CN109834136A - 自动矫直焊接组件的方法 - Google Patents

Abstract

公开一种用于矫直/校正在焊接到金属结构部件时板上发生的变形的自动方法。在列车工业中，当诸如车辆外壳的铝部件焊接到隐藏的结构部件上时，其上可能发生变形。这种变形需要随后进行校正，并且本方法使用机器人和变形表面的光学测量来进行矫直。方法包括以下四个主要步骤。首先，用光学传感器扫描变形表面，以进行物理测量/表征。其次，通过软件将收集数据与期望结果进行比较。第三，一旦完成比较，软件就执行分析以选择在矫直方法中使用的适当参数，所述矫直方法将应用至需要矫直的每个区域。最后，机器人执行软件所指定的操作以执行矫直过程。

Description

自动矫直焊接组件的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年11月24日提交的加拿大专利申请号2,986,676的优先权，所述申请以全文引用的方式并入本文。

技术领域

本主题涉及焊接组件，更具体地，涉及对这种焊接组件的子组件(例如板)中限定的变形的校正。

背景技术

当金属板焊接在支撑结构元件上时，众所周知，这可能导致板的变形。例如，这种可以位于车辆的车身板外部的板相对较薄。当经受将板焊接到位于其后面的支撑结构元件所需的热量时，板发生变形。这种变形通常可以手动校正，但这对制造过程的整个成本具有不利影响。

2002年8月20日授予Guericke等人并且标题为“Method for AutomaticConducting of a Straightening Process(自动进行矫直过程的方法)”的美国专利号6,438,442公开了一种使用矫直装置或矫平机对金属片、条带、部分、管道等待矫直物体，并且特别对线状或多线状物体自动进行矫直过程的方法。方法使用至少一个可通过致动器调整的矫正辊。建立要进行的矫直过程的过程模拟模型，并建立过程模拟程序。过程模拟程序直接“在线”给出可调矫正辊的设置。在矫直过程期间，记录产品数据的变化，特别是材料特性和/或待矫直物体的尺寸的变化，这些变化影响矫直过程的实现。由此，还计算用于设置可调矫正辊的数据，并且发出信号以使用至少一个致动器自动设置可调矫正辊。

1984年1月17日授予Judge,Jr.并且标题为“Production WorkpieceStraightening System(生产工件矫直***)”的美国专利号4,425,776描述了一种用于在公差要求范围内同时校正机动车辆的转向节等不规则工件的多个延伸部分的多个变形的生产***。对于每个变形，提供用于确定方向和幅度的仪表，自动地用于在电子控制器程序下监测超过屈服点的校正挠曲，所述电子控制器程序自动地启动、控制和终止多个工件位置中的每一位置中两个平面中的任一个或两个中的同时校正挠曲。电子控制器程序适用于随相对变形和单独变形而变化，并且适用于用每个连续工件的矫直经验数据更新矫直程序，以便在总工件公差范围内接近多个平面内多个变形的同时单个行程校正挠曲的最佳值。

因此，希望提供一种自动矫直焊接工件的设备和/或过程。

发明内容

因此，希望提供一种用于矫直板等焊接工件的新颖设备和/或过程。

本文描述的实施方案在一个方面提供一种用于至少部分地矫直板等的变形的自动方法，包括：

a)扫描板的变形表面以收集其上的数据；

b)将步骤a)的收集数据与期望结果进行比较；

c)对步骤b)的比较数据执行分析，以选择在表面矫直步骤中使用的至少一个参数；和

d)在由至少一个参数指示的变形表面上执行矫直操作。

附图说明

为了更好地理解本文描述的实施方案并且更清楚地展示它们如可何实施，现在将仅通过实例的方式参考附图，附图示出至少一个示例性实施方案，并且其中：

图1是根据一个示例性实施方案的用于矫直金属板的变形的方法的示意图，所述板通常在其焊接到结构部件期间变形；

图2是根据示例性实施方案的详细说明图1的第三分析步骤的流程图；

图3是根据示例性实施方案的算法的流程图；

图4是展示根据示例性实施方案的部分分析的实施例的图表；和

图5是示出根据示例性实施方案的板的所有扫描部分的最高变形点的示意图。

具体实施方式

在制造领域中众所周知，例如在列车制造业中，焊接操作可能引起金属部件(例如由铝、钢等制成的部件)的变形。例如，将轨道车辆的外壳的外部子组件(例如，板)焊接到其下面的车身结构使这些板经受变形。这些变形需要随后进行校正。通常使用火焰炬加热变形的壳板并减轻它们的内应力，从而进行手动矫直。矫直过程通常包括加热板的特定区域，然后用水和/或通过施加力来约束板的任何其他适当装置来快速冷却板。然而，这种修理板的方式可能成本高昂，并且可能产生不一致的结果，因为它取决于工人的技能水平。除板之外，本主题还可具有其他应用，例如已经历热循环(加热)或已受到外部约束的任何金属结构或部件，所述外部约束产生足以导致金属结构偏离其标称形状(和/或尺寸)的内部约束。焊接部分将变形，因此可认为使用本方法和***来矫直或校正。金属结构可以由板、片、挤压件、梁、轧制或成形管等制成。这些金属结构在车辆、桥面等许多技术领域中有许多应用。应注意，取决于具体应用而使用适当的热源。还应注意，本方法不适用于需要锤打以采用标称形状和/或尺寸的零件。

因此，本主题涉及板的矫直，例如车身板，包括由金属片(也称为蒙皮)或双面中空挤出型制成的板。本主题还提出使用机器人(这里可以理解为潜在地包括机械臂)和光学测量板的表面以进行其矫直，如下文更详细描述。相同的矫直方法可以潜在地应用至在制造步骤之后发生变形的其他应用，例如在焊接操作之后。应注意，在本说明书中，术语矫直或平直应理解为基本上回到其原始或最初预期的形状，无论是2D形状还是3D形状。板可以是平坦的或弯曲的，并且可以具有构成覆盖车辆外部的壳体所需的矩形或任何其他几何或不规则形状。

申请人认为，通过使自动矫直***基于板表面的数字化而自动生成和应用矫直程序，使用自动矫直***可以缩短矫直其车辆外部板所花费的成本和时间。然后，通过板的表面上激光产生的残余应力进行矫直，这些残余应力与由于焊接操作而已经存在的应力相反。所述过程的自动化是基于操纵待矫直板或零件的3D数字化所产生的数据。

例如，本方法可以用四个主要步骤来描述，如图1中示意性所示。首先，在第一扫描步骤10扫描子组件或板13。其次，在比较步骤12处将扫描结果与参考数据进行比较。第三，进行分析步骤14以确定和选择矫直参数。最后，执行矫直步骤16以矫直板13。现在更详细描述所述步骤中的每一步骤。

使用诸如3D扫描仪的测量装置(光学、机械)执行扫描步骤10。在本实施例中，测量装置是光学传感器40，其使用例如激光三角测量法来进行板13的物理测量/表征，其中摄影测量法是激光三角测量法的可能替代方案。请注意，也可以使用位置传感器，例如Faro臂，但通常需要更多时间来扫描表面。因此，在扫描步骤10中，使用光学传感器40来扫描板13并提供对应于板13的表面的数据点云，点云的每个点由其自身的3D坐标定义(X,Y,Z)。

虽然光学传感器40可以手动操作，但是光学传感器40在表面上的操纵优选地使用机器人48自动化，机器人48通常具有与光学传感器40连接的机械臂。因此，机器人48可操作以操纵光学传感器40，以便扫描构成车辆外壳的一个或多个板13的整体。机器人48可以固定到静止基座，并且具有足够的可达范围以扫描整个车辆，或者可以固定在可以沿着车辆移动的移动基座上。或者，例如，车辆可以沿纵向轴线移动，并且机器人48可以固定在静止基座上。在任何情况下，目标是光学传感器40能够完全扫描车辆外壳的所有板。

在比较步骤12处，然后通过计算机软件42将收集数据与期望结果(例如：三维CAD)进行比较。更具体地，在比较步骤12中，将在扫描步骤10中获得并且表示板13的扫描表面的点云与参考表面(其可以是2D或3D CAD模型)进行比较。通过比较例如扫描与参考表面的Z坐标来进行比较，假设X和Y坐标位于参考表面的平面中。由于Z坐标表示参考表面上方的点的高度，因此变形由扫描的Z坐标与参考Z坐标之间的差确定。换句话说，对于相同的X和Y坐标，比较扫描的板表面与参考表面之间的Z坐标，使得可以沿Z轴线确定板的变形。使用软件和计算机执行所述比较步骤，以便可以快速准确地执行。

一旦完成比较步骤12，可以使用计算机和软件42的控制器在分析步骤14处执行分析，以便选择或定义用于即将进行的矫直步骤16的矫直过程的适当参数，应用至需要矫直的板13的每个区域，如通过比较步骤12所确定。所定义的参数可以从至少矫直工具预期随变形遵循的轨迹、矫直工具46的引导速度、矫直工具46的位置、激光功率等中选择。可以监测所述参数，并在需要时在矫直过程中进行调整。

为了在分析步骤14中选择适当的矫直参数，软件可以使用针对特定区域开发的默认值或过程(不论是否预定义)。例如，对板的预期(即，未变形)形状预编程，并且在比较步骤12中，将光学传感器40在扫描步骤10中收集的测量结果与未变形板的预编程或预设数据进行比较。

通过使用算法来计算适当的路径和参数以校正测量的变形，计算机和软件42还可以以智能方式起作用。这种算法可以凭经验(通过先前的实验)或通过任何其他适当的手段来定义，例如人工智能或其他自学技术或机器学习技术。

图2示出用于图1的分析步骤14的流程图的实施例。更具体地，一旦将在扫描10期间扫描的板13的收集数据与期望结果进行比较，算法在20处验证是否存在用于所识别变形的标准校正过程。在肯定的情况下，所述变形的校正参数在22处传递到矫直步骤16期间使用的自动矫直控制器。在否定的情况下，在24处搜索数据库以查找与类似变形情况相关联的已知过程。

所述搜索的结果在26处，并且如果已经找到类似的变形情况，那么所述类似变形情况的参数在22处传递到自动矫直控制器。如果在26处没有识别出类似的变形情况，则在28处使用算法来开发适合于特定变形情况的新矫直过程。

图3中示出由自动矫直控制器在28处使用的算法A的实施例的流程图。在图3中，算法A寻找最大值，即沿着扫描长度的每个部分的最高变形点。在本实施例中对情况进行了简化，因为它表示具有单个顶部的板13的扫描区域。

更具体地，算法A首先在50处加载待矫直板的3D扫描，然后在52处移除视为无效的数据点。在54处，算法A将扫描表面切割成具有确定宽度(对应于X轴线的宽度)的小条带，从而产生待分析表面的区域、条带或部分67。图5描绘扫描表面和每个待分析部分67。这些部分的宽度可以根据所需的精度而变化。在56处，算法A筛选数据点并仅保留当前部分的数据点。这类数据点在图4中的58处示出。图4示出与图3的流程图相关联的示例性部分分析的示意图。

对于每个部分67，算法A然后在59处使用数据点云62在YZ平面中确定部分67的横截面69，如图4所示。然后，算法A在60处确定用于描述所述横截面69的形状的中线61。在64处，算法A确定中线61的最大值30(Z方向上的最高点)，然后在66处，算法A计算与中线61的形状最佳匹配的多项式表达式。绘制时，所述多项式表达式对应于图4中的趋势线6。

在70处，算法A计算多项式表达式的导数，并且通过使用所述导数在最大值30两侧的数值，算法A计算当前分析部分的脊角θ，本文中指示为65。在72处，算法A确定刚刚分析的部分67是否是待分析的扫描的最后部分；如果不是最后部分，那么重复步骤56、60、64、66和70。如图5所示，一旦分析了所有待分析部分67的所有横截面69，就可以产生扫描表面的图像，最大值30表示构成脊线63的多个顶点，并且在74处计算所有部分的平均脊角。

然后，算法A在76处确定平均脊角是否高于预定阈值角度。如果平均脊角高于阈值角度，那么算法A在78处选择重度弯曲程序，而如果平均脊角不高于阈值角度，那么算法A在80处选择中度弯曲程序。可选地，可以预先确定多于一个阈值，使得可基于两个以上的不同程序而做出选择。

然后，算法A在82处生成用于机器人44的程序，其中每个部分67的横截面69的最大值30变为矫直工具的轨迹上的点。然而，算法A可能确定工具的轨迹在最大值30的至少一些旁边穿过，因此不直接在其这些最大值上。图5例示这些最大值30，即板13的扫描部分67的每个确定横截面69的最高变形点。同样，一系列最大值30定义脊线63，所述脊线63也对应于矫直工具的轨迹。图5中的各种灰色阴影表示变形水平，对应于板13的表面沿Z轴线的位移。沿着板13的左侧和右侧的较暗区域显示出比在其中间出现的较浅灰色区域更小的变形。

示例性算法A选择矫直策略，即作为在板13上检测到的变形水平的函数的参数(速度、功率等)的特定组合。在本实施例中，仅使用两个变形水平：<3度(80处的中度弯曲)，和>3度(78处的重度弯曲)。为了识别变形水平，将10个样本测量值(每个变形水平5个测量值)的数据库提供给算法A进行比较。

矫直策略可以通过实验研究获得。这些矫直策略考虑了与板13相关联的温度限制和加热持续时间限制。这些限制是材料特有的，并且可从百科全书等文献获得。在本实施例中，被调整的唯一参数是激光功率水平。而且，在本实施例中没有停留时间，因为激光遵循连续轨迹，即没有停止，而当使用火焰炬来矫直板时，通常需要将火焰留在相同位置达一段时间，以使其达到板的精确区域的适当温度。

最后，机器人44在第四矫直步骤16处执行由自动矫直控制器指定的操作，所述自动矫直控制器使用软件42，同时考虑在分析步骤14中所定义的参数。这些操作包含在矫直策略中。机器人44使用具有在分析步骤14中指定的定义参数的矫直工具46来进行矫直过程。矫直工具46可以是但不限于激光器、感应式电机或可以加热或诱发待矫直板13中的热量的任何其他适当的装置。如图1中的18所示，可以在矫直步骤16中提供各种控制和调整。例如，可以在矫直过程中使用温度监测装置以确保适当的加热温度。所述温度监测装置可以是例如高温计或红外摄像机。

在本实施例中，应用矫直策略足以将待矫直板13的表面矫直到可接受的水平，由此使得不需要使用约束机构的物理干预。

从经济角度来看，机器人44和48实际上可以由配备有工具架的单个机器人代替，所述工具架允许其更换其自身的工具。例如，在使用矫直工具46时，光学传感器40可以放置在工具架上，反之亦然。

可选地，也可以在矫直步骤16的矫直过程中几乎同时进行光学测量。在这种情况下，单个机器人48保持光学传感器40和矫直工具46。光学传感器40在矫直工具46之前扫描板13的表面，并在步骤12处将扫描数据发送到控制器进行分析，所述控制器在步骤14处定义所需参数，并根据所述定义的参数控制矫直工具46。然后，这种连续的在线或实时测量和矫直过程可以包括在矫直过程中直接自适应的***。例如，这种***可以取决于处理区域以“实况”或实时方式的反应来调整矫直参数。

四个步骤10、12、14和16也可以迭代进行，直到获得所需的结果。矫直后，可以进行最终扫描，以便向工人提供最终的变形报告。

本方法可潜在地缩短矫直时间，并且还减少与工人技能和感知相关的可变性。此外，所提出的方法改善矫直过程的结果和精度。有趣的是，本发明的矫直过程也可有助于降低成品车辆的重量，因为甚至用于壳体外板表面的腻子也得以减少或甚至消除。

虽然以上描述提供了实施方案的实施例，但是应当理解，在不脱离所描述的实施方案的操作的精神和原理的情况下，所描述实施方案的一些特征和/或功能易于修改。因此，以上描述的内容旨在说明实施方案而非限制，并且本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求书所定义的实施方案的范围的情况下，可以做出其他变型和修改。

Claims (36)

1.一种用于至少部分地校正金属部件等的变形的自动方法，包括：

a)扫描所述金属部件的变形表面以收集其上的数据；

b)将步骤a)的所述收集数据与期望结果进行比较；

c)对步骤b)的所述比较数据进行分析，以选择在表面校正步骤中使用的至少一个参数；和

d)使用所述至少一个参数在所述变形表面上执行校正操作。

2.如权利要求1所述的方法，其中在步骤a)中，用光学传感器扫描所述变形表面。

3.如权利要求1和2中任一项所述的方法，其中在步骤a)中，所述收集数据包括所述变形表面的测量和表征中的至少一个。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其中在步骤b)中，使用软件比较所述数据与所述期望结果。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中在步骤c)中，使用软件执行所述分析。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中在步骤c)中，选择参数，所述参数适用于应用至所述需要校正的变形表面的每个区域。

7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中在步骤d)中，提供适用于执行所述校正操作的机器人。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其中在步骤d)中，所述校正操作由软件指定并基于步骤c)中建立的所述参数。

9.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中在步骤d)中，提供一种机器人，其适用于执行由软件指定并基于在步骤c)中建立的所述参数的所述校正操作。

10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中执行步骤d)而无需物理接触所述金属部件。

11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中通过加热所述金属部件来执行步骤d)。

12.如权利要求11所述的方法，其中使用激光执行步骤d)。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述激光安装在机械臂上。

14.如权利要求1至13中任一项所述的方法，其中使用3D激光扫描仪来执行步骤a)。

15.如权利要求1至14中任一项所述的方法，其中步骤c)中的所述至少一个参数选自包括功率、时间、变形、轨迹和温度的列表。

16.如权利要求1至15中任一项所述的方法，其中步骤a)和d)由控制器控制。

17.如权利要求16所述的方法，其中步骤b)和c)也由所述控制器控制。

18.如权利要求1至17中任一项所述的方法，其中步骤c)包括识别所述金属部件的最高变形点。

19.如权利要求18所述的方法，其中步骤d)包括沿着所述最高变形点中的至少两个基本上穿过的轨迹加热所述金属部件。

20.如权利要求1至19中任一项所述的方法，其中所述金属部件包括金属板。

21.如权利要求1至19中任一项所述的方法，其中所述金属部件为金属板。

22.一种自动校正变形金属部件的***，包括：

-传感器，用于感测所述金属部件的表面并且生成代表所述所感测表面的数据；

-机械臂；

-附着在所述机械臂上的发热器；和

-控制器，可操作以分析所述数据并且生成至少一个用于控制所述机械臂和所述发热器中的至少一个的特性。

23.如权利要求22所述的***，其中所述控制器控制所述机械臂，由此使得所述发热器不与所述金属部件物理接触。

24.如权利要求23所述的***，其中所述发热器是激光。

25.如权利要求24所述的***，其中所述传感器是3D扫描仪。

26.如权利要求22至25中任一项所述的***，其中所述金属部件包括金属板。

27.如权利要求22至25中任一项所述的***，其中所述金属部件为金属板。

28.一种自动校正变形金属部件的***，包括：

-传感器，用于感测所述金属部件的表面；

-算法；

-用于生成代表所述感测表面的数据；

-发热器；和

-控制器，可操作以分析所述数据并且生成至少一个用于控制所述发热器的至少一个的特性。

29.如权利要求28所述的***，其中所述发热器附着至机械臂。

30.如权利要求29所述的***，其中所述控制器可操作以生成至少一个用于控制所述机械臂和所述发热器中的至少一个的特性。

31.如权利要求29至30中任一项所述的***，其中，所述控制器控制所述机械臂，由此使得所述发热器不与所述金属部件物理接触。

32.如权利要求28至31中任一项所述的***，其中所述发热器包括激光。

33.如权利要求32所述的***，其中所述激光是焊接激光。

34.如权利要求28所述的***，其中所述传感器是3D扫描仪。

35.如权利要求28至34中任一项所述的***，其中所述金属部件包括金属板。

36.如权利要求28至34中任一项所述的***，其中所述金属部件为金属板。