恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统

摘要

本发明公开了一种恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统，包括对焊缝进行焊接的移动式焊接设备、消除焊接应力的焊接应力消除移动机器人，一台同步电机固定放置于焊缝外，以同步电机转轴轴心作为参考点；两个反射式测距传感器固定在电机轴上，与电机同轴旋转，两个传感器间相隔一段距离；在焊接初始点、移动式焊接设备的焊接喷嘴处、焊接应力消除移动机器人作业末端均贴有反射片。本发明结构简单、自动化程度高、焊后焊缝跟踪精度高，不受焊渣或焊接缺陷对焊后焊缝跟踪的影响。

权利要求

1.一种恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统，其特征是：包括对焊缝进行焊接的移动式焊接设备、消除焊接应力的焊接应力消除移动机器人，一台同步电机固定放置于焊缝外，以同步电机转轴轴心作为参考点；两个反射式测距传感器固定在电机轴上，与电机同轴旋转，两个传感器间相隔一段距离；在焊接初始点、移动式焊接设备的焊接喷嘴处、焊接应力消除移动机器人作业末端均贴有反射片，与上述测距传感器配合测距，其中一个测距传感器分别检测参考点与焊接初始点、参考点与焊接喷嘴之间的距离，另一个测距传感器分别检测参考点与焊接初始点、参考点与焊接应力消除移动机器人作业末端之间的距离；系统运行过程中，电机不停地恒速旋转，测距传感器不断检测焊接喷嘴与参考点的距离，及以参考点为圆心，参考点、焊接初始点、焊接移动点所形成的角度，从而得到焊接喷嘴相对于参考点的移动轨迹；同时测距传感器实时检测焊接应力消除移动机器人作业端与参考点的距离，及以参考点为圆心，参考点、焊接起始点、应力消除移动点所形成的角度，从而得到焊接应力消除移动机器人作业端相对于参考点的移动轨迹，将上述两轨迹进行比较，即可得到焊接应力消除移动机器人作业端偏离已焊焊缝的距离和方向，并通过控制系统进行纠偏；在焊接初始点上设置上下两个反射片，且两个反射片间相隔一段距离；焊接喷嘴处的反射片中心、焊接初始点上的一个反射片中心与一个测距传感器在同一水平面上；焊接应力消除移动机器人作业末端的反射片中心、焊接初始点上的另一个反射片中心与另一个测距传感器在同一水平面上。

说明书

恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种焊接应力消除自动控制系统，属于传感与测控技术领域。

背景技术

[0002] 在大型结构件焊接、薄板焊接、异种金属焊接、高温合金焊接，以及在高精度特种设备焊接等领域，焊接变形需得到有效控制，否则会对焊接件尺寸和外形有影响，而且会降低结构的承载能力。如在铝合金造船工业中，板材由于焊接过程中较大的热输入而发生变形较大、焊接接头性能较差。在建造船体时，约有25％的工作量是对船板整形和捶平，以达到要求的平整度和曲率，以便能将船板固定在一起。这不仅影响了船舶生产的效率，而且大大降低了船的质量。即使是热输入小、变形小的激光焊接，也存在焊接变形问题。焊接应力是焊接变形的主要原因。消除焊接应力，控制焊接变形的方法很多，目前在工程中较为常用的几种焊后处理方法有超声冲击、焊趾打磨、喷丸、锤击、TIG熔修、应用低相变点焊条法等。随焊或焊后冲击、锤击、碾压是一种减小焊接应力、防止焊接变形的有效途径。其中超声冲击技术是一种新颖的有效的消除部件表面或焊缝区有害残余拉应力、引进有益压应力的方法，相比其它方法其优点突出。超声冲击设备利用大功率的能量推动冲击头以每秒约2万次的频率冲击金属物体表面，高频、高效和聚焦下的大能量使金属表层产生较大的压缩塑性变形；同时超声冲击改变了原有的应力场，产生有益的压应力；高能量冲击下金属表面温度极速升高又迅速冷却，使作用区表层金属组织发生变化，冲击部位得以强化。

[0003] 国内外虽已研制出移动小车承载的随焊/焊后应力消除设备，但都不具备焊后长焊缝、弯曲焊缝自动跟踪功能。要使随焊/焊后应力消除设备能够自动实施作业，需具备焊后焊缝跟踪功能。先进焊后焊缝跟踪均使用在焊缝质量检测中，使用的方法多采用机器视觉的方式，见文献（卢昌福.基于激光视觉传感的焊后检测技术研究[D].[硕士学位论文].哈尔滨：哈尔滨工业大学，材料科学与工程学院，2007.7.；Jean-Paul Boillot，Koichi Uota，Etienne Berthiaume，et al.Tracking and inspection for laser welding[J].Proceedingof SPIE,2002(4):165-170.），由于焊后坡口特征消失、焊接缺陷、残留的焊剂焊渣和飞溅等都直接影响到视觉检测。探索一种精度高、不受焊后工况影响的全自动焊后焊缝跟踪方式，并将其应用于焊后应力消除系统中，将具有很强的实用价值。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种实时记录焊接喷嘴移动轨迹，应力消除作业效果好的恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统。

[0005] 本发明的技术解决方案是：

[0006] 一种恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统，其特征是：包括对焊缝进行焊接的移动式焊接设备、消除焊接应力的焊接应力消除移动机器人，一台同步电机固定放置于焊缝外，以同步电机转轴轴心作为参考点；两个反射式测距传感器固定在电机轴上，与电机同轴旋转，两个传感器间相隔一段距离；在焊接初始点、移动式焊接设备的焊接喷嘴处、焊接应力消除移动机器人作业末端均贴有反射片，与上述测距传感器配合测距，其中一个测距传感器分别检测参考点与焊接初始点、参考点与焊接喷嘴之间的距离，另一个测距传感器分别检测参考点与焊接初始点、参考点与焊接应力消除移动机器人作业末端之间的距离；系统运行过程中，电机不停地恒速旋转，测距传感器不断检测焊接喷嘴与参考点的距离，及以参考点为圆心，参考点、焊接初始点、焊接移动点所形成的角度，从而得到焊接喷嘴相对于参考点的移动轨迹；同时测距传感器实时检测焊接应力消除移动机器人作业端与参考点的距离，及以参考点为圆心，参考点、焊接起始点、应力消除移动点所形成的角度，从而得到焊接应力消除移动机器人作业端相对于参考点的移动轨迹，将上述两轨迹进行比较，即可得到焊接应力消除移动机器人作业端偏离已焊焊缝的距离和方向，并通过控制系统进行纠偏。

[0007] 在焊接初始点上设置上下两个反射片，且两个反射片间相隔一段距离；焊接喷嘴处的反射片中心、焊接初始点上的一个反射片中心与一个测距传感器在同一水平面上；焊接应力消除移动机器人作业末端的反射片中心、焊接初始点上的另一个反射片中心与另一个测距传感器在同一水平面上。

[0008] 测距传感器安装高度高于焊接喷嘴，采用调制频率避开弧光及等离子体辐射的干扰。

[0009] 在焊接应力消除移动机器人上安装位姿检测传感器，得到任一时刻机器人相对于参考点的位姿，通过控制系统进行纠偏。

[0010] 焊接应力消除移动机器人采用轮式移动机器人作为本体，通过两轮差动实现机器人位置粗定位，采用十字滑块作为应力消除作业端定位驱动机构，实现应力消除作业末端的精密定位。

[0011] 本发明结构简单、自动化程度高、焊后焊缝跟踪精度高，不受焊渣或焊接缺陷对焊后焊缝跟踪的影响。纵观国内现有的焊接领域的自动化系统和设备，本发明所提的设计目标尚无单位实现。

[0012] 本发明以恒速旋转电机作为参考位置，采用距离测量和角度测量（角度测量采用高频脉冲线性插值细分）相结合的方法实时记录焊接喷嘴移动轨迹，并控制焊接应力消除移动机器人位姿调整，沿着焊接喷嘴轨迹实施应力消除作业。

附图说明

[0013] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0014] 图1是本发明的恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统结构图。

[0015] 图2是本发明的种恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统中，焊接应力消除移动机器人控制系统结构图。

[0016] 图3是本发明的恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统中，焊后焊缝跟踪系统测量原理俯视图简图。

[0017] 图4是本发明的恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统中，焊后焊缝跟踪系统测量原理时序图。

具体实施方式

[0018] 一种恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统，包括对焊缝进行焊接的移动式焊接设备1、消除焊接应力的焊接应力消除移动机器人2，一台同步电机3固定放置于焊缝外，以同步电机转轴轴心作为参考点；两个反射式测距传感器4、5固定在电机轴上，与电机同轴旋转，两个传感器间相隔一段距离；在焊接初始点、移动式焊接设备的焊接喷嘴处、焊接应力消除移动机器人作业末端分别贴有反射片6（即反射片C）、7（即反射片D）、8（即反射片A）、9（即反射片B），与上述测距传感器配合测距，其中一个测距传感器分别检测参考点与焊接初始点、参考点与焊接喷嘴之间的距离，另一个测距传感器分别检测参考点与焊接初始点、参考点与焊接应力消除移动机器人作业末端之间的距离；系统运行过程中，电机不停地恒速旋转，测距传感器不断检测焊接喷嘴与参考点的距离，及以参考点为圆心，参考点、焊接初始点、焊接移动点所形成的角度，从而得到焊接喷嘴相对于参考点的移动轨迹；同时测距传感器实时检测焊接应力消除移动机器人作业端与参考点的距离，及以参考点为圆心，参考点、焊接起始点、应力消除移动点所形成的角度，从而得到焊接应力消除移动机器人作业端相对于参考点的移动轨迹，将上述两轨迹进行比较，即可得到焊接应力消除移动机器人作业端偏离已焊焊缝的距离和方向，并通过控制系统进行纠偏。焊接应力消除移动机器人采用轮式移动机器人作为本体，通过两轮差动实现机器人位置粗定位，采用十字滑块作为应力消除作业端定位驱动机构，实现应力消除作业末端的精密定位。

[0019] 具体如下：以二维平面弯曲或直焊缝为例，如图1所示。其中有同步电机，测距传感器F，测距传感器E，反射片A、B、C、D，移动式焊接设备（含焊接喷嘴），应力消除移动机器人（含电子罗盘、应力消除设备作业末端可采用电磁锤或超声波冲击头等）。测距传感器E、F固定在电机轴上，与电机同轴旋转，E、F间相隔一段距离。E、F及对应的反射片通过安装在不同高度来避免相互干扰，并采用不同调制频率的激光或红外光来避免干扰。焊缝为平面二维焊缝，黑色填充线为已焊焊缝，其余为未焊焊缝。焊接起始点处竖起一标杆，反射片C、D固定在标杆上，C、D间相隔一段距离。反射片A、C的中心与测距传感器F在一水平面上，当测距传感器F与反射片A、C正相对时，可测量FA、FC的距离。反射片B、D的中心与测距传感器E在一水平面上，当测距传感器E与反射片B、D正相对时，可测量EB、ED的距离。为避免激光焊接过程中的弧光等干扰，测距传感器安装高度高于焊接喷嘴，并采用特定调制频率避开弧光及等离子体辐射的干扰。

[0020] 为分析方便起见，画出测量原理俯视简图如3所示。设同步电机带动测距传感器E、F顺时针旋转，移动点A沿逆时针方向运动。移动点A初始位置为A0，焊接设备沿焊缝移动过程中，测距传感器不断高速旋转扫描。

[0021] 可得到A0点与F点的距离L0。设F发出的光经过C点和A0点时，可通过接口电路输出两个高电平脉冲见图4。设初始时，焊接喷嘴静止于位置A0处，初始相位角∠CFA0记为α0。光线经过A时启动高频脉冲计数，到达C时停止计数。设电机转速恒定，且转动一圈内填充高频脉冲为N个。且通过控制器可记录下A0与C间夹角所代表的高频脉冲数N0，则可计算得：

[0022] 同理可测的L1、∠CFA1、L2、∠CFA2……。因此可以实时记录下焊接喷嘴相对于参考位置的距离变化轨迹（L1、L2、L3……）和角度变化轨迹（∠CFA0、∠CFA1、∠CFA2……），通过拟合得到焊缝中心的轨迹（前提是默认为焊接喷嘴具有较高的焊缝跟踪精度）。

[0023] 采用上述方法，采用传感器E与反射片B、D配合，实时检测应力消除设备作业末端的位置，可以得到应力消除设备作业末端相对于参考位置的距离变化轨迹和角度变化轨迹。将应力消除设备作业末端轨迹与焊接喷嘴的轨迹进行比较，可以得到应力消除设备作业末端偏离焊缝中心的角度和距离（以参考位置为基准）。同时在应力消除移动机器人上安装电子罗盘，可以得到机器人相对于参考位置的位姿，此时可以通过对机器人的运动控制，减小机器人当前位置与拟合轨迹的偏差，使应力消除设备作业末端始终对准焊缝（当采用锤击方式时，通过电磁锤锤头对焊后尚处于高温状态的焊趾和焊缝区金属施加一定频率的锤击力。当采用超声波冲击时，通过超声波冲击头实现焊趾或全焊道覆盖式冲击。因此应力消除设备作业末端的移动轨迹，究竟是沿着焊缝中心轨迹，还是焊趾轨迹，要视具体应力消除方法而定。）

[0024] 本发明的恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统，在激光焊接工况下，E、F可以采用量程较小的红外测距传感器。因为激光焊时焊缝金属的冷却速度较常规焊接快得多，可达106℃/s，焊枪与应力消除设备距离可以较近，在焊接过后短时间后即可实施锤击、冲击等处理。在其他焊接方式下，E、F可以采用可采用激光传感器，以实现长焊缝大范围跟踪。