一种用于膜式水冷壁销钉焊接的机器人闭环加工系统的制作方法

本发明属于工业机器人焊接领域,涉及一种用于膜式水冷壁销钉焊接的机器人闭环加工系统，具体地说，是用在膜式水冷壁点焊过程的实时检测反馈和补偿的工业焊接机器人焊接系统。

背景技术：

膜式水冷壁是电厂锅炉炉墙的重要结构部件，由钢管和扁钢沿钢管纵向焊接而成的排面和焊接在排面上的螺柱或者销钉组成。人工焊接销钉方法不仅效率低，而且精度难保证，降低了企业的生产效率。采用工业焊接机器人进行焊接过程中，传统的人工示教方式存在编程繁琐、耗时长的问题，而且由于膜式水冷壁尺寸较大，在焊接当前区域时，由于加工产生的变形将使临近区域的已规划路径程序指令不再准确。因此，准确及时地获取当前加工区域内工件的形状和位姿参数，再进行焊接机器人编程和加工将会大大提高焊接质量和加工精度。

检索现有的技术和文献发现，在焊缝跟踪、钣金折弯、机器人弧焊、装配等领域，在焊接机器人加工之前用视觉传感技术获取工件数据是一种常用的办法。在工作站内或者焊接机器人上安装附加的视觉设备，比如视觉传感器或者工业相机等实时采集现场数据，返回给控制端进行补偿校正和加工路径的再规划，由此形成一个闭环的动态补偿加工系统。这种闭环的加工系统可以有效地提高加工精度，校正理论规划路径和实际路径之间的偏差。目前的这种工业焊接机器人闭环加工系统，大部分是采用的离线编程，不仅要求操作人员具备专业上的机器人学和编程的知识和经验，而且离线编程过程中实际环境参数和理论模型参数之间会有偏差。而对于将销钉焊接到膜式水冷壁上的加工任务，由于工件尺寸较大且销钉数量众多，实时的现场数据反馈补偿和加工方法将会大大提高加工精度。因此，采用机器人闭环加工系统来完成膜式水冷壁销钉焊接任务可提高社会效益和经济效益。

技术实现要素：

本发明针对膜式水冷壁销钉焊接技术的缺陷和现有闭环加工系统中存在的不足，提供一种用于膜式水冷壁销钉焊接的机器人闭环加工系统，融合传感器检测的控制算法，通过激光截面传感器实时采集数据并返回给上位机，通过测量数据对已规划的理论加工路径进行补偿和校正，并生成焊接机器人加工指令，驱动焊接机器人进行加工，由此提高了焊接加工精度，同时简化了机器人编程的过程。

本发明用于膜式水冷壁销钉焊接的机器人闭环加工系统，包括焊接机器人与焊接机器人上安装的焊枪头，以及传感器、上位机、控制器，通讯设备。所述传感器固定安装于焊接机器人上，对膜式水冷壁的轮廓进行扫描。

上位机用于接收用户输入的工艺参数，包括膜式水冷壁的钢管半径、膜式水冷壁的纵向总长度、膜式水冷壁横向总长度与传感器检测参数。其中，传感器检测参数包括：

A、当传感器沿着膜式水冷壁纵向方向检测，需沿着纵向方向对膜式水冷壁进行分区域检测，则传感器检测参数为每个分区的纵向检测距离；

B、当传感器沿着膜式水冷壁横向方向检测，需沿着横向方向对膜式水冷壁分区域检测，则传感器检测参数为每个分区的横向检测距离。

上位机根据膜式水冷壁的钢管半径，上述工艺参数，自动规划当前分区内焊接机器人理论加工路径以及。上位机根据传感器检测参数，自动规划当前分区内的传传感器检测路径，并生成驱动传感器检测的指令，发送至控制器，由控制器控制焊接机器人运动带动传感器执行检测任务，得到传感器检测数据，经处理后得到各个焊接截面上膜式水冷壁钢管的半径R₀与圆心坐标(x_c0，y_c0，z_c0)，并发送至上位机；进而由上位机中设计的校正模块，对理论加工路径中各个焊点坐标进行校正，生成焊接机器人加工指令发送到控制器，控制焊接机器人进行当前分区内的焊接加工任务。

当完成当前分区的膜式水冷壁加工任务后，则重新对下一分区进行上述理论加工路径规划、传感器路径规划、以及焊点位置坐标校正后，进行下一分区内模式水冷壁的加工，直至完成整个膜式水冷壁的加工任务。

本发明的优点在于：

1、本发明用于膜式水冷壁销钉焊接的机器人闭环加工系统，根据用户输入工艺参数自动规划传感器检测路径和焊接机器人理论加工路径，采用传感器测量膜式水冷壁数据用于补偿和校正理论加工路径，从而减小加工误差，提高焊接质量；同时融合传感器检测算法，根据用户输入的工艺参数直接生成焊接机器人指令程序，控制焊接机器人运动，简化了机器人编程方式，克服了传统焊接和人工示教的繁琐耗时的难点，大大降低了对操作人员专业知识技能上的要求，同时节省了人工和时间，具有实际生产应用价值；

2、本发明用于膜式水冷壁销钉焊接的机器人闭环加工系统，采用的激光传感器直接和焊枪头安装在焊接机器人末端，不额外增加设备，安装改造简便易操作；

3、本发明用于膜式水冷壁销钉焊接的机器人闭环加工系统，采用激光截面传感器实时采集现场数据对已规划路径进行补偿和校正，提高了加工精度；

4、本发明用于膜式水冷壁销钉焊接的机器人闭环加工系统，很好地将传感器检测的算法与机器人编程算法融合，实现了焊接加工过程的自动控制，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明用于膜式水冷壁销钉焊接的机器人闭环加工系统整体结构示意图；

图2为本发明用于膜式水冷壁销钉焊接的机器人闭环加工系统校正方法流程图；

图3为本发明用于膜式水冷壁销钉焊接的机器人闭环加工系统中销钉布焊示意图。

图中：

1-焊接机器人 2-焊枪头 3-传感器

4-上位机 5-控制器 6-膜式水冷壁

7-路由器

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明用于膜式水冷壁销钉焊接的机器人闭环加工系统，包括焊接机器人1、焊枪头2、传感器3、上位机4、控制器5与通讯设备，如图1所示。

所述焊接机器人1为焊接臂，其末端安装焊枪头2，用于引导焊枪头2以膜式水冷壁6钢管上焊点法向量方向的位姿进行点焊加工。传感器3为激光截面传感器，通过螺栓固定安装于焊接机器人1末端，使传感器3可跟随焊枪头2运动,由传感器对膜式水冷壁6的轮廓进行扫描。所述的膜式水冷壁6是由扁钢和一定尺寸的钢管连续并排焊接的排面，在电厂锅炉行业中应用较多。

所述上位机4、控制器5、传感器3与焊接机器人1间通过通讯设备实现通讯；其中，上位机4通过以太网线与路由器7相连，路由器7通过以太网线与控制器和传感器3相连，实现上位机4、控制器5与传感器3三者间的通信。所述控制器5和焊接机器人1间通过电缆连接，进行数据和命令的传达。

如图2所示，上位机4内具有输入模块401，使用户将工艺参数输入至上位机4内，工艺参数为膜式水冷壁6的钢管半径、膜式水冷壁6的纵向总长度、膜式水冷壁6横向总长度与传感器3检测参数。其中，传感器3检测参数包括：

A、当传感器3沿着膜式水冷壁6纵向方向检测，需沿着纵向方向对膜式水冷壁6进行分区域检测，则传感器3检测参数为每个分区的纵向检测距离；

B、当传感器3沿着膜式水冷壁6横向方向检测，需沿着横向方向对膜式水冷壁6分区域检测，则传感器3检测参数为每个分区的横向检测距离。

上位机4根据膜式水冷壁6的钢管半径、膜式水冷壁6的纵向总长度、膜式水冷壁6横向总长度与传感器3检测参数，自动规划当前分区焊接机器人1的理论加工路径，按照销钉的排布要求，沿着所述膜式水冷壁6纵向方向每间隔一定距离的焊接截面平面内，按照下述公式规划焊点，得到膜式水冷壁6各个焊接截面上的焊点坐标值：

式(1)中，x,y,z为理论加工路径规划的焊点坐标，x方向为膜式水冷壁6横向方向，y方向为膜式水冷壁6纵向方向，Z方向为与xy平面垂直方向；x_c，z_c为焊接截面圆心的X与Z轴坐标；R为焊接截面圆半径；α为膜式水冷壁6各个焊接截面内销钉焊接方向与竖直方向的夹角；step为传感器3每次沿着纵向方向的检测距离；n为当前传感器3检测次数。

以模式水冷壁相邻三根钢管为例进一步说明理论加工路径的规划：如图3所示，三根钢管上焊接截面间隔40mm；相邻钢管上焊接截面间隔20mm交错排布；且相邻的钢管中，一根钢管的焊接平面上焊接三个销钉，三个销钉焊接方向与竖直方向夹角分别为40°，0°与-45°；另一根钢管的焊接平面上焊接两个销钉，两个销钉的焊接方向与竖直方向加角30°与-30°；则膜式水冷壁6各个焊接截面上的焊点坐标值为：

上位机4根据膜式水冷壁6的纵向总长度、膜式水冷壁6横向总长度与传感器3检测参数，自动规划当前分区内的传感器3检测路径，并生成驱动传感器3检测的指令，发送至控制器5，由控制器5控制焊接机器人1运动带动传感器3执行检测任务，得到传感器3检测数据，并发送至上位机4。传感器3检测数据为传感器3按传感器3检测路径上各个焊接截面周向上点坐标集合。上位机对传感器3检测数据通过最小二乘法拟合圆的方法进行拟合，得到各个焊接截面上膜式水冷壁6的钢管半径R₀与圆心坐标(x_c0，y_c0，z_c0)，并以此通过上位机4中设计的校正模块402，对理论加工路径中各个焊接截面上焊点坐标进行校正，生成焊接机器人1的加工指令发送到控制器5，控制焊接机器人1进行当前分区内的焊接加工任务，使焊接机器人1将销钉按照排布规则，点焊到膜式水冷壁6上校正后的焊点位置处。

通过所述校正模块402可判断膜式水冷壁6在当前分区内是否存在变形，由校正模块通过下述方法计算在传感器3检测路径上各个焊接截面上获取的焊点坐标值与理论加工路径规划的各个焊接截面上焊点坐标值的误差值Δx_c，Δy_c，Δz_c，以及传感器3检测路径上各个焊接截面与理论加工路径规划的各个焊接截面圆半径的误差值ΔR：

式(4)中，x_c，y_c，z_c为焊接截面圆心的X、Y、Z三轴坐标；其中，y_c由传感器3每次沿着纵向方向的检测距离step和当前传感器3检测次数n计算得到。

若式(4)得到误差值在允许误差范围内，则按照理论加工路径对膜式水冷壁6进行销钉焊接；如果其中任意一个误差值超过允许误差范围，则将Δx_c，Δy_c，Δz_c和ΔR按下式，重新规划理论加工路径，完成对理论加工路径上各焊接截面上焊点坐标的校正：

式(5)中，x′,y′,z′为校正后的焊点坐标值。

由此，上例中理论加工路径上各焊接截面上焊点坐标的校正后为：

当完成当前分区的膜式水冷壁6加工任务后，则重新对下一分区进行上述理论路径规划、传感器路径规划、以及焊点位置坐标校正后，进行下一分区内模式水冷壁的加工，直至完成整个膜式水冷壁的加工任务。