一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统及补正方法

摘要

本发明涉及一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统及补正方法，包括焊枪和带动焊枪进行移动焊接的地轨行走机构以及与地轨行走机构固定的送丝机构，焊枪设置有补正系统，补正系统包括激光跟踪单元、驱动单元和旋转单元，激光跟踪单元设置于焊枪前方，用于提前扫描焊接轨迹，激光跟踪单元与驱动单元连接，驱动单元用于根据激光跟踪单元检测数据调节焊枪位置，旋转单元用于根据激光跟踪单元检测数据调节焊枪角度，驱动单元和旋转单元连接，并固定在地轨行走机构上。本发明设置有补正系统，用于对焊枪进行准确、随动补正实现大梁自动焊接，同时采用双丝焊接方式进行大梁焊接提高了焊接效率及焊接质量。

说明书

技术领域

本发明涉及埋弧焊焊接领域，具体涉及一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统及补正方法。

背景技术

大梁属于H型钢结构，大梁包括直线段和鹅颈部分，直线段与鹅颈部分之间存在落差，由于大梁结构导致此处大梁的翼板在左、右方向上会有倾斜，当鹅颈某处倾斜幅度在30°～55°时，现有的自动焊接设备将失去自动焊接能力，如焊接小车和械跟踪焊接装置；

其主要原因是因为此时焊枪无法得到准确的补正调节，根据实践发现在进行倾斜焊接时，焊枪的补正速度与翼板和腹板的斜率呈正比，进行精确的补正需要根据大梁的翼板左、右变化量以及大梁的腹板高、低变化量对焊枪进行位置调节，同时还需要根据翼板和腹板的斜率使焊枪的补正速度与倾斜度相匹配，另外还需要使焊枪与焊接面保持空间垂直，并且还要知道下一时刻焊接的位置，因此实现大梁的自动焊接较为困难。

大梁的钢板较厚，现有的焊接方式多为单丝焊接，在单丝焊接作业中，焊接的钢板越厚，单丝的直径就越大，因此需要有大电流融化焊丝，从而焊接热量随之增大，容易引起焊接的热变形。由于单丝焊接效率较低，在进行大梁翼板及H型板焊接时，使用不便。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统及补正方法，设置有补正系统及方法，用于对焊枪进行准确、随动补正实现大梁自动焊接，同时采用双丝焊接方式进行大梁焊接提高了焊接效率及焊接质量。

为了实现上述目的，本发明第一方面提出一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统，包括焊枪和带动焊枪进行移动焊接的地轨行走机构以及与地轨行走机构固定的送丝机构，所述焊枪设置有补正系统，所述补正系统包括激光跟踪单元、驱动单元和旋转单元；

所述激光跟踪单元设置于焊枪前方，用于提前扫描焊接轨迹，激光跟踪单元与驱动单元连接，所述驱动单元用于根据激光跟踪单元检测数据调节焊枪位置，所述旋转单元用于根据激光跟踪单元检测数据调节焊枪角度，驱动单元和旋转单元连接，并固定在地轨行走机构上，旋转单元分别与激光跟踪单元、焊枪连接。

进一步地，所述驱动单元包括X轴移动模块和Z轴移动模块，所述X轴移动模块包括第一伺服电机、X轴丝杆滑台模组和X轴滑块安装板，第一伺服电机经X轴丝杆滑台模组带动X轴滑块安装板水平移动，所述X轴移动模块与地轨行走机构连接；所述Z轴移动模块包括第二伺服电机、Z轴丝杆滑台模组和Z轴滑块安装板,第二伺服电机经Z轴丝杆滑台模组带动Z轴滑块安装板竖直移动，所述Z轴移动模块通过螺栓与X轴滑块安装板连接。

进一步地，所述旋转单元包括第三伺服电机和锁付固定件，所述第三伺服电机的电机轴经锁付固定件与焊枪连接，第三伺服电机与所述Z轴滑块安装板通过螺栓固定连接。

进一步地，所述锁付固定件用于使第三伺服电机中轴线与焊枪出丝点位于同一直线，锁付固定件包括连接段和调节段，所述连接段为长条状结构，连接段的一侧开设有长条形孔，连接段套设于第三伺服电机的电机轴外侧，且通过螺栓与第三伺服电机的电机轴夹紧固定；

所述连接段的另一端活动连接调节段，所述调节段为L型板，调节段的竖直段开有弧形孔和螺栓孔，调节段经同时穿装在长条形孔和螺栓孔内的第一调节螺栓、同时穿装在长条形孔和弧形孔内的第二调节螺栓分别与连接段限位连接，调节段的水平段开设有U形孔，所述焊枪设置于水平段U形孔内，焊枪与调节段通过第三螺栓限位连接。

进一步地，所述激光跟踪单元包括水平检测模块和垂直检测模块，所述水平检测模块包括第一光电位移传感器和第一支架，所述第一光电位移传感器安装在第一支架下端发射出水平状的激光，第一光电位移传感器通过所述第一支架与驱动单元的Z轴滑块安装板固定，第一光电位移传感器用于检测大梁的翼板倾斜数据；

所述垂直检测模块包括第二光电位移传感器和第二支架，所述第二光电位移传感器安装在呈水平状的第二支架一端发射出垂直状的激光，所述第二光电位移传感器通过所述第二支架与旋转单元的第三伺服电机电机轴连接，第二光电位移传感器用于检测大梁的腹板水平数据；

第一光电位移传感器和第二光电位移传感器的作业点位于同一直线，且第一光电位移传感器和第二光电位移传感器分别通过第一支架和第二支架位于同一作业平面。

进一步地，所述送丝机构包括送丝机、送丝盘和送丝软管，所述送丝机、送丝盘与X轴滑块安装板固定，所述送丝软管的两端分别与送丝机和焊枪连接，送丝软管为双丝结构，送丝盘上的焊丝依次穿过送丝机、送丝软管和焊枪。

进一步地，所述送丝软管包括金属套层和导丝管，所述金属套层为金属材质制成的波纹圆管，金属套层内设置两条导丝管，两条所述导丝管沿金属套层中线对称分布，导丝管为螺旋弹簧构成的圆环状，导丝管内部设置焊丝，两条导丝管与金属套层之间填充有绝缘层。

进一步地，所述焊枪设置有焊剂回收机构，所述焊剂回收机构包括焊剂回收机、焊剂回收桶、焊剂下料管和焊剂收料管，所述焊剂下料管设置于焊枪的前方，所述焊剂收料管设置于焊枪的后方，焊剂收料管、焊剂下料管分别和焊剂回收桶连通。

进一步地，所述地轨行走机构包括龙门、驱动电机和钢轨，所述龙门和钢轨之间设置有滚轮，龙门通过所述滚轮与钢轨滑动连接；所述龙门呈等腰梯形框架结构，龙门两端的竖直段底部分别设置有驱动电机，两个所述驱动电机均与龙门固定，所述驱动电机与钢轨之间设置有传动单元，所述传动单元包括齿轮和齿条，所述齿轮通过减速器与驱动电机的输出轴固定，所述齿条分设于与钢轨两侧，齿轮与齿条之间啮合连接。

另一方面本发明提出一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统的补正方法，所述方法包括：

焊枪处于初始位置时，焊枪通过锁付固定件固定在第三伺服电机的电机轴上，且焊枪的出丝点与第三伺服电机中轴线位于同一直线，第一光电位移传感器的光束e照射于翼板外部，第二光电位移传感器的光束f照射于腹板中部；

步骤1设置基准点:

找一段翼板不发生倾斜的位置，将焊枪通过驱动单元移动至焊缝处，分别标记此时第一光电位移传感器和第二光电位移传感器的投射点位置，并分别记录第一光电位移传感器到翼板的测量距离L1、第二光电位移传感器到腹板的距离H1、X轴移动模块当前位置X1、Z轴移动模块当前位置Z1和龙门的当前位置Y1；

步骤2计算位置变化量：

由于第一光电位移传感器和第二光电位移传感器设置于焊枪前方，当焊枪移动至第一光电位移传感器和第二光电位移传感器投射点位置后，第一光电位移传感器和第二光电位移传感器将处于焊枪前方,且距离为D；

在行程D内进行多次采样，采样周期为10ms；

在采样周期内第一光电位移传感器的测量值变为L2，第二光电位移传感器的测量值变为H2，利用所述基准值L1和H1通过计算获取翼板在采样周期内前进过程中水平方向的变化量ΔL和腹板垂直方向的变化量ΔH；

已知基准点时刻X轴移动模块的位置X1、Z轴移动模块的位置Z1和龙门的位置Y1，基于ΔL和ΔH建立用坐标P描述焊接轨迹的运动模型；

初始位置时，焊枪位置为P

由于龙门的当前位置可知，计算出每一个采样点的坐标P，在已知坐标P

从而实现焊枪的位置随动补正；

步骤3计算角度变化量：

给定采样周期，在采样周期内龙门前进增量为ΔY，焊接轨迹水平方向变化量为ΔX，则这两点之间的形成的线段的斜率k＝ΔY/ΔX,进而得出这条线段所对应的倾斜角度α，α＝arctan(k)，因焊枪的焊接角度需要与翼板垂直，焊枪的调整角度β为β＝90°-α；

从而实现焊枪的角度调节。

通过上述技术方案，本发明的有益效果为：

本发明设置有补正系统，所述补正系统包括激光跟踪单元、驱动单元和旋转单元，所述激光跟踪单元设置于焊枪前方，用于提前扫描焊接轨迹，激光跟踪单元与驱动单元固定，所述驱动单元用于根据激光跟踪单元检测数据调节焊枪位置，所述旋转单元用于根据激光跟踪单元检测数据调节焊枪角度，驱动单元和旋转单元与焊枪连接，并与地轨行走机构固定。

作业时，地轨行走机构带动焊枪及补正系统移动进行焊接作业，同时激光跟踪单元随焊枪同步移动，且在焊枪的前方预先对焊接轨迹进行检测，驱动单元根据激光跟踪单元检测参数带动焊枪进行同步补正，在需要角度调节时旋转单元带动焊枪转动至对应角度，从而使焊枪时刻贴着焊接位置进行焊接，实现焊枪精确随动补正及自动焊接。

附图说明

图1是一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统的结构示意图之一；

图2是图1的A部放大图；

图3是一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统的结构示意图之三；

图4是一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统的激光跟踪单元结构示意图；

图5是一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统的旋转单元结构示意图；

图6是一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统的送丝机构结构示意图之一；

图7是一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统的送丝机构结构示意图之二；

图8是一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统的地轨行走机构结构示意图。

附图中标号为：1为焊枪，3为第一伺服电机，4为X轴滑块安装板，5为第二伺服电机，6为Z轴滑块安装板，7为第三伺服电机，8为锁付固定件，9为第一光电位移传感器，10为第二光电位移传感器，11送丝机，12为送丝软管，13为焊剂收料管，14为龙门，15为驱动电机，16为钢轨，17为齿轮，18为齿条，19为焊剂回收机，20为焊机回收桶，801为连接段，802为调节段，1201为金属套层，1202为导丝管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

实施例1

如图1～3所示，一种大梁激光跟踪双丝埋弧自动焊接系统，包括焊枪1和带动焊枪1进行移动焊接的地轨行走机构以及与地轨行走机构固定的送丝机构，所述焊枪1设置有补正系统，所述补正系统包括激光跟踪单元、驱动单元和旋转单元；

所述激光跟踪单元设置于焊枪1前方，用于提前扫描焊接轨迹，激光跟踪单元与驱动单元连接，所述驱动单元用于根据激光跟踪单元检测数据调节焊枪1位置，所述旋转单元用于根据激光跟踪单元检测数据调节焊枪1角度，驱动单元和旋转单元连接，并固定在地轨行走机构上，旋转单元分别与激光跟踪单元、焊枪1连接。

本发明将所述激光跟踪单元设置于焊枪1前方，随焊枪1同步移动，进而可以预先得到翼板倾斜和腹板高低变化的数据，驱动单元根据所述翼板倾斜和腹板高低变化的数据带动焊枪1进行位置补正，同时旋转单元带动焊枪1进行角度补正，实现焊枪1精确、随动补正完成自动焊接作业。

实施例2

为实现对焊枪1精确且随动补正，在本实施例中对驱动单元进行优化，具体的：

所述驱动单元包括X轴移动模块和Z轴移动模块，所述X轴移动模块包括第一伺服电机3、X轴丝杆滑台模组和X轴滑块安装板4，第一伺服电机3经X轴丝杆滑台模组带动X轴滑块安装板4水平移动，所述X轴移动模块与地轨行走机构连接；所述Z轴移动模块包括第二伺服电机5、Z轴丝杆滑台模组和Z轴滑块安装板6,第二伺服电机5经Z轴丝杆滑台模组带动Z轴滑块安装板6竖直移动，所述Z轴移动模块通过螺栓与X轴滑块安装板4连接。

在本实施例中，所述X轴丝杆滑台模组及Z轴丝杆滑台模组均包括丝杆、滑轨和滑块，滑块与滑轨滑动连接；所述X轴丝杆滑台模组的滑块与X轴滑块安装板4固定连接，第一伺服电机3带动X轴丝杆滑台模组的丝杆旋转，使丝杆上的滑块带动X轴滑块安装板4在滑轨内水平移动；所述Z轴丝杆滑台模组的滑块与Z轴滑块安装板6固定连接，第二伺服电机5带动Z轴丝杆滑台模组的丝杆旋转，使丝杆上的滑块带动Z轴滑块安装板6在滑轨内竖直移动；所述第一伺服电机3的安装底座、X轴丝杆滑台模组的滑轨、X轴丝杆滑台模组的丝杆安装底座均与地轨行走机构固定；所述第二伺服电机5的安装底座、Z轴丝杆滑台模组的滑轨、Z轴丝杆滑台模组的丝杆安装底座均与X轴滑块安装板4固定连接。

在得知腹板高低变化量以及翼板左右变化量和倾斜角度后，第一伺服电机3带动X轴丝杆转动，从而X轴滑块及X轴滑块安装板4位移，对Z轴移动模块、焊枪1进行水平方向调节，同时第二伺服电机5根据需要带动Z轴丝杆转动，从而Z轴滑块及Z轴滑块安装板6位移，带动焊枪1在竖直方向进行调节，使焊枪1位于焊接位置。

在本实施例中，采用伺服电机作为动力输出，可以根据翼板倾斜的比率和焊枪1前进的速度得到翼板倾斜处任何一点的补正速度，同时伺服电机为恒扭矩输出，不会因为补正速度的变化出现丢步，确保了焊枪1补正到位。

实施例3

如图5所示，为实现焊枪1角度调节，所述旋转单元包括第三伺服电机7和锁付固定件8，所述第三伺服电机7的电机轴经锁付固定件8与焊枪1连接，第三伺服电机7与所述Z轴滑块安装板6通过螺栓固定连接。

作为一种可实施方式，所述锁付固定件8用于使第三伺服电机7中轴线与焊枪1出丝点位于同一直线，锁付固定件8包括连接段801和调节段802，所述连接段801为长条状结构，连接段801的一侧开设有长条形孔，连接段801套设于第三伺服电机7的电机轴外侧，且通过螺栓与第三伺服电机7的电机轴夹紧固定；

所述连接段801的另一端活动连接调节段802，所述调节段802为L型板，调节段802的竖直段开有弧形孔和螺栓孔，调节段802经同时穿装在长条形孔和螺栓孔内的第一调节螺栓、同时穿装在长条形孔和弧形孔内的第二调节螺栓分别与连接段801限位连接，调节段802的水平段开设有U形孔，所述焊枪1设置于水平段U形孔内，焊枪1与调节段802通过第三螺栓限位连接。

如图5所示，在本实施例中为便于调节焊枪1位置使第三伺服电机7中轴线与焊枪1出丝点位于同一直线，在连接段801上，连接段801与调节段802连接位置开设有长条形孔，所述长条形孔内设置第一调节螺栓(图中标号a)和第二调节螺栓(图中标号b)，对应的第一调节螺栓依次穿过调节段802与连接段801，在调节段802上开设有弧形槽(图中标号c)，第二调节螺栓经弧形槽、长条形孔穿出连接段801与调节段802；

在将锁付固定件8与第三伺服电机7的电机轴完成固定后，进一步的通过第二调节螺栓调节焊枪1与第三伺服电机7的电机轴间夹角，通过第一调节螺栓和第二调节螺栓调节焊枪1与第三伺服电机7的电机轴间距离，并对第三伺服电机7和焊枪1进行限位。

实施例4

如图4所示，基于上述实施例，为准确提前获取大梁焊接轨迹，所述激光跟踪单元包括水平检测模块和垂直检测模块，所述水平检测模块包括第一光电位移传感器9和第一支架，所述第一光电位移传感器9安装在第一支架下端发射出水平状的激光，第一光电位移传感器9通过所述第一支架与驱动单元的Z轴滑块安装板6固定，第一光电位移传感器9用于检测大梁的翼板倾斜数据；

所述垂直检测模块包括第二光电位移传感器10和第二支架，所述第二光电位移传感器10安装在呈水平状的第二支架一端发射出垂直状的激光，所述第二光电位移传感器10通过所述第二支架与旋转单元的第三伺服电机7电机轴连接，第二光电位移传感器10用于检测大梁的腹板水平数据；

第一光电位移传感器9和第二光电位移传感器10的作业点位于同一直线，且第一光电位移传感器9和第二光电位移传感器10分别通过第一支架和第二支架位于同一作业平面。

如图4所示在本实施例中，大梁(图中标号d)设置于焊接位置，其中，第一光电位移传感器9的光束(图中标号e)照射于翼板外部，第二光电位移传感器10的光束(图中标号f)照射于腹板中部，

作业时，第一光电位移传感器9持续提供大梁翼板到水平检测点间的距离数据，第二光电位移传感器10持续提供大梁腹板到垂直检测点间的距离数据，通过每个采样点的两组数据描述被焊接物体的结构，从而得出焊接路径信息以及倾斜角度信息，保证焊枪补正到位，确保了焊接的连续性和稳定性。

由于第一光电位移传感器9和第二光电位移传感器10设置于焊枪前方，在进行焊接作业时，可提前测量一部分大梁翼板及腹板数据，通过对这些数据进行滤波剔除离群值，经过分析计算提前获得焊接路径，得知大梁在什么位置发生倾斜以及倾斜角度，从而实现当焊枪到达数据侦测点时，按照轨迹数据进行位置补正，按照翼板及腹板的斜率进行补正速度调节。

实施例5

如图6-7所示，为提高焊接效率及质量，在本实施例中，所述送丝机构包括送丝机11、送丝盘和送丝软管12，所述送丝机11、送丝盘与X轴滑块安装板4固定，所述送丝软管12的两端分别与送丝机11和焊枪1连接，送丝软管12为双丝结构，送丝盘上的焊丝依次穿过送丝机11、送丝软管12和焊枪1。

作为一种可实施方式如图7所示，所述送丝软管12包括金属套层1201和导丝管1202，所述金属套层1201为金属材质制成的波纹圆管，金属套层1201内设置两条导丝管1202，两条所述导丝管1202沿金属套层1201中线对称分布，导丝管1202为螺旋弹簧构成的圆环状，导丝管1202内部设置焊丝，两条导丝管1202与金属套层1201之间填充有绝缘层。

作为一种可实施方式，所述焊枪1设置有焊剂回收机构，包括焊剂回收机19、焊剂回收桶20、焊剂下料管13和焊剂收料管，所述焊剂下料管13设置于焊枪1的前方，所述焊剂收料管设置于焊枪1的后方，焊剂收料管、焊剂下料管13分别和焊剂回收桶连通。

在本实施例中，所述焊剂回收机为气泵，由于焊剂回收机存在，与焊剂回收桶连通的焊剂下料管和焊剂收料管内部形成负压，焊接时焊枪1产生的废料经焊剂收料管被吸附进入焊剂回收桶，焊剂回收桶内的焊剂通过焊剂本身的重力通过焊剂下料管流动至焊枪的前方。

实施例6

为实现自动焊接优化产品结构如图8所示，所述地轨行走机构包括龙门14、驱动电机15和钢轨16，所述龙门14和钢轨16之间设置有滚轮，龙门14通过所述滚轮与钢轨16滑动连接；所述龙门14呈等腰梯形框架结构，龙门14两端的竖直段底部分别设置有驱动电机15，两个所述驱动电机15均与龙门14固定，所述驱动电机15与钢轨16之间设置有传动单元，所述传动单元包括齿轮17和齿条18，所述齿轮17通过减速器与驱动电机15的输出轴固定，所述齿条分设于与钢轨16两侧，齿轮17与齿条18之间啮合连接。

实施例7

结合上述多个实施例，本发明第二方面对焊枪1随动补正的方法进行说明：

焊枪1处于初始位置时，焊枪1通过锁付固定件8固定在第三伺服电机7的电机轴上，且焊枪1出丝点与第三伺服电机7中轴线位于同一直线，第一光电位移传感器9的光束(图中标号e)照射于翼板外部，第二光电位移传感器10的光束(图中标号f)照射于腹板中部；

步骤1设置基准点:

找一段翼板不发生倾斜的地方，将焊枪1通过驱动单元移动至焊缝处，分别标记此时第一光电位移传感器9和第二光电位移传感器10的投射点位置，并分别记录第一光电位移传感器9到翼板的测量距离L1、第二光电位移传感器10到腹板的距离H1、X轴移动模块当前位置X1、Z轴移动模块当前位置Z1和龙门14的当前位置Y1；

步骤2计算位置变化量：

由于第一光电位移传感器9和第二光电位移传感器10设置于焊枪1前方，可以理解的当焊枪1移动至第一光电位移传感器9和第二光电位移传感器10投射点位置后，第一光电位移传感器9和第二光电位移传感器10将处于焊枪1前方且距离为D，

在行程D内进行多次采样，采样周期为10ms；

在采样周期内第一光电位移传感器9的测量值变为L2，第二光电位移传感器10的测量值变为H2，利用所述基准值L1和H1通过计算获取翼板在采样周期内前进过程中水平方向的变化量ΔL和腹板垂直方向的变化量ΔH；

已知基准点时刻X轴移动模块的位置X1、Z轴移动模块的位置Z1和龙门14的位置Y1，基于ΔL和ΔH建立用坐标P描述焊接轨迹的运动模型；

初始位置时，焊枪1位置为P

由于龙门14的当前位置可知，可以计算出每一个采样点的坐标P，在已知坐标P

从而实现焊枪1的位置随动补正。

步骤3计算角度变化量

给定采样周期，在采样周期内龙门14前进增量为ΔY，焊接轨迹水平方向变化量为ΔX，则这两点之间的形成的线段的斜率k＝ΔY/ΔX,进而得出这条线段所对应的倾斜角度α，α＝arctan(k)，因焊枪1的焊接角度需要与翼板垂直，焊枪1的调整角度β为β＝90°-α。

从而实现焊枪1的角度调节。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。