本技術屬于焊接加工相關，更具體地，涉及一種抑制管板群縫焊接變形的路徑規(guī)劃方法及焊接系統(tǒng)。

背景技術：

1、管板式熱換器、冷凝器、蒸汽發(fā)生器等壓力容器是實現(xiàn)熱交換的主要工業(yè)產品，在冶金、核電、船舶和石油化工等領域中發(fā)揮著重要作用。管板式換熱器的管道接頭均為環(huán)形焊縫，管子接頭數(shù)量從幾百到幾千不等，接頭處焊縫密集，焊縫質量的優(yōu)劣直接決定了換熱器的工作壽命和使用性能。目前管板焊接多采用人工示教，效率低下，并有可能由于焊工施焊次序不當，導致管板變形嚴重。采用機器視覺自動尋位焊接、構建焊接路徑規(guī)劃模型求解最佳焊接路徑以及對焊接過程管板變形量進行監(jiān)測是實現(xiàn)管板群縫自動化焊接和抑制管板變形的有效措施。

2、檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術中已經提出了一些相關解決方案，但它們仍存在各自的局限或不足。例如，專利cn112958973a所發(fā)明的一種基于結構光三維視覺的機器人焊接視覺尋位裝置，其采用結構光三維面掃描技術用于焊縫的掃描，通過三維點云的分割和擬合計算，提取焊縫軌跡和寬度，可有效幫助機器人實現(xiàn)管板件的自動化焊接，但該方案并未涉及到管板件焊接的熱變形處理措施。

3、專利cn114571154a所發(fā)明的一種管板焊方法及裝置，其采用單目面陣相機采集所有待焊接鋼管圖像，系統(tǒng)規(guī)劃焊接路徑，實現(xiàn)鋼管連續(xù)焊接。該發(fā)明基于視覺的雙通道管板焊接可一次焊接兩個鋼管，提高了焊接效率，但其同樣未涉及到抑制焊接變形的措施。

4、又如，專利cn113399883a所發(fā)明的一種換熱器管板焊接變形的抑制方法，其通過焊前準備焊接變形抑制工裝，焊接完成后快速把彈性套插入換熱管的管口，使彈性套的軸肩與換熱管管口斷面緊貼，然后迅速扭緊螺母，等焊縫溫度降至常溫時拆除焊接變形抑制工裝。然而，該發(fā)明未涉及到焊接路徑的自動規(guī)劃，并且其解決焊接變形的效果有待進一步提升。

5、因此，本領域亟需開發(fā)一種能夠更為有效地抑制管板群縫焊接變形的路徑自動規(guī)劃方法和系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的缺陷，本技術的目的在于提供一種抑制管板群縫焊接變形的路徑規(guī)劃方法及焊接系統(tǒng)，其中通過對其主要工藝步驟及功能模塊重新進行設計，能夠同時在抑制管板群縫焊接變形和獲取最優(yōu)焊接路徑的自動規(guī)劃等方面取得更好的工藝效果，可實現(xiàn)各類復雜管板群縫的高效率、低變形焊接，與現(xiàn)有技術相比能夠同時在焊接質量和焊接效率有著顯著提升，因而尤其適用于各類復雜結構的管板式換熱器的現(xiàn)代化制造加工用途。

2、為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，本技術提供了一種抑制管板群縫焊接變形的路徑規(guī)劃方法，其特征在于，該方法包括：

3、s1、管板構件點云數(shù)據(jù)的獲取

4、針對作為待加工對象的管板構件，對其管板群縫進行多位置的三維拍攝，并獲取初始點云數(shù)據(jù)；

5、s2、焊縫位置信息的獲取

6、對初始點云數(shù)據(jù)進行點云配準、點云旋轉、直通濾波和焊縫擬合處理，由此獲得焊縫位置信息，該步驟包括下列子步驟：

7、s21、對初始點云數(shù)據(jù)采集特征點，并通過匹配特征點使得不同位置的點云基本重疊，完成粗配準；接著，基于粗配準的結果將點云數(shù)據(jù)對齊至同一坐標系，獲得一個完整的管板三維點云模型；

8、s22、將所述管板三維點云模型進行旋轉，使得平板平面與上述坐標系中的xoy面平行；對該平板平面進行擬合，并求取對應的旋轉矩陣；接著將步驟s1獲取的初始點云數(shù)據(jù)左乘該旋轉矩陣，得到平板平面與所述xoy面平行的管板三維點云模型；

9、s23、將步驟s22得到的管板三維點云模型執(zhí)行直通濾波處理，得到只有管道的三維模型也即管道三維模型；

10、s24、將步驟s23得到的管道三維模型進行擬合處理，得到對應的焊縫位置信息；

11、步驟s3、定義適應度函數(shù)

12、基于焊接固有熱力耦合方程，并結合以上得到的焊縫位置信息，為待加工對象定義一個適應度函數(shù)；

13、步驟s4、最佳焊接路徑的規(guī)劃

14、以焊接路徑的總變形和總路徑最小為目標，并采用遺傳算法來計算規(guī)劃最佳焊接路徑。

15、作為進一步優(yōu)選地，在子步驟s21中，優(yōu)選采用加速穩(wěn)健特征法(surf)獲取點云特征點，通過匹配特征點估計初始變換矩陣，使得不同位置的點云基本重疊，完成粗配準；此外，優(yōu)選采用迭代最近點法(icp)將點云數(shù)據(jù)對齊到同一坐標系，獲得一個完整的管板三維點云模型。

16、作為進一步優(yōu)選地，在子步驟s22中，優(yōu)選采用最小二乘法擬合所述平板平面，并求取該平面的法向量n1，繼而求出n1與所述xoy面的法向量n2(0,0,1)之間的夾角以及旋轉軸n3＝n1×n2；接著根據(jù)所述旋轉軸n3和夾角使用羅德里格斯旋轉公式求取旋轉矩陣r：

17、

18、其中，i是3×3的單位矩陣，k是由旋轉軸n3構造的反對稱矩陣。

19、作為進一步優(yōu)選地，在子步驟s23中，優(yōu)選將所述管板三維點云模型的平板平面的高度值作為直通濾波的允許最小值limit_zmin，同時允許最大值limit_zmax＝limit_zmin+3mm，由此得到所述管道三維模型。

20、作為進一步優(yōu)選地，在子步驟s23中，優(yōu)選還包括將所述管道三維模型中的噪聲點和離群點去除的統(tǒng)計濾波處理。

21、作為進一步優(yōu)選地，在子步驟s24中，優(yōu)選采用基于密度的聚類算法(dbscan)，通過設置聚類距離閾值和每個聚類的最小點數(shù)對所述管道點云模型進行分割，并使用霍夫圓變化法檢測圓形管道，獲得管道的圓心坐標oi(xi,yi)；接著計算焊接加工坐標系下對應的管道圓心坐標oi’(xi’,yi’)，由此得到焊縫位置信息。

22、作為進一步優(yōu)選地，在步驟s3中，根據(jù)管道圓心坐標oi’(xi’,yi’)，計算整個焊接過程中的溫度分布、應力分布和焊接路徑總路程，并結合焊接路徑的總變形和總路程來為代加工對象定義一個適應度函數(shù)。

23、作為進一步優(yōu)選地，在步驟s4中，優(yōu)選包括下列子步驟：

24、s41、隨機生成若干條焊接路徑，并將其作為初始種群；

25、s42、基于步驟s3中所定義的適應度函數(shù)，計算每一條焊接路徑的適應度值；

26、s43、采用輪盤賭的方式，從各個適應度值中選擇較優(yōu)的焊接路徑；

27、s44、采用部分匹配交叉的方式，從子步驟s43的結果中隨機選擇兩條焊接路徑，將這兩條路徑的交叉點互換，并調整剩余部分以形成一條新的優(yōu)化焊接路徑；

28、s45、通過隨機改變焊接路徑中的某個路徑點，執(zhí)行變異操作以引入新的焊接路徑；

29、s46、重復以上子步驟s44、s45的操作，迭代優(yōu)化焊接路徑，直至適應度值達到適應度閾值，由此獲得焊接路徑的最優(yōu)解。

30、按照本發(fā)明的另一方面，還提供了相應的焊接系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括：

31、數(shù)據(jù)采集單元，該數(shù)據(jù)采集單元包括掃描機器人和面結構三維測量儀，其中面結構三維測量安裝在掃描機器人的機械臂末端，掃描機器人攜帶面結構三維測量儀到指定位置對管板構件進行拍照，獲取初始點云數(shù)據(jù)；

32、數(shù)據(jù)處理單元，該數(shù)據(jù)處理單元基于初始點云數(shù)據(jù)，通過圖像處理獲取焊縫位置信息；然后以焊接路徑的總變形和總路徑最小為目標，采用遺傳算法來計算規(guī)劃最佳焊接路徑；

33、焊接單元，該焊接單元包括焊接機器人、焊機、焊槍和送絲裝置，其中焊槍與焊接機器人的機械臂末端法蘭連接，焊接機器人負責帶動焊槍執(zhí)行焊接動作和路徑規(guī)劃，焊機提供穩(wěn)定的電源和參數(shù)控制，送絲裝置確保焊絲的連續(xù)供應；

34、焊接控制單元，該焊接控制單元基于所述數(shù)據(jù)處理單元的計算結果，在線編譯工控指令，并生成機器人程序發(fā)送給所述焊接機器人，由此完成管板構件的整個焊接加工。

35、總體而言，通過本技術所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，主要具備以下的技術優(yōu)點：

36、1.本發(fā)明緊密結合了各類復雜結構的管板構件焊接需求，通過對焊接位置信息的獲取方式作出優(yōu)化設計，能夠基于點云處理方法來更為精確地捕獲焊縫位置，由此確保了管板構件的高精度自動化焊接，并可提高焊接效率；

37、2.本發(fā)明還采用遺傳算法對最優(yōu)焊接路徑作出了規(guī)劃，相應能夠在求解焊接總路程最短的同時使得焊接變形量最小，并通過優(yōu)化施焊次序抑制變形，由此進一步提供了焊接效率和焊接質量；

38、3.本發(fā)明可實現(xiàn)各類復雜管板群縫的高效率、低變形焊接，與現(xiàn)有技術相比能夠同時在焊接質量和焊接效率有著顯著提升，因而尤其適用于各類復雜結構的管板式換熱器的現(xiàn)代化制造加工用途。