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(duì)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(dá)到，故其一直處于手工半自動(dòng)焊的狀態(tài)。然而手工半自動(dòng)化焊接 存在以下問(wèn)題：首先，工人在強(qiáng)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(guò)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(diǎn)，影響了焊縫質(zhì)量；接著，在船頭、船尾這類(lèi)曲面的焊接過(guò) 程中，工人需要借助升降平臺(tái)或鋪設(shè)導(dǎo)軌的方式實(shí)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(duì)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn) 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(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研宄和實(shí)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(yùn)動(dòng)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(dòng)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)所述焊接系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)焊縫、控制所述焊接系統(tǒng)對(duì)焊縫進(jìn) 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(jìn)軌跡的第一視覺(jué)系統(tǒng)與一用 于指導(dǎo)所述運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)位置的第二視覺(jué)系統(tǒng)。
[0005] 較佳的，所述第一視覺(jué)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(jué)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為一多自由度機(jī)械手，所述第一圖像獲取裝置為第一相機(jī)， 所述第二圖像獲取裝置為第二相機(jī)。
[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(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的行動(dòng) 控制器、一用于控制所述運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)終端的焊槍?zhuān)龅诙鄼C(jī)與所 述焊槍活動(dòng)連接，并且能夠以焊槍為軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。
[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(diǎn)附近，智能獲取焊接起點(diǎn)位置，并且開(kāi)始施 焊；
[0011] S2:所述第一視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)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(duì)所述行走系統(tǒng)行進(jìn)路線進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏；
[0012] S3:第二視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整至最佳焊接位置進(jìn)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(jī)獲取 視場(chǎng)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(jī)械手的安裝位置的中心為原點(diǎn)，以所述行走系統(tǒng)長(zhǎng)度方向?yàn)閄 方向，垂直于所述行走系統(tǒng)上平面的方向?yàn)閆方向，與面XZ垂直方向?yàn)閅方向。
[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(jī)視場(chǎng)U、V方向圖像長(zhǎng)度，激光線與焊縫邊緣的交點(diǎn)圖 像坐標(biāo)分別為M12(a1，VMl,)、Nl2( al，VNl2)，Vw、vNl:分別為點(diǎn)Ml2、 Nl2的v軸坐標(biāo)，由所述第 一相機(jī)測(cè)定，ζ η為所述第一相機(jī)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(jī)測(cè)定。
[0022] 較佳的，所述步驟S3具體為：
[0023] 環(huán)形激光器打開(kāi)，所述第二相機(jī)定位識(shí)別環(huán)形激光器發(fā)射的光線與焊縫在相機(jī)視 場(chǎng)中的位置；
[0024] 第二相機(jī)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(jué)系統(tǒng)二需繞Z1軸旋轉(zhuǎn)角度，并傳送至所述運(yùn)動(dòng)控制器；
[0025] 所述運(yùn)動(dòng)控制器控制所述視覺(jué)系統(tǒng)二繞Zji旋轉(zhuǎn)后，第二相機(jī)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(dòng)作系統(tǒng)末端中心為原點(diǎn)，以其軸線方向?yàn)閆1方向，相機(jī)光軸與Z ^勺 垂線方向?yàn)閄1方向，與面X A垂直方向?yàn)閅 i方向。
[0027] 較佳的，所述第二視覺(jué)系統(tǒng)繞Z1軸旋轉(zhuǎn)角度為Θ 21，Θ21為所述第二相機(jī)視場(chǎng)S軸 與焊縫切線所呈角度，由所述第二相機(jī)確定，所述第二相機(jī)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(jī)視場(chǎng)坐標(biāo)系S軸交點(diǎn)的S軸坐標(biāo)，交 點(diǎn)為仏2、隊(duì)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(jī)的標(biāo)定系數(shù)；
[0031] 若焊槍相對(duì)待焊焊縫的空間位置、位姿合理時(shí)，所述Iitl為第二相機(jī)坐標(biāo)系距離待 焊焊縫的實(shí)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(jué)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(jué)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(jué)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(jué)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(jī)測(cè)定；Θ 2(|為圓形光斑的散射角度；
[0033] 以所述第二相機(jī)視場(chǎng)左上角為原點(diǎn)，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(dòng)焊接機(jī)器人沿著大型待焊曲面移動(dòng)；接著采用第一視覺(jué)系統(tǒng)自 動(dòng)尋找焊接起點(diǎn)并在自動(dòng)焊中識(shí)別出緊貼曲面移動(dòng)的小車(chē)相對(duì)待焊大尺寸三維立體曲線 對(duì)接焊縫的位置、角度的偏離量，引導(dǎo)移動(dòng)小車(chē)緊貼待焊曲面沿著待焊裝配縫移動(dòng)；最后利 用第二視覺(jué)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)焊槍相對(duì)待焊大尺寸三維立體曲線對(duì)接焊縫的空間位置、位姿等偏離 參數(shù)，引導(dǎo)多自由度機(jī)械手帶動(dòng)焊槍進(jìn)行位置、姿態(tài)的糾偏，消除或減少移動(dòng)小車(chē)、多自由 度機(jī)械手等系統(tǒng)疊加因素帶來(lái)的焊槍位置、位姿與待焊焊縫不匹配的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)大尺寸三 維立體曲線對(duì)接焊縫自動(dòng)化焊接中的智能跟蹤監(jiān)測(cè)和自適應(yīng)反饋，避免或減少焊前、焊中、 焊后人工檢測(cè)、補(bǔ)焊的工作量，提高焊接質(zhì)量和效率；
[0035] (2)柔性化的操作機(jī)制，適應(yīng)性好，本發(fā)明根據(jù)大尺寸三維立體曲線對(duì)接焊縫特 征，設(shè)計(jì)了一種可控的爬行式的焊接機(jī)器人及其監(jiān)測(cè)裝置：可控的爬行式的焊接機(jī)器人可 緊貼著待焊曲面沿著待焊焊縫進(jìn)行爬行、施焊；監(jiān)測(cè)裝置能夠監(jiān)測(cè)到小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì) 待焊大尺寸三維立體曲線對(duì)接焊縫的位置、角度的偏離量，焊槍相對(duì)待焊大尺寸三維立體 曲線對(duì)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(shí)現(xiàn)厚板、薄板及多種坡口的焊接件的焊縫識(shí)別及跟蹤，本發(fā)明 的焊縫識(shí)別及跟蹤系統(tǒng)對(duì)待焊接工件沒(méi)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(duì)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(duì)待焊 件板厚及是否開(kāi)坡口都沒(méi)限制；
[0037] (4)本發(fā)明智能化程度較高，在焊接過(guò)程中不需要人工對(duì)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(diǎn)附近處的曲面上，就可以實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)焊接；
[0038] (5)操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，測(cè)量成本低，無(wú)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(jiǎn)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(diǎn)附近范圍內(nèi)就可以快速識(shí)別及跟蹤，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接；容易 操作，可以實(shí)現(xiàn)較高程度的自動(dòng)化；使