一种变压器用波纹管自动焊接设备及其焊接方法

摘要

一种变压器用波纹管焊缝自动焊接设备及焊接方法，属于变压器用波纹管焊接技术领域。包括回转工作台、二维数控平台、激光轮廓测量仪、R轴、焊接机床及控制系统，所述回转工作台固定在机床工作台面上，R轴一端滑动安装在焊接机床的床身上，另一端两侧分别安装有激光轮廓测量仪和沿R轴滑动的二维数控平台，在二维数控平台上滑动连接有焊枪，所述激光轮廓测量仪的激光与焊枪轴线平行，所述回转工作台、二维数控平台及焊接机床床身分别通过电机连接控制系统的控制器，激光轮廓测量仪与控制系统的工控机连接。本发明的解决了大型薄壁波纹管的手工焊接难题，降低了焊接工人的劳动强度，提高了生产效率，同时保证了焊接质量的均匀性和稳定性。

权利要求

1.一种变压器用波纹管焊缝自动焊接设备，其特征在于：包括回转工作台、二维数控平台、激光轮廓测量仪、R轴、焊接机床及控制系统，所述回转工作台固定在机床工作台面上，R轴一端滑动安装在焊接机床的床身上，另一端两侧分别安装有激光轮廓测量仪和沿R轴滑动的二维数控平台，在二维数控平台上滑动连接有焊枪，所述激光轮廓测量仪的激光与焊枪轴线平行，所述回转工作台、二维数控平台及焊接机床床身分别通过电机连接控制系统的控制器，激光轮廓测量仪与控制系统的工控机连接；所述控制器的控制方法，包括如下步骤:①焊缝图像预处理，设定初始测量区域；

②提取焊接特征点；

③根据最小二乘法直线拟合原理求解焊接坐标；

④根据求解的焊接坐标控制各电机的运动。

2.根据权利要求1所述的变压器用波纹管焊缝自动焊接设备，其特征在于：所述的二维数控平台包括第一滑块和与其垂直滑动连接的第二滑块，第一滑块与R轴滑动连接。

3.根据权利要求1所述的变压器用波纹管焊缝自动焊接设备，其特征在于：所述的R轴与机床床身间、第一滑块与R轴间、第一滑块与第二滑块间、焊枪与第二滑块间的滑动连接均采用丝杠丝母结构，所述各丝杠均与其驱动电机连接。

4.根据权利要求3所述的变压器用波纹管焊缝自动焊接设备，其特征在于：所述的第一滑块、第二滑块、机床床身的丝杠两端分别设有限位开关。

5.根据权利要求1所述的变压器用波纹管焊缝自动焊接设备，其特征在于：所述步骤②提取焊接特征点，包括如下步骤：①先将焊缝调整到预先设定的测量区域内，根据焊缝的特征，分别分出四种不同类型的焊缝，即一个拐点、两个拐点、三个拐点和多于三个拐点的情况，根据这四种不同情况分别求取焊缝位置坐标；

一个拐点的情况：即在采样区域内采集到的数据只有一个拐点，拐点坐标即取为焊缝中心的位置坐标；

两个拐点的情况：提取两个拐点的坐标，计算出两点的平均值取为焊缝中心位置坐标；

三个拐点的情况：比较三个拐点的坐标值，取三点的最大值为焊缝中心位置坐标；

大于三个拐点的情况：提取拐点中的全部极大值点，求它们的X轴坐标平均值和Z轴坐标平均值作为估计的焊缝位置坐标；

②分析图像，由1394通讯协议获取整条轮廓数据；

③以队列方式存储数据。

6.采用如权利要求2所述的变压器用波纹管焊缝自动焊接设备的自动焊接的方法，其特征在于:包括如下步骤:①安装工件；

②启动控制系统；

③对枪：当焊枪与焊缝之间距离较大时，调整R轴和机床床身构成的H轴，当R轴和床身二者之间距离较小时，调整第一滑块和第二滑块，控制焊枪的位置，将焊枪对准焊缝的同时，保证第一滑块和第二滑块处于行程中间位置；

④确认焊接角度、工件规格及焊接参数后，开始焊接加工；

⑤移至下一条焊缝，进行焊接加工；

⑥全部焊缝焊接完成后，退出焊枪，拆卸工件。

说明书

一种变压器用波纹管自动焊接设备及其焊接方法

技术领域

[0001] 本发明属于应用在变压器用波纹管焊接技术领域，涉及到一种变压器用波纹管焊接设备和方法。

背景技术

[0002] 金属波纹管因其具有在压力、轴向力、横向力或弯矩作用下均能产生相应位移的特点，并具有耐压、真空密封、耐腐蚀、温度稳定和使用寿命长等诸多的优点，因此在变压器领域得到越来越广泛的应用。

[0003] 在生产实践中，变压器用波纹管是由多段波纹管与撑圈焊接形成，还经常与其他元器件(如法兰等)焊为一体，组成波纹管类组件。波纹管元件在轴向和径向的偏差都在20mm以上，焊接质量难以保证。传统的手工焊接工艺存在自动化程度低、工人劳动强度高、生产效率低、废品率高等缺点。因此，利用先进的控制方法，实现变压器用波纹管的自动焊接，是变压器用波纹管生产的一项重大技术革新，将极大地提高波纹管的焊接质量和生产效率。

[0004] 目前的自动焊接设备，大多采用非接触式CCD图像传感系统，获取焊缝附近的图像信息，再由计算机进行图像处理以获得焊缝跟踪所需要的控制信息，这种方法的图像处理过程比较繁琐，并且难以达到自动焊接过程的实时性和精度要求，因此对于变压器用波纹管的自动焊接不太适用。

发明内容

[0005] 针对上述存在的技术问题，本发明提供一种基于激光测量技术的波纹管自动焊接设备及其焊接方法，在激光测量技术的基础上实现了波纹管焊缝位置的实时测量和跟踪。它是应用激光轮廓测量仪跟踪检测焊缝的位置坐标，可以实现测量和跟踪过程的同步运行，确保波纹管的自动焊接质量。

[0006] 本发明变压器用波纹管焊缝自动焊接设备包括回转工作台、二维数控平台、激光轮廓测量仪、R轴、焊接机床及控制系统，所述回转工作台固定在机床工作台面上，R轴一端滑动安装在焊接机床的床身上，另一端两侧分别安装有激光轮廓测量仪和沿R轴滑动的二维数控平台，在二维数控平台上滑动连接有焊枪，所述激光轮廓测量仪的激光与焊枪轴线平行，所述回转工作台、二维数控平台及焊接机床床身分别通过电机连接控制系统的控制器，激光轮廓测量仪与控制系统的工控机连接。

[0007] 所述的二维数控平台包括第一滑块和与其垂直滑动连接的第二滑块，第一滑块与R轴滑动连接。所述的R轴与机床床身间、第一滑块与R轴间、第一滑块与第二滑块间、焊枪与第二滑块间的滑动连接均采用丝杠丝母结构，所述各丝杠均与其驱动电机连接。所述的第一滑块、第二滑块、机床床身的丝杠两端分别设有限位开关。

[0008] 所述控制器的控制方法，包括如下步骤：

[0009] ①焊缝图像预处理，设定初始测量区域；

[0010] ②提取焊接特征点；

[0011] ③根据最小二乘法直线拟合原理求解焊接坐标；

[0012] ④根据求解的焊接坐标控制各电机的运动。

[0013] 变压器用波纹管焊缝自动焊接设备提取焊接特征点，包括如下步骤：

[0014] ①先将焊缝调整到预先设定的测量区域内，根据焊缝的特征，分别分出四种不同类型的焊缝，即一个拐点、两个拐点、三个拐点和多于三个拐点的情况，根据这四种不同情况分别求取焊缝位置坐标；

[0015] ②分析图像，由1394通讯协议获取整条轮廓数据；

[0016] ③已队列方式存储数据。

[0017] 本发明的自动焊接方法包括如下步骤：

[0018] ①安装工件；

[0019] ②启动控制系统；

[0020] ③对枪：当焊枪与焊缝之间距离较大时，调整R轴和机床床身构成的H轴，当R轴和床身二者之间距离较小时，调整第一滑块和第二滑块，控制焊枪的位置，将焊枪对准焊缝的同时，保证第一滑块和第二滑块处于行程中间位置；

[0021] ④确认焊接角度、工件规格及焊接参数后，开始焊接加工；

[0022] ⑤移至下一条焊缝，进行焊接加工；

[0023] ⑥全部焊缝焊接完成后，退出焊枪，拆卸工件。

[0024] 本发明具有如下优点：

[0025] (1)本发明通过控制器的控制机械系统协同作用，实现了波纹管的自动焊接。可以提高波纹管的生产效率，确保焊接质量的一致性。

[0026] (2)本发明采用激光轮廓测量仪，对波纹管轴截面形状的在线实时测量，实现了波纹管焊接缝隙的精确跟踪。为焊接过程的自适应控制提供了技术基础。且激光轮廓测量仪可以远距离、高速度、高精度、非接触地测量焊缝信息，而且具有适用范围广，不受被测材料性质限制等特点。

[0027] (3)本发明针对变压器波纹管焊缝的几何形状偏差、接缝装配间隙误差以及焊件焊接过程中的热变形，采用焊接自适应控制方法，该方法可以实现焊缝位置的在线实时测量，特别是实现了焊缝位置的实时计算，并且充分考虑到系统可能存在的各种干扰的影响，确保了波纹管自动焊接过程运动控制的平稳性和可靠性。

[0028] (4)本发明的自动焊接控制系统，具有操作界面友好、功能丰富等特点，操作人员经过简单培训就可以熟练掌握基本的操作。本发明的解决了大型薄壁波纹管的手工焊接难题，降低了焊接工人的劳动强度，提高了生产效率，同时保证了焊接质量的均匀性和稳定性。

[0029] (5)使用本发明的自动焊接方法及焊接设备，能够实现芯体圆柱度30mm、焊线平面度30mm、缝隙0～0.3mm、芯体整体自由高度范围800～1600mm、芯体最大重量600kg的波纹管焊接。

附图说明

[0030] 图1是本发明自动焊接设备总体结构图。

[0031] 图2是本发明自动焊接设备的机械原理图。

[0032] 图3是本发明控制系统原理框图。

[0033] 图4是本发明焊缝特征点提取过程框图。

[0034] 图中：1.夹具，2.回转工作台，3.焊枪，4.二维数控平台，5.激光轮廓测量仪，6.床身，7.控制柜，8.波纹管，9.第一滑块，10.R轴，11.第二滑块。

具体实施方式

[0035] 下面结合实施例和附图详细描述本发明。

[0036] 实施例1：针对不同规格的波纹管，作为施焊器件的焊枪必须具有5个自由度才能满足工作位置的要求。因此，如图1所示，本发明包括回转工作台2、二维数控平台4、激光轮廓测量仪5、R轴10及焊接机床，所述回转工作台2固定在机床工作台面上，R轴10一端滑动安装在焊接机床的床身6上，另一端两侧分别安装有激光轮廓测量仪5和沿R轴10滑动的二维数控平台4，在二维数控平台上滑动连接有焊枪3，所述激光轮廓测量仪5的激光与焊枪3轴线平行，所述回转工作台2、二维数控平台4及焊接机床床身6分别通过电机连接控制系统的控制器，激光轮廓测量仪5与控制系统的工控机连接。

[0037] 如图2所示，本例所述的二维数控平台4包括第一滑块9和与其垂直滑动连接的第二滑块11，第一滑块9与R轴10滑动连接。所述的R轴10与机床床身6间、第一滑块9与R轴10间、第一滑块9与第二滑块11间、焊枪3与第二滑块11间的滑动连接均采用丝杠丝母结构，所述各丝杠均与其驱动电机连接。所述的第一滑块9、第二滑块11、机床床身6的丝杠两端分别设有限位开关。

[0038] 本发明的工作过程：

[0039] 如图1所示，本发明在工作时，将波纹管8安装在构成C轴的回转工作台2上；焊枪3安装在构成X轴和Z轴二维数控平台4上，可以跟随波纹管8焊缝径向和轴向进行调整运动；第一滑块3构成的X轴进行径向调整，第二滑块7构成的Z轴进行轴向调整。根据波纹管8直径的变化，第一滑块3带动第二滑块7及焊枪3沿R轴10可以在径向做大距离移动；R轴可以随不同焊缝的高度变化沿机床床身6做高度方向的运动；五个轴中的X、Z、H和C轴由运动控制器控制，焊接过程中XZC三轴通过控制器实现联动控制，驱动焊枪3到达焊接工作所需的相应精确位置，满足不同工件焊接的运动实现需要。

[0040] 自动焊接过程的数字化控制需要考虑工件几何形状的偏差、接缝装配间隙误差以及焊件焊接过程中的热变形等因素，本发明控制系统如图3所示，包括相互连接的控制器和工控机，所述工控机与激光轮廓测量仪5连接，控制器分别与焊枪3、第一滑块9、第二滑块11、回转工作台、机床床身6上的驱动电机及反馈元件(各驱动电机上的编码器)连接，通过各编码器实时反馈焊枪3所在的位置，以控制焊枪的起弧及运动轨迹。

[0041] 本发明中所述的控制器的自适应控制方法，采用激光三角测量为基础的激光轮廓测量仪在线检测波纹管的轴截面，由于波纹管为不规则形状，同时在动态旋转过程中的焊缝提取不可避免地存在来自外部及内部的干扰，影响检测效果和数据准确度。具体步骤如下：

[0042] 1.焊缝图像预处理，设定初始测量区域：数据处理的目的是准确提取焊缝的特征点位置，为控制调节提供控制数据。开始焊接后，焊缝位置在轴向、径向的坐标不停的变化。为了能够准确的跟踪被测焊缝轮廓的位置，在测量开始时需将轮廓波形图上初始焊缝的轴向、径方向进行限制，设定初始测量区域。

[0043] 2.提取焊接特征点：如图4所示，(1)先将焊缝调整到预先设定的测量区域内，根据焊缝的特征，分别分出四种不同类型的焊缝，即一个拐点、两个拐点、三个拐点和多于三个拐点的情况，根据这四种不同情况分别求取焊缝位置坐标；

[0044] ①一个拐点的情况：即在采样区域内采集到的数据只有一个拐点，拐点坐标即取为焊缝中心的位置坐标；

[0045] ②两个拐点的情况：提取两个拐点的坐标，计算出两点的平均值取为焊缝中心位置坐标；

[0046] ③三个拐点的情况：比较三个拐点的坐标值，取三点的最大值为焊缝中心位置坐标；

[0047] ④大于三个拐点的情况：提取拐点中的全部极大值点，求它们的X轴坐标平均值和Z轴坐标平均值作为估计的焊缝位置坐标；

[0048] (2)分析图像，由1394通讯协议获取整条轮廓数据；

[0049] (3)已队列方式存储数据。

[0050] 3.利用最小二乘法直线拟合原理求解焊接坐标：由原始测量轮廓得到的焊缝坐标是带有误差及突变性的初值，因此需要对检测数据进行处理，以得到稳定并连续的焊接坐标，本发明采用最小二乘法直线拟合原理对检测的坐标值进行拟合及预测，能确保焊枪动作连续、稳定，不发生速度突变，保证焊接质量。

[0051] 本发明自动焊接的方法步骤如下：

[0052] ①安装工件，将工件吊装到旋转工作台2上并固定；

[0053] ②启动控制系统：工控机及控制器；

[0054] ③对枪：当焊枪3与焊缝之间距离较大时，调整R轴10和机床床身6构成的H轴，当R轴10和床身6二者之间距离较小时，调整第一滑块9(X轴)和第二滑块11(Z轴)，控制焊枪3的位置，将焊枪3对准焊缝的同时，保证第一滑块9(X轴)和第二滑块11(Z轴)处于行程中间位置；

[0055] ④通过工控机的软件界面，确认焊接角度、工件规格及焊接参数后，开始焊接加工；

[0056] ⑤移至下一条焊缝，进行焊接加工；

[0057] ⑥全部焊缝焊接完成后，退出焊枪，拆卸工件。

[0058] 使用本发明的自动焊接方法及焊接设备，能够实现芯体圆柱度30mm、焊线平面度30mm、缝隙0～0.3mm、芯体整体自由高度范围800～1600mm、芯体最大重量600kg的波纹管焊接。