CN1228169C - 三维形状物焊接方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种三维形状物焊接方法及其装置，在存储装置(18)中，存储有根据三维形状物的设计数据规定的、并具有对各焊接线予先确定间隔的每个焊接点的三维位置及该位置的法线矢量的指导数据。激光狭缝光传感器(激光狭缝光照射部(12)、CCD照相机(13))，由整体控制装置(17)通过照相机控制器(14)控制，拍摄焊接点并获得图像数据。图像处理装置(16)，对图像数据进行图像处理并求出焊接点的位置偏移量。整体控制装置根据位置偏移量，对指导数据进行修正并求出修正指导数据，根据修正指导数据驱动控制焊接头。这种三维形状物的焊接方法及其装置，在对多个部件进行焊接并制造三维形状物时，可进行与三维形状吻合且高精度的焊接。

Description

三维形状物焊接方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种在把多个部件结合起来形成三维形状物的情况下，把多个部件焊接成三维形状物时所用的焊接方法及其装置。

背景技术

一般来说，在制造三维形状物(例如，涡轮机燃烧器尾管)时，要把多个部件通过焊接结合，使其形成三维形状物，在进行焊接时，使用用保护气体的气体保护焊(钨极惰性气体保护电弧(TIG)焊，金属极活性气体保护焊，金属极惰性气体保护焊，二氧化碳气体保护焊)，及其他的等离子焊接或激光束焊接等。

但是，在用TIG焊结合多个部件时，一般，用人手进行焊接，但在用人手进行焊接时，由于应焊接的线(焊缝)引起焊接的部位·宽度等不同的关系，并且因操作者的熟练程度不同，在焊接之处的质量会产生参差不齐，其结果是焊接后的质量不稳定。

因此，进行例如用二氧化碳气体(CO₂)激光焊接，通过激光点光照射并指示应焊接的位置，并把该激光点光作为一个目标来焊接焊接处(位置)。

但是，在把如上所述的用激光点光指示应焊接位置进行焊接的方法，用于焊接多个部件、制造三维形状物时，因激光点光的照射位置及照射地点的关系会使激光点光从应焊接之处偏移。因此，按照激光点光的照射位置进行焊接，则在很多时候会产生所谓的焊缝空焊等的缺陷之处，其结果是，产生了必须进行缺陷之处的修补的问题。

特别是在把多个部件组合起来制造三维形状物时，塑性加工后的部件本身与设计图(设计值)多少有偏差，若把这样的部件组合起来并进行焊接，则不可避免地产生焊接的缺陷，即使用激光点光照射焊接之处，激光点光也大多从应焊接之处偏移。

本发明的目的在于提供一种能在把多个部件焊接起来制造三维形状物时，与三维形状吻合、进行自动焊接的三维形状物焊接方法及其装置。

发明内容

根据本发明的三维形状物焊接方法，是在把多个部件组合起来并把该部件沿其焊接线焊接、将上述部件进行结合而形成三维形状物时所使用的焊接方法，其特征在于，包括：对应于根据所述三维形状物的设计数据所规定的、并具有对各个所述焊接线予先确定了间隔的每个焊接点的三维位置及该位置的法线矢量的指导数据、从对上述焊接点进行摄影所得到的图像、求出上述焊接点位置偏移量的第1步骤，和根据上述置偏移量修正上述指导数据并求出修正指导数据的第2步骤，和根据上述修正指导数据沿上述焊接线进行焊接的第3步骤，在上述第2步骤中，把根据上述位置偏移量的焊接条件附加于上述修正指导数据上，并作为附加指导数据，在上述的第3步骤中，取代上述修正指导数据而根据上述附加指导数据进行焊接。

如此，由于从对应具有每个焊接点的三维位置及该三维位置的法线矢量的指导数据拍摄上述焊接点所得到的图像、求出上述焊接点位置偏移量，并根据该位置偏移量修正指导数据和求出修正指导数据，并根据修正指导数据沿焊接线进行焊接，所以在制造三维形状物时，可以进行与三维形状吻合且精度高的焊接。

这样，若把对应于位置偏移量的焊接条件附加于修正指导数据上并作为附加指导数据并根据附加指导数据进行焊接，则可根据每个焊接点的位置偏移量规定焊接条件，其结果是可以进行精度更高的焊接。

并且，也可以在上述的第1步骤中，例如，用光切割法取得的上述位置偏移量，并求出作为第1偏移量的每个上述焊接点的沿焊接线垂直方向的位置偏移量、间隙量、以及错口量，并且用阴影法求出作为第2偏移量的每个上述焊接点的焊接线的水平方向的位置偏移量，并把上述第1及第2偏移量作为上述位置偏移量。

这样，如果求出作为第1偏移量的每个焊接点的焊接线其垂直方向的位置偏移量、间隙量、以及错口量，并且用阴影法求出作为第2偏移量的每个焊接点的焊接线水平方向的位置偏移量，并根据第1及第2偏移量修正指导数据的话，则可以高精度地修正焊接点的偏差。

并且，在上述的第3步骤中，也可以在焊接中拍摄上述焊接点，获得焊接图像，并根据该图像进一步修正上述修正指导数据

这样，在焊接中可修正焊接位置偏差的结果，是可以进行更高精度的焊接。

根据本发明的三维形状物焊接装置，是在把多个部件组合起来并把该部件沿其焊接线焊接、对上述部件进行结合而形成三维形状物时所使用的焊接装置，其特征在于，具有：储存根据所述三维形状物的设计数据所规定的、并具有对各个所述焊接线予先确定了间隔的每个焊接点的三维位置及该位置的法线矢量的指导数据的存储机构，和根据该指导数据控制拍摄上述焊接点并获得图像数据的摄相机构，和对上述图像数据进行图像处理并求出上述焊接点位置偏移量的图像处理机构，和根据上述位置偏移量修正上述指导数据并求出修正指导数据的控制机构，上述控制机构，根据上述修正指导数据驱动控制焊接头，并沿上述焊接线进行焊接，在上述存储机构中，储存有对应于上述位置偏移量的焊接条件，且上述控制机构，也可以进行把根据上述位置偏移量的焊接条件附加在上述修正指导数据上作为附加指导数据，并取代上述修正指导数据而根据上述附加指导数据进行焊接头的驱动控制，同时控制上述焊接头的输出及焊丝的进给。

因此，使用该装置，可以在制造三维形状物时进行与三维形状吻合且高精度的焊接。

这样，只要根据附加指导数据进行焊接，便可根据每个焊接点的位置偏移量规定焊接条件，其结果是可以进行精度更高的焊接。

另外，上述摄相机构，例如，具有：用激光狭缝光照射的照射部和接受该激光狭缝光的CCD照相机，并用光切割法获得上述图像。

附图说明

图1是本发明的三维形状物焊接装置的示例方块图。

图2是本发明的三维形状物焊接装置的驱动机构及照相装置的示例图。

图3是用于说明图1所示的三维形状物焊接装置的动作的流程图。

图4是分解三维形状物示例的其部件的立体图。

图5是三维形状物示例其组装体的立体图。

图6是用于以传感的方法说明图1所示的三维形状物焊装置的焊接中的状态的图。

图中：11a-显示装置(CRT)，11b-监视器，12-激光狭缝光照射部，13-CCD照像机，14-照像机控制器，15-伺服马达控制器，16-图像处理装置，17-整体控制装置，18-存储装置，19-焊接机，21-激光头，22-支撑装置，23-焊丝进给头，31-燃烧器尾管。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施例。但是，本实施例所述的结构部件的尺寸、材质、形状、以及其相对配置等，并不局限于特定的叙述，本发明的范围不只限定于此，它只不过是简单的说明例而已。

此外，在以下的说明中，以涡轮机燃烧器尾管为例作为三维形状物，并说明由多个三维部件组成的涡轮机燃烧器尾管的焊接制造，但本发明也同样适用于其他的用焊接把多个部件结合成三维形状。

如图1所示，图示的三维形状物焊装置，具有：显示装置(CRT)11a、监视器11b、激光狭缝光照射部12、CCD照相机13、照相机控制器14、伺服马达控制器15、图像处理装置16、整体控制装置17、存储装置18、以及焊接机19、输入装置20，在此，把激光狭缝光照射部12和CCD照相机13统称为激光狭缝光传感器。在图例中，作为焊接机19，其例如是用YAG激光的激光光束焊接机，并用从作为焊矩头的激光头射出的激光进行焊接。

并且，同时如图2所示，激光头21被安装在支撑装置22上，并由整体控制装置17通过伺服马达控制器15操纵其向XYZ三轴方向的移动及横摆运条。即，支撑装置22，具有支撑部22a和可转动地安装于支撑部22a上的臂部22b，其支撑部22a可绕以点划线所示的轴221向顺时针方向及逆时针方向转180°。并且，臂部22b可绕以点划线所示的轴222向顺时针方向及逆时针方向转45°。

在激光头21的附近配置有焊丝进给头23，并在焊接时，从焊丝进给头23向焊接部位输送焊丝。激光狭缝光照射部12，向焊接部位(应焊线(坡口线))横过坡口地照射激光狭缝光。然后，由CCD照相机13通过从与该照射方向倾斜了规定角度的方向接受激光狭缝光的所谓光切割法，获取坡口断面，并向照相机控制器14输送受光光。并且，把激光狭缝光照射部12和CCD照相机13作为一个整体安装在支撑装置22上。另外，在三维形状物焊接装置上，有高度传感器(无图示)，因此，可以控制相对于坡口线的激光狭缝光照射部12和CCD照相机13的位置(高度)。

在上述存储装置18中，存储了每种燃烧器尾管的三维形状物(在此，为燃烧器尾管)的三维设计图(三维设计数据)，并且在这些三维设计数据中，包括表示多个部件(三维部件)的设计数据(部件设计数据)、表示把各部件对接(结合)起来以后的燃烧器尾管的设计数据(尾管设计数据)。并且，还包括把各部件对接起来形成的线的焊接线数据。各焊接线数据被规定为三维的位置及其法线矢量的集合，例如，某焊接线的一点P1表示为(x，y，z，I，j，k)。其中，(x，y，z)表示的是x，y，z轴上的位置，(I，j，k)表示的是在该位置的法线矢量(表示与该位置的焊线垂直方向的矢量)。上述的焊接线数据即成为指导数据。

下面，说明具有上述构造的三维形状物自动焊装置的动作。

如图1、图2、图3所示，首先，把构成燃烧器尾管31的各部件定位在夹头(无图示)上(步骤S1)。如上所述，各部件在其制造过程中，在塑性加工时与设计图多少有些偏差而变形。例如，把图4所示的各部件定位在夹头上，并形成图5所示的组装体31a。在该组装体31a上表现出应焊接的焊接线31b。并且，在把各部件定位时，虽然定位在预先规定的定位位置上，但在定位时不可避免地会产生偏差。

把各部件在夹头上定位以后，从输入装置20发出开设焊接的指令(步骤S2)。在该开设焊接的指令中，包括表示燃烧器尾管种类的燃烧器尾管选择。由整体控制装置17，在组装体31a的一端部(例如，前端部)确认其从预先规定的定位位置的向左右的偏移及向上下的偏移。此时，把用CCD照相机13拍摄的图像输入到图像处理装置16中，并用阴影法获得表示组装体31a的图像数据。该图像数据，作为图像，例如被显示在监视器11b上。

在整体控制装置17上设定表示预先规定的定位位置的定位数据，整体控制装置17，根据定位数据及图像数据求出定位误差(步骤S3)。随后，在整体控制装置17中，根据定位误差求出组装体31a旋转轴(如图2所示，燃烧器尾管31(组装体31a)其围绕用点划线所示的旋转轴311分别顺时针方向及逆时针方向转180°)的方位偏移角度(步骤S4)。该偏移角度，例如，被显示在CRT11a上。

然后，整体控制装置17根据燃烧器尾管指令，从存储装置18读取相应的指导数据(步骤S5)，并根据上述的偏移角度修正指导数据并作为修正指导数据(步骤S6)。随后，整体控制装置17根据修正指导数据并通过照相机控制器14控制激光狭缝光传感器，并通过伺服马达控制器15驱动控制伺服马达(无图示)，并沿x轴、y轴、z轴方向驱动支撑装置22，使组装体31a绕旋转轴转动。以此，根据指导数据(x，y，z，I，j，k)确认组装体31a的每个焊接线31b予先规定的间隔(焊接点)(步骤S7)。此时，图像处理装置16在监视器11b上显示用激光狭缝光传感器获得的图像。

如此地确认了各焊接线以后，由整体控制装置17沿各焊接线在每个焊接点移动激光狭缝光传感器(在此时，如上所述，根据修正指导数据，通过照相机控制器14控制激光狭缝光传感器，并且通过伺服马达控制器15驱动控制伺服马达，沿x轴、y轴、z轴方向驱动支撑装置22，并且使组装体31a绕旋转轴转动)，并把激光狭缝光照射部12置于用激光狭缝光照射横过焊接线31b的坡口的位置，并把CCD照相机13置于从其照射方向倾斜规定角度的方向接受激光狭缝光的位置。

随后，用照相机控制器14从激光狭缝光照射部12照射激光狭缝光，并使CCD照相机13受光。即，拍摄用光切割法进行焊接的焊接线。用图像处理装置16从由CCD照相机获得的图像，求出每个焊接线点的宽度、位置偏差(上下方向)、及错口量，并作为第1偏差量(步骤S8)。并且，沿各焊接线31b用CCD照相机13对每个焊接点进行拍摄，并由图像处理装置16用直视阴影法确认每个焊接点的位置偏差(左右方向)，并将其作为第2偏差量(步骤S9)。

如上所述，在对一条焊接线31b求出每个焊接点的第1及第2偏差量以后，整体控制装置17把每个焊接点的第1及第2偏差量储存在存储装置18中(步骤S10)。然后，由整体控制装置17把全部焊接线31b的每个焊接点的第1及第2偏差量储存在存储装置18中的储存结束以后，进入焊接动作。

此外，在存储装置18中，存储了用上述指导数据所示的对应于每个焊接点(每个焊接位置)的宽度(缝隙量)及错口量的焊接条件(电流、电压、支撑装置22的速度、横摆运条幅度、横摆运条速度、焊丝进给速度)，并由整体控制装置17，用各焊接线的每个焊接点的第1及第2偏差量修正修正后的指导数据，并作为修正指导数据(步骤S11)。随后，由整体控制装置17从存储装置18读取对应于各焊接线的每个焊接点的缝隙量及错口量的焊接条件，并把修正指导数据附加于焊接条件(以下称为附加指导数据：步骤S12)。

由整体控制装置17，根据附加指导数据通过伺服马达控制器15驱动控制伺服马达，使激光头21移动，并且驱动控制焊接机19从激光头21射出激光。此时，从焊丝进给头23送给焊丝。即，根据各焊接线的每个焊接点的附加指导数据移动激光头21，并且，根据包括附加指导数据在内的焊接条件，控制焊接机19及焊丝进给，实施焊接(步骤S13)。

在此，如图6所示，也可以在焊接中用图像传感方式来修正焊接位置偏移。即，在激光头21的输出端侧配置半透明反射镜41，并通过半透明反射镜41从激光头21向焊接点照射激光。另一方面，由激光的照射，通过半透明反射镜41把焊接点的图像输入到另外设置的CCD照相机42中。以此，从CCD照相机42，把包括熔融池43及坡口线44的图像信号传给图像处理装置16。由图像处理装置16把该图像信号显示在监视器11b上。另外，操作者也可以看着显示于监视器11b上的焊接图像，修正激光头21的位置。并且，CCD照相机42与激光头21同步移动。

这样，由于在根据用三维位置及法线矢量规定应焊接的焊接线上的焊接点的指示数据，对各焊接线上的焊接点通过光切割法进行拍摄并计测焊接线的形状以后，根据该计测结果一边修正指导数据，一边根据计测结果设定焊接条件，所以在制造三维形状物时，可以进行符合三维形状的高精度的焊接。即，即使构成三维形状物的各部件多少于设计图有偏差，也可以进行符合部件形状及坡口形状的高精度焊接。

(发明效果)

如以上所说明的，在本发明中，由于具有根据三维形状物的设计数据规定的、且对焊接线的各个预先规定了的间隔的每个焊接点的三维位置及该三维位置的法线矢量的指导数据，并根据指导数据从拍摄所得到的图像求出焊接点的位置偏移量，在根据该位置偏移量修正指导数据并求出修正指导数据以后，根据修正指导数据沿焊接线进行焊接，所以在制造三维形状物时，可取得进行符合三维形状且高精度焊接的效果。

并且，如果把根据上述位置偏移量的焊接条件附加于修正指导数据上并作为附加指导数据，并根据附加指导数据进行焊接的话，则根据每个焊接点的位置偏移量可规定焊接条件，其结果是可以取得进行更高精度焊接的效果。

另外，如果用光切割法求出作为第1偏移量的每个焊接点沿焊接线的垂直方向的位置偏移量、间隙量、以及以错口量，并且把用阴影法求出作为第2偏移量的每个焊接点沿焊接线的水平方向的位置偏移量，并根据第1及第2偏移量修正指导数据，则可以取得高精度修正焊接点的位置偏差的效果。

除此以外，如果拍摄焊接中的焊接点并获得焊接图像，根据该焊接图像进一步修正修正指导数据，则可以在焊接中修正焊接位置偏差，其结果可取得进行更高精度焊接的效果。

Claims (6)

1.一种三维形状物的焊接方法，是在把多个部件组合起来并把该部件沿其焊接线焊接、将所述部件进行结合而形成三维形状物时所使用的焊接方法，其特征在于：

包括：对应于根据所述三维形状物的设计数据所规定的、并具有对各个所述焊接线予先确定了间隔的每个焊接点的三维位置及该位置的法线矢量的指导数据，从对所述焊接点进行摄影所得到的图像、求出所述焊接点位置偏移量的第1步骤，和

根据所述置偏移量修正所述指导数据并求出修正指导数据的第2步骤，和

根据所述修正指导数据沿所述焊接线进行焊接的第3步骤，

在所述第2步骤中，把根据所述位置偏移量的焊接条件附加于所述修正指导数据上，并作为附加指导数据，在所述的第3步骤中，取代所述修正指导数据而根据所述附加指导数据进行焊接。

2.根据权利要求1所述的三维形状物焊接方法，其特征在于：

在所述的第1步骤中，用光切割法取得所述位置偏移量。

3.根据权利要求1所述的三维形状物焊接方法，其特征在于：

在所述的第1步骤中，用光切割法求出作为第1偏移量的每个所述焊接点沿焊接线的垂直方向的位置偏移量、间隙量、以及错口量，并且把用阴影法求出的作为第2偏移量的每个所述焊接点沿水平方向的位置偏移量，并把所述第1及所述第2偏移量作为所述位置偏移量。

4.根据权利要求1所述的三维形状物焊接方法，其特征在于：

在所述的第3步骤中，拍摄焊接中的所述焊接点并获得焊接图像，根据该焊接图像进一步修正所述修正指导数据。

5.一种三维形状物焊接装置，是在把多个部件组合起来并把该部件沿其焊接线焊接、对所述部件进行结合而形成三维形状物时所使用的三维形状物焊接装置，其特征在于：

具有：储存根据所述三维形状物的设计数据所规定的、并具有对各个所述焊接线予先确定了间隔的每个焊接点的三维位置及该位置的法线矢量的指导数据的存储机构，和

根据该指导数据控制拍摄所述焊接点并获得图像数据的摄相机构，和

对所述图像数据进行图像处理并求出所述焊接点位置偏移量的图像处理机构，和

根据所述位置偏移量修正所述指导数据并求出修正指导数据的控制机构；

所述控制机构，根据所述修正指导数据驱动控制焊接头，并沿所述焊接线进行焊接，

在所述存储机构中，储存有对应于所述位置偏移量的焊接条件，且所述控制机构，也可以进行把根据所述位置偏移量的焊接条件附加在所述修正指导数据上作为附加指导数据，并取代所述修正指导数据而根据所述附加指导数据进行焊接头的驱动控制，同时控制所述焊接头的输出及焊丝的进给。

6.根据权利要求5所述的三维形状物焊接装置，其特征在于：

所述摄相机构，具有：用激光狭缝光照射的照射部和接受该激光狭缝光的CCD照相机，并用光切割法获得所述图像。

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