CN211759113U

CN211759113U - 焊枪位姿实时变化的自动焊接装置

Info

Publication number: CN211759113U
Application number: CN202020079261.8U
Authority: CN
Inventors: 赵小辉; 王浩; 蔡宇; 杨彬
Original assignee: Jilin Chenhui Technology Instrument Equipment Co ltd; Jilin University
Current assignee: Jilin Chenhui Technology Instrument Equipment Co ltd; Jilin University
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2030-01-15

Abstract

本实用新型涉及一种焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，属于焊接自动化领域。龙门式三轴焊接平台由刚体支架、焊接平台操作区、三轴龙门式组合模组、焊枪旋转机构四部分组成，并设有绝对坐标系O‑XYZ；三轴龙门式组合模组分为含有X轴辅助导轨的X主轴模组、Y轴模组、Z轴模组；焊接平台操作区固定在刚体支架中部，X主轴模组、X轴辅助导轨固定在钢体支架上部，Y轴模组的两端分别滑动连接在X主轴模组、X轴辅助导轨上，Z轴模组滑动连接在Y轴模组上；焊枪旋转机构刚性固定在Z轴模组正下方。优点在于：自动实时识别焊缝轨迹，自动控制焊枪运动，去除人工示教，增加焊接装置的灵活性，提高焊接效率。

Description

焊枪位姿实时变化的自动焊接装置

技术领域

本实用新型涉及焊接自动化、焊接轨迹自动识别技术领域，特别涉及熔化极气体保护焊轨迹识别技术，尤指一种焊枪位姿实时变化的自动焊接装置。

背景技术

在焊接自动化领域，由于机器人施焊能够保证较高的焊接质量和焊接效率，被广泛的应用于各种焊接场合，但是绝大多数焊接机器人多为基于人工示教的机器人：

（1）人工示教在一定程度上增加焊前准备时间，严重限制机器人或自动化化设备焊接效率；

（2）由于焊接机器人无法感知安装误差或焊接热变形产生的误差，基于人工示教焊接机器人或焊接设备难以保证焊接精度；目前很多研究者采用焊接偏差识别技术，比如激光焊缝跟踪技术，电弧传感器技术等识别偏差，在焊接过程中校核偏差，但是该技术未能完全剔除人工示教工序；

（3）人工示教使得焊接机器人的灵活性不强，对于成批量焊件，基于人工示教的焊接机器人配合焊接偏差识别技术，精确工件夹具工装，只需一次人工示教，最大可能的保证焊接精度，提高焊接效率；但是对于非单件生产，甚至一些大型焊件，为保证焊接精度，需要繁琐的人工示教。

目前为了解决焊接机器人灵活性不强，人工示教繁琐等技术问题，较为合适的方式是采用焊缝轨迹识别技术，拟合焊缝轨迹曲线反馈给焊接机器人，但是当涉及到焊枪位姿实时变化（焊枪不仅要平移移动，还要实时改变位姿）的焊缝轨迹识别时，由于曲线识别技术，控制算法等原因，限制了焊缝轨迹识别技术在空间曲线焊缝（焊枪位姿实时变化，比如钢管，圆筒环缝焊接）的发展。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，解决了现有技术存在的上述问题。特别适合于焊枪位姿只在与某一平面（如本实用新型装置XY平面，焊枪位姿只在XY平面内变化，在Z轴方向内不发生改变）平行的平面内实时改变的焊缝轨迹识别自动化焊接。本实用新型在移动的相对坐标系下，分段式拟合焊缝轨迹曲线，通过对拟合的小段焊缝轨迹曲线进行处理，获取焊枪平移运动控制参数以及焊枪位姿变化控制参数，后将该参数转化为各轴运动控制信息，进行焊枪运动自动控制，无需人工示教，装置自行识别焊缝轨迹，自动焊接，极大提高了焊接效率，为涉及焊枪位姿实时变化的空间曲线焊缝进行轨迹识别自动化焊接提供了可能性。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，包括工控机、龙门式三轴焊接平台、激光视觉传感器5、图像采集卡、焊枪7、焊机、运动控制柜；所述龙门式三轴焊接平台由刚体支架、焊接平台操作区、三轴龙门式组合模组、焊枪旋转机构9四部分组成，并设有绝对坐标系O-XYZ；三轴龙门式组合模组分为含有X轴辅助导轨的X主轴模组、Y轴模组、Z轴模组；焊接平台操作区固定在刚体支架中部，X主轴模组、X轴辅助导轨固定在钢体支架上部，Y轴模组的两端分别滑动连接在X主轴模组、X轴辅助导轨上，Z轴模组滑动连接在Y轴模组上；焊枪旋转机构9刚性固定在Z轴模组正下方；三轴龙门式组合模组采用研磨滚珠丝杠重复定位精度为0.02mm；三轴龙门式组合模组应用三个伺服电机自动控制，分别为X主轴伺服电机1、Y轴伺服电机2、Z轴伺服电机3。

所述的焊枪旋转机构9由焊枪角度旋转轴8、焊枪旋转机构上壳体21、伺服电机固定板22、连接轴23、螺栓24、限位环25、焊枪角度旋转轴后端套环26、轴承27组成；焊枪角度旋转轴8采用一旋转伺服电机4自动控制，旋转伺服电机4与Z轴下端的伺服电机固定板22刚性连接，伺服电机固定板22内部有一轴承27，轴承27外径与伺服电机固定板22过盈配合固定，且伺服电机固定板在轴承下端处有一凸台，凸台限制轴承27受力下移，轴承27内径与连接轴23上端外径过盈配合，且连接轴23上部存在凸台，使焊枪角度旋转轴8、焊枪7、激光视觉传感器5重力作用到轴承27上，防止焊枪角度旋转轴8、焊枪7、激光视觉传感器5由于重力作用下移；连接轴23下部有螺纹孔，上部为空心内径与旋转伺服电机4的转轴通过键紧密连接，焊枪角度旋转轴后端套环26通过键连接到连接轴23下部，限位环25通过螺栓24连接到连接轴23下部，限制焊枪角度旋转轴8、焊枪7、激光视觉传感器5下移；焊枪7通过焊枪固定卡扣固定到焊枪角度旋转轴8后端；焊枪角度旋转轴8上的旋转伺服电机4的旋转中心线与Z轴模组上的滚珠丝杠中心线重合，焊枪通过焊枪角度旋转轴8以Z轴滚珠丝杠轴线为中心可做360°旋转。

所述的激光视觉传感器5内部包含CCD相机18、线激光发生器14；激光视觉传感器5通过激光视觉传感器固定角座20固定连接到焊枪角度旋转轴8一侧，焊枪7通过焊枪固定卡扣刚性固定连接在焊枪角度旋转轴8另一侧；激光视觉传感器5、焊枪7、焊枪角度旋转轴8刚性固定，焊枪7通过焊枪固定卡扣的松紧调节焊枪端部与CCD相机18镜头中心的距离；CCD相机18光轴线、焊枪7下端导出焊丝轴线、线激光发生器14光轴线位于同一平面，CCD相机18光轴线与焊枪7下端导出焊丝轴线在该面上平行、线激光发生器14光轴线与CCD相机18光轴线的夹角通过角度调节旋钮12调节，使激光线调节到CCD相机视野中心；线激光发生器14产生的激光线强度和线宽通过控制柜手动调节，且线激光发生器14产生的激光线必须与龙门式三轴焊接平台的Z轴方向平行。

所述的CCD相机18通过相机固定卡扣19固定到激光视觉传感器5的壳体上，CCD相机传感线通过CCD相机传感线接头10与工控机相连接；线激光发生器14置于线激光发生器固定环16内；CCD相机18通过千兆网接口与图像采集卡相连接，将实时采集到的焊缝图像输入图像采集卡，图像采集卡输出端与工控机通过千兆网接口相连接，将图像依次传输给工控机，提取焊缝坡口中心点坐标信息；线激光发生器14的通断线路通过固态继电器与运动控制卡的I/O开关连接，通过运动控制卡的I/O开关通断控制线激光发生器14的通断。

本实用新型的有益效果在于：

1、无需焊前对焊枪运动程序人工编辑，该焊接装置自动实时识别焊缝轨迹，自动控制焊枪运动，去除人工示教，增加焊接装置的灵活性，提高焊接效率。

2、本实用新型提供一种分段式焊缝轨迹识别技术，采用一种边焊接边拟合焊缝中心曲线的方式，分段式焊缝轨迹识别，避免较大累计偏差的产生，保证较高的焊缝精度。

3、本装置特别适合于圆筒，钢管环缝焊接，也特别适合于具有高度差的环焊缝；本实用新型改变传统焊接使圆筒相对于焊枪转动焊接模式，减去使圆筒旋转的附加设备。

4、本实用新型在移动的相对坐标系下，分段式焊缝轨迹识别，利用CCD相机获取的后一小段焊缝轨迹各坡口中心点像素坐标，与前一段对比，对前一段焊缝轨迹的拟合的坐标曲线修正，将其作为后一段焊缝轨迹的拟合的坐标曲线，通过对拟合的小段焊缝轨迹曲线进行处理，获取焊枪平移运动控制参数以及焊枪位姿变化控制参数，后将该参数转化为各轴运动控制信息，进行焊枪运动自动控制；简化了相机标定、机床坐标系标定、坐标矩阵转化等复杂工序，减弱对机床绝对坐标系的依赖性，增加了该系统的灵活性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置结构示意图；

图2为本实用新型的激光视觉传感器内部结构示意图；

图3为本实用新型的焊枪旋转机构结构示意图；

图4为本实用新型的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置控制示意图。

图中：1、X主轴伺服电机；2、Y轴伺服电机；3、Z轴伺服电机；4、旋转伺服电机；5、激光视觉传感器；6、待焊件；7、焊枪；8、焊枪角度旋转轴；9、焊枪旋转机构；10、CCD相机传感线接头；11、线激光发生器传感线接头；12、角度调节旋钮；13、固紧螺帽；14、线激光发生器；15、普通透光片；16、线激光发生器固定环；17、旅滤光片；18、CCD相机；19、相机固定卡扣；20、激光视觉传感器固定角座；21、焊枪旋转机构上壳体；22、伺服电机固定板；23、连接轴；24；螺栓；25、限位环；26、焊枪角度旋转轴后端套环；27、轴承。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图4所示，本实用新型的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，包括工控机、龙门式三轴焊接平台、激光视觉传感器5、图像采集卡、焊枪7、焊机、运动控制柜，待焊件6旋转在焊接平台上；本实用新型提供在移动的相对坐标系下，分段式拟合焊缝轨迹曲线，通过对拟合的小段焊缝轨迹曲线进行处理，获取焊枪平移运动控制参数以及焊枪位姿变化控制参数，后将该参数转化为各轴运动控制信息，进行焊枪运动自动控制，无需人工示教，装置自行识别焊缝轨迹，自动焊接，极大提高了焊接效率，为涉及焊枪位姿实时变化的空间曲线焊缝进行轨迹识别自动化焊接提供了可能性。

参见图1至图4所示，所述龙门式三轴焊接平台由刚体支架、焊接平台操作区、三轴龙门式组合模组、焊枪旋转机构9四部分组成，并设有绝对坐标系O-XYZ；三轴龙门式组合模组分为含有X轴辅助导轨的X主轴模组、Y轴模组、Z轴模组；焊接平台操作区固定在刚体支架中部，X主轴模组、X轴辅助导轨固定在钢体支架上部，Y轴模组的两端分别滑动连接在X主轴模组、X轴辅助导轨上，Z轴模组滑动连接在Y轴模组上；焊枪旋转机构9刚性固定在Z轴模组正下方；三轴龙门式组合模组采用研磨滚珠丝杠重复定位精度为0.02mm；三轴龙门式组合模组应用三个伺服电机自动控制，分别为X主轴伺服电机1、Y轴伺服电机2、Z轴伺服电机3。

所述的激光视觉传感器5内部包含CCD相机18、线激光发生器14；CCD相机18通过相机固定卡扣19固定到激光视觉传感器的壳体上，CCD相机传感线通过CCD相机传感线接头10与工控机相连接；线激光发生器14通过线激光发生器传感线接头11与工控机相连接，控制机自动控制CCD相机18与线激光发生器14的工作；线激光发生器14置于线激光发生器固定环16内，线激光发生器固定环16内径略大于线激光发生器14外径，并在线激光发生器固定环壁处开有螺栓通孔，线激光器角度调节旋钮螺栓旋入线激光发生器固定环壁处螺栓通孔，处于拧紧状态，线激光发生器14被固定在线激光发生器固定环16内；固紧螺帽13为一对，共两个，分别位于激光视觉传感器壳体内外两侧，待线激光器角度调节螺栓调整好线激光发生器角度后，旋紧两个固紧螺帽13，旋向方向相反，将线激光器角度调节旋钮12螺栓、线激光发生器固定环16、线激光发生器14整体刚性固定在激光视觉传感器壳体上；CCD相机镜头正下方存在滤光片17，线激光发生器14下方存在透光孔，其透光孔上为普通透光片15即可，滤光片允许透过的光波长依据线激光发生器产生的线激光波长选定，如线激光波长650nm，滤光片允许通过波长650nm±10nm；激光视觉传感器14通过激光视觉传感器固定角座20固定连接到焊枪角度旋转轴8一侧，焊枪7通过焊枪固定卡扣刚性固定连接在焊枪角度旋转轴8另一侧；激光视觉传感器5、焊枪7、焊枪角度旋转轴8刚性固定，焊枪7可通过焊枪固定卡扣的松紧调节焊枪端部与CCD相机18镜头中心的距离；CCD相机18光轴线、焊枪7下端导出焊丝轴线、线激光发生器14光轴线位于同一平面，CCD相机18光轴线与焊枪7下端导出焊丝轴线在该面上平行、线激光发生器14光轴线与CCD相机18光轴线的夹角可以通过角度调节旋钮12调节，使激光线调节到CCD相机视野中心；线激光发生器14产生的激光线强度和线宽可通过控制柜手动调节，且线激光发生器14产生的激光线必须与龙门式三轴焊接平台的Z轴方向平行。

本实用新型的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，特别适合于焊枪位姿只在与某一平面（如本实用新型装置XY平面，焊枪位姿只在XY平面内变化，在Z轴方向内不发生改变）平行的平面内实时改变的焊缝轨迹识别自动化焊接。

所述的CCD相机18通过相机固定卡扣19固定到激光视觉传感器5的壳体上，CCD相机传感线通过CCD相机传感线接头10与工控机相连接；线激光发生器14置于线激光发生器固定环16内；CCD相机18通过千兆网接口与图像采集卡相连接，将实时采集到的焊缝图像输入图像采集卡储存并转化，图像采集卡输出端与工控机通过千兆网接口相连接，将图像依次传输给工控机进行图像处理，提取焊缝坡口中心点坐标信息；线激光发生器14的通断线路通过固态继电器与运动控制卡的I/O开关连接，通过运动控制卡的I/O开关通断控制线激光发生器14的通断。

焊接启动开关线路通过固态继电器与运动控制卡的I/O开关连接，通过运动控制卡的I/O开关通断控制焊接起弧和熄弧，熔化极气体保护焊的送丝自动控制通过焊机自动控制，无需再通过工控机控制。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，其特征在于：包括工控机、龙门式三轴焊接平台、激光视觉传感器（5）、图像采集卡、焊枪（7）、焊机、运动控制柜；所述龙门式三轴焊接平台由刚体支架、焊接平台操作区、三轴龙门式组合模组、焊枪旋转机构（9）四部分组成，并设有绝对坐标系O-XYZ；三轴龙门式组合模组分为含有X轴辅助导轨的X主轴模组、Y轴模组、Z轴模组；焊接平台操作区固定在刚体支架中部，X主轴模组、X轴辅助导轨固定在钢体支架上部，Y轴模组的两端分别滑动连接在X主轴模组、X轴辅助导轨上，Z轴模组滑动连接在Y轴模组上；焊枪旋转机构（9）刚性固定在Z轴模组正下方；三轴龙门式组合模组采用研磨滚珠丝杠重复定位精度为0.02mm；三轴龙门式组合模组应用三个伺服电机自动控制，分别为X主轴伺服电机（1）、Y轴伺服电机（2）、Z轴伺服电机（3）。

2.根据权利要求1所述的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，其特征在于：所述的焊枪旋转机构（9）由焊枪角度旋转轴（8）、焊枪旋转机构上壳体（21）、伺服电机固定板（22）、连接轴（23）、螺栓（24）、限位环（25）、焊枪角度旋转轴后端套环（26）、轴承（27）组成；焊枪角度旋转轴（8）采用一旋转伺服电机（4）自动控制，旋转伺服电机（4）与Z轴下端的伺服电机固定板（22）刚性连接，伺服电机固定板（22）内部有一轴承（27），轴承（27）外径与伺服电机固定板（22）过盈配合固定，且伺服电机固定板在轴承下端处有一凸台，凸台限制轴承（27）受力下移，轴承（27）内径与连接轴（23）上端外径过盈配合，且连接轴（23）上部存在凸台，使焊枪角度旋转轴（8）、焊枪（7）、激光视觉传感器（5）重力作用到轴承（27）上，防止焊枪角度旋转轴（8）、焊枪（7）、激光视觉传感器（5）由于重力作用下移；连接轴（23）下部有螺纹孔，上部为空心内径与旋转伺服电机（4）的转轴通过键紧密连接，焊枪角度旋转轴后端套环（26）通过键连接到连接轴（23）下部，限位环（25）通过螺栓（24）连接到连接轴（23）下部，限制焊枪角度旋转轴（8）、焊枪（7）、激光视觉传感器（5）下移；焊枪（7）通过焊枪固定卡扣固定到焊枪角度旋转轴（8）后端；焊枪角度旋转轴（8）上的旋转伺服电机（4）的旋转中心线与Z轴模组上的滚珠丝杠中心线重合，焊枪通过焊枪角度旋转轴（8）以Z轴滚珠丝杠轴线为中心可做360°旋转。

3.根据权利要求1所述的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，其特征在于：所述的激光视觉传感器（5）内部包含CCD相机（18）、线激光发生器（14）；激光视觉传感器（5）通过激光视觉传感器固定角座（20）固定连接到焊枪角度旋转轴（8）一侧，焊枪（7）通过焊枪固定卡扣刚性固定连接在焊枪角度旋转轴（8）另一侧；激光视觉传感器（5）、焊枪（7）、焊枪角度旋转轴（8）刚性固定，焊枪（7）通过焊枪固定卡扣的松紧调节焊枪端部与CCD相机（18）镜头中心的距离；CCD相机（18）光轴线、焊枪（7）下端导出焊丝轴线、线激光发生器（14）光轴线位于同一平面，CCD相机（18）光轴线与焊枪（7）下端导出焊丝轴线在该面上平行、线激光发生器（14）光轴线与CCD相机（18）光轴线的夹角通过角度调节旋钮（12）调节，使激光线调节到CCD相机视野中心；线激光发生器（14）产生的激光线强度和线宽通过控制柜手动调节，且线激光发生器（14）产生的激光线必须与龙门式三轴焊接平台的Z轴方向平行。

4.根据权利要求3所述的焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，其特征在于：所述的CCD相机（18）通过相机固定卡扣（19）固定到激光视觉传感器（5）的壳体上，CCD相机传感线通过CCD相机传感线接头（10）与工控机相连接；线激光发生器（14）置于线激光发生器固定环（16）内；CCD相机（18）通过千兆网接口与图像采集卡相连接，将实时采集到的焊缝图像输入图像采集卡，图像采集卡输出端与工控机通过千兆网接口相连接，将图像依次传输给工控机，提取焊缝坡口中心点坐标信息；线激光发生器（14）的通断线路通过固态继电器与运动控制卡的I/O开关连接，通过运动控制卡的I/O开关通断控制线激光发生器（14）的通断。