基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置.pdf

本发明涉及一种基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置，包括激光位移传感器和焊枪位姿调整装置，焊枪空间位置及姿态调整机构一端固定于机架上，激光位移传感器设置于焊枪空间位置及姿态调整机构的下端，激光位移传感器和焊枪位姿调整装置通过线路与电路控制装置连接。本发明中通过波纹板焊缝的检测、焊枪位姿控制和焊接工艺的自动控制，达到波纹板的波峰至波谷间的下坡焊段和波谷至波峰间的上坡焊段与波峰直线段和波谷直线段的焊缝粗细一致的效果，显著提高各焊段的焊缝均匀性，大大降低工人的劳动强度，参数调节快速、方便，降低了生产人工费用。焊接速度是普通手工焊或仿形焊接的3倍以上，全程自动化控制。

1.  一种基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置，其特征在于；包括激光位移传感器和焊枪位姿调整装置，焊枪空间位置及姿态调整机构一端固定于机架上，激光位移传感器设置于焊枪空间位置及姿态调整机构的下端，激光位移传感器和焊枪位姿调整装置通过线路与电路控制装置连接。

2.  根据权利要求1所述的基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置，其特征在于：所述焊枪空间位置及姿态调整机构包括横向移动机构、升降调节机构、摆动机构和传感器固定装置，横向移动机构一端固定于机架上，升降调节机构上部滑动设置于横向移动机构上，升降调节机构通过向心架分别与摆动机构和传感器固定装置连接，传感器固定装置上设有激光位移传感器。

3.  根据权利要求2所述的基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置，其特征在于：所述横向移动机构包括平行设置的横架底板和横架端板。横架底板和横架端板之间通过水平布置的上、下槽钢连接，横架底板和横架端板之间连接有横丝杠和上、下光杠，横丝杠的一端穿过横架端板连接横进手轮；另一端连接通过横丝杠轴承定位于横架底板内，横架底板固定于机架上。

4.  根据权利要求2所述的基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置，其特征在于：所述升降调节机构包括电机、纵架丝杠、套管和纵架伸缩管，电机通过电机座设置在套管的上端，电机输出轴通过联轴器与纵架丝杠一端连接，纵架丝杠设置于套管和纵架伸缩管内，纵架伸缩管上端部分设置于套管内，纵架伸缩管下端与向心架连接；套管上端外部通过套管紧固架设置于横向移动机构的横丝杠和上、下光杠上；电机通过导线与电路控制装置连接。

5.  根据权利要求4所述的基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置，其特征在于：所述套管紧固架上设有与横向移动机构的横丝杠和上、下光杠相配合的横丝杠螺母和通孔。

6.  根据权利要求4所述的基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置，其特征在于：所述纵架伸缩管上端连接有一纵架内滑块，纵架内滑块设置于套管内，纵架伸缩管与套管下端之间设有纵向滑动轴承，纵架伸缩管的外壁上设有纵导轨。

7.  根据权利要求2所述的基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置，其特征在于：所述向心架由一个倒L形折板和一个竖板通过折叶和外部套有弹簧的螺栓连接组成，其中，倒L形折板上部与纵架伸缩管连接为一体，倒L形折板下部通过折叶与竖板连接，竖板的上端通过一个外部套有弹簧的螺栓与倒L形折板连接，竖板的下端设有一弧形板，弧形板上设有一弧形槽。

8.  根据权利要求2所述的基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置，其特征在于：所述摆动机构包括上、下摇板，上摇板上半部上设有一个一端开口纵向槽，纵向槽内卡有一工字型滑块，上摇板的下半部上分别设有一焊枪卡和一螺孔；下摇板的上半部上设有一个与上摇板上的纵向槽相对应封闭槽，下摇板的下半部分分别设有与向心架下部的弧形板相对应的弧形上、下导轨和孔；上、下摇板之间通过摇板轴依次穿过下摇板的孔、向心架下部的弧形槽和上摇板的螺孔连接，其中，下摇板和向心架之间通过摇板轴上的螺母紧固连接；上摇板和向心架之间通过摇板轴上的螺母活动连接；工字型滑块内设有一偏心轮，步进电机的输出轴穿过下摇板的封闭槽与偏心轮连接，步进电机通过导线与电路控制装置连接；焊枪通过焊枪卡固定于上摇板上，焊枪通过导线与电路控制装置连接。

9.  根据权利要求2所述的基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置，其特征在于：所述传感器固定装置包括激光头横架，激光头横架一端与向心架连接，另一端上套有横滑套，横滑套上设有与激光头横架垂直的滑板，滑板上套有一纵滑套，纵滑套上设有激光位移传感器，激光位移传感器通过传感器电缆与信号处理装置连接。

基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置
技术领域
本发明涉及一种集装箱波纹板焊接轨迹检测装置，尤其是一种基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置。
背景技术
目前，我国是世界集装箱生产大国，集装箱制造是劳动密集、材料密集型行业。目前我国集装箱的生产过程，特别是波纹板焊接主要是以手工焊接、机械仿形半自动焊接为主，工人工作环境差，劳动强度高，且焊接质量难以控制，波纹板焊缝成型质量不高，同时由于焊接过程中焊接规范无法实现有效跟踪调整，使不同坡段的焊缝成型质量有明显的不同，难以满足对波纹板的焊接质量一致性要求。这些问题是我国集装箱焊接行业长期存在而又一直未得到解决的难题，制约者我国集装箱制造技术的进步和行业增长模式的转变。
在自动化焊接生产过程中，由于焊接模型的复杂性以及实际的焊接条件经常随着各种不可预期的干扰因素而不断发生变化。例如，强烈的弧光、高温、飞溅、机械抖动、焊缝坡口状况、工件的加工误差、夹具精度、工件的介质均匀性和焊接生产过程中的热变形等影响会使焊枪运动轨迹偏离实际焊缝，造成焊接质量难以控制。焊接轨迹检测与控制的第一步就是要实时检测焊缝曲线的变化，即焊缝位置的空间变化，如集装箱波纹板自动焊接过程中就需要实时检测波纹板面的起伏变化，为焊接轨迹跟踪控制及焊接规范的跟踪选取提供依据；焊接轨迹检测与控制的第二步就是要实现焊枪运动轨迹跟踪焊缝曲线的变化，即对焊枪运动轨迹的控制。
在自动焊接过程中，准确检测获取焊缝的变化是保证焊接质量的关键，其中用于焊缝跟踪的传感器技术越来越重要。在焊接轨迹检测技术的研究发展中，陆续出现了各种不同形式的传感器，其中接触式传感器、电弧传感器和光学传感器应用较为普遍。接触式传感器将焊缝变化转变为导杆或导轮的位置变化，并转化为电信号，该传感器由于性能稳定、成本低廉，在生产中曾得到广泛应用，由于跟踪精度及速度的限制，已不适合于高精度、高速度焊接领域；电弧传感器以电弧本身的参数为跟踪目标，能实时反应焊缝变化，但检测精度易受焊接过程中熔滴过渡形式、飞溅的影响，尤其在对薄板焊件的对接和搭接接头的焊接中，应用方法较难掌握。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、检测精度高的基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于激光测距的集装箱波纹板焊接轨迹检测装置，包括激光位移传感器和焊枪位姿调整装置，激光位移传感器和焊枪位姿调整装置通过线路与电路控制装置连接，所述焊枪空间位置及姿态调整机构一端固定于机架上，激光位移传感器设置于焊枪空间位置及姿态调整机构的下端。
所述焊枪空间位置及姿态调整机构包括横向移动机构、升降调节机构、摆动机构和传感器固定装置，横向移动机构一端固定于机架上，升降调节机构上部滑动设置于横向移动机构上，升降调节机构通过向心架分别与摆动机构和传感器固定装置连接，传感器固定装置上设有激光位移传感器。
所述横向移动机构包括平行设置的横架底板和横架端板，横架底板和横架端板之间通过水平布置的上、下槽钢连接，横架底板和横架端板之间连接有横丝杠和上、下光杠，横丝杠的一端穿过横架端板连接横进手轮；另一端连接通过横丝杠轴承定位于横架底板内，横架底板固定于机架上。
所述升降调节机构包括电机、纵架丝杠、套管和纵架伸缩管，电机通过电机座设置在套管的上端，电机输出轴通过联轴器与纵架丝杠一端连接，纵架丝杠设置于套管和纵架伸缩管内，纵架伸缩管上端部分设置于套管内，纵架伸缩管下端与向心架连接；套管上端外部通过套管紧固架设置于横向移动机构的横丝杠和上、下光杠上；电机通过导线与电路控制装置连接；
所述套管紧固架上设有与横向移动机构的横丝杠和上、下光杠相配合的横丝杠螺母和通孔；
所述纵架伸缩管上端连接有一纵架内滑块，纵架内滑块设置于套管内，纵架伸缩管与套管下端之间设有纵向滑动轴承，纵架伸缩管的外壁上设有纵导轨。
所述向心架由一个倒L形折板和一个竖板通过折叶和外部套有弹簧的螺栓连接组成，其中，倒L形折板上部与纵架伸缩管连接为一体，倒L形折板下部通过折叶与竖板连接，竖板的上端通过一个外部套有弹簧的螺栓与倒L形折板连接，竖板的下端设有一弧形板，弧形板上设有一弧形槽。
所述摆动机构包括上、下摇板，上摇板上半部上设有一个一端开口纵向槽，纵向槽内卡有一工字型滑块，上摇板的下半部上分别设有一焊枪卡和一螺孔；下摇板的上半部上设有一个与上摇板上的纵向槽相对应封闭槽，下摇板的下半部分分别设有与向心架下部的弧形板相对应的弧形上、下导轨和孔；上、下摇板之间通过摇板轴依次穿过下摇板的孔、向心架下部的弧形槽和上摇板的螺孔连接，其中，下摇板和向心架之间通过摇板轴上的螺母紧固连接；上摇板和向心架之间通过摇板轴上的螺母活动连接；工字型滑块内设有一偏心轮，步进电机的输出轴穿过下摇板的封闭槽与偏心轮连接，步进电机通过导线与电路控制装置连接；焊枪通过焊枪卡固定于上摇板上，焊枪通过导线与电路控制装置连接。
所述传感器固定装置包括激光头横架，激光头横架一端与向心架连接，另一端上套有横滑套，横滑套上设有与激光头横架垂直的滑板，滑板上套有一纵滑套，纵滑套上设有激光位移传感器，激光位移传感器通过传感器电缆与信号处理装置连接。
本发明通过激光传感器获取焊缝的信息，在经过有效的滤波处理后进行轨迹拟合，实现轨迹的检测，本发明经现场试焊，轨迹跟踪效果达到了预期的目标，提高了集装箱波纹板焊接质量和焊接效率，改善了劳动环境。
本发明中焊枪的移动速度实现了各焊段自动切换设定，达到波纹板的波峰至波谷间的下坡焊段和波谷至波峰间的上坡焊段与波峰直线段和波谷直线段的焊缝粗细一致的效果；显著提高各焊段的焊缝均匀性，大大降低工人的劳动强度，参数调节快速、方便。在操作人员熟练时，甚至可一人操作两机或多机，降低生产人工费用。焊接速度是普通手工焊或仿形焊接的3倍以上，全程自动化控制，便于实现流水化作业。
附图说明
图1是本发明的机械检测装置结构示意图；
图2是折叶结构示意图；
图3是图1的左视图；
图4是摆动机构的上摇板结构示意图；
图5是激光位移传感器的安装位置图；
图6是摆动机构结构分析图；
其中1.机架，2.横向移动机构，3.升降调节机构，4.摆动机构，5.传感器固定装置，6.向心架，7.横架底板，8.横架端板，9.上槽钢，10.下槽钢，11.横丝杠，12上光杠，13.下光杠，14.横进手轮，15.横丝杠轴承，16.电机，17.纵架丝杠，18.套管，19纵架伸缩管，20.电机座，21.套管紧固架，22.横丝杠螺母，23.通孔，24.纵架内滑块，25.纵向滑动轴承，26.纵导轨，27.倒L形折板，28.竖板，29.折叶，30.弹簧，31.螺栓，32.弧形板，33.弧形槽，34.上摇板，35.下摇板，36.纵向槽，37.工字型滑块，38.焊枪卡，39.螺孔，40.封闭槽，41.上导轨，42.下导轨，43.孔，44.摇板轴，45.偏心轮，46.步进电机.47.激光头横架，48.横滑套，49.滑板，50.纵滑套，51.联轴器，52.限位碰板，53.限位开关支架，54.激光位移传感器，55.传感器电缆，56.激光束，57.输出轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1-6中，激光位移传感器54和焊枪位姿调整装置通过线路与电路控制装置连接，所述焊枪空间位置及姿态调整机构一端固定于机架上，激光位移传感器54设置于焊枪空间位置及姿态调整机构的下端。该机构中焊枪升降传动部分由伺服电机驱动，带动焊枪做上下调整。该机构同时允许对焊枪的倾角做出调整，以应对不同焊接工艺的要求，还可实现锯齿形焊丝摆动，摆动装置采用步进电机驱动，由主控制器控制，可实现对摆动幅度、摆动速度、左右位置停留时间的分别控制。
所述焊枪空间位置及姿态调整机构包括横向移动机构2、升降调节机构3、摆动机构4和传感器固定装置5，横向移动机构2一端固定于机架1上，升降调节机构3上部滑动设置于横向移动机构2上，升降调节机3构通过向心架6分别与摆动机构4和传感器固定装置5连接，传感器固定装置5上设有激光位移传感器54。
所述横向移动机构2包括平行设置的横架底板7和横架端板8，横架底板7和横架端板8之间通过水平布置的上、下槽钢9、10连接，横架底板7和横架端板8之间连接有横丝杠11和上、下光杠12、13，横丝杠11的一端穿过横架端板8连接横进手轮14；另一端连接通过横丝杠轴承15定位于横架底板7内，横架底板7固定于机架1上。
所述升降调节机构3包括电机16、纵架丝杠17、套管18和纵架伸缩管19，电机16通过电机座20设置在套管18的上端，电机输出轴通过联轴器51与纵架丝杠17一端连接，纵架丝杠17设置于套管18和纵架伸缩管19内，纵架伸缩管19上端部分设置于套管18内，纵架伸缩管19下端与向心架6连接；套管18上端外部通过套管紧固架21设置于横向移动机构2的横丝杠11和上、下光杠12、13上；电机16通过导线与电路控制装置连接；套管18下端外部设有限位开关支架53。
所述套管紧固架21上设有与横向移动机构2的横丝杠11和上、下光杠12、13相配合的横丝杠螺母22和通孔23；
所述纵架伸缩管19上端连接有一纵架内滑块24，纵架内滑块24设置于套管18内，纵架伸缩管19与套管18下端之间设有纵向滑动轴承25，纵架伸缩管19的外壁上设有纵导轨26。
所述向心架6由一个倒L形折板27和一个竖板28通过折叶29和外部套有弹簧30的螺栓31连接组成，其中，倒L形折板27上部与纵架伸缩管19连接为一体，倒L形折板27下部通过折叶29与竖板28连接，竖板28的上端通过一个外部套有弹簧30的螺栓31与倒L形折板27连接，竖板28的下端设有一弧形板32，弧形板32上设有一弧形槽33。倒L形折板27的水平板的上部设有限位挡板52。
所述摆动机构4包括上、下摇板34、35，上摇板34上半部上设有一个一端开口纵向槽36，纵向槽36内卡有一工字型滑块37，上摇板34的下半部上分别设有一焊枪卡38和一螺孔39；下摇板35的上半部上设有一个与上摇板34上的纵向槽36相对应封闭槽40，下摇板35的下半部分分别设有与向心架6下部的弧形板32相对应的弧形上、下导轨41、42和孔43；上、下摇板34、35之间通过摇板轴44依次穿过下摇板35的孔43、向心架6下部的弧形槽33和上摇板34的螺孔39连接，其中，下摇板35和向心架6之间通过摇板轴44上的螺母紧固连接；上摇板34和向心架6之间通过摇板轴44上的螺母活动连接；工字型滑块37内设有一偏心轮45，步进电机46的输出轴57穿过下摇板35的封闭槽40与偏心轮45连接，步进电机46通过导线与电路控制装置连接；焊枪通过焊枪卡38固定于上摇板35上，焊枪通过导线与电路控制装置连接。
焊枪摆动频率可以通过设定微控制器中的定时器的定时周期来设定调整，为了保证调整的精确性，系统在收到摆动频率的调整指令后，并不立即生效设置，而是在下一周期的摆动中心处，启用新的定时参数值。左右滞留时间即焊枪摆动到所设定的左、右最大摆幅位置的停留时间，该参数的设定依靠定时器的延时来实现。
焊枪摆动幅度的影响因素有：电机固定位置，偏心轮的偏心量的大小，摆动轴的固定位置等，偏心量(偏心点到偏心轮圆心的距离)一定的偏心轮所确定的最大的摆动幅度是一定的，在步进电机沿一个方向(顺时针或逆时针)连续旋转带动下，便实现了最大摆幅下的连续摆动。为了实现摆动幅度的可调，选用偏心轮的最大摆动幅度稍大于实际的应用需求，焊枪的初始位置为电机轴中心与偏心轮中心连线平行与滑块运动方向。以初始位置为中点，步进电机做左、右往复旋转运动。
所述传感器固定装置5包括激光头横架47，激光头横架47一端与向心架6连接，另一端上套有横滑套48，横滑套48上设有与激光头横架47垂直的滑板49，滑板49上套有一纵滑套50，纵滑套50上设有激光位移传感器54，激光位移传感器54通过传感器电缆55与信号处理装置连接。
系统工作原理为：
激光位移传感器54安装固定于激光头横架47上，传感器的位置上下左右通过焊枪空间位置及姿态调整机构均可调，这就为系统的设计提供了更多的灵活性。应用中传感器的检测位置超前于焊枪的位置，具体的超前数值与系统的实时性、抗噪声干扰性有关。工作过程如下：
1.轨迹检测系统上电启动后，精密激光位移传感器54通过激光束56实时检测波纹板的高低起伏变化，并将检测到的焊缝初始信息数据传送微处理器。
2.轨迹识别微处理器对数字信号进行处理，提取焊缝的信息，实现拐点(水平段与上坡段、下坡段的连接点)判别；实现水平段、上坡段和下坡段焊接工艺参数的规划控制(焊接速度、焊枪摆动速度、焊接电压、电流等)。
3.轨迹控制微处理器根据检测的波纹板位置变化和拐点判别结果，对各坐标轴进行实时控制。最后通过执行机构动作来调节焊枪与焊缝之间的相对位置关系，即用电机带动升降轴丝杠做上下调节，从而达到焊缝跟踪的目的。
由于存在平焊、上坡焊和下坡焊，焊接过程中，熔池液态金属在不同的空间位置所受力不同而引起流动性不同(上坡焊及下坡焊对熔深有明显的影响)，使焊缝成型在不同段变化显著(尤其是上坡段)。于是，要保持焊接过程中熔池稳定、焊缝成形一致，必须使熔池的自重与电弧吹力和液态熔池的表面张力达到平衡。为解决上述问题，在焊缝检测的同时，系统根据焊缝信息判断出拐点的位置，在水平段、上坡段和下坡段分别采用不同焊接规范(焊接速度、焊接电压、焊接电流等)，并实现焊接规范的平滑转换，保证焊接质量。