本發(fā)明屬于工業(yè)機器人焊接領(lǐng)域,涉及一種用于膜式水冷壁銷釘焊接的機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)，具體地說，是用在膜式水冷壁點焊過程的實時檢測反饋和補償?shù)墓I(yè)焊接機器人焊接系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

膜式水冷壁是電廠鍋爐爐墻的重要結(jié)構(gòu)部件，由鋼管和扁鋼沿鋼管縱向焊接而成的排面和焊接在排面上的螺柱或者銷釘組成。人工焊接銷釘方法不僅效率低，而且精度難保證，降低了企業(yè)的生產(chǎn)效率。采用工業(yè)焊接機器人進行焊接過程中，傳統(tǒng)的人工示教方式存在編程繁瑣、耗時長的問題，而且由于膜式水冷壁尺寸較大，在焊接當(dāng)前區(qū)域時，由于加工產(chǎn)生的變形將使臨近區(qū)域的已規(guī)劃路徑程序指令不再準(zhǔn)確。因此，準(zhǔn)確及時地獲取當(dāng)前加工區(qū)域內(nèi)工件的形狀和位姿參數(shù)，再進行焊接機器人編程和加工將會大大提高焊接質(zhì)量和加工精度。

檢索現(xiàn)有的技術(shù)和文獻發(fā)現(xiàn)，在焊縫跟蹤、鈑金折彎、機器人弧焊、裝配等領(lǐng)域，在焊接機器人加工之前用視覺傳感技術(shù)獲取工件數(shù)據(jù)是一種常用的辦法。在工作站內(nèi)或者焊接機器人上安裝附加的視覺設(shè)備，比如視覺傳感器或者工業(yè)相機等實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，返回給控制端進行補償校正和加工路徑的再規(guī)劃，由此形成一個閉環(huán)的動態(tài)補償加工系統(tǒng)。這種閉環(huán)的加工系統(tǒng)可以有效地提高加工精度，校正理論規(guī)劃路徑和實際路徑之間的偏差。目前的這種工業(yè)焊接機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)，大部分是采用的離線編程，不僅要求操作人員具備專業(yè)上的機器人學(xué)和編程的知識和經(jīng)驗，而且離線編程過程中實際環(huán)境參數(shù)和理論模型參數(shù)之間會有偏差。而對于將銷釘焊接到膜式水冷壁上的加工任務(wù)，由于工件尺寸較大且銷釘數(shù)量眾多，實時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)反饋補償和加工方法將會大大提高加工精度。因此，采用機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)來完成膜式水冷壁銷釘焊接任務(wù)可提高社會效益和經(jīng)濟效益。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對膜式水冷壁銷釘焊接技術(shù)的缺陷和現(xiàn)有閉環(huán)加工系統(tǒng)中存在的不足，提供一種用于膜式水冷壁銷釘焊接的機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)，融合傳感器檢測的控制算法，通過激光截面?zhèn)鞲衅鲗崟r采集數(shù)據(jù)并返回給上位機，通過測量數(shù)據(jù)對已規(guī)劃的理論加工路徑進行補償和校正，并生成焊接機器人加工指令，驅(qū)動焊接機器人進行加工，由此提高了焊接加工精度，同時簡化了機器人編程的過程。

本發(fā)明用于膜式水冷壁銷釘焊接的機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)，包括焊接機器人與焊接機器人上安裝的焊槍頭，以及傳感器、上位機、控制器，通訊設(shè)備。所述傳感器固定安裝于焊接機器人上，對膜式水冷壁的輪廓進行掃描。

上位機用于接收用戶輸入的工藝參數(shù)，包括膜式水冷壁的鋼管半徑、膜式水冷壁的縱向總長度、膜式水冷壁橫向總長度與傳感器檢測參數(shù)。其中，傳感器檢測參數(shù)包括：

A、當(dāng)傳感器沿著膜式水冷壁縱向方向檢測，需沿著縱向方向?qū)δな剿浔谶M行分區(qū)域檢測，則傳感器檢測參數(shù)為每個分區(qū)的縱向檢測距離；

B、當(dāng)傳感器沿著膜式水冷壁橫向方向檢測，需沿著橫向方向?qū)δな剿浔诜謪^(qū)域檢測，則傳感器檢測參數(shù)為每個分區(qū)的橫向檢測距離。

上位機根據(jù)膜式水冷壁的鋼管半徑，上述工藝參數(shù)，自動規(guī)劃當(dāng)前分區(qū)內(nèi)焊接機器人理論加工路徑以及。上位機根據(jù)傳感器檢測參數(shù)，自動規(guī)劃當(dāng)前分區(qū)內(nèi)的傳傳感器檢測路徑，并生成驅(qū)動傳感器檢測的指令，發(fā)送至控制器，由控制器控制焊接機器人運動帶動傳感器執(zhí)行檢測任務(wù)，得到傳感器檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后得到各個焊接截面上膜式水冷壁鋼管的半徑R₀與圓心坐標(biāo)(x_c0，y_c0，z_c0)，并發(fā)送至上位機；進而由上位機中設(shè)計的校正模塊，對理論加工路徑中各個焊點坐標(biāo)進行校正，生成焊接機器人加工指令發(fā)送到控制器，控制焊接機器人進行當(dāng)前分區(qū)內(nèi)的焊接加工任務(wù)。

當(dāng)完成當(dāng)前分區(qū)的膜式水冷壁加工任務(wù)后，則重新對下一分區(qū)進行上述理論加工路徑規(guī)劃、傳感器路徑規(guī)劃、以及焊點位置坐標(biāo)校正后，進行下一分區(qū)內(nèi)模式水冷壁的加工，直至完成整個膜式水冷壁的加工任務(wù)。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明用于膜式水冷壁銷釘焊接的機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)，根據(jù)用戶輸入工藝參數(shù)自動規(guī)劃傳感器檢測路徑和焊接機器人理論加工路徑，采用傳感器測量膜式水冷壁數(shù)據(jù)用于補償和校正理論加工路徑，從而減小加工誤差，提高焊接質(zhì)量；同時融合傳感器檢測算法，根據(jù)用戶輸入的工藝參數(shù)直接生成焊接機器人指令程序，控制焊接機器人運動，簡化了機器人編程方式，克服了傳統(tǒng)焊接和人工示教的繁瑣耗時的難點，大大降低了對操作人員專業(yè)知識技能上的要求，同時節(jié)省了人工和時間，具有實際生產(chǎn)應(yīng)用價值；

2、本發(fā)明用于膜式水冷壁銷釘焊接的機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)，采用的激光傳感器直接和焊槍頭安裝在焊接機器人末端，不額外增加設(shè)備，安裝改造簡便易操作；

3、本發(fā)明用于膜式水冷壁銷釘焊接的機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)，采用激光截面?zhèn)鞲衅鲗崟r采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)對已規(guī)劃路徑進行補償和校正，提高了加工精度；

4、本發(fā)明用于膜式水冷壁銷釘焊接的機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)，很好地將傳感器檢測的算法與機器人編程算法融合，實現(xiàn)了焊接加工過程的自動控制，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

附圖說明

圖1為本發(fā)明用于膜式水冷壁銷釘焊接的機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明用于膜式水冷壁銷釘焊接的機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)校正方法流程圖；

圖3為本發(fā)明用于膜式水冷壁銷釘焊接的機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)中銷釘布焊示意圖。

圖中：

1-焊接機器人 2-焊槍頭 3-傳感器

4-上位機 5-控制器 6-膜式水冷壁

7-路由器

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明用于膜式水冷壁銷釘焊接的機器人閉環(huán)加工系統(tǒng)，包括焊接機器人1、焊槍頭2、傳感器3、上位機4、控制器5與通訊設(shè)備，如圖1所示。

所述焊接機器人1為焊接臂，其末端安裝焊槍頭2，用于引導(dǎo)焊槍頭2以膜式水冷壁6鋼管上焊點法向量方向的位姿進行點焊加工。傳感器3為激光截面?zhèn)鞲衅鳎ㄟ^螺栓固定安裝于焊接機器人1末端，使傳感器3可跟隨焊槍頭2運動,由傳感器對膜式水冷壁6的輪廓進行掃描。所述的膜式水冷壁6是由扁鋼和一定尺寸的鋼管連續(xù)并排焊接的排面，在電廠鍋爐行業(yè)中應(yīng)用較多。

所述上位機4、控制器5、傳感器3與焊接機器人1間通過通訊設(shè)備實現(xiàn)通訊；其中，上位機4通過以太網(wǎng)線與路由器7相連，路由器7通過以太網(wǎng)線與控制器和傳感器3相連，實現(xiàn)上位機4、控制器5與傳感器3三者間的通信。所述控制器5和焊接機器人1間通過電纜連接，進行數(shù)據(jù)和命令的傳達(dá)。

如圖2所示，上位機4內(nèi)具有輸入模塊401，使用戶將工藝參數(shù)輸入至上位機4內(nèi)，工藝參數(shù)為膜式水冷壁6的鋼管半徑、膜式水冷壁6的縱向總長度、膜式水冷壁6橫向總長度與傳感器3檢測參數(shù)。其中，傳感器3檢測參數(shù)包括：

A、當(dāng)傳感器3沿著膜式水冷壁6縱向方向檢測，需沿著縱向方向?qū)δな剿浔?進行分區(qū)域檢測，則傳感器3檢測參數(shù)為每個分區(qū)的縱向檢測距離；

B、當(dāng)傳感器3沿著膜式水冷壁6橫向方向檢測，需沿著橫向方向?qū)δな剿浔?分區(qū)域檢測，則傳感器3檢測參數(shù)為每個分區(qū)的橫向檢測距離。

上位機4根據(jù)膜式水冷壁6的鋼管半徑、膜式水冷壁6的縱向總長度、膜式水冷壁6橫向總長度與傳感器3檢測參數(shù)，自動規(guī)劃當(dāng)前分區(qū)焊接機器人1的理論加工路徑，按照銷釘?shù)呐挪家?，沿著所述膜式水冷?縱向方向每間隔一定距離的焊接截面平面內(nèi)，按照下述公式規(guī)劃焊點，得到膜式水冷壁6各個焊接截面上的焊點坐標(biāo)值：

式(1)中，x,y,z為理論加工路徑規(guī)劃的焊點坐標(biāo)，x方向為膜式水冷壁6橫向方向，y方向為膜式水冷壁6縱向方向，Z方向為與xy平面垂直方向；x_c，z_c為焊接截面圓心的X與Z軸坐標(biāo)；R為焊接截面圓半徑；α為膜式水冷壁6各個焊接截面內(nèi)銷釘焊接方向與豎直方向的夾角；step為傳感器3每次沿著縱向方向的檢測距離；n為當(dāng)前傳感器3檢測次數(shù)。

以模式水冷壁相鄰三根鋼管為例進一步說明理論加工路徑的規(guī)劃：如圖3所示，三根鋼管上焊接截面間隔40mm；相鄰鋼管上焊接截面間隔20mm交錯排布；且相鄰的鋼管中，一根鋼管的焊接平面上焊接三個銷釘，三個銷釘焊接方向與豎直方向夾角分別為40°，0°與-45°；另一根鋼管的焊接平面上焊接兩個銷釘，兩個銷釘?shù)暮附臃较蚺c豎直方向加角30°與-30°；則膜式水冷壁6各個焊接截面上的焊點坐標(biāo)值為：

上位機4根據(jù)膜式水冷壁6的縱向總長度、膜式水冷壁6橫向總長度與傳感器3檢測參數(shù)，自動規(guī)劃當(dāng)前分區(qū)內(nèi)的傳感器3檢測路徑，并生成驅(qū)動傳感器3檢測的指令，發(fā)送至控制器5，由控制器5控制焊接機器人1運動帶動傳感器3執(zhí)行檢測任務(wù)，得到傳感器3檢測數(shù)據(jù)，并發(fā)送至上位機4。傳感器3檢測數(shù)據(jù)為傳感器3按傳感器3檢測路徑上各個焊接截面周向上點坐標(biāo)集合。上位機對傳感器3檢測數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合圓的方法進行擬合，得到各個焊接截面上膜式水冷壁6的鋼管半徑R₀與圓心坐標(biāo)(x_c0，y_c0，z_c0)，并以此通過上位機4中設(shè)計的校正模塊402，對理論加工路徑中各個焊接截面上焊點坐標(biāo)進行校正，生成焊接機器人1的加工指令發(fā)送到控制器5，控制焊接機器人1進行當(dāng)前分區(qū)內(nèi)的焊接加工任務(wù)，使焊接機器人1將銷釘按照排布規(guī)則，點焊到膜式水冷壁6上校正后的焊點位置處。

通過所述校正模塊402可判斷膜式水冷壁6在當(dāng)前分區(qū)內(nèi)是否存在變形，由校正模塊通過下述方法計算在傳感器3檢測路徑上各個焊接截面上獲取的焊點坐標(biāo)值與理論加工路徑規(guī)劃的各個焊接截面上焊點坐標(biāo)值的誤差值Δx_c，Δy_c，Δz_c，以及傳感器3檢測路徑上各個焊接截面與理論加工路徑規(guī)劃的各個焊接截面圓半徑的誤差值ΔR：

式(4)中，x_c，y_c，z_c為焊接截面圓心的X、Y、Z三軸坐標(biāo)；其中，y_c由傳感器3每次沿著縱向方向的檢測距離step和當(dāng)前傳感器3檢測次數(shù)n計算得到。

若式(4)得到誤差值在允許誤差范圍內(nèi)，則按照理論加工路徑對膜式水冷壁6進行銷釘焊接；如果其中任意一個誤差值超過允許誤差范圍，則將Δx_c，Δy_c，Δz_c和ΔR按下式，重新規(guī)劃理論加工路徑，完成對理論加工路徑上各焊接截面上焊點坐標(biāo)的校正：

式(5)中，x′,y′,z′為校正后的焊點坐標(biāo)值。

由此，上例中理論加工路徑上各焊接截面上焊點坐標(biāo)的校正后為：

當(dāng)完成當(dāng)前分區(qū)的膜式水冷壁6加工任務(wù)后，則重新對下一分區(qū)進行上述理論路徑規(guī)劃、傳感器路徑規(guī)劃、以及焊點位置坐標(biāo)校正后，進行下一分區(qū)內(nèi)模式水冷壁的加工，直至完成整個膜式水冷壁的加工任務(wù)。