CN212526455U - 一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，该系统包括轨道、沿轨道行走的X轴行走机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构以及控制上述三个机构动作的控制系统，Y轴移动机构安装在X轴行走机构上，Y轴移动机构上设有Y轴导轨，Y轴导轨上安装Z轴移动机构，Z轴移动机构上设有Z轴导轨，Z轴导轨上安装有焊枪，靠近焊枪的位置处分别设有高度传感器和激光视觉传感器。在小车行走方向上，通过激光视觉传感器在前面实时扫描焊缝，得到焊缝轨迹，同时传输给控制系统；控制系统将得到的数据进行运算，控制三轴机构实现各方向的补偿，自动将焊枪对准焊道的中心；增加高度传感器使之与激光视觉传感器配合使用，确保检测的准确性，提高焊接质量和合格率。
Description
技术领域
本实用新型涉及自动焊接技术领域，尤其是一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统。
背景技术
目前核电站内置换料水箱施工中，顶部、墙壁、底面需安装不锈钢覆面，厚度分别为3mm、4mm、6mm。早期采用手工电弧焊或者手工钨极氩弧焊，受人为因素影响较大，焊缝质量一致性得不到保障，并且焊缝较长，工人需要登高作业，安全隐患较高；后期出现基于探沟器自动Tig焊接小车，该焊接小车利用探沟器来识别焊缝位置，从而自动补偿X、Y、Z方向。此方案需在背面加衬板，同时对焊缝预先打底。该方案调节麻烦，对坡口质量要求较高，针对不同的板厚，不同的坡口需设置不同的补偿值，前期工艺验证时间较长。由于坡口较大需将焊枪夹持在摆动器上，才能同时盖面。由于涉及零部件较多，需调节的参数较多，不利于大面积推广。
上述两种焊接的施工工艺/方法的工作效率低，质量一致性差，尤其人工单面焊双面成型焊接，对焊接技术人员要求比较高，同时人工单面焊双面成型作业RT/UT射线检测合格率低，同一位置一旦发生两次及以上次数焊接不合格即意味该构件报废，无法返工。基于探沟器自动Tig焊接小车对焊缝的跟踪受外部因素影响较大，精度不高。同时，调节困难，工人操作繁琐，对操作者的理解能力和现场反应能力要求较高；并且探沟器的探头始终与焊道接触，焊接过程中产生的热量会使探沟器的金属探头受热膨，会对检测精度产生影响。大量热量通过探沟器的探头传递到本体内，对探沟器内部的电子元器件也会产生影响，影响精度与使用寿命。
等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法，气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧。它的稳定性，发热量和温度均高于一般电弧，具有较大的熔透力和焊接速度，特别适用于薄板一次焊接成型。
所以可以考虑用等离子弧焊实现单面焊双面成型，但是还需要改进现有的识别焊缝的技术，能不受热源影响，提高光学检测精度。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，该系统包括轨道、沿轨道行走的X轴行走机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构以及控制上述三个机构动作的控制系统，所述Y轴移动机构安装在X轴行走机构上，Y轴移动机构上设有Y轴导轨，Y轴导轨上安装Z轴移动机构，所述Z轴移动机构上设有Z轴导轨，Z轴导轨上安装有焊枪，靠近所述焊枪的位置处分别设有高度传感器和激光视觉传感器。
进一步地限定，所述X轴行走机构包括底板、伺服电机、减速机和齿轮传动机构，所述伺服电机与减速机连接，减速机安装在底板上，所述齿轮传动机构包括安装在减速机输出轴上的主动轮和活动安装在底板上的从动轮。
进一步地限定，所述主动轮与从动轮之间设有惰轮。
进一步地限定，所述主动轮与从动轮之间设有手动离合器。
伺服电机通过减速机减速，通过主动轮将动力传递到从动轮上，以满足小车沿轨道的恒速、变速行走。在从动轮到主动轮之间设置手动离合器，可在必要时断开动力，进行快速移动等作业需要。
进一步地限定，所述Y轴移动机构安装在底板上，其包括第一步进电机、同步带传动机构、滚珠丝杆、Y轴导轨和安装板，所述同步带传动机构包括安装在第一步进电机输出轴上的第一同步带轮和安装在滚珠丝杆一端的第二同步带轮，所述滚珠丝杆上连接有沿Y轴导轨来回移动的安装板。
第一步进电机通过同步带传动机构驱动滚珠丝杠转动，以满足安装板沿Y轴方向的移动。
进一步地限定，所述Z轴移动机构安装在安装板上，其包括第二步进电机、丝杆、Z轴导轨和焊枪连接架，所述丝杆的一端与第二步进电机连接，丝杆上连接有沿Z轴导轨来回移动的焊枪连接架。
第二步进电机通过驱动丝杆带动焊枪连接架移动，以满足焊枪沿Z轴方向的移动。
进一步地限定，所述焊枪可转动地连接在焊枪连接架上，焊枪连接架上与焊枪安装方向一致的边沿处连接有激光视觉传感器。
在距离焊枪合适的位置布置激光视觉传感器，实时监控焊枪与焊道的相对位置，传输给控制系统。
进一步地限定，所述激光视觉传感器包括线结构激光器和模拟相机，所述线结构激光器发出激光束照射在焊接工件表面焊缝位置形成线性光斑，所述模拟相机对线性光斑所在位置进行成像，并将成像后的图像传输至计算机处理，得到焊缝的数据信息，计算机将焊缝数据信息反馈给控制系统，由控制系统控制X轴行走机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构的动作。
进一步地限定，所述焊枪连接架的下侧端连接有高度传感器。
由于等离子焊接对焊枪到工件的距离及其敏感，故在Z轴方向上，增加高度传感器，确保检测的准确性，提高焊接的质量和一次合格率。
进一步地限定，所述控制系统包括PLC控制器和无线遥控器，PLC控制器接收高度传感器、无线遥控器和高度传感器传输过来的数据信息，经处理后向X轴行走机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构发出动作指令，控制X轴行走机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构的动作。
本实用新型的有益效果是：本实用新型在小车行走方向上，通过激光视觉传感器在前面实时扫描焊缝，得到焊缝轨迹，同时传输给控制系统；控制系统将得到的数据进行运算，控制X轴行走机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构实现各方向的补偿，自动将焊枪对准焊道的中心，保证焊接的质量；增加高度传感器使之与激光视觉传感器配合使用，确保检测的准确性，提高焊接的质量和一次合格率。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是本实用新型的控制框图。
图3是本实用新型中X轴行走机构的结构示意图。
图4是图3的俯视图。
图5是图3的左视图。
图6是本实用新型中Y轴移动机构的结构示意图。
图7是图6的俯视图。
图8是图6的左视图。
图9是本实用新型中Z轴移动机构的结构示意图。
图10是本实用新型中激光视觉传感器的原理图。
图11是本实用新型中无线遥控器的结构示意图。
图中：1.轨道，2.X轴行走机构，3.Y轴移动机构，4.Z轴移动机构，5.焊枪，6.高度传感器，7.激光视觉传感器，8.PLC控制器，9.无线遥控器，21.底板，22.伺服电机，23.减速机，24.主动轮，25.从动轮，26.手动离合器，27.惰轮，31.Y轴导轨，32.第一步进电机，33.滚珠丝杆，34.安装板，35.第一同步带轮，36.第二同步带轮，41.Z轴导轨，42.第二步进电机，43.丝杆，44.焊枪连接架。
具体实施方式
现在结合附图对本实用新型作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
如图1所示，一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，该系统包括轨道1、沿轨道1行走的X轴行走机构2、Y轴移动机构3、Z轴移动机构4以及控制上述三个机构动作的控制系统， Y轴移动机构3安装在X轴行走机构2上，Y轴移动机构3上设有Y轴导轨31，Y轴导轨31上安装Z轴移动机构4，Z轴移动机构4上设有Z轴导轨41，Z轴导轨41上安装有焊枪5，靠近焊枪5的位置处分别设有高度传感器6和激光视觉传感器7；
控制系统包括PLC控制器8和无线遥控器9，PLC控制器8接收高度传感器6、激光视觉传感器7和无线遥控器9传输过来的数据信息，经处理后向X轴行走机构2、Y轴移动机构3和Z轴移动机构4发出动作指令，控制X轴行走机构2、Y轴移动机构3和Z轴移动机构4的动作。
如图2所示，在小车行走方向上，高度传感器6将焊枪5的高度信息传输给PLC控制器8，同时，激光视觉传感器7的线结构激光器发出激光束照射在焊接工件表面焊缝位置形成线性光斑，模拟相机对线性光斑所在位置进行成像，并将成像后的图像传输至计算机处理，得到焊缝的数据信息，计算机将焊缝数据信息和焊枪高度信息反馈给PLC控制器8，由PLC控制器8控制X轴行走机构2、Y轴移动机构3和Z轴移动机构4的动作进行三个方向上的补偿，自动将焊枪5对准焊道的中心，保证焊接的质量。
如图3～5所示，X轴行走机构2包括底板21、伺服电机22、减速机23和齿轮传动机构，伺服电机22与减速机23连接，减速机23安装在底板21上，齿轮传动机构包括安装在减速机23输出轴上的主动轮24和活动安装在底板21上的从动轮25，主动轮24与从动轮25之间设有手动离合器26。伺服电机22通过减速机23减速，通过主动轮24将动力传递到从动轮25上，以满足小车沿轨道1的恒速、变速行走。在从动轮25到主动轮24之间设置手动离合器26，可在必要时断开动力，进行快速移动等作业需要。
主动轮24与从动轮25之间还可以设置惰轮27，用来改变从齿轮25的转动方向，使之与主齿轮25相同。
如图6～8所示，Y轴移动机构3安装在底板21上，其包括第一步进电机32、同步带传动机构、滚珠丝杆33、Y轴导轨31和安装板34，同步带传动机构包括安装在第一步进32电机输出轴上的第一同步带轮35和安装在滚珠丝杆33一端的第二同步带轮36，滚珠丝杆33上连接有沿Y轴导轨31来回移动的安装板34。第一步进电机32通过同步带传动机构驱动滚珠丝杠33转动，以满足安装板34沿Y轴方向的移动。
如图9所示，Z轴移动机构4安装在安装板34上，其包括第二步进电机42、丝杆43、Z轴导轨41和焊枪连接架44，丝杆43的一端与第二步进电机42连接，丝杆43上连接有沿Z轴导轨41来回移动的焊枪连接架44。第二步进电机43通过驱动丝杆43带动焊枪连接架44移动，以满足焊枪5沿Z轴方向的移动。
焊枪5可转动地连接在焊枪连接架44上，焊枪连接架44上与焊枪5安装方向一致的边沿处连接有激光视觉传感器7。在距离焊枪5合适的位置布置激光视觉传感器7，实时监控焊枪5与焊道的相对位置，传输给控制系统。
其中，激光视觉传感器7包括线结构激光器和模拟相机，线结构激光器发出激光束照射在焊接工件表面焊缝位置形成线性光斑，模拟相机对线性光斑所在位置进行成像，并将成像后的图像传输至计算机处理，得到焊缝的数据信息，计算机将焊缝数据信息反馈给控制系统，由控制系统控制X轴行走机构2、Y轴移动机构3和Z轴移动机构4的动作。焊枪连接架44的下侧端连接有高度传感器6。由于等离子焊接对焊枪5到工件的距离及其敏感，故在Z轴方向上增加高度传感器6，确保检测的准确性，提高焊接的质量和一次合格率。
其工作原理，如图10所示，线激光器的出射光片以 OL为中心、与焊接工件表面成一定角度，光片与坡口相交成一单光纹 ,由于坡口各处沿焊接工件表面在垂直方向深度不同 ,故从与焊接工件表面垂直方向成角度的模拟相机OC看去 , 反射光成一折线 ,折线反映了光纹中心与焊缝坡口中心的三维位置关系。左右光纹长度不等说明对中偏差 ,V字的顶角到水平光纹的距离反映焊缝坡口的深度信息。模拟相机摄取折线光纹图样，送计算机处理，得出焊缝位置、尺寸信息，通过执行机构进行焊缝跟踪。
如图11所示，无线遥控器9的结构，为无线遥控，抗干扰能力强。供电电压：AC/DC12-24V，DC5V，频率：433MHZ，遥控距离：250米；其中各按键功能为：
起弧开/关：控制焊枪打火、停火；
手动/自动功能：手动控制、系统自动控制；
小车前/后：非焊接时手动控制焊枪5沿X方向前进、后退；
小车上/下：非焊接时手动控制焊枪5Z轴上移，下移；
小车左/右：非焊接时手动控制焊枪5Y轴左移，右移；
行走速度+/行走速度-：调节X方向运动速度快慢；
功能设定：记录：记点盖面时，记点模式下进入记录焊缝模式；恢复：跟踪状态；标定：进入标定状态；
数据记录：记录激光标定检测数据；
开始：执行当前选择的任务号进行焊接；
记录：记点盖面模式下“功能设定”为记录时，按下记录按钮可以记录当前位置，记录多个(3个或以上)位置后依据记录位置自动生成轨迹；
停止：停止焊枪5当前运动（跟踪，相对/绝对运动，复位，焊接）；
复位：焊枪5Z轴抬高，X轴复位到0点，Y、Z轴复位到程序打开时的位置；
备用1，备用2：预留口。
上述实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，其特征在于：该系统包括轨道、沿轨道行走的X轴行走机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构以及控制上述三个机构动作的控制系统，所述Y轴移动机构安装在X轴行走机构上，Y轴移动机构上设有Y轴导轨，Y轴导轨上安装Z轴移动机构，所述Z轴移动机构上设有Z轴导轨，Z轴导轨上安装有焊枪，靠近所述焊枪的位置处分别设有高度传感器和激光视觉传感器。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，其特征在于：所述X轴行走机构包括底板、伺服电机、减速机和齿轮传动机构，所述伺服电机与减速机连接，减速机安装在底板上，所述齿轮传动机构包括安装在减速机输出轴上的主动轮和活动安装在底板上的从动轮。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，其特征在于：所述主动轮与从动轮之间设有惰轮。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，其特征在于：所述主动轮与从动轮之间设有手动离合器。
5.根据权利要求2所述的一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，其特征在于：所述Y轴移动机构安装在底板上，其包括第一步进电机、同步带传动机构、滚珠丝杆、Y轴导轨和安装板，所述同步带传动机构包括安装在第一步进电机输出轴上的第一同步带轮和安装在滚珠丝杆一端的第二同步带轮，所述滚珠丝杆上连接有沿Y轴导轨来回移动的安装板。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，其特征在于：所述Z轴移动机构安装在安装板上，其包括第二步进电机、丝杆、Z轴导轨和焊枪连接架，所述丝杆的一端与第二步进电机连接，丝杆上连接有沿Z轴导轨来回移动的焊枪连接架。
7.根据权利要求6所述的一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，其特征在于：所述焊枪可转动地连接在焊枪连接架上，焊枪连接架上与焊枪安装方向一致的边沿处连接有激光视觉传感器。
8.根据权利要求6所述的一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，其特征在于：所述激光视觉传感器包括线结构激光器和模拟相机，所述线结构激光器发出激光束照射在焊接工件表面焊缝位置形成线性光斑，所述模拟相机对线性光斑所在位置进行成像，并将成像后的图像传输至计算机处理，得到焊缝的数据信息，计算机将焊缝数据信息反馈给控制系统，由控制系统控制X轴行走机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构的动作。
9.根据权利要求6所述的一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，其特征在于：所述焊枪连接架的下侧端连接有高度传感器。
10.根据权利要求1所述的一种基于激光视觉的自适应单面焊双面成型等离子焊接系统，其特征在于：所述控制系统包括PLC控制器和无线遥控器，PLC控制器接收高度传感器、无线遥控器和高度传感器传输过来的数据信息，经处理后向X轴行走机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构发出动作指令，控制X轴行走机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构的动作。
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