控制焊接三维结构的方法.pdf

一种在三维X－Y－Z坐标系中控制焊接的方法，焊接结构是按照待焊接的结构由安装在一组件中的三维支撑底座上大量零件提供的，拍摄待焊接的结构，制成结构照相图，用照相图识别该结构的焊点，由此确定焊接参数，特别是焊接起点和焊接类型以及要用的焊接方法，上述控制数据传送给焊接设备的控制系统。依据提供的所述照相图和所述控制数据在X－Y平面上控制焊接设备，不断测定沿坐标系中的Z轴(即垂直轴)方向焊接表面的高度位置，完成焊接，该高度位置的预定信息传送给焊接设备的控制系统，从而控制焊接设备也沿Z轴方向实时运动。

1.  一种在三维X-Y-Z坐标系中控制焊接的方法，焊接结构是按照待焊接的结构由在组件中的三维支撑底座上设置大量结构提供的，拍摄待焊接的结构，制成该结构构照相图，用照相图识别该结构的焊点，由此确定焊接参数，特别是焊接起点和焊接类型以及要用的焊接方法，上述控制数据传送给焊接设备的控制系统，其特征是，依据提供的所述照相图和所述控制数据在X-Y平面上控制焊接设备，不断沿坐标系中Z轴(即垂直)方向测定待焊接表面的高度位置，完成焊接，高度位置的测定信息传送给焊接设备的控制系统，控制焊接设备也沿Z轴方向实时运动。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征是，在待焊接表面处使用激光瞄准来测定高度位置，摄相装置实时监控激光器瞄准，从而根据确定的待焊接表面的当前的高度位置提供信息。

3.  根据权利要求2所述的方法，其特征是，最好用3个激光瞄准器进行激光器瞄准，激光瞄准器的瞄准方式应是相互交叉，其光束提供三个点，用摄相装置拍摄所述测量点，而且根据所需的视频信息，依据对所述测量点之间相互距离的变化进行的计算确定待焊接表面的当前高度位置。

4.  根据上述的权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，为了测量待焊接表面的高度位置，摄相装置应连接在焊接设备的焊接自动设备的同一车架上。

5.  根据上述的权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所述高度位置的读数传送给焊接设备的控制系统，控制系统设置成保持焊接设备与待焊接表面的恒定间隔距离。

6.  根据上述的权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，用例如通过焊弧进行焊接坡口跟踪，或者用光学焊接坡口监控，来辅助焊接设备的控制从而修正焊接设备定位的小错误。

7.  根据上述的权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，设有调光器的照明设备用于补偿照明条件。

8.  根据前述的权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，上述方法用于船舶中异型零件的自动化焊接。

控制焊接三维结构的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序所述的在三维X-Y-Z坐标系统中控制焊接的方法。
背景技术
特别是在造船业，在实际生产中还没有可能进行异型零件的自动焊接，一方面由于编程问题，另一方面由于制造的精确性问题。实际上，该零件的尺寸精确性及其定位的准确性一直还没有达到很高的水平，因此，例如，自动化只能根据从设计系统得到的信息进行。为了解决上述问题，人们已经做了很多努力，规定零件的制造和定位的精度，开发以仿真为基础的编程系统。然而，在技术实现和费用上都遇到了严重的问题。
专利申请FI 20001907公开了一种利用焊接自动设备和人造图相系统进行零件的平焊的方法。这样，先对放在支撑架表面上要焊接的结构进行照像，然后根据所获得的照片图相识别并确定待焊接的点和与其有关的焊接参数，再把上述焊接参数传输给焊接机来控制焊接。在焊接中，还最好使用可编程的宏程序。虽然这种方法本身有很多优点，但是并不很适用焊接三维弯曲零件。
美国专利5.999.642公开了一种方法及一种用于拍摄用于焊接的三维结构的装置。因此，用足够数量的照相机和/或从多个角度对该结构进行扫描拍摄，从而全面定义要焊接的结构，然后把上述结构信息传送到控制焊接自动设备的焊接程序。这样，就能生成整体三维结构的完整视觉信息，并且用上述信息来控制实际焊接自动设备的操作。因此，这种方法首先涉及到为计算机存储器制作的待焊接结构的数学模型。但是这种方法很费力，而且它的图相处理十分复杂，因此这种方法非常耗时，而且使用该方法也无法避免在实际焊接过程中的偏差。
发明内容
本发明的目的是提供一种尽可能简单便于使用的新方法，可以用焊接自动设备等来焊接三维结构，并且消除上述方法的不利之处。
如何达到本发明的目的见权利要求1及其它权利要求的详细说明。根据本发明，X-Y平面上焊接设备的控制要根据提供的照片和依据该照片确定的控制数据，而且要对沿坐标系中的Z轴方向(例如垂直轴线)不断的测定待焊接平面的高度位置，完成焊接作业，测定的高度位置上的信息要传送给焊接设备的控制系统，以便也沿Z轴方向实时控制焊接设备。根据本发明，就足可以获得异型零件的二维视觉信息以便向控制焊接设备，例如焊接自动设备或操纵器提供支持，完成实时垂直测量与调整。因此，可以将待焊接的结构的弯曲表面进行平面投影以便用于焊接自动设备，而无需事先对三维结构进行复杂的拍摄。
测定高度位置时，最好朝向待焊接表面瞄准激光器，其中用摄像机装置实时监控激光器的瞄准，提供测定的待焊接表面当前高度位置的基准信息。最好使用三个激光瞄准器进行激光器瞄准，激光瞄准器应交叉，其光束应提供三个点。用摄相装置把上述测量点拍摄下来，并且根据所需的视频信息，通过计算上述测量点之间相互距离的变化来测定待焊接表面当前的高度位置。为了避免由待焊接的目标中可能存在的相交结构导致的错误信息，最好在较长的距离上计算Z轴的控制数据。
测量待焊接表面的高度位置时，摄相装置最好安装在载有自动设备和焊接设备的同一车架上。沿Z轴方向的控制器本身可以独立运行，与焊接自动设备的控制平行操作，或也可以把它与自动设备的控制集成在一起。
把所述高度位置读取值输入到焊接设备的控制系统，使系统始终保持焊接设备与待焊接表面的恒定间隔距离。另外，可以通过例如焊弧的焊接坡口监控，或通过光学的焊接坡口监控来辅助对焊接设备的控制，从而纠正焊接设备在定位时产生的小错误。
最好用设有调光器的照明器材来补偿照明条件。这样就可以尽可能有效消除在制作照片图时照明条件变化所带来的影响。
这种方法特别适用于船舶的异型零件地自动化焊接。
附图说明
下面参照附图举例说明本发明，其中，
图1描述了一个采用本发明的方法的自动焊接设备的原理，和，
图2阐述了依据本发明方法使用激光瞄准器的测距系统。
具体实施方式
在附图中，附图标记1代表待焊接结构，这里是指造船业所用的异型零件，具有多个纵横向支撑结构，用可控自动设备进行焊接的基本部分。异型零件1放置在支撑底座2上，支撑底座2位于自动设备门架3的作业区域内。焊接自动设备4位于自动设备门架3处，另外，该系统包括摄相装置5。自动设备门架3实际上安装在轨道上，这样可根据作业区域进行移动。如果需要，在同一轨道上可以有多个自动设备门架，而且每一门架都可以有1个或2个焊接自动设备4。焊接自动设备4可以在作业区域内沿X-Y轴方向和Z轴方向移动。
摄相装置5可以由1个或多个摄相机组成，例如数字摄相机，并且用各种不同的方式进行设置，例如，可以设置在门架自身处，可以与焊接设备相联或者与分离设置，或者设置在门架周围的结构内。依据照明条件，该系统也可以包括多个照明设备，如，卤化灯(图中未标明)，其最好设有多个调光器以便占优势的照明条件，可能保持尽可能恒定的照明，以便确保成功的照片结果。
由于弯曲面和双弯曲面的形状，所以本发明所述的方法也需要一个适用的垂直测距系统，如附图2所示。最好依据三个激光瞄准器6来控制这项测距工作，使他们相互交叉并且其光束在异型零件1的表面上由三个点7组成三角形。因为该表面高度位置和姿态随板面的弯曲而变化，所以激光束各点之间的相互距离也变化。测量点7是由摄相器材5进行不断地拍摄，所以摄相器材5最好设置在安装焊接自动设备的同一车架上。如果需要，这个用于测距的照相机可以与用于结构1整体拍照的摄相器材分开安装。根据各个测量点之间相互距离的变化，计算确定待焊接表面的当前高度位置。该测距系统用于垂直控制焊接自动设备，例如沿Z轴方向。由于是实时高度位置控制，所以从自动设备的角度来看，该弯曲表面看起来是平面的，所以为平面零件设计的二维控制数据和自动化焊接系统最好用于三维零件。
为了避免由相交结构产生的错误信息，所以最好在较长的距离上计算Z轴的控制数据。沿Z轴的控制是可以独立进行的，所以它与焊接自动设备的控制是平行进行的，或者也可以把它与焊接自动设备的控制集成在一起，这样就可以在焊接自动设备的控制下进行操作。
本发明所述方法的操作原理基本如下。把异型部分通过临时点焊连接到弯曲薄板上，该异型零件放置在焊接自动设备作业区的支撑底座上。用摄相装置拍摄作业区，如果需要，使用适当的照明条件，便于识别。根据事先编程的宏程序，由焊接自动设备完成焊接，上述输入数据由是摄相装置提供的正式数据组成的。最简单地说，所说的在X-Y平面的简易图相由异型零件组成，识别特定的焊点，另外选定根据焊接参数的适当的焊接类型。操作员对焊接自动设备进行编程。一旦确定了首次焊接作业，焊接自动设备就可以开始进行焊接。如上所述，Z轴方向焊接的控制依据实时高度位置监控进行，由此高度位置控制系统保持焊接自动设备与待焊接的面的恒定间隔距离。
在焊接中也可以使用焊缝跟踪来修正自动设备焊枪定位的小错误。例如在进行恒定电压(MIG/MAG)焊接作业时，可以用焊缝跟踪的方法使焊接电流根据自由金属丝的长度有所变化。在用焊弧进行焊缝跟踪中，用摆动机构焊接接缝时，如果接缝对称，则同点处两面的焊接电流强度相同。当焊枪与焊缝熔面的间隔距离变化时，则焊接电流的强度也不相同，其中为了使可能偏离的电流值相同，在焊缝跟踪中要测定上述数值并改变路径。
本发明所述方法的实质优点在于以下事实：在编程阶段，拍摄图象中缺少的Z坐标需要通过计算给出或确定。
本发明不局限于上述用途，但是在所附权利要求书的范围内可以进行各种修改。