專利名稱：用于船用柴油機機架機座的自動焊接系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種自動化焊接技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)及其方法，具體是一種用于船 用柴油機機架機座的自動焊接系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
船用柴油機作為船舶的心臟，是價值最大的船舶配件，占造船成本的10% 15%。而機架和機座是柴油機的主要部件，在柴油機的制造中占有相當重要的到 位。B&W型大中型低速柴油機從42機到90機的機架、機座部件，工件厚度為 32mm-90mm,工件焊接長度為2100 5000mm，左右兩條焊縫的距離從800mm到 2600mm不等，工件的寬度為從2000mm到4400mm不等，坡口形式為非標準的K型坡口 形式，焊接空間形式多樣，一些為角焊縫K型坡口形式，一些為平對接K型坡口形式。由上述可知，工件單次焊接的焊縫長，坡口形式復雜，材料的板厚較大，焊接 工藝為多道多層焊接，焊接的層數(shù)和道數(shù)即使在較大規(guī)范的前提下也可能要達30 40道 左右。由此可見，焊接的工作量十分巨大，工人的勞動強度非常高，而現(xiàn)有技術(shù)均采用 手工半自動焊接，操作人員需在高溫高輻射的環(huán)境長時間的從事焊接工作，對工人的身 體健康和焊件的品質(zhì)極為不利。目前焊接一條焊縫至少需要一個禮拜左右的時間?？梢?想見，其焊接工作量十分巨大，由于長期的告高溫、高輻射的影響，對工人的身體健康 和焊件的品質(zhì)較為不利。因此，現(xiàn)有的手工半自動的焊接技術(shù)的低效率，返修率大，焊 接質(zhì)量受人為因素影響大，焊接品質(zhì)無法保證，無法適應當前快速發(fā)展的船舶行業(yè)對柴 油機的需求。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN1405482，
公開日2003_3_26， 記載了一種“低速柴油機機架焊接方法”，該技術(shù)描述了如何利用定位鐵管等輔助夾 具，采用一定的焊接順序，或者改變坡口形式，以及換用不同形狀的襯墊等從工藝角度 去解決機架的焊接變形問題，焊接質(zhì)量問題等，從而在一定程度上提高了焊接效率和保 證了焊接質(zhì)量。但其焊接方法還是采用的手工的半自動焊接方法，同樣面臨焊接效率不 高，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，不同的焊工其焊接質(zhì)量可能完全不一樣，焊接質(zhì)量受人為影響因 素大，同時焊接工作量極大，對焊工的身體健康以及焊接品質(zhì)的控制都極為不利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種用于船用柴油機機架機座的自 動焊接系統(tǒng)，采用雙槍雙工位工作模式，利用激光視覺傳感器在焊接過程中進行實時跟 蹤的自動焊接方法，取代傳統(tǒng)的手工半自動焊接模式，具有焊接效率高，焊接質(zhì)量好易 控制，焊接變形小，焊接質(zhì)量不受人為因素的影響的優(yōu)點。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括兩個相對設(shè)置的焊接機構(gòu)、 主控制器、圖像處理模塊、擺動控制器、知識模型庫和視頻監(jiān)視器，其中圖像處理模 塊分別與焊接機構(gòu)相連以傳輸焊縫圖像信息，圖像處理模塊的輸出端與主控制器相連接以輸出焊縫偏差信息，主控制器的輸出端分別與視頻監(jiān)視器和擺動控制器相連接以輸出 焊縫偏差的圖像信息和擺動控制信息，擺動控制器分別與兩個擺動機構(gòu)的伺服驅(qū)動器相 連接以傳輸速度信息和位置信息，兩個擺動機構(gòu)固定設(shè)置于焊接機構(gòu)上，兩個焊接機構(gòu) 的控制端分別與主控制器相連以接收速度控制信號和位置控制信號，知識模型庫與主控 制器相連接以傳輸焊接姿態(tài)以及焊接規(guī)范參數(shù)。所述的焊接機構(gòu)包括焊槍、激光視覺傳感器、行走機構(gòu)、伺服十字滑架和擺 動機構(gòu)，其中焊槍固定設(shè)置于擺動機構(gòu)末端的旋轉(zhuǎn)軸上，激光視覺傳感器固定設(shè)置于 擺動器上且位于焊接機構(gòu)前并與主控制器相連接，擺動機構(gòu)固定設(shè)置于十字滑架的縱向 滑架上，伺服十字滑架分別與行走機構(gòu)和擺動機構(gòu)相連接。所述的行走機構(gòu)包括大車行走機構(gòu)以及兩個焊接方向行走機構(gòu)，其中兩個 焊接方向行走機構(gòu)分別活動設(shè)置于大車行走機構(gòu)上并與焊接機構(gòu)相匹配，大車行走機構(gòu) 與擺動機構(gòu)相連接以接受移動指令，從而完成焊接雙工位的切換。所述的伺服十字滑架包括橫向十字滑架和縱向十字滑架，其中橫向十字滑 架固定設(shè)置于行走機構(gòu)上，縱向十字滑架安裝于橫向十字滑架上，縱向十字滑架下端與 擺動機構(gòu)相連。在焊接過程中，當進行左右調(diào)節(jié)時，橫向滑架帶動縱向滑架，縱向滑架 帶動擺動機構(gòu)、然后擺動機構(gòu)帶動焊槍以及激光視覺傳感器一起移動，而上下調(diào)節(jié)時， 僅僅縱向滑架帶動擺動機構(gòu)，然后擺動機構(gòu)帶動焊槍以及激光跟蹤器一起移動。所述的擺動控制器的輸入端通過RS232接口與主控制器相連接以接收擺動頻率 信息、擺動幅度信息和擺動方式信息，擺動控制器的輸出端與擺動機構(gòu)相連接以傳輸位 置信息和速度信息并控制擺動機構(gòu)按照期望的方式進行擺動。所述的視頻監(jiān)視器包括兩個分別固定設(shè)置于焊接機構(gòu)上的激光視覺傳感器以 及一個視頻監(jiān)視器，其中激光視覺傳感器采集激光條紋投射到焊縫坡口上的畸變圖像 以及焊接坡口，顯示到視頻監(jiān)視器上。在焊接之前，在視頻監(jiān)視器上的激光條紋應該是 清晰且沒有斷點的，同時顯示的左右及高低偏差量應當穩(wěn)定而不閃爍和跳躍的，否則應 進行相應的調(diào)整。在焊接過程中也可以對焊縫圖像進行實時監(jiān)控，良好的焊縫圖像應該 是在焊接過程中激光條紋是否清晰，是否受到很多飛濺、煙塵的干擾，據(jù)此可以對焊 接過程進行保護和改進。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明焊接過程穩(wěn)定，焊接質(zhì)量易控制，所以焊接質(zhì)量得 以大大提高；焊前的自動焊縫搜索功能，提高了系統(tǒng)的智能化程度，簡化了焊前焊接機 構(gòu)的對中，提高了生產(chǎn)效率；自動排列焊道功能大大提高了系統(tǒng)的智能化程度，特別對 工藝成熟的標準化工件。自動排列焊道，自動調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的焊接參數(shù)，焊接工藝標準 化，便于更好的控制焊接質(zhì)量，降低對操作人員的要求，大大提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效 率；雙槍雙工位的焊接模式，對于焊縫基本對稱的工件，兩把焊接機構(gòu)同時施焊，可以 提高效率，更有利于控制工件的變形。而雙工位工作模式，當一個工位在焊接時，可以 同時在另一工位進行工件的裝卸、翻身以及放置等，大大提高了實際焊接生產(chǎn)的效率。使用本發(fā)明實現(xiàn)了柴油機機架機座的長直焊縫的自動化焊接，提高了焊接效率 和質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，相比已有技術(shù)其效率和質(zhì)量都有顯著進步。效率為已有技術(shù) 的3 5倍，保證了焊接品質(zhì)，降低了對操作人員焊接技能的依賴，減少了人為因素的影 響。而產(chǎn)品的一次合格率達到98%以上。無論從工藝角度還是從經(jīng)濟效益的角度來講，
4該技術(shù)都有很大的推廣應用價值和發(fā)展前景。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)示意圖。圖2為本發(fā)明的K型坡口多道多層焊的示意圖。圖3為機架、機座自動焊接專機的雙槍雙工位示意圖。 圖4為實施例工作示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進 行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的 實施例。如圖1所示，本實施例包括兩個相對設(shè)置的左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2、主 控制器3、圖像處理模塊4、擺動控制器5、知識模型庫6、視頻監(jiān)視器7和焊接電源8， 其中圖像處理模塊4分別與左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2相連以傳輸焊縫圖像信息，圖 像處理模塊4的輸出端與主控制器3相連接以輸出焊縫偏差信息，主控制器3的輸出端分 別與視頻監(jiān)視器7和擺動控制器5相連接以輸出焊縫偏差的圖像信息和擺動控制信息，擺 動控制器5分別與兩個擺動機構(gòu)13的伺服驅(qū)動器相連接以傳輸速度信息和位置信息，兩 個擺動機構(gòu)13固定設(shè)置于左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2上，兩個左焊接機構(gòu)1和右焊接 機構(gòu)2的控制端分別與主控制器3相連以接收速度控制信號和位置控制信號，知識模型庫 6與主控制器3相連接以傳輸焊接姿態(tài)以及焊接規(guī)范參數(shù)。所述的左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2結(jié)構(gòu)相同且均包括焊槍9、激光視覺傳感 器10、行走機構(gòu)11、伺服十字滑架12和擺動機構(gòu)13，其中焊槍9固定設(shè)置于擺動機 構(gòu)13末端的旋轉(zhuǎn)軸上，激光視覺傳感器10固定設(shè)置于擺動器上且位于左焊接機構(gòu)1和右 焊接機構(gòu)2前并與主控制器3相連接，擺動機構(gòu)13固定設(shè)置于十字滑架的縱向滑架上， 伺服十字滑架12分別與行走機構(gòu)11和擺動機構(gòu)13相連接。所述的行走機構(gòu)11如圖2所示，包括大車行走機構(gòu)14以及兩個焊接方向行 走機構(gòu)15，其中兩個焊接方向行走機構(gòu)15分別活動設(shè)置于大車行走機構(gòu)14上并與左 焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2相匹配，大車行走機構(gòu)14與擺動機構(gòu)13相連接以接受移動指 令，從而完成焊接雙工位的切換。所述的伺服十字滑架12包括橫向滑架16和縱向滑架17，其中橫向滑架16 固定設(shè)置于行走機構(gòu)11上，縱向滑架17安裝于橫向滑架16上，縱向滑架17下端與擺動 機構(gòu)13相連。在焊接過程中，當進行左右調(diào)節(jié)時，橫向滑架帶動縱向滑架，縱向滑架帶 動擺動機構(gòu)13、然后擺動機構(gòu)13帶動焊槍9以及激光視覺傳感器10—起移動，而上下調(diào) 節(jié)時，僅僅縱向滑架帶動擺動機構(gòu)13，然后擺動機構(gòu)13帶動焊槍9以及激光視覺傳感器 10 一起移動。所述的主控制器3包括運動控制單元、模擬輸入單元、模擬輸出單元和接口 單元，知識模型庫6單元，其中運動控制單元與大車行走機構(gòu)13的伺服驅(qū)動器相連接 以傳輸位置、速度以及運動方向信息，運動控制單元與焊槍9行走機構(gòu)11的伺服驅(qū)動器 相連接以傳輸焊接的焊接位置、焊接速度以及焊接方向信息，運動控制單元與縱向滑架的伺服驅(qū)動器相連接以傳輸焊接過程中焊槍9上下方向的偏差信息，運動控制單元與橫 向滑架的伺服驅(qū)動器相連接以傳輸焊接過程中焊槍9左右方向的偏差信息；模擬輸入單 元與操作面板上的焊接電流、焊接電壓旋鈕相連以接收設(shè)定的焊接電流、焊接電壓等信 號，通過霍爾原件與焊接電源的輸出端相連以傳輸焊接電流和焊接電壓信息，與圖像處 理模塊4相連以傳輸焊縫圖像經(jīng)處理后得到的左右偏差以及上下偏差信息；模擬輸出單 元與左右焊接電源相連接以傳輸需要控制輸出的焊接電流和焊接電壓信息。I/O單元的 輸入接口與焊接操作面板相連以傳輸焊縫搜索，焊接模式選擇(全自動，半自動)，復 位，焊接示教，聯(lián)動，各個軸的動作點動，焊接，停止等控制信息，輸入接口也與大車 行走、焊接行走、伺服十字滑架12等的限位傳感器相連，以傳輸運動零點，上下限位信 息，I/O單元的輸出則與焊接電源，激光視覺傳感器10，擺動控制器5等相連接以傳輸控 制信息，以使整個系統(tǒng)按照一定的時序工作。知識模型庫6單元與主控制器3相連接以 傳輸焊接規(guī)范，焊接姿態(tài)等信息。所述的圖像處理模塊4包括焊縫圖像采集單元和處理單元，其中焊縫圖像 采集單元與激光視覺傳感器10相連以傳輸焊接過程激光條紋投射到焊接坡口上形成的畸 變條紋圖像信息，而處理單元與焊接系統(tǒng)的主控制器3相連以傳輸經(jīng)過圖像處理得到的 上下、左右的偏差信息。所述的擺動控制器5是指輸入端通過RS232接口與主控制器3相連接以接收 擺動頻率，擺動幅度，擺動方式等信息，輸出端與擺動機構(gòu)13的伺服驅(qū)動器相連接以傳 輸位置信息和速度信息，從而控制擺動機構(gòu)13按照期望的方式進行擺動。所述的知識模型庫6包括柴油機機架庫、機座類型庫、焊縫形式庫、焊縫層 數(shù)及道數(shù)庫以及未知焊縫類型推理單元，知識模型庫6能夠在自動焊接的情況下，從上 述庫中調(diào)用相應的焊接參數(shù)。所述的視頻監(jiān)視器7包括兩個分別固定設(shè)置于焊接機構(gòu)上的激光視覺傳感器 10以及一個視頻監(jiān)視器7，其中激光視覺傳感器10采集激光條紋投射到焊縫坡口上的 畸變圖像以及焊接坡口，實時顯示到視頻監(jiān)視器7上。在焊接之前，在視頻監(jiān)視器7上 的激光條紋應該是清晰且沒有斷點的，同時顯示的左右及高低偏差量應當穩(wěn)定而不閃爍 和跳躍的，否則應進行相應的調(diào)整。在焊接過程中也可以對焊縫圖像進行實時監(jiān)控，良 好的焊縫圖像應該是在焊接過程中激光條紋是否清晰，是否受到很多飛濺、煙塵的干 擾，據(jù)此可以對焊接過程進行保護和改進。本實施例具體工作步驟如下第一步，建立基于激光視覺傳感器10的雙槍雙工位模式的柴油機機架、機座部 件自動焊接專機系統(tǒng)；第二步，自動焊接專機移動到待焊工位待焊工件焊縫的上方附近，自動進行焊 縫搜索；所述的焊縫搜索，是指在焊接開始前，激光視覺傳感器10首先采集焊縫圖 像，經(jīng)過圖像處理后，得到左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2與期望位置和姿態(tài)之間的偏差， 送入主控器，主控制器3根據(jù)一定的搜索策略，驅(qū)動左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2不斷進 行左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2的上下，左右以及姿態(tài)角的調(diào)整，直至使左焊接機構(gòu)1和 右焊接機構(gòu)2精確地對準焊縫，達到期望的焊接姿態(tài)。
第三步，進行多道多層焊的焊縫實時跟蹤焊接。所述的焊縫實時跟蹤焊接，是指在焊接過程中，激光傳感器不斷檢測和辨識 左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2與焊縫之間的偏差，并將其送入主控制器3，主控制器3采 用一定的控制策略得到糾偏量，驅(qū)動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)對左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2進行左右和 上下方向的實時糾偏，從而始終保持左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2精確對準焊縫，保證高 質(zhì)量的完成焊接過程。所述的跟蹤焊接，主要用于多道多層焊的坡口打底、加熱焊道以及填充焊道的 焊接過程，如圖3所示。第四步，一道焊縫結(jié)束，系統(tǒng)根據(jù)知識模型庫6自動排列的焊道位置進行下一 道焊縫的焊接。所述的自動排列焊道，是指在下一道焊縫焊接之前，主控制器3首先調(diào)用知 識模型庫6中該工件類型的下一道的位置參數(shù)，驅(qū)動左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2的各個 軸將左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2移動到該道焊縫的標準跟蹤位置，再調(diào)用知識模型庫6 中相應的焊接規(guī)范以及工作模式等進行跟蹤焊接。如圖3所示，211，212，213分別表 示在系統(tǒng)自動排列焊道下焊槍在第一、第二、第三焊道的示意位置。第五步，當填充焊道焊接結(jié)束后，停止焊縫跟蹤，對最后的幾道焊縫進行蓋面 焊接；第六步，專機移到下一個工位進行焊接，同時對第一個工位的工件進行翻轉(zhuǎn)或 者裝卸，系統(tǒng)可在兩個工位之間來回移動切換。如圖4所示，當?shù)谝还の还ぜ?8正面的焊接結(jié)束時，專機移到第二工位進行工 件19的焊接，同時第一工位的工件18翻轉(zhuǎn)到另一面，為反面的焊接準備。與此類似， 當結(jié)束第二工位工件19的正面焊縫的焊接時，專機再回到第一工位進行工件18的焊接， 同時對工件19進行翻轉(zhuǎn)，如此循環(huán)往復，在兩個工位間交替進行焊接，則可大大提高焊 接生產(chǎn)的效率。本實施例實現(xiàn)了柴油機機架、機座部件高效、高精度的焊接。激光焊縫實時跟 蹤，按知識模型庫6自動排列焊道等技術(shù)有利于穩(wěn)定焊接過程，降低人為因素的影響， 提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低返修率，而左焊接機構(gòu)1和右焊接機構(gòu)2焊縫自動搜索，雙槍雙工 位的工作模式，可以使系統(tǒng)具有更高生產(chǎn)效率，更好的控制焊接變形。相比已有焊接技 術(shù)，其效率提高了 3 5倍，產(chǎn)品的一次焊接合格率提高到98%以上，對高級焊工的需求 減少了 40%。因此，該自動焊接方法無論從提高焊接質(zhì)量，控制焊接品質(zhì)還是提高生產(chǎn) 效率，還是從經(jīng)濟效益和社會效益的角度，該焊接方法都具有較大的推廣應用價值。
權(quán)利要求
1.一種用于船用柴油機機架機座的自動焊接系統(tǒng)，其特征在于，包括兩個相對 設(shè)置的焊接機構(gòu)、主控制器、圖像處理模塊、擺動控制器、知識模型庫和視頻監(jiān)視器， 其中圖像處理模塊分別與焊接機構(gòu)相連以傳輸焊縫圖像信息，圖像處理模塊的輸出端 與主控制器相連接以輸出焊縫偏差信息，主控制器的輸出端分別與視頻監(jiān)視器和擺動控 制器相連接以輸出焊縫偏差的圖像信息和擺動控制信息，擺動控制器分別與兩個擺動機 構(gòu)的伺服驅(qū)動器相連接以傳輸速度信息和位置信息，兩個擺動機構(gòu)固定設(shè)置于焊接機構(gòu) 上，兩個焊接機構(gòu)的控制端分別與主控制器相連以接收速度控制信號和位置控制信號， 知識模型庫與主控制器相連接以傳輸焊接姿態(tài)以及焊接規(guī)范參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于船用柴油機機架機座的自動焊接系統(tǒng)，其特征是，所 述的焊接機構(gòu)包括焊槍、激光視覺傳感器、行走機構(gòu)、伺服十字滑架和擺動機構(gòu)，其 中焊槍固定設(shè)置于擺動機構(gòu)末端的旋轉(zhuǎn)軸上，激光視覺傳感器固定設(shè)置于擺動器上且 位于焊接機構(gòu)前并與主控制器相連接，擺動機構(gòu)固定設(shè)置于十字滑架的縱向滑架上，伺 服十字滑架分別與行走機構(gòu)和擺動機構(gòu)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于船用柴油機機架機座的自動焊接系統(tǒng)，其特征是，所述 的行走機構(gòu)包括大車行走機構(gòu)以及兩個焊接方向行走機構(gòu)，其中兩個焊接方向行走 機構(gòu)分別活動設(shè)置于大車行走機構(gòu)上并與焊接機構(gòu)相匹配，大車行走機構(gòu)與擺動機構(gòu)相 連接以接受移動指令，從而完成焊接雙工位的切換。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于船用柴油機機架機座的自動焊接系統(tǒng)，其特征是，所 述的伺服十字滑架包括橫向十字滑架和縱向十字滑架，其中橫向十字滑架固定設(shè)置 于行走機構(gòu)上，縱向十字滑架安裝于橫向十字滑架上，縱向十字滑架下端與擺動機構(gòu)相 連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于船用柴油機機架機座的自動焊接系統(tǒng)，其特征是，所述 的擺動控制器的輸入端通過RS232接口與主控制器相連接以接收擺動頻率信息、擺動幅 度信息和擺動方式信息，擺動控制器的輸出端與擺動機構(gòu)相連接以傳輸位置信息和速度 信息并控制擺動機構(gòu)按照期望的方式進行擺動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于船用柴油機機架機座的自動焊接系統(tǒng)，其特征是，所 述的視頻監(jiān)視器包括兩個分別固定設(shè)置于焊接機構(gòu)上的激光視覺傳感器以及一個視頻 監(jiān)視器，其中激光視覺傳感器采集激光條紋投射到焊縫坡口上的畸變圖像以及焊接坡 口，顯示到視頻監(jiān)視器上。
全文摘要
一種自動化焊接技術(shù)領(lǐng)域的用于船用柴油機機架機座的自動焊接系統(tǒng)，包括兩個相對設(shè)置的焊接機構(gòu)、主控制器、圖像處理模塊、擺動控制器、知識模型庫和視頻監(jiān)視器。本發(fā)明采用雙槍雙工位工作模式，利用激光視覺傳感器在焊接過程中進行實時跟蹤焊接的自動焊接方法，取代傳統(tǒng)的手工半自動焊接模式，具有焊接效率高，焊接質(zhì)量好易控制，焊接變形小，焊接質(zhì)量不受人為因素的影響等優(yōu)點。
文檔編號B23K37/00GK102009275SQ20101053070
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者嚴飛, 吳興祥, 吳成剛, 張軻, 楊海瀾, 毛霄棟, 金鑫 申請人:上海交通大學