体包括以下步骤：

S31：熔池相机实时拍摄焊接熔池部位的图像；拍摄过程中，熔池相机与焊枪的相对位置保持固定，以保证焊丝尾部在图像中的位置固定、且能够标定图像的像素距离与实际距离的换算关系；

S32：根据图像灰度值，寻找图像中亮度最高区域的面积中心点，视为焊丝的头部，得到焊丝头部的像素坐标；

S32：计算焊丝尾部的像素坐标和焊丝头部的像素坐标的像素距离；

S34：根据所述像素距离，以及像素距离与实际距离的换算关系，换算得到焊丝伸出导电嘴的长度。

6.根据权利要求1所述的辊压机辊面花纹自动焊接方法，其特征在于，当小于或者等于步骤二中设置的焊丝下限伸出长度，或者当/>大于或者等于步骤二中设置的焊丝上限伸出长度，则通过调整送丝机的送丝速度/>以及焊机电流/>来调整焊丝长度，具体包括：

当小于或者等于焊丝下限伸出长度时，则提高送丝机的送丝速度/>，以及降低焊机电流/>，直至/>等于所述焊丝标准伸出长度：/>，其中，/>是调整前的送丝速度；/>是调整后的送丝速度；/>是调整前的焊机电流；/>是调整后的焊机电流；

当大于或者等于焊丝上限伸出长度时，则降低送丝机的送丝速度/>，以及提高焊机电流/>，直至/>等于所述焊丝标准伸出长度：/>。

7.根据权利要求1所述的辊压机辊面花纹自动焊接方法，其特征在于，步骤三中，所述启动焊接具体包括：

当焊接的花纹为一字纹或人字纹时，焊接动作一如下：滚轮架的托轮转速为0，辊子不转动，机械臂本体末端移动至焊接起始位置后，控制焊机起弧，机械臂本体末端按照步骤二中设定的机械臂本体末端标准移动速度沿Z轴方向水平运动；送丝机的送丝速度/>根据步骤二中设置的焊道规格/>和机械臂本体末端标准移动速度/>，由Rule_Table2中查出并设置；焊机电流/>根据焊丝规格/>和送丝速度/>，由Rule_Table1查出并设置；当完成一道花纹的焊接后，焊机熄弧；根据步骤二中设置的花纹样式，滚轮架的托轮转动从而驱动辊子转动一个角度，以便下一道花纹的焊接；

机械臂本体末端移动到下一道花纹的起始焊接点，焊机起弧，重复焊接动作一，开始下一道花纹的焊接。

8.根据权利要求1所述的辊压机辊面花纹自动焊接方法，其特征在于，步骤三中，所述启动焊接具体包括：

当焊接的花纹为菱形纹时，焊接动作二如下：送丝速度根据步骤二中设置的焊道规格、机械臂本体末端标准移动速/>，从Rule_Table2中查出并设置；当焊丝规格/>和送丝速度/>确定之后，焊机电流/>由Rule_Table1查出并设置；滚轮架的托轮以恒定转速驱动辊子转动；一道花纹焊接完成后，焊机熄弧，辊子不停转，机械臂本体末端移动到下一道花纹的起始焊接点；

当辊子转动到下一道花纹的起始焊接角度时，焊机重新起弧，重复焊接动作二。