CN115194374A - 基于t/k/y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置 - Google Patents

基于t/k/y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及T/K/Y导管架焊接领域，具体涉及一种基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，包括焊枪，所述焊枪的前侧设置有由XZ轴运动控制模块驱动的焊缝跟踪模块，位于焊缝跟踪模块的前侧下部安装有焊枪姿态反馈控制模块及电磁感应预热模块，位于焊缝跟踪模块的旁侧设置有气体检测模块，所述焊枪的后侧还连接有质量熔透控制模块，位于质量熔透控制模块与焊枪之间还设置有应力释放模块。该传感器有效解决了导管架T/K/Y节点焊缝跟踪激光视觉传感器反馈信息单一、灵活性差、焊后应力释放复杂、质量熔透控制难等问题。

Description

基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接 装置
技术领域
本发明涉及T/K/Y导管架焊接领域，具体涉及一种基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置。
背景技术
随着海上风电行业发展迅速，人们对导管架T/K/Y节点的焊接效率提出了更高的要求。然而导管架管材直径大、管壁厚，需多层多道焊接。传统的人工焊接严重依赖于焊工技术，且焊接环境恶劣，焊接质量的一致性及效率无法得到保障。焊缝跟踪是提高焊接自动化水平的重要策略，跟踪的准确性与传感器获取的焊接环境信息密切相关，以视觉传感器应用最广。为了解决传感器获取信息的准确性，保证较好的采集图像质量，简化焊缝图像处理算法，提高焊接质量，需要对传感器结构进行设计。但一般的视觉焊缝跟踪传感器仅能获取视觉信息，反馈的信息量单一，无法同时完成质量熔透控制，且传感器的安装距离由人工测量，无法自适应调整，存在人为安装误差；现有质量熔透控制传感器功能单一，当焊接未达到熔透状态时，一般停机报错，需要人工干预，无法实时在线调节焊接参数；此外，由于焊接参数调节后熔池的热输入惯性引起的控制延迟现象没有可行的解决方案，无法保证整条焊缝处于良好的熔透状态。最后，现有传感器一般无焊后应力释放的功能，而现有工序的焊后应力释放工序复杂，无法满足导管架T/K/Y节点复杂的焊接过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，该焊接装置有效解决了导管架T/K/Y节点焊缝跟踪激光视觉传感器反馈信息单一、灵活性差、焊后应力释放复杂、质量熔透控制难等问题。
本发明的技术方案在于：一种基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，包括焊枪，所述焊枪的前侧设置有由XZ轴运动控制模块驱动的焊缝跟踪模块，位于焊缝跟踪模块的前侧下部安装有焊枪姿态反馈控制模块及电磁感应预热模块，位于焊缝跟踪模块的旁侧设置有气体检测模块，所述焊枪的后侧还连接有质量熔透控制模块，位于质量熔透控制模块与焊枪之间还设置有应力释放模块。
进一步地，所述焊缝跟踪模块包括前外壳，所述前外壳内安装有镜头朝下的CCD相机和激光器固定支架，所述激光器固定支架上经调节旋钮安装有激光发射器；所述前外壳的下部设置有防护玻璃。
进一步地，所述XZ轴运动控制模块包括横向设置的X轴螺母丝杠，所述X轴螺母丝杠的螺母座上安装有Z轴螺母丝杆，所述Z轴螺母丝杆的螺母座与前外壳固定连接，所述前外壳的后侧设置有容纳仓，所述容纳仓内设置有耐高温测距传感器和力学传感器。
进一步地，所述焊枪姿态反馈控制模块包括安装于前外壳前侧下部并有驱动电机驱动旋转的齿轮，所述齿轮上连接有超声波传感器。
进一步地，所述电磁感应预热模块包括安装于前外壳前侧下部的倒U型罩壳，所述倒U型罩壳内安装有电磁感应加热元件。
进一步地，所述气体检测模块包括设置于容纳仓内的气体传感器。
进一步地，所述质量熔透控制模块包括连接于焊枪后方的后外壳，所述后外壳内经隔板分隔为位于前侧的第一腔室和位于后侧的第二腔室，所述第一腔室内安装有红外相机，所述第二腔室内安装有激光焊接头并配置有焊接参数调节电路板。
进一步地，所述后外壳经连接角码与焊枪的连接块相连接，所述第一腔室内设置有燕尾片，所述红外相机经燕尾片调节旋钮与后外壳相连接；所述第一腔室的下侧部设置有防护玻璃。
进一步地，所述应力释放模块包括与固定在焊枪上的连接块相连接的固定片，所述固定片的下侧安装有三爪卡盘，所述三爪卡盘的下侧经弹簧连接有由驱动机构驱动升降并位于焊枪尾部的敲击锤。
进一步地，所述敲击锤上固定有伸入弹簧的固定柱；所述驱动机构包括经螺纹与敲击锤相连接的连接杆，所述连接杆的另一端竖向固定有齿条，由步进电机驱动的齿轮与齿条相啮合。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
（1）该焊接装置集焊前预热、焊接过程跟踪、焊接质量熔透控制、气体安全监测、焊后应力释放等功能于一体，有效的解决了导管架T/K/Y节点焊缝跟踪激光视觉传感器反馈信息单一、灵活性差、焊后应力释放复杂、质量熔透控制难等问题。此传感器具有较好的通用性，便于调节与安装，有广阔的市场及应用前景。
（2）该焊接装置有效解决了由于焊接参数调节后熔池的热输入存在惯性引起的熔透控制延迟问题，能对未达到熔透状态的焊接部分进行激光重熔处理，保证整条焊缝的熔透状态。
（3）该焊接装置能确保成像质量，简化了图像处理难度，建立了上位机监控***与执行机构的通信联系，跟踪结果具有可视化的功能，缩短了计算机处理时间，提高了***实时性。此外，无需焊前对焊枪运动程序人工编辑，通过实时识别焊缝轨迹，自动控制焊枪运动，去除人工示教，增加焊接装置的灵活性，提高焊接效率。
（4）该焊接装置利用焊缝跟踪信息形成的电磁感应预热闭环控制***，具有边加热边跟踪的优点，大大缩短了焊前人工预热时间，进一步提高了焊接生产效率和质量。
（5）该焊接装置可实时在线监测焊枪行进方向的障碍物，有效的避免传感器监测盲区错误触发运动控制命令导致焊接失败的问题，节省的了新的路径规划时间，提升了焊接的安全系数和自动化水平，减少了人工干预和停车等待时间，提高了生产效率，为涉及焊枪位姿实时变化的T/K/Y导管架空间曲线焊缝进行轨迹识别自动化焊接提供了可能性。
（6）该焊接装置设置有 XZ轴控制模块，无需调整传感器其他部分便能灵活调整前外壳与焊枪、焊接工件表面距离，自适应不同的焊接工况。于此同时，上位机监控***开发有自动记录工作位置的功能，有效降低了人为重复安装引起的位置误差。
（7）该焊接装置通过上位机监控***用于处理各个模块传输的信号，能实时采集与处理图像，实现处理结果可视化与硬件参数设置，协调硬件***各个功能模块的运作。
（8）该焊接装置的应力释放模块通过步进电机控制弹簧的伸缩，配合固定柱保证敲击锤能准确敲击下方的焊接工件，无需人工干预，提高了自动化水平。
附图说明
图1为本发明的传感器结构示意图；
图2为本发明的传感器俯视图；
图3为本发明的主流程***图；
图4为本发明的质量熔透控制框图；
图中：101-激光焊接头；102-调节旋钮；103-燕尾片；104-红外相机；105-连接角码；106-焊枪；107-焊枪连接块；108-连接片；109-CCD固定支架；110-Z轴螺母丝杠；111-激光器调节旋钮；112-前外壳；113-线激光器；114-激光器固定支架；115-后外壳；116-防护玻璃；117-连接固定片；118-三爪卡盘；119-固定柱；120-弹簧；121-敲击锤；122-连接杆；123-齿条；124-齿轮；125-步进电机；126-防飞溅挡板；127-CCD相机；128-防护玻璃；129-倒U型罩壳；130-感应线圈；131-超声波传感器；132-X轴螺母丝杆；201-力学传感器；202-耐高温激光测距传感器；203-气体传感器；204-电机控制器；205-焊接参数调节电路板；206-容纳仓。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1至图4
一种基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，包括焊枪106，所述焊枪的前侧设置有由XZ轴运动控制模块驱动的焊缝跟踪模块，位于焊缝跟踪模块的前侧下部安装有焊枪姿态反馈控制模块及电磁感应预热模块，位于焊缝跟踪模块的旁侧设置有气体检测模块，所述焊枪的后侧还连接有质量熔透控制模块，位于质量熔透控制模块与焊枪之间还设置有应力释放模块。通过上位机监控***，检测焊接过程中的熔池状态，控制焊接质量熔透的同时，实现焊缝跟踪、焊前预热、气体安全监测、焊后应力释放等功能，进一步提高焊接质量。
本实施例中，所述焊缝跟踪模块包括前外壳112，所述前外壳的左侧内壁上垂直安装有镜头朝下的CCD相机127和激光器固定支架114，所述激光器固定支架上经调节旋钮111安装有激光发射器113，可灵活调节安装角度。所述前外壳的下部设置有防护玻璃128。所述CCD相机用于采集焊接过程的图像，经连接线传输至上位机监控***处理，处理后的信息反馈给机器人及其他模块，实现焊缝跟踪模块及其他模块的协调运作。
本实施例中，所述前外壳的后部固定有向下延伸的防飞溅挡板126，从而方式焊接过程中的溅到防护玻璃上。
本实施例中，所述XZ轴运动控制模块包括横向设置的X轴螺母丝杠132，所述X轴螺母丝杠由步进电机驱动，且X轴螺母丝杠的一端经连接片108与焊枪的连接块相连接。所述X轴螺母丝杠的螺母座上安装有Z轴螺母丝杆110，所述Z轴螺母丝杆由步进电机驱动。所述Z轴螺母丝杆的螺母座与前外壳固定连接，所述前外壳的后侧设置有容纳仓206，所述容纳仓内设置有耐高温测距传感器202和力学传感器201。
本实施例中，所述Z轴螺母丝杆通过设置上位机监控***的焦距参数，可获得传感器的最佳观测高度，通过耐高温测距传感器与Z轴螺母丝杆的步进电机的电连接自动调整传感器高度，以实现相机拍摄效果达到最佳。所述力学传感器与X轴螺母丝杠的步进电机电连接，由力学传感器感知飞溅信号的强弱，根据算法自动调节传感器与焊枪的距离，进而调整激光条纹与焊接熔池的距离，提高跟踪精度。此XZ轴控制模块无需调整传感器其他部分，能自适应不同的焊接工况，灵活调整前外壳与焊枪、焊接工件表面距离。于此同时，上位机监控***有自动记录工作位置的功能，有效降低了人为重复安装引起的位置误差。
本实施例中，所述焊枪姿态反馈控制模块包括安装于前外壳前侧下部并有驱动电机驱动旋转的齿轮，所述齿轮上连接有超声波传感器131，从而通过电机的旋转带动齿轮的转动，实时在线灵活调整超声传感器的探测角度。
本实施例中，所述焊枪姿态反馈控制模块安装于电磁感应预热模块的旁侧，用于实时在线监测焊枪行进方向的障碍物，有效的避免传感器监测盲区错误触发运动控制命令导致焊接失败的问题，从而实现焊枪姿态的闭环控制，防止焊枪行进过程中发生碰撞。通过该模块节省了新的路径规划时间，实现焊缝跟踪的同时自动反馈焊枪姿态与避障，提升了焊接的安全系数和自动化水平，减少了人工干预和停车等待时间，提高了生产效率。
本实施例中，所述电磁感应预热模块包括安装于前外壳前侧下部的倒U型罩壳129，所述倒U型罩壳内安装有电磁感应加热元件，通过倒U型罩壳约束磁力线使其仅通过感应线圈130下方的待焊工件，避免在焊接过程造成磁场干扰，影响其他元器件的运作。焊缝跟踪模块反馈的轨迹信息可以使传感器整体结构在焊接行进方向上移动，从而带动电磁感应预热模块对即将待焊的工件实时在线预热。一方面减小成型时工件与焊接熔池的温度差,从而降低焊接工件与熔池之间的热应力,进一步提高焊接质量。另一方面，电磁感应加热方式无需与焊接工件接触，克服了等离子弧加热产生的金属蒸汽模糊视觉镜头的干扰，相比于电阻加热具有较高的产热效率，满足焊缝跟踪的实时性要求。此外，利用焊缝跟踪信息形成的电磁感应预热闭环控制***，具有边加热边跟踪的优点，大大缩短了焊前人工预热时间，进一步提高了焊接生产效率和质量。
本实施例中，所述气体检测模块包括设置于容纳仓内的气体传感器203，从而用于自动监测焊接工作环境中是否存在气体泄露，若存在泄露情况则触发报警信号，保障了焊接操作者的生命安全。
本实施例中，所述质量熔透控制模块包括连接于焊枪后方的后外壳115，所述后外壳内经隔板分隔为位于前侧的第一腔室和位于后侧的第二腔室，所述第一腔室内安装有红外相机104，所述第二腔室内安装有激光焊接头101并配置有焊接参数调节电路板205，所述焊接参数调节电路板安装于容纳仓内206。
本实施例中，所述后外壳经连接角码105与焊枪的连接块107相连接，所述第一腔室内设置有燕尾片103，所述红外相机与燕尾片相连接并通过燕尾片调节旋钮102实现锁定，从而通过燕尾片调节旋钮可以拆卸且能灵活调整红外相机观测视角。所述第一腔室的下侧部设置有防护玻璃116。
本实施例中，红外相机用于采集正面的熔池图像，通过上位机监控***处理实时获得正面熔池特征，当实际背面熔宽不在全熔透对应背面熔宽区间时，根据熔透控制模型的输出对焊接参数进行调节，从而改变焊缝热输入，最终改变熔透状态。由于焊接参数调节后熔池的热输入存在惯性，正面熔池形状和背面熔透状态需要经过一个过渡时间才能达到稳定状态,难免出现熔透控制延迟的现象，此时则根据控制信号启动置于红外相机后方的激光焊接头，对未达到熔透状态的焊接部分进行激光重熔处理，保证已焊样件达到熔透状态。焊接参数调节电路板安装于容纳仓内，共有两路输出信号。其中一路给电焊机或者速度控制箱。用来调节焊接电压或焊接速度等焊接参数；另外一路信号通过端子输送给计算机，该路信号通过开关的闭合和断开分别对应着高电平和低电平信号，信号与计算机中图像采集程序相连，实现当开关切换时，改变熔池图像的存储名称，实现焊接参数的动态变化与图像采集的同步性。
本实施例中，所述应力释放模块包括与固定在焊枪上的连接块相连接的固定片117，所述固定片的下侧安装有三爪卡盘118，所述三爪卡盘的下侧经弹簧120连接有由驱动机构驱动升降并位于焊枪尾部的敲击锤121。三爪卡盘可人为根据焊接样件大小选择锤头样式，方便安装与拆卸。
本实施例中，所述敲击锤上固定有伸入弹簧的固定柱119，用于防止弹簧错位变形，使得敲击锤能准确敲击下方的焊接工件。
本实施例中，所述驱动机构包括经螺纹与敲击锤相连接的连接杆122，方便拆卸。所述连接杆的另一端竖向固定有齿条123，由步进电机125驱动的齿轮与齿条相啮合。步进电机旋转时，带动弹簧上下运动，从而实现敲击锤上下敲击焊接工件，释放应力。通过上位机监控***控制步进电机转动的步数与运转时间，从而改变弹簧的伸缩量以控制敲击锤的敲击力度与敲击时间。
本实施例中，通过设置上位机监控***用于处理各个模块传输的信号，实现处理结果可视化与硬件参数设置的功能。采用多线程的通信方式实现实时采集与图像处理的功能，缩短了计算机处理时间，提高了***实时性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，包括焊枪，其特征在于，所述焊枪的前侧设置有由XZ轴运动控制模块驱动的焊缝跟踪模块，位于焊缝跟踪模块的前侧下部安装有焊枪姿态反馈控制模块及电磁感应预热模块，位于焊缝跟踪模块的旁侧设置有气体检测模块，所述焊枪的后侧还连接有质量熔透控制模块，位于质量熔透控制模块与焊枪之间还设置有应力释放模块。
2.根据权利要求1所述的基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，其特征在于，所述焊缝跟踪模块包括前外壳，所述前外壳内安装有镜头朝下的CCD相机和激光器固定支架，所述激光器固定支架上经调节旋钮安装有激光发射器；所述前外壳的下部设置有防护玻璃。
3.根据权利要求2所述的基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，其特征在于，所述XZ轴运动控制模块包括横向设置的X轴螺母丝杠，所述X轴螺母丝杠的螺母座上安装有Z轴螺母丝杆，所述Z轴螺母丝杆的螺母座与前外壳固定连接，所述前外壳的后侧设置有容纳仓，所述容纳仓内设置有耐高温测距传感器和力学传感器。
4.根据权利要求2或3所述的基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，其特征在于，所述焊枪姿态反馈控制模块包括安装于前外壳前侧下部并有驱动电机驱动旋转的齿轮，所述齿轮上连接有超声波传感器。
5.根据权利要求2或3所述的基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，其特征在于，所述电磁感应预热模块包括安装于前外壳前侧下部的倒U型罩壳，所述倒U型罩壳内安装有电磁感应加热元件。
6.根据权利要求3所述的基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，其特征在于，所述气体检测模块包括设置于容纳仓内的气体传感器。
7.根据权利要求1、2、3或6所述的基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，其特征在于，所述质量熔透控制模块包括连接于焊枪后方的后外壳，所述后外壳内经隔板分隔为位于前侧的第一腔室和位于后侧的第二腔室，所述第一腔室内安装有红外相机，所述第二腔室内安装有激光焊接头并配置有焊接参数调节电路板。
8.根据权利要求7所述的基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，其特征在于，所述后外壳经连接角码与焊枪的连接块相连接，所述第一腔室内设置有燕尾片，所述红外相机经燕尾片调节旋钮与后外壳相连接；所述第一腔室的下侧部设置有防护玻璃。
9.根据权利要求1、2、3、6或8所述的基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，其特征在于，所述应力释放模块包括与固定在焊枪上的连接块相连接的固定片，所述固定片的下侧安装有三爪卡盘，所述三爪卡盘的下侧经弹簧连接有由驱动机构驱动升降并位于焊枪尾部的敲击锤。
10.根据权利要求9所述的基于T/K/Y导管架的线激光焊缝跟踪与质量熔透控制的焊接装置，其特征在于，所述敲击锤上固定有伸入弹簧的固定柱；所述驱动机构包括经螺纹与敲击锤相连接的连接杆，所述连接杆的另一端竖向固定有齿条，由步进电机驱动的齿轮与齿条相啮合。
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