一種大尺寸立體曲線焊縫智能焊接設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及焊接領(lǐng)域，具體涉及一種大尺寸立體曲線焊縫智能焊接設(shè)備及方法。 技術(shù)背景
[0002] 大尺寸三維立體曲線對接焊縫常分布于船舶表面等大型曲面上，現(xiàn)有的固定式焊 接系統(tǒng)的焊接行程難以達到，故其一直處于手工半自動焊的狀態(tài)。然而手工半自動化焊接 存在以下問題：首先，工人在強烈弧光、煙塵、有害氣體、高溫等影響因素下，容易疲勞，影響 焊接質(zhì)量；其次，焊槍在焊接過程中發(fā)燙較快，焊不到一米，工人需要稍停以下，再繼續(xù)著 焊，使得焊接中出現(xiàn)較多的融合點，影響了焊縫質(zhì)量；接著，在船頭、船尾這類曲面的焊接過 程中，工人需要借助升降平臺或鋪設(shè)導(dǎo)軌的方式實現(xiàn)焊接，嚴(yán)重的制約了焊接效率；最后， 焊接工種本身就對工人有一定的技術(shù)要求，尤其是船舶焊接，而工人的技術(shù)水平的高低層 次不齊，直接影響了焊縫質(zhì)量的均一性。隨著造船技術(shù)的快速發(fā)展，焊接工種的稀缺，大噸 位的船舶的需求量的增加，大尺寸三維立體曲線焊接程中傳統(tǒng)的手工焊接方式遠遠不能滿 足造船業(yè)的需求。
[0003] 鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時間的研宄和實踐終于獲得了本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明采用的技術(shù)方案在于，提供一種大尺寸立體曲線焊 縫智能焊接設(shè)備，包括一行走系統(tǒng)、一運動系統(tǒng)、一焊接系統(tǒng)、一控制系統(tǒng)，所述行走系統(tǒng)為 焊接設(shè)備提供主體支撐并且能夠帶動設(shè)備進行運動，所述控制系統(tǒng)控制所述行走系統(tǒng)沿待 焊焊縫前行、控制所述運動系統(tǒng)帶動所述焊接系統(tǒng)對準(zhǔn)焊縫、控制所述焊接系統(tǒng)對焊縫進 行焊接，其特征在于，其還包括一用于指導(dǎo)所述行走系統(tǒng)行進軌跡的第一視覺系統(tǒng)與一用 于指導(dǎo)所述運動系統(tǒng)位置的第二視覺系統(tǒng)。
[0005] 較佳的，所述第一視覺系統(tǒng)包括一第一圖像獲取裝置與一線形激光器；所述第二 視覺系統(tǒng)包括一第二圖像獲取裝置與一環(huán)形激光器。
[0006] 較佳的，所述運動系統(tǒng)為一多自由度機械手，所述第一圖像獲取裝置為第一相機， 所述第二圖像獲取裝置為第二相機。
[0007] 較佳的，所述控制系統(tǒng)，包括一用于控制所述行走系統(tǒng)前后運動、轉(zhuǎn)向運動的行動 控制器、一用于控制所述運動系統(tǒng)動作的運動控制器與一用于處理所述第一圖像獲取裝置 與所述第二圖像獲取裝置獲取數(shù)據(jù)的圖像數(shù)據(jù)處理器與一用于調(diào)整所述焊接系統(tǒng)焊接工 藝參數(shù)的焊接控制器。
[0008] 較佳的，所述焊接系統(tǒng)包括一位于所述運動系統(tǒng)終端的焊槍，所述第二相機與所 述焊槍活動連接，并且能夠以焊槍為軸進行轉(zhuǎn)動。
[0009] -種大尺寸立體曲線焊縫智能焊接設(shè)備的大尺寸立體曲線焊縫智能焊接方法，其 特征在于，包括步驟：
[0010] S1，將所述行走系統(tǒng)定位于焊接起點附近，智能獲取焊接起點位置，并且開始施 焊；
[0011] S2:所述第一視覺系統(tǒng)識別當(dāng)前行走系統(tǒng)位置與當(dāng)前焊縫位置，收集數(shù)據(jù)并傳送 至所述控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)對所述行走系統(tǒng)行進路線進行實時糾偏；
[0012] S3:第二視覺系統(tǒng)識別當(dāng)前焊槍位置與當(dāng)前焊縫位置，收集數(shù)據(jù)并傳送至所述控 制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)控制運動系統(tǒng)調(diào)整至最佳焊接位置進行焊接；
[0013] S4:重復(fù)步驟S2及S3直至焊接工作完成。
[0014] 較佳的，所述步驟S2具體為：
[0015] 所述線形激光器向所述行走系統(tǒng)前方待焊焊縫位置照射激光，所述第一相機獲取 視場圖像數(shù)據(jù)，并將其傳送至所述控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)在XYZ坐標(biāo)系中，控制所述行走 系統(tǒng)繞Z方向調(diào)整的角度0211，控制所述行走系統(tǒng)在Y方向調(diào)整的距離Zyn ;
[0016] 其中，以多自由度機械手的安裝位置的中心為原點，以所述行走系統(tǒng)長度方向為X 方向，垂直于所述行走系統(tǒng)上平面的方向為Z方向，與面XZ垂直方向為Y方向。
[0017] 較佳的，所述行走系統(tǒng)繞Z方向調(diào)整的角度Pzii為：
[0018]
[0019] 控制所述行走系統(tǒng)在Y方向調(diào)整的距離&:
[0020]
[0021] 其中，Bpb1為所述第一相機視場U、V方向圖像長度，激光線與焊縫邊緣的交點圖 像坐標(biāo)分別為M12(a1，VMl,)、Nl2( al，VNl2)，Vw、vNl:分別為點Ml2、 Nl2的v軸坐標(biāo)，由所述第 一相機測定，ζ η為所述第一相機的標(biāo)定系數(shù)；θ 12為焊縫在w = I處的切線與V軸的夾 角，由所述第一相機測定。
[0022] 較佳的，所述步驟S3具體為：
[0023] 環(huán)形激光器打開，所述第二相機定位識別環(huán)形激光器發(fā)射的光線與焊縫在相機視 場中的位置；
[0024] 第二相機將激光投影圓環(huán)與焊縫圖像傳送至所述圖像數(shù)據(jù)處理器，圖像數(shù)據(jù)處理 器確定視覺系統(tǒng)二需繞Z1軸旋轉(zhuǎn)角度，并傳送至所述運動控制器；
[0025] 所述運動控制器控制所述視覺系統(tǒng)二繞Zji旋轉(zhuǎn)后，第二相機再次獲取激光投影 圓環(huán)與焊縫的圖像并將其傳送至所述圖像數(shù)據(jù)處理器，圖像數(shù)據(jù)處理器確定焊槍需繞繞X1軸旋轉(zhuǎn)角度、繞Y1軸旋轉(zhuǎn)角度、沿Y i軸方向位移；
[0026] 其中，以所述動作系統(tǒng)末端中心為原點，以其軸線方向為Z1方向，相機光軸與Z ^勺 垂線方向為X1方向，與面X A垂直方向為Y i方向。
[0027] 較佳的，所述第二視覺系統(tǒng)繞Z1軸旋轉(zhuǎn)角度為Θ 21，Θ21為所述第二相機視場S軸 與焊縫切線所呈角度，由所述第二相機確定，所述第二相機的S軸平行于Y1軸；
[0028] 焊槍Y1方向上調(diào)整
，在Z1方向上調(diào)整
繞\軸旋轉(zhuǎn)方向調(diào)整角度為
繞X1軸旋轉(zhuǎn)方向調(diào)整角 度為
[0029]
[0030] 其中，sM22與sN22分別為焊縫邊緣與第二相機視場坐標(biāo)系S軸交點的S軸坐標(biāo)，交 點為仏2、隊2，即河22(0,8^)、？^2(0~ 22)，&22為焊槍與1軸的偏離量，（22為所述 第二是相機的標(biāo)定系數(shù)；
[0031] 若焊槍相對待焊焊縫的空間位置、位姿合理時，所述Iitl為第二相機坐標(biāo)系距離待 焊焊縫的實際距離，Φ。為圓形光斑圖像的直徑；
[0032] \為經(jīng)Z i軸旋轉(zhuǎn)后的所述第二視覺系統(tǒng)的所述環(huán)形激光器向待焊平面照射形成 的近橢圓形沿著r正向的半軸，\為經(jīng)Z i軸旋轉(zhuǎn)后的第二視覺系統(tǒng)的所述環(huán)形激光器向待 焊平面照射形成的近橢圓形沿著r負(fù)向的半軸。as為經(jīng)Z1軸旋轉(zhuǎn)后的所述第二視覺系統(tǒng)的 所述環(huán)形激光器向待焊平面照射形成的近橢圓形沿著s正向的半軸，bs為經(jīng)Z i軸旋轉(zhuǎn)后的 所述第二視覺系統(tǒng)的所述環(huán)形激光器向待焊平面照射形成的近橢圓形沿著s負(fù)向的半軸， 均由所述第二相機測定；Θ 2(|為圓形光斑的散射角度；
[0033] 以所述第二相機視場左上角為原點，r軸與X軸同向，s軸與Y軸同向。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益效果在于：（1)本發(fā)明效率高、焊接質(zhì)量好，本 發(fā)明首先采用爬行式的移動焊接機器人沿著大型待焊曲面移動；接著采用第一視覺系統(tǒng)自 動尋找焊接起點并在自動焊中識別出緊貼曲面移動的小車相對待焊大尺寸三維立體曲線 對接焊縫的位置、角度的偏離量，引導(dǎo)移動小車緊貼待焊曲面沿著待焊裝配縫移動；最后利 用第二視覺系統(tǒng)監(jiān)測焊槍相對待焊大尺寸三維立體曲線對接焊縫的空間位置、位姿等偏離 參數(shù)，引導(dǎo)多自由度機械手帶動焊槍進行位置、姿態(tài)的糾偏，消除或減少移動小車、多自由 度機械手等系統(tǒng)疊加因素帶來的焊槍位置、位姿與待焊焊縫不匹配的問題，實現(xiàn)大尺寸三 維立體曲線對接焊縫自動化焊接中的智能跟蹤監(jiān)測和自適應(yīng)反饋，避免或減少焊前、焊中、 焊后人工檢測、補焊的工作量，提高焊接質(zhì)量和效率；
[0035] (2)柔性化的操作機制，適應(yīng)性好，本發(fā)明根據(jù)大尺寸三維立體曲線對接焊縫特 征，設(shè)計了一種可控的爬行式的焊接機器人及其監(jiān)測裝置：可控的爬行式的焊接機器人可 緊貼著待焊曲面沿著待焊焊縫進行爬行、施焊；監(jiān)測裝置能夠監(jiān)測到小車運動過程中相對 待焊大尺寸三維立體曲線對接焊縫的位置、角度的偏離量，焊槍相對待焊大尺寸三維立體 曲線對接焊縫的空間位置、位姿的偏離量等參數(shù)。
[0036] (3)通用性好，可實現(xiàn)厚板、薄板及多種坡口的焊接件的焊縫識別及跟蹤，本發(fā)明 的焊縫識別及跟蹤系統(tǒng)對待焊接工件沒有材質(zhì)、形狀、尺寸的特定限制，既可以用于大尺寸 三維立體曲線對接焊縫的智能化焊接，也可用于大尺寸的直線焊縫的智能化焊接，對待焊 件板厚及是否開坡口都沒限制；
[0037] (4)本發(fā)明智能化程度較高，在焊接過程中不需要人工對零及采用復(fù)雜的夾具、軌 道等輔助，只需要將該裝備放置于裝配好的待焊件的焊接起點附近處的曲面上，就可以實 現(xiàn)自動焊接；
[0038] (5)操作簡單，自動化程度高，測量成本低，無公害，本發(fā)明大尺寸立體三維曲線焊 縫智能化焊接系統(tǒng)的硬件和軟件都相當(dāng)簡單，制造成本低；不同待焊工件，只需將該裝備放 置于待焊曲面上，且位于焊接起點附近范圍內(nèi)就可以快速識別及跟蹤，實現(xiàn)自動焊接；容易 操作，可以實現(xiàn)較高程度的自動化；使