CN114055004A - 一种钢结构焊接机器人智能焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，属于焊接技术领域。它包括以下步骤：一、三维扫描建模，生成三维模型；二、焊接编程，在三维模型上编制焊接路径；三、机器人焊接，根据待焊工件的实际坐标对焊接路径进行修订，完成对待焊工件的焊接工作。本发明能够在待焊工件的所在空间位置和尺寸精度发生变化时，对焊接机器人的焊接运行轨迹进行实时修正，有效地提高了机器人的焊接质量。

Description

一种钢结构焊接机器人智能焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，更具体地说，涉及一种钢结构焊接机器人智能焊接方法。

背景技术

焊接机器人在钢结构产品制造和其他设备产品制造中，都是通过控制系统对焊接机器人的运行轨迹进行编程，控制焊接机器人主体完成焊接指令。目前，在重要焊接机器人编程技术上主要有示教编程和离线编程两种。其中，所采用的示教编程是通过手动示教获取待焊工件的几个焊缝轨迹上的几个关键点和确定安全位置来实现编程焊接。而机器人离线编程则是指操作者在编程软件里构建整个机器人工作应用场景的三维虚拟环境，然后根据加工工艺等相关需求，进行一系列操作，自动生成机器人的运动轨迹，即控制指令，然后在软件中仿真与调整轨迹，最后生成机器人执行程序传输给机器人。

中国专利申请号为：CN201910391187.5，公开日为：2019年10月11日的专利文献，公开了一种船舶焊接机器人离线编程的处理方法，包括：A、工件加工信息提取，从spf文件中提取所有工件的工艺信息并将这些信息最终显示在产品数模上；B、机器人工作路径规划，完成实际工作场景中工件坐标系的标定并实现坐标系偏移转换；根据产品工艺要求提供推荐路径，固化机器人的运动轨迹与位置；C、末端执行器参数设置，提供末端执行器的加工动作规划模块并对相应加工参数进行批量修改；D、控制程序生成，智能选择最适合的协同方案并生成控制程序；对焊缝信息进行有针对性的排序；E、离线程序处理，将离线编程生成的程序语言转化为实际控制系统中可识别的程序语言。

该方案主要采用通过外部模型导入、CAD建模系统、参数化CAD模型库中提取工件加工工艺信息，并对工艺信息进行筛选，将筛选后的工艺信息发送给焊缝信息处理模块进行焊接的方法。但是，该方案往往只适用于对固定位置的工件进行焊接，且这些工件在被提取工艺信息时的尺寸和空间位置与焊接时还需要保持一致。而实际生产中，每个工序环节都会对待焊工件的尺寸精度和所在空间位置产生严重影响，例如，待焊工件在被运送时会因为碰撞导致尺寸变化，且所在空间位置和自身角度也会发生变化。因此，随着待焊工件所在空间位置的改变以及尺寸精度的变化，该方案的编程将很难做到使已编制完成的焊接轨迹与实际待焊接焊缝的实际空间坐标相符，从而导致机器人焊接质量下降甚至焊接失败，这种情况在复杂结构和易产生焊接变形的工件中将暴露的更加明显。

中国专利申请号为：CN201610010178.3，公开日为：2016年7月20日的专利文献，公开了一种基于平板电脑的焊接机器人离线编程系统，包括系统建模模块、运动学仿真模块、轨迹规划模块、自动编程模块、状态检测模块和通信模块。该发明还公开了离线编程系统的离线编程方法。

该方案与第一个方案类似，同样存在当待焊工件的所在空间位置和尺寸精度发生变化时，很难做到使已编制完成的焊接轨迹与实际待焊接焊缝的实际空间坐标相符，从而导致机器人焊接质量下降甚至焊接失败的问题。

另外，在对待焊工件进行焊接时，很多工件往往需要对正反面均进行焊接操作，而现有技术中尚没有完整的一次性完成对待焊工件的正反面进行焊接的焊接系统，往往需要在待焊工件一面焊接完成后，等待待焊工件被翻转，再对机器人焊接轨迹进行重新规划，然后进行焊接，焊接效率十分低下。这是因为如果想要一次性完成对待焊工件正反两面的焊接，则待焊工件必然需要在一次流水线中经过焊接、翻转和再焊接的过程，待焊工件会经过一个较长的运输距离，从而使得待焊工件的所在空间位置以及尺寸精度在移动和翻转过程中出现较大的变化，最终难以保证已编制完成的焊接轨迹与实际待焊接焊缝的实际空间坐标相符。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术中离线编程的焊接工艺存在当待焊工件的所在空间位置和尺寸精度发生变化时，很难做到使已编制完成的焊接轨迹与实际待焊接焊缝的实际空间坐标相符，从而导致机器人焊接质量下降甚至焊接失败的问题，本发明提供一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，能够在待焊工件的所在空间位置和尺寸精度发生变化时，对焊接机器人的焊接运行轨迹进行实时修正，有效地提高了机器人的焊接质量。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，包括以下步骤：

一、三维扫描建模

对待焊工件正面进行三维扫描，生成正面三维模型，并传输给中控装置；

二、焊接编程

中控装置对正面三维模型进行焊接编程，确定焊接工艺参数，在正面三维模型上编制焊接路径，生成焊接路径各个坐标点之间的空间逻辑关系，然后保存为文件并编号；

三、机器人焊接

将待焊工件移动至机器人焊接区域，打开焊接机器人三维编程界面，操控焊接机器人上安装的扫描装置扫描待焊工件上已编程记录的多个焊接坐标点，并将扫描的多个坐标点传输至焊接机器人三维编程界面；

接着，中控装置通过待焊工件编号调取待焊工件的正面三维模型并导入焊接机器人三维编程界面，将正面三维模型上编程记录的多个焊接坐标点与焊接机器人扫描的三个实际坐标点重合，对原焊接编程中的焊接路径进行修正，然后中控装置操控焊接机器人以修正后的焊接路径完成对待焊工件的正面焊接工作。

作为技术方案的进一步改进，还包括：

四、反面焊接

将步骤三焊接后的工件翻转并送至三维扫描区域，重复步骤一至三，完成对待焊工件的反面焊接工作。

作为技术方案的进一步改进，采用一种钢结构焊接系统，所述系统包括工件传送装置和中控装置；所述工件传送装置从其进料端至出料端依次设有正面三维扫描装置、正面焊接装置、翻转装置、反面三维扫描装置和反面焊接装置；所述中控装置用于接收正面三维扫描装置和反面三维扫描装置传递的信号，并控制正面焊接装置、翻转装置和反面焊接装置工作；所述正面焊接装置和反面焊接装置上均装有扫描仪。

作为技术方案的进一步改进，所述反面三维扫描装置包括连接梁、立柱和三维扫描仪；所述立柱具有两个，分别设置在工件传送装置的两侧；所述连接梁位于工件传送装置上方且其两端分别固定连接一个立柱；所述三维扫描仪安装在连接梁上。

作为技术方案的进一步改进，所述连接梁的两端分别具有一个斜面，所述斜面的高度沿连接梁的中点至端部的方向逐渐降低，两个斜面上分别安装有至少一个三维扫描仪。

作为技术方案的进一步改进，所述工件传送装置的两侧分别设有一条沿工件传送方向延伸的导轨，所述立柱的下侧具有与所述导轨相匹配的滑块。

作为技术方案的进一步改进，所述导轨上沿其长度方向设有齿条，所述立柱上装有驱动电机，所述驱动电机的输出轴上装有与所述齿条相啮合的齿轮。

作为技术方案的进一步改进，采用非接触式面光扫描仪对待焊工件进行三维扫描。

作为技术方案的进一步改进，焊接机器人上安装的扫描装置为激光扫描仪。

作为技术方案的进一步改进，所述中控装置包括编程计算机和控制计算机，所述编程计算机用于接收正面三维扫描装置和反面三维扫描装置传递的信号并进行工件模型的建立，控制计算机用于接收编程计算机的信号并控制正面焊接装置、翻转装置和反面焊接装置工作。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，首先对待焊工件进行三维扫描生成三维模型并在三维模型上编制焊接路径，生成焊接路径各个坐标点之间的空间逻辑关系，然后当工件移动至机器人焊接区域后，焊接机器人上的扫描仪描待焊工件上已编程记录的多个焊接坐标点并与三维模型上编程记录的多个坐标点重合对应起来，实现对焊接路径的修正，然后以修正后的焊接路径完成焊接工作，通过这种方式，即使待焊工件的所在空间位置和尺寸精度在移动过程中因为碰撞等原因发生变化，也能够对焊接路径实时进行修正，从而有效提高了机器人的焊接质量；

(2)本发明一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，结合独特设计的焊接系统，能够在一次流水作业中完成对待焊工件的正反面的焊接工作，有效提高了对待焊工件的焊接效率；

(3)本发明一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，焊接系统的三维扫描装置中的三维扫描仪安装在工件传送装置上方的连接梁上，能够从工件上方完成对工件的面光扫描，不容易出现遮挡，提高了工件建立的焊接模型的精度，进一步地，三维扫描仪安装在连接梁两端的斜面上，从而能够分别从工件的两侧上方对工件进行扫描，扫描角度更佳，提高了对于复杂结构工件的扫描的全面性；

(4)本发明一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，焊接系统的三维扫描装置的立柱下端设有滑动结构，能够调节三维扫描装置的位置，找到最适合的扫描位置，提高扫描精度。

附图说明

图1为焊接系统的整体结构示意图；

图2为单组扫描装置和焊接装置的结构示意图；

图中：1、工件传送装置；2、反面三维扫描装置；21、连接梁；211、斜面；22、立柱；23、三维扫描仪；24、导轨；25、齿条；3、正面焊接装置；4、翻转装置；5、正面三维扫描装置；6、反面焊接装置；7、拍摄装置；8、编程计算机；9、控制计算机。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例

一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，用于实现对工件的离线编程自动焊接工作，包括以下步骤：

一、三维扫描建模

采用非接触式面光扫描仪对待焊工件进行三维扫描，生成正面三维模型，并传输给中控编程计算机。

二、焊接编程

编程计算机对正面三维模型进行焊接编程，确定焊接工艺参数，在正面三维模型上编制焊接路径，生成焊接路径各个坐标点之间的空间逻辑关系，然后将该正面三维模型保存为文件并编号。

三、机器人焊接

将待焊工件移动至机器人焊接区域，打开焊接机器人三维编程界面，操控焊接机器人上安装的激光扫描仪扫描待焊工件上已编程记录的多个焊接坐标点，并将扫描的多个坐标点传输至焊接机器人三维编程界面。

接着，控制计算机通过待焊工件编号调取待焊工件的正面三维模型并导入焊接机器人三维编程界面，将正面三维模型上编程记录的多个焊接坐标点与焊接机器人扫描的三个实际坐标点重合。此时，导入的正面三维模型的空间坐标修正生成为待焊工件此时的实际焊接坐标，原焊接编程中的焊接路径随之修正为以实际焊接坐标为基准的实际焊接路径，然后控制计算机操控焊接机器人完成对待焊工件的正面焊接工作。

四、反面焊接

将步骤三焊接后的工件翻转并送至三维扫描区域，重复步骤一至三，完成对待焊工件的反面焊接工作。

通过这种方式，即使待焊工件的所在空间位置和尺寸精度在移动过程中因为碰撞等原因发生变化，也能够对焊接路径实时进行修正，从而有效提高了机器人的焊接质量。同时，结合独特设计的焊接系统，能够在一次流水作业中完成对待焊工件的正反面的焊接工作，有效提高了对待焊工件的焊接效率，下面对该焊接系统的具体结构和工作原理进行详细描述。

如图1所示，该系统包括工件传送装置1和中控装置。其中，工件传送装置1从其进料端至出料端依次设有正面三维扫描装置5、正面焊接装置3、翻转装置4、反面三维扫描装置2和反面焊接装置6。中控装置包括编程计算机8和控制计算机9，编程计算机8用于接收正面三维扫描装置5和反面三维扫描装置2传递的信号并对工件进行模型的建立，控制计算机9用于接收编程计算机8的信号并控制正面焊接装置3、翻转装置4和反面焊接装置6工作。

本实施例中，正面三维扫描装置5和反面三维扫描装置2的结构一致，正面焊接装置3和反面焊接装置6的结构一致，且正面焊接装置3和反面焊接装置6上均装有激光扫描仪。工件传送装置1采用滚筒输送机或皮带输送机，本实施例为滚筒输送机，为了方便节省安装空间，其整体结构布置为U型结构。焊接装置采用现有的焊接机器人，正面焊接装置3和反面焊接装置6均为对称设置在工件传送装置1的两侧的一对焊接机器人。

由于正面三维扫描装置5和反面三维扫描装置2的结构基本相同，在此只对反面三维扫描装置2进行描述。如图2所示，反面三维扫描装置2包括连接梁21、立柱22和三维扫描仪23。其中，立柱22具有两个，分别设置在工件传送装置1的两侧，连接梁21位于工件传送装置1上方且其两端分别固定连接一个立柱22的上侧，三维扫描仪23安装在连接梁21上。

为了使反面三维扫描装置2能够找到最适合的扫描位置，提高扫描精度，本实施例在工件传送装置1的两侧分别设有一条沿工件传送方向延伸的导轨24，立柱22的下侧具有与导轨24相匹配的滑块。同时，导轨24上沿其长度方向设有齿条25，立柱22上装有驱动电机，驱动电机的输出轴上装有与齿条25相啮合的齿轮。通过驱动电机转动即可使得反面三维扫描装置2沿工件传送装置1的长度方向移动，位置调节方便快捷。

为了使反面三维扫描装置2对复杂工件的整体结构的扫描更加全面，本实施例将连接梁21的两端分别具有一个斜面211，斜面211的高度沿连接梁21的中点至端部的方向逐渐降低，两个斜面211上分别安装有至少一个三维扫描仪23。使得三维扫描仪23能够分别从工件的两侧上方对工件进行扫描，扫描角度更佳，提高了对于复杂结构工件的扫描的全面性。本实施例中，三维扫描仪23采用非接触式面光扫描仪，对工件结构的扫描效果极佳。

另外，本实施例在工件传送装置1的出料端还设有用于拍摄工件的拍摄装置7，拍摄装置7能够对焊接好的工件进行拍摄检测，当检测到焊接出现问题的工件后，上传给系统并提醒工作人员将该工件单独取出，降低了最终收集的成品工件出现问题的概率。为了提高拍摄效果，拍摄装置7具有两个，对称设置在工件传送装置1的两侧。

综上所述，该焊接系统通过在工件传送装置1上依次设置正面三维扫描装置5、正面焊接装置3、翻转装置4、反面三维扫描装置2和反面焊接装置6，待焊工件从进料端进入，扫描编程完成正面焊接后，通过翻转装置4实现180°翻转，再对反面进行扫描编程和焊接，从而能够在一次流水作业中完成对待焊工件的正反面的焊接工作，有效提高了对待焊工件的焊接效率，且在配合独特设计的离线编程技术支持下，具备较高的焊接精度。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

一、三维扫描建模

对待焊工件正面进行三维扫描，生成正面三维模型，并传输给中控装置；

二、焊接编程

中控装置对正面三维模型进行焊接编程，确定焊接工艺参数，在正面三维模型上编制焊接路径，生成焊接路径各个坐标点之间的空间逻辑关系，然后保存为文件并编号；

三、机器人焊接

将待焊工件移动至机器人焊接区域，打开焊接机器人三维编程界面，操控焊接机器人上安装的扫描装置扫描待焊工件上已编程记录的多个焊接坐标点，并将扫描的多个坐标点传输至焊接机器人三维编程界面；

接着，中控装置通过待焊工件编号调取待焊工件的正面三维模型并导入焊接机器人三维编程界面，将正面三维模型上编程记录的多个焊接坐标点与焊接机器人扫描的三个实际坐标点重合，对原焊接编程中的焊接路径进行修正，然后中控装置操控焊接机器人以修正后的焊接路径完成对待焊工件的正面焊接工作。

2.根据权利要求1所述的一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，其特征在于：还包括：

四、反面焊接

将步骤三焊接后的工件翻转并送至三维扫描区域，重复步骤一至三，完成对待焊工件的反面焊接工作。

3.根据权利要求2所述的一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，其特征在于：采用一种钢结构焊接系统，所述系统包括工件传送装置(1)和中控装置；所述工件传送装置(1)从其进料端至出料端依次设有正面三维扫描装置(5)、正面焊接装置(3)、翻转装置(4)、反面三维扫描装置(2)和反面焊接装置(6)；所述中控装置用于接收正面三维扫描装置(5)和反面三维扫描装置(2)传递的信号，并控制正面焊接装置(3)、翻转装置(4)和反面焊接装置(6)工作；所述正面焊接装置(3)和反面焊接装置(6)上均装有扫描仪。

4.根据权利要求3所述的一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，其特征在于：所述反面三维扫描装置(2)包括连接梁(21)、立柱(22)和三维扫描仪(23)；所述立柱(22)具有两个，分别设置在工件传送装置(1)的两侧；所述连接梁(21)位于工件传送装置(1)上方且其两端分别固定连接一个立柱(22)；所述三维扫描仪(23)安装在连接梁(21)上。

5.根据权利要求4所述的一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，其特征在于：所述连接梁(21)的两端分别具有一个斜面(211)，所述斜面(211)的高度沿连接梁(21)的中点至端部的方向逐渐降低，两个斜面(211)上分别安装有至少一个三维扫描仪(23)。

6.根据权利要求5所述的一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，其特征在于：所述工件传送装置(1)的两侧分别设有一条沿工件传送方向延伸的导轨(24)，所述立柱(22)的下侧具有与所述导轨(24)相匹配的滑块。

7.根据权利要求6所述的一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，其特征在于：所述导轨(24)上沿其长度方向设有齿条(25)，所述立柱(22)上装有驱动电机，所述驱动电机的输出轴上装有与所述齿条(25)相啮合的齿轮。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，其特征在于：采用非接触式面光扫描仪对待焊工件进行三维扫描。

9.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，其特征在于：焊接机器人上安装的扫描装置为激光扫描仪。

10.根据权利要求3-7中任意一项所述的一种钢结构焊接机器人智能焊接方法，其特征在于：所述中控装置包括编程计算机(8)和控制计算机(9)，所述编程计算机(8)用于接收正面三维扫描装置(5)和反面三维扫描装置(2)传递的信号并进行工件模型的建立，控制计算机(9)用于接收编程计算机(8)的信号并控制正面焊接装置(3)、翻转装置(4)和反面焊接装置(6)工作。

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