CN204735821U - 一种大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备，包括一行走系统、一运动系统、一焊接系统、一控制系统，其还包括一用于指导所述行走系统行进轨迹的第一视觉系统与一用于指导所述运动系统位置的第二视觉系统。本实用新型效率高、焊接质量好；柔性化的操作机制，适应性好，通用性好，可实现厚板、薄板、多种坡口、不同曲线轨迹焊缝的焊接件的焊缝识别及跟踪；智能化程度较高；操作简单，自动化程度高，测量成本低，无公害。

Description

一种大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备

技术领域

本实用新型涉及焊接领域，具体涉及一种大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备。

技术背景

大尺寸三维立体曲线对接焊缝常分布于船舶表面等大型曲面上，现有的固定式焊接系统的焊接行程难以达到，故其一直处于手工半自动焊的状态。然而手工半自动化焊接存在以下问题：首先，工人在强烈弧光、烟尘、有害气体、高温等影响因素下，容易疲劳，影响焊接质量；其次，焊枪在焊接过程中发烫较快，焊不到一米，工人需要稍停以下，再继续着焊，使得焊接中出现较多的融合点，影响了焊缝质量；接着，在船头、船尾这类曲面的焊接过程中，工人需要借助升降平台或铺设导轨的方式实现焊接，严重的制约了焊接效率；最后，焊接工种本身就对工人有一定的技术要求，尤其是船舶焊接，而工人的技术水平的高低层次不齐，直接影响了焊缝质量的均一性。随着造船技术的快速发展，焊接工种的稀缺，大吨位的船舶的需求量的增加，大尺寸三维立体曲线焊接程中传统的手工焊接方式远远不能满足造船业的需求。

鉴于上述缺陷，本实用新型创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本实用新型。

实用新型内容

为解决上述技术缺陷，本实用新型采用的技术方案在于，提供一种大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备，包括一行走系统、一运动系统、一焊接系统、一控制系统，所述行走系统为焊接设备提供主体支撑并且能够带动设备进行运动，所述控制系统控制所述行走系统沿待焊焊缝前行、控制所述运动系统带动所述焊接系统对准焊缝、控制所述焊接系统对焊缝进行焊接，其特征在于，其还包括一用于指导所述行走系统行进轨迹的第一视觉系统与一用于指导所述运动系统位置的第二视觉系统。

较佳的，所述第一视觉系统包括一第一图像获取装置与一线形激光器；所述第二视觉系统包括一第二图像获取装置与一环形激光器。

较佳的，所述运动系统为一多自由度机械手，所述第一图像获取装置为第一相机，所述第二图像获取装置为第二相机。

较佳的，所述控制系统，包括一用于控制所述行走系统前后运动、转向运动的行动控制器、一用于控制所述运动系统动作的运动控制器与一用于处理所述第一图像获取装置与所述第二图像获取装置获取数据的图像数据处理器与一用于调整所述焊接系统焊接工艺参数的焊接控制器。

较佳的，所述焊接系统包括一位于所述运动系统终端的焊枪，所述第二相机与所述焊枪活动连接，并且能够以焊枪为轴进行转动。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型效率高、焊接质量好，本实用新型采用二级视觉监控系统，分别对移动的小车行进轨迹、焊枪相对于焊缝的空间位置进行监控与引导，消除或减少移动小车、多自由度机械手等系统叠加因素带来的焊枪位置、位姿与待焊焊缝不匹配的问题，实现大尺寸三维立体曲线对接焊缝自动化焊接中的智能跟踪监测和自适应反馈，避免或减少焊前、焊中、焊后人工检测、补焊的工作量，提高焊接质量和效率；

(2)通用性好，可实现厚板、薄板及多种坡口的焊接件的焊缝识别及跟踪，本实用新型的二级视觉识别及跟踪系统对待焊接工件没有材质、形状、尺寸的特定限制，既可以用于大尺寸三维立体曲线对接焊缝的智能化焊接，也可用于大尺寸的直线焊缝的智能化焊接，对待焊件板厚及是否开坡口都没限制；

(3)本实用新型智能化程度较高，在焊接过程中不需要人工对零及采用复杂的夹具、轨道等辅助，只需要将该装备放置于装配好的待焊件的焊接起点附近处的曲面上，就可以实现自动焊接。

附图说明

图1为本实用新型所述大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备结构图；

图2为本实用新型所述第一视觉系统示意图；

图3为本实用新型所述第二视觉系统示意图；

图4a为本实用新型第一视觉系统视场示意图a；

图4b为本实用新型第一视觉系统视场示意图b；

图5a为本实用新型Z轴旋转之前第二相机视场示意图；

图5b为本实用新型Z轴旋转之前第二相机Z轴截面示意图；

图6a为本实用新型Z轴旋转之后第二相机视场示意图；

图6b为本实用新型Z轴旋转之后第二相机Z轴截面示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员对本实用新型的技术方案和有益效果进行理解，特结合附图对具体实施方式进行如下描述。

实施例一：

请参阅图1所示，本实用新型所述的大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备,包括行走系统1、运动系统2、焊接系统3、第一视觉系统4、第二视觉系统5与控制系统6。

其中，所述行走系统1为所述大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备的动力结构部分与主体支撑结构部分，本实施例中，其为一能够吸附在待测曲面7上的行走小车，所述行走小车包括行走机构与驱动机构以实现运动过程中的前后运动以及360°原地转向，所述移动小车在运动过程中可依靠重量紧贴待焊曲面运行，也可依靠磁吸附、压力吸附等方式紧贴待焊曲面运行，其紧贴待焊曲面运行的方式不限于此；所述移动小车在运动过程中可采取履带式的爬行方式，也可采用轮式、多足式等方式实现前后爬行，其爬行方式不限于此。

所述运动系统2带动所述焊接系统3进行运动，本实施例中，其为一多自由度机械手，其可以为多关节式，模块化式、并联式，其实现方式不限于此。本实施例中，所述运动系统固定于所述行走系统1上，随所述行走系统1一起运动。

所述焊接系统3包括焊头及其他部件，所述焊接系统3与所述运动系统2集成在一起，如图1所示，所述运动系统2的前端为所述焊头，所述运动系统能够带动所述焊接系统到指定的位置进行焊接工作。

请参见图2所示，图2为所述第一视觉系统结构图，图2中省略了所述运动系统2以及焊接系统3。

所述第一视觉系统4包括一第一图像获取装置41与一线形激光器42，所述第一图像获取装置41能够获取所述线形激光器42向焊缝8发射的激光视场并将其传送至所述控制系统6。

所述第一视觉系统能够识别所述行动系统1当前位置与当前焊缝位置，将识别数据传送至所述控制系统6，反馈时时修正所述行动系统能够沿焊缝向前施焊，进而实现自动化焊缝，并且能够提供一定的焊接精度。

所述第二视觉系统5包括一第二图像获取装置与一环形激光器，请参见图3所示，图三为所述运动系统2的细节图，所述运动系统2的末端为所述焊接系统3的焊枪31。第二视觉系统5与所述焊枪31为一体化装置，一同在装载本实施例中多自由度机械手末端。所述第二视觉系统5能够围绕所述焊枪31中心轴线转动，所述环形激光器的环形投影线始终位于焊枪前方(相对于运动方向而言)。

所述第二视觉系统5能够检测焊缝、所述焊枪31的相对位置，并且将位置信息反馈至所述控制系统6反馈控制所述运动系统2作出运动调整所述运动系统2的位置，从而实现精准与高质量焊接。

本实施例中，所述第一图像获取装置与所述第二图像获取装置均为相机。

所述控制系统6包括一用于带动所述行走系统1前后运动、转向运动的行动控制器、一用于控制所述行走系统1吸附动作、所述运动系统2动作的运动控制器、一用于处理焊前一定距离的线型激光线投影图像、焊前附件的圆环型激光线投影图像，得到磁吸附移动小车在曲面上的二维轨迹、焊枪空间位置及位姿调整量的图像数据处理器与一用于调整焊接工艺参数的焊接控制器。

所述控制系统6所包含的各控制器，可以通过集成、外挂或其他方式实现，本实用新型中不做任何限制。

在实际焊接过程中，本实用新型所述设备采用如下方法完成焊接工作。

S1：行走系统定位于焊接起点附近，智能获取焊接起点位置，并且开始施焊；

本实施例移动小车的工作坐标系XYZ，以多关节机械手的安装位置的中心为原点O，以移动小车长度方向为X方向，垂直于移动小车上平面的方向为Z方向，与面XZ垂直方向为Y方向，所述小车在运动过程中沿着X方向前进，且绕着Z方向转动；焊枪的工作坐标系X₁Y₁Z₁，以多关节机械手末端中心为原点，以其轴线方向为Z₁方向，相机光轴与Z₁的垂线方向为X₁方向，与面X₁Z₁垂直方向为Y₁方向。

第一相机坐标系UVW，原点O₁，光轴方向为W向，与X₁方向平行的方向为U向，与面UW垂直方向为V方向；所述第二相机的坐标系为RST，原点O₂，光轴方向为T轴，与X方向平行的方向为R向，与面RT垂直方向为S方向。上述四个坐标系可以相互转换。

S2：第一视觉系统识别当前行走系统位置与当前焊缝位置，控制系统对所述行走系统进行实时纠偏；

如果对行走系统不进行任何控制的话，行走系统将沿着一个固定的方向沿待焊曲面或者待焊平面向前行进、焊接。实际情况中，焊缝通常是不规则、弯曲的形状，所以需要对焊缝位置与行走系统的相对位置进行识别、纠正，来保证焊接的顺利完成。

所述的第一视觉系统4包含直线形激光器及第一相机，圆环型激光器及相机与移动小车通过安装架刚性固定安装且一起做刚体运动；直线形激光器的线投影线及待焊焊缝始终位于移动小车前方且一直位于相机的视场中；

步骤S2具体的步骤为：

线形激光器打开，第一相机获取激光线投影及行走系统前方待焊焊缝的图像，传送给图像数据处理器，定位识别线性激光器发射的光线与焊缝在相机视场中的位置，确定行走系统需绕W方向调整的角度与行走系统在V方向调整的距离，并传送至所述行动控制器；

运动控制器接受指令，控制所述行走系统运动。

其中，建立第一视觉系统第一相机图像坐标系UVW，所述坐标系UVW的原点O₁为第一相机的成像面中心，W轴为第一相机的光轴。W轴始终与多自由度机械手安装平台垂直且与动机器人的Z方向平行，U、V轴分别与移动机器人的X、Y方向平行；相机安装高度h₁₁为安装第一相机与带焊曲/平面距离，此时的相机的标定参数为ζ₁₁，标定参数，或称为标定系数，指视场像素与实际尺寸之间的比例关系。

当直线形激光线进入第一相机的视场时：

若移动小车相对待焊焊缝的空间位置、角度合理，则成像如图4a所示，此时线形激光投影线在图像的坐标为u＝a₁，本实施例中，a₁、b₁为所述第一相机视场U、V方向图像长度，激光线与焊缝边缘的交点图像坐标分别为其中点为焊缝在处的切线L₁₁与V轴的夹角为90°。

若移动小车相对待焊焊缝的空间位置、角度不合理时，请参见图4b所示，其为第一相机视场示意图。

移动小车需绕W方向调整的图像角度为：

移动小车在V方向调整的图像距离为：

$L_{v_{11}}=\frac{b_1-v_{M_{12}}-V_{N_{12}}}{2}$

所以，在XYZ坐标系中，移动小车需绕Z方向调整的角度为：

移动小车在V方向调整的距离为：

$L_{y_{11}}=L_{v_{11}}{\mathrm{sin\θ}}_{w_{11}}{\mathrm{\ζ}}_{11}=\frac{b_1-v_{M_{12}}-V_{N_{12}}}{2}{\mathrm{cos\θ}}_{12}{\mathrm{\ζ}}_{11}$

其中，激光线与焊缝边缘的交点坐标分别为 其中点为 分别为点M₁₂、N₁₂的V轴坐标，由所述第一相机测定，θ₁₂为焊缝在处的切线L₁₂与V轴的夹角，由所述第一相机测定。

S3：第二视觉系统识别当前焊枪位置与当前焊缝位置，所述控制系统控制运动系统调整至最佳焊接位置；

实际焊接工作过程中，焊枪需要对准、并且垂直于焊缝进行焊接才能够获得出色的焊接效果，步骤S3可以实现这个效果。

所述步骤S3具体为：

环形激光器打开，第二视觉系统的第二相机定位识别环形激光器发射的光线与焊缝在相机视场中的位置；

第一相机将光线与焊缝位置数据传送至所述图像数据处理器，图像数据处理器确定运动系统需绕Z₁轴旋转角度，并传送至所述行动控制器；

所述行动控制器控制所述运动系统绕Z₁轴旋转后，第一相机将光线与焊缝位置数据传送至所述图像数据处理器，图像数据处理器确定运动系统需绕Z₁轴调整高度、绕X₁轴旋转角度、绕Y₁轴旋转角度、沿Y₁轴方向位移；

行动控制器接受指令，控制所述运动系统运功。

具体的，所述第二视觉系统需绕Z₁轴(即绕所述焊枪31)旋转角度为θ₂₁，θ₂₁为所述第二相机视场S轴与焊缝切线所呈角度。

使得在焊枪y₁方向上调整在z₁方向上调整 $h_1-h_0=\frac{2a_r{b_{r}h}_0(2h_0{\mathrm{tan\θ}}_{20}+{\mathrm{\φ}}_0)}{(2a_r{h}_0+b_r{\mathrm{\φ}}_0){\mathrm{\φ}}_0}-h_0;$ 绕y₁轴旋转方向调整角度为 ${\mathrm{\θ}}_{22}=arctan\left(\frac{2(a_r-b_r)h_0}{2a_r{h}_0{\mathrm{tan\θ}}_{20}+b_r{\mathrm{\φ}}_0}\right);$ 绕x₁轴旋转方向调整角度为 ${\mathrm{\θ}}_{23}=arctan\left(\frac{2(a_s-b_s)h_0}{2a_s{h}_0{\mathrm{tan\θ}}_{20}+b_s{\mathrm{\φ}}_0}\right),$ 此时焊枪以合理的空间位置、位姿沿着焊枪运动。

请参见图5a、5b所示，其分别为第二相机Z₁轴旋转之前视场示意图及Z轴截面示意图。

请参见图6a、6b所示，其分别为第二相机Z₁轴旋转之后视场示意图及Z轴截面示意图。

其中，a₂、b₂为所述第二相机视场R、S方向图像长度,与分别为焊缝边缘与第二相机视场坐标系S轴交点的S轴坐标，交点为M22、N22，即P22为M22与N22中点，为焊枪与Y轴的偏离量，ζ₂₂为所述第二相机的标定系数。

若焊枪相对待焊焊缝的空间位置、位姿合理，此时所述第二相机坐标系距离待焊焊缝的实际距离为h₀(适宜距离),圆形光斑图像的直径为

若焊枪相对待焊焊缝的高度不合理时，假设此时图像获取的光斑的直径为h₁为此时所述第二相机坐标系距离待焊焊缝的实际距离。

a_r为经Z₁轴旋转后的所述第二视觉系统的所述环形激光器向待焊平面照射形成的近椭圆形沿着r正向的半轴图像长度，b_r为经Z₁轴旋转后的第二视觉系统的所述环形激光器向待焊平面照射形成的近椭圆形沿着r负向的半轴图像长度。a_s为经Z₁轴旋转后的所述第二视觉系统的所述环形激光器向待焊平面照射形成的近椭圆形沿着s正向的半轴图像长度，b_s为经Z₁轴旋转后的所述第二视觉系统的所述环形激光器向待焊平面照射形成的近椭圆形沿着s负向的半轴图像长度，均由所述第二相机测定；θ₂₀为圆形光斑的散射角度。

S4：重复步骤S2及S3直至焊接工作完成。

实际工作中，所述步骤S2、步骤S3同时并且时时进行，一直对所述行走系统与所述运动系统进行轨迹修正。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，对本实用新型而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本实用新型权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变和修改，甚至等效，但都将落入本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备，包括一行走系统、一运动系统、一焊接系统、一控制系统，所述行走系统为焊接设备提供主体支撑并且能够带动设备进行运动，所述控制系统控制所述行走系统沿待焊焊缝前行、控制所述运动系统带动所述焊接系统对准焊缝、控制所述焊接系统对焊缝进行焊接，其特征在于，其还包括一用于指导所述行走系统行进轨迹的第一视觉系统与一用于指导所述运动系统位置的第二视觉系统。

2.如权利要求1所述的大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备，其特征在于，所述第一视觉系统包括一第一图像获取装置与一线形激光器；所述第二视觉系统包括一第二图像获取装置与一环形激光器。

3.如权利要求2所述的大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备，其特征在于，所述运动系统为一多自由度机械手，所述第一图像获取装置为第一相机，所述第二图像获取装置为第二相机。

4.如权利要求2所述的大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备，其特征在于，所述控制系统，包括一用于控制所述行走系统前后运动、转向运动的行动控制器、一用于控制所述运动系统动作的运动控制器与一用于处理所述第一图像获取装置与所述第二图像获取装置获取数据的图像数据处理器与一用于调整所述焊接系统焊接工艺参数的焊接控制器。

5.如权利要求3所述的大尺寸立体曲线焊缝智能焊接设备，其特征在于，所述焊接系统包括一位于所述运动系统终端的焊枪，所述第二相机与所述焊枪活动连接，并且能够以焊枪为轴进行转动。