提高金属保温杯焊缝光滑度的方法及其自动焊接设备与流程

本发明涉及一种提高金属保温杯焊缝光滑度的方法，以及使用该方法的自动焊接设备。

背景技术：

金属保温杯(如不锈钢保温杯、钛保温杯等)为薄壁圆筒形，其内胆和外壳分别经滚压、水涨成型后，两者在端口处需要焊接在一起。所述内胆和外壳之间在端口处的缝隙我们称之为待焊接的缝隙(也称焊缝)。

目前，金属保温杯端口焊缝的焊接，都还停留在手工操作的水平，加工者用手转动待焊接的金属保温杯，使端口焊缝在激光焊接设备或氩弧焊接设备的焊枪下转动，焊枪不动焊缝动，完成焊缝的焊接。手工操作焊接的保温杯端口，焊接质量因人而异，不易控制，且劳动强度大，效率低下。人们尝试利用焊接机器人对金属保温杯端口焊缝进行焊接，但由于所述焊缝为空间不规则曲线，焊接的焊缝光滑度不够理想，甚至出现锯齿状。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种提高金属保温杯焊缝光滑度的方法及其自动焊接设备，能够提升金属保温杯端口的焊接质量和焊接速度，减轻劳动强度，具有广泛的应用市场和巨大的经济效益。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高金属保温杯焊缝光滑度的方法，包括以下步骤：

步骤一：焊缝数据采集

利用3d相机对位于其下方的待焊接金属保温杯的端口缝隙进行扫描，然后将扫描的焊缝数据传输给控制装置；

步骤二：筛选焊缝数据

所述控制装置将3d相机采集的焊缝数据与金属保温杯端口的理论圆周曲线进行比较，采集的焊缝数据的空间分布若落入所述理论圆周曲线的，给予保留，偏离所述理论圆周曲线的给予剔除，得到焊缝数据点集{p1(x1,y1,z1),p2(x2,y2,z2),...,pn(xn,yn,zn)}；

步骤三：局部多项式拟合

由步骤二得到的焊缝数据{p1(x1,y1,z1),p2(x2,y2,z2),...,pn(xn,yn,zn)}，设其对应的空间参数曲线为，

其中k为自然数，u为中间变量，公式1-2中的参数x、y、z采用最小二乘法估计得到，通过拟合得到焊缝数据的空间k次曲线，使得焊接轨迹空间分布均匀、平滑；

步骤四：控制焊接

所述控制装置将步骤三得到的焊缝数据的空间k次曲线作为自动焊接设备的焊接路径，将存储的焊缝数据的空间k次曲线的第一个点作为自动焊接设备的初始焊接位置，控制自动焊接设备进行焊接。

所述k为3，公式1-2中的参数x0、y0、z0、采用最小二乘法估计得到，通过拟合得到焊缝数据的空间三次曲线，使得焊接轨迹空间分布均匀、平滑。

一种提高金属保温杯焊缝光滑度的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：焊缝数据采集

利用3d相机对位于其下方的待焊接金属保温杯的端口缝隙进行扫描，然后将扫描的焊缝数据传输给控制装置，得到焊缝数据点集{p1(x1,y1,z1),p2(x2,y2,z2),...,pn(xn,yn,zn)}；

步骤二：使用改进的ransac算法对步骤一的焊缝数据进行自适应迭代筛选

a.选取步骤一的焊缝数据点集{p1(x1,y1,z1),p2(x2,y2,z2),...,pn(xn,yn,zn)}，计算其中任意3点{pi,pi+1,pi+2|1<＝i<＝n-2}构成的圆弧中心点坐标和圆弧半径值,按照顺序无重复地遍历步骤一采集的焊缝数据点集；

b.选取(1±20％)r为半径阈值范围，其中r为待焊接金属保温杯端口的半径设计值，将步骤a得到的各个圆弧半径值与所述半径阈值范围进行比较，将不在半径阈值范围内的对应点集剔除，得到局内点点集{np1,np2,....,npm}；

c.设置ransac算法的迭代次数k为一个较大的数值2n，其中n为焊缝数据点的个数；

d.随机抽取一个样本集合，计算该集合对应的中心点坐标和半径；

e.再次比较所述样本集合中点所对应的圆弧半径是否在半径阈值范围内，若在则执行下一步，否则执行上一步；

f.遍历点集{np1,np2,....,npm}，判断依次从其余点集中加入点后拟合圆弧半径是否在半径阈值范围内，同时记录局内点的数量，当局内点数量大于或等于0.3n，根据ransac算法计算下次迭代次数k；

g.重复步骤d～e迭代过程，当新计算的圆弧中心点坐标和半径对应的局内点更多时，替换上次计算得到的圆弧中心点坐标和半径，同时保存局内点{no1(x1,y1,z1),no2(x2,y2,z2),...,nom(xn,yn,zn)}；

h.重复步骤d～f计算步骤直到所有数据均计算完成；

步骤三：局部多项式拟合

由步骤二得到的焊缝数据{no1(x1,y1,z1),no2(x2,y2,z2),...,nom(xn,yn,zn)}，设其对应的空间参数曲线为，

其中k为自然数，u为中间变量，公式1-2中的参数x、y、z采用最小二乘法估计得到，通过拟合得到焊缝数据的空间k次曲线，使得焊接轨迹空间分布均匀、平滑；

步骤四：控制焊接

所述控制装置将步骤三得到的焊缝数据的空间k次曲线作为自动焊接设备的焊接路径，将存储的焊缝数据的空间k次曲线的第一个点作为自动焊接设备的初始焊接位置，控制自动焊接设备进行焊接。

所述k为3，公式1-2中的参数x0、y0、z0、采用最小二乘法估计得到，通过拟合得到焊缝数据的空间三次曲线，使得焊接轨迹空间分布均匀、平滑。

一种使用上述提高金属保温杯焊缝光滑度的方法的自动焊接设备，包括用于测量所述待焊接金属保温杯端口缝隙空间位置数据的数据测量装置，用于焊接待焊接待焊接金属保温杯端口缝隙的所述自动焊接设备，所述自动焊接设备为激光焊接装置，具有用于运送和定位待焊接金属保温杯的四动力独立传送单向循环装置，所述四动力独立传送单向循环装置，包括底座，通过支撑件设置在所述底座上的传送导轨，所述传送导轨有四条，头尾衔接呈正方形分布，每条传送导轨上均设有多个横截面为正方形的滑动座，各所述滑动座的中部设有用于放置待加工金属保温杯的保温杯固定座，各传送导轨的下面均设有用于推动相应的滑动座的单向驱动机构，所述单向驱动机构包括固接在移动座上的多个止回推块，所述移动座的底部设有直线导轨，所述直线导轨可滑动的支撑于滑块上、并通过连接件与气缸的活塞杆连接，在各相邻的传送导轨的衔接部均设有滑动座的转轨机构。

所述传送导轨由两条平行的滑轨构成，所述滑动座底部的四个角处均设有用于在所述滑轨上滚动的滚轮，所述止回推块的顶端低于滑动座的底端，止回推块的顶端设有弹性压舌，通常状态下，所述弹性压舌前端弹起，该弹性压舌的前端高于滑动座的底端，当气缸的活塞杆驱动直线导轨向左运动时，弹性压舌的前端推动左边的滑动座向左移动，当气缸的活塞杆驱动直线导轨向右运动时，弹性压舌的倾斜面被右侧的滑动座下压于该滑动座的端底，随着气缸的活塞杆驱动直线导轨继续向右运动，所述弹性压舌运动至相应的滑动座的右边；所述转轨机构包括设置在固定板上的转向气缸，所述转向气缸通过竖直连杆带动水平拨杆往复移动，当所述滑动座移动至相邻两传送导轨的衔接直角处时，通过相应的水平拨杆沿垂直于该滑动座原移动方向的拦拨，所述滑动座从原来的传送导轨转换至相邻的传送导轨，在所述连接件的左边设有气缸缓冲限位器，在气缸的右端部设有磁性限位器。

各所述滑动座的四个侧面的中部均设有v形槽，在每个滑动座的传送导轨的侧部均设有相应的滑动座定位组件，所述滑动座定位组件包括基体、由内部弹簧作用而伸出所述基体的顶杆、设置于所述顶杆伸出端的定位滚轮，当所述滑动座移动至预设位置时，所述定位滚轮卡入所述v形槽内以实现定位。

所述数据测量装置，包括用于扫描端口缝隙的所述3d相机，所述3d相机设置于纵向滑动轴的下端，所述纵向滑动轴通过滑动座设置于y向水平导轨上，所述y向水平导轨通过水平滑动座设置于x向水平导轨上；所述激光焊接装置，包括用于焊接端口缝隙的激光焊接枪，所述激光焊接枪设置于三维机械臂上。

还包括控制装置，所述四动力独立传送单向循环装置、数据测量装置、激光焊接装置均通过相应的线路与所述控制装置电连接，所述3d相机通过线路将端口缝隙的位置信息传输给控制装置，控制装置依据3d相机的位置信息控制所述激光焊接装置对待焊接金属保温杯的端口缝隙进行焊接。

位于中间的两个滑动座工位的传送导轨的侧部均设有相应的光电感应器，用于探测待焊接金属保温杯是否到位，并通过相应的线路将信息传出给控制装置，控制装置依据光电感应器的信息控制四动力独立传送单向循环装置、数据测量装置、激光焊接装置依次动作。

与现有技术相比本发明的有益效果是：采用上述空间参数曲线对焊缝数据进行处理，尤其是上述3次空间参数曲线，大大提高了焊缝平滑度，确保了焊缝质量的稳定和提升。

传统ransac算法中迭代次数k的设置是难题，设置固定的迭代上限可能导致抽样计算不充分无法排除大量的局外点。本方案提出一种改进的ransac算法，采用焊缝数据自适应迭代方法，在开始计算时将k值设置为一个较大的值，然后在每次迭代时根据局外点的比重重新计算k值，自适应调整，此外，本方案提出的方法能够克服传统ransac算法计算局内点的空间分布单一性，多次进行ransac计算出数据点集，每次剔除的局外点作为新的计算样本重新计算，可以得出最佳的筛选效果。

使用所述提高金属保温杯焊缝光滑度的方法的自动焊接设备，采用了具有用于运送和定位待焊接金属保温杯的四动力独立传送单向循环装置，这种结构，设置在滑动座上的保温杯固定座可以防止待加工金属保温杯的滚动，起到了很好的定位作用，有利于待加工金属保温杯在传送线上停到预设位置时进行加工，所述单向驱动机构，利用止回推块的所述结构，当气缸的活塞杆驱动直线导轨向前运动时，弹性压舌的前端推动前边的滑动座向前移动，当气缸的活塞杆驱动直线导轨向后运动时，弹性压舌的倾斜面被后侧的滑动座下压于该滑动座的端底，随着气缸的活塞杆驱动直线导轨继续向后运动，所述弹性压舌运动至相应的滑动座的后边，为下一次驱动做准备；每一个止回推块推动相应的一个滑动座，使得各个滑动座向着一个方向移动。当滑动座移动至传送导轨的衔接处时，所述转轨机构动作，将滑动座拦拨至传送导轨衔接处的另一条传送导轨，由于滑动座为正方形，其无需旋转，便可平移转轨，单向平移转轨循环，可以实现待加工金属保温杯按照加工顺序向下一个工位平稳传送，从起始位放置待加工金属保温杯，到结束位取下加工完成的金属保温杯，滑动座周而复始的在头尾衔接呈正方形分布的四条传送导轨上循环滑动，可以实现待加工金属保温杯的不间断传送，既实现了待加工金属保温杯的单向循环运送，又实现了待加工金属保温杯在待加工工位的定位。从而为所述数据测量装置依次测量被传送至相应工位的待焊接金属保温杯端口缝隙空间位置数据、为所述激光焊接装置依据数据测量装置测量的数据依次焊接被传送至相应工位的待焊接金属保温杯端口的缝隙，提供了传输和定位保障。

所述单向驱动机构，利用止回推块的所述结构，当气缸的活塞杆驱动直线导轨向左运动时，弹性压舌的前端推动左边的滑动座向左移动，当气缸的活塞杆驱动直线导轨向右运动时，弹性压舌的倾斜面被右侧的滑动座下压于该滑动座的端底，随着气缸的活塞杆驱动直线导轨继续向右运动，所述弹性压舌运动至相应的滑动座的右边，为下一次驱动做准备。

各所述滑动座的四个侧面的中部均设有v形槽，在每个滑动座的传送导轨的侧部均设有相应的滑动座定位组件，所述滑动座定位组件包括基体、由内部弹簧作用而伸出所述基体的顶杆、设置于所述顶杆伸出端的定位滚轮，当所述滑动座移动至预设位置时，所述定位滚轮卡入所述v形槽内以实现定位，这种结构，当所述待加工金属保温杯放置于保温杯固定座时，实现待加工金属保温杯的一次定位，当所述滑动座移动至预设位置时，设置在相应处的所述滑动座定位组件的定位滚轮卡入所述v形槽内，实现待加工金属保温杯的二次精准定位，使待加工金属保温杯从一个工位传送到另一个工位的流水加工过程中，既可以由保温杯固定座对其进行一次定位、防止待加工金属保温杯随处移动，又能够将待加工的金属保温杯较精确的停留在某个预设的工位，大大提高了工作效率和定位精度。当再次移动滑动座时，定位滚轮沿v形槽的一个斜面滚出(此时内部弹簧被压缩)，定位自动解除。

所述数据测量装置采用了3d相机，所述3d相机设置于纵向滑动轴的下端，所述纵向滑动轴通过滑动座设置于y向水平导轨上，所述y向水平导轨通过水平滑动座设置于x向水平导轨上，这种结构，首次使用了3d相机并可对待焊接金属保温杯端口缝隙进行空间全方位的数据采集，能够为激光焊接装置提供最完善详尽的焊接信息；所述激光焊接装置，包括用于焊接端口缝隙的激光焊接枪，所述激光焊接枪设置于三维机械臂上，还包括控制装置，所述四动力独立传送单向循环装置、数据测量装置、激光焊接装置均通过相应的线路与所述控制装置电连接，所述3d相机通过线路将端口缝隙的位置信息传输给控制装置，控制装置依据3d相机的位置信息控制所述激光焊接装置对待焊接金属保温杯的端口缝隙进行焊接，这种结构，实现了金属保温杯端口缝隙的全方位激光自动焊接。

附图说明

图1是本发明的自动焊接设备的结构示意图；

图2是图1中数据测量装置的结构示意图；

图3是图1中四动力独立传送单向循环装置的结构示意图；

图4是图3中止回组件及其驱动部件的结构示意图；

图5是图3中滑动座的结构示意图；

图6是图3中滑动座定位组件的结构示意图；

图7是图3中转轨机构的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清晰，以下结合附图1至7，对本发明进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明的保护范围。

本发明是一种提高金属保温杯焊缝光滑度的方法，包括以下步骤：

步骤一：焊缝数据采集

利用3d相机301对位于其下方的待焊接金属保温杯1的端口缝隙进行扫描，然后将扫描的焊缝数据传输给控制装置；

步骤二：筛选焊缝数据

所述控制装置将3d相机301采集的焊缝数据与金属保温杯端口的理论圆周曲线进行比较，采集的焊缝数据的空间分布若落入所述理论圆周曲线的，给予保留，偏离所述理论圆周曲线的给予剔除，得到焊缝数据点集{p1(x1,y1,z1),p2(x2,y2,z2),...,pn(xn,yn,zn)}；

步骤三：局部多项式拟合

由步骤二得到的焊缝数据{p1(x1,y1,z1),p2(x2,y2,z2),...,pn(xn,yn,zn)}，设其对应的空间参数曲线为，

其中k为自然数，u为中间变量，公式1-2中的参数x、y、z采用最小二乘法估计得到，通过拟合得到焊缝数据的空间k次曲线，使得焊接轨迹空间分布均匀、平滑；

步骤四：控制焊接

控制装置将步骤三得到的焊缝数据的空间k次曲线作为自动焊接设备的焊接路径，将存储的焊缝数据的空间k次曲线的第一个点作为自动焊接设备的初始焊接位置，控制自动焊接设备进行焊接。

作为优选，所述k为3，公式1-2中的参数x0、y0、z0、采用最小二乘法估计得到，通过拟合得到焊缝数据的空间三次曲线，使得焊接轨迹空间分布均匀、平滑。

另一种提高金属保温杯焊缝光滑度的方法，包括以下步骤：

步骤一：焊缝数据采集

利用3d相机301对位于其下方的待焊接金属保温杯1的端口缝隙进行扫描，然后将扫描的焊缝数据传输给控制装置，得到焊缝数据点集{p1(x1,y1,z1),p2(x2,y2,z2),...,pn(xn,yn,zn)}；

步骤二：使用改进的ransac算法对步骤一的焊缝数据进行自适应迭代筛选

a.选取步骤一的焊缝数据点集{p1(x1,y1,z1),p2(x2,y2,z2),...,pn(xn,yn,zn)}，计算其中任意3点{pi,pi+1,pi+2|1<＝i<＝n-2}构成的圆弧中心点坐标和圆弧半径值,按照顺序无重复地遍历步骤一采集的焊缝数据点集；

b.选取(1±20％)r为半径阈值范围，其中r为待焊接金属保温杯1端口的半径设计值，将步骤a得到的各个圆弧半径值与所述半径阈值范围进行比较，将不在半径阈值范围内的对应点集剔除，得到局内点点集{np1,np2,....,npm}；

c.设置ransac算法的迭代次数k为一个较大的数值2n，其中n为焊缝数据点的个数；

d.随机抽取一个样本集合，计算该集合对应的中心点坐标和半径；

e.再次比较所述样本集合中点所对应的圆弧半径是否在半径阈值范围内，若在则执行下一步，否则执行上一步；

f.遍历点集{np1,np2,....,npm}，判断依次从其余点集中加入点后拟合圆弧半径是否在半径阈值范围内，同时记录局内点的数量，当局内点数量大于或等于0.3n，根据ransac算法计算下次迭代次数k；

g.重复步骤d～e迭代过程，当新计算的圆弧中心点坐标和半径对应的局内点更多时，替换上次计算得到的圆弧中心点坐标和半径，同时保存局内点{no1(x1,y1,z1),no2(x2,y2,z2),...,nom(xn,yn,zn)}；

h.重复步骤d～f计算步骤直到所有数据均计算完成；

步骤三：局部多项式拟合

由步骤二得到的焊缝数据{no1(x1,y1,z1),no2(x2,y2,z2),...,nom(xn,yn,zn)}，设其对应的空间参数曲线为，

其中k为自然数，u为中间变量，公式1-2中的参数x、y、z采用最小二乘法估计得到，通过拟合得到焊缝数据的空间k次曲线，使得焊接轨迹空间分布均匀、平滑；

步骤四：控制焊接

控制装置将步骤三得到的焊缝数据的空间k次曲线作为自动焊接设备的焊接路径，将存储的焊缝数据的空间k次曲线的第一个点作为自动焊接设备的初始焊接位置，控制自动焊接设备进行焊接。

作为优选，所述k为3，公式1-2中的参数x0、y0、z0、采用最小二乘法估计得到，通过拟合得到焊缝数据的空间三次曲线，使得焊接轨迹空间分布均匀、平滑。

一种使用上述提高金属保温杯焊缝光滑度的方法的自动焊接设备，包括用于测量所述待焊接金属保温杯1端口缝隙空间位置数据的数据测量装置3，用于焊接待焊接待焊接金属保温杯1端口缝隙的所述自动焊接设备，所述自动焊接设备为激光焊接装置4，具有用于运送和定位待焊接金属保温杯1的四动力独立传送单向循环装置2，所述四动力独立传送单向循环装置2，包括底座200，通过支撑件设置在所述底座200上的传送导轨201，所述传送导轨201有四条，头尾衔接呈正方形分布，每条传送导轨201上均设有多个横截面为正方形的滑动座202，各所述滑动座202的中部设有用于放置待加工金属保温杯1的保温杯固定座2020，各传送导轨201的下面均设有用于推动相应的滑动座202的单向驱动机构203，所述单向驱动机构203包括固接在移动座2030上的多个止回推块2031，所述移动座2030的底部设有直线导轨2032，所述直线导轨2032可滑动的支撑于滑块2034上、并通过连接件2035与气缸2036的活塞杆连接，在各相邻的传送导轨201的衔接部均设有滑动座202的转轨机构204。

作为优选，所述保温杯固定座2020，可拆卸的套设在滑动座202的中部，该保温杯固定座2020的中部设有与待加工金属保温杯1的外周相适配的孔腔；作为进一步的优化，所述保温杯固定座2020由尼龙工程塑料制成，所述孔腔与待加工金属保温杯1的外周之间的间隙优选为0.5毫米左右。所述保温杯固定座2020孔腔的内壁也可以设具有弹性的橡胶层，当设置具有弹性的橡胶层时，待加工金属保温杯1的外周与具有弹性的橡胶层之间可以采用0.5毫米左右的过盈配合。所述保温杯固定座2020也可以是本领域其它常用结构的杯体夹具。

作为优选，所述传送导轨201由两条平行的滑轨构成，所述滑动座202底部的四个角处均设有用于在所述滑轨上滚动的滚轮2021，所述止回推块2031的顶端低于滑动座202的底端，止回推块2031的顶端设有弹性压舌2032，通常状态下，所述弹性压舌2032前端弹起，该弹性压舌2032的前端高于滑动座202的底端，当气缸2036的活塞杆驱动直线导轨2032向左运动时，弹性压舌2032的前端推动左边的滑动座202向左移动，当气缸2036的活塞杆驱动直线导轨2032向右运动时，弹性压舌2032的倾斜面被右侧的滑动座202下压于该滑动座202的端底，随着气缸2036的活塞杆驱动直线导轨2032继续向右运动，所述弹性压舌2032运动至相应的滑动座202的右边；所述转轨机构204包括设置在固定板2041上的转向气缸2042，所述转向气缸2042通过竖直连杆2043带动水平拨杆2044往复移动，当所述滑动座202移动至相邻两传送导轨201的衔接直角处时，通过相应的水平拨杆2044沿垂直于该滑动座202原移动方向的拦拨，所述滑动座202从原来的传送导轨201转换至相邻的传送导轨201，在所述连接件2035的左边设有气缸2036缓冲限位器2037，在气缸2036的右端部设有磁性限位器2038。

进一步的优化，各所述滑动座202的四个侧面的中部均设有v形槽2022，在每个滑动座202的传送导轨201的侧部均设有相应的滑动座定位组件205，所述滑动座定位组件205包括基体2051、由内部弹簧作用而伸出所述基体2051的顶杆2052、设置于所述顶杆2052伸出端的定位滚轮2053，当所述滑动座202移动至预设位置时，所述定位滚轮2053卡入所述v形槽2022内以实现定位。

具体来讲，所述数据测量装置3，包括用于扫描端口缝隙的所述3d相机301，所述3d相机301设置于纵向滑动轴302的下端，所述纵向滑动轴302通过滑动座303设置于y向水平导轨304上，所述y向水平导轨304通过水平滑动座305设置于x向水平导轨306上；所述激光焊接装置4，包括用于焊接端口缝隙的激光焊接枪401，所述激光焊接枪401设置于三维机械臂402上。还包括控制装置，所述四动力独立传送单向循环装置2、数据测量装置3、激光焊接装置4均通过相应的线路与所述控制装置电连接，所述3d相机301通过线路将端口缝隙的位置信息传输给控制装置，控制装置依据3d相机301的位置信息控制所述激光焊接装置4对待焊接金属保温杯1的端口缝隙进行焊接。位于中间的两个滑动座202工位的传送导轨201的侧部均设有相应的光电感应器206，用于探测待焊接金属保温杯1是否到位，并通过相应的线路将信息传出给控制装置，控制装置依据光电感应器206的信息控制四动力独立传送单向循环装置2、数据测量装置3、激光焊接装置4依次动作。

在上述各个技术方案中，优选将所述激光焊接装置4设置于由四条所述传送导轨201头尾衔接围成的正方形的中心部位；所述数据测量装置3有两个，分别设置于相对的两条传送导轨201的外侧。这种结构，焊接效率最高，设备占用空间最小，相对成本最低。两个数据测量装置3能够在两侧同时开始测量相应的待焊接金属保温杯1端口缝隙空间位置数据，激光焊接装置4能够以最短的三维机械臂402、最短的移动距离，实现对各个待焊接金属保温杯1端口缝隙的焊接。