一种用于锅炉内圆管焊接的焊缝跟踪方法技术

本发明专利技术提出了一种用于锅炉内圆管焊接的焊缝跟踪方法，能够实现锅炉内圆管焊接的焊缝跟踪。方法采用的系统主要包括激光视觉联合初步定位模块、焊枪位置与姿态调节模块、超声波焊缝实时跟踪模块、机器人手臂、计算机控制模块。该方法在计算机控制模块、机器人手臂的配合下，依据自主设计的“多角度综合求权加权平均法”算法采取激光视觉联合定位方法完成焊接开始前的初步定位，然后采用超声波跟踪方法来实现焊接过程中的精确定位与实时纠偏，最终实现锅炉内圆管焊接焊缝跟踪。本发明专利技术的优点在于采用激光视觉联合定位方法实现了对圆管的定位和焊缝信息的获取，在焊接过程中使用超声波跟踪方法能够实现圆管的焊缝跟踪并能避免焊接时弧光，电火花，磁场等的干扰。

A welding seam tracking method for boiler inner tube welding

【技术实现步骤摘要】
一种用于锅炉内圆管焊接的焊缝跟踪方法
本专利技术涉及一种用于锅炉内圆管焊接的焊缝跟踪方法。
技术介绍
随着新一轮工业革命的到来，自动化与智能化已经成为机械制造业的未来发展趋势，而焊接技术作为机械制造业重要的制造工艺之一也在朝着自动化与智能化方向发展，手工焊接正逐渐淡出人们的视野，而取而代之的是智能焊接机器人、自动化焊接专机等自动化与智能化的焊接设备与具有远大前景的智能焊接技术。锅炉焊接作为锅炉制造重要的工序之一，提高锅炉焊接质量对于保证锅炉的性能参数要求与降低锅炉成本有着重要意义。而锅炉焊接的一个难点在于其内壁上的圆管的焊接，由于锅炉内圆管与锅筒之间的焊缝形状为空间曲线，并且圆管在锅筒上的安装精度并没有统一标准，所以要实现自动化焊接十分困难，因此目前锅炉内圆管焊接自动化程度较低，以手工焊接为主，也有少部分采取半自动化焊接。但是锅炉的内部工作环境为高温高压，并且锅筒内部空间狭小，焊接工人进入锅筒进行焊接会长时间处于不舒适的弯曲身体的工作姿势同时还要忍受焊接产生的高温与废气。在这种恶劣的工作环境下工作工人们的焊接效率低下，导致焊接质量得不到保证，并且长时间工作还会危害工人们的健康，所以需要有能够满足锅炉焊接要求并且能实现较高的焊接效率与焊接质量的机器自动化焊接技术取代人工焊接。锅炉内圆管的自动化焊接最大的难点在于如何实现圆管与锅筒之间焊缝的跟踪，针对这个问题本专利技术提出了一种用于锅炉内圆管焊接的焊缝跟踪方法。本方法的优点在于使用激光视觉联合定位方法实现了对圆管的定位和焊缝信息的获取，在焊接过程中使用超声波跟踪方法能够实现圆管的焊缝跟踪并能避免焊接时弧光，电火花，磁场等的干扰。此外，为了满足方法中初步定位阶段的焊缝信息融合的需要，设计了“多角度综合求权加权平均法”。该算法是一种多传感器信息融合算法。多传感器信息融合算法可以分成两大类：概率统计方法，人工智能。其中概率统计方法有加权平均法、卡尔曼滤波法、多贝叶斯估计法、D-S证据推理、产生式规则等；而人工智能类有模糊逻辑理论、神经网络、专家系统。可见本算法基于概率统计方法中的加权平均法，是一种针对焊缝信息融合而设计的新型算法，相比人工智能类算法简单易于实施，而相比其他基于概率统计方法的算法更加适用于焊缝信息融合。就以卡尔曼滤波法来进行比较，以卡尔曼滤波法为基础的信息融合算法是一种应用十分广泛的算法，但是它的缺陷在于它只能用于线性系统，对于非线性系统的信息融合效果差，而焊缝信息融合属于非线性系统的信息融合，使用卡尔曼滤波法并不能得到好的融合结果，而本算法从多角度求得多种融合加权系数，并将融合加权系数按照从传感器自身角度与从传感器之间关系角度分为了两大类，首先对于两类内部各融合加权系数进行一次求权运算，再将得到的结果进行第二次求权运算从而得到综合融合加权系数，这样相比从一种角度来进行加权平均信息融合要更加精确与全面，对于线性系统与非线性系统的信息融合都能够很好地进行处理，最后得到的融合结果精度高、损失小、能完全满足本方法的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有的技术不足，提高锅炉焊接质量与锅炉内圆管焊接的自动化程度，提供一种用于锅炉内圆管焊接的焊缝跟踪方法。在如今锅炉制造中的重要工序锅炉焊接的一大难点在于其内壁上的圆管的焊接，由于锅炉内圆管与锅筒之间的焊缝形状为空间曲线，并且圆管在锅筒上的安装精度并没有统一标准，所以要实现自动化焊接十分困难，因此目前锅炉内圆管焊接自动化程度较低。针对以上问题，本专利技术提供了一种用于锅炉内圆管焊接的焊缝跟踪方法。该方法在计算机控制模块、机器人手臂的配合下，依据自主设计的“多角度综合求权加权平均法”算法采取激光视觉联合定位方法完成焊接开始前的初步定位，然后采用超声波跟踪方法来实现焊接过程中的精确定位与实时纠偏，最终实现锅炉内圆管焊接焊缝跟踪。本专利技术的优点在于使用激光视觉联合定位方法实现了对圆管的定位和焊缝信息的获取，在焊接过程中使用超声波跟踪方法能够实现圆管的焊缝跟踪并能避免焊接时弧光，电火花，磁场等的干扰。本专利技术的特征主要有以下三点：第一、本专利技术采用的系统主要包括激光视觉联合初步定位模块、焊枪位置与姿态调节模块、超声波焊缝实时跟踪模块(上述这三者构成了本方法的焊缝跟踪装置)、机器人手臂、计算机控制模块、“多角度综合求权加权平均法”算法；其中所述的激光视觉联合初步定位模块包括机器视觉相机、装置主体部分、定位杆(为伸缩机构)、结构光激光器、激光器安装架、聚焦透镜和环形CCD传感器；其中所述的焊枪位置与姿态调节模块包括焊枪空间位置运动机构、焊枪摆动机构、焊枪；其中所述的计算机控制模块包括处理器与控制器，负责对整个跟踪过程中传感器获得的信息进行处理并对各个模块进行通讯协调与控制；其中的超声波焊缝实时跟踪模块包括固定在定位杆上可伸缩部分以下位置的圆盘安装架以及安装在其上的四个正交分布的超声波传感器；该方法在计算机控制模块、机器人手臂的配合下，依据自主设计的“多角度综合求权加权平均法”算法采取激光视觉联合定位方法完成焊接开始前的初步定位，然后采用超声波跟踪方法来实现焊接过程中的精确定位与实时纠偏，最终实现锅炉内圆管焊接焊缝跟踪。第二、本专利技术的系统工作流程如图2所示，分为两个阶段，初步定位阶段与精确定位阶段，初步定位作为精确定位的先导阶段为其做好必要的准备工作，所以当初步定位阶段完成后才会进入到精确定位阶段；初步定位阶段的主要目的是使焊枪处于合适的焊接初始位置与姿态，它又包括三个过程：定位杆对中、超声波跟踪模块到达预定工作位置、焊枪焊接初始位置与姿态确定；精确定位阶段的主要目的是对焊接过程中的焊接点位置实时修正，实现焊接点的精确定位从而实现焊缝跟踪，它主要包括两个过程：超声波传感器获取焊缝偏差、焊枪位置与姿态调节模块实时纠偏。第三、本专利技术为了满足方法中初步定位阶段的焊缝信息融合的需要，设计了“多角度综合求权加权平均法”。本算法是在前人的基础上进行改进的一种新型信息融合算法，参考了涂国平、刘静等人的信息融合算法以三种不同角度求得三种加权融合系数，再将三种加权融合系数分成两类进行两次求权运算得到综合加权融合系数，最后再由综合加权融合系数使用加权平均法完成焊缝信息融合。本专利技术的明显优势是：第一、本专利技术提出了一种用于锅炉内圆管焊接的焊缝跟踪方法，该方法分为两个阶段，初步定位阶段与精确定位阶段。初步定位阶段采用激光视觉联合定位方法即将激光跟踪(CCD)传感器与机器视觉相机所获得的焊缝信息通过自主设计的“多角度综合求权加权平均法”算法进行融合，依据融合得到的结果调节焊枪焊接初始位置与姿态完成初步定位，能够保证焊接开始前的定位精度高，有利于提高焊接质量。精确定位阶段则在焊接过程中使用了超声波跟踪方法，以初步定位阶段得到的焊缝信息融合结果作为依据对回波进行处理获得偏差信息，能够在实现圆管焊缝跟踪的同时避免焊接时弧光，电火花，磁场等的干扰，保证焊缝跟踪的准确与可靠。第二、“多角度综合求权加权平均法”算法从多角度求得多种融合加权系数，并将融合加权系数按照从传感器自身角度与从传感器之间关系角度分为了本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术提出了一种用于锅炉内圆管焊接的焊缝跟踪方法，其特征在于：该方法采用的系统主要包括激光视觉联合初步定位模块、焊枪位置与姿态调节模块、超声波焊缝实时跟踪模块、机器人手臂、计算机控制模块；其中所述的激光视觉联合初步定位模块包括机器视觉相机、装置主体部分、定位杆、结构光激光器、激光器安装架、聚焦透镜和环形CCD传感器；其中所述的焊枪位置与姿态调节模块包括焊枪空间位置运动机构、焊枪摆动机构、焊枪；其中所述的计算机控制模块包括处理器与控制器，负责对整个跟踪过程中传感器获得的信息进行处理并对各个模块进行通讯协调与控制；其中的超声波焊缝实时跟踪模块包括固定在定位杆上可伸缩部分以下位置的圆盘安装架以及安装在其上的四个正交分布的超声波传感器；该方法在计算机控制模块、机器人手臂的配合下，依据自主设计的“多角度综合求权加权平均法”算法采取激光视觉联合定位方法完成焊接开始前的初步定位，然后使用超声波跟踪方法来实现焊接过程中的精确定位与实时纠偏，最终实现锅炉内圆管焊接焊缝跟踪。/n

【技术特征摘要】
1.本发明提出了一种用于锅炉内圆管焊接的焊缝跟踪方法，其特征在于：该方法采用的系统主要包括激光视觉联合初步定位模块、焊枪位置与姿态调节模块、超声波焊缝实时跟踪模块、机器人手臂、计算机控制模块；其中所述的激光视觉联合初步定位模块包括机器视觉相机、装置主体部分、定位杆、结构光激光器、激光器安装架、聚焦透镜和环形CCD传感器；其中所述的焊枪位置与姿态调节模块包括焊枪空间位置运动机构、焊枪摆动机构、焊枪；其中所述的计算机控制模块包括处理器与控制器，负责对整个跟踪过程中传感器获得的信息进行处理并对各个模块进行通讯协调与控制；其中的超声波焊缝实时跟踪模块包括固定在定位杆上可伸缩部分以下位置的圆盘安装架以及安装在其上的四个正交分布的超声波传感器；该方法在计算机控制模块、机器人手臂的配合下，依据自主设计的“多角度综合求权加权平均法”算法采取激光视觉联合定位方法完成焊接开始前的初步定位...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪波，刘奕宏，向垂悦，李怡豪，张智勇，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43