本發(fā)明屬于壓力容器制造技術(shù)領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種全自動管子管板焊接裝置，以及用于全自動管子管板焊接裝置的管孔中心坐標(biāo)檢測方法和焊接方法。

背景技術(shù)：

在石油、化工、電站等行業(yè)中廣泛使用各種換熱器(換熱器是在不同溫度的流體間傳遞熱能的裝置)，換熱器在這些行業(yè)中占有十分重要的地位。隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能源消耗量不斷增加，能源緊張已成為一個世界性問題。大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)，已成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中一個重要課題。換熱器在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用，表現(xiàn)在兩方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，可以減少能源的消耗；另一方面，用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。

在換熱器的生產(chǎn)制造過程中，管子與管板焊接是整個換熱器制造過程的關(guān)鍵工序。其特點(diǎn)是：1、接頭數(shù)量大；2、焊接位置苛刻；3、工作環(huán)境惡劣。因此，管孔焊接質(zhì)量的好壞，對換熱器運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。目前，我國在換熱器的生產(chǎn)制造中，其管子管板的焊接均為單個管孔手動操作，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，研究開發(fā)出全自動管子管板焊接裝備，實現(xiàn)整臺換熱器上千個管孔全自動焊接技術(shù)，已勢在必行，有利于提高我國換熱器生產(chǎn)制造自動化、智能化水平，提高制造質(zhì)量及生產(chǎn)效率，提升我國生產(chǎn)企業(yè)國際市場競爭力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種全自動管子管板焊接裝置，使用該裝置，可精確獲得待檢測管板面上管孔中心坐標(biāo)，通過所獲得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)可對管子管板進(jìn)行精確的全自動焊接。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種全自動管子管板焊接裝置，所述裝置包括：垂直升降機(jī)構(gòu)1、垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2、ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)3、焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)4、水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5、水平橫移機(jī)構(gòu)6、ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10；

所述水平橫移機(jī)構(gòu)6上面設(shè)置水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5，水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5上面設(shè)置垂直升降機(jī)構(gòu)1，垂直升降機(jī)構(gòu)1側(cè)面設(shè)置垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2，垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2前面集成ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)3、焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)4、ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10；

所述垂直升降機(jī)構(gòu)1用于ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10的垂直升降；

所述垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2用于ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10的垂直翻轉(zhuǎn)；

所述水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5用于ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10的水平回轉(zhuǎn)；

所述水平橫移機(jī)構(gòu)6用于ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10的水平橫移；

所述ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)3用于ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8和激光測距傳感器10的前進(jìn)和后退；

所述焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)4用于焊接機(jī)頭9的前進(jìn)和后退；

垂直升降機(jī)構(gòu)1、ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)3、焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)4、水平橫移機(jī)構(gòu)6均由交流伺服驅(qū)動高精度滾珠絲杠在直線導(dǎo)軌上完成橫移運(yùn)動，垂直升降機(jī)構(gòu)1所承載的ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10所在的高度位置信息，ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)3所承載的ccd視覺成像系統(tǒng)7的進(jìn)給位置信息，焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)4所承載的焊接機(jī)頭9進(jìn)給位置信息以及水平橫移機(jī)構(gòu)6所承載的ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10水平位置信息均可以被記錄下來；

垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2、水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5由交流伺服驅(qū)動高精度齒輪在軸承上完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2所承載的ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10的垂直翻轉(zhuǎn)角度以及水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5所承載的ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10的水平回轉(zhuǎn)角度信息均可以被記錄下來。

本發(fā)明的另一個目的在于，還提供了一種用于全自動管子管板焊接裝置的管孔中心坐標(biāo)檢測方法，所述檢測方法包括如下步驟：

1)將待測工件(11)擺放至焊接裝置前方，待測工件(11)的管板面與焊接裝置所處水平面和垂直面的水平偏角為a和垂直偏角為b，管排的連線與在該板面上且與地面平行的線的夾角即管排傾角為c；

2)用垂直升降機(jī)構(gòu)(1)和水平橫移機(jī)構(gòu)(6)帶動激光測距傳感器(10)上下左右移動，檢測管板面上不在同一直線上的三個點(diǎn)分別到傳感器的距離，確定待測工件(11)的管板面上三個點(diǎn)的坐標(biāo)；

3)利用所得的三點(diǎn)坐標(biāo)，求得待測管板面的平面方程：

假設(shè)三點(diǎn)坐標(biāo)已經(jīng)得到a(x1,y1,z1)b(x2,y2,z2)c(x3,y3,z3)，則該平面的法向量方程為：

其中，

a＝(y2-y1)*(z3-z1)-(z2-z1)*(y3-y1)；

b＝(z2-z1)*(x3-x1)-(x2-x1)*(z3-z1)；

c＝(x2-x1)*(y3-y1)-(x3-x1)*(y2-y1)；

通過計算得到管板面與檢測系統(tǒng)所處水平面和垂直面所成水平偏角a和垂直偏角b，利用垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(2)和水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(5)帶動ccd視覺成像系統(tǒng)(7)旋轉(zhuǎn)水平偏角a和垂直偏角b，使ccd視覺成像系統(tǒng)(7)與管板面垂直，為后續(xù)管孔中心坐標(biāo)的測量做好準(zhǔn)備，此時焊接機(jī)頭(9)同樣也與管板面垂直，為后續(xù)管板的焊接同樣做好了準(zhǔn)備；

4)ccd視覺成像系統(tǒng)(7)與待測工件(11)垂直后，校正管板面上管孔的傾斜度即管排傾角c，利用ccd視覺成像系統(tǒng)(7)檢測任意一排其中的兩個管孔中心坐標(biāo)，即可得到整個管板面管孔中心坐標(biāo)理論排布方式即管孔中心坐標(biāo)理論值；

5)通過得到的管孔中心坐標(biāo)理論值，利用垂直升降機(jī)構(gòu)(1)、水平橫移機(jī)構(gòu)(6)以及ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)(3)帶著ccd視覺成像系統(tǒng)(7)進(jìn)行垂直運(yùn)動、水平運(yùn)動以及進(jìn)給運(yùn)動，逐行掃描從而得到理論值與實際管孔坐標(biāo)的偏差值，計算管孔中心坐標(biāo)理論值與偏差值之和得到實際管孔中心坐標(biāo)值。

本發(fā)明步驟3)的平面方程的確定中，坐標(biāo)的原點(diǎn)不限，只要確定了管板面上的三個坐標(biāo)點(diǎn)，即可確定平面方程，因為本發(fā)明關(guān)注的是相對位置，比如水平起始坐標(biāo)是100，那么橫移100之后得到的水平坐標(biāo)是200，起始水平坐標(biāo)是1000，水平橫移100之后是1100，本發(fā)明用末點(diǎn)坐標(biāo)減去起始點(diǎn)坐標(biāo)得到的始終是100。最后的方程都是做差得到的。

本發(fā)明步驟5)中，逐行掃描從而得到理論值與實際管孔坐標(biāo)的偏差指的是：按照預(yù)先知道的理論值(理論值是完全平面的二維的值)，根據(jù)實際的角度偏差計算得到新的行走的理論值，然后去拍照掃描得到偏差值，因為如果沒有偏差，每次按照理論值行走的話，那么得到的偏差均為0，如果不是0，那么就有偏差，記錄此偏差，待焊接機(jī)頭行走到該位置時，用理論值加上偏差值，即為實際焊接機(jī)頭需要行走的值，這樣保證焊接機(jī)頭能準(zhǔn)確焊接該孔。

本發(fā)明還提供了一種基于上述管孔中心坐標(biāo)檢測方法的全自動焊接方法，所述焊接方法包括如下步驟：

根據(jù)所得到的實際管孔中心坐標(biāo)值，利用垂直升降機(jī)構(gòu)1、水平橫移機(jī)構(gòu)6以及焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)4帶著焊接機(jī)頭9進(jìn)行垂直運(yùn)動、水平運(yùn)動以及進(jìn)給運(yùn)動，全自動完成管板焊接工序。

本發(fā)明的焊接方法可全自動完成對管板的脹接、焊接或焊后檢測工作。

本發(fā)明提供的一種用于全自動管子管板焊接上的管孔中心坐標(biāo)檢測方法主要應(yīng)用于石化、電力等行業(yè)中換熱器制造工序中的一部分，隸屬于壓力容器制造領(lǐng)域。本發(fā)明的檢測方法適用于獲取管板表面管孔中心坐標(biāo)為管子管板的全自動焊接工作提供精確數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明全自動管板焊接裝置的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖2為本發(fā)明全自動管板焊接裝置的結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖3為待檢測工件端面及管孔分布圖；

圖4為管孔cad理論分布位置圖；

圖5為管板面檢測點(diǎn)及夾角示意圖；

圖6為管板面管排傾斜度；

附圖標(biāo)記：1、垂直升降機(jī)構(gòu)；2、垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；3、ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)；4、焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)；5、水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；6、水平橫移機(jī)構(gòu)；7、ccd視覺成像系統(tǒng)；8、ccd光源；9、焊接機(jī)頭；10、激光測距傳感器；11、待測工件；11-1、管板面；11-2、焊縫；11-3、管子。

具體實施方式

下面以附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

實施例1

如圖1所示，一種全自動管子管板焊接裝置，所述裝置包括：垂直升降機(jī)構(gòu)1、垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2、ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)3、焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)4、水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5、水平橫移機(jī)構(gòu)6、ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10；

所述水平橫移機(jī)構(gòu)6上面設(shè)置水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5，水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5上面設(shè)置垂直升降機(jī)構(gòu)1，垂直升降機(jī)構(gòu)1側(cè)面設(shè)置垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2，垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2前面集成ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)3、焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)4、ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10；

垂直升降機(jī)構(gòu)1用于ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10的垂直升降；

垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2用于ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10的垂直翻轉(zhuǎn)；

水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5用于ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10的水平回轉(zhuǎn)；

水平橫移機(jī)構(gòu)6用于ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10的水平橫移；

ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)3用于ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8和激光測距傳感器10的前進(jìn)和后退；

焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)4用于焊接機(jī)頭9的前進(jìn)和后退；

垂直升降機(jī)構(gòu)1、ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)3、焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)4、水平橫移機(jī)構(gòu)6均由交流伺服驅(qū)動高精度滾珠絲杠在直線導(dǎo)軌上完成橫移運(yùn)動，所以垂直升降機(jī)構(gòu)1所承載的ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10所在的高度位置信息，ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)3所承載的ccd視覺成像系統(tǒng)7的進(jìn)給位置信息，焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)4所承載的焊接機(jī)頭9進(jìn)給位置信息以及水平橫移機(jī)構(gòu)6所承載的ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10水平位置信息均可以被記錄下來；

垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2、水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5由交流伺服驅(qū)動高精度齒輪在軸承上完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，所以垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2所承載的ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10的垂直翻轉(zhuǎn)角度以及水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5所承載的ccd視覺成像系統(tǒng)7、ccd光源8、焊接機(jī)頭9、激光測距傳感器10的水平回轉(zhuǎn)角度信息均可以被記錄下來。

實施例2

如圖1、圖2、圖3、圖4所示，一種用于全自動管子管板焊接裝置的管孔中心坐標(biāo)檢測方法，所述檢測方法包括如下步驟：

1)將待測工件11擺放至檢測系統(tǒng)前方，待測工件11的管板面與檢測系統(tǒng)所處水平面和垂直面的水平偏角為a和垂直偏角為b(如圖5所示)，管排傾角(如圖6所示，該角度為管排的連線與在該板面上且與地面平行的線的夾角)為c；

2)用垂直升降機(jī)構(gòu)1和水平橫移機(jī)構(gòu)6帶動激光測距傳感器10上下左右移動，檢測管板面上不在同一直線上的三個點(diǎn)分別到傳感器的距離，確定待測工件11的管板面上三個點(diǎn)的坐標(biāo)(點(diǎn)到傳感器之間的距離是z坐標(biāo)，垂直升降機(jī)構(gòu)與水平橫移機(jī)構(gòu)提供的y,x兩個坐標(biāo)點(diǎn)，共同構(gòu)成一個點(diǎn)的三個x,y,z坐標(biāo)值)；

3)利用所得的三點(diǎn)坐標(biāo)，求得待測管板面的平面方程：

假設(shè)三點(diǎn)坐標(biāo)已經(jīng)得到a(x1,y1,z1)b(x2,y2,z2)c(x3,y3,z3)，則該平面的法向量方程為：

其中，

a＝(y2-y1)*(z3-z1)-(z2-z1)*(y3-y1)；

b＝(z2-z1)*(x3-x1)-(x2-x1)*(z3-z1)；

c＝(x2-x1)*(y3-y1)-(x3-x1)*(y2-y1)；

通過計算得到管板面與檢測系統(tǒng)所處水平面和垂直面所成水平偏角a和垂直偏角b，利用垂直翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2和水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)5帶動ccd視覺成像系統(tǒng)7旋轉(zhuǎn)水平偏角a和垂直偏角b，使ccd視覺成像系統(tǒng)7與管板面垂直，為后續(xù)管孔中心坐標(biāo)的測量做好準(zhǔn)備，此時焊接機(jī)頭9同樣也與管板面垂直，為后續(xù)管板的焊接同樣做好了準(zhǔn)備；

4)ccd視覺成像系統(tǒng)7與待測工件11垂直后，校正管板面上管孔的傾斜度即管排傾角c，利用ccd視覺成像系統(tǒng)7檢測任意一排其中的兩個管孔中心坐標(biāo)，即可得到整個管板面管孔中心坐標(biāo)理論排布方式；

5)通過得到的管孔中心坐標(biāo)理論值，利用垂直升降機(jī)構(gòu)1、水平橫移機(jī)構(gòu)6以及ccd進(jìn)給機(jī)構(gòu)3帶著ccd視覺成像系統(tǒng)7進(jìn)行垂直運(yùn)動、水平運(yùn)動以及進(jìn)給運(yùn)動，逐行掃描從而得到理論值與實際管孔坐標(biāo)的偏差，從而計算得到實際管孔中心坐標(biāo)值。

本發(fā)明步驟3)的平面方程的確定中，坐標(biāo)的原點(diǎn)不限，只要確定了管板面上的三個坐標(biāo)點(diǎn)，即可確定平面方程，因為本發(fā)明關(guān)注的是相對位置，比如水平起始坐標(biāo)是100，那么橫移100之后得到的水平坐標(biāo)是200，起始水平坐標(biāo)是1000，水平橫移100之后是1100，本發(fā)明用末點(diǎn)坐標(biāo)減去起始點(diǎn)坐標(biāo)得到的始終是100。最后的方程都是做差得到的。

本發(fā)明步驟5)中，逐行掃描從而得到理論值與實際管孔坐標(biāo)的偏差指的是：按照預(yù)先知道的理論值(理論值是完全平面的二維的值)，根據(jù)實際的角度偏差計算得到新的行走的理論值，然后去拍照掃描得到偏差值，因為如果沒有偏差，每次按照理論值行走的話，那么得到的偏差均為0，如果不是0，那么就有偏差，記錄此偏差，待焊接機(jī)頭行走到該位置時，用理論值加上偏差值，即為實際焊接機(jī)頭需要行走的值，這樣保證焊接機(jī)頭能準(zhǔn)確焊接該孔。

實施例3

一種基于上述管孔中心坐標(biāo)檢測方法的全自動焊接方法，所述焊接方法包括如下步驟：

根據(jù)所得到的實際管孔中心坐標(biāo)值，利用垂直升降機(jī)構(gòu)1、水平橫移機(jī)構(gòu)6以及焊接機(jī)頭進(jìn)給機(jī)構(gòu)4帶著焊接機(jī)頭9進(jìn)行垂直運(yùn)動、水平運(yùn)動以及進(jìn)給運(yùn)動，全自動完成管板焊接工序，即將管子11-3焊接在管板面11-1上，管板面11-1與管子11-3之間為焊縫11-2(如圖1所示)。

最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。