焊珠成形設備和焊珠成形方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種焊珠成形設備，所述設備包括：氣刨槍13，用于對待成形的對象進行刨削；形狀傳感器14，用于測量所述待成形的對象的形狀；滑塊設備11和多關節(jié)型機器人12，用于驅(qū)動所述氣刨槍13和形狀傳感器14；圖像處理設備16；以及機器人控制設備17。所述圖像處理設備16包括：形狀數(shù)據(jù)提取單元，用于從所述形狀傳感器14獲得的測量結(jié)果提取所述待成形的對象的形狀數(shù)據(jù)；以及焊接增強形狀提取/去除深度計算單元，用于根據(jù)所述待成形的對象的所述形狀數(shù)據(jù)與預設的指定形狀之間的差異來計算所述焊珠的焊接增強形狀，并且基于所述焊接增強形狀來計算去除深度，通過所述去除深度來執(zhí)行刨削。所述機器人控制設備17基于所述焊接增強形狀和所述去除深度來控制所述滑塊設備11、所述多關節(jié)型機器人12以及所述氣刨槍13。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，能夠提供一種能夠高精度地使焊珠成形的焊珠成形設備。
【專利說明】焊珠成形設備和焊珠成形方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于使得沿著焊線形成的焊珠成形的焊珠成形設備以及焊珠成形方法。
【背景技術】
[0002]難以從一件鑄造金屬制品中制造具有大尺寸復雜結(jié)構(gòu)的裝備，例如水力發(fā)電機的水輪機轉(zhuǎn)輪。因此，裝備由多個部件形成，并且這些部件通過焊接而彼此接合。在水輪機轉(zhuǎn)輪中，焊接部分表面被用作流體通路，并且因此在接合之后在未成形的焊接表面上發(fā)生渦流，導致?lián)p失增大。
[0003]為了使得焊接表面平滑，通過手動研磨來使得焊接表面成形。不幸地是，這種研磨工作是在工人暴露至灰塵并且需要振動工具的惡劣環(huán)境下進行的。此外，復雜裝備具有窄的部分，并且因此給工人強加了大量的勞動(例如，工人需要保持具有低的工作效率的姿勢)。
[0004]考慮到這些情況，已經(jīng)提出了等離子體刨削設備作為替換焊接部分的這種研磨的成形方法(參見專利文件I)。等離子體刨削設備使用刨削速度和電壓作為控制參數(shù)。
[0005]還提出了自動刨削設備作為替代大尺寸復雜裝備的這種研磨的方法(參見專利文件2)。所述自動刨削設備利用以下設備來計算多余厚度的去除量:利用多于厚度探測觸針測量示范性形狀并且存儲所述示范性形狀作為參考形狀的設備；以及計算設備，所述計算設備將待處理的對象的形狀與參考形狀進行比較并且計算多余的厚度。
[0006]此外，所述自動刨削設備在使用安裝在多軸滑塊上的電弧氣刨槍來控制多余厚度的去除量的同時執(zhí)行成形。通過這種方式，所述自動刨削設備自動地將待處理的對象處理成期望的形狀。
[0007]現(xiàn)有技術文獻
[0008]專利文獻
[0009]專利文獻1:日本專利申請公開N0.5-38581
[0010]專利文獻2:日本專利申請公開N0.57-17372

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]發(fā)明要解決的問題
[0012]不幸地是，專利文件I中描述的等離子體刨削設備是用于背部整平的線性刨削設備，并且因此具有不適于去除厚板的焊珠的大量多余厚度的問題。此外，對比文件2中描述的自動刨削設備使用多余厚度探測觸針來測量多余厚度形狀，并且因此具有多余厚度測量結(jié)果中的誤差較大并且不能測量焊珠的這種細微不規(guī)則形狀的問題。此外，專利文件2中描述的自動刨削設備使用電弧氣刨槍來執(zhí)行處理，并且因此具有不適于去除細微多余厚度的問題。
[0013]作出本發(fā)明的目的在于解決上述問題，本發(fā)明的目標是提供一種能夠高精度地實現(xiàn)焊珠成形的焊珠成形設備和焊珠成形方法。
[0014]解決問題的手段
[0015]為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的焊珠成形設備包括:形狀數(shù)據(jù)提取單元，所述形狀數(shù)據(jù)提取單元從形狀傳感器獲得的測量結(jié)果提取待成形的對象的形狀數(shù)據(jù)，所述形狀傳感器測量所述待成形的對象的形狀，其中在所述待成形的對象上形成焊珠；焊接增強形狀提取/去除深度計算單元，所述焊接增強形狀提取/去除深度計算單元根據(jù)所述待成形的對象的所述形狀數(shù)據(jù)與預設的指定形狀之間的差異來計算所述焊珠的焊接增強形狀，并且基于所述焊接增強形狀來計算通過使用氣刨槍執(zhí)行刨削所去除的去除深度；目標位置/氣割炬姿勢計算單元，所述目標位置/氣割炬姿勢計算單元基于所述焊接增強形狀和所述去除深度來計算所述氣刨槍的目標位置和姿勢；刨削條件計算單元，所述刨削條件計算單元基于所述焊接增強形狀和所述去除深度來計算刨削條件；以及驅(qū)動設備和控制設備，所述驅(qū)動設備所述氣刨槍和所述待成形的對象，所述控制設備基于由所述目標位置/氣割炬姿勢計算單元計算的所述氣刨槍的所述目標位置和所述姿勢以及由所述刨削條件計算單元計算的所述刨削條件來控制所述氣刨槍。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的焊珠成形方法，包括:形狀測量步驟，所述形狀測量步驟測量待成形的對象的形狀；形狀數(shù)據(jù)提取步驟，所述形狀數(shù)據(jù)提取步驟基于在所述形狀測量步驟中獲得的測量結(jié)果來提取所述待成形的對象的形狀數(shù)據(jù)；焊接增強形狀提取/去除深度計算步驟，所述焊接增強形狀提取/去除深度計算步驟根據(jù)所述待成形的對象的所述形狀數(shù)據(jù)與預設的指定形狀之間的差異來計算所述焊珠的焊接增強形狀，并且根據(jù)所述焊接增強形狀來計算通過執(zhí)行刨削所去除的去除深度；目標位置/氣割炬姿勢計算步驟，所述目標位置/氣割炬姿勢計算步驟基于所述焊接增強形狀和所述去除深度來計算氣刨槍的目標位置和姿勢；刨削條件計算步驟，所述刨削條件計算步驟基于所述焊接增強形狀和所述去除深度來計算刨削條件；以及控制步驟，所述控制步驟基于在所述目標位置/氣割炬姿勢計算步驟中計算的所述氣刨槍的所述目標位置和所述姿勢以及在所述刨削條件計算步驟中計算的所述刨削條件，來控制驅(qū)動設備，所述驅(qū)動設備驅(qū)動用于所述刨削的所述氣刨槍和所述待成形的對象。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點
[0018]根據(jù)本發(fā)明的焊珠成形設備和焊珠成形方法能夠高精度地使焊珠成形。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是根據(jù)第一實施例的焊珠成形設備的結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖2是用于描述根據(jù)第一實施例的焊珠成形設備執(zhí)行的焊珠成形預處理的流程圖。
[0021]圖3是當根據(jù)第一實施例的焊珠成形設備對水輪機轉(zhuǎn)輪的葉片焊接部分執(zhí)行焊珠成形時的說明圖。
[0022]圖4A至4E是用于描述焊珠的形狀數(shù)據(jù)、指定形狀以及冠頂(crown)、箍圈(band)和葉片的相應表面的關系的說明圖。
[0023]圖5是分別示出了氣割炬前后角和氣割炬傾斜角的說明圖。
[0024]圖6是示出了刨削方向、擺動寬度等的說明圖[0025]圖7是示出了被用來作為用于水輪機轉(zhuǎn)輪的葉片焊接部分進行焊珠成形的示例的條件的表格。
[0026]圖8A是示出了在對葉片焊接部分進行刨削之前的截面形狀(實線)和指定形狀(虛線)的示意圖，并且圖8B是示出了在對葉片焊接部分進行刨削之后的截面形狀(實線)和指定形狀(虛線)的示意圖。
[0027]圖9是根據(jù)第二實施例的焊珠成形設備的結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖10是用于描述根據(jù)第二實施例的焊珠成形設備執(zhí)行的焊珠成形預處理的流程圖。
[0029]圖11是根據(jù)第三實施例的焊珠成形設備的結(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖12是用于描述根據(jù)第三實施例的焊珠成形設備執(zhí)行的焊珠成形預處理的流程圖。
[0031]圖13是用于描述焊珠的形狀數(shù)據(jù)、指定形狀以及冠頂、箍圈和葉片的相應表面的關系的說明圖。
【具體實施方式】
[0032]參考附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的焊珠成形設備和焊珠成形方法。在以下實施例中，描述了焊珠成形設備和焊珠成形方法執(zhí)行在具有大尺寸復雜結(jié)構(gòu)的水力發(fā)電機的水輪機轉(zhuǎn)輪的葉片焊接部分中形成的焊珠的成形。
[0033][第一實施例]
[0034]將參考附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的焊珠成形設備和焊珠成形方法的第一實施例。
[0035]圖1是根據(jù)第一實施例的焊珠成形設備的結(jié)構(gòu)圖。
[0036]焊珠成形設備I包括滑塊設備11、多關節(jié)型機器人12、等離子體氣刨槍13、形狀傳感器14、圖像處理設備16以及機器人控制設備17。
[0037]滑塊設備11包括臺座21、支撐柱22、升降滑塊23、單面橫臂24以及基部25。臺座21被安裝在滑塊設備11的安裝表面2上，并且支撐滑塊設備11。支撐柱22從臺座21向上延伸并且圍繞垂直軸(圖1中的箭頭A方向)旋轉(zhuǎn)。升降滑塊23被設置至支撐柱22，并且在垂直方向(圖1中的箭頭B方向)上相對于支撐柱22滑動。單面橫臂24被設置至升降滑塊23，并且在水平單軸方向(圖1中的箭頭C方向)上相對于升降滑塊23移動?；?5被設置至單面橫臂24的一個端部(前端)。
[0038]多關節(jié)型機器人12附著至基部25，并且包括在其多個接合點處多軸向旋轉(zhuǎn)的臂。多關節(jié)型機器人12包括例如六個接合點并且圍繞六個軸旋轉(zhuǎn)。在多關節(jié)型機器人12包括六個接合點的情況下，第一到第六連接結(jié)構(gòu)分別放置在第一至第六接合點。第一接合點被放置在基部25上，并且第六連接結(jié)構(gòu)的前端對應于臂的前端。
[0039]滑塊設備11和多關節(jié)型機器人12是驅(qū)動等離子體氣刨槍13和形狀傳感器14的驅(qū)動設備。
[0040]等離子體氣刨槍13被設置至多關節(jié)型機器人12的臂前端，并且刨削焊珠形成在其上的待成形的對象。等離子體氣刨槍13的位置和姿勢通過如下各項來調(diào)節(jié):多關節(jié)型機器人12的多關節(jié)結(jié)構(gòu)；以及通過滑塊設備11的垂直和水平移動及其圍繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)。等離子體氣刨槍13包括噴嘴29。噴嘴29在刨削期間噴射用于刨削焊珠的等離子體氣體以及用于去除所生成的渣的冷卻氣體。通過改變冷卻氣體的壓力來增大或減小渣的去除量。
[0041]形狀傳感器14被設置至多關節(jié)型機器人12的臂前端。形狀傳感器14是例如使用激光束或超聲波來測量待成形的對象的三維形狀的傳感器。
[0042]這些等離子體氣刨槍13和形狀傳感器14附著至多關節(jié)型機器人12的臂前端，其中它們其間的相對位置是固定的。
[0043]圖像處理設備16接收并且處理通過形狀傳感器14測量和輸出的測量數(shù)據(jù)。圖像處理設備16向機器人控制設備17發(fā)送基于測量數(shù)據(jù)獲得的刨削教導數(shù)據(jù)。
[0044]機器人控制設備17 (控制設備)包括移動軸控制設備31和教導數(shù)據(jù)存儲設備32。移動軸控制設備31向滑塊設備11和多關節(jié)型機器人12發(fā)送命令信號，并且驅(qū)動滑塊設備11和多關節(jié)型機器人12 —預定量。教導數(shù)據(jù)存儲設備32存儲測量教導數(shù)據(jù)，并且向圖像處理設備16發(fā)送測量教導數(shù)據(jù)。機器人控制設備17還包括用于使得操作者能夠操作滑塊設備11和多關節(jié)型機器人12的操作設備。此外，機器人控制設備17控制氣刨槍13的刨削電源等。
[0045]接下來，將描述根據(jù)第一實施例的焊珠成形設備I和焊珠成形方法的動作(功能)。
[0046]圖2是用于描述通過根據(jù)第一實施例的焊珠成形設備I執(zhí)行的焊珠成形預處理的流程圖。
[0047]圖3是當根據(jù)第一實施例的焊珠成形設備I對水輪機轉(zhuǎn)輪3的葉片焊接部分執(zhí)行焊珠成形時的說明圖。
[0048]由焊珠成形設備I執(zhí)行的焊珠成形預處理被劃分為通過機器人控制設備17執(zhí)行的處理步驟(步驟S1、S2和S12)以及通過圖像處理設備16執(zhí)行的處理步驟(步驟S3至Sll)。
[0049]在開始焊珠成形預處理之前，安裝焊珠成形設備I和作為待成形的對象的水輪機轉(zhuǎn)輪3。水輪機轉(zhuǎn)輪3通過起重機提升至直立狀態(tài)，并且如圖3所示安裝在轉(zhuǎn)向輥4上。水輪機轉(zhuǎn)輪3旋轉(zhuǎn)以跟隨轉(zhuǎn)向輥4的旋轉(zhuǎn)。水輪機轉(zhuǎn)輪3在如下角度處停止:冠頂5和箍圈
6、與葉片7之間的焊接位置(待成形部分)位于焊珠成形設備I的前面。
[0050]焊珠成形設備I橫向安裝至水輪機轉(zhuǎn)輪3的開口。在這之后，通過機器人控制設備17的移動軸控制設備31來操作滑塊設備11和多關節(jié)型機器人12。
[0051]待成形的部分，也就是說焊接部分，位于冠頂5和箍圈6與水輪機轉(zhuǎn)輪3的葉片7之間，其將用作流動通道，因此需要制成平滑的圓形。作為在結(jié)束對象的成形時的理想形狀的平滑的圓形作為待成形的對象的預設的指定形狀。
[0052]在教導數(shù)據(jù)存儲步驟SI中，教導數(shù)據(jù)存儲設備32存儲教導數(shù)據(jù)。教導數(shù)據(jù)通過例如操作員的操作而被存儲到教導數(shù)據(jù)存儲設備32中。操作員利用機器人控制設備17的操作設備來驅(qū)動滑塊設備11和多關節(jié)型機器人12。形狀傳感器14(或等離子體氣刨槍13)移動至刨削預定軌跡上的教導點。如果操作員選擇教導操作，滑塊設備11的位置和多關節(jié)型機器人12的姿勢作為教導數(shù)據(jù)而被存儲至教導數(shù)據(jù)存儲設備32中。
[0053]教導數(shù)據(jù)是移動命令，其包括表示形狀傳感器14和等離子體氣刨槍13的目標位置和氣割炬姿勢的位置/姿勢數(shù)據(jù)。給出用于教導點之間的每個間隔的刨削條件，并且所述刨削條件包括:刨削速度、擺動頻率以及電流。此外，教導數(shù)據(jù)被劃分為用于形狀傳感器14的形狀測量的測量教導數(shù)據(jù)以及用于等離子體氣刨槍13的刨削的刨削教導數(shù)據(jù)。
[0054]在移動軸控制步驟S2中，移動軸控制設備31基于在教導數(shù)據(jù)存儲步驟SI中存儲的測量教導數(shù)據(jù)來控制滑塊設備11和多關節(jié)型機器人12的移動軸。形狀傳感器14在滑塊設備11和多關節(jié)型機器人12的移動之后測量焊珠的形狀。通過附著至多關節(jié)型機器人12的臂前端的形狀傳感器14來測量焊接部分的形狀。
[0055]在形狀數(shù)據(jù)提取步驟S3中，圖像處理設備16 (形狀數(shù)據(jù)提取單元)執(zhí)行從形狀傳感器14輸出的測量數(shù)據(jù)的二值化和去除噪聲，并且提取焊珠的形狀數(shù)據(jù)。
[0056]在彎曲點/交叉點提取步驟S4中，圖像處理設備16 (彎曲點/交叉點提取單元)將在形狀數(shù)據(jù)提取步驟S3中提取的形狀數(shù)據(jù)以及指定形狀添加到圖像上。圖像處理設備
16將形狀數(shù)據(jù)與指定形狀彼此交叉處的點提取作為交叉點。圖像處理設備16還提取相對于指定形狀在中心點一側(cè)上的形狀數(shù)據(jù)上的點，也就是參考指定形狀被極大增強的焊珠的谷底部分的頂點作為彎曲點。應注意圖像處理設備16定義焊珠的面向指定形狀的中心點的頂點作為山部分，并且定義焊珠的面向與指定形狀的中心點相對的一側(cè)的頂點為谷底部分。
[0057]圖4A至4E是用于描述焊珠的形狀數(shù)據(jù)B、指定形狀R以及冠頂5、箍圈6和葉片7的相應表面的關系的說明圖。 [0058]在圖4中(同樣在后面描述的圖13中)，在形狀數(shù)據(jù)提取步驟S3中提取的形狀數(shù)據(jù)B(焊珠)、冠頂5的表面、箍圈6的表面以及葉片7的表面由實線表示，由點劃線表示虛線E，其作為冠頂5的表面、箍圈6的表面以及葉片7的表面的延伸線，并且指定形狀R通過交替的長短線表示。此外，圖4的左右方向定義為X軸，圖4的上下方向定義為Y軸。
[0059]如圖4A所示，指定形狀R被定義為與冠頂5的表面、或箍圈6的表面以及葉片7的表面的延長線E接觸的圓(弧)，并且具有預定的半徑。圖像處理設備16提取交叉點il和交叉點iN，所述交叉點i I和交叉點iN是在形狀數(shù)據(jù)提取步驟S3中提取的形狀數(shù)據(jù)B與指定形狀R之間的交叉點。圖像處理設備16提取彎曲點i2至i(N-l)，所述彎曲點i2至
i(N-1)是相對于指定形狀R在中心點O —側(cè)的形狀數(shù)據(jù)B上的點并且是谷底部分的頂點。
[0060]il、i2、i3…i(N-l)以及iN(N:提取的彎曲點和交叉點的總數(shù))的編號以形狀數(shù)據(jù)B以內(nèi)的X軸值的遞增順序指定給這次提取的交叉點和彎曲點。
[0061]在通過序列選擇步驟S5中，圖像處理設備16 (通過序列選擇單元)將形狀數(shù)據(jù)與指定形狀進行比較。在存在焊珠的增強不足(焊珠小于指定形狀)的部分以及在焊接增強不足的部分中的距離大于預定值的情況下，圖像處理設備16 (通過序列選擇單元)劃分連續(xù)執(zhí)行的刨削的軌跡(通過序列)。這防止了焊接增強不足的部分進一步被刨削。在所獲得的交叉點的數(shù)量大于兩個的情況下，圖像處理設備16確定存在焊接增強不足的部分。圖像處理設備16能夠通過計算交叉點的相鄰交叉點之間的距離來計算焊接增強不足的部分中的距離。
[0062]例如，在如圖4A所示形狀數(shù)據(jù)B上的交叉點的數(shù)量為兩個的情況下，圖像處理設備16選擇交叉點il至交叉點iN之間的共同刨削。
[0063]與此同時，在交叉點的數(shù)量大于兩個的情況下，圖像處理設備16計算除了交叉點il和交叉點iN之外的交叉點的相鄰交叉點之間的距離。例如，在圖4B所示在除了交叉點
il和交叉點iN之外的交叉點i2和交叉點i3之間的距離d等于或小于預定值Dl的情況下，圖像處理設備16選擇交叉點il和交叉點iN之間的共同的刨削。也就是說，圖像處理設備16在交叉點il和交叉點iN之間設置一個通過序列。
[0064]例如，在圖4C所示在除了交叉點il和交叉點iN之外的交叉點i2和交叉點i3之間的距離d大于預定值Dl的情況下，圖像處理設備16選擇對交叉點i2和交叉點i3前后的刨削進行劃分。也就是說，圖像處理設備16在交叉點il和交叉點i2之間設置通過序列1，并且在交叉點i3和交叉點iN之間設置通過序列2。
[0065]在焊接增強形狀提取/去除深度計算部分S6中，圖形處理設備16 (焊接增強形狀提取/去除深度計算單元)計算形狀數(shù)據(jù)與指定形狀之間的差異作為焊接增強形狀。圖像處理設備16計算交叉點或彎曲點的相鄰交叉點或彎曲點之間的每一個焊接增強形狀中的最大焊接增強，并且從所計算的最大焊接增強的平均值中減去隨后通過手工精細研磨的焊接增強的量，并且定義減法結(jié)果作為去除深度。
[0066]例如，如圖4D中所示，圖像處理設備16計算形狀數(shù)據(jù)和指定形狀R之間的差異，從而獲得焊接增強形狀。圖像處理設備16獲得在彎曲點/交叉點提取步驟S4中提取的彎曲點或交叉點的相鄰彎曲點或交叉點之間的形狀數(shù)據(jù)B和指定形狀R之間的差異的最大值作為焊接增強差異的最大值作為焊接增強。例如，圖像處理設備16獲得交叉點il和交叉點i2之間的多個點(點I至點M)處的焊接增強形狀。圖像處理設備16計算點3處的焊接增強形狀作為最大焊接增強。圖像處理設備16獲得在交叉點i至交叉點N的相鄰交叉點之間分別獲得的最大焊接增強的平均值，從該平均值中減去手工精細研磨的焊接增強的量，并且定義減法結(jié)果作為去除深度。
[0067]在圖4C中所示的劃分通過序列的情況下，針對每個通過序列執(zhí)行這種焊接增強形狀提取和這種去除深度計算。
[0068]在擺動寬度/角度計算步驟S7中，圖像處理設備16將在通過序列選擇步驟S5中獲得的一個通過序列(刨削范圍)的兩端處的交叉點之間的距離定義為等離子體氣刨槍13的擺動寬度。圖像處理設備16進一步將通過分別連接指定形狀的中心點與兩端處的交叉點的兩條直線形成的角度定義為擺動角度。
[0069]例如，如圖4E中所示，圖像處理設備16將在彎曲點/交叉點提取步驟S4中提取的交叉點il和交叉點iN之間的距離定義為等離子體氣刨槍13的擺動寬度。圖像處理設備16進一步將分別將指定形狀R的中心點O連接至兩端的交叉點il和交叉點iN的兩條直線形成的擺角定義為擺動角度θ1?5
[0070]在目標位置/氣割炬姿勢計算步驟S8中，圖像處理設備16 (目標位置/氣割炬姿勢計算單元)計算在擺動寬度/角度計算步驟S7中獲得擺動寬度的中點(圖4Ε中的中點Μ)作為目標位置。如圖5Α中所示，目標位置是與等離子體氣刨槍13的前端分隔開預定的尖端工件距離D2的教導位置點。圖像處理設備16進一步計算這種等離子體氣刨槍13的氣割炬姿勢，使得至處理表面的氣割炬前后角總是常數(shù)并且在擺動期間至指定形狀的氣割炬傾斜角度總是垂直的。
[0071]圖5是分別示出了氣割炬前后角和氣割炬傾斜角的說明圖。圖6是示出了刨削方向、擺動寬度W等的 說明圖
[0072]氣割炬前后角Θ 2是底板8 (例如冠頂5、箍圈6)和等離子體氣刨槍13的軸形成的角度。氣割炬傾斜角Θ 3是通過基本垂直于底板8的直板9 (例如，葉片7)和等離子體氣刨槍13的軸線形成的角度。此外，氣割炬的前后方向?qū)谂傧鞣较颍⑶覕[動寬度W是對應于垂直于刨削方向的方向的寬度。
[0073]在刨削條件計算步驟S9中，圖像處理設備16 (刨削條件計算單元)使用刨削去除深度的表達式(公式)來計算刨削速度、擺動頻率和電流作為刨削條件。
[0074]如圖6中所示，擺動速度是在垂直于刨削方向的方向上的速度，并且刨削速度是在刨削方向上的速度。假設擺動速度為Vw，刨削速度為V，輸入的熱量為Q，通過下面表達式
(I)來表示刨削去除深度I。Cl、C2和C3是通過試驗獲得的常數(shù)。
[0075][表達式I]
[0076]y = C1+C2*VW/V+C3*Q......表達式(I)
[0077]接下來，圖像處理設備16然后基于在擺動寬度/角度計算步驟S7中獲得的擺動寬度和根據(jù)表達式(I)獲得的擺動速度來獲得擺動頻率。
[0078]圖像處理設備16將以下各項作為刨削教導數(shù)據(jù)存儲到教導數(shù)據(jù)存儲設備32中:刨削條件，其包括按照上述方式獲得的刨削速度、擺動頻率/寬度、以及電流；以及在目標位置/氣割炬姿勢計算步驟S8中計算的位置/姿勢數(shù)據(jù)。
[0079]應注意，在焊接增強形狀提取/去除深度計算步驟S6中計算的去除深度等于或小于給定值的情況下，也就是說，在不需要執(zhí)行刨削的情況下，圖像處理設備16進行至刨削條件計算步驟S9，并且設置刨削條件以用于使得去除深度最小化。圖像處理設備16設置刨削條件，使得電流減小至預定值并且刨削速度增大至預定值。如果設置這種刨削條件，則等離子體氣刨槍13在之后待執(zhí)行的刨削工件中操作以不執(zhí)行刨削(以便執(zhí)行最小的刨削)并且使得電弧連續(xù)。
[0080]在通過劃分確定步驟SlO中，圖像處理設備16確定在通過序列選擇步驟S5中是否劃分通過序列。如果確定劃分通過序列(步驟SlO中的是)，則圖像處理設備16返回至焊接增強形狀提取/去除深度計算步驟S6，并且對未執(zhí)行步驟S6至S9的通過序列來執(zhí)行焊接增強形狀提取/去除深度計算步驟S6至刨削條件計算步驟S9。
[0081 ] 與此同時，如果確定不劃分通過序列(步驟SlO中的否)，則圖像處理設備16在教導點確定步驟Sll中確定是否存在另一教導點。如果確定存在另一教導點(步驟Sll中的是)，則圖像處理設備16返回至移動軸控制步驟S2，并且對每個教導點執(zhí)行步驟S2至步驟S10。
[0082]與此同時，如果圖像處理設備16確定不存在另一教導點(步驟Sll中的否)，則在機器人控制步驟S12中，機器人控制設備17根據(jù)存儲在教導數(shù)據(jù)存儲設備32中的刨削教導數(shù)據(jù)等在控制多關節(jié)型機器人12和滑塊設備11的軸向移動以及刨削電源的同時執(zhí)行自動刨削。
[0083]作為示例，使用如圖7中所示的條件對水輪機轉(zhuǎn)輪3的葉片焊接部分執(zhí)行珠成形。圖8A是示出了在對葉片焊接部分進行刨削之前的截面形狀(實線)和指定形狀(虛線)的示意圖，并且圖8B是示出了在對葉片焊接部分進行刨削之后的截面形狀(實線)和指定形狀(虛線)的示意圖。
[0084]使用圖7中所示的固定條件和根據(jù)表達式(I)獲得的刨削條件對圖8A中所示的焊珠執(zhí)行等離子體刨削。結(jié)果，焊接增強部分順利地成形為圖8B中所示。
[0085]根據(jù)如上所述的第一實施例的焊珠成形設備I和焊珠成形方法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的自動焊珠成形，而與待成形的對象的尺寸和結(jié)構(gòu)復雜性無關。也就是說，焊珠成形設備I能夠利用形狀傳感器14以非常好的精度來測量待成形的對象的形狀，并且能夠獲取諸如刨削條件和目標位置/氣割炬姿勢等刨削教導數(shù)據(jù)。此外，焊珠成形設備I能夠利用移動軸控制設備31在給定范圍內(nèi)自動執(zhí)行連續(xù)的刨削。
[0086]焊珠成形設備I和焊珠成形方法根據(jù)焊珠的形狀計算交叉點或彎曲點中的相鄰交叉點或彎曲點之間的最大焊接增強，并且定義最大焊接增強的平均值作為去除深度。因此，能夠無需過多的研磨而使得焊接增強順利地成形。此外，焊珠成形設備I和焊珠成形方法能夠在計算的有利刨削條件下執(zhí)行連續(xù)的成形。因此，能夠減少工作步驟和工作時間。
[0087]焊珠成形設備I和焊珠成形方法計算焊接增強不足的部分的距離，并且在所述距離等于或大于預定值的情況下劃分刨削范圍。利用這種配置，焊珠成形設備I和焊珠成形方法能夠執(zhí)行有利的成形，而不會在焊接增強不足的部分中導致過多的去除。
[0088][第二實施例]
[0089]將參考附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的焊珠成形設備和焊珠成形方法的第二實施例。
[0090]圖9是根據(jù)第二實施例的焊珠成形設備41的結(jié)構(gòu)圖。
[0091]第二實施例的焊珠成形設備41與第一實施例的焊珠成形設備I的不同之處在于從離線教導系統(tǒng)42獲取在教導數(shù)據(jù)存儲步驟中存儲到教導數(shù)據(jù)存儲設備32中的教導數(shù)據(jù)。與第一實施例對應的配置和部分通過相同的附圖標記來表示，并且省略了對其進行重復描述。
[0092]焊珠成形設備41包括滑塊設備11、多關節(jié)型機器人12、等離子體氣刨槍13、形狀傳感器14、圖像處理設備16、機器人控制設備17、用于產(chǎn)品設計的三維CAD43、以及離線教導系統(tǒng)42。
[0093]用于產(chǎn)品設計的三維CAD43生成待成形的對象(例如水輪機轉(zhuǎn)輪3)的三維形狀數(shù)據(jù)。離線教導系統(tǒng)42是在計算機屏幕上的虛擬空間中對滑塊設備11和多關節(jié)型機器人12執(zhí)行教導的系統(tǒng)(數(shù)字系統(tǒng))。
[0094]接下來，描述根據(jù)第二實施例的焊珠成形設備41和焊珠成形方法的動作(功能)。
[0095]圖10是用于描述根據(jù)第二實施例的焊珠成形設備41執(zhí)行的焊珠成形預處理的流程圖。
[0096]由焊珠成形設備41執(zhí)行的焊珠成形預處理被劃分為由離線教導系統(tǒng)42執(zhí)行的處理步驟(步驟S21)、由機器人控制設備17執(zhí)行的處理步驟(步驟S22、S23和S33)、以及通過圖像處理設備16執(zhí)行的處理步驟(步驟S24至S32)。
[0097]在測量教導步驟S21中，離線教導系統(tǒng)42基于待成形的對象的三維形狀數(shù)據(jù)來生成待成形的對象的測量教導數(shù)據(jù)。使用用于產(chǎn)品設計的三維CAD43生成三維形狀數(shù)據(jù)，并且將其輸入至離線教導系統(tǒng)42。
[0098]離線教導系統(tǒng)42將輸入的待成形的對象的三維形狀數(shù)據(jù)連同預生成的焊珠成形設備41的三維模型(滑塊設備11、多關節(jié)型機器人12、形狀傳感器14以及等離子體氣刨槍13)放入計算機上的虛擬空間。離線教導系統(tǒng)42計算測量教導數(shù)據(jù)，使得在垂直于通過三維形狀數(shù)據(jù)表示的待成形的對象的焊接部分的刨削線的平面上，在穿過通過冠頂5或箍圈6的表面和葉片7的表面形成的角度的中心的位置和方向來放置形狀傳感器14(以及等離子體氣刨槍13)。[0099]離線教導系統(tǒng)42添加相對于所計算的位置和姿勢的接近移動和縮進移動的教導數(shù)據(jù)。通過這種方式，離線教導系統(tǒng)42向每一個教導點添加移動命令，從而生成測量教導數(shù)據(jù)。
[0100]在教導數(shù)據(jù)存儲步驟S22中，教導數(shù)據(jù)存儲設備32存儲在測量教導步驟S21中生成的教導數(shù)據(jù)。移動軸控制步驟S23至機器人控制步驟S33基本上與第一實施例的焊珠成形預處理(圖2)的移動軸控制步驟S2至機器人控制步驟S12相同，并且因此在這里省略了對這些步驟的詳細描述。
[0101]在根據(jù)第一實施例的焊珠成形設備I和焊珠成形方法中，操作員使用提供至機器人控制設備17的操作設備來操作多關節(jié)型機器人12和滑塊設備11，從而輸入教導數(shù)據(jù)。作為比較，在根據(jù)第二實施例的焊珠成形設備41和焊珠成形方法中，使用通過用于產(chǎn)品設計的三維CAD43和離線教導系統(tǒng)42進行數(shù)字化的數(shù)據(jù)作為教導數(shù)據(jù)，并且所述數(shù)據(jù)被輸入至多關節(jié)型機器人12。
[0102]結(jié)果，除了第一實施例提供的優(yōu)點之外，所述焊珠成形設備41和焊珠成形方法能夠使得不再需要使用實際的待成形對象和實際設備進行教導工作，并且因此能夠降低焊珠成形的工作量和工作時間。
[0103][第三實施例]
[0104]將參考附圖來描述根據(jù)本發(fā)明的焊珠成形設備和焊珠成形方法的第三實施例。
[0105]圖11是根據(jù)第三實施例的焊珠成形設備51的結(jié)構(gòu)圖。
[0106]第三實施例的焊珠成形設備51與第一實施例的焊珠成形設備I的不同之處在于焊珠成形設備51還包括焊炬52，并且不僅執(zhí)行刨削還執(zhí)行焊接。與第一實施例對應的配置和部分通過相同的附圖標記來表示，并且省略了對其進行重復描述。
[0107]焊珠成形設備51包括滑塊設備11、多關節(jié)型機器人12、等離子體氣刨槍13、形狀傳感器14、圖像處理設備16、以及焊炬52。
[0108]焊炬52的位置和姿勢通過如下各項來調(diào)節(jié):多關節(jié)型機器人12的多關節(jié)機構(gòu)；以及通過滑塊設備11的垂直和水平移動以及滑塊設備11圍繞其垂直軸的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的位置調(diào)節(jié)。根據(jù)焊珠成形設備51執(zhí)行的工作來適當選擇和使用等離子體氣刨槍13和焊炬52中的任一個。
[0109]接下來，描述根據(jù)第三實施例的焊珠成形設備51和焊珠成形方法的動作。
[0110]圖12是用于描述根據(jù)第三實施例的焊珠成形設備51執(zhí)行的焊珠成形預處理的流程圖。
[0111]由焊珠成形設備51執(zhí)行的焊珠成形預處理被劃分為由機器人控制設備17執(zhí)行的處理步驟(步驟S41、S42、S48、S49、S55和S56)、以及通過圖像處理設備16執(zhí)行的處理步驟(步驟S43至S47以及S50至S54)。
[0112]教導數(shù)據(jù)存儲步驟S41至形狀數(shù)據(jù)提取步驟S43基本上與第一實施例的焊珠成形預處理(圖2)的教導數(shù)據(jù)存儲步驟SI至形狀數(shù)據(jù)提取步驟S3相同，并且因此在這里省略了對這些步驟進行詳細描述。
[0113]在彎曲點/交叉點提取步驟S44中，圖像處理設備16將在形狀數(shù)據(jù)提取步驟S43中提取的形狀數(shù)據(jù)以及指定形狀添加到圖像上。圖像處理設備16提取形狀數(shù)據(jù)與指定形狀彼此交叉的點作為交叉點。圖像處理設備16還提取形狀數(shù)據(jù)上的焊珠的谷底部分的頂點作為彎曲點。
[0114]圖13是用于描述焊珠的形狀數(shù)據(jù)B、指定形狀R以及冠頂5、箍圈6和葉片7的相應表面的關系的說明圖。
[0115]圖像處理設備16提取交叉點il、交叉點i2、交叉點i6以及交叉點iN，這些點是在形狀數(shù)據(jù)提起步驟S43中提取的形狀數(shù)據(jù)B與指定形狀R之間的交叉點。圖像處理設備16提取形狀數(shù)據(jù)B上的焊珠的谷底部分的頂點(所述頂點是朝向與指定形狀R的中心點O相對的一側(cè)的凸起部分)，作為彎曲點i3至彎曲點i5以及彎曲點i(N-l)。圖像處理設備16提取谷底部分的頂點作為彎曲點，不管所述頂點是在指定形狀R以內(nèi)還是在指定形狀R以外。
[0116]il、i2、i3…i(N-l)以及iN(N:提取的彎曲點和交叉點的總數(shù))的編號以形狀數(shù)據(jù)B以內(nèi)X軸值的遞增順序指定給這次提取的交叉點和彎曲點。
[0117]在模式切換步驟S45中，圖像處理設備16 (模式切換單元)確定是執(zhí)行刨削還是執(zhí)行焊接。具體而言，圖像處理設備16對在形狀數(shù)據(jù)提取步驟S43中提取的形狀數(shù)據(jù)與指定形狀進行比較。在彎曲點在指定形狀以外，也就是焊珠對于指定形狀不足的情況下，圖像處理設備16確定執(zhí)行焊接。在彎曲點在指定形狀以內(nèi)，也就是焊接增強的量足夠的情況下，圖像處理設備16確定執(zhí)行刨削。
[0118]例如，在圖13中所示的情況下，存在彎曲點i3至彎曲點i5，在彎曲點i3至彎曲點i5處，焊珠(形狀數(shù)據(jù)B)對于指定形狀來說不足，并且因此圖像處理設備16確定執(zhí)行焊接。
[0119]如果確定執(zhí)行焊 接，則圖像處理設備16在目標位置計算步驟S46中將在彎曲點/交叉點提取步驟S44中提取的多個彎曲點中的位于指定形狀以外的彎曲點作為目標位置。在指定形狀以外存在多個彎曲點的情況下，圖像處理設備16對多個彎曲點中的每一彎曲點執(zhí)行目標位置計算步驟S46至機器人控制步驟S49。
[0120]在焊接條件計算步驟S47中，圖像處理設備16確定:焊接條件，所述焊接條件包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度以及擺動頻率/幅值，選擇所述焊接電流、焊接電壓、焊接速度以及擺動頻率/幅值使得在目標位置處不會發(fā)生導致不能焊透的重疊形狀；目標位置；以及氣割炬姿勢。圖像處理設備16將所計算的焊接條件、目標位置以及氣割炬姿勢作為焊接教導數(shù)據(jù)存儲到教導數(shù)據(jù)存儲設備32中。
[0121]在焊炬選擇步驟S48中，機器人控制設備17選擇焊炬52作為將要附著至多關節(jié)型機器人12的前端的氣割炬，并且切換至焊炬52。在機器人控制步驟S49中，基于存儲在教導數(shù)據(jù)存儲設備32中的焊接教導數(shù)據(jù)，機器人控制設備17在控制多關節(jié)型機器人12等的移動以及焊接電源的同時執(zhí)行焊接。在基于所計算的焊接教導數(shù)據(jù)執(zhí)行焊接之后，機器人控制設備17返回至教導數(shù)據(jù)存儲步驟S41，并且再次執(zhí)行移動軸控制步驟S42至模式切換步驟S45。
[0122]如果在模式切換步驟S45中確定執(zhí)行刨削，則圖像處理設備16進行至通過序列選擇步驟S50。通過序列選擇步驟S50至刨削條件計算步驟S54與第一實施例的焊珠成形預處理(圖2)中的通過序列選擇步驟S5至刨削條件計算步驟S9基本相同，因此在此省略對這些步驟進行詳細描述。
[0123]在氣刨槍選擇步驟S55中，機器人控制設備17選擇等離子體氣刨槍13作為將要附著至多關節(jié)型機器人12的前端的氣割炬，并且切換至等離子體氣刨槍13。在機器人控制步驟S56中，基于存儲在教導數(shù)據(jù)存儲設備32中的刨削教導數(shù)據(jù)，機器人控制設備17在控制多關節(jié)型機器人12等的移動以及刨削電源的同時執(zhí)行刨削。
[0124]除了第一實施例提供的優(yōu)點之外，根據(jù)第三實施例配置如上的焊珠成形設備51和焊珠成形方法不僅能夠執(zhí)行刨削，還能夠?qū)附釉鰪姴蛔愕牟糠謭?zhí)行焊接。因此，所述焊珠成形設備51和焊珠成形方法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的自動焊珠成形，而與待成形的對象的大小和結(jié)構(gòu)復雜度無關。
[0125]應注意，本發(fā)明不限于沒有任何修改的上述實施例，并且在實際情況下可以在除了上述實施例之外的各種實施例中執(zhí)行。在不偏離本發(fā)明的本質(zhì)的情況下，可以對本發(fā)明進行各種省略、添加、替換以及變型。這些實施例及其變型包括在本發(fā)明的精神和本質(zhì)內(nèi)，并且也包括在本發(fā)明描述的權(quán)利要求書及其等效范圍以內(nèi)。
[0126]附圖標記列表
[0127]1,41,51焊珠成形設備
[0128]11滑塊設備
[0129]12多關節(jié)型機器人
[0130]13等離子體氣刨槍
[0131]14形狀傳感器
[0132]16圖像處理設備
[0133]17機器人控制設備
[0134]29 噴嘴
[0135]31移動軸控制設備
[0136]32教導數(shù)據(jù)存儲設備
[0137]42離線教導系統(tǒng)
[0138]43用于產(chǎn)品設計的三維CAD
[0139]52 焊炬
【權(quán)利要求】
1.一種焊珠成形設備，包括: 形狀數(shù)據(jù)提取單元，所述形狀數(shù)據(jù)提取單元從形狀傳感器獲得的測量結(jié)果提取待成形的對象的形狀數(shù)據(jù)，其中焊珠形成在所述待成形的對象上，所述形狀傳感器測量所述待成形的對象的形狀； 焊接增強形狀提取/去除深度計算單元，所述焊接增強形狀提取/去除深度計算單元根據(jù)所述待成形的對象的所述形狀數(shù)據(jù)與預設的指定形狀之間的差異來計算所述焊珠的焊接增強形狀，并且基于所述焊接增強形狀來計算通過使用氣刨槍執(zhí)行刨削所去除的去除深度； 目標位置/氣割炬姿勢計算單元，所述目標位置/氣割炬姿勢計算單元基于所述焊接增強形狀和所述去除深度來計算所述氣刨槍的目標位置和姿勢； 刨削條件計算單元，所述刨削條件計算單元基于所述焊接增強形狀和所述去除深度來計算刨削條件；以及 驅(qū)動設備和控制設備，所述驅(qū)動設備驅(qū)動所述氣刨槍和所述待成形的對象，所述控制設備基于以下各項來控制所述氣刨槍:由所述目標位置/氣割炬姿勢計算單元計算的所述氣刨槍的所述目標位置和所述姿勢；以及由所述刨削條件計算單元計算的所述刨削條件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊珠成形設備，還包括通過序列選擇單元，所述通過序列選擇單元將所述形狀數(shù)據(jù)與指定形狀進行比較，并且在存在其中所述焊珠的增強對于所述指定形狀而言不足的部分的情況下劃分所述刨削的軌跡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的焊珠成形設備，還包括彎曲點/交叉點提取單元，所述彎曲點/交叉點提取單元提取所述形狀數(shù)據(jù)與所述指定形狀彼此交叉處的點作為交叉點，并且提取所述形狀數(shù)據(jù)上的所述焊珠的谷底部分的頂點作為彎曲點，其中所述頂點相對于所述指定形狀被足夠增強，其中 在所述交叉點的數(shù)量大于兩個的情況下，所述通過序列選擇單元計算所述交叉點中的相鄰交叉點之間的距離， 在所述距離大于預定值的情況下，所述通過序列選擇單元劃分所述刨削的軌跡，并且 在所述距離等于或小于所述預定值的情況下，所述通過序列選擇單元不劃分所述刨削的軌跡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的焊珠成形設備，還包括彎曲點/交叉點提取單元，所述彎曲點/交叉點提取單元提取所述形狀數(shù)據(jù)與所述指定形狀彼此交叉處的點作為交叉點，并且提取所述形狀數(shù)據(jù)上的所述焊珠的谷底部分的頂點作為彎曲點，所述頂點相對于所述指定形狀被足夠增強，其中 所述焊接增強形狀提取/去除深度計算單元基于所述交叉點或所述彎曲點中的相鄰交叉點或彎曲點之間的所述形狀數(shù)據(jù)和所述指定形狀的差異來計算所述焊接增強形狀，計算每一個焊接增強形狀中的最大焊接增強，并且至少使用所述最大焊接增強的平均值來計算所述去除深度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的焊珠成形設備，其中 所述驅(qū)動設備包括多關節(jié)型機器人，并且 所述氣刨槍和所述形狀傳感器附著至所述多關節(jié)型機器人，其中所述氣刨槍和所述形狀傳感器與所述多關節(jié)型機器人之間的相對位置是固定的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項所述的焊珠成形設備，其中 所述驅(qū)動設備包括具有多個軸的滑塊設備，并且 所述多關節(jié)型機器人被設置至所述滑塊設備的所述多個軸中的任一個。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項所述的焊珠成形設備，還包括: 焊炬，所述焊炬用于對在其上形成所述焊珠的所述待成形的對象進行焊接；以及模式切換單元，所述模式切換單元在所述焊珠對于所述指定形狀來說不足的情況下使用所述焊炬來執(zhí)行焊接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊珠成形設備，其中所述控制設備利用離線教導系統(tǒng)來獲取去往所述驅(qū)動設備的教導數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項所述的焊珠成形設備，其中所述氣刨槍是等離子體氣刨槍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊珠成形設備，其中所述氣刨槍包括噴嘴，所述噴嘴在刨削期間噴射用于刨削所述焊珠的等離子體氣體以及用于去除生成的渣的冷卻氣體。
11.一種焊珠成形方法，包括: 形狀測量步驟，所述形狀測量步驟測量待成形的對象的形狀； 形狀數(shù)據(jù)提取步驟，所述形狀數(shù)據(jù)提取步驟基于在所述形狀測量步驟中獲得的測量結(jié)果來提取所述待成形的對象的形狀數(shù)據(jù)； 焊接增強形狀提取/去除深度計算步驟，所述焊接增強形狀提取/去除深度計算步驟根據(jù)所述待成形的對象的所述形狀數(shù)據(jù)與預設的指定形狀之間的差異來計算焊珠的焊接增強形狀，并且根據(jù)所述焊接增強形狀來計算通過執(zhí)行刨削所去除的去除深度； 目標位置/氣割炬姿勢計算步驟，所述目標位置/氣割炬姿勢計算步驟基于所述焊接增強形狀和所述去除深度來計算氣刨槍的目標位置和姿勢； 刨削條件計算步驟，所述刨削條件計算步驟基于所述焊接增強形狀和所述去除深度來計算刨削條件；以及 控制步驟，所述控制步驟基于以下各項來控制驅(qū)動設備:在所述目標位置/氣割炬姿勢計算步驟中計算的所述氣刨槍的所述目標位置和所述姿勢；以及在所述刨削條件計算步驟中計算的所述刨削條件，所述驅(qū)動設備驅(qū)動用于所述刨削的所述氣刨槍和所述待成形的對象。
【文檔編號】B23K10/00GK103987485SQ201280061753
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月13日
【發(fā)明者】濱田崇史, 加藤剛, 青山和夫 申請人:株式會社東芝