WO2023197089A1 - 一种管板焊方法及装置 - Google Patents

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WO2023197089A1
WO2023197089A1 PCT/CN2022/000106 CN2022000106W WO2023197089A1 WO 2023197089 A1 WO2023197089 A1 WO 2023197089A1 CN 2022000106 W CN2022000106 W CN 2022000106W WO 2023197089 A1 WO2023197089 A1 WO 2023197089A1
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welding
industrial camera
welding head
steel pipe
coordinates
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PCT/CN2022/000106
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English (en)
French (fr)
Inventor
丁彦玉
刘磊
毕德学
李金柱
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天津科技大学
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/04—Tubular or hollow articles
    • B23K2101/06—Tubes

Definitions

  • the invention belongs to the field of welding automation, and in particular relates to a tube-sheet welding method and device.
  • the tube cooler plays a very important role.
  • the weld between the steel tube and the tube plate of the tube cooler is the weak part of the heat exchanger and is very prone to failure.
  • great progress has been made in the research on automation and intelligence of welding technology. Different welding processes are proposed for coolers made of different materials and failure modes of welds.
  • current vision-based automatic tube-sheet welding equipment is welding, it is necessary to perform image acquisition, image processing and other processes on each steel pipe and steel plate to be welded, and only a single steel pipe can be welded at a time, and the overall welding time is long.
  • the purpose of the present invention is to overcome the shortcomings of the existing technology, provide a vision-based dual-channel tube plate welding method and device, and solve the technical problems of low automatic welding efficiency and large welding errors between large-size steel plates and steel pipes.
  • a first aspect of the present invention provides a tube-sheet welding device, which includes:
  • the first welding head
  • the device body includes a first slide table, a second slide table, a third slide table, a fourth slide table, a fifth slide table, and a sixth slide table.
  • the slide block of the first slide table is fixedly mounted on the slide block.
  • the fourth slide table is fixed on the slide block of the second slide table.
  • the sixth slide table is fixed on the slide block of the fifth slide table.
  • the sixth slide table The first welding head is fixedly mounted on the slider through a welding head bracket, and the third slider is fixedly mounted on the slider of the fourth slider;
  • the visual system includes an industrial camera, an annular light source and a visual system fixture.
  • the visual system fixture is installed on the slider of the third slide table.
  • the industrial camera and the annular light source are installed on the on the vision system fixings.
  • the first slide table, the fifth slide table, the sixth slide table and the first welding head driven by them form the first welding channel
  • the second slide table, the third slide table, the fourth slide table and the second welding head driven by them The head forms the second welding channel.
  • a second aspect of the present invention provides a tube-sheet welding method based on the above-mentioned tube-sheet welding device, which includes the following steps:
  • Step 1 Adjust the feet so that the tube plate to be welded is parallel to the working planes of the first and fifth slides;
  • Step 2 Set the working distance between the target steel pipe and the vision system as D, and perform internal parameter calibration of the industrial camera at the working distance D; obtain the internal parameter matrix:
  • M in is the internal parameter matrix
  • k x is the amplification coefficient in the X-axis direction
  • k y is the amplification coefficient in the Y-axis direction
  • u 0 and v 0 are the image coordinates of the intersection of the optical axis centerline in the imaging plane
  • Step 3 Calibrate the relative position coordinates of the first welding head and the second welding head: move each slide of the device so that the first welding head and the second welding head point to the same steel pipe, and calculate the relative position coordinates of the two welding heads when they point to the same steel pipe.
  • Relative pose A1 insert the positioning rod of the second welding head into a steel pipe, and calibrate the relative pose A2 between the center point of the industrial camera's field of view and the second welding head;
  • Step 4 Perform hand-eye calibration of the welding head and the industrial camera to obtain the position coordinates of the industrial camera relative to the second welding head; use the following formula:
  • Step 5 Based on the area to be welded, calculate the visual scanning area through A2, and plan the scanning path based on the field of view of the industrial camera;
  • Step 6 Set the distance between the industrial camera and the tube sheet to D, scan the tube sheet according to the scanning path, and calculate the coordinates of the steel pipe in the industrial camera coordinate system;
  • Step 7 Combined with the hand-eye calibration results, calculate the coordinates of the steel pipe in the device coordinate system;
  • Step 8 First move the first welding channel and insert the positioning rod of the first welding head into a steel pipe hole.
  • the first welding head rotates around the positioning rod for welding; then move the second welding channel and insert the positioning rod of the second welding head into a steel pipe hole. Insert into the steel pipe hole, and the second welding head rotates around the positioning rod to perform welding.
  • (x c , y c , z c ) represents the coordinates of the steel pipe in the camera coordinate system O c X c Y c Z c
  • (x w , y w , z w ) represents the steel pipe in the world coordinate system O w X w Y w
  • P 0 (x w0 , y w0 ) is the coordinate of P 0 in the world coordinate system
  • P 3 (x w3 , y w3 ) is the coordinate of P 3 in the world coordinate system
  • k xd k x /D
  • k yd k y /D
  • hand-eye calibration adopts segmented hand-eye calibration, and the steps are as follows:
  • step (2) is the device zero point
  • step (4) coordinate C 3 coordinate C 4
  • step (5) coordinate C 4 can be calculated.
  • the present invention uses a visual guidance welding device to weld tube plates, realize dual-channel automatic welding of tube plates and other functions, and improve processing efficiency.
  • the device of the present invention automatically identifies the position of the steel pipe through vision, controls the positioning rod of the execution component to be inserted into the steel pipe to be welded, and the welding head rotates around the positioning rod to complete the welding. It can be applied to different steel pipe arrangements and distribution methods.
  • the monocular area array camera of the present invention collects images of all steel pipes to be welded at once, and the system plans the welding path to realize continuous welding of steel pipes.
  • the dual channel can weld two steel pipes at one time, which greatly improves the welding efficiency.
  • the present invention proposes a segmented hand-eye calibration method, which overcomes the problem of large welding errors caused by deformation of the mechanical device itself when welding both ends of large-sized steel plates, and improves the identification and positioning accuracy of the entire system.
  • Figure 1 is a schematic three-dimensional structural diagram of the system assembly of a vision-based dual-channel tube-sheet welding device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a schematic three-dimensional structural diagram of a visual system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a welding schematic diagram of a dual-channel tube-sheet welding device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a welding effect diagram according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention provides a vision-based dual-channel tube plate welding method and device to solve the technical problems of low automatic welding efficiency and large welding errors between large-size steel plates and steel pipes.
  • the tube sheet is leveled through the visual guidance device body, and the distance between the tube sheet and the device body is kept constant, that is, the three-dimensional space is reduced to two-dimensional processing, and the image preprocessing method is used to identify the characteristics of the steel pipe.
  • the dual-channel welding method greatly improves welding efficiency.
  • Dual-channel means that within the control system of one device, a set of visual systems are used to detect and control two sets of welding devices to perform welding operations at the same time.
  • the two sets of welding devices can weld independently under the coordination of the control system. Equivalent to a sensor, the two execution devices coordinate and couple their movements to achieve dual-channel welding.
  • This application uses a monocular area array camera and does not use a binocular vision sensor. The reason is that the horizontality of the welded steel plate is fixed. By adjusting the posture of the device, the relative parallel relationship between the device and the steel plate to be welded can be ensured.
  • the device of the present invention includes a device body and a first welding head 7, a second welding head 8, a vision system 9 and an adjustment foot 10 installed on the device body.
  • the device body includes a first slide table 1, a second slide table 2, a third slide table 3, a fourth slide table 4, a fifth slide table 5 and a sixth slide table 6.
  • Adjustment feet 10 are installed on the four corners of the bottom surface of the first slide table 1 .
  • the second slide table 2 and the fifth slide table 5 are fixed on the slide block of the first slide table 1.
  • the working surface of the second slide table 2 faces left, and the non-working surface is fixed on the non-working surface of the fifth slide table 5.
  • the working surface of the fifth slide table 5 faces right.
  • the second slide table 2 and the fifth slide table 5 are perpendicular to the first slide table 1 .
  • the fourth sliding table 4 is fixed on the sliding block of the second sliding table 2.
  • the fourth sliding table 4 is perpendicular to the second sliding table 2.
  • the sixth sliding table 4 is fixed on the sliding block of the fifth sliding table 5.
  • Stage 6, the sixth sliding stage 6 is perpendicular to the fifth sliding stage 5, the sixth sliding stage 6 is parallel to the fourth sliding stage 4, and the welding head bracket is passed on the slide block of the sixth sliding stage 6
  • the first welding head 7 is fixedly installed, and the first welding head 7 is located below the sixth sliding table 6.
  • the third sliding table 3 is fixedly installed on the slide block of the fourth sliding table 4.
  • the third sliding table 3 and The fourth slide table 4 is vertical, the third slide table 3 is installed below the fourth slide table 4, and the third slide table 3 is parallel to the first slide table 1.
  • a vision system 9 is fixed on the slide block of the third slide table 3 .
  • the vision system 9 includes an industrial camera 9-1, a ring light source 9-2 and a vision system fixture 9-3.
  • the vision system fixture 9-3 is installed on the slider of the third slide table 3.
  • the industrial The camera 9-1 and the ring light source 9-2 are installed on the visual system fixture 9-3,
  • the method of applying the vision-based dual-channel tube-sheet welding device of the above device adopts the following steps:
  • M in is the internal parameter matrix
  • k x is the amplification coefficient in the X-axis direction
  • k y is the amplification coefficient in the Y-axis direction
  • u 0 and v 0 are the image coordinates of the intersection of the optical axis centerline in the imaging plane.
  • (x c , y c , z c ) represents the coordinates of the steel pipe in the camera coordinate system O c X c Y c Z c
  • (x w , y w , z w ) represents the steel pipe in the world coordinate system O w X w Y w
  • P 0 (x w0 , y w0 ) is the coordinate of P 0 in the world coordinate system
  • P 3 (x w3 , y w3 ) is the coordinate of P 3 in the world coordinate system
  • k xd k x /D
  • k yd k y /D
  • the present invention proposes a segmented hand-eye calibration method.
  • the error caused by the deformation of the device body can be converted into a hand-eye calibration matrix.
  • the solder joints can be quickly positioned and the identification and positioning accuracy of the entire system can be improved.
  • This segmented hand-eye calibration method uses the following steps:
  • the fourth slide 4 moves so that the distance between the industrial camera and the tube sheet is D;
  • step (2) Assuming that the coordinate C1 of step (2) is the zero point of the device, the mechanical coordinates of step (3) coordinate C 2 , step (4) coordinate C 3 , and step (5) coordinate C 4 can be calculated. Combined with step ( Using the industrial camera coordinates from 2) to (5), the hand-eye calibration matrix of the device and the industrial camera at the current horizontal coordinate can be calculated;
  • the specific calculation method is as follows. Based on the obtained four industrial camera coordinates, the corresponding mechanical coordinates M 1 , M 2 , M 3 , M 4 are obtained. According to formula 4, the corresponding mechanical coordinates are deformed:
  • the first slide 1 moves equidistantly in sequence and repeats steps (2) to (6).
  • a series of hand-eye calibration matrix groups corresponding to horizontal coordinates can be calculated. In the actual welding process, the same as the current welding horizontal coordinates are used. The closest calibration matrix.
  • Dual channel (patented method of this invention) 177 minutes 0.99(293/295)
  • Single channel automation 284 minutes 0.99(292/295)

Abstract

一种管板焊装置，包括第一焊头（7）、第二焊头（8）、装置本体及视觉系统（9），装置本体包括第一滑台（1）、第二滑台（2）、第三滑台（3）、第四滑台（4）、第五滑台（5）、第六滑台（6），其中第一滑台、第五滑台、第六滑台及其驱动的第一焊头组成第一焊接通道，第二滑台、第三滑台、第四滑台及其驱动的第二焊头组成第二焊接通道。还公开了一种管板焊方法。该装置采用一套视觉系统检测，控制两套焊接装置同时进行焊接作业，系统规划焊接路径，实现钢管连续焊接，且双通道可一次焊接两个钢管，大大提高了焊接效率。

Description

一种管板焊方法及装置 技术领域
本发明属于焊接自动化领域，尤其是涉及一种管板焊方法及装置。
背景技术
列管式冷却器作为化工生产、冶金化纤以及食品制药等工序的重要基础设备，具有非常重要的作用。列管式冷却器的钢管与管板之间的焊缝处是换热器的薄弱部分，非常容易发生失效。目前，在焊接工艺在自动化、智能化的研究上有了很大的进展。针对不同的材质的冷却器以及焊缝的失效形式，提出了不同的焊接工艺。当前基于视觉的管板自动化焊接设备在进行焊接时，需要对每一个待焊接钢管与钢板全部进行图像采集、图像处理等工序，且单次只能焊接单个钢管，整体焊接时间长。由于机械装置本身的精度误差，自动焊接装置在焊接大尺寸钢板-钢管件时，装置在钢板两端的自身位姿变化较大，原标定参数无法满足焊接要求，最终导致焊头-钢管测量误差变大，无法实现有效焊接。因此需要一种可以解决钢管-管板快速、可靠、高效焊接需求的装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于视觉的双通道管板焊方法及装置，解决了自动焊接效率低、大尺寸钢板-钢管焊接误差大的技术问题。
本发明第一方面是提供了一种管板焊装置，包括：
第一焊头；
第二焊头；
装置本体、所述装置本体包括第一滑台、第二滑台、第三滑台、第四滑台、第五滑台、第六滑台，所述第一滑台的滑块上固装第二滑台及第五滑台，所述第二滑台的滑块上固装第四滑台，所述第五滑台的滑块上固装第六滑台，所述第六滑台的滑块上通过焊头支架固装所述第一焊头，所述第四滑台的滑块上固装所述第三滑台；
视觉系统、所述视觉系统包括工业相机、环形光源及视觉系统固定件，所述视觉系统固定件安装在所述第三滑台的滑块上，所述工业相机与所述环形光源安装在所述视觉系统固定件上。
其中第一滑台、第五滑台、第六滑台及其驱动的第一焊头组成第一焊接通道，第二滑台、第三滑台、第四滑台及其驱动的第二焊头组成第二焊接通道。
本发明第二方面是提供了一种基于上述管板焊装置的管板焊方法，包括如下步骤：
步骤一、调节调整垫脚，使待焊接管板与第一滑台、第五滑台工作平面平行；
步骤二、设定目标钢管与视觉系统的工作距离为D，在工作距离D下进行工业相机内参 标定；得到内参矩阵：
Figure PCTCN2022000106-appb-000001
M in为内参矩阵，k x为X轴方向的放大系数，k y为Y轴方向的放大系数，u 0、v 0为光轴中心线在成像平面的交点的图像坐标；
步骤三、标定第一焊头与第二焊头的相对位置坐标：移动装置各滑台，使第一焊头与第二焊头指向同一个钢管，计算出两个焊头指向同一钢管时的相对位姿A1；将第二焊头的定位杆插入到一个钢管中，标定工业相机视野中心点与第二焊头的相对位姿A2；
步骤四、进行焊头与工业相机的手眼标定，得到工业相机相对于第二焊头的位置坐标；使用如下公式：
Figure PCTCN2022000106-appb-000002
其中
Figure PCTCN2022000106-appb-000003
是工业相机坐标相对于焊头坐标的相对位姿关系，
Figure PCTCN2022000106-appb-000004
是工业相机坐标相对于标定板坐标的相对位姿关系，
Figure PCTCN2022000106-appb-000005
是标定板坐标相对于装置本体坐标的相对位姿关系，
Figure PCTCN2022000106-appb-000006
是装置本体坐标相对于焊头坐标的相对位姿关系；
步骤五、根据待焊接区域，通过A2计算视觉扫描区域，并根据工业相机视野规划扫描路径；
步骤六、使工业相机与管板之间距离为D，按照扫描路径进行管板扫描，并计算出钢管在工业相机坐标系下的坐标；
步骤七、结合手眼标定结果，计算钢管在装置坐标系下的坐标；
Figure PCTCN2022000106-appb-000007
其中
Figure PCTCN2022000106-appb-000008
是钢管坐标系相对于装置本体坐标系的相对位姿关系，
Figure PCTCN2022000106-appb-000009
是钢管坐标系相对于工业相机坐标系的相对位姿关系，
Figure PCTCN2022000106-appb-000010
是工业相机坐标系相对于焊头坐标系的相对位姿关系，
Figure PCTCN2022000106-appb-000011
是焊头坐标系相对于装置本体坐标系的相对位姿关系；
步骤八、先首先移动第一焊接通道将第一焊头的定位杆插入到一个钢管孔中，第一焊头绕定位杆旋转进行焊接；再移动第二焊接通道将第二焊头的定位杆插入到该钢管孔中，第二焊头绕定位杆旋转进行焊接。
进一步地，相对位姿A1具体计算步骤为：
①第二焊头指向钢管中心位置时，根据以下公式计算在当前位置下该钢管的中心点在工业相机坐标系下的坐标P1；
Figure PCTCN2022000106-appb-000012
(x c，y c，z c)表示钢管在相机坐标系O cX cY cZ c中的坐标，(x w，y w，z w)表示钢管在世界坐标系O wX wY wZ w中的坐标，p＝[p x p y p z] T为O wX wY wZ w的坐标原点在相机坐标系O cX cY cZ c中的位置，
Figure PCTCN2022000106-appb-000013
为X w轴，Y w，轴，Z w轴在坐标系O cX cY cZ c中的方向向量；
②同样的，计算出第一焊头指向该钢管同一位置时，该钢管的中心点坐标P2；
③将求出的两点坐标P1和P2相减得出两个焊头在指向同一钢管时的相对位姿A1。
进一步地，所述相对位姿A2具体计算步骤为：
①设工业相机视野中心点坐标在工业相机坐标系下坐标为P 0(u 0，v 0)；
②计算第二焊头此时的坐标P 3(u 3，v 3)；
③根据
Figure PCTCN2022000106-appb-000014
标出工业相机视野中心点与第二焊头的相对位姿A2；
P 0(x w0，y w0)是P 0在世界坐标系下的坐标，P 3(x w3，y w3)是P 3在世界坐标系下的坐标，k xd＝k x/D，k yd＝k y/D，是标定出的相机参数。
进一步地，所述手眼标定采用分段式手眼标定，步骤如下：
(1)使工业相机与管板之间距离为D；
(2)选定一个钢管，使其在工业相机视野的左上方，拍照并计算其工业相机坐标C 1；
(3)使上述钢管移动到工业相机视野的左下方，拍照并计算其工业相机坐标C 2；
(4)使上述钢管移动到工业相机视野的右下方，拍照并计算其工业相机坐标C 3；
(5)使上述钢管移动到工业相机视野的右上方，拍照并计算其工业相机坐标C 4；
(6)设步骤(2)的坐标C 1为装置零点，则可计算出步骤(3)坐标C 2、步骤(4)坐标C 3、步骤(5)坐标C 4的的机械坐标，结合步骤(2)～(5)的工业相机坐标，计算出当前水平坐标时的装置与工业相机的手眼标定矩阵；
(7)重复步骤(2)～(6)，计算出一系列的水平坐标所对应的手眼标定矩阵组，实际焊接过程中，使用与当前焊接水平坐标距离最近的标定矩阵。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明通过视觉引导焊接装置对管板进行焊接，实现双通道自动焊接管板等功能，提高了加工效率。
2、本发明装置通过视觉自动识别钢管位置，控制执行部件的定位杆插进待焊接钢管，焊头绕定位杆旋转完成焊接，可适用不同的钢管排列、分布方式。
3、本发明单目面阵相机采集一次所有待焊接钢管图像，系统规划焊接路径，实现钢管连续焊接，且双通道可一次焊接两个钢管，大大提高了焊接效率。
4、本发明提出分段式手眼标定方法，克服了在大尺寸钢板件的两端进行焊接时，机械装置本身变形导致的焊接误差大的问题，提升了整个系统的识别定位精度。
附图说明
图1为根据本发明实施例的基于视觉的双通道管板焊装置的系统总装立体结构示意图；
图2为根据本发明实施例的视觉系统立体结构示意图；
图3为根据本发明实施例的双通道管板焊装置的焊接示意图；
图4为根据本发明实施例的焊接效果图。
图中：1、第一滑台；2、第二滑台；3、第三滑台4、第四滑台；5、第五滑台；6、第六滑台；7、第一焊头；8、第二焊头；9、视觉系统；9-1、工业相机；9-2、环形光源；9-3、视觉系统固定件，10、调整垫脚，11、待焊接管板，12、目标钢管，D、工作距离。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明为解决自动焊接效率低、大尺寸钢板-钢管焊接误差大技术问题而提供一种基于视觉的双通道管板焊方法及装置。通过视觉引导装置本体对管板进行调平，并实现管板与装置 本体之间的距离保持一定，即将三维空间降维至二维处理，采用图像预处理方法，针对钢管的特征进行识别，通过双通道的焊接方式大大提高焊接效率。
双通道是指一套装置的控制系统内，使用一套视觉系统检测，控制两套焊接装置同时进行焊接作业，两套焊接装置可以在控制系统协调下独立焊接。相当于一个传感器，两个执行装置协调、耦合运动，实现双通道焊接。本申请使用的是单目面阵相机，没有使用双目视觉传感器，原因是焊接钢板的水平度是固定的，通过调整装置的位姿，可以保证装置与待焊接钢板的相对平行关系，在测量距离固定(或变化很小)的情况下，使用二维面阵相机测量钢管(钢管内圆)位置，功能、精度足够，且效率(采集、通讯、数据处理等)比双目立体视觉高很多。
如图1所示，本发明装置包括装置本体及安装在所述装置本体上的第一焊头7、第二焊头8、视觉系统9、以及调整垫脚10。所述装置本体包括第一滑台1、第二滑台2、第三滑台3、第四滑台4、第五滑台5、第六滑台6。调整垫脚10安装在所述第一滑台1的底面四角。
第一滑台1的滑块上固装第二滑台2及第五滑台5，第二滑台2的工作面朝左，非工作面与第五滑台5的非工作面固装，所述第五滑台5工作面朝右。所述第二滑台2及第五滑台5与所述第一滑台1垂直。
第二滑台2的滑块上固装第四滑台4，所述第四滑台4与所述第二滑台2垂直，所述第五滑台5的滑块上固装第六滑台6，所述第六滑台6与所述第五滑台5垂直，所述第六滑台6与第四滑台4平行，所述第六滑台6的滑块上通过焊头支架固装第一焊头7，第一焊头7位于所述第六滑台6下方，所述第四滑台4的滑块上固装第三滑台3，所述第三滑台3与所述第四滑台4垂直，所述第三滑台3安装在第四滑台4下方，第三滑台3与第一滑台1平行。所述第三滑台3的滑块上固装视觉系统9。
视觉系统9包括工业相机9-1、环形光源9-2及视觉系统固定件9-3，所述视觉系统固定件9-3安装在所述第三滑台3的滑块上，所述工业相机9-1与所述环形光源9-2安装在所述视觉系统固定件9-3上，
应用上述装置的基于视觉的双通道管板焊装置的方法，采用以下步骤：
(1)调节调整垫脚10使待焊接管板11与第一滑台1、第五滑台5工作平面平行；
(2)设定目标钢管12与视觉系统9的工作距离为D，在工作距离D下进行工业相机内参标定；得到内参矩阵：
Figure PCTCN2022000106-appb-000015
M in为内参矩阵，k x为X轴方向的放大系数，k y为Y轴方向的放大系数，u 0、v 0为光轴中心线在成像平面的交点的图像坐标。
(3)标定第一焊头7与第二焊头8的相对位置坐标：移动装置各滑台，使通道一(第一 滑台1、第五滑台5、第六滑台6)的第一焊头7与通道二(第二滑台2、第三滑台3、第四滑台4)的第二焊头8指向同一个钢管，计算出两个焊头指向同一钢管时的相对位姿A1；具体计算方式如下：
①第二焊头8指向钢管中心位置时，根据以下公式计算在当前位置下该钢管的中心点在工业相机坐标系下的坐标P1；
Figure PCTCN2022000106-appb-000016
(x c，y c，z c)表示钢管在相机坐标系O cX cY cZ c中的坐标，(x w，y w，z w)表示钢管在世界坐标系O wX wY wZ w中的坐标，p＝[p x p y p z] T为O wX wY wZ w的坐标原点在相机坐标系O cX cY cZ c中的位置，
Figure PCTCN2022000106-appb-000017
为X w轴，Y w，轴，Z w轴在坐标系O cX cY cZ c中的方向向量。
②同样的，计算出第一焊头7指向该钢管同一位置时，该钢管的中心点坐标P2；
③将求出的两点坐标P1和P2相减得出两个焊头在指向同一钢管时的相对位姿A1。
(4)将第二焊头8的定位杆插入到一个钢管中，标定工业相机9-1视野中心点与第二焊头8的相对位姿A2；
1)设工业相机9-1视野中心点坐标在工业相机坐标系下坐标为P 0(u 0，v 0)；
2)根据上一步方法计算出第二焊头8此时的坐标P 3(u 3，v 3)；
3)根据
Figure PCTCN2022000106-appb-000018
③标出工业相机9-1视野中心点与第二焊头8的相对位姿A2。
P 0(x w0，y w0)是P 0在世界坐标系下的坐标，P 3(x w3，y w3)是P 3在世界坐标系下的坐标，k xd＝k x/D，k yd＝k y/D，是标定出的相机参数。
(5)进行焊头与工业相机的手眼标定，得到工业相机9-1相对于第二焊头8的位置坐标；使用如下公式：
Figure PCTCN2022000106-appb-000019
其中
Figure PCTCN2022000106-appb-000020
是工业相机坐标相对于焊头坐标的相对位姿关系，
Figure PCTCN2022000106-appb-000021
是工业相机坐标相对于标定板坐标的相对位姿关系，
Figure PCTCN2022000106-appb-000022
是标定板坐标相对于装置本体坐标的相对位姿关系，
Figure PCTCN2022000106-appb-000023
是装置本体坐标相对于焊头坐标的相对位姿关系。
(6)根据待焊接区域，通过A2计算视觉扫描区域，并根据工业相机视野规划扫描路径；
(7)移动第四滑台4使工业相机与管板之间距离为D，按照扫描路径进行管板扫描，并计算出钢管在工业相机坐标系下的坐标；计算方式同公式②；
(8)结合手眼标定结果，计算钢管在装置坐标系下的坐标；
Figure PCTCN2022000106-appb-000024
其中
Figure PCTCN2022000106-appb-000025
是钢管坐标系相对于装置本体坐标系的相对位姿关系，
Figure PCTCN2022000106-appb-000026
是钢管坐标系相对于工业相机坐标系的相对位姿关系，
Figure PCTCN2022000106-appb-000027
是工业相机坐标系相对于焊头坐标系的相对位姿关系，
Figure PCTCN2022000106-appb-000028
是焊头坐标系相对于装置本体坐标系的相对位姿关系。
(9)通道一(第一滑台1、第五滑台5、第六滑台6)移动，将第一焊头7的定位杆插入到一个钢管孔中，第一焊头7绕定位杆旋转进行焊接；
(10)计算并选择第二通道范围内的焊接钢管，移动第二滑台2、第三滑台3、第四滑台4，将第二焊头8的定位杆插入到该钢管孔中，第二焊头8绕定位杆旋转进行焊接，若未找到相应第二通道范围内的焊接钢管，则第二通道不工作；
(11)第一焊头7与第二焊头8全部焊接完成，且第六滑台6与第四滑台4全部退出完毕后，系统记录已焊接钢管，重复步骤(9)、(10)，直至全部钢管焊接完成。
实际过程操作过程中，由于第一滑台行程较大，导致其在运动方向上发生较大的形变，严重影响了最终的手眼标定的结果，导致最终焊点定位精度较差。针对这一问题，本发明提出了分段式手眼标定的方法，通过分段标定的方法，可以将装置本体由于形变造成的误差转换到手眼标定的矩阵中。通过这一方法，可以快速定位焊点，提升整个系统的识别定位精度。该分段式手眼标定的方法采用以下步骤：
(1)第四滑台4移动使工业相机与管板之间距离为D；
(2)选定一个钢管，使其在工业相机视野的左上方，拍照并计算其工业相机坐标C 1；
(3)第二滑台2移动，使上述钢管移动到工业相机视野的左下方，拍照并计算其工业相机坐标C 2；
(4)第三滑台3移动，使上述钢管移动到工业相机视野的右下方，拍照并计算其工业相机坐标C 3；
(5)第二滑台2移动，使上述钢管移动到工业相机视野的右上方，拍照并计算其工业相机坐标C 4；
(6)设步骤(2)的坐标C1为装置零点，则可计算出步骤(3)坐标C 2、步骤(4)坐标C 3、步骤(5)坐标C 4的的机械坐标，结合步骤(2)～(5)的工业相机坐标，可以计算出当前水平坐标时的装置与工业相机的手眼标定矩阵；
具体计算方式如下，根据求得的四个工业相机坐标得出对应的机械坐标M 1，M 2，M 3，M 4，根据公式④变形得：
Figure PCTCN2022000106-appb-000029
则可以得到如下等式：
Figure PCTCN2022000106-appb-000030
将求得的四个点的坐标代入得：
Figure PCTCN2022000106-appb-000031
求解AX＝XB方程，
Figure PCTCN2022000106-appb-000032
即为所需要的矩阵。
(7)第一滑台1依次等距离移动，重复步骤(2)～(6)，可以计算出一系列的水平坐标所对应的手眼标定矩阵组，实际焊接过程中，使用与当前焊接水平坐标距离最近的标定矩阵。
应用实施例
对某一型号冷却塔的底端面和冷却钢管进行焊接实验，在焊枪相同的前提下，分别使用人工和本发明专利方法进行焊接。焊接点位共295个，焊接时间和一次合格率对比如下表1
表1焊机方法试验结果对比
焊接方式 焊接总耗时 一次合格率
人工(单人) 约8小时 0.95(280/295)
双通道(本发明专利方法) 177分钟 0.99(293/295)
单通道自动化 284分钟 0.99(292/295)
实验表明，本发明方法所需时间和一次合格率均优于人工焊接及单通道自动化焊接方法，综合焊接效率较高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

  1. 一种管板焊装置，其特征在于，包括：
    第一焊头(7)；
    第二焊头(8)；
    装置本体、所述装置本体包括第一滑台(1)、第二滑台(2)、第三滑台(3)、第四滑台(4)、第五滑台(5)、第六滑台(6)，所述第一滑台(1)的滑块上固装第二滑台(2)及第五滑台(5)，所述第二滑台(2)的滑块上固装第四滑台(4)，所述第五滑台(5)的滑块上固装第六滑台(6)，所述第六滑台(6)的滑块上通过焊头支架固装所述第一焊头(7)，所述第四滑台(4)的滑块上固装所述第三滑台(3)；
    视觉系统(9)、所述视觉系统(9)包括工业相机(9-1)、环形光源(9-2)及视觉系统固定件(9-3)，所述视觉系统固定件(9-3)安装在所述第三滑台(3)的滑块上，所述工业相机(9-1)与所述环形光源(9-2)安装在所述视觉系统固定件(9-3)上；
    其中第一滑台(1)、第五滑台(5)、第六滑台(6)及其驱动的第一焊头(7)组成第一焊接通道，第二滑台(2)、第三滑台(3)、第四滑台(4)及其驱动的第二焊头(8)组成第二焊接通道。
  2. 一种根据权利要求1所述的管板焊装置的管板焊方法，其特征在于，包括如下步骤：
    步骤一、调节调整垫脚(10)使待焊接管板(11)与第一滑台(1)、第五滑台(5)工作平面平行；
    步骤二、设定目标钢管(12)与视觉系统(9)的工作距离为D，在工作距离D下进行工业相机内参标定；得到内参矩阵：
    Figure PCTCN2022000106-appb-100001
    M in为内参矩阵，k x为X轴方向的放大系数，k y为Y轴方向的放大系数，u 0、v 0为光轴中心线在成像平面的交点的图像坐标；
    步骤三、标定第一焊头(7)与第二焊头(8)的相对位置坐标：移动装置各滑台，使第一焊头(7)与第二焊头(8)指向同一个钢管，计算出两个焊头指向同一钢管时的相对位姿A1；将第二焊头(8)的定位杆插入到一个钢管中，标定工业相机(9-1)视野中心点与第二焊头(8)的相对位姿A2；
    步骤四、进行焊头与工业相机的手眼标定，得到工业相机(9-1)相对于第二焊头(8)的位置坐标；使用如下公式：
    Figure PCTCN2022000106-appb-100002
    其中
    Figure PCTCN2022000106-appb-100003
    是工业相机坐标相对于焊头坐标的相对位姿关系，
    Figure PCTCN2022000106-appb-100004
    是工业相机坐标相对于标定板坐标的相对位姿关系，
    Figure PCTCN2022000106-appb-100005
    是标定板坐标相对于装置本体坐标的相对位姿关系，
    Figure PCTCN2022000106-appb-100006
    是装置本体坐标相对于焊头坐标的相对位姿关系；
    步骤五、根据待焊接区域，通过A2计算视觉扫描区域，并根据工业相机视野规划扫描路径；
    步骤六、使工业相机与管板之间距离为D，按照扫描路径进行管板扫描，并计算出钢管在工业相机坐标系下的坐标；
    步骤七、结合手眼标定结果，计算钢管在装置坐标系下的坐标；
    Figure PCTCN2022000106-appb-100007
    其中
    Figure PCTCN2022000106-appb-100008
    是钢管坐标系相对于装置本体坐标系的相对位姿关系，
    Figure PCTCN2022000106-appb-100009
    是钢管坐标系相对于工业相机坐标系的相对位姿关系，
    Figure PCTCN2022000106-appb-100010
    是工业相机坐标系相对于焊头坐标系的相对位姿关系，
    Figure PCTCN2022000106-appb-100011
    是焊头坐标系相对于装置本体坐标系的相对位姿关系；
    步骤八、首先移动第一焊接通道将第一焊头(7)的定位杆插入到一个钢管孔中，第一焊头(7)绕定位杆旋转进行焊接；再移动第二焊接通道将第二焊头(8)的定位杆插入到该钢管孔中，第二焊头(8)绕定位杆旋转进行焊接。
  3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，相对位姿A1具体计算步骤为：
    ①第二焊头(8)指向钢管中心位置时，根据以下公式计算在当前位置下该钢管的中心点在工业相机坐标系下的坐标P1；
    Figure PCTCN2022000106-appb-100012
    (x c，y c，z c)表示钢管在相机坐标系O cX cY cZ c中的坐标，(x w，y w，z w)表示钢管在世界坐标系O wX wY wZ w中的坐标，p＝[p x p y p z] T为O wX wY wZ w的坐标原点在相机坐标系O cX cY cZ c中的位置，
    Figure PCTCN2022000106-appb-100013
    为X w轴，Y w，轴，Z w轴在坐标系O cX cY cZ c中的方向向量；
    ②同样的，计算出第一焊头(7)指向该钢管同一位置时，该钢管的中心点坐标P2；
    ③将求出的两点坐标P1和P2相减得出两个焊头在指向同一钢管时的相对位姿A1。
  4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相对位姿A2具体计算步骤为：
    ①设工业相机(9-1)视野中心点坐标在工业相机坐标系下坐标为P 0(u 0，v 0)；
    ②计算第二焊头(8)此时的坐标P 3(u 3，v 3)；
    ③根据
    Figure PCTCN2022000106-appb-100014
    标出工业相机(9-1)视野中心点与第二焊头(8)的相对位姿A2；
    P 0(x w0，y w0)是P 0在世界坐标系下的坐标，P 3(x w3，y w3)是P 3在世界坐标系下的坐标，k xd＝k x/D，k yd＝k y/D，是标定出的相机参数。
  5. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述手眼标定采用分段式手眼标定，步骤如下：
    (1)使工业相机与管板之间距离为D；
    (2)选定一个钢管，使其在工业相机视野的左上方，拍照并计算其工业相机坐标C 1；
    (3)使上述钢管移动到工业相机视野的左下方，拍照并计算其工业相机坐标C 2；
    (4)使上述钢管移动到工业相机视野的右下方，拍照并计算其工业相机坐标C 3；
    (5)使上述钢管移动到工业相机视野的右上方，拍照并计算其工业相机坐标C 4；
    (6)设步骤(2)的坐标C 1为装置零点，则可计算出步骤(3)坐标C 2、步骤(4)坐标C 3、步骤(5)坐标C 4的的机械坐标，结合步骤(2)～(5)的工业相机坐标，计算出当前水平坐标时的装置与工业相机的手眼标定矩阵；
    (7)重复步骤(2)～(6)，计算出一系列的水平坐标所对应的手眼标定矩阵组，实际焊接过程中，使用与当前焊接水平坐标距离最近的标定矩阵。
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