本發(fā)明涉及橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制領(lǐng)域，是一種基于結(jié)構(gòu)光視覺、姿態(tài)傳感和被動視覺的橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制方法。

背景技術(shù)：

1、gtaw(非熔化極氣體保護(hù)焊)大量應(yīng)用于航空航天、海工裝備、核電建設(shè)等領(lǐng)域，尤其是近年來電弧增材技術(shù)的飛速發(fā)展，對填絲gtaw的自動化、智能化程度提出了更高的要求。在橫向gtaw鋼管對接焊接中，焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)對焊縫成型有著至關(guān)重要的影響。本發(fā)明公開了一種機(jī)器人橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制方法，通過在焊接過程中，控制焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)，從而提高焊接過程穩(wěn)定性以及焊縫質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、機(jī)器人橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制方法，用于機(jī)器人gtaw鋼管對接中控制焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)，以獲得更好的焊接質(zhì)量，其特征在于：所述機(jī)器人橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制方法利用機(jī)器人gtaw鋼管橫向?qū)雍附z、焊槍、電弧姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；所述機(jī)器人橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制系統(tǒng)由基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感的鋼管姿態(tài)識別系統(tǒng)、機(jī)器人gtaw鋼管對接填絲姿態(tài)控制系統(tǒng)、機(jī)器人gtaw鋼管對接焊槍姿態(tài)控制系統(tǒng)和電弧熱量控制系統(tǒng)組成；基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感的鋼管姿態(tài)識別方法利用結(jié)構(gòu)光視覺傳感的鋼管姿態(tài)識別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；所述基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感的鋼管姿態(tài)識別方法用于識別鋼管的姿態(tài)；機(jī)器人gtaw鋼管對接填絲姿態(tài)閉環(huán)控制方法利用機(jī)器人gtaw鋼管對接填絲姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；所述機(jī)器人gtaw鋼管對接填絲姿態(tài)閉環(huán)控制方法用于控制填絲姿態(tài)；所述機(jī)器人gtaw鋼管對接焊槍姿態(tài)閉環(huán)控制方法利用機(jī)器人gtaw鋼管對接焊槍姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；所述機(jī)器人gtaw鋼管對接焊槍姿態(tài)閉環(huán)控制方法用于控制焊槍姿態(tài)；所述基于被動視覺的電弧熱量控制方法用于控制電弧熱量。機(jī)器人橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2、機(jī)器人橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感的鋼管姿態(tài)識別系統(tǒng)由線激光、左眼相機(jī)、右眼相機(jī)和鋼管圖像處理系統(tǒng)組成；所述線激光投影光柵條紋至鋼管表面；所述左右眼相機(jī)分別采集工件反射的激光條紋；所述線激光、左眼相機(jī)和右眼相機(jī)在同一水平線上且與背板固定；所述鋼管圖像處理系統(tǒng)處理左右眼相機(jī)通過通訊總線所傳輸?shù)膱D像；基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感的鋼管姿態(tài)識別方法通過鋼管圖像處理系統(tǒng)得到鋼管與世界坐標(biāo)系x軸的夾角α，與y軸的夾角β、與z軸的夾角γ；所述世界坐標(biāo)系以旋轉(zhuǎn)工作臺底面中心為原點(diǎn)，y軸與背板平行，x軸與y軸垂直，且x與y軸在旋轉(zhuǎn)工作臺底面平面上，z軸豎直向上與x、y軸垂直；所述鋼管圖像處理系統(tǒng)通過標(biāo)定獲取左眼相機(jī)和右眼相機(jī)的內(nèi)參和外參；所述內(nèi)參為相機(jī)焦距和主點(diǎn)坐標(biāo)；所述外參為相機(jī)相對于世界坐標(biāo)系位置和姿態(tài)，采用相移法獲取絕對相位，基于相位進(jìn)行雙目匹配比較左右眼相機(jī)圖像中相同特征點(diǎn)的位置差異計(jì)算出視差，進(jìn)行三維點(diǎn)云的重建從而得到鋼管的三維空間信息?；诮Y(jié)構(gòu)光視覺傳感的鋼管姿態(tài)識別方法方法流程圖如圖3所示、世界坐標(biāo)系示意圖如圖5所示、工件與xyz的夾角α，β和γ示意圖如圖6所示。

3、機(jī)器人橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述機(jī)器人橫向gtaw鋼管對接填絲姿態(tài)控制系統(tǒng)由填絲姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)、送絲管和填絲控制系統(tǒng)組成；所述填絲姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)由填絲六軸姿態(tài)傳感器、機(jī)械手臂和傳動導(dǎo)軌組成；所述填絲姿態(tài)控制系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)械手臂和傳動導(dǎo)軌移動到預(yù)設(shè)的填絲位置；機(jī)器人gtaw鋼管對接填絲姿態(tài)閉環(huán)控制方法通過填絲姿態(tài)六軸傳感器獲得送絲管的姿態(tài)；所述填絲姿態(tài)六軸傳感器固定在送絲管前端且與送絲管同步運(yùn)動；所述填絲姿態(tài)六軸傳感器內(nèi)部整合了三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，通過通訊總線將送絲管姿態(tài)信號傳遞給填絲控制系統(tǒng)；送絲管姿態(tài)處于預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)無需調(diào)整，送絲管姿態(tài)在預(yù)設(shè)閾值范圍外填絲控制系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)械臂和傳動導(dǎo)軌使送絲管回歸至預(yù)設(shè)范圍內(nèi)；所述預(yù)設(shè)范圍焊絲與x軸夾角為α，與y軸夾角為(β-90°)，與z軸夾角為(γ+70°)～(γ+80°)；所述夾角α、β和γ是鋼管與世界坐標(biāo)系x軸的夾角α，與y軸的夾角β、與z軸的夾角γ。焊槍和焊絲與工件的相對位置示意圖如圖4所示。

4、機(jī)器人橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述的機(jī)器人gtaw鋼管對接焊槍姿態(tài)控制系統(tǒng)由焊槍、焊槍搖桿、四向移動軌道、焊槍六軸姿態(tài)傳感器和焊槍姿態(tài)控制系統(tǒng)組成；所述焊槍搖桿調(diào)節(jié)焊槍與背板夾角∈；所述四向移動軌道調(diào)節(jié)焊槍沿世界坐標(biāo)系x和y軸方向自由移動；所述焊槍姿態(tài)控制系統(tǒng)驅(qū)動焊槍搖桿和四向移動軌道移動到預(yù)設(shè)焊接位置；所述機(jī)器人gtaw鋼管對接焊槍姿態(tài)閉環(huán)控制方法通過焊槍姿態(tài)六軸傳感器獲得焊槍的姿態(tài)；所述焊槍姿態(tài)六軸傳感器固定在焊槍前端且與焊槍同步運(yùn)動；所述焊槍姿態(tài)六軸傳感器內(nèi)部整合了三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，可通過通訊總線將焊槍姿態(tài)信號傳遞給焊槍姿態(tài)控制系統(tǒng)；焊槍姿態(tài)在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)時(shí)無需調(diào)整，焊槍姿態(tài)在預(yù)設(shè)閾值范圍外焊槍姿態(tài)控制系統(tǒng)驅(qū)動焊槍搖桿和四向移動軌道使焊槍回歸至預(yù)設(shè)范圍內(nèi)；所述預(yù)設(shè)范圍焊槍與x軸夾角為(α-50°)～(α-60°)，與y軸夾角為(β-30°)～(β-40°)，與z軸夾角為(γ+100°)～(γ+120°)；所述夾角α、β和γ是鋼管與世界坐標(biāo)系x軸的夾角α，與y軸的夾角β、與z軸的夾角γ。焊槍和焊絲與工件的相對位置示意圖如圖4所示。

5、機(jī)器人橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制方法，其特征在于：所述電弧熱量控制系統(tǒng)由磁場發(fā)生裝置、被動相機(jī)和電弧圖像處理系統(tǒng)組成；所述磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生與焊接方向平行的磁場，控制電弧在焊縫坡口的熱量分布；所述被動相機(jī)能采集熔池的圖像；所述磁場發(fā)生裝置和被動相機(jī)與焊槍進(jìn)行同步移動；所述電弧圖像處理系統(tǒng)處理被動相機(jī)通過通訊總線所傳輸?shù)膱D像；所述鋼管工件通過旋轉(zhuǎn)接頭固定于旋轉(zhuǎn)工作臺在焊接過程中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；基于被動視覺的電弧熱量控制方法通過所述電弧熱量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；所述基于被動視覺的電弧熱量控制方法通過被動視覺檢測熔池熔化情況，通過調(diào)節(jié)磁場大小控制電弧熱量的集中區(qū)域達(dá)到防止母材過多下淌的目的；所述檢測熔池熔化情況通過檢測亮度判斷金屬是否下淌；所述被動相機(jī)通過通訊總線將圖像傳輸至電弧圖像處理系統(tǒng)；所述電弧圖像處理系統(tǒng)將圖像進(jìn)行灰度化處理后將熔池的圖像沿焊接方向分為上下兩部分并計(jì)算下半部分的亮度均值m，當(dāng)亮度均值m大于預(yù)設(shè)亮度均值n時(shí)增大磁場發(fā)生裝置的磁場大小，當(dāng)亮度均值m小于或等于預(yù)設(shè)亮度均值n時(shí)保持不變；所述預(yù)設(shè)亮度均值n為母材熔化過多產(chǎn)生下淌臨界時(shí)圖像下半部分的亮度值；所述磁場發(fā)生裝置通過改變磁場的大小控制電弧的偏轉(zhuǎn)且磁場發(fā)生裝置固定在焊槍前端與焊槍運(yùn)動保持一致；所述被動相機(jī)與焊槍姿態(tài)一致且能完整拍攝熔池圖像。被動視覺檢測熔池熔化情況流程圖如圖2所示。

6、發(fā)明有益效果

7、本發(fā)明涉及橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制領(lǐng)域，是一種基于結(jié)構(gòu)光視覺、姿態(tài)傳感和被動視覺的橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制方法。針對在橫向gtaw鋼管對接焊接中，焊絲、焊槍和電弧姿態(tài)偏差對焊縫成型所造成的不良影響，提出了一種機(jī)器人橫向gtaw鋼管對接焊絲、焊槍、電弧姿態(tài)控制方法。利用結(jié)構(gòu)光視覺傳感的鋼管姿態(tài)識別方法識別鋼管的姿態(tài)；利用機(jī)器人gtaw鋼管對接填絲姿態(tài)閉環(huán)控制方法控制填絲姿態(tài)；利用機(jī)器人gtaw鋼管對接焊槍姿態(tài)閉環(huán)控制方法控制焊槍姿態(tài)；利用基于被動視覺的電弧熱量控制方法控制電弧熱量。