CN213033858U

CN213033858U - 基于视觉表征的多层多道焊接装置

Info

Publication number: CN213033858U
Application number: CN202021286249.0U
Authority: CN
Inventors: 赵小辉; 王浩; 蔡宇
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2020-07-05
Filing date: 2020-07-05
Publication date: 2021-04-23
Anticipated expiration: 2030-07-05

Abstract

本实用新型涉及一种基于视觉表征的多层多道焊接装置，属于焊接自动化领域。包括行走本体、行走导轨、3D激光轮廓传感器、焊枪；通过3D激光轮廓传感器扫描焊缝，获取施焊轨迹与焊枪位姿；通过行走伺服电机控制行走本体、焊枪、3D激光轮廓传感器在行走导轨上运动；通过z轴伺服电机控制焊枪在焊缝深度方向上运动；通过y轴伺服电机控制焊枪在焊缝横向方向上运动；通过焊枪位姿控制伺服电机控制焊枪位姿；优点在于：本装置利用每层各道等高等面积焊道截面规划模型与移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹模型在焊接过程中自主实时规划各层各道施焊轨迹与焊枪位姿，无需人工示教，智能自主控制多层多道施焊过程。

Description

基于视觉表征的多层多道焊接装置

技术领域

本实用新型涉及焊接自动化领域，特别涉及视觉传感技术以及熔化极气体保护焊施焊轨迹识别技术，尤指一种基于视觉表征的多层多道焊接装置。适用于对接焊缝，不仅适用于V形坡口、双V形坡口，还适用于Y形坡口、U形坡口、X形坡口、K形坡口。

背景技术

多层多道焊接技术广泛用于石油管道、压力容器、船舶、航空等中厚板结构件焊接，传统熔化极气体保护焊多层多道施焊设备：

（1）对于每道焊缝，焊枪位姿以及焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置需要人工人眼定位，反复调整，此工序自动化程度低，效率低。

（2）每道焊缝焊接时，焊接方向上的行走路径需要人工不断示教，该工序增加焊接工时。

传统上的多层多道焊接技术往往未达到对整个施焊过程的路径自主规划与智能控制，为此焊接工作者提出一种多层多道焊路径规划技术：主要思路为采用等截面积填充策略、等高填充等策略根据未施焊焊缝坡口的截面形状规划后续焊接过程焊枪位置、姿态等，但是该技术也有不足之处：

（1）采用等截面积填充策略、等高填充等策略在施焊前规划焊缝路径主要将每道焊缝截面简化为平行四边形，梯形，三角形等理想形状填充预定焊缝进而通过规划处理预设定焊缝路径；一者该理想形状与实际各道焊缝截面形态不符，二者通过其预设定的焊缝路径与理想焊接路径不符，很难保证焊接过程的稳定和焊缝质量。

（2）该预先规划多层多道焊路径规划技术，只是对焊缝截面上焊丝端点位置以及位姿较好确定，即对每道焊缝在焊接方向上的行走路径还是要依靠人工示教与离线编程，其未能到达焊接设备实时自主设定的功效。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于视觉表征的多层多道焊接装置，解决了现有技术存在的上述问题。适用于对接焊缝，不仅适用于V形坡口、双V形坡口，还适用于Y形坡口、U形坡口、X形坡口、K形坡口。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

基于视觉表征的多层多道焊接装置，包括行走本体、行走导轨、3D激光轮廓传感器8、焊枪11，行走本体安装于行走导轨之上，3D激光轮廓传感器8安装于行走本体内的y轴导轨6之上，焊枪11刚性固定于行走本体内的焊枪位姿控制伺服电机14输出轴上；通过3D激光轮廓传感器8在焊接时实时扫描焊缝，获取焊接区域3D轮廓；通过行走伺服电机4控制行走本体、焊枪11、3D激光轮廓传感器8在行走导轨上运动；通过z轴伺服电机2控制焊枪11在焊缝深度方向上运动；通过y轴伺服电机3控制焊枪11在焊缝横向方向上运动；通过焊枪位姿控制伺服电机14控制焊枪位姿。

所述的行走本体包括z轴伺服电机2、y轴伺服电机3、行走伺服电机4、焊枪位姿控制伺服电机14、z轴导轨5、y轴导轨6、减速机7、3D激光轮廓传感器8、车架9、加紧滑轮12、驱动轮组13，所述y轴导轨6安装于车架9，z轴导轨5安装于y轴导轨6，焊枪11刚性固定于焊枪位姿控制伺服电机14输出轴上，可实现角度旋转，焊枪位姿控制伺服电机14刚性固定于z轴导轨5下端，3D激光轮廓传感器8安装于y轴导轨6，行走伺服电机4通过减速机7安装于车架9，车架9通过加紧滑轮12与驱动轮组13安装于行走导轨；y轴导轨6轴心平行于焊缝横向方向，y轴伺服电机3带动y轴导轨6的丝杠旋转，使得z轴导轨5、焊枪11、3D激光轮廓传感器8平行焊缝横向方向运动；z轴导轨5轴心平行于焊缝深度方向，z轴伺服电机2带动z轴导轨5的丝杠旋转，使得z轴导轨5、焊枪位姿控制伺服电机14、焊枪11平行焊缝深度方向运动；焊枪位姿控制伺服电机14控制焊枪11施焊位姿。

所述的行走导轨包含柔性软轨1及开关磁铁座10，所述开关磁铁座10通过螺栓与柔性软轨1固定，通过磁性吸附于待焊件表面，行走导轨平行于焊缝，行走伺服电机4带动驱动轮组13使得行走本体沿着焊接方向行走。

所述的3D激光轮廓传感器8安装于y轴导轨6，位于焊前位置，包括CCD工业相机15、线激光发生器16；安装保证CCD工业相机15的光轴线垂直向下，即与焊缝深度方向平行，线激光发生器16的光轴线与CCD工业相机15的光轴线之间具有固定夹角；CCD工业相机15正下方设置有滤光片18，线激光发生器16产生的线激光透过激光线窗口17，打在焊缝表面，CCD工业相机15通过滤光片18拍摄带有激光线的焊缝图像。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型的基于视觉表征的多层多道焊接装置在施焊过程中自动实时识别并规划各层各道施焊轨迹以及焊枪位姿，各道焊缝施焊控制自主切换，为一键式启动焊接装置，自动控制焊枪运动，去除多层多道焊人工反复示教，很大程度上提高多层多道施焊接效率。

2、本实用新型的每层各道等高等面积焊道截面规划模型，保证在施焊过程中精确确定各道焊缝焊枪实时位姿与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上实时位置，焊接精度可达0.02mm。

3、本实用新型的移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹模型在施焊情况下将焊枪行走路径规划化为多数个小路径，避免累计偏差，特别适合于边施焊边识别并规划施焊轨迹智能焊接装置研制。

4、本实用新型的焊接装置重量轻，随手可提，便捷安装拆卸，自我坐标设定，极其适合户外自动焊接，实用性强。特别适合于直线焊缝，圆筒全位置焊缝，同时也适用于窄间隙焊缝，也特别适合于具有较高度差的焊缝。

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为本实用新型的基于视觉表征的多层多道焊接装置的结构示意图；

图2为本实用新型的基于视觉表征的多层多道焊接装置行走本体的结构示意图；

图3为本实用新型的3D激光轮廓传感器内部的结构示意图。

图中：1、柔性软轨；2、z轴伺服电机；3、y轴伺服电机；4、行走伺服电机；5、z轴导轨；6、y轴导轨；7、减速机；8、3D激光轮廓传感器；9、车架；10、开关磁铁座；11、焊枪；12、加紧滑轮；13、驱动轮组；14、焊枪位姿控制伺服电机；15、CCD工业相机；16、线激光发生器；17、激光线窗口；18、滤光片。

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所示，本实用新型的基于视觉表征的多层多道焊接装置，包括行走本体、行走导轨、3D激光轮廓传感器、焊枪，行走本体安装于行走导轨之上，3D激光轮廓传感器8安装于行走本体内的y轴导轨6之上，焊枪11刚性固定于行走本体内的焊枪位姿控制伺服电机14输出轴上；3D激光轮廓传感器扫描焊缝，获取施焊轨迹与焊枪位姿，后装置将焊接轨迹信号转换为相应电信号并传输给行走本体执行电机；行走本体执行电机包括z轴伺服电机2、y轴伺服电机3、行走伺服电机4、焊枪位姿控制伺服电机14；行走伺服电机4控制行走本体、焊枪11、3D激光轮廓传感器8在行走导轨上运动；通过z轴伺服电机2控制焊枪11在焊缝深度方向上运动；通过y轴伺服电机3控制焊枪11在焊缝横向方向上运动；通过焊枪位姿控制伺服电机14控制焊枪位姿；本装置在焊接过程中自主实时规划各层各道施焊轨迹与焊枪位姿，无需人工示教，智能自主控制多层多道施焊过程。

参见图3所示，3D激光轮廓传感器8安装于y轴导轨6，位于焊前位置，包括CCD工业相机15、线激光发生器16；安装保证CCD工业相机15的光轴线垂直向下，即与焊缝深度方向平行，线激光发生器16的光轴线与CCD工业相机15的光轴线之间具有固定夹角；CCD工业相机15正下方设置有滤光片18，线激光发生器16产生的线激光透过激光线窗口17，打在焊缝表面，CCD工业相机15通过滤光片18，拍摄带有激光线的焊缝图像。

本实用新型的基于视觉表征的多层多道焊接装置焊接轨迹自动智能焊接原理是：3D激光轮廓传感器8通过参数标定，将拍摄图像各像素点上的像素坐标信息转化为实际坐标信息，后通过每层各道等高等面积焊道截面规划模型实时确定各道焊缝焊枪位姿与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置，后通过移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹模型实时拟合并规划各道焊缝在焊接方向上的行走轨迹，达到多层多道焊接轨迹与焊枪位姿自动识别，智能控制焊接过程，去除人工反复示教的弊端；具体细节为：3D激光轮廓传感器8拍摄带有激光线的焊缝图像，将图像通过CCD工业相机数据线传输给便捷式笔记本电脑，CCD工业相机数据线与笔记本接口为USB 3.0接口，便捷式笔记本电脑通过图像处理软件程序，对所有传输的图片进行处理，利用每层各道等高等面积焊道截面规划模型实时确定各道焊缝焊枪位姿与焊丝端点在焊缝横向方向、焊缝深度方向上位置，后利用移动坐标系下分段式实时识别焊接轨迹模型实时拟合并规划各道焊缝在焊接方向上的行走轨迹，便捷式笔记本电脑依据焊后将运动各参数传输给运动控制卡，运动控制卡将对其将对其进行信息转化，将轨迹信息转化为电信号，依据相应参数控制焊接行走本体各伺服电机控制器进行运作，至此达到多层多道智能自主焊接目的。本实用新型基于视觉表征的多层多道焊接装置重量轻盈，安装过后，无需人工反复示教，一键式启动。

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

1.一种基于视觉表征的多层多道焊接装置，其特征在于：包括行走本体、行走导轨、3D激光轮廓传感器（8）、焊枪（11），行走本体安装于行走导轨之上，3D激光轮廓传感器（8）安装于行走本体内的y轴导轨（6）之上，焊枪（11）刚性固定于行走本体内的焊枪位姿控制伺服电机（14）输出轴上；通过3D激光轮廓传感器（8）在焊接时实时扫描焊缝，获取焊接区域3D轮廓；通过行走伺服电机（4）控制行走本体、焊枪（11）、3D激光轮廓传感器（8）在行走导轨上运动；通过z轴伺服电机（2）控制焊枪（11）在焊缝深度方向上运动；通过y轴伺服电机（3）控制焊枪（11）在焊缝横向方向上运动；通过焊枪位姿控制伺服电机（14）控制焊枪位姿。

2.根据权利要求1所述的基于视觉表征的多层多道焊接装置，其特征在于：所述的行走本体是：y轴导轨（6）安装于车架（9），z轴导轨（5）安装于y轴导轨（6），焊枪（11）刚性固定于焊枪位姿控制伺服电机（14）输出轴上，实现角度旋转，焊枪位姿控制伺服电机（14）刚性固定于z轴导轨（5）下端，3D激光轮廓传感器（8）安装于y轴导轨（6），行走伺服电机（4）通过减速机（7）安装于车架（9），车架（9）通过加紧滑轮（12）与驱动轮组（13）安装于行走导轨；y轴导轨（6）轴心平行于焊缝横向方向，y轴伺服电机（3）带动y轴导轨（6）的丝杠旋转，使得z轴导轨（5）、焊枪（11）、3D激光轮廓传感器（8）平行焊缝横向方向运动；z轴导轨（5）轴心平行于焊缝深度方向，z轴伺服电机（2）带动z轴导轨（5）的丝杠旋转，使得z轴导轨（5）、焊枪位姿控制伺服电机（14）、焊枪（11）平行焊缝深度方向运动；焊枪位姿控制伺服电机（14）控制焊枪（11）施焊位姿。

3.根据权利要求2所述的基于视觉表征的多层多道焊接装置，其特征在于：所述的行走导轨包含柔性软轨（1）及开关磁铁座（10），所述开关磁铁座（10）通过螺栓与柔性软轨（1）固定，通过磁性吸附于待焊件表面，行走导轨平行于焊缝，行走伺服电机（4）带动驱动轮组（13）使得行走本体沿着焊接方向行走。

4.根据权利要求1所述的基于视觉表征的多层多道焊接装置，其特征在于：所述的3D激光轮廓传感器（8）安装于y轴导轨（6），位于焊前位置，包括CCD工业相机（15）、线激光发生器（16）；安装保证CCD工业相机（15）的光轴线垂直向下，即与焊缝深度方向平行，线激光发生器（16）的光轴线与CCD工业相机（15）的光轴线之间具有固定夹角；CCD工业相机（15）正下方设置有滤光片（18），线激光发生器（16）产生的线激光透过激光线窗口（17），打在焊缝表面，CCD工业相机（15）通过滤光片（18）拍摄带有激光线的焊缝图像。