CN103987485B - 焊珠成形设备和焊珠成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种焊珠成形设备，所述设备包括：气刨枪13，用于对待成形的对象进行刨削；形状传感器14，用于测量所述待成形的对象的形状；滑块设备11和多关节型机器人12，用于驱动所述气刨枪13和形状传感器14；图像处理设备16；以及机器人控制设备17。所述图像处理设备16包括：形状数据提取单元，用于从所述形状传感器14获得的测量结果提取所述待成形的对象的形状数据；以及焊接增强形状提取/去除深度计算单元，用于根据所述待成形的对象的所述形状数据与预设的指定形状之间的差异来计算所述焊珠的焊接增强形状，并且基于所述焊接增强形状来计算去除深度，通过所述去除深度来执行刨削。所述机器人控制设备17基于所述焊接增强形状和所述去除深度来控制所述滑块设备11、所述多关节型机器人12以及所述气刨枪13。根据上述结构，能够提供一种能够高精度地使焊珠成形的焊珠成形设备。

Description

焊珠成形设备和焊珠成形方法
技术领域
本发明涉及一种用于使得沿着焊线形成的焊珠成形的焊珠成形设备以及焊珠成形方法。
背景技术
难以从一件铸造金属制品中制造具有大尺寸复杂结构的装备，例如水力发电机的水轮机转轮。因此，装备由多个部件形成，并且这些部件通过焊接而彼此接合。在水轮机转轮中，焊接部分表面被用作流体通路，并且因此在接合之后在未成形的焊接表面上发生涡流，导致损失增大。
为了使得焊接表面平滑，通过手动研磨来使得焊接表面成形。不幸地是，这种研磨工作是在工人暴露至灰尘并且需要振动工具的恶劣环境下进行的。此外，复杂装备具有窄的部分，并且因此给工人强加了大量的劳动(例如，工人需要保持具有低的工作效率的姿势)。
考虑到这些情况，已经提出了等离子体刨削设备作为替换焊接部分的这种研磨的成形方法(参见专利文件1)。等离子体刨削设备使用刨削速度和电压作为控制参数。
还提出了自动刨削设备作为替代大尺寸复杂装备的这种研磨的方法(参见专利文件2)。所述自动刨削设备利用以下设备来计算多余厚度的去除量：利用多于厚度探测触针测量示范性形状并且存储所述示范性形状作为参考形状的设备；以及计算设备，所述计算设备将待处理的对象的形状与参考形状进行比较并且计算多余的厚度。
此外，所述自动刨削设备在使用安装在多轴滑块上的电弧气刨枪来控制多余厚度的去除量的同时执行成形。通过这种方式，所述自动刨削设备自动地将待处理的对象处理成期望的形状。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开No.5-38581
专利文献2：日本专利申请公开No.57-17372
发明内容
发明要解决的问题
不幸地是，专利文件1中描述的等离子体刨削设备是用于背部整平的线性刨削设备，并且因此具有不适于去除厚板的焊珠的大量多余厚度的问题。此外，对比文件2中描述的自动刨削设备使用多余厚度探测触针来测量多余厚度形状，并且因此具有多余厚度测量结果中的误差较大并且不能测量焊珠的这种细微不规则形状的问题。此外，专利文件2中描述的自动刨削设备使用电弧气刨枪来执行处理，并且因此具有不适于去除细微多余厚度的问题。
作出本发明的目的在于解决上述问题，本发明的目标是提供一种能够高精度地实现焊珠成形的焊珠成形设备和焊珠成形方法。
解决问题的手段
为了解决上述问题，根据本发明的焊珠成形设备包括：形状数据提取单元，所述形状数据提取单元从形状传感器获得的测量结果提取待成形的对象的形状数据，所述形状传感器测量所述待成形的对象的形状，其中在所述待成形的对象上形成焊珠；焊接增强形状提取/去除深度计算单元，所述焊接增强形状提取/去除深度计算单元根据所述待成形的对象的所述形状数据与预设的指定形状之间的差异来计算所述焊珠的焊接增强形状，并且基于所述焊接增强形状来计算通过使用气刨枪执行刨削所去除的去除深度；目标位置/气割炬姿势计算单元，所述目标位置/气割炬姿势计算单元基于所述焊接增强形状和所述去除深度来计算所述气刨枪的目标位置和姿势；刨削条件计算单元，所述刨削条件计算单元基于所述焊接增强形状和所述去除深度来计算刨削条件；以及驱动设备和控制设备，所述驱动设备所述气刨枪和所述待成形的对象，所述控制设备基于由所述目标位置/气割炬姿势计算单元计算的所述气刨枪的所述目标位置和所述姿势以及由所述刨削条件计算单元计算的所述刨削条件来控制所述气刨枪。
根据本发明的焊珠成形方法，包括：形状测量步骤，所述形状测量步骤测量待成形的对象的形状；形状数据提取步骤，所述形状数据提取步骤基于在所述形状测量步骤中获得的测量结果来提取所述待成形的对象的形状数据；焊接增强形状提取/去除深度计算步骤，所述焊接增强形状提取/去除深度计算步骤根据所述待成形的对象的所述形状数据与预设的指定形状之间的差异来计算所述焊珠的焊接增强形状，并且根据所述焊接增强形状来计算通过执行刨削所去除的去除深度；目标位置/气割炬姿势计算步骤，所述目标位置/气割炬姿势计算步骤基于所述焊接增强形状和所述去除深度来计算气刨枪的目标位置和姿势；刨削条件计算步骤，所述刨削条件计算步骤基于所述焊接增强形状和所述去除深度来计算刨削条件；以及控制步骤，所述控制步骤基于在所述目标位置/气割炬姿势计算步骤中计算的所述气刨枪的所述目标位置和所述姿势以及在所述刨削条件计算步骤中计算的所述刨削条件，来控制驱动设备，所述驱动设备驱动用于所述刨削的所述气刨枪和所述待成形的对象。
本发明的优点
根据本发明的焊珠成形设备和焊珠成形方法能够高精度地使焊珠成形。
附图说明
图1是根据第一实施例的焊珠成形设备的结构图。
图2是用于描述根据第一实施例的焊珠成形设备执行的焊珠成形预处理的流程图。
图3是当根据第一实施例的焊珠成形设备对水轮机转轮的叶片焊接部分执行焊珠成形时的说明图。
图4A至4E是用于描述焊珠的形状数据、指定形状以及冠顶(crown)、箍圈(band)和叶片的相应表面的关系的说明图。
图5是分别示出了气割炬前后角和气割炬倾斜角的说明图。
图6是示出了刨削方向、摆动宽度等的说明图
图7是示出了被用来作为用于水轮机转轮的叶片焊接部分进行焊珠成形的示例的条件的表格。
图8A是示出了在对叶片焊接部分进行刨削之前的截面形状(实线)和指定形状(虚线)的示意图，并且图8B是示出了在对叶片焊接部分进行刨削之后的截面形状(实线)和指定形状(虚线)的示意图。
图9是根据第二实施例的焊珠成形设备的结构图。
图10是用于描述根据第二实施例的焊珠成形设备执行的焊珠成形预处理的流程图。
图11是根据第三实施例的焊珠成形设备的结构图。
图12是用于描述根据第三实施例的焊珠成形设备执行的焊珠成形预处理的流程图。
图13是用于描述焊珠的形状数据、指定形状以及冠顶、箍圈和叶片的相应表面的关系的说明图。
具体实施方式
参考附图来描述根据本发明的焊珠成形设备和焊珠成形方法。在以下实施例中，描述了焊珠成形设备和焊珠成形方法执行在具有大尺寸复杂结构的水力发电机的水轮机转轮的叶片焊接部分中形成的焊珠的成形。
[第一实施例]
将参考附图来描述根据本发明的焊珠成形设备和焊珠成形方法的第一实施例。
图1是根据第一实施例的焊珠成形设备的结构图。
焊珠成形设备1包括滑块设备11、多关节型机器人12、等离子体气刨枪13、形状传感器14、图像处理设备16以及机器人控制设备17。
滑块设备11包括台座21、支撑柱22、升降滑块23、单面横臂24以及基部25。台座21被安装在滑块设备11的安装表面2上，并且支撑滑块设备11。支撑柱22从台座21向上延伸并且围绕垂直轴(图1中的箭头A方向)旋转。升降滑块23被设置至支撑柱22，并且在垂直方向(图1中的箭头B方向)上相对于支撑柱22滑动。单面横臂24被设置至升降滑块23，并且在水平单轴方向(图1中的箭头C方向)上相对于升降滑块23移动。基部25被设置至单面横臂24的一个端部(前端)。
多关节型机器人12附着至基部25，并且包括在其多个接合点处多轴向旋转的臂。多关节型机器人12包括例如六个接合点并且围绕六个轴旋转。在多关节型机器人12包括六个接合点的情况下，第一到第六连接结构分别放置在第一至第六接合点。第一接合点被放置在基部25上，并且第六连接结构的前端对应于臂的前端。
滑块设备11和多关节型机器人12是驱动等离子体气刨枪13和形状传感器14的驱动设备。
等离子体气刨枪13被设置至多关节型机器人12的臂前端，并且刨削焊珠形成在其上的待成形的对象。等离子体气刨枪13的位置和姿势通过如下各项来调节：多关节型机器人12的多关节结构；以及通过滑块设备11的垂直和水平移动及其围绕垂直轴的旋转。等离子体气刨枪13包括喷嘴29。喷嘴29在刨削期间喷射用于刨削焊珠的等离子体气体以及用于去除所生成的渣的冷却气体。通过改变冷却气体的压力来增大或减小渣的去除量。
形状传感器14被设置至多关节型机器人12的臂前端。形状传感器14是例如使用激光束或超声波来测量待成形的对象的三维形状的传感器。
这些等离子体气刨枪13和形状传感器14附着至多关节型机器人12的臂前端，其中它们其间的相对位置是固定的。
图像处理设备16接收并且处理通过形状传感器14测量和输出的测量数据。图像处理设备16向机器人控制设备17发送基于测量数据获得的刨削教导数据。
机器人控制设备17(控制设备)包括移动轴控制设备31和教导数据存储设备32。移动轴控制设备31向滑块设备11和多关节型机器人12发送命令信号，并且驱动滑块设备11和多关节型机器人12一预定量。教导数据存储设备32存储测量教导数据，并且向图像处理设备16发送测量教导数据。机器人控制设备17还包括用于使得操作者能够操作滑块设备11和多关节型机器人12的操作设备。此外，机器人控制设备17控制气刨枪13的刨削电源等。
接下来，将描述根据第一实施例的焊珠成形设备1和焊珠成形方法的动作(功能)。
图2是用于描述通过根据第一实施例的焊珠成形设备1执行的焊珠成形预处理的流程图。
图3是当根据第一实施例的焊珠成形设备1对水轮机转轮3的叶片焊接部分执行焊珠成形时的说明图。
由焊珠成形设备1执行的焊珠成形预处理被划分为通过机器人控制设备17执行的处理步骤(步骤S1、S2和S12)以及通过图像处理设备16执行的处理步骤(步骤S3至S11)。
在开始焊珠成形预处理之前，安装焊珠成形设备1和作为待成形的对象的水轮机转轮3。水轮机转轮3通过起重机提升至直立状态，并且如图3所示安装在转向辊4上。水轮机转轮3旋转以跟随转向辊4的旋转。水轮机转轮3在如下角度处停止：冠顶5和箍圈6、与叶片7之间的焊接位置(待成形部分)位于焊珠成形设备1的前面。
焊珠成形设备1横向安装至水轮机转轮3的开口。在这之后，通过机器人控制设备17的移动轴控制设备31来操作滑块设备11和多关节型机器人12。
待成形的部分，也就是说焊接部分，位于冠顶5和箍圈6与水轮机转轮3的叶片7之间，其将用作流动通道，因此需要制成平滑的圆形。作为在结束对象的成形时的理想形状的平滑的圆形作为待成形的对象的预设的指定形状。
在教导数据存储步骤S1中，教导数据存储设备32存储教导数据。教导数据通过例如操作员的操作而被存储到教导数据存储设备32中。操作员利用机器人控制设备17的操作设备来驱动滑块设备11和多关节型机器人12。形状传感器14(或等离子体气刨枪13)移动至刨削预定轨迹上的教导点。如果操作员选择教导操作，滑块设备11的位置和多关节型机器人12的姿势作为教导数据而被存储至教导数据存储设备32中。
教导数据是移动命令，其包括表示形状传感器14和等离子体气刨枪13的目标位置和气割炬姿势的位置/姿势数据。给出用于教导点之间的每个间隔的刨削条件，并且所述刨削条件包括：刨削速度、摆动频率以及电流。此外，教导数据被划分为用于形状传感器14的形状测量的测量教导数据以及用于等离子体气刨枪13的刨削的刨削教导数据。
在移动轴控制步骤S2中，移动轴控制设备31基于在教导数据存储步骤S1中存储的测量教导数据来控制滑块设备11和多关节型机器人12的移动轴。形状传感器14在滑块设备11和多关节型机器人12的移动之后测量焊珠的形状。通过附着至多关节型机器人12的臂前端的形状传感器14来测量焊接部分的形状。
在形状数据提取步骤S3中，图像处理设备16(形状数据提取单元)执行从形状传感器14输出的测量数据的二值化和去除噪声，并且提取焊珠的形状数据。
在弯曲点/交叉点提取步骤S4中，图像处理设备16(弯曲点/交叉点提取单元)将在形状数据提取步骤S3中提取的形状数据以及指定形状添加到图像上。图像处理设备16将形状数据与指定形状彼此交叉处的点提取作为交叉点。图像处理设备16还提取相对于指定形状在中心点一侧上的形状数据上的点，也就是参考指定形状被极大增强的焊珠的谷底部分的顶点作为弯曲点。应注意图像处理设备16定义焊珠的面向指定形状的中心点的顶点作为山部分，并且定义焊珠的面向与指定形状的中心点相对的一侧的顶点为谷底部分。
图4A至4E是用于描述焊珠的形状数据B、指定形状R以及冠顶5、箍圈6和叶片7的相应表面的关系的说明图。
在图4中(同样在后面描述的图13中)，在形状数据提取步骤S3中提取的形状数据B(焊珠)、冠顶5的表面、箍圈6的表面以及叶片7的表面由实线表示，由点划线表示虚线E，其作为冠顶5的表面、箍圈6的表面以及叶片7的表面的延伸线，并且指定形状R通过交替的长短线表示。此外，图4的左右方向定义为X轴，图4的上下方向定义为Y轴。
如图4A所示，指定形状R被定义为与冠顶5的表面、或箍圈6的表面以及叶片7的表面的延长线E接触的圆(弧)，并且具有预定的半径。图像处理设备16提取交叉点i1和交叉点iN，所述交叉点i1和交叉点iN是在形状数据提取步骤S3中提取的形状数据B与指定形状R之间的交叉点。图像处理设备16提取弯曲点i2至i(N-1)，所述弯曲点i2至i(N-1)是相对于指定形状R在中心点O一侧的形状数据B上的点并且是谷底部分的顶点。
i1、i2、i3…i(N-1)以及iN(N：提取的弯曲点和交叉点的总数)的编号以形状数据B以内的X轴值的递增顺序指定给这次提取的交叉点和弯曲点。
在通过序列选择步骤S5中，图像处理设备16(通过序列选择单元)将形状数据与指定形状进行比较。在存在焊珠的增强不足(焊珠小于指定形状)的部分以及在焊接增强不足的部分中的距离大于预定值的情况下，图像处理设备16(通过序列选择单元)划分连续执行的刨削的轨迹(通过序列)。这防止了焊接增强不足的部分进一步被刨削。在所获得的交叉点的数量大于两个的情况下，图像处理设备16确定存在焊接增强不足的部分。图像处理设备16能够通过计算交叉点的相邻交叉点之间的距离来计算焊接增强不足的部分中的距离。
例如，在如图4A所示形状数据B上的交叉点的数量为两个的情况下，图像处理设备16选择交叉点i1至交叉点iN之间的共同刨削。
与此同时，在交叉点的数量大于两个的情况下，图像处理设备16计算除了交叉点i1和交叉点iN之外的交叉点的相邻交叉点之间的距离。例如，在图4B所示在除了交叉点i1和交叉点iN之外的交叉点i2和交叉点i3之间的距离d等于或小于预定值D1的情况下，图像处理设备16选择交叉点i1和交叉点iN之间的共同的刨削。也就是说，图像处理设备16在交叉点i1和交叉点iN之间设置一个通过序列。
例如，在图4C所示在除了交叉点i1和交叉点iN之外的交叉点i2和交叉点i3之间的距离d大于预定值D1的情况下，图像处理设备16选择对交叉点i2和交叉点i3前后的刨削进行划分。也就是说，图像处理设备16在交叉点i1和交叉点i2之间设置通过序列1，并且在交叉点i3和交叉点iN之间设置通过序列2。
在焊接增强形状提取/去除深度计算部分S6中，图形处理设备16(焊接增强形状提取/去除深度计算单元)计算形状数据与指定形状之间的差异作为焊接增强形状。图像处理设备16计算交叉点或弯曲点的相邻交叉点或弯曲点之间的每一个焊接增强形状中的最大焊接增强，并且从所计算的最大焊接增强的平均值中减去随后通过手工精细研磨的焊接增强的量，并且定义减法结果作为去除深度。
例如，如图4D中所示，图像处理设备16计算形状数据和指定形状R之间的差异，从而获得焊接增强形状。图像处理设备16获得在弯曲点/交叉点提取步骤S4中提取的弯曲点或交叉点的相邻弯曲点或交叉点之间的形状数据B和指定形状R之间的差异的最大值作为焊接增强差异的最大值作为焊接增强。例如，图像处理设备16获得交叉点i1和交叉点i2之间的多个点(点1至点M)处的焊接增强形状。图像处理设备16计算点3处的焊接增强形状作为最大焊接增强。图像处理设备16获得在交叉点i至交叉点N的相邻交叉点之间分别获得的最大焊接增强的平均值，从该平均值中减去手工精细研磨的焊接增强的量，并且定义减法结果作为去除深度。
在图4C中所示的划分通过序列的情况下，针对每个通过序列执行这种焊接增强形状提取和这种去除深度计算。
在摆动宽度/角度计算步骤S7中，图像处理设备16将在通过序列选择步骤S5中获得的一个通过序列(刨削范围)的两端处的交叉点之间的距离定义为等离子体气刨枪13的摆动宽度。图像处理设备16进一步将通过分别连接指定形状的中心点与两端处的交叉点的两条直线形成的角度定义为摆动角度。
例如，如图4E中所示，图像处理设备16将在弯曲点/交叉点提取步骤S4中提取的交叉点i1和交叉点iN之间的距离定义为等离子体气刨枪13的摆动宽度。图像处理设备16进一步将分别将指定形状R的中心点O连接至两端的交叉点i1和交叉点iN的两条直线形成的摆角定义为摆动角度θ1。
在目标位置/气割炬姿势计算步骤S8中，图像处理设备16(目标位置/气割炬姿势计算单元)计算在摆动宽度/角度计算步骤S7中获得摆动宽度的中点(图4E中的中点M)作为目标位置。如图5A中所示，目标位置是与等离子体气刨枪13的前端分隔开预定的尖端工件距离D2的教导位置点。图像处理设备16进一步计算这种等离子体气刨枪13的气割炬姿势，使得至处理表面的气割炬前后角总是常数并且在摆动期间至指定形状的气割炬倾斜角度总是垂直的。
图5是分别示出了气割炬前后角和气割炬倾斜角的说明图。图6是示出了刨削方向、摆动宽度W等的说明图
气割炬前后角θ2是底板8(例如冠顶5、箍圈6)和等离子体气刨枪13的轴形成的角度。气割炬倾斜角θ3是通过基本垂直于底板8的直板9(例如，叶片7)和等离子体气刨枪13的轴线形成的角度。此外，气割炬的前后方向对应于刨削方向，并且摆动宽度W是对应于垂直于刨削方向的方向的宽度。
在刨削条件计算步骤S9中，图像处理设备16(刨削条件计算单元)使用刨削去除深度的表达式(公式)来计算刨削速度、摆动频率和电流作为刨削条件。
如图6中所示，摆动速度是在垂直于刨削方向的方向上的速度，并且刨削速度是在刨削方向上的速度。假设摆动速度为Vw，刨削速度为V，输入的热量为Q，通过下面表达式(1)来表示刨削去除深度y。C1、C2和C3是通过试验获得的常数。
[表达式1]
y＝C1+C2*Vw/V+C3*Q……表达式(1)
接下来，图像处理设备16然后基于在摆动宽度/角度计算步骤S7中获得的摆动宽度和根据表达式(1)获得的摆动速度来获得摆动频率。
图像处理设备16将以下各项作为刨削教导数据存储到教导数据存储设备32中：刨削条件，其包括按照上述方式获得的刨削速度、摆动频率/宽度、以及电流；以及在目标位置/气割炬姿势计算步骤S8中计算的位置/姿势数据。
应注意，在焊接增强形状提取/去除深度计算步骤S6中计算的去除深度等于或小于给定值的情况下，也就是说，在不需要执行刨削的情况下，图像处理设备16进行至刨削条件计算步骤S9，并且设置刨削条件以用于使得去除深度最小化。图像处理设备16设置刨削条件，使得电流减小至预定值并且刨削速度增大至预定值。如果设置这种刨削条件，则等离子体气刨枪13在之后待执行的刨削工件中操作以不执行刨削(以便执行最小的刨削)并且使得电弧连续。
在通过划分确定步骤S10中，图像处理设备16确定在通过序列选择步骤S5中是否划分通过序列。如果确定划分通过序列(步骤S10中的是)，则图像处理设备16返回至焊接增强形状提取/去除深度计算步骤S6，并且对未执行步骤S6至S9的通过序列来执行焊接增强形状提取/去除深度计算步骤S6至刨削条件计算步骤S9。
与此同时，如果确定不划分通过序列(步骤S10中的否)，则图像处理设备16在教导点确定步骤S11中确定是否存在另一教导点。如果确定存在另一教导点(步骤S11中的是)，则图像处理设备16返回至移动轴控制步骤S2，并且对每个教导点执行步骤S2至步骤S10。
与此同时，如果图像处理设备16确定不存在另一教导点(步骤S11中的否)，则在机器人控制步骤S12中，机器人控制设备17根据存储在教导数据存储设备32中的刨削教导数据等在控制多关节型机器人12和滑块设备11的轴向移动以及刨削电源的同时执行自动刨削。
作为示例，使用如图7中所示的条件对水轮机转轮3的叶片焊接部分执行珠成形。图8A是示出了在对叶片焊接部分进行刨削之前的截面形状(实线)和指定形状(虚线)的示意图，并且图8B是示出了在对叶片焊接部分进行刨削之后的截面形状(实线)和指定形状(虚线)的示意图。
使用图7中所示的固定条件和根据表达式(1)获得的刨削条件对图8A中所示的焊珠执行等离子体刨削。结果，焊接增强部分顺利地成形为图8B中所示。
根据如上所述的第一实施例的焊珠成形设备1和焊珠成形方法能够实现高精度的自动焊珠成形，而与待成形的对象的尺寸和结构复杂性无关。也就是说，焊珠成形设备1能够利用形状传感器14以非常好的精度来测量待成形的对象的形状，并且能够获取诸如刨削条件和目标位置/气割炬姿势等刨削教导数据。此外，焊珠成形设备1能够利用移动轴控制设备31在给定范围内自动执行连续的刨削。
焊珠成形设备1和焊珠成形方法根据焊珠的形状计算交叉点或弯曲点中的相邻交叉点或弯曲点之间的最大焊接增强，并且定义最大焊接增强的平均值作为去除深度。因此，能够无需过多的研磨而使得焊接增强顺利地成形。此外，焊珠成形设备1和焊珠成形方法能够在计算的有利刨削条件下执行连续的成形。因此，能够减少工作步骤和工作时间。
焊珠成形设备1和焊珠成形方法计算焊接增强不足的部分的距离，并且在所述距离等于或大于预定值的情况下划分刨削范围。利用这种配置，焊珠成形设备1和焊珠成形方法能够执行有利的成形，而不会在焊接增强不足的部分中导致过多的去除。
[第二实施例]
将参考附图来描述根据本发明的焊珠成形设备和焊珠成形方法的第二实施例。
图9是根据第二实施例的焊珠成形设备41的结构图。
第二实施例的焊珠成形设备41与第一实施例的焊珠成形设备1的不同之处在于从离线教导***42获取在教导数据存储步骤中存储到教导数据存储设备32中的教导数据。与第一实施例对应的配置和部分通过相同的附图标记来表示，并且省略了对其进行重复描述。
焊珠成形设备41包括滑块设备11、多关节型机器人12、等离子体气刨枪13、形状传感器14、图像处理设备16、机器人控制设备17、用于产品设计的三维CAD43、以及离线教导***42。
用于产品设计的三维CAD43生成待成形的对象(例如水轮机转轮3)的三维形状数据。离线教导***42是在计算机屏幕上的虚拟空间中对滑块设备11和多关节型机器人12执行教导的***(数字***)。
接下来，描述根据第二实施例的焊珠成形设备41和焊珠成形方法的动作(功能)。
图10是用于描述根据第二实施例的焊珠成形设备41执行的焊珠成形预处理的流程图。
由焊珠成形设备41执行的焊珠成形预处理被划分为由离线教导***42执行的处理步骤(步骤S21)、由机器人控制设备17执行的处理步骤(步骤S22、S23和S33)、以及通过图像处理设备16执行的处理步骤(步骤S24至S32)。
在测量教导步骤S21中，离线教导***42基于待成形的对象的三维形状数据来生成待成形的对象的测量教导数据。使用用于产品设计的三维CAD43生成三维形状数据，并且将其输入至离线教导***42。
离线教导***42将输入的待成形的对象的三维形状数据连同预生成的焊珠成形设备41的三维模型(滑块设备11、多关节型机器人12、形状传感器14以及等离子体气刨枪13)放入计算机上的虚拟空间。离线教导***42计算测量教导数据，使得在垂直于通过三维形状数据表示的待成形的对象的焊接部分的刨削线的平面上，在穿过通过冠顶5或箍圈6的表面和叶片7的表面形成的角度的中心的位置和方向来放置形状传感器14(以及等离子体气刨枪13)。
离线教导***42添加相对于所计算的位置和姿势的接近移动和缩进移动的教导数据。通过这种方式，离线教导***42向每一个教导点添加移动命令，从而生成测量教导数据。
在教导数据存储步骤S22中，教导数据存储设备32存储在测量教导步骤S21中生成的教导数据。移动轴控制步骤S23至机器人控制步骤S33基本上与第一实施例的焊珠成形预处理(图2)的移动轴控制步骤S2至机器人控制步骤S12相同，并且因此在这里省略了对这些步骤的详细描述。
在根据第一实施例的焊珠成形设备1和焊珠成形方法中，操作员使用提供至机器人控制设备17的操作设备来操作多关节型机器人12和滑块设备11，从而输入教导数据。作为比较，在根据第二实施例的焊珠成形设备41和焊珠成形方法中，使用通过用于产品设计的三维CAD43和离线教导***42进行数字化的数据作为教导数据，并且所述数据被输入至多关节型机器人12。
结果，除了第一实施例提供的优点之外，所述焊珠成形设备41和焊珠成形方法能够使得不再需要使用实际的待成形对象和实际设备进行教导工作，并且因此能够降低焊珠成形的工作量和工作时间。
[第三实施例]
将参考附图来描述根据本发明的焊珠成形设备和焊珠成形方法的第三实施例。
图11是根据第三实施例的焊珠成形设备51的结构图。
第三实施例的焊珠成形设备51与第一实施例的焊珠成形设备1的不同之处在于焊珠成形设备51还包括焊炬52，并且不仅执行刨削还执行焊接。与第一实施例对应的配置和部分通过相同的附图标记来表示，并且省略了对其进行重复描述。
焊珠成形设备51包括滑块设备11、多关节型机器人12、等离子体气刨枪13、形状传感器14、图像处理设备16、以及焊炬52。
焊炬52的位置和姿势通过如下各项来调节：多关节型机器人12的多关节机构；以及通过滑块设备11的垂直和水平移动以及滑块设备11围绕其垂直轴的旋转实现的位置调节。根据焊珠成形设备51执行的工作来适当选择和使用等离子体气刨枪13和焊炬52中的任一个。
接下来，描述根据第三实施例的焊珠成形设备51和焊珠成形方法的动作。
图12是用于描述根据第三实施例的焊珠成形设备51执行的焊珠成形预处理的流程图。
由焊珠成形设备51执行的焊珠成形预处理被划分为由机器人控制设备17执行的处理步骤(步骤S41、S42、S48、S49、S55和S56)、以及通过图像处理设备16执行的处理步骤(步骤S43至S47以及S50至S54)。
教导数据存储步骤S41至形状数据提取步骤S43基本上与第一实施例的焊珠成形预处理(图2)的教导数据存储步骤S1至形状数据提取步骤S3相同，并且因此在这里省略了对这些步骤进行详细描述。
在弯曲点/交叉点提取步骤S44中，图像处理设备16将在形状数据提取步骤S43中提取的形状数据以及指定形状添加到图像上。图像处理设备16提取形状数据与指定形状彼此交叉的点作为交叉点。图像处理设备16还提取形状数据上的焊珠的谷底部分的顶点作为弯曲点。
图13是用于描述焊珠的形状数据B、指定形状R以及冠顶5、箍圈6和叶片7的相应表面的关系的说明图。
图像处理设备16提取交叉点i1、交叉点i2、交叉点i6以及交叉点iN，这些点是在形状数据提起步骤S43中提取的形状数据B与指定形状R之间的交叉点。图像处理设备16提取形状数据B上的焊珠的谷底部分的顶点(所述顶点是朝向与指定形状R的中心点O相对的一侧的凸起部分)，作为弯曲点i3至弯曲点i5以及弯曲点i(N-1)。图像处理设备16提取谷底部分的顶点作为弯曲点，不管所述顶点是在指定形状R以内还是在指定形状R以外。
i1、i2、i3…i(N-1)以及iN(N：提取的弯曲点和交叉点的总数)的编号以形状数据B以内X轴值的递增顺序指定给这次提取的交叉点和弯曲点。
在模式切换步骤S45中，图像处理设备16(模式切换单元)确定是执行刨削还是执行焊接。具体而言，图像处理设备16对在形状数据提取步骤S43中提取的形状数据与指定形状进行比较。在弯曲点在指定形状以外，也就是焊珠对于指定形状不足的情况下，图像处理设备16确定执行焊接。在弯曲点在指定形状以内，也就是焊接增强的量足够的情况下，图像处理设备16确定执行刨削。
例如，在图13中所示的情况下，存在弯曲点i3至弯曲点i5，在弯曲点i3至弯曲点i5处，焊珠(形状数据B)对于指定形状来说不足，并且因此图像处理设备16确定执行焊接。
如果确定执行焊接，则图像处理设备16在目标位置计算步骤S46中将在弯曲点/交叉点提取步骤S44中提取的多个弯曲点中的位于指定形状以外的弯曲点作为目标位置。在指定形状以外存在多个弯曲点的情况下，图像处理设备16对多个弯曲点中的每一弯曲点执行目标位置计算步骤S46至机器人控制步骤S49。
在焊接条件计算步骤S47中，图像处理设备16确定：焊接条件，所述焊接条件包括焊接电流、焊接电压、焊接速度以及摆动频率/幅值，选择所述焊接电流、焊接电压、焊接速度以及摆动频率/幅值使得在目标位置处不会发生导致不能焊透的重叠形状；目标位置；以及气割炬姿势。图像处理设备16将所计算的焊接条件、目标位置以及气割炬姿势作为焊接教导数据存储到教导数据存储设备32中。
在焊炬选择步骤S48中，机器人控制设备17选择焊炬52作为将要附着至多关节型机器人12的前端的气割炬，并且切换至焊炬52。在机器人控制步骤S49中，基于存储在教导数据存储设备32中的焊接教导数据，机器人控制设备17在控制多关节型机器人12等的移动以及焊接电源的同时执行焊接。在基于所计算的焊接教导数据执行焊接之后，机器人控制设备17返回至教导数据存储步骤S41，并且再次执行移动轴控制步骤S42至模式切换步骤S45。
如果在模式切换步骤S45中确定执行刨削，则图像处理设备16进行至通过序列选择步骤S50。通过序列选择步骤S50至刨削条件计算步骤S54与第一实施例的焊珠成形预处理(图2)中的通过序列选择步骤S5至刨削条件计算步骤S9基本相同，因此在此省略对这些步骤进行详细描述。
在气刨枪选择步骤S55中，机器人控制设备17选择等离子体气刨枪13作为将要附着至多关节型机器人12的前端的气割炬，并且切换至等离子体气刨枪13。在机器人控制步骤S56中，基于存储在教导数据存储设备32中的刨削教导数据，机器人控制设备17在控制多关节型机器人12等的移动以及刨削电源的同时执行刨削。
除了第一实施例提供的优点之外，根据第三实施例配置如上的焊珠成形设备51和焊珠成形方法不仅能够执行刨削，还能够对焊接增强不足的部分执行焊接。因此，所述焊珠成形设备51和焊珠成形方法能够实现高精度的自动焊珠成形，而与待成形的对象的大小和结构复杂度无关。
应注意，本发明不限于没有任何修改的上述实施例，并且在实际情况下可以在除了上述实施例之外的各种实施例中执行。在不偏离本发明的本质的情况下，可以对本发明进行各种省略、添加、替换以及变型。这些实施例及其变型包括在本发明的精神和本质内，并且也包括在本发明描述的权利要求书及其等效范围以内。
附图标记列表
1，41，51 焊珠成形设备
11 滑块设备
12 多关节型机器人
13 等离子体气刨枪
14 形状传感器
16 图像处理设备
17 机器人控制设备
29 喷嘴
31 移动轴控制设备
32 教导数据存储设备
42 离线教导***
43 用于产品设计的三维CAD
52 焊炬

Claims (9)

1.一种焊珠成形设备，包括：
形状数据提取单元，所述形状数据提取单元从形状传感器获得的测量结果提取待成形的对象的形状数据，其中焊珠形成在所述待成形的对象上，所述形状传感器测量所述待成形的对象的形状；
焊接增强形状提取/去除深度计算单元，所述焊接增强形状提取/去除深度计算单元根据所述待成形的对象的所述形状数据与预设的指定形状之间的差异来计算所述焊珠的焊接增强形状，并且基于所述焊接增强形状来计算通过使用气刨枪执行刨削所去除的去除深度；
目标位置/气割炬姿势计算单元，所述目标位置/气割炬姿势计算单元基于所述焊接增强形状和所述去除深度来计算所述气刨枪的目标位置和姿势；
刨削条件计算单元，所述刨削条件计算单元基于所述焊接增强形状和所述去除深度来计算刨削条件；
驱动设备和控制设备，所述驱动设备驱动所述气刨枪和所述待成形的对象，所述控制设备基于以下各项来控制所述气刨枪：由所述目标位置/气割炬姿势计算单元计算的所述气刨枪的所述目标位置和所述姿势；以及由所述刨削条件计算单元计算的所述刨削条件；
通过序列选择单元，所述通过序列选择单元将所述形状数据与指定形状进行比较，并且在存在其中所述焊珠的增强对于所述指定形状而言不足的部分的情况下划分所述刨削的轨迹；以及
弯曲点/交叉点提取单元，所述弯曲点/交叉点提取单元提取所述形状数据与所述指定形状彼此交叉处的点作为交叉点，并且提取所述形状数据上的所述焊珠的谷底部分的顶点作为弯曲点，其中所述顶点相对于所述指定形状被足够增强，其中
在所述交叉点的数量大于两个的情况下，所述通过序列选择单元计算所述交叉点中的相邻交叉点之间的距离，
在所述距离大于预定值的情况下，所述通过序列选择单元划分所述刨削的轨迹，并且
在所述距离等于或小于所述预定值的情况下，所述通过序列选择单元不划分所述刨削的轨迹。
2.根据权利要求1所述的焊珠成形设备，还包括弯曲点/交叉点提取单元，所述弯曲点/交叉点提取单元提取所述形状数据与所述指定形状彼此交叉处的点作为交叉点，并且提取所述形状数据上的所述焊珠的谷底部分的顶点作为弯曲点，所述顶点相对于所述指定形状被足够增强，其中
所述焊接增强形状提取/去除深度计算单元基于所述交叉点或所述弯曲点中的相邻交叉点或弯曲点之间的所述形状数据和所述指定形状的差异来计算所述焊接增强形状，计算每一个焊接增强形状中的最大焊接增强，并且至少使用所述最大焊接增强的平均值来计算所述去除深度。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的焊珠成形设备，其中
所述驱动设备包括多关节型机器人，并且
所述气刨枪和所述形状传感器附着至所述多关节型机器人，其中所述气刨枪和所述形状传感器与所述多关节型机器人之间的相对位置是固定的。
4.根据权利要求1至2中的任一项所述的焊珠成形设备，其中
所述驱动设备包括具有多个轴的滑块设备，并且
所述多关节型机器人被设置至所述滑块设备的所述多个轴中的任一个。
5.根据权利要求1至2中的任一项所述的焊珠成形设备，还包括：
焊炬，所述焊炬用于对在其上形成所述焊珠的所述待成形的对象进行焊接；以及
模式切换单元，所述模式切换单元在所述焊珠对于所述指定形状来说不足的情况下使用所述焊炬来执行焊接。
6.根据权利要求1所述的焊珠成形设备，其中所述控制设备利用离线教导***来获取去往所述驱动设备的教导数据。
7.根据权利要求1至2中的任一项所述的焊珠成形设备，其中所述气刨枪是等离子体气刨枪。
8.根据权利要求1所述的焊珠成形设备，其中所述气刨枪包括喷嘴，所述喷嘴在刨削期间喷射用于刨削所述焊珠的等离子体气体以及用于去除生成的渣的冷却气体。
9.一种焊珠成形方法，包括：
形状测量步骤，所述形状测量步骤测量待成形的对象的形状；
形状数据提取步骤，所述形状数据提取步骤基于在所述形状测量步骤中获得的测量结果来提取所述待成形的对象的形状数据；
焊接增强形状提取/去除深度计算步骤，所述焊接增强形状提取/去除深度计算步骤根据所述待成形的对象的所述形状数据与预设的指定形状之间的差异来计算焊珠的焊接增强形状，并且根据所述焊接增强形状来计算通过执行刨削所去除的去除深度；
目标位置/气割炬姿势计算步骤，所述目标位置/气割炬姿势计算步骤基于所述焊接增强形状和所述去除深度来计算气刨枪的目标位置和姿势；
刨削条件计算步骤，所述刨削条件计算步骤基于所述焊接增强形状和所述去除深度来计算刨削条件；以及
控制步骤，所述控制步骤基于以下各项来控制驱动设备：在所述目标位置/气割炬姿势计算步骤中计算的所述气刨枪的所述目标位置和所述姿势；以及在所述刨削条件计算步骤中计算的所述刨削条件，所述驱动设备驱动用于所述刨削的所述气刨枪和所述待成形的对象；
通过序列选择步骤，所述通过序列选择步骤将所述形状数据与指定形状进行比较，并且在存在其中所述焊珠的增强对于所述指定形状而言不足的部分的情况下划分所述刨削的轨迹；以及
弯曲点/交叉点提取步骤，所述弯曲点/交叉点提取步骤提取所述形状数据与所述指定形状彼此交叉处的点作为交叉点，并且提取所述形状数据上的所述焊珠的谷底部分的顶点作为弯曲点，其中所述顶点相对于所述指定形状被足够增强，其中
在所述交叉点的数量大于两个的情况下，所述通过序列选择步骤计算所述交叉点中的相邻交叉点之间的距离，
在所述距离大于预定值的情况下，所述通过序列选择步骤划分所述刨削的轨迹，并且
在所述距离等于或小于所述预定值的情况下，所述通过序列选择步骤不划分所述刨削的轨迹。
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