一种法兰圆管环焊缝焊接质量控制方法及系统与流程

本技术涉及机器人焊接控制，尤其涉及一种法兰圆管环焊缝焊接质量控制方法及系统。

背景技术：

1、法兰与圆管件的环焊缝连接广泛应用于管路、压力容器、装备支架及其他金属结构件的制造过程中，随着自动化制造水平的提高，焊接机器人逐渐被应用于法兰圆管类工件的环焊缝焊接。现有机器人环焊缝焊接方式通常在焊前通过视觉检测、三维检测或焊缝跟踪装置获取焊缝位置，再根据检测得到的焊缝中心线或坡口边界生成焊接轨迹；在焊接过程中，部分方法还会结合熔池图像、电弧电压、电弧电流或送丝状态，对焊枪位置和焊接工艺参数进行反馈修正。

2、对于装配状态较稳定、焊缝形貌变化较小的环焊缝，上述方式能够满足一定的自动焊接需求。然而，在法兰与圆管件装夹后，圆管端部与法兰端部之间的相对位置、坡口开口、局部错边以及点固焊过渡位置往往会沿环焊缝周向发生变化，若仍主要依据整体焊缝中心线或统一的焊接轨迹进行控制，不同周向位置处的实际待焊形貌差异难以及时反映到焊枪姿态和焊接热输入控制中，容易导致局部位置出现熔敷不足、熔池偏移、热输入不匹配或成形不稳定等问题。

3、机器人焊接过程中采集的熔池图像易受到弧光、耀斑、飞溅亮点及金属表面反光的影响，现有基于熔池图像的修正方式若直接依据单帧图像中的亮度突变、边界变化或熔池宽度变化进行反馈控制，可能将非真实熔池边界的高亮干扰误判为焊接状态变化，从而造成焊枪姿态或焊接参数的误修正。

4、此外，环焊缝焊接具有连续周向路径特征，当前焊接区段的热输入和焊缝成形状态会对后续相邻区段产生影响。现有焊接控制方式更多是对当前焊接位置的即时检测和即时修正，忽视对当前区段焊接结果与后续区段控制基础之间的影响，容易使后续区段仍按照预设参数进入焊接过程，难以修正前序焊接造成的局部热影响或成形偏差累积。

5、因此，在法兰圆管环焊缝自动焊接过程中，仍需要一种能够兼顾焊前实际装配形貌、焊中熔池状态识别以及周向连续焊接影响的焊接质量控制方式，以提高焊枪姿态调整和焊接热输入控制与实际焊接状态之间的匹配性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种法兰圆管环焊缝焊接质量控制方法及系统，以解决现有法兰圆管环焊缝自动焊接过程中，难以根据周向变化的实际接头形貌和焊中熔池状态对焊枪姿态及焊接热输入进行协同修正的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的。

3、一方面，本发明提供一种法兰圆管环焊缝焊接质量控制方法及系统，包括：

4、获取法兰与圆管件装夹后的焊前检测数据，并建立环焊缝工件坐标系；

5、沿环焊缝周向截取多个局部接头截面轮廓，将各所述局部接头截面轮廓与预设合格焊缝截面配准，得到待填充截面区域，并构建局部截面填充模型；

6、基于所述局部截面填充模型生成环向截面控制曲线，并据此划分焊接控制段；

7、根据各焊接控制段对应的局部截面填充模型生成熔池目标走廊和初始焊接控制量；

8、焊接当前焊接控制段时，将所述熔池目标走廊映射至熔池图像坐标中，并提取实际熔池包络；

9、基于所述实际熔池包络与所述熔池目标走廊的包络偏差，分解得到位置偏差分量和填充偏差分量，并分别生成焊枪姿态修正量和焊接热输入修正量；

10、根据当前焊接控制段的实际热输入和修正残差生成段后热记忆量，并基于所述段后热记忆量更新后续焊接控制段。

11、优选地，沿环焊缝周向截取多个局部接头截面轮廓，包括：

12、以所述环焊缝工件坐标系中的圆管轴线确定焊接周向路径；

13、沿所述焊接周向路径设置多个截面采样位置；

14、在各所述截面采样位置处，截取垂直于焊接前进方向的局部接头截面轮廓；

15、所述局部接头截面轮廓由焊前检测数据在对应截面平面上的截交轮廓形成，并包括法兰端部轮廓、圆管端部轮廓及坡口区域轮廓。

16、优选地，将各所述局部接头截面轮廓与预设合格焊缝截面配准，得到待填充截面区域，并构建局部截面填充模型，包括：

17、根据目标焊缝成形尺寸、焊缝余高范围及焊缝两侧覆盖边界建立所述预设合格焊缝截面；

18、将所述预设合格焊缝截面与所述局部接头截面轮廓进行坐标配准；

19、在所述预设合格焊缝截面的覆盖范围内，扣除已由法兰端部、圆管端部及坡口实体占据的区域，得到所述待填充截面区域；

20、根据所述待填充截面区域生成对应截面采样位置的局部截面填充单元；

21、按照所述截面采样位置的周向顺序排列多个局部截面填充单元，形成所述局部截面填充模型。

22、优选地，基于所述局部截面填充模型生成环向截面控制曲线，并据此划分焊接控制段，包括：

23、从各局部截面填充单元中的待填充截面区域提取熔敷覆盖中心点；

24、按照所述截面采样位置的周向顺序连接多个熔敷覆盖中心点，生成环向截面控制曲线；

25、对所述环向截面控制曲线进行平滑处理；

26、将所述环向截面控制曲线连续变化的周向区间划分为焊接控制段，将所述环向截面控制曲线发生局部突变的周向区间及其邻近区间划分为过渡焊接控制段。

27、优选地，根据各焊接控制段对应的局部截面填充模型生成熔池目标走廊和初始焊接控制量，包括：

28、读取当前焊接控制段内的多个局部截面填充单元；

29、根据多个待填充截面区域的熔敷覆盖中心点生成熔敷覆盖中心线；

30、根据所述待填充截面区域在所述熔敷覆盖中心线两侧的分布范围，生成熔池边界允许带；

31、由所述熔敷覆盖中心线和所述熔池边界允许带限定所述熔池目标走廊；

32、根据所述熔敷覆盖中心线生成焊枪初始轨迹，并根据所述熔池边界允许带生成焊接热输入初始量。

33、优选地，焊接当前焊接控制段时，将所述熔池目标走廊映射至熔池图像坐标中，并提取实际熔池包络，包括：

34、根据焊枪当前位置、焊枪姿态和视觉采集装置的标定关系，将所述熔池目标走廊映射至熔池图像坐标中，得到图像约束区域；

35、在所述图像约束区域内获取连续熔池图像帧；

36、在所述连续熔池图像帧中提取候选熔池边界点；

37、根据相邻熔池图像帧中候选熔池边界点的空间邻接关系和运动趋势连续性，对所述候选熔池边界点进行时序连接；

38、将完成时序连接的候选熔池边界点形成的熔池稳定边界线或边界区域确定为所述实际熔池包络；

39、将位于所述图像约束区域之外的高亮区域，或者未形成时序连续边界的亮度突变区域，排除于所述实际熔池包络之外。

40、优选地，基于所述实际熔池包络与所述熔池目标走廊的包络偏差，分解得到位置偏差分量和填充偏差分量，并分别生成焊枪姿态修正量和焊接热输入修正量，包括：

41、沿所述熔池目标走廊设置多个包络比对截面；

42、在各包络比对截面中确定所述熔池目标走廊的目标中心点，并根据所述实际熔池包络确定实际包络中心点；

43、根据所述实际包络中心点相对于所述目标中心点的偏移量，生成位置偏差分量；

44、根据所述实际熔池包络相对于所述熔池边界允许带的覆盖不足量或覆盖超出量，生成填充偏差分量；

45、当多个包络比对截面中的位置偏差分量表征实际熔池包络整体平移时，生成焊枪工具中心点修正量；

46、当多个包络比对截面中的位置偏差分量表征实际熔池包络相对于熔池目标走廊形成角度偏离时，生成焊枪角度修正量；

47、基于所述填充偏差分量生成焊接电流修正量、焊接速度修正量或送丝速度修正量。

48、优选地，根据当前焊接控制段的实际热输入和修正残差生成段后热记忆量，并基于所述段后热记忆量更新后续焊接控制段，包括：

49、根据当前焊接控制段内的焊接电流、焊接电压和焊接速度，确定当前焊接控制段的实际焊接热输入；

50、根据当前焊接控制段结束时仍存在的位置偏差分量和填充偏差分量，确定包络偏差残留量；

51、基于所述实际焊接热输入生成热影响分量，基于所述包络偏差残留量生成成形偏差分量，并由所述热影响分量和所述成形偏差分量形成段后热记忆量；

52、将所述段后热记忆量按照焊接前进方向和周向距离衰减关系叠加至后续焊接控制段；

53、根据叠加后的段后热记忆量，预修正后续焊接控制段的熔池目标走廊或初始焊接控制量。

54、优选地，将所述环向截面控制曲线发生局部突变的周向区间及其邻近区间划分为过渡焊接控制段之后，还包括：

55、基于所述过渡焊接控制段两侧的焊接控制段对应的熔池目标走廊，生成过渡熔池目标走廊；

56、根据所述过渡熔池目标走廊生成渐变式初始焊接控制量；

57、焊接所述过渡焊接控制段时，根据所述渐变式初始焊接控制量限制焊枪姿态修正量和焊接热输入修正量的单位时间变化幅度。

58、另一方面，本发明提供一种法兰圆管环焊缝焊接质量控制系统，包括：

59、截面模型构建模块，用于获取法兰与圆管件装夹后的焊前检测数据，建立环焊缝工件坐标系，并沿环焊缝周向构建局部截面填充模型；

60、控制段生成模块，用于基于所述局部截面填充模型生成环向截面控制曲线，并根据所述环向截面控制曲线划分焊接控制段；

61、目标走廊生成模块，用于根据各焊接控制段对应的局部截面填充模型生成熔池目标走廊和初始焊接控制量；

62、熔池包络提取模块，用于将所述熔池目标走廊映射至熔池图像坐标中，并基于所述熔池目标走廊提取实际熔池包络；

63、解耦修正模块，用于根据所述实际熔池包络相对于所述熔池目标走廊的包络偏差，生成位置偏差分量和填充偏差分量，并分别生成焊枪姿态修正量和焊接热输入修正量；

64、热记忆更新模块，用于根据当前焊接控制段的实际热输入和修正残差生成段后热记忆量，并基于所述段后热记忆量更新后续焊接控制段。

65、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

66、1、将法兰与圆管件装夹后的焊前检测数据转换为沿环焊缝周向分布的局部截面填充模型，通过局部接头截面轮廓与预设合格焊缝截面的配准得到待填充截面区域，使焊接控制依据由传统的焊缝中心线或单项装配偏差，转化为能够直接反映局部熔敷补偿需求的截面填充对象，实现不同周向位置处的间隙、错边、坡口开口或局部形貌变化能够通过同一待填充截面区域进入后续控制过程，避免围绕多个孤立偏差分别建立控制规则所造成的控制割裂；

67、2、根据局部截面填充模型生成环向截面控制曲线，并依据该曲线的连续变化区间和局部突变区间划分焊接控制段，使焊接控制段与熔敷需求沿周向的变化趋势相对应，相比按固定角度分段或按单一焊缝中心线连续焊接的方式，具有在局部接头截面变化平稳处保持连续控制，在局部形貌突变处形成过渡控制，从而降低焊枪姿态或热输入在突变位置发生不合理跳变的风险；

68、3、根据焊接控制段内的待填充截面区域生成熔池目标走廊，并将熔池目标走廊映射至熔池图像坐标中作为图像约束区域，使焊中实际熔池包络的提取不再依赖整幅图像中的亮度突变或单帧边界变化，实际熔池包络在目标走廊约束下由连续熔池图像帧中的时序边界形成，能够减少弧光、耀斑和飞溅亮点对熔池状态判断的干扰，使焊中图像识别结果与焊前确定的局部填充需求保持对应；

69、4、将实际熔池包络与熔池目标走廊进行包络比对，并将包络偏差分解为位置偏差分量和填充偏差分量，位置偏差分量进入焊枪姿态修正链，填充偏差分量进入焊接热输入修正链，使焊枪指向修正和熔敷填充修正具有明确的数据来源和控制分工，从而降低单纯根据熔池异常统一调整焊枪姿态或统一调整工艺参数所造成的误修正风险。

70、5、根据当前焊接控制段的实际热输入和修正残差生成段后热记忆量，并将该段后热记忆量叠加至后续焊接控制段，用于预修正后续焊接控制段的熔池目标走廊或初始焊接控制量，使得当前区段的热影响和成形偏差不再停留于即时反馈控制，而是能够沿焊接前进方向进入后续区段的控制基础，从而形成沿环焊缝周向连续更新的焊接质量控制链。