專利名稱：恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接應(yīng)力消除自動控制系統(tǒng)，屬于傳感與測控技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在大型結(jié)構(gòu)件焊接、薄板焊接、異種金屬焊接、高溫合金焊接，以及在高精度特種設(shè)備焊接等領(lǐng)域，焊接變形需得到有效控制，否則會對焊接件尺寸和外形有影響，而且會降低結(jié)構(gòu)的承載能力。如在鋁合金造船工業(yè)中，板材由于焊接過程中較大的熱輸入而發(fā)生變形較大、焊接接頭性能較差。在建造船體時，約有25%的工作量是對船板整形和捶平，以達到要求的平整度和曲率，以便能將船板固定在一起。這不僅影響了船舶生產(chǎn)的效率，而且大大降低了船的質(zhì)量。即使是熱輸入小、變形小的激光焊接，也存在焊接變形問題。焊接應(yīng)力是焊接變形的主要原因。消除焊接應(yīng)力，控制焊接變形的方法很多，目前在工程中較為常用的幾種焊后處理方法有超聲沖擊、焊趾打磨、噴丸、錘擊、TIG熔修、應(yīng)用低相變點焊條法等。隨焊或焊后沖擊、錘擊、碾壓是一種減小焊接應(yīng)力、防止焊接變形的有效途徑。其中超聲沖擊技術(shù)是一種新穎的有效的消除部件表面或焊縫區(qū)有害殘余拉應(yīng)力、引進有益壓應(yīng)力的方法，相比其它方法其優(yōu)點突出。超聲沖擊設(shè)備利用大功率的能量推動沖擊頭以每秒約2萬次的頻率沖擊金屬物體表面，高頻、高效和聚焦下的大能量使金屬表層產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形；同時超聲沖擊改變了原有的應(yīng)力場，產(chǎn)生有益的壓應(yīng)力；高能量沖擊下金屬表面溫度極速升高又迅速冷卻，使作用區(qū)表層金屬組織發(fā)生變化，沖擊部位得以強化。國內(nèi)外雖已研制出移動小車承載的隨焊/焊后應(yīng)力消除設(shè)備，但都不具備焊后長焊縫、彎曲焊縫自動跟蹤功能。要使隨焊/焊后應(yīng)力消除設(shè)備能夠自動實施作業(yè)，需具備焊后焊縫跟蹤功能。先進焊后焊縫跟蹤均使用在焊縫質(zhì)量檢測中，使用的方法多采用機器視覺的方式，見文獻(盧昌福.基于激光視覺傳感的焊后檢測技術(shù)研究[D].[碩士學(xué)位論文].哈爾濱哈爾濱工業(yè)大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，2007. 7. Jean-Paul Boillot,Koichi Uota, Etienne Berthiaume, et al. Tracking and inspection for laserwelding [J], Proceedingof SPIE, 2002(4) : 165-170.)，由于焊后坡口特征消失、焊接缺陷、殘留的焊劑焊渣和飛濺等都直接影響到視覺檢測。探索一種精度高、不受焊后工況影響的全自動焊后焊縫跟蹤方式，并將其應(yīng)用于焊后應(yīng)力消除系統(tǒng)中，將具有很強的實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實時記錄焊接噴嘴移動軌跡，應(yīng)力消除作業(yè)效果好的恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)，其特征是包括對焊縫進行焊接的移動式焊接設(shè)備、消除焊接應(yīng)力的焊接應(yīng)力消除移動機器人，一臺同步電機固定放置于焊縫外，以同步電機轉(zhuǎn)軸軸心作為參考點；兩個反射式測距傳感器固定在電機軸上，與電機同軸旋轉(zhuǎn)，兩個傳感器間相隔一段距離；在焊接初始點、移動式焊接設(shè)備的焊接噴嘴處、焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)末端均貼有反射片，與上述測距傳感器配合測距，其中一個測距傳感器分別檢測參考點與焊接初始點、參考點與焊接噴嘴之間的距離，另一個測距傳感器分別檢測參考點與焊接初始點、參考點與焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)末端之間的距離；系統(tǒng)運行過程中，電機不停地恒速旋轉(zhuǎn)，測距傳感器不斷檢測焊接噴嘴與參考點的距離，及以參考點為圓心，參考點、焊接初始點、焊接移動點所形成的角度，從而得到焊接噴嘴相對于參考點的移動軌跡；同時測距傳感器實時檢測焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)端與參考點的距離，及以參考點為圓心，參考點、焊接起始點、應(yīng)力消除移動點所形成的角度，從而得到焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)端相對于參考點的移動軌跡，將上述兩軌跡進行比較，即可得到焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)端偏離已焊焊縫的距離和方向，并通過控制系統(tǒng)進行糾偏。在焊接初始點上設(shè)置上下兩個反射片，且兩個反射片間相隔一段距離；焊接噴嘴處的反射片中心、焊接初始點上的一個反射片中心與一個測距傳感器在同一水平面上；焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)末端的反射片中心、焊接初始點上的另一個反射片中心與另一個測距傳感器在同一水平面上。測距傳感器安裝高度高于焊接噴嘴，采用調(diào)制頻率避開弧光及等離子體輻射的干 擾。在焊接應(yīng)力消除移動機器人上安裝位姿檢測傳感器，得到任一時刻機器人相對于參考點的位姿，通過控制系統(tǒng)進行糾偏。焊接應(yīng)力消除移動機器人采用輪式移動機器人作為本體，通過兩輪差動實現(xiàn)機器人位置粗定位，采用十字滑塊作為應(yīng)力消除作業(yè)端定位驅(qū)動機構(gòu)，實現(xiàn)應(yīng)力消除作業(yè)末端的精密定位。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高、焊后焊縫跟蹤精度高，不受焊渣或焊接缺陷對焊后焊縫跟蹤的影響。縱觀國內(nèi)現(xiàn)有的焊接領(lǐng)域的自動化系統(tǒng)和設(shè)備，本發(fā)明所提的設(shè)計目標尚無單位實現(xiàn)。本發(fā)明以恒速旋轉(zhuǎn)電機作為參考位置，采用距離測量和角度測量(角度測量采用高頻脈沖線性插值細分)相結(jié)合的方法實時記錄焊接噴嘴移動軌跡，并控制焊接應(yīng)力消除移動機器人位姿調(diào)整，沿著焊接噴嘴軌跡實施應(yīng)力消除作業(yè)。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖I是本發(fā)明的恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的種恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)中，焊接應(yīng)力消除移動機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明的恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)中，焊后焊縫跟蹤系統(tǒng)測量原理俯視圖簡圖。圖4是本發(fā)明的恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)中，焊后焊縫跟蹤系統(tǒng)測量原理時序圖。
具體實施方式
一種恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)，包括對焊縫進行焊接的移動式焊接設(shè)備I、消除焊接應(yīng)力的焊接應(yīng)力消除移動機器人2，一臺同步電機3固定放置于焊縫外，以同步電機轉(zhuǎn)軸軸心作為參考點；兩個反射式測距傳感器4、5固定在電機軸上，與電機同軸旋轉(zhuǎn)，兩個傳感器間相隔一段距離；在焊接初始點、移動式焊接設(shè)備的焊接噴嘴處、焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)末端分別貼有反射片6 (即反射片C)、7 (即反射片D)、8(即反射片A)、9 (即反射片B)，與上述測距傳感器配合測距，其中一個測距傳感器分別檢測參考點與焊接初始點、參考點與焊接噴嘴之間的距離，另一個測距傳感器分別檢測參考點與焊接初始點、參考點與焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)末端之間的距離；系統(tǒng)運行過程中，電機不停地恒速旋轉(zhuǎn)，測距傳感器不斷檢測焊接噴嘴與參考點的距離，及以參考點為圓心，參考點、焊接初始點、焊接移動點所形成的角度，從而得到焊接噴嘴相對于參考點的移動軌跡；同時測距傳感器實時檢測焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)端與參考點的距離，及以參考點為圓心，參考點、焊接起始點、應(yīng)力消除移動點所形成的角度，從而得到焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)端相對于參考點的移動軌跡，將上述兩軌跡進行比較，即可得到焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)端偏離已焊焊縫的距離和方向，并通過控制系統(tǒng)進行糾偏。焊接應(yīng)力消除移動機器人采用輪式移動機器人作為本體，通過兩輪差動實現(xiàn)機器人位置粗定位，采用十字滑塊作為應(yīng)力消除作業(yè)端定位驅(qū)動機構(gòu)，實現(xiàn)應(yīng)力消除作業(yè)末端的精密定位。 具體如下以二維平面彎曲或直焊縫為例，如圖I所示。其中有同步電機，測距傳感器F，測距傳感器E，反射片A、B、C、D，移動式焊接設(shè)備(含焊接噴嘴)，應(yīng)力消除移動機器人(含電子羅盤、應(yīng)力消除設(shè)備作業(yè)末端可采用電磁錘或超聲波沖擊頭等)。測距傳感器E、F固定在電機軸上，與電機同軸旋轉(zhuǎn)，E、F間相隔一段距離。E、F及對應(yīng)的反射片通過安裝在不同高度來避免相互干擾，并采用不同調(diào)制頻率的激光或紅外光來避免干擾。焊縫為平面二維焊縫，黑色填充線為已焊焊縫，其余為未焊焊縫。焊接起始點處豎起一標桿，反射片C、D固定在標桿上，C、D間相隔一段距離。反射片A、C的中心與測距傳感器F在一水平面上，當測距傳感器F與反射片A、C正相對時，可測量FA、FC的距離。反射片B、D的中心與測距傳感器E在一水平面上，當測距傳感器E與反射片B、D正相對時，可測量EB、ED的距離。為避免激光焊接過程中的弧光等干擾，測距傳感器安裝高度高于焊接噴嘴，并采用特定調(diào)制頻率避開弧光及等離子體輻射的干擾。為分析方便起見，畫出測量原理俯視簡圖如3所示。設(shè)同步電機帶動測距傳感器E、F順時針旋轉(zhuǎn)，移動點A沿逆時針方向運動。移動點A初始位置為A0，焊接設(shè)備沿焊縫移動過程中，測距傳感器不斷高速旋轉(zhuǎn)掃描。可得到AO點與F點的距離L0。設(shè)F發(fā)出的光經(jīng)過C點和AO點時，可通過接口電路輸出兩個高電平脈沖見圖4。設(shè)初始時，焊接噴嘴靜止于位置AO處，初始相位角Z CF^記為a。。光線經(jīng)過A時啟動高頻脈沖計數(shù)，到達C時停止計數(shù)。設(shè)電機轉(zhuǎn)速恒定，且轉(zhuǎn)動一圈內(nèi)填充高頻脈沖為N個。且通過控制器可記錄下AO與C間夾角所代表的高頻脈沖數(shù)
NO，則可計算得-.ZCFA0 =ao = $*360。C I )同理可測的LpZ CFA1, L2、Z CFA2......。因此可以實時記錄下焊接噴嘴相對于參
考位置的距離變化軌跡(L1、L2、L3……)和角度變化軌跡(Z CFA0, Z CFA1, Z CFA2……)，通過擬合得到焊縫中心的軌跡(前提是默認為焊接噴嘴具有較高的焊縫跟蹤精度)。
采用上述方法，采用傳感器E與反射片B、D配合，實時檢測應(yīng)力消除設(shè)備作業(yè)末端的位置，可以得到應(yīng)力消除設(shè)備作業(yè)末端相對于參考位置的距離變化軌跡和角度變化軌跡。將應(yīng)力消除設(shè)備作業(yè)末端軌跡與焊接噴嘴的軌跡進行比較，可以得到應(yīng)力消除設(shè)備作業(yè)末端偏離焊縫中心的角度和距離(以參考位置為基準)。同時在應(yīng)力消除移動機器人上安裝電子羅盤，可以得到機器人相對于參考位置的位姿，此時可以通過對機器人的運動控制，減小機器人當前位置與擬合軌跡的偏差，使應(yīng)力消除設(shè)備作業(yè)末端始終對準焊縫(當采用錘擊方式時，通過電磁錘錘頭對焊后尚處于高溫狀態(tài)的焊趾和焊縫區(qū)金屬施加一定頻率的錘擊力。當采用超聲波沖擊時，通過超聲波沖擊頭實現(xiàn)焊趾或全焊道覆蓋式?jīng)_擊。因此應(yīng)力消除設(shè)備作業(yè)末端的移動軌跡，究竟是沿著焊縫中心軌跡，還是焊趾軌跡，要視具體應(yīng)力消除方法而定。)本發(fā)明的恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)，在激光焊接工況下，E、F可以采用量程較小的紅外測距傳感器。因為激光焊時焊縫金屬的冷卻速度較常規(guī)焊接快得多，可達106°C /s，焊槍與應(yīng)力消除設(shè)備距離可以較近，在焊接過后短時間后即可實施錘擊、沖擊等處理。在其他焊接方式下，E、F可以采用可采用激光傳感器，以實現(xiàn)長焊縫大范圍跟蹤。·
權(quán)利要求
1.一種恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)，其特征是包括對焊縫進行焊接的移動式焊接設(shè)備、消除焊接應(yīng)力的焊接應(yīng)力消除移動機器人，一臺同步電機固定放置于焊縫外，以同步電機轉(zhuǎn)軸軸心作為參考點；兩個反射式測距傳感器固定在電機軸上，與電機同軸旋轉(zhuǎn)，兩個傳感器間相隔一段距離；在焊接初始點、移動式焊接設(shè)備的焊接噴嘴處、焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)末端均貼有反射片，與上述測距傳感器配合測距，其中一個測距傳感器分別檢測參考點與焊接初始點、參考點與焊接噴嘴之間的距離，另一個測距傳感器分別檢測參考點與焊接初始點、參考點與焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)末端之間的距離；系統(tǒng)運行過程中，電機不停地恒速旋轉(zhuǎn)，測距傳感器不斷檢測焊接噴嘴與參考點的距離，及以參考點為圓心，參考點、焊接初始點、焊接移動點所形成的角度，從而得到焊接噴嘴相對于參考點的移動軌跡；同時測距傳感器實時檢測焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)端與參考點的距離，及以參考點為圓心，參考點、焊接起始點、應(yīng)力消除移動點所形成的角度，從而得到焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)端相對于參考點的移動軌跡，將上述兩軌跡進行比較，即可得到焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)端偏離已焊焊縫的距離和方向，并通過控制系統(tǒng)進行糾偏。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)，其特征是在焊接初始點上設(shè)置上下兩個反射片，且兩個反射片間相隔一段距離；焊接噴嘴處的反射片中心、焊接初始點上的一個反射片中心與一個測距傳感器在同一水平面上；焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)末端的反射片中心、焊接初始點上的另一個反射片中心與另一個測距傳感器在同一水平面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)，其特征是測距傳感器安裝高度高于焊接噴嘴，采用調(diào)制頻率避開弧光及等離子體輻射的干擾。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)，其特征是在焊接應(yīng)力消除移動機器人上安裝位姿檢測傳感器，得到任一時刻機器人相對于參考點的位姿，通過控制系統(tǒng)進行糾偏。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)，其特征是焊接應(yīng)力消除移動機器人采用輪式移動機器人作為本體，通過兩輪差動實現(xiàn)機器人位置粗定位，采用十字滑塊作為應(yīng)力消除作業(yè)端定位驅(qū)動機構(gòu)，實現(xiàn)應(yīng)力消除作業(yè)末端的精密定位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種恒速掃描定位式焊后焊縫跟蹤及殘余應(yīng)力消除系統(tǒng)，包括對焊縫進行焊接的移動式焊接設(shè)備、消除焊接應(yīng)力的焊接應(yīng)力消除移動機器人，一臺同步電機固定放置于焊縫外，以同步電機轉(zhuǎn)軸軸心作為參考點；兩個反射式測距傳感器固定在電機軸上，與電機同軸旋轉(zhuǎn)，兩個傳感器間相隔一段距離；在焊接初始點、移動式焊接設(shè)備的焊接噴嘴處、焊接應(yīng)力消除移動機器人作業(yè)末端均貼有反射片。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高、焊后焊縫跟蹤精度高，不受焊渣或焊接缺陷對焊后焊縫跟蹤的影響。
文檔編號B23K26/42GK102922147SQ20121040173
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月19日
發(fā)明者華亮, 顧菊平, 丁立軍, 張華 , 周磊, 吳曉, 張新松, 俞鈳安, 趙振東, 張齊, 劉雨晴 申請人:南通大學(xué)