[发明专利]焊枪位姿实时变化的自动焊接装置及焊接方法

权利要求书

1.一种焊枪位姿实时变化的自动焊接装置，其特征在于：包括工控机、龙门式三轴焊接平台、激光视觉传感器(5)、图像采集卡、焊枪(7)、焊机、运动控制柜；所述龙门式三轴焊接平台由刚体支架、焊接平台操作区、三轴龙门式组合模组、焊枪旋转机构(9)四部分组成，并设有绝对坐标系O-XYZ；三轴龙门式组合模组分为含有X轴辅助导轨的X主轴模组、Y轴模组、Z轴模组；焊接平台操作区固定在刚体支架中部，X主轴模组、X轴辅助导轨固定在钢体支架上部，Y轴模组的两端分别滑动连接在X主轴模组、X轴辅助导轨上，Z轴模组滑动连接在Y轴模组上；焊枪旋转机构(9)刚性固定在Z轴模组正下方；三轴龙门式组合模组采用研磨滚珠丝杠重复定位精度为0.02mm；三轴龙门式组合模组应用三个伺服电机自动控制，分别为X主轴伺服电机(1)、Y轴伺服电机(2)、Z轴伺服电机(3)；

所述的焊枪旋转机构(9)由焊枪角度旋转轴(8)、焊枪旋转机构上壳体(21)、伺服电机固定板(22)、连接轴(23)、螺栓(24)、限位环(25)、焊枪角度旋转轴后端套环(26)、轴承(27)组成；焊枪角度旋转轴(8)采用一旋转伺服电机(4)自动控制，旋转伺服电机(4)与Z轴下端的伺服电机固定板(22)刚性连接，伺服电机固定板(22)内部有一轴承(27)，轴承(27)外径与伺服电机固定板(22)过盈配合固定，且伺服电机固定板在轴承下端处有一凸台，凸台限制轴承(27)受力下移，轴承(27)内径与连接轴(23)上端外径过盈配合，且连接轴(23)上部存在凸台，使焊枪角度旋转轴(8)、焊枪(7)、激光视觉传感器(5)重力作用到轴承(27)上，防止焊枪角度旋转轴(8)、焊枪(7)、激光视觉传感器(5)由于重力作用下移；连接轴(23)下部有螺纹孔，上部为空心内径与旋转伺服电机(4)的转轴通过键紧密连接，焊枪角度旋转轴后端套环(26)通过键连接到连接轴(23)下部，限位环(25)通过螺栓(24)连接到连接轴(23)下部，限制焊枪角度旋转轴(8)、焊枪(7)、激光视觉传感器(5)下移；焊枪(7)通过焊枪固定卡扣固定到焊枪角度旋转轴(8)后端；焊枪角度旋转轴(8)上的旋转伺服电机(4)的旋转中心线与Z轴模组上的滚珠丝杠中心线重合，焊枪通过焊枪角度旋转轴(8)以Z轴滚珠丝杠轴线为中心可做360°旋转；

所述的激光视觉传感器(5)内部包含CCD相机(18)、线激光发生器(14)；激光视觉传感器(5)通过激光视觉传感器固定角座(20)固定连接到焊枪角度旋转轴(8)一侧，焊枪(7)通过焊枪固定卡扣刚性固定连接在焊枪角度旋转轴(8)另一侧；激光视觉传感器(5)、焊枪(7)、焊枪角度旋转轴(8)刚性固定，焊枪(7)通过焊枪固定卡扣的松紧调节焊枪端部与CCD相机(18)镜头中心的距离；CCD相机(18)光轴线、焊枪(7)下端导出焊丝轴线、线激光发生器(14)光轴线位于同一平面，CCD相机(18)光轴线与焊枪(7)下端导出焊丝轴线在该面上平行、线激光发生器(14)光轴线与CCD相机(18)光轴线的夹角通过角度调节旋钮(12)调节，使激光线调节到CCD相机视野中心；线激光发生器(14)产生的激光线强度和线宽通过控制柜手动调节，且线激光发生器(14)产生的激光线必须与龙门式三轴焊接平台的Z轴方向平行；

所述的CCD相机(18)通过相机固定卡扣(19)固定到激光视觉传感器(5)的壳体上，CCD相机传感线通过CCD相机传感线接头(10)与工控机相连接；线激光发生器(14)置于线激光发生器固定环(16)内；CCD相机(18)通过千兆网接口与图像采集卡相连接，将实时采集到的焊缝图像输入图像采集卡，图像采集卡输出端与工控机通过千兆网接口相连接，将图像依次传输给工控机，提取焊缝坡口中心点坐标信息；线激光发生器(14)的通断线路通过固态继电器与运动控制卡的I/O开关连接，通过运动控制卡的I/O开关通断控制线激光发生器(14)的通断。

2.一种焊枪位姿实时变化的自动焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、运动参数标定：

S1.1、焊枪、焊枪角度旋转轴、旋转伺服电机(4)刚性固定，组成一体，通过标定获取焊枪端口到旋转伺服电机转轴轴线的距离b；

S1.2、求取dh关于v函数；

焊缝坡口中心点高度方向平行于XY平面；焊缝坡口中心点高度方向变化值dh与坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值变化存在对应关系；坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值与坡口中心点到CCD相机的镜头中心点距离d’有关，d’是关于v的函数，实际上d’很难测量，但是当d’在小范围内出现波动时，由d’波动带来的高度差dh与坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值呈线性关系：

dh＝a’v+c’；

a’、c’为此一元函数的常数；

dh＝a’v+c’函数测定方法：

步骤一：安装焊枪和激光视觉传感器，使焊枪垂直于Z轴，平行于XY平面，调整焊枪，确定焊枪端点到焊缝距离d，在实际焊接过程中d为一定值，范围在5-10mm；在焊接台上，竖直放置一标准待焊件(6)，激光线垂直焊缝打在标准待焊接件表面；且激光线必须与龙门式三轴焊接平台的Z轴方向平行；

步骤二：将此刻的坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值对应的dh设定为0，也即当焊枪端点到焊缝距离为d时，dh＝0；

调整Z轴模组使焊枪在焊缝高度上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，每一次移动后工控机经过图像处理，求取坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系v轴坐标值；

步骤三：拟合坡口中心点在CCD相机成像的像素坐标系o-uv的坐标v与dh的线性曲线，求取dh＝a’v+c’线性方程；

S1.3、求取dl关于du函数；

焊缝坡口中心点横向方向为Z轴方向，坡口中心点到CCD相机的镜头中心点距离d’一定时，坡口中心点在横向方向上变化的实际距离量dl与对应的坡口中心点在CCD相机成像的像素o-uv坐标系u轴坐标值变化量du成正比，即：

dl＝k×du；

k为正比例系数；

坡口中心点到CCD相机的镜头中心点距离d’变化时，k值也会变化，由于实际上d’很难测量，但是d’产生高度差dh时，k值也会相应变化，dh与k呈现一元线性关系；

k＝a×dh+c；

故：dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du；

dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du函数测定方法：

步骤一：调整焊枪端点到焊缝距离为d，设定dh＝0；

步骤二：调整Z轴模组使焊枪在焊缝横向方向上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，移动后工控机经过图像处理，求取对应的du，根据此80个数据，依据平均值求取k0，求取k0值后，使焊枪在焊缝横向方向上回归原位置；

调整Z轴模组使焊枪在焊缝高度方向上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，再次调整Z轴模组使焊枪在焊缝横向方向上移动，移动间隔为0.1mm，移动范围为-4mm～4mm，移动后工控机经过图像处理，求取对应的du，根据此80个数据，依据平均值求取k1，求取k1值后，使焊枪在横向方向上回归原位置；

步骤三：重复以上动作，拟合k＝a×dh+c曲线，求取a、c的值，经过转换得：

dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du；

S2、焊缝轨迹自动识别，自动焊接；

S2.1、将圆筒环缝焊接件、螺旋型焊缝焊件固定到焊接平台；

S2.2、通过工控机手动调节功能，调整焊枪端点在起弧点处到焊缝距离为d；

S2.3、启动线激光发生器，线激光发生器产生的线激光平行焊接平台的Z轴方向，通过工控机沿自动化焊接平台基坐标X轴或Y轴方向移动焊枪使激光线到起弧点，以Y轴方向为例，记录该路径1；

S2.4、确定相机的拍摄帧数s，启动CCD相机，同时焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向向起弧点移动；移动过程中线激光发生器产生的线激光不断扫掠未施焊的焊缝，CCD相机不断拍摄带有激光线焊缝图片；

S2.5、通过图像处理技术实时对带有激光线焊缝图片进行处理；提取焊缝图片中焊缝边缘两特征点像素坐标(u¹，v¹)和(u²，v²)，对其求取中心点获得坡口中心点像素坐标(u，v)；

S2.6、运动过程中，CCD相机获取的坡口中心点为一系列离散的点：0，1，2，3，4......n......，其对应的像素坐标为(u0，v0)，(u1，v1)，(u2，v2)，(u3，v3)，(u4，v4)......(un，vn).......，其中(u0，v0)对应为起弧点处；

S2.7、设定时间段T，则在该段时间内相机拍摄图片数目为w，若w＝3，即在T时间段内，相机拍摄的图片个数为3个：

w＝T×s＝3；

依据时间T，系统自动将焊缝轨迹划分为j(j＝1，2，3，4......)个小段；

设定相对坐标系o”-str，r轴与Z轴平行，st平面与XY平面平行，坐标原点o”设置在每时间段T内的起始点处，特有的当j＝1时，坐标原点o”与起弧点重合；

设定相对坐标系o”’-x’y’，x’，y’，z’分别与X，Y，Z轴平行，坐标原点o”’与o”重合；

设定相对坐标系o’-xyz，x，y，z分别与X，Y，Z轴平行，坐标原点o’位于Z轴转轴轴线上，与o”’连线平行于XY平面；

当j增加1时变为j+1时，相对坐标系o”-str的坐标原点自动移动到第j个时间段T内第2点处，则第j+1个时间段T的相对坐标系o”-str的坐标原点位置为第j个时间段T内的第2点位置；

S2.8、将整个焊接运动，分为三部分：Z轴运动控制、焊枪角度旋转轴运动控制、XY平面运动控制；等价为r轴方向运动控制、焊枪角度旋转轴运动控制、st平面运动控制；

S2.8.1、焊枪在r轴方向运动控制；

焊枪在r轴方向与焊缝Z轴方向平行，焊枪在r轴方向运动控制，实质是焊枪在Z轴方向上控制，两者等效；焊枪在r轴方向上运动为匀速直线运动，运动路径为第j时间段T内焊缝路径在Z轴上的投影线段；

分别求取第j时间段T内第2点与第0点的du₂；求取第j时间段T内第2点的v₂值；

将v₂和du₂代入公式dl＝(a×(a’v+c’)+c)×du，即可求得第j时间段T内第2点在r轴上的坐标r_2j；

焊枪在r轴方向上的运动速度为：

S2.8.2、焊枪在st平面运动控制；

st平面与XY平面平行，焊枪在st平面方向上运动为匀速圆周运动，运动路径为第j时间段T内焊缝路径在st平面上的投影圆弧曲线；拟合第j时间段T内焊缝路径在st平面上的投影圆弧曲线；

求投影圆弧曲线在t轴上的坐标值t_ij；

对于j＝1时：分别求取0，1，2的v_i值依次代入公式dh＝a’v+c’，即可求得0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i1；

对于j＝2时：取第2个时间段T内的0，1，2点与第1个时间段T内的0，1，2的对应v坐标差dv，依据h＝a’dv得每一个点h_i2值，根据h_i2、第1个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i1确定第2个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i2，t_i2＝t_i1+h_i2；

对于j2时：取第j个时间段T内的0，1，2点与第j-1个时间段T内的0，1，2的对应v坐标差dv、依据h＝a’dv得每一个点h_ij值，根据h_ij、第j-1个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_i(j-1)确定第j个时间段T内的0，1，2点在o-st面上t的坐标t_ij，t_ij＝t_i(j-1)+h_ij；

求投影圆弧曲线在s轴上的坐标值q_ij；

当j＝1时，焊枪以V_焊沿着Y轴方向进入焊缝，则q₀₁＝0，q₁₁＝V_焊×T/2，q₂₁＝V_焊×T；

当j1时：第j个T时间段内的3个点在s轴坐标值为q_ij；可得：

V_stj为焊枪在st平面匀速圆周运动速度，V_stj＝(V_焊-V_rj)^1/2,该公式仅有一个未知数q_ij，且q_ij0，存在唯一解，通过计算机相应求解程序求得q_ij；特有的q_0j＝0；

拟合投影圆弧曲线：

第一步：求第j时间段T内焊缝路径在st平面上的投影圆弧曲线的扇角β_j：

第二步：求第j时间段T内焊缝路径在o”-str坐标系相对于o”-XY坐标系夹角ɑ_j：

当j＝1时：ɑ₁＝0；

当j1时：ɑ_j＝ɑ_j-1+β_j；

第三步：将第j个T时间段内的3个点在o”-st坐标系坐标值(t_ij，q_ij)转化为在o”’-x’y’坐标系坐标值(x’_ij，y’_ij)；

转换公式为：

第四步：将第j个T时间段内的3个点在o”’-x’y’坐标系坐标值(x’_ij，y’_ij)转化为在o’-xy坐标系坐标值(x_ij，y_ij)；

转换公式为：

第五步：根据三点确定一定圆公式拟合第j个T时间段内的3个点在o’-xy坐标圆弧曲线C_j，原点坐标以及半径R：

确定第j个T时间段内Z轴在XY平面内做匀速圆周运动的线速度V；

计算公式为：

其中；

S2.8.3、焊枪角度旋转轴运动控制；

确定第j个T时间段内旋转伺服电机转速n_j；

S2.9、将第j个T时间段r轴方向上的运动速度为V_rj以及坐标r_2j、圆弧曲线Cj以及匀速圆周运动的线速度V、旋转伺服电机转速n传递给下方控制器，从而能够使焊枪始终沿着焊缝轨迹行走，且焊枪始终在焊缝轨迹的法线方向，正对焊缝，从而自动识别焊缝轨迹，自动焊接；

S2.10、设定起弧停留时间t_起，焊枪沿着路径1以焊接速度V_焊开始反向运动到起弧点后，焊枪停留时间为t_起，此间过滤掉CCD相机在t_起拍摄的图片，后焊接速度V_焊分成两部分：Z轴在第1个T时间段内在Z轴方向上，从第0点以V_Z1速度向着第2点运动；Z轴在第1个t时间段内在相对坐标系o’-xy内，从o点以速度V沿着曲线C1做匀速圆周运动；旋转伺服电机以n₁转速匀速转动；

S2.11、当第1个T时间结束时，焊枪运动到第1个时间段T内的第2点，此时相对坐标系o’-xy、o”-str的坐标原点自动移动到第2点处，以此作为第2个时间段T的运动控制的相对坐标系o’-xy、o”-str，焊枪在第1个时间段T运动中，系统已经自动得出第2个时间段T的V_r2、V、r₂₂、C₂、n₂，根据这些参数反馈给下方控制器，自动控制第2个时间段T内的焊枪运动；

S3、反复进行步骤S2，直到熄弧点；

S4、熄弧点控制，当CCD相机检测到激光线在像素位置发生突变时，此位置为焊缝边缘，但该点不是熄弧点，焊缝边缘与熄弧点之间间距约为2-5mm，输入间距值q，假定CCD相机从熄弧点到焊缝边缘为直线运动，且运动速度为V_焊，则熄弧点到焊缝边缘之间共有q/V_焊×s个检测点，倒推熄弧点位置，当焊枪到熄弧点时，CCD相机，激光器停止运作，设定熄弧时间t_熄，熄弧时间一结束，熄弧，焊枪运动停止。