CN211759424U

CN211759424U - 焊缝轨迹自动识别的龙门式三轴焊接装置

Info

Publication number: CN211759424U
Application number: CN202020079258.6U
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缝轨迹自动识别的龙门式三轴焊接装置，属于焊接自动化领域。包括龙门式三轴焊接平台、激光视觉传感器、图像采集卡、焊枪、焊机、控制柜，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三部分组成，并设有绝对坐标系o‑xyz；三轴龙门式组合模组分为包含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的中部，x主轴模组、x轴辅助导轨固定在刚体支架的上部，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。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

焊缝轨迹自动识别的龙门式三轴焊接装置

技术领域

本实用新型属于焊接自动化领域，具体涉及焊接轨迹自动识别技术，特别涉及熔化极气体保护焊轨迹识别技术，尤指一种焊缝轨迹自动识别的龙门式三轴焊接装置。

背景技术

在焊接领域，焊接自动化技术与人工焊接相比焊接速度、焊接质量显著增加，焊接精度和稳定性显著提升，受到焊接工作者们日益青睐。但目前焊接机器人多为人工示教型，即对于每一种焊缝施焊都要在焊前编辑对应的焊接程序，严重阻碍焊接机器人焊接效率的提升：

（1）基于人工示教焊接机器人对于不同形状焊缝焊接的适应性较差，当单批量焊接生产或改变焊缝形状时，尤其是户外机器人施焊，其不灵活性凸显出来。

（2）基于人工示教焊接机器人会显著增加焊前准备时间，降低焊接效率，特别对于长直线焊缝、曲线焊缝会由于焊前编程，焊前工件安装定位，焊前人工示教极大增加焊前准备时间，甚至使得焊前准备时间远超过真正施焊时间。

（3）基于人工示教焊接机器人存在焊接精度不良现象，焊前由于工件安装误差（焊缝中线曲线与人工示教焊枪运行路线并非空间平行），焊枪运动误差，焊接过程中工件热变形会使得焊接过程中焊枪与焊缝中心存在偏差，焊接精度相对较低。

目前为了解决人工示教带来的焊接机器人灵活性不强，焊接效率不高，焊接精度不高的技术问题，当前焊接工作者采用如下两种技术方案：

（1）CCD拍摄整体焊缝，拟合焊缝中心线曲线，避免人工示教；

该技术主要思路为：将待焊接件定位在焊接平台上，采用一位置固定的CCD相机拍摄整个焊缝，后通过焊缝区域选择，提取焊缝中心线，再结合坐标转换矩阵，获取基于焊接平台绝对坐标系的焊缝中心线曲线；接着工控机将该曲线进行信息转化并反馈给下方控制器，控制焊枪沿着该曲线焊接运行。

该技术存在以下缺陷：

1）该技术对短焊缝，间隙较大焊缝（包括平面直线焊缝、平面曲线焊缝）较为适合，对于长焊缝、存在高度差、焊间距较小的焊缝，该技术因无法精确拟合整个焊缝中心线坐标曲线而不再适用。

2）该技术即使在焊前通过CCD相机精确拟合整个焊缝中心线坐标曲线，下放给控制器控制焊枪运动施焊，但是由于在焊接过程中无法感知因工件热变形带来的焊枪与焊缝中心的偏差，其焊接精度不高。

3）由于在施焊前采用固定的CCD相机拍摄整个焊缝定位焊缝中心点坐标拟合整个焊缝中心线坐标曲线，所以在拍摄照片时对周围光照环境要求较为苛刻，常见的焊接环境难以达到其要求。

（2）采用激光焊缝跟踪技术；

激光焊缝跟踪技术的主要技术思想为：为焊接机器人添加激光视觉传感器；

首先焊前对人工示教焊接机器人进行人为编程，在焊接过程中激光视觉传感器实时感知焊枪与焊缝中心的高度偏差和横向偏差，后将偏差信息反馈给下方控制器，控制器调节焊枪运动消除该偏差。该技术能够在焊接过程中实时感知焊枪与焊缝中心的偏差并自动调控焊枪运动消除该偏差更进一步提高焊接精度，在成批量焊件生产过程，由于只需要对该批量焊件一次人工编程，该技术配合自动精确定位装置显著提升焊接效率和焊接精度。

但是该技术也存在以下缺陷：当少批量或单个焊件生产时该焊接技术不能够免去繁琐人工示教带来的焊前准备时间较长的影响，在该方面其焊接效率难以得到进一步提升。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种焊缝轨迹自动识别的龙门式三轴焊接装置，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型无需人工示教，极大提高了焊接效率，且为空间曲线焊缝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：

一种焊缝轨迹自动识别的龙门式三轴焊接装置，包括工控机、龙门式三轴焊接平台、激光视觉传感器6、图像采集卡、焊枪5、焊机、控制柜。

所述的一种焊缝轨迹自动识别的龙门式三轴焊接装置，其特征在于：龙门式三轴焊接平台由刚体支架8、焊接平台操作区7、三轴龙门式组合模组三部分组成，并设有绝对坐标系o-xyz；三轴龙门式组合模组分为包括x轴辅助导轨的x主轴模组1、y轴模组9、z轴模组2；焊接平台操作区7固定在刚体支架8的中部，x主轴模组1、辅助x轴导轨固定在刚体支架8的上部，y轴模组9的两端分别滑动连接在x主轴模组、辅助x轴导轨上，z轴模组2滑动连接在y轴模组9上；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；三个伺服电机通过控制器连接到运动控制卡上，限位开关、原点光电输出信号端均直接连接到运动控制卡上，通过相应的自动控制软件控制该龙门式三轴焊接设备运作。

所述的一种焊缝轨迹自动识别焊接装置，其特征在于：激光视觉传感器6内部包含工业CCD相机18、线激光发生器14；激光视觉传感器6通过激光视觉传感器固定角座20固定在连接板3下端处，焊枪5通过焊枪固定卡扣4刚性固定连接在连接板3下端处，连接板3上部通过螺栓与龙门式三轴焊接平台z轴模组2下端固定连接，连接板3上部开有多个等距螺栓孔，可实现连接板3相对于z轴模组2上下手调移动；激光视觉传感器6、焊枪5、连接板3刚性固定，焊枪5可通过焊枪固定卡扣4的松紧手动调节焊枪端部与工业CCD相机（18）镜头中心的距离；工业CCD相机光轴线、焊枪下端导出焊丝轴线、线激光发生器14光轴线位于同一平面，工业CCD相机光轴线与焊枪下端导出焊丝轴线在该平面上平行、线激光发生器光轴线与工业CCD相机光轴线在该平面上存在一定夹角，且夹角可通过角度调节旋钮12调节，使激光线调节到工业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y轴方向平行；

所述的一种焊缝轨迹自动识别焊接装置，其特征在于：工业CCD相机18通过相机固定卡扣19固定到激光视觉传感器6的壳体上，工业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；工业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。

本实用新型的有益效果在于：

1、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、本装置特别适合于直线焊缝，平面曲线焊缝，也特别适合于具有高度差的焊缝；

4、本实用新型在移动相对坐标系下，分段式焊缝轨迹识别，利用工业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，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为本实用新型的焊缝轨迹自动识别的龙门式三轴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的结构示意图；

图3为本实用新型的焊缝轨迹自动识别的龙门式三轴焊接装置控制示意图。

图中：1、x主轴模组；2、z轴模组；3、连接板；4、焊枪固定卡扣；5、焊枪；6、激光视觉传感器；7、焊接平台操作区；8、刚体支架；9、y轴模组；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、滤光片；18、工业CCD相机；19、相机固定卡扣；20、激光视觉传感器固定角座。

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3，本实用新型的焊缝轨迹自动识别的龙门式三轴焊接装置，包括工控机、龙门式三轴焊接平台、激光视觉传感器、图像采集卡、焊枪、焊机、控制柜；本实用新型提供一种焊缝轨迹自动识别方法，在移动的相对坐标系下，分段式拟合焊缝轨迹；利用激光视觉传感器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坐标曲线修正，将其作为后一段焊缝轨迹的拟合坐标曲线，后将该曲线转化为各轴运动控制信息，进行运动自动控制；无需人工示教，装置自行运动控制，极大提高了焊接效率，为空间曲线焊缝自动化焊接提供了可能性。

参见图1至图3所示，本实用新型的一种焊缝轨迹自动识别焊接装置，包括工控机、龙门式三轴焊接平台、激光视觉传感器、图像采集卡、焊枪、焊机、控制柜。

所述的龙门式三轴焊接平台由刚体支架8、焊接平台操作区7、三轴龙门式组合模组三部分组成，并设有绝对坐标系o-xyz；三轴龙门式组合模组分为x主轴模组（包括x轴辅助导轨）1、y轴模组9、z轴模组2；焊接平台操作区7固定在刚体支架8的中部，x主轴模组1、辅助x轴模组固定在刚体支架8的上部，y轴模组9的两端分别滑动连接在x主轴模组1、辅助x轴导轨上，z轴模组2滑动连接在y轴模组9上；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；三个伺服电机通过控制器连接到运动控制卡上，限位开关、原点光电输出信号端均直接连接到运动控制卡上，通过相应的自动控制软件控制该龙门式三轴焊接设备运作。

所述的激光视觉传感器6内部包含工业CCD相机18、线激光发生器14；工业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，工业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，控制机自动控制工业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；工业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6通过激光视觉传感器固定角座20固定在连接板3下端处，焊枪5通过焊枪固定卡扣4刚性固定连接在连接板3下端处，连接板3上部通过螺栓与龙门式三轴焊接平台z轴模组2下端固定连接，连接板3上部开有多个等距螺栓孔，可实现连接板3相对于z轴模组2上下手调移动；激光视觉传感器6、焊枪5、连接板3刚性固定，焊枪5可通过焊枪固定卡扣（4）的松紧手动调节焊枪端部与工业CCD相机18镜头中心的距离；工业CCD相机光轴线、焊枪下端导出焊丝轴线、线激光发生器14光轴线位于同一平面，工业CCD相机光轴线与焊枪下端导出焊丝轴线在该平面上平行、线激光发生器光轴线与工业CCD相机光轴线在该平面上存在一定夹角，且夹角可通过角度调节旋钮12调节，使激光线调节到工业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y轴方向平行；

所述的工业CCD相机18通过相机固定卡扣19固定到激光视觉传感器6的壳体上，工业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；工业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；

本实用新型主要核心思想是移动相对坐标系O-XYZ下，分段式焊缝轨迹识别，并将每小段焊缝轨迹自动转化为相对坐标系O-XYZ下O-XY平面内匀速运动和O-Z轴上匀速直线运动；在O-XY平面内利用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O-XY坐标曲线，该系统自行在相对坐标系下控制焊枪运动，由于把前一小段焊缝轨迹的末端作为后一下段焊缝轨迹的运动起点，降低了运动的震动，增加运动的平稳性，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；

该系统配备相应的控制软件，用户界面分为焊缝实时路径显示区，人工操作板块，自动控制板块；焊枪输入必要焊接参数，首先人工调节使焊枪进入预定位置，后自动焊接过程中，焊缝实时路径显示区实时显示焊缝路径，自动控制直到熄弧点处结束焊接，无需人工示教。

本实用新型提供的焊缝轨迹识别及焊枪运行自动控制，控制精度在0-0.1mm，可实现高质量、高精度焊接。

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

1.一种焊缝轨迹自动识别的龙门式三轴焊接装置，其特征在于：包括龙门式三轴焊接平台、激光视觉传感器（6）、图像采集卡、焊枪（5）、焊机、控制柜，所述龙门式三轴焊接平台由刚体支架（8）、焊接平台操作区（7）、三轴龙门式组合模组三部分组成，并设有绝对坐标系o-xyz；三轴龙门式组合模组分为包含x轴辅助导轨的x主轴模组（1）、y轴模组（9）、z轴模组（2）；焊接平台操作区（7）固定在刚体支架（8）的中部，x主轴模组（1）、x轴辅助导轨固定在刚体支架（8）的上部，y轴模组（9）的两端分别滑动连接在x主轴模组（1）、x轴辅助导轨上，z轴模组（2）滑动连接在y轴模组（9）上；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，三个伺服电机通过控制器连接到运动控制卡上，限位开关、原点光电输出信号端均直接连接到运动控制卡上。

2.根据权利要求1所述的焊缝轨迹自动识别的龙门式三轴焊接装置，其特征在于：所述的激光视觉传感器（6）内部包含工业CCD相机（18）、线激光发生器（14）；激光视觉传感器（6）通过激光视觉传感器固定角座（20）固定在连接板（3）下端，焊枪（5）通过焊枪固定卡扣（4）刚性固定连接在连接板（3）下端，连接板（3）上部通过螺栓与龙门式三轴焊接平台的z轴模组（2）下端固定连接，连接板（3）上部开有多个等距螺栓孔，可实现连接板（3）相对于z轴模组（2）上下手调移动；激光视觉传感器（6）、焊枪（5）、连接板（3）刚性固定，焊枪（5）可通过焊枪固定卡扣（4）的松紧手动调节焊枪端部与工业CCD相机（18）镜头中心的距离；工业CCD相机光轴线、焊枪下端导出焊丝轴线、线激光发生器（14）光轴线位于同一平面，工业CCD相机光轴线与焊枪下端导出焊丝轴线在该平面上平行，线激光发生器光轴线与工业CCD相机光轴线在该平面上存在一定夹角，且夹角通过角度调节旋钮（12）调节，使激光线调节到工业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y轴方向平行。

3.根据权利要求2所述的焊缝轨迹自动识别的龙门式三轴焊接装置，其特征在于：所述的工业CCD相机（18）通过相机固定卡扣（19）固定到激光视觉传感器（6）的壳体上，工业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；工业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，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。