專利名稱：控制焊接三維結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1前序所述的在三維X-Y-Z坐標系統(tǒng)中控制焊接的方法。
背景技術(shù)：
特別是在造船業(yè)，在實際生產(chǎn)中還沒有可能進行異型零件的自動焊接，一方面由于編程問題，另一方面由于制造的精確性問題。實際上，該零件的尺寸精確性及其定位的準確性一直還沒有達到很高的水平，因此，例如，自動化只能根據(jù)從設(shè)計系統(tǒng)得到的信息進行。為了解決上述問題，人們已經(jīng)做了很多努力，規(guī)定零件的制造和定位的精度，開發(fā)以仿真為基礎(chǔ)的編程系統(tǒng)。然而，在技術(shù)實現(xiàn)和費用上都遇到了嚴重的問題。
專利申請FI 20001907公開了一種利用焊接自動設(shè)備和人造圖相系統(tǒng)進行零件的平焊的方法。這樣，先對放在支撐架表面上要焊接的結(jié)構(gòu)進行照像，然后根據(jù)所獲得的照片圖相識別并確定待焊接的點和與其有關(guān)的焊接參數(shù)，再把上述焊接參數(shù)傳輸給焊接機來控制焊接。在焊接中，還最好使用可編程的宏程序。雖然這種方法本身有很多優(yōu)點，但是并不很適用焊接三維彎曲零件。
美國專利5.999.642公開了一種方法及一種用于拍攝用于焊接的三維結(jié)構(gòu)的裝置。因此，用足夠數(shù)量的照相機和/或從多個角度對該結(jié)構(gòu)進行掃描拍攝，從而全面定義要焊接的結(jié)構(gòu)，然后把上述結(jié)構(gòu)信息傳送到控制焊接自動設(shè)備的焊接程序。這樣，就能生成整體三維結(jié)構(gòu)的完整視覺信息，并且用上述信息來控制實際焊接自動設(shè)備的操作。因此，這種方法首先涉及到為計算機存儲器制作的待焊接結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。但是這種方法很費力，而且它的圖相處理十分復(fù)雜，因此這種方法非常耗時，而且使用該方法也無法避免在實際焊接過程中的偏差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種盡可能簡單便于使用的新方法，可以用焊接自動設(shè)備等來焊接三維結(jié)構(gòu)，并且消除上述方法的不利之處。
如何達到本發(fā)明的目的見權(quán)利要求1及其它權(quán)利要求的詳細說明。根據(jù)本發(fā)明，X-Y平面上焊接設(shè)備的控制要根據(jù)提供的照片和依據(jù)該照片確定的控制數(shù)據(jù)，而且要對沿坐標系中的Z軸方向(例如垂直軸線)不斷的測定待焊接平面的高度位置，完成焊接作業(yè)，測定的高度位置上的信息要傳送給焊接設(shè)備的控制系統(tǒng)，以便也沿Z軸方向?qū)崟r控制焊接設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明，就足可以獲得異型零件的二維視覺信息以便向控制焊接設(shè)備，例如焊接自動設(shè)備或操縱器提供支持，完成實時垂直測量與調(diào)整。因此，可以將待焊接的結(jié)構(gòu)的彎曲表面進行平面投影以便用于焊接自動設(shè)備，而無需事先對三維結(jié)構(gòu)進行復(fù)雜的拍攝。
測定高度位置時，最好朝向待焊接表面瞄準激光器，其中用攝像機裝置實時監(jiān)控激光器的瞄準，提供測定的待焊接表面當(dāng)前高度位置的基準信息。最好使用三個激光瞄準器進行激光器瞄準，激光瞄準器應(yīng)交叉，其光束應(yīng)提供三個點。用攝相裝置把上述測量點拍攝下來，并且根據(jù)所需的視頻信息，通過計算上述測量點之間相互距離的變化來測定待焊接表面當(dāng)前的高度位置。為了避免由待焊接的目標中可能存在的相交結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的錯誤信息，最好在較長的距離上計算Z軸的控制數(shù)據(jù)。
測量待焊接表面的高度位置時，攝相裝置最好安裝在載有自動設(shè)備和焊接設(shè)備的同一車架上。沿Z軸方向的控制器本身可以獨立運行，與焊接自動設(shè)備的控制平行操作，或也可以把它與自動設(shè)備的控制集成在一起。
把所述高度位置讀取值輸入到焊接設(shè)備的控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)始終保持焊接設(shè)備與待焊接表面的恒定間隔距離。另外，可以通過例如焊弧的焊接坡口監(jiān)控，或通過光學(xué)的焊接坡口監(jiān)控來輔助對焊接設(shè)備的控制，從而糾正焊接設(shè)備在定位時產(chǎn)生的小錯誤。
最好用設(shè)有調(diào)光器的照明器材來補償照明條件。這樣就可以盡可能有效消除在制作照片圖時照明條件變化所帶來的影響。
這種方法特別適用于船舶的異型零件的自動化焊接。


下面參照附圖舉例說明本發(fā)明，其中，圖1描述了一個采用本發(fā)明的方法的自動焊接設(shè)備的原理，和，圖2闡述了依據(jù)本發(fā)明方法使用激光瞄準器的測距系統(tǒng)。
具體實施例方式
在附圖中，附圖標記1代表待焊接結(jié)構(gòu)，這里是指造船業(yè)所用的異型零件，具有多個縱橫向支撐結(jié)構(gòu)，用可控自動設(shè)備進行焊接的基本部分。異型零件1放置在支撐底座2上，支撐底座2位于自動設(shè)備門架3的作業(yè)區(qū)域內(nèi)。焊接自動設(shè)備4位于自動設(shè)備門架3處，另外，該系統(tǒng)包括攝相裝置5。自動設(shè)備門架3實際上安裝在軌道上，這樣可根據(jù)作業(yè)區(qū)域進行移動。如果需要，在同一軌道上可以有多個自動設(shè)備門架，而且每一門架都可以有1個或2個焊接自動設(shè)備4。焊接自動設(shè)備4可以在作業(yè)區(qū)域內(nèi)沿X-Y軸方向和Z軸方向移動。
攝相裝置5可以由1個或多個攝相機組成，例如數(shù)字攝相機，并且用各種不同的方式進行設(shè)置，例如，可以設(shè)置在門架自身處，可以與焊接設(shè)備相聯(lián)或者與分離設(shè)置，或者設(shè)置在門架周圍的結(jié)構(gòu)內(nèi)。依據(jù)照明條件，該系統(tǒng)也可以包括多個照明設(shè)備，如，鹵化燈(圖中未標明)，其最好設(shè)有多個調(diào)光器以便占優(yōu)勢的照明條件，可能保持盡可能恒定的照明，以便確保成功的照片結(jié)果。
由于彎曲面和雙彎曲面的形狀，所以本發(fā)明所述的方法也需要一個適用的垂直測距系統(tǒng)，如附圖2所示。最好依據(jù)三個激光瞄準器6來控制這項測距工作，使他們相互交叉并且其光束在異型零件1的表面上由三個點7組成三角形。因為該表面高度位置和姿態(tài)隨板面的彎曲而變化，所以激光束各點之間的相互距離也變化。測量點7是由攝相器材5進行不斷地拍攝，所以攝相器材5最好設(shè)置在安裝焊接自動設(shè)備的同一車架上。如果需要，這個用于測距的照相機可以與用于結(jié)構(gòu)1整體拍照的攝相器材分開安裝。根據(jù)各個測量點之間相互距離的變化，計算確定待焊接表面的當(dāng)前高度位置。該測距系統(tǒng)用于垂直控制焊接自動設(shè)備，例如沿Z軸方向。由于是實時高度位置控制，所以從自動設(shè)備的角度來看，該彎曲表面看起來是平面的，所以為平面零件設(shè)計的二維控制數(shù)據(jù)和自動化焊接系統(tǒng)最好用于三維零件。
為了避免由相交結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的錯誤信息，所以最好在較長的距離上計算Z軸的控制數(shù)據(jù)。沿Z軸的控制是可以獨立進行的，所以它與焊接自動設(shè)備的控制是平行進行的，或者也可以把它與焊接自動設(shè)備的控制集成在一起，這樣就可以在焊接自動設(shè)備的控制下進行操作。
本發(fā)明所述方法的操作原理基本如下。把異型部分通過臨時點焊連接到彎曲薄板上，該異型零件放置在焊接自動設(shè)備作業(yè)區(qū)的支撐底座上。用攝相裝置拍攝作業(yè)區(qū)，如果需要，使用適當(dāng)?shù)恼彰鳁l件，便于識別。根據(jù)事先編程的宏程序，由焊接自動設(shè)備完成焊接，上述輸入數(shù)據(jù)由是攝相裝置提供的正式數(shù)據(jù)組成的。最簡單地說，所說的在X-Y平面的簡易圖相由異型零件組成，識別特定的焊點，另外選定根據(jù)焊接參數(shù)的適當(dāng)?shù)暮附宇愋?。操作員對焊接自動設(shè)備進行編程。一旦確定了首次焊接作業(yè)，焊接自動設(shè)備就可以開始進行焊接。如上所述，Z軸方向焊接的控制依據(jù)實時高度位置監(jiān)控進行，由此高度位置控制系統(tǒng)保持焊接自動設(shè)備與待焊接的面的恒定間隔距離。
在焊接中也可以使用焊縫跟蹤來修正自動設(shè)備焊槍定位的小錯誤。例如在進行恒定電壓(MIG/MAG)焊接作業(yè)時，可以用焊縫跟蹤的方法使焊接電流根據(jù)自由金屬絲的長度有所變化。在用焊弧進行焊縫跟蹤中，用擺動機構(gòu)焊接接縫時，如果接縫對稱，則同點處兩面的焊接電流強度相同。當(dāng)焊槍與焊縫熔面的間隔距離變化時，則焊接電流的強度也不相同，其中為了使可能偏離的電流值相同，在焊縫跟蹤中要測定上述數(shù)值并改變路徑。
本發(fā)明所述方法的實質(zhì)優(yōu)點在于以下事實在編程階段，拍攝圖象中缺少的Z坐標需要通過計算給出或確定。
本發(fā)明不局限于上述用途，但是在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)可以進行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種在三維X-Y-Z坐標系中控制焊接的方法，焊接結(jié)構(gòu)是按照待焊接的結(jié)構(gòu)由在組件中的三維支撐底座上設(shè)置大量結(jié)構(gòu)提供的，拍攝待焊接的結(jié)構(gòu)，制成該結(jié)構(gòu)構(gòu)照相圖，用照相圖識別該結(jié)構(gòu)的焊點，由此確定焊接參數(shù)，特別是焊接起點和焊接類型以及要用的焊接方法，上述控制數(shù)據(jù)傳送給焊接設(shè)備的控制系統(tǒng)，其特征是，依據(jù)提供的所述照相圖和所述控制數(shù)據(jù)在X-Y平面上控制焊接設(shè)備，不斷沿坐標系中Z軸(即垂直)方向測定待焊接表面的高度位置，完成焊接，高度位置的測定信息傳送給焊接設(shè)備的控制系統(tǒng)，控制焊接設(shè)備也沿Z軸方向?qū)崟r運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，在待焊接表面處使用激光瞄準來測定高度位置，攝相裝置實時監(jiān)控激光器瞄準，從而根據(jù)確定的待焊接表面的當(dāng)前的高度位置提供信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，最好用3個激光瞄準器進行激光器瞄準，激光瞄準器的瞄準方式應(yīng)是相互交叉，其光束提供三個點，用攝相裝置拍攝所述測量點，而且根據(jù)所需的視頻信息，依據(jù)對所述測量點之間相互距離的變化進行的計算確定待焊接表面的當(dāng)前高度位置。
4.根據(jù)上述的權(quán)利要求中任何一項所述的方法，其特征是，為了測量待焊接表面的高度位置，攝相裝置應(yīng)連接在焊接設(shè)備的焊接自動設(shè)備的同一車架上。
5.根據(jù)上述的權(quán)利要求中任何一項所述的方法，其特征是，所述高度位置的讀數(shù)傳送給焊接設(shè)備的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)設(shè)置成保持焊接設(shè)備與待焊接表面的恒定間隔距離。
6.根據(jù)上述的權(quán)利要求中任何一項所述的方法，其特征是，用例如通過焊弧進行焊接坡口跟蹤，或者用光學(xué)焊接坡口監(jiān)控，來輔助焊接設(shè)備的控制從而修正焊接設(shè)備定位的小錯誤。
7.根據(jù)上述的權(quán)利要求中任何一項所述的方法，其特征是，設(shè)有調(diào)光器的照明設(shè)備用于補償照明條件。
8.根據(jù)前述的權(quán)利要求中任何一項所述的方法，其特征是，上述方法用于船舶中異型零件的自動化焊接。
全文摘要
一種在三維X－Y－Z坐標系中控制焊接的方法，焊接結(jié)構(gòu)是按照待焊接的結(jié)構(gòu)由安裝在一組件中的三維支撐底座上大量零件提供的，拍攝待焊接的結(jié)構(gòu)，制成結(jié)構(gòu)照相圖，用照相圖識別該結(jié)構(gòu)的焊點，由此確定焊接參數(shù)，特別是焊接起點和焊接類型以及要用的焊接方法，上述控制數(shù)據(jù)傳送給焊接設(shè)備的控制系統(tǒng)。依據(jù)提供的所述照相圖和所述控制數(shù)據(jù)在X－Y平面上控制焊接設(shè)備，不斷測定沿坐標系中的Z軸(即垂直軸)方向焊接表面的高度位置，完成焊接，該高度位置的預(yù)定信息傳送給焊接設(shè)備的控制系統(tǒng)，從而控制焊接設(shè)備也沿Z軸方向?qū)崟r運動。
文檔編號B25J9/16GK1572409SQ200410049048
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月12日
發(fā)明者J·古斯塔夫松, M·維科萊寧 申請人:克瓦納爾·馬沙-亞德斯有限公司