CN118237793A - 管道环形自动焊接装置及环形焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了管道环形自动焊接装置及环形焊接方法，涉及管道焊接技术领域，包括焊接轨道以及为焊接轨道提供行进动力的机动组件，焊接轨道两自由端沿着管道外壁延伸并拢以环形结构绕接在管道外壁上，机动组件包括为焊接轨道沿着管道外壁滚动提供动力的动力辊，焊接轨道面向管道的侧壁上转动内嵌有多个滚轮。采用的焊接轨道横向占宽幅度小，用于将焊接设备相对设置在管道外壁上，焊接轨道以环形结构绕接在管道水平段或弯曲段外壁上，通过动力辊带动多个滚轮为焊接轨道提供围绕大口径管道外壁作环形行进的动力，将安装在安装座上的焊接设备以圆形轨迹移动焊接，解决了现有环形导轨宽度较宽且不可调节，无法适用于管道弯曲段环形导向的问题。
Description
技术领域
本发明涉及管道焊接技术领域，具体为管道环形自动焊接装置及环形焊接方法。
背景技术
大口径管道在各行各业应用较为广泛，但是由于管道的口径较大的实际因素影响，若一体成型进行吊装运输和组装，现有施工设备很难对其进行吊装运输和组装。例如，现有技术中，高铁站房站台空腔内大型管道的组装场地位于地下室，因此，对于这种大口径管道通常采用拼装的方式进行预固定，且通过首尾管口正对焊接的方式连接在一起，作为污水管、雨水管以及给水管满足实际使用需求。
对于大口径的管道焊接，采用的焊接方式就是，将待焊接相邻两个管道管口正对且无缝隙，采用自动焊接小车配备焊接电源、焊枪、控制系统等部件，自动焊接小车沿着预设轨道行走，对大口径管道焊接操作。如公告号为CN 207806944 U，名称为自动焊接小车驱动轨道的中国实用新型，通过凸起部和凹槽的组合设置，使得第一轨道本体、第二轨道本体之间通过交叉连接，稳定且具有可微调的间隙。由于管道的焊接位置不确定，比如焊缝在管身水平段，焊缝也可能在管身弯曲段，对应现有自动焊接小车来说，沿着管身水平段进行环形导向焊接没有较大误差，但是对于弯曲段来说，内外弯曲度不一致，导向的轨道设置在弯曲段，其宽度相对较宽且不可调节，无法弯曲设置，导致自动焊接小车环形走位导向定位不准，易出现走位偏离焊缝的现象，焊缝不能完全被焊接住，导致焊缝焊接质量无法得到保障。
发明内容
本发明的目的在于提供管道环形自动焊接装置及环形焊接方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，
一种管道环形自动焊接装置，包括：
焊接轨道，在工作时，设置在管道上靠近焊缝的一侧；焊接轨道的两自由端沿着管道外壁延伸并以环绕接在管道外壁上；
机动组件，安装在焊接轨道上，用于提供行进动力；
安装座，安装在机动组件上，用于安装固定焊接单元；
其中，机动组件包括：
安装盒，内部设置有电动机；
控制盒，固定在安装盒外壁，所述控制盒内置有控制电动机和焊接单元的控制模块；在焊接时，通过控制盒控制电动机和焊接单元的工作状态；
动力辊，用于提供沿管道外壁移动的动力；
所述焊接轨道为条形结构，所述焊接轨道其中一个自由端变窄形成穿插端，所述焊接轨道的另一自由端设有用于容纳穿插端的缺口，所述焊接轨道的另一自由端固定连接有两个位于缺口两侧的连接块，两个连接块之间插接有工字结构的横杆，所述横杆径向侧壁固定有向缺口内侧延伸的限位片，所述穿插端面向限位片的一侧侧壁上开设有用于限位片端部卡接的卡槽。
根据本申请的一个方面，
所述焊接轨道上开设有贯穿孔；所述焊接轨道面向管道的侧壁上转动内嵌有多个滚轮，多个滚轮以及动力辊组成为焊接设备沿着管道外壁环形自动行进的动力支撑框架；在工作时，机动组件带动焊接轨道整体沿管道移动；
或者，焊接轨道外侧壁两边侧设置滑轨，两个滑轨相对侧壁开设有弧形缺口，在安装盒两边侧上设置与滑轨的弧形缺口滑动卡接的滑块；安装盒的滑块与两滑轨的弧形缺口滑动卡接；在工作时，机动组件带动控制盒和焊接单元沿焊接轨道移动。
根据本申请的一个方面，还提供一种管道环形自动焊接装置，包括能够沿着管道位于焊缝边侧位置设置的焊接轨道、安装在焊接轨道上为焊接轨道提供行进动力的机动组件以及安装在机动组件上用于焊接设备安装的安装座，所述机动组件包括内嵌有电动机的安装盒以及固定在安装盒外壁的控制盒，所述控制盒内置有控制电动机的控制模块，所述焊接轨道两自由端沿着管道外壁延伸并拢以环形结构绕接在管道外壁上，所述机动组件包括为焊接轨道沿着管道外壁滚动提供动力的动力辊。
在进一步的实施例中，所述焊接轨道上开设有贯穿孔，所述动力辊径向外壁伸出贯穿孔与管道外壁滚动压合；
在进一步的实施例中，所述焊接轨道面向管道的侧壁上转动内嵌有多个滚轮，所述滚轮以及动力辊径向外壁凸出焊接轨道表壁的高度一致，多个滚轮以及动力辊组成为焊接设备沿着管道外壁环形自动行进的动力支撑框架。
在进一步的实施例中，所述安装盒固定在焊接轨道位于贯穿孔的侧壁上，所述电动机的输出端连接有齿盘，所述安装盒与贯穿孔相对的侧壁上开设有匹配孔，所述动力辊转动设置在匹配孔内，所述动力辊轴向一端开设有与齿盘啮合的齿槽。
在进一步的实施例中，所述安装座与控制盒之间可调节连接，所述安装座背面侧壁固定有凸块，所述控制盒侧壁转动设有螺纹调节杆，所述凸块开设有与螺纹调节杆螺纹连接的螺纹孔，所述安装座背面侧壁开设有导向槽，所述控制盒侧壁固定有与导向槽滑动卡接的导块。
在进一步的实施例中，所述横杆设有两根，两根横杆之间设有用于穿插端穿过的穿插空间，所述限位片设有两个，两个限位片的端部向相互靠近的一侧延伸设置，所述穿插端另一侧侧壁上也设有与另一个限位片端部卡块的卡槽。
在进一步的实施例中，其中一个连接块内设有中空腔，两个横杆同一端转动延伸至中空腔内，位于上侧的横杆固定有位于中空腔内且呈C型结构的弹性拨杆，位于下侧的横杆固定有位于中空腔内的延伸杆，所述延伸杆靠近横杆的一端上侧固定有立杆，所述立杆端部与拨杆的端部铰接；
所述中空腔内底壁固定有限位座，所述限位座向上延伸有限挡部，所述限挡部两侧侧壁为圆弧形结构，且圆弧形结构上设有弹性钢圈，所述延伸杆端部两侧均固定有分别与两个弹性钢圈外壁固定连接的压块。
在进一步的实施例中，所述焊接轨道内包埋有沿着焊接轨道缠绕在管道外壁的方向延伸的弹性钢片。
在进一步的实施例中，多个滚轮等分为多组，每组滚轮设有两个，且每组两个滚轮以弹性钢片为中心对称分布。
在进一步的实施例中，每组两个滚轮之间连接有包埋在焊接轨道内的加强片，所述加强片为弯曲结构，所述加强片侧壁开设有与弹性钢片卡接的卡接口。
根据本申请的另一个方面，还提供一种管道环形自动焊接装置的环形焊接方法，采用上述技术方案中的任一所述的管道环形自动焊接装置实现，焊接机构上设置有图像采集单元，包括如下步骤：
步骤S1、读取预配置在控制模块内的焊接参数配置数据库，以及通过图像采集单元获取的实时焊接图像和管道图像；并对采集到的图像进行去噪、增强和归一化处理；焊接参数配置数据库配置有管道曲率、焊接轨迹与最佳焊接参数之间的映射关系；
步骤S2、采用基于局部自适应阈值的边缘检测方法识别并拟合管道曲率，通过图像分割方法获取管道表面的焊接轨迹，获得当前管道曲率和焊接轨迹数据；
步骤S3、基于当前管道曲率和焊接轨迹数据在焊接参数配置数据库中查找当前最优焊接参数；
步骤S4、将当前最优焊接参数和当前实时焊接参数进行比较，并调整焊接单元的运动轨迹参数和焊接参数。
根据本申请的一个方面，拟合管道曲率和焊接轨迹的过程进一步为：
步骤S21、将预处理后的图像划分为大小为n×n的重叠局部窗口,每个窗口的中心像素坐标为(i,j)；n为大于0的自然数，i、j为坐标值；
步骤S22、对于每个局部窗口,计算窗口内像素灰度值的均值μ(i,j)和标准差σ(i,j)；根据均值和标准差,自适应地计算局部阈值T(i,j)=μ(i,j) +k×σ(i,j),其中k为预定义的常数；对于窗口中心像素(i,j),如果其灰度值大于局部阈值T(i,j),则将其标记为边缘点,否则标记为非边缘点；
步骤S23、滑动窗口，重复步骤S22，直到处理完整个图像的所有像素；对标记的边缘点进行进一步的细化和连接,得到最终的管道边缘；
步骤S24、将检测到的管道边缘点集表示为(xi, yi)i=1 N,其中N为边缘点的数量；对于每个边缘点(xi,yi),定义一个局部邻域Ni,包含其周围的K个最近邻点；在局部邻域Ni内,对边缘点进行加权多项式回归,拟合一个p次多项式曲线fi(x) =a0+a1x+ ...+apxp；
步骤S25、加权回归中,每个邻域点(xj,yj)的权重wj由高斯核函数确定：wj = exp(-||xj-xi||2/(2h2)),其中h为带宽参数；通过最小化加权均方误差,求解多项式系数{a0,a1,...,ap},得到局部拟合曲线fi(x)；
步骤S26、对所有边缘点重复步骤S23和S24,得到一组局部拟合曲线 fi(x)i=1 N；将局部拟合曲线通过加权平均组合成全局曲线F(x),对全局曲线F(x)进行平滑处理,并计算其曲率,得到管道的最终曲率估计。
在一些实施例中，其他安装过程如下：首先将待焊接的两根管道管口对齐，然后将焊接轨道两自由端沿着管道外壁延伸并拢以环形结构绕接在其中一根管道外壁上，以使得焊接设备的焊枪能够对准焊缝的位置，随后利用多个滚轮以及动力辊组成为焊接设备沿着管道外壁环形自动行进的动力支撑框架，利用动力辊带动多个滚轮为焊接轨道提供围绕大口径管道外壁作环形行进的动力，进而将安装在安装座上的焊接设备以圆形轨迹移动焊接，焊接设备行进一圈，即可对焊缝进行全面焊接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用的焊接轨道横向占宽幅度小，其作用是用于将焊接设备相对设置在管道外壁上，使得焊接设备运动轨迹不偏离以管道轴线为转动中心的圆型结构，因此只需要将焊接轨道以环形结构绕接在管道水平段外壁上或者弯曲段外壁上，通过动力辊带动多个滚轮为焊接轨道提供围绕大口径管道外壁作环形行进的动力，就能将安装在安装座上的焊接设备以圆形轨迹移动焊接，解决了现有技术中的环形导轨宽度较宽且不可调节，无法适用于管道弯曲段环形导向的问题。
附图说明
图1为本发明主体结构示意图。
图2为本发明的焊接轨道结构示意图。
图3为本发明的限位片结构示意图。
图4为本发明的限位片与焊接轨道组装的局部剖视图。
图5为本发明的焊接轨道局部剖视图。
图6为本发明的同一组两个滑轮组装结构示意图。
图7为本发明的机动组件结构爆炸图。
图8为本发明的机动组件拆分结构示意图。
图9为本发明的焊接设备导向装置准备安装在管道弯曲段的示意图。
图10为本发明的焊接设备安装在管道弯曲段的示意图。
图11为本发明的焊接设备安装在管道弯曲段的另一改进结构示意图。
图中：1、焊接轨道；11、连接块；12、横杆；13、限位片；14、弹性拨杆；15、延伸杆；16、立杆；17、压块；18、限位座；19、弹性钢圈；2、滚轮；21、加强片；3、安装盒；31、控制盒；32、螺纹调节杆；33、凸块；34、电动机；35、齿盘；36、动力辊；4、安装座；5、弹性钢片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例，本实施例提供了管道环形自动焊接装置，包括能够沿着管道位于焊缝边侧位置设置的焊接轨道1、安装在焊接轨道1上为焊接轨道1提供行进动力的机动组件以及安装在机动组件上用于焊接设备安装的安装座4，焊接设备采用手工电弧焊或二氧化碳气体保护焊，如图1、图9、图10和图11所示，安装座4两侧延伸有L型安装部，L型安装部上开设有多个安装孔，用于与焊接设备的预留孔对齐，进而通过螺栓穿过安装孔和预留孔进行组装。焊接前，将焊接轨道1沿着管道位于焊缝边侧位置成环形结构设置，能够将机动组件以及安装在安装座4上的焊接设备沿着管道外壁设置。焊接时，机动组件为焊接轨道1提供环形传动动力，能够将焊接设备以环形轨迹运行，在环形轨迹运行过程中，对焊缝进行焊接操作。
具体的，如图7和图8所示，机动组件包括内嵌有电动机34的安装盒3以及固定在安装盒3外壁的控制盒31，控制盒31内置有控制电动机34的控制模块，控制模块来控制电动机34的参数，电动机34的参数设置参照如公开号为CN107486654B，名称为自动焊接小车、自动焊接小车的故障识别方法及装置的中国发明已公开的：电机的调速过程是一个闭环调节过程，电机的调速原理是通过给电机提供预设给定速度，控制电机转动，然后通过检测电机实际速度并结合预设给定速度进行比例和积分调节输出后控制电机转速。给定速度Vset(t)是焊接过程中时刻t设定的焊接速度，焊接过程中时刻t速度反馈Vfb(t)是电机的实际速度。
机动组件包括为焊接轨道1沿着管道外壁滚动提供动力的动力辊36，电动机34为动力辊36提供动力，具体的过程是：如图2和图8所示，安装盒3固定在焊接轨道1位于贯穿孔的侧壁上，电动机34的输出端连接有齿盘35，安装盒3与贯穿孔相对的侧壁上开设有匹配孔，动力辊36转动设置在匹配孔内，动力辊36轴向一端开设有与齿盘35啮合的齿槽。电动机34带动齿盘35在安装盒3内转动，动力辊36通过齿槽与齿盘35匹配，跟随转动的齿盘35同步转动，为动力辊36沿着管道外壁滚动提供动力。
将焊接轨道1两自由端沿着管道外壁延伸并拢以环形结构绕接在管道外壁上，焊接轨道1上开设有贯穿孔，动力辊36径向外壁伸出贯穿孔与管道外壁滚动压合，焊接轨道1面向管道的侧壁上转动内嵌有多个滚轮2，滚轮2以及动力辊36径向外壁凸出焊接轨道1表壁的高度一致，当焊接轨道1绑定在管道外壁以后，多个滚轮2以及动力辊36组成为焊接设备沿着管道外壁环形自动行进的动力支撑框架。具体的自动环形导向过程为：如图9所示，将焊接轨道1绑定在管道弯曲段的外壁上，并在待焊接两个管道外壁上点焊多个呈环形结构的凸点，作为焊接轨道1作环形导向运动时的边侧限位件，避免焊接轨道1作环形运动时出现侧滑现象，导致焊点偏离预设位置。将通过动力辊36带动多个滚轮2为焊接轨道1提供围绕大口径管道外壁作环形行进的动力，就能将安装在安装座4上的焊接设备以圆形轨迹移动焊接，焊接设备行进一圈，即可对焊缝进行全面焊接。解决了现有技术中的环形导轨宽度较宽且不可调节，无法适用于管道弯曲段环形导向的问题。
采用的焊接轨道1横向占宽幅度小，其作用是用于将焊接设备相对设置在管道外壁上，使得焊接设备运动轨迹不偏离以管道轴线为转动中心的圆型结构。因此不管管道焊缝所处的位置是在管身水平段外壁上还是弯曲段外壁上，都不会影响焊接轨道1两自由端沿着管道轴向延伸，最终两自由端重合并紧固住，使得焊接轨道1以环形结构绕置在管道外壁上。焊接轨道1我们可以选择采用棉织物编织而成、具有0.7-1cm厚度同时具有4-8cm宽度的帆布扁平带，亦或是其他具有轻微弯曲形变特性的材质代替也行。上述规格的焊接轨道1能够满足缠绕在管道外部的支撑需求，适用于管道水平段的缠绕绑定需求。同时，上述规格的焊接轨道1横向宽度不宽，面对管道弯曲段缠绕时，不会因为横向宽度较宽而导致焊接轨道1横向弯曲度过高，导致焊接轨道1自身弯曲形变量较大，满足管道弯曲段的缠绕绑定需求。
我们所采用的焊接轨道1具备的特性是，有一定的抗拉伸强度，防止焊接设备安装在安装座4上以后，焊接轨道1受到有一定重力的焊接设备拉伸出现较大幅度的拉伸形变，导致焊接设备运行至管道下方焊接时，焊接轨道1与焊接设备安装的部分长度拉伸较长，导致焊接设备的焊枪端部远离焊缝，导致焊缝不能被完全焊住，出现漏缝的清理。再有就是焊接轨道1本身不是刚性材质，具有轻微弯曲的特性，也就是说，当焊接轨道1绑定在具有一定弯曲度的管道弯曲段，保证焊接轨道1能够全面贴合在管道外壁上，避免有焊接轨道1出现腾空部分，导致焊接设备作环形滚动过程中，出现大幅度抖动现象，这样易导致焊接设备的焊枪端部相对焊缝的远近频繁改变，一方面会出现焊枪距离焊缝过近导致焊接点被焊穿的现象，另一方面会出现焊枪距离焊缝过远导致焊缝无法被完全焊接住的现象。
当然，焊接设备安装在安装座4上，同时利用焊接轨道1缠绕在管道外壁上，即将焊接设备的位于焊缝的一侧，焊枪端部对准焊缝位置，一般情况下，工作人员安装焊接轨道1多为肉眼观察焊枪的大概对准焊缝，就将焊接轨道1进行固位，难免会出现略微偏差的情况，为了避免焊枪端部与焊缝出现错位的情况，将安装座4与控制盒31之间可调节连接，具体的在安装座4背面侧壁固定有凸块33，控制盒31侧壁转动设有螺纹调节杆32，凸块33开设有与螺纹调节杆32螺纹连接的螺纹孔，安装座4背面侧壁开设有导向槽，控制盒31侧壁固定有与导向槽滑动卡接的导块，如图7所示，徒手转动螺纹调节杆32，带动凸块33沿着螺纹调节杆32轴向方向调整位置，即可通过水平调整位置的凸块33带动安装座4相对控制盒31水平调整位置，徒手利用导块与导向槽水平滑动，保证安装座4水平调整位置时，不发生摆动的现象。安装座4横向调整位置，即可将焊接设备的焊枪在水平方向上略微调整位置。
焊接轨道1为条形结构，焊接轨道1其中一个自由端变窄形成穿插端，焊接轨道1的另一自由端设有用于容纳穿插端的缺口，焊接轨道1的另一自由端固定连接有两个位于缺口两侧的连接块11，两个连接块11之间插接有工字结构的横杆12，横杆12径向侧壁固定有向缺口内侧延伸的限位片13，穿插端面向限位片13的一侧侧壁上开设有用于限位片13端部卡接的卡槽。焊接轨道1两个自由端紧固方式为：根据管道外径大小，将焊接轨道1的穿插端以及另一端沿着管道外壁呈环形结构缠绕，使得穿插端沿着缺口内延伸，直至穿插端无法沿着缺口内继续抽拉，此时利用限位片13端部卡入穿插端对应的卡槽内，避免焊接轨道1出现松弛的现象。
进一步的，将横杆12设有两根，两根横杆12之间设有用于穿插端穿过的穿插空间，限位片13设有两个，两个限位片13的端部向相互靠近的一侧延伸设置，穿插端另一侧侧壁上也设有与另一个限位片13端部卡块的卡槽。如图3和图4所示，将穿插端沿着穿插空间穿过并继续沿着缺口内牵引，直至穿插端无法沿着缺口内继续抽拉，利用两个限位片13端部卡入穿插端对应的卡槽内，避免焊接轨道1出现松弛的现象。
当然，焊接轨道1两个自由端紧固后，方便焊接设备作环形轨迹，在焊接结束以后，需要拆下，为了快速实现拆下焊接轨道1，在其中一个连接块11内设有中空腔，两个横杆12同一端转动延伸至中空腔内，位于上侧的横杆12固定有位于中空腔内且呈C型结构的弹性拨杆14，位于下侧的横杆12固定有位于中空腔内的延伸杆15，延伸杆15靠近横杆12的一端上侧固定有立杆16，立杆16端部与拨杆的端部铰接；中空腔内底壁固定有限位座18，限位座18向上延伸有限挡部，限挡部两侧侧壁为圆弧形结构，且圆弧形结构上设有弹性钢圈19，延伸杆15端部两侧均固定有分别与两个弹性钢圈19外壁固定连接的压块17。在上侧的横杆12上设置相对竖直的把手，工作人员可把持把手向远离缺口的一侧横向推动，将上侧横杆12具有转动的力，能够将上侧限位片13向上拨动，上侧限位片13端部能够脱离对应的卡槽内。上侧横杆12转动的同时，带动弹性拨杆14具有特别转动的趋势，由于弹性拨杆14与立杆16相互铰接，因此弹性拨杆14端部推动立杆16向靠近缺口内侧的一侧方向转动，即可带动下侧横杆12具有与上侧横杆12相反的转动力，进而带动下侧限位片13脱离对应的卡槽。至此，两个限位片13全部脱离对应的卡槽，上下将穿刺端从穿插空间抽出，实现焊接轨道1的快速拆卸。
而且，在限位片13卡入对应卡槽内的过程中，利用限位座18两侧的弹性钢圈19的弹性势能，阻止延伸杆15任一侧的压块17具有围绕延伸杆15转动的趋势，这样能够避免上下横杆12随意转动，导致限位片13脱离卡槽，影响焊接轨道1的绑定稳定性。
如图5所示，焊接轨道1内包埋有沿着焊接轨道1缠绕在管道外壁的方向延伸的弹性钢片5。通过设置弹性钢片5，具有一端的弯曲形变特性的同时，又具有一端的支撑强度，这样在焊接轨道1沿着管道外壁缠绕时，利用弹性钢片5同步围绕管道外壁弯曲配合焊接轨道1缠绕绑定在管道外壁上，同时利用弹性钢片5的支撑强度，避免焊接轨道1被焊接设备拉伸过度，产生较大的拉伸形变，导致焊接设备的焊枪距离焊缝远近不可控，影响焊缝的质量。
进一步的，多个滚轮2等分为多组，每组滚轮2设有两个，且每组两个滚轮2以弹性钢片5为中心对称分布。多组滚轮2如图5所示的位置设置，这样不影响缺口的设置，进而不影响穿插端顺利进入缺口内张紧焊接轨道1。如图6所示，每组两个滚轮2之间连接有包埋在焊接轨道1内的加强片21，加强片21为弯曲结构，加强片21侧壁开设有与弹性钢片5卡接的卡接口。滚轮2设置的目的是为了配合动力辊36带动焊接轨道1在管道外壁作环形运动，同时以滚轮2为滚动支撑点，在每组两个滚轮2之间连接加强片21，这样能够增强焊接轨道1横向支撑强度，避免焊接轨道1在管道外壁出现翻边的现象，导致焊接设备出现晃动的现象，影响焊枪距离焊缝的远近精度。
如图10所示，还可以在焊接轨道1内壁上取消安装滚轮2，在焊接轨道1外侧壁两边侧设置滑轨，两个滑轨相对侧壁开设有弧形缺口，在安装盒3两边侧上设置与滑轨的弧形缺口滑动卡接的滑块。将焊接轨道1绑定在待焊接其中一个管道弯曲段靠近焊接位置上，然后将安装盒3的滑块与两滑轨的弧形缺口滑动卡接，并利用电动机34带动齿盘35在安装盒3内转动，动力辊36通过齿槽与齿盘35匹配，跟随转动的齿盘35同步转动，为动力辊36沿着管道外壁滚动提供动力，动力辊36沿着焊接轨道1外侧壁滚动，即带动安装在安装板4上的焊接设备沿着焊接轨道1外壁作环形运动，在运动的同时对焊缝进行焊接操作。
根据管道外径大小，将焊接轨道1的穿插端以及另一端沿着管道外壁呈环形结构缠绕，使得穿插端沿着缺口内延伸，直至穿插端无法沿着缺口内继续抽拉，此时利用限位片13端部卡入穿插端对应的卡槽内，实现焊接轨道1绑定在管道外壁上。需要进一步说明的是，穿插端位于缺口外侧的长度即滑轨两端之间距离，不能大于焊接设备焊接头点焊范围，确保焊接设备环形运动后对管道外壁进行环形焊接操作。
在一些实施例中，根据本申请的另一个方面，还提供一种管道环形自动焊接装置的环形焊接方法，采用上述技术方案中的任一所述的管道环形自动焊接装置实现，焊接机构上设置有图像采集单元，包括如下步骤：
步骤S1、读取预配置在控制模块内的焊接参数配置数据库，以及通过图像采集单元获取的实时焊接图像和管道图像；并对采集到的图像进行去噪、增强和归一化处理；焊接参数配置数据库配置有管道曲率、焊接轨迹与最佳焊接参数之间的映射关系；
步骤S2、采用基于局部自适应阈值的边缘检测方法识别并拟合管道曲率，通过图像分割方法获取管道表面的焊接轨迹，获得当前管道曲率和焊接轨迹数据；
步骤S3、基于当前管道曲率和焊接轨迹数据在焊接参数配置数据库中查找当前最优焊接参数；
步骤S4、将当前最优焊接参数和当前实时焊接参数进行比较，并调整焊接单元的运动轨迹参数和焊接参数。
根据本申请的一个方面，拟合管道曲率的过程进一步为：
步骤S21、将预处理后的图像划分为大小为n×n的重叠局部窗口,每个窗口的中心像素坐标为(i,j)；n为大于0的自然数，i、j为坐标值；
步骤S22、对于每个局部窗口,计算窗口内像素灰度值的均值μ(i,j)和标准差σ(i,j)；根据均值和标准差,自适应地计算局部阈值T(i,j)=μ(i,j) +k×σ(i,j),其中k为预定义的常数；对于窗口中心像素(i,j),如果其灰度值大于局部阈值T(i,j),则将其标记为边缘点,否则标记为非边缘点；
步骤S23、滑动窗口，重复步骤S22，直到处理完整个图像的所有像素；对标记的边缘点进行进一步的细化和连接,得到最终的管道边缘；
步骤S24、将检测到的管道边缘点集表示为(xi, yi)i=1 N,其中N为边缘点的数量；对于每个边缘点(xi,yi),定义一个局部邻域Ni,包含其周围的K个最近邻点；在局部邻域Ni内,对边缘点进行加权多项式回归,拟合一个p次多项式曲线fi(x) =a0+a1x+ ...+apxp；
步骤S25、加权回归中,每个邻域点(xj,yj)的权重wj由高斯核函数确定：wj = exp(-||xj-xi||2/(2h2)),其中h为带宽参数；通过最小化加权均方误差,求解多项式系数{a0,a1,...,ap},得到局部拟合曲线fi(x)；
步骤S26、对所有边缘点重复步骤S23和S24,得到一组局部拟合曲线 fi(x)i=1 N；将局部拟合曲线通过加权平均组合成全局曲线F(x),对全局曲线F(x)进行平滑处理,并计算其曲率,得到管道的最终曲率估计。
在步骤S4中，还包括通过红外热成像实时监测焊接过程,检测是否存在异常或缺陷。
在步骤S2中，通过图像分割方法获取管道表面的焊接轨迹的过程具体是通过图像分割模型实现，图像分割模型的构建和使用过程具体如下：
步骤S27、将原始输入图像表示为x,其对应的真实焊接轨迹分割掩码为y；
构建生成器网络G和判别器网络D,它们通过对抗训练来优化；
生成器G接收输入图像x,并生成伪分割掩码G(x)；
判别器D接收真实图像-掩码对(x,y)和生成的图像-掩码对(x,G(x)),并尝试区分它们；
通过最小化以下对抗损失函数来训练生成器G和判别器D：
生成器损失：LG=Ex[log(1-D(x,G(x)))]+λLseg(G(x),y)；
判别器损失：LD=-E{(x,y)}[logD(x,y)]-Ex[log(1-D(x,G(x)))]；
其中,Lseg是分割损失,如交叉熵损失，λ是平衡两个损失项的超参数。
在训练过程中,生成器G尝试生成逼真的分割掩码以欺骗判别器,而判别器D则尝试区分真实和生成的掩码。
通过多轮对抗训练,生成器G逐渐学习生成与真实分割掩码相似的结果。
在推理阶段,对于给定的输入图像x,使用训练好的生成器G(x)直接生成相应的焊接轨迹分割掩码。
在步骤S1中，管道曲率、焊接轨迹与最佳焊接参数之间的映射关系的构建过程具体是通过高维泛函回归实现，进一步包括：
将管道曲率、焊接轨迹和最佳焊接参数表示为高维特征向量(xi,yi)i=1 N,其中xi表示曲率和轨迹特征,yi表示对应的焊接参数。
定义一个高维泛函空间H,其中每个元素都是一个从特征空间到焊接参数空间的映射函数f。
在泛函空间H中,假设最优映射函数f*满足以下优化问题：
f*=argminf∈H∑i=1 NL(f(xi),yi)+α||f||H 2；
其中,L是损失函数(如均方误差),||f||H是函数f在泛函空间H中的范数,α是正则化参数。
通过引入核函数k(x,x'),将优化问题转化为等价的对偶问题,求解得到最优映射函数f*的表达式：f*(x)=∑i=1 Nβik(x,xi)；
其中,βi是对偶问题的解,k(x,x')是选定的高斯核函数。
使用训练数据(xi,yi)i=1 N估计对偶问题的解βi,得到最优映射函数f*。
对于新的曲率和轨迹特征xnew,使用学习到的映射函数f*预测对应的最佳焊接参数：ynew=f*(xnew)。
在进一步的实施例中，调整焊接单元的运动轨迹参数和焊接参数的过程还可以为：
步骤S41、采用基于自适应控制的运动调整策略实现，具体包括：
定义管道曲率变化和焊接质量要求的目标函数J(t),表示在时刻t的焊接性能指标。
建立焊接装置运动参数(如速度、加速度)与管道曲率、焊接参数和目标函数之间的动态模型：dx(t)/dt=f(x(t),u(t),t)；
其中,x(t)是焊接装置的状态变量(如位置、速度),u(t)是控制输入(如速度、加速度的调整量)。
设计一个自适应控制器,根据实时测量的管道曲率和焊接质量反馈,动态调整控制输入u(t),使目标函数J(t)最小化。自适应控制方法将在下文描述。
在实时控制过程中,自适应控制器根据当前管道曲率和焊接质量反馈,计算最优控制输入u*(t),并将其应用于焊接装置的运动执行系统。
连续监测焊接装置的实际运动状态x(t)和焊接质量指标J(t),并将其反馈给自适应控制器,形成闭环控制。
通过不断地自适应调整控制输入u(t),使焊接装置的运动轨迹和速度与管道曲率变化相适应,并满足焊接质量要求。
在进一步的实施例中，自适应控制方法具体为：
建立焊接装置运动与管道曲率和焊接参数之间的非线性动态模型：
dx(t)/dt=f(x(t),u(t),w(t),t)；
其中,x(t)是焊接装置的状态变量(如位置、速度),u(t)是控制输入,w(t)是表示管道曲率变化和焊接过程不确定性的外部扰动项。引入混沌理论中的李雅普诺夫指数来度量系统对初始条件和参数变化的敏感程度。李雅普诺夫指数定义为：λ=lim{t→∞}(1/t)log(||δx(t)||/||δx(0)||)；其中,δx(t)表示状态变量的微小扰动,||·||表示向量的范数。
构建自适应鲁棒控制器,包括两个主要部分：
自适应估计器：根据实时测量的状态变量x(t)和控制输入u(t),在线估计系统的李雅普诺夫指数λ(t)。
假设李雅普诺夫指数可以用一组基函数φi(x)的线性组合来逼近：
λ(x)≈∑i=1 Nθiφi(x)；
其中,θi是待估计的参数,N是基函数的个数。
定义估计误差：e(t)=λ(t)-∑i=1 Nθi(t)φi(x(t))；
采用梯度下降法更新参数θi：dθi(t)/dt=-ηe(t)φi(x(t))；其中,η是学习率。
鲁棒控制器：根据估计的李雅普诺夫指数λ(t),调整控制律以抑制混沌行为,提高系统的鲁棒性。
根据估计的李雅普诺夫指数λ(t),构建一个鲁棒控制律u(t)：u(t)=-K(t)x(t)；
其中,K(t)是自适应增益矩阵,用于抑制混沌行为。
采用李雅普诺夫稳定性理论,设计自适应增益矩阵K(t)的更新律：
dK(t)/dt=αexp(βλ(t))I-γK(t)；
其中,α、β、γ是正常数,I是单位矩阵。
在实时控制过程中,自适应估计持续更新李雅普诺夫指数的估计值λ(t),鲁棒控制器根据λ(t)调整增益矩阵K(t),生成控制输入u(t)。
将控制输入u(t)应用于焊接装置的运动执行系统,并连续监测焊接装置的状态变量x(t)和焊接质量指标。
通过自适应估计器和鲁棒控制器的协同工作,实现对焊接过程中混沌行为的抑制,提高焊接装置运动控制的鲁棒性和适应性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.管道环形自动焊接装置，其特征在于，包括：
焊接轨道（1），在工作时，设置在管道上靠近焊缝的一侧；焊接轨道（1）的两自由端沿着管道外壁延伸并以环绕接在管道外壁上；
机动组件，安装在焊接轨道（1）上，用于提供行进动力；
安装座（4），安装在机动组件上，用于安装固定焊接单元；
其中，机动组件包括：
安装盒（3），内部设置有电动机（34）；
控制盒（31），固定在安装盒（3）外壁，所述控制盒（31）内置有控制电动机（34）和焊接单元的控制模块；在焊接时，通过控制盒控制电动机和焊接单元的工作状态；
动力辊（36），用于提供沿管道外壁移动的动力；
所述焊接轨道（1）为条形结构，所述焊接轨道（1）其中一个自由端变窄形成穿插端，所述焊接轨道（1）的另一自由端设有用于容纳穿插端的缺口，所述焊接轨道（1）的另一自由端固定连接有两个位于缺口两侧的连接块（11），两个连接块（11）之间插接有工字结构的横杆（12），所述横杆（12）径向侧壁固定有向缺口内侧延伸的限位片（13），所述穿插端面向限位片（13）的一侧侧壁上开设有用于限位片（13）端部卡接的卡槽。
2.根据权利要求1所述的管道环形自动焊接装置，其特征在于：
所述焊接轨道上开设有贯穿孔；所述焊接轨道面向管道的侧壁上转动内嵌有多个滚轮，多个滚轮以及动力辊组成为焊接设备沿着管道外壁环形自动行进的动力支撑框架；在工作时，机动组件带动焊接轨道整体沿管道移动；
或者，焊接轨道外侧壁两边侧设置滑轨，两个滑轨相对侧壁开设有弧形缺口，在安装盒两边侧上设置与滑轨的弧形缺口滑动卡接的滑块；安装盒的滑块与两滑轨的弧形缺口滑动卡接；在工作时，机动组件带动控制盒和焊接单元沿焊接轨道移动。
3.根据权利要求2所述的管道环形自动焊接装置，其特征在于：所述安装盒（3）固定在焊接轨道（1）位于贯穿孔的侧壁上，所述电动机（34）的输出端连接有齿盘（35），所述安装盒（3）与贯穿孔相对的侧壁上开设有匹配孔，所述动力辊（36）转动设置在匹配孔内，所述动力辊（36）轴向一端开设有与齿盘（35）啮合的齿槽。
4.根据权利要求3所述的管道环形自动焊接装置，其特征在于：所述安装座（4）与控制盒（31）之间可调节连接，所述安装座（4）背面侧壁固定有凸块（33），所述控制盒（31）侧壁转动设有螺纹调节杆（32），所述凸块（33）开设有与螺纹调节杆（32）螺纹连接的螺纹孔，所述安装座（4）背面侧壁开设有导向槽，所述控制盒（31）侧壁固定有与导向槽滑动卡接的导块。
5.根据权利要求1所述的管道环形自动焊接装置，其特征在于：所述横杆（12）设有两根，两根横杆（12）之间设有用于穿插端穿过的穿插空间，所述限位片（13）设有两个，两个限位片（13）的端部向相互靠近的一侧延伸设置，所述穿插端另一侧侧壁上也设有与另一个限位片（13）端部卡块的卡槽。
6.根据权利要求5所述的管道环形自动焊接装置，其特征在于：其中一个连接块（11）内设有中空腔，两个横杆（12）同一端转动延伸至中空腔内，位于上侧的横杆（12）固定有位于中空腔内且呈C型结构的弹性拨杆（14），位于下侧的横杆（12）固定有位于中空腔内的延伸杆（15），所述延伸杆（15）靠近横杆（12）的一端上侧固定有立杆（16），所述立杆（16）端部与拨杆的端部铰接；
所述中空腔内底壁固定有限位座（18），所述限位座（18）向上延伸有限挡部，所述限挡部两侧侧壁为圆弧形结构，且圆弧形结构上设有弹性钢圈（19），所述延伸杆（15）端部两侧均固定有分别与两个弹性钢圈（19）外壁固定连接的压块（17）。
7.根据权利要求6所述的管道环形自动焊接装置，其特征在于：
所述焊接轨道（1）内包埋有沿着焊接轨道（1）缠绕在管道外壁的方向延伸的弹性钢片（5）；
多个滚轮（2）等分为多组，每组滚轮（2）设有两个，且每组两个滚轮（2）以弹性钢片（5）为中心对称分布；
每组两个滚轮（2）之间连接有包埋在焊接轨道（1）内的加强片（21），所述加强片（21）为弯曲结构，所述加强片（21）侧壁开设有与弹性钢片（5）卡接的卡接口。
8.管道环形自动焊接装置的环形焊接方法，采用权利要求1至7任一所述的管道环形自动焊接装置实现，焊接机构上设置有图像采集单元，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、读取预配置在控制模块内的焊接参数配置数据库，以及通过图像采集单元获取的实时焊接图像和管道图像；并对采集到的图像进行去噪、增强和归一化处理；焊接参数配置数据库配置有管道曲率、焊接轨迹与最佳焊接参数之间的映射关系；
步骤S2、采用基于局部自适应阈值的边缘检测方法识别并拟合管道曲率，通过图像分割方法获取管道表面的焊接轨迹，获得当前管道曲率和焊接轨迹数据；
步骤S3、基于当前管道曲率和焊接轨迹数据在焊接参数配置数据库中查找当前最优焊接参数；
步骤S4、将当前最优焊接参数和当前实时焊接参数进行比较，并调整焊接单元的运动轨迹参数和焊接参数。
9.根据权利要求8所述的环形焊接方法，其特征在于，拟合管道曲率的过程进一步为：
步骤S21、将预处理后的图像划分为大小为n×n的重叠局部窗口,每个窗口的中心像素坐标为(i,j)；n为大于0的自然数，i、j为坐标值；
步骤S22、对于每个局部窗口,计算窗口内像素灰度值的均值μ(i,j)和标准差σ(i,j)；根据均值和标准差,自适应地计算局部阈值T(i,j)=μ(i,j) +k×σ(i,j),其中k为预定义的常数；对于窗口中心像素(i,j),如果其灰度值大于局部阈值T(i,j),则将其标记为边缘点,否则标记为非边缘点；
步骤S23、滑动窗口，重复步骤S22，直到处理完整个图像的所有像素；对标记的边缘点进行进一步的细化和连接,得到最终的管道边缘；
步骤S24、将检测到的管道边缘点集表示为(xi, yi)i=1 N,其中N为边缘点的数量；对于每个边缘点(xi,yi),定义一个局部邻域Ni,包含其周围的K个最近邻点；在局部邻域Ni内,对边缘点进行加权多项式回归,拟合一个p次多项式曲线fi(x) =a0+a1x+...+apxp；
步骤S25、加权回归中,每个邻域点(xj,yj)的权重wj由高斯核函数确定：wj = exp(-||xj-xi||2/(2h2)),其中h为带宽参数；通过最小化加权均方误差,求解多项式系数{a0,a1,...,ap},得到局部拟合曲线fi(x)；
步骤S26、对所有边缘点重复步骤S23和S24,得到一组局部拟合曲线 fi(x)i=1 N；将局部拟合曲线通过加权平均组合成全局曲线F(x),对全局曲线F(x)进行平滑处理,并计算其曲率,得到管道的最终曲率估计。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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