技术领域
[0001] 本
发明涉及一种智能焊接圆管相贯线的方法及设备，属于焊接自动化技术领域。
背景技术
[0002] 在
机械加工中，圆管相贯线的焊接非常普遍。以往采用人工焊接的方式，不仅焊接效率低，而且焊接
质量完全依赖焊工的个人技术，从而难以保证焊接质量的
稳定性。现在兴起的
机器人焊接技术，对于圆管相贯线的焊接大多采用多点示教的方式，示教过程长，对操作工人技术要求高，而且需要人工输入较多的
位置参数，但是实际生产当中圆管零件位置、坡口尺寸
精度不高，装配时的公差更是难以测量，再者，在焊接过程中
焊缝会因受热而产生
变形，从而导致人工输入的尺寸参数与实际尺寸相差太大，焊接质量难以保证。
[0003] 中国
专利文件(
申请号2012100243038)公开了一种用于“J”型坡口焊接机器人的在线示教方法，涉及机器人焊接领域，过程中使用激光测距仪，分两次在垂直于圆管轴线和平行于圆管轴线两个方向，采集
焊枪轨迹与实际焊接轨迹的偏差，再分别经过两次、特殊时三次拟合，才最终生成焊接轨迹，且每次都是焊枪位置的拟合，未涉及焊枪
姿态的调整。另外，其激光测距仪的放置方法较模糊，“将激光测距仪扭转至垂直圆管轴向方向”和“将激光测距仪扭转至平行圆管轴向方向”，较难操作实现。
[0004] 中国专利文件(申请号201610762440X)公开了一种
位姿自适应机器人的焊接系统及位姿调整方法，焊接系统包括焊接机器人、与焊接机器人通讯连接的主控机以及与主控机通讯连接的检测
跟踪系统，检测跟踪系统包括设于焊枪上的用以检测焊缝的轮廓的线激光
传感器以及设于焊枪上且位于焊枪的相对两侧的两个点激光传感器；将一台线激光位移传感器和两台点激光位移传感器安装在焊枪上的安装
支架上，实现对平面简单焊缝焊接位姿的实时纠偏。该调整方法使用了三台激光位移传感器，成本较高，且三台激光传感器所占体积较大，在复杂曲线的焊接中具有一定的空间局限性。
[0005] 综上所述，现有的焊接系统并不能简单高效的适应圆管相贯线的智能焊接。
发明内容
[0006] 针对
现有技术的不足，本发明的主要目的是提供一种智能焊接圆管相贯线的方法及设备，以解决圆管相贯线焊接自动化程度低的技术问题。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] 一种智能焊接圆管相贯线的设备，包括变位机、卡盘、激光位移传感器、焊枪、焊枪架、机器人、
焊接电源、控制柜和
示教器，卡盘设于变位机上，卡盘用于圆管相贯线待焊
工件的夹持，变位机用于待焊工件的旋转，焊枪前端与激光位移传感器相连，焊枪通过焊枪架与机器人相连，机器人与焊接电源相连，控制柜与示教器相连。卡盘、变位机与机器人配合完成圆管相贯线全位置焊接工作。安装在焊枪前端的激光位移传感器，在工作时发出激光，测量圆管相贯线焊缝的位置信息。
[0009] 优选的，所述激光位移传感器为线激光位移传感器。
[0010] 一种智能焊接圆管相贯线的方法，包括步骤如下：
[0011] (1)待焊工件包括主管和支管，将待焊工件的主管在变位机上夹紧；
[0012] (2)在示教器上输入圆管相贯线焊接
基础参数信息，计算圆管相贯线理论曲线；
[0013] (3)由相贯线理论曲线计算理论曲线上各位置点处的待焊两管的二面
角，待焊两管为主管和支管，利用二面角计算待焊两管的坡口角，使激光位移传感器的激光中心线位于坡口角的角平分线方向上，计算激光位移传感器的移动路径；
[0014] (4)用示教器在待焊工件上示教一个激光起始扫描点；
[0015] (5)激光位移传感器开始扫描待焊工件的焊缝，扫描得到焊点实际位置和焊枪轴线方向；
[0016] (6)将焊点实际位置、焊枪轴线方向与相贯线理论曲线结合，得到精确的相贯线焊接曲线；
[0017] (7)操作人员
指定焊接参数后，沿着步骤(6)的相贯线焊接曲线开始焊接；
[0018] (8)焊接结束，机器人回到等待位置。
[0019] 优选的，步骤(2)中，焊接基础参数信息包括主管半径、支管半径、支管壁厚、两管轴交角、两管轴线偏移量、主管材料、支管材料、焊接方法、焊接速度，利用主管半径、支管半径、支管壁厚、两管轴交角、两管轴线偏移量计算出圆管相贯线理论曲线。
[0020] 进一步优选的，步骤(2)中，相贯线理论曲线的计算步骤为：
[0021] 主管半径为R、支管半径为r、支管壁厚为t、两管轴交角为α、两管轴线偏移量为e，建立相贯线参数方程，如公式(Ⅰ)所示：
[0022]
[0023] 其中，0≤θ＜2π，x、y、z表示相贯线坐标，θ表示相贯线上某点与原点O连线在XOY平面内的投影与X轴的夹角。
[0024] 进一步优选的，步骤(3)中，根据公式(Ⅰ)相贯线参数方程计算出在不同θ值时待焊两管的二面角，
[0025] 二面角ψ计算过程：
[0026] 在相贯线上点(x，y，z)处，主管、支管两圆柱面的切平面单位法向量分别为[0027]
[0028]
[0029] 则二面角ψ为切平面的法向量间的夹角，满足
[0030]
[0031] 根据ANSI/API(美国国家标准学会/美国石油学会)给出的管道焊接时预留坡口角度的标准(ANSI/API 1104Welding of pipelines and related facilities)，计算出相应的标准焊接坡口角，坡口角为
[0032]
[0033] 取坡口角角平分线的方向为激光位移传感器的激光中心线方向，以相贯线理论曲线为基准，沿激光中心线方向增加线激光位移传感器的扫描距离高度，即得到激光位移传感器的移动路径。扫描距离高度为线激光位移传感器的参考距离。相贯线理论曲线上的每个点都可以通过计算确定此点对应的激光中心线方向，以相贯线理论曲线为基准，增加参照距离后，得到激光位移传感器的移动路径。
[0034] 优选的，步骤(5)中，激光位移传感器按照激光位移传感器设定的测量周期，测量激光位移传感器自身到焊缝的实际距离，并根据每个周期采集到的位置数据来计算本位置的实际位置和实际姿态。测量周期的确定跟机器人末端速度有关，机器人末端速度越快，选取测量周期越短，这样才能保证测量精度。
[0035] 进一步优选的，步骤(5)中，计算实际位置和实际姿态的方法为：以激光位移传感器采集到的其中一个周期的数据为例，
[0036] 从数据的直线端使用最小二乘法，在激光位移传感器
坐标系下，通过比较直线斜率的方法，找到坡口起点P1，直线端为支管一侧；从数据的圆弧端使用最小二乘法，通过比较切线斜率变化趋势的方式找到坡口终点P2，圆弧端为主管一侧；再使用最小二乘法，计算出直线 P1P2的斜率和圆弧C在P2点处切线L的斜率，进而得到实际坡口角，实际坡口角的角平分线为P2P4，则点P2为焊点实际位置，向量P2P4为焊枪轴线方向。
[0037] 进一步优选的，步骤(5)中，焊点实际位置、焊枪轴线方向的
算法为：
[0038] 从数据的直线段最左端起选择n个点的数据值，用最小二乘法拟合计算通过这n个点的直线方程，并找到直线斜率k1；从最左边第二个点起，选择n个点的数据值，用最小二乘法几何计算通过这n个点的直线方程，并找到直线斜率k2；以此类推，若选择的点都在直线段上，则拟合计算的直线斜率的变化会在一个范围中，若从一组点开始，斜率k发生突变，则此组点中就有转折点P1。同理从圆弧最右端起选择n个点的数据值，用最小二乘法拟合计算通过这n个点的直线方程，并找到斜率k1’，以此类推，斜率发生突变的一组点中包括了转折点P2；因为每个
数据采集点的间隔距离很小，在0.1mm左右，所以选择斜率突变的这组数据点的中间点作为转折点；则得出P2是焊缝最深点位置，从P2点向右数n个点，用最小二乘法拟合直线L，L为圆弧在P2点处切线，则直线L与直线P2P1的夹角就是实际坡口角。
[0039] 优选的，步骤(6)中，通过将步骤(5)得到的焊点实际位置P2与激光中心线的中点位置做差，得到位置偏差；通过将焊枪轴线方向与激光中心线方向做差，得到姿态偏差；
[0040] 理论位置加上位置偏差得到最终位置，理论姿态加上姿态偏差为最终姿态，理论位置为相贯线理论曲线的位置数据，理论姿态为由相贯线理论曲线得出的激光中心线；
[0041] 将计算出的离散的相贯线焊缝的最终位置、最终姿态，通过NURBS曲线拟合的方法，拟合成精确的相贯线焊接曲线。
[0042] 优选的，步骤(7)中，在焊接过程中，激光位移传感器开启实时跟踪，监测焊缝是否在焊接热的影响下而产生偏移，若偏移量在预设接受范围内，则继续按照步骤(6)拟合后的相贯线焊接曲线进行焊接，若偏移量超出预设接受范围，则进行补偿位姿误差，由机器人控制焊枪进行位姿调整；预设接收范围为：位置在±2mm范围内，姿态中线偏角在±5°范围内。
[0043] 监测焊缝是否偏移即为实时的监测位置、姿态偏差，其具体监测方法与步骤5相同，因为焊接的位置、姿态精度不高，所以，位置在±2mm范围内，姿态中线偏角在±5°范围内均可不调整。若连续10个采集周期出现同向偏差，则实施位姿调整。实时跟踪和调整可作为焊接过程中的优选视情况增加。
[0044] 进一步优选的，步骤(7)中，因线激光位移传感器发出的线激光距离焊枪伸出的
焊丝有一定距离，即激光监测具有提前性，在提前的这部分时间的监测中，若发现焊缝位姿产生超出预设可接受范围的偏移，则
机器人控制系统控制焊枪进行位姿调整。补偿位姿误差的步骤为：
[0045] 激光位移传感器按照设定好的测量周期，测量其激光位移传感器自身到焊缝的实际距离，并根据每个周期采集到的位置数据来计算本位置时的待纠偏位置和待纠偏姿态；
[0046] 从数据的直线端使用最小二乘法，在激光位移传感器坐标系下，通过比较直线斜率的方法，找到坡口起点P1’；从数据的圆弧端使用最小二乘法，通过比较切线斜率变化趋势的方式找到坡口终点P2’；再使用最小二乘法，计算出直线P1’P2’的斜率和圆弧C在P2’点处切线的斜率，进而得到焊接中坡口角的角平分线P2’P4’，则点P2’为焊点待纠偏位置，向量P2’P4’为焊枪待纠偏轴线方向，由机器人控制焊枪移动至焊点待纠偏位置和焊枪待纠偏轴线方向进行调整后，继续焊接。
[0047] 本发明的有益效果在于：
[0048] 本发明的焊接全程只需操作者输入圆管相贯线焊接关键信息：主管半径、支管半径、支管壁厚、两管轴交角、两管轴线偏移量、主管材料、支管材料、焊接方法、焊接速度，设备自动提供剩余焊接工艺参数供操作人员参考，只需示教一个点，操作简单，对操作人员技术
水平要求低，焊接用时大大减少；另一方面由于激光位移传感器采集的位移信息精度高，因此焊接位置准确，提高了焊接质量且便于质量控制。
附图说明
[0050] 图2为本发明激光位移传感器的移动路径和理论姿态示意图；
[0051] 图3为本发明圆管的相贯线理论曲线和相贯线焊接曲线示意图；
[0052] 图4为本发明设备的主视示意图；
[0053] 图5为本发明设备的左视示意图；
[0054] 图6为激光位移传感器工作示意图；
[0055] 图7为本发明激光位移传感器一个
采样周期内采集到的高度数据值集合形成的线图；
[0056] 图8为本发明
实施例2的步骤(6)中位置偏差与姿态偏差示意图；
[0057] 图中，1、激光位移传感器移动路径，2、激光位移传感器运动姿态下发射器中心点放出的激光，3、相贯线焊接曲线，4、相贯线理论曲线，5、变位机，6、卡盘，7、激光位移传感器，8、焊枪，9、焊枪架，10、机器人，11、焊接电源，12、控制柜，13、示教器，14、待焊工件，15、焊缝，16、激光，17、线1，18、线2，19、姿态偏差，20、位置偏差。
具体实施方式
[0058] 下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
[0059] 实施例1：
[0060] 一种智能焊接圆管相贯线的设备，如附图4、5、6所示，包括变位机5、卡盘6、激光位移传感器7、焊枪8、焊枪架9、机器人10、焊接电源11、控制柜12和示教器13，卡盘6安装在变位机5上，卡盘用于圆管相贯线待焊工件的夹持，变位机用于待焊工件的旋转，焊枪前端与激光位移传感器相连，焊枪通过焊枪架与机器人相连，机器人与焊接电源相连，控制柜与示教器相连。卡盘、变位机与机器人10配合完成圆管相贯线全位置焊接工作。
[0061] 激光位移传感器为线激光位移传感器。焊接电源、变位机市购而得，厂家为奥太，焊接电源采用Pulse MIG R系列逆变式脉冲MIG/MAG。
[0062] 实施例2
[0063] 一种智能焊接圆管相贯线的方法，包括步骤如下：
[0064] (1)待焊工件包括主管和支管，将待焊工件的主管在变位机上夹紧；
[0065] (2)在示教器上输入圆管相贯线焊接基础参数信息，焊接基础参数信息包括主管半径、支管半径、支管壁厚、两管轴交角、两管轴线偏移量、主管材料、支管材料、焊接方法、焊接速度，利用主管半径、支管半径、支管壁厚、两管轴交角、两管轴线偏移量计算出圆管相贯线理论曲线；相贯线理论曲线的计算步骤为：
[0066] 主管半径R＝57mm、支管半径r＝57mm、支管壁厚t＝3mm、两管轴交角为α＝90°、两管轴线偏移量e＝0mm，建立相贯线参数方程，如公式(Ⅰ)所示：
[0067]
[0068] 其中，0≤θ＜2π，x、y、z表示相贯线坐标，θ表示相贯线上某点与原点O连线在 XOY平面内的投影与X轴的夹角。得到如图3中的曲线4所示。
[0069] (3)由相贯线理论曲线计算理论曲线上各位置点处的待焊两管的二面角，待焊两管为主管和支管，根据公式(Ⅰ)相贯线参数方程计算出在不同θ值时待焊两管的二面角，再依据二面角、国家相关标准，计算出相应的标准焊接坡口角：
[0070] 二面角计算算例：
[0071] 以θ＝0为例
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076] 根据ANSI/API(美国国家标准学会/美国石油学会)给出的管道焊接时预留坡口角度的标准(ANSI/API 1104Welding of pipelines and related facilities)，计算出相应的标准焊接坡口角，坡口角为
[0077]
[0078] 取坡口角角平分线的方向为激光位移传感器的激光中心线方向，以相贯线理论曲线为基准，沿激光中心线方向增加线激光位移传感器的扫描距离高度，即得到激光位移传感器的移动路径。扫描距离高度为线激光位移传感器的参照距离。本实施例采用的是基恩士的LJ-G200 型号的激光位移传感器，它的参考距离为200mm±48mm。相贯线理论曲线上的每个点都可以通过计算确定此点对应的激光中心线方向，如图2中的2即为各点激光中心线的方向，以相贯线理论曲线为基准，增加参照距离后，得到图2中的1即为激光位移传感器的移动路径。
[0079] (4)用示教器在待焊工件上示教一个激光起始扫描点；示教器可利用江苏华途数控科技有限公司的型号HTQ-A113-1C2的产品。
[0080] (5)激光位移传感器开始扫描待焊工件的焊缝，激光位移传感器按照自身设定好的测量周期测量激光位移传感器自身到焊缝的实际距离，并根据每个周期采集到的位置数据来计算本位置的实际位置和实际姿态。测量周期的确定跟机器人末端速度有关，机器人末端速度越快，选取测量周期越短，这样才能保证测量精度。基恩士的LJ-G200型号的
激光器，其测量周期分为以下11个档，0.3、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10ms。
[0081] 以采集到的其中一个周期的数据为例，一个周期的数据，指的是在某一个采样周期中，线激光位移传感器采集到的实际所有的数据值。线激光位移传感器采集到的数据是物体被线激光照射到的部分，将激光反射回激光位移传感器的相机，从而计算出的高度信息。一条线激光有800个数据采集点，即一个采样周期可得800个高度信息，将这些高度信息绘制成图，如图7所示，图7是根据激光位移传感器一个周期采集到的高度数据值，在excel里画的图，其中直线部分是支管，圆弧部分是主管，中间凹陷是坡口角。
[0082] 从数据的直线段最左端起选择n个点的数据值(本实施例中n取值为5)，用最小二乘法拟合计算通过这n个点的直线方程，并找到直线斜率k1；从最左边第二个点起，选择n个点的数据值，用最小二乘法几何计算通过这n个点的直线方程，并找到直线斜率k2；以此类推，若选择的点都在直线段上，则拟合计算的直线斜率的变化会在一个范围中，若从某一组点开始，斜率k发生突变，则此组点中就有转折点P1。同理从圆弧最右端起选择n个点的数据值，用最小二乘法拟合计算通过这n个点的直线方程，并找到斜率k1’，以此类推，斜率发生突变的一组点中包括了转折点P2；因为每个数据采集点的间隔距离很小，在0.1mm左右，所以选择斜率突变的这组数据点的中间点作为转折点，则得出P2是焊缝最深点位置；从P2点向右数n个点，用最小二乘法计算出直线P1P2的斜率和圆弧C在P2点处切线的斜率，拟合直线L，L为圆弧在P2点处切线，则直线L与直线P2P1的夹角就是实际坡口角，取实际坡口角的角平分线P2P4，则点P2为焊点实际位置，向量P2P4为焊枪轴线方向。
[0083] (6)通过将步骤(5)得到的焊点实际位置P2与激光中心线的位置做差，得到位置偏差，如图8所示；姿态偏差是将线1移到线2位置后，线1与P2P4的夹角；
[0084] 理论位置加上位置偏差得到最终位置，理论姿态加上姿态偏差为最终姿态，理论位置为相贯线理论曲线的位置数据，理论姿态为由相贯线理论曲线得出的激光中心线；
[0085] 将计算出的离散的相贯线焊缝的最终位置、最终姿态，通过NURBS曲线拟合的方法，拟合成精确的相贯线焊接曲线。
[0086] (7)操作人员确定焊接参数后，沿着步骤(6)的相贯线焊接曲线开始焊接；
[0087] (8)焊接结束，机器人带着焊枪回到等待位置。
[0088] 机器人和控制柜可以新时达的sa1400型号为基体进行基础操作。
[0089] 实施例3
[0090] 一种智能焊接圆管相贯线的方法，其步骤如实施例2所示，所不同的是，步骤(7)中，在焊接过程中，激光位移传感器开启实时跟踪，监测焊缝是否在焊接热的影响下而产生偏移，若偏移量在预设接受范围内，则继续按照步骤(6)拟合后的相贯线焊接曲线进行焊接，若偏移量超出预设接受范围，则进行补偿位姿误差，由机器人控制焊枪进行位姿调整；预设接收范围为：位置在±2mm范围内，姿态中线偏角在±5°范围内。监测是否产生偏移，就是实时测量焊接过程中的位置和姿态，测量计算方法如步骤(5)的计算原理一样，对一个采样周期内的数据，用最小二乘法确定焊接过程中的坡口起点、坡口终点、坡口终点在主管一侧的切线，从而得到焊接过程中的位置和姿态，再对比，位置在±2mm范围内，姿态中线偏角在±5°范围内均可不调整。
[0091] 补偿位姿误差的步骤为：
[0092] 激光位移传感器按照设定好的测量周期，测量其激光位移传感器其自身到焊缝的实际距离，并根据每个周期采集到的位置数据来计算本位置时的待纠偏位置和待纠偏姿态。
[0093] 从数据的直线端使用最小二乘法，在激光位移传感器坐标系下，通过比较直线斜率的方法，找到坡口起点P1’；从数据的圆弧端使用最小二乘法，通过比较切线斜率变化趋势的方式找到坡口终点P2’。再使用最小二乘法，计算出直线P1’P2’的斜率和圆弧C在P2’点处切线的斜率，进而得到焊接中坡口角的角平分线P2’P4’，则点P2’为焊点待纠偏位置，向量P2’P4’为焊枪待纠偏轴线方向，由机器人控制焊枪移动至焊点待纠偏位置和焊枪待纠偏轴线方向进行调整后，继续焊接。
[0094] 根据实际得到的轨迹与理论轨迹进行比较，以相交的点作为截点，对轨迹进行分段处理，得到每段轨迹的各点的偏差，然后对偏差进行补偿(即在控制机器人末端向偏差方向移动)，从而是理论轨迹曲线无限接近实际轨迹曲线，从而得到实际轨迹。如果没有相交点，则需要对整条曲线的偏差进行补偿。
[0095] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和
说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。
