CN109352217A - 一种小组立机器人在线自动焊接设备及焊接作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种小组立机器人在线自动焊接设备，包括焊接门架、直线导轨、伺服电机、机器人、传感器固定支架、3D线激光扫描传感器和上位机；焊接门架上固定连接有机器人和传感器固定支架，传感器固定支架水平设置且垂直于焊接门架的运动方向，传感器固定支架上安装有3D线激光扫描传感器。通过焊接门架移动带动3D线激光扫描传感器扫描焊接区域得到点云数据，对点云数据进行模型重构，生成机器人执行程序，机器人进行焊接。还公开一种焊接作业方法。本发明能实现任意形状的小组立工件模型的建立，提升了焊接作业生成的效率和机器人作业的效率。

Description

一种小组立机器人在线自动焊接设备及焊接作业方法

技术领域

本发明涉及机器人焊接，尤其涉及一种小组立机器人在线自动焊接设备及焊接作业方法。

背景技术

在船舶建造过程中，有大量的小组立工件的焊接作业，其作业量占整个船厂整体焊接作业量的15%以上，目前绝大部分船厂的小组立焊接仍然使用人工焊接，随着科学技术的发展，机器人焊接技术已经可完成自动焊接多规则、非标准形式的船舶构件。

机器人自动焊接分为三个阶段，第一阶段为示教形式的机器人焊接，在这个阶段，机器人使用固定的示教程序及进行固定作业，作业精度高但作业内容不可变，适合汽车制造业中同型号大批量标准间的流水线生产；第二阶段为离线编程机器人自动焊接，这种形式将被焊接件的模型导入离线编程软件，技术人员在离线编程软件上生成焊接程序，下发指导机器人作业，机器人可存储多个作业，并根据需要调用对应作业，这种方式即将示教作业转移到上位机软件上进行，可实现不停止焊接作业的情况下更新机器人作业程序；第三阶段为在线编程机器人自动焊接，这种形式利用在线编程程序并借助三维成像技术，自动识别工件外形尺寸、工件类型，通过图像处理算法提取工件数模，并通过工件特征点识别软硬件系统自动规划机器人焊接路径，最终使用在线编程软件自动生成带机器人运动位姿的焊接作业程序，通过3D扫描设备和焊接路径规划算法的开发在线自动生成焊接程序的方式，已达到无需技术人员后台离线生成作业，机器人可根据工件特征在线自动作业。

根据现阶段机器人发展及船舶行业小组立焊接的实际要求，示教形式的机器人焊接无法完成小组立自动焊接，国内已有部分船厂完成了船舶小组立机器人自动焊接生产线建造并投产，但需要配备专业编程人员进行实时程序更新，目前船舶行业的用于小组立机器人自动焊接相关技术尚属空白，本发明可为机器人在线编程提供数据模型，并根据模型自动规划焊接路径和机器人位姿。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种小组立机器人在线自动焊接设备及焊接作业方法。

本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：一种小组立机器人在线自动焊接设备，包括焊接门架、直线导轨、伺服电机、机器人、传感器固定支架、3D线激光扫描传感器和上位机；所述焊接门架包括两个竖直门架体和横跨连接于两个竖直门架体上面的水平门架体，两个所述竖直门架体分别安装于两条相平行的直线导轨的滑块上，所述直线导轨与伺服电机连接，所述水平门架体的下面固定连接有机器人和传感器固定支架，所述传感器固定支架水平设置且垂直于焊接门架的运动方向，传感器固定支架上安装有多个3D线激光扫描传感器，所述3D线激光扫描传感器朝下扫描设置，相邻的两个3D线激光扫描传感器在水平方向上相间隔且扫描范围相交；所述上位机控制并连接伺服电机、机器人和3D线激光扫描传感器；所述上位机包括处理器和存储器，所述存储器中存储有如下指令：规定焊接门架在直线导轨的带动下移动的一段区域为焊接区域，控制辊道的电机工作，辊道将工件传输至焊接区域；控制伺服电机工作，直线导轨带动焊接门架移动至焊接区域的起始端；直线导轨以指定速度带动焊接门架移动，3D线激光扫描传感器打开开始扫描，直至焊接门架移动完整个焊接区域，3D线激光扫描传感器关闭扫描,焊接门架停止移动；对3D线激光扫描传感器扫描得到的点云数据进行模型重构，生成带有焊接路径顺序和焊接工艺的焊接程序；焊接门架复位至焊接区域的起始端；机器人根据焊接程序执行焊接作业。

进一步地，所述直线导轨的两端均安装有限位器。

进一步地，所述3D线激光扫描传感器包括相连接的3D线激光扫描传感器本体、电源模块和通讯模块，所述电源模块连接有供电线路，所述通讯模块通过通讯数据传输电缆与上位机连接。

进一步地，所述传感器固定支架包括主体和高度调整连接支架；所述主体水平设置且垂直于焊接门架的运动方向，主体的横截面呈开口朝下的U形，主体内安装3D线激光扫描传感器的3D线激光扫描传感器本体，主体的外侧表面安装相对应的电源模块和通讯模块，主体内的侧壁上设有线槽和盖于线槽上的盖板，所述线槽设置供电线路和通讯数据传输电缆；所述主体通过高度调整连接支架与焊接门架的水平门架体固定连接，所述高度调整连接支架上设有纵向走向的长条孔，高度调整连接支架通过螺钉穿过纵连接板与主体连接。更进一步地，所述高度调整连接支架呈倒置的L型，高度调整连接支架包括纵连接板、纵梁、横梁和横连接板，所述纵连接板上设有纵向走向的长条孔，所述纵梁的下端通过螺钉穿过纵连接板与主体连接，所述纵梁的上端与横梁的一端连接，所述横梁的另一端通过横连接板与水平门架体固定连接。

进一步地，两条所述直线导轨之间设有辊道，所述上位机控制并连接辊道的电机。

一种采用上述小组立机器人在线自动焊接设备的焊接作业方法，包括如下步骤：根据焊接生产线的辊道宽度，在传感器固定支架上人工设置3D线激光扫描传感器的数量、间距和测量高度，保证相邻的3D线激光扫描传感器的扫描范围相交；规定焊接门架在直线导轨的带动下移动的一段区域为焊接区域，控制焊接生产线的辊道将工件传输至焊接区域；控制伺服电机工作，直线导轨带动焊接门架移动至焊接区域的起始端；直线导轨以指定速度带动焊接门架移动，3D线激光扫描传感器打开开始扫描，直至焊接门架移动完整个焊接区域，3D线激光扫描传感器关闭扫描,焊接门架停止移动；对3D线激光扫描传感器扫描得到的点云数据进行模型重构，生成带有焊接路径顺序和焊接工艺的焊接程序；焊接门架复位至焊接区域的起始端；机器人根据焊接程序执行焊接作业。

进一步地，待焊接工件为筋板，筋板的模型重构过程为：将每个3D线激光扫描传感器的点云数据中的Z轴方向上坐标值大于筋板厚度的所有点挑出，利用霍夫变换识别属于一条直线的点云数据，并拟合出筋板的位置和尺寸，通过一次闭运算对筋板进行平滑处理，最终得到精确的筋板的位置和尺寸。

进一步地，待焊接工件为筋板，筋板的焊接作业包括筋板交点处焊接作业、起点包角焊接作业和直线筋板补焊，筋板的焊接路径顺序为：1、筋板交点处的焊接作业是分为三步完成，依次为水平主要方向筋板焊接、水平次要方向筋板焊接以及立向方向筋板焊接，2、起点包角的焊接作业是以每条筋板的端点作为焊接起点进行包角焊接，3、直线筋板补焊是在长直筋板上未完成焊接的部分进行直焊缝补焊作业。

进一步地，还包括如下步骤：机器人完成焊接作业后，焊接门架复位至焊接区域的起始端，等待下一次开始扫描指令。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1、使机器人按照焊接种类作业，让机器人在不改变焊接参数的情况下批量完成焊接作业，提高了焊接效率；

2、采用焊接门架带动3D线激光扫描传感器移动，3D线激光扫描传感器扫描工件，上位机在线生成焊接程序，能实现任意形状的小组立工件模型的建立，相比于离线编程，省去了编程人员对小组立工件焊接顺序规划的繁琐步骤，省去了模型导入和程序生成的时间，提升了焊接作业生成的效率和机器人作业的效率；

3、小组立模型重构使用了霍夫变换，模型重构准确率高，噪声消除性好，模型重构计算速度快，达到了可高效准确从海量3D点云数据中提取小组立工件模型，缩短了机器人的焊接作业时间。

附图说明

图1为本发明一实施例的立体结构示意图。

图2为本发明一实施例的正视图。

图3为本发明一实施例的侧视图。

图4为本发明一实施例的俯视图。

图5为本发明一实施例的传感器固定支架及3D线激光扫描传感器的扫描范围的示意图。

图6为本发明一实施例的传感器固定支架的主体的结构示意图。

图7为本发明一实施例的传感器固定支架的高度调整连接支架的结构示意图。

图8为本发明一实施例的筋板点云平面示意图。

图中标注如下：

1焊接门架

2直线导轨

3伺服电机

4机器人

5传感器固定支架

501主体

502高度调整连接支架

5021纵连接板

5022纵梁

5023横梁

5024横连接板

6 3D线激光扫描传感器

7辊道

8筋板。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。

如图1至图4所示，小组立机器人在线自动焊接设备，包括焊接门架1、直线导轨2、伺服电机3、机器人4、传感器固定支架5、3D线激光扫描传感器6和上位机；所述焊接门架1包括两个竖直门架体和横跨连接于两个竖直门架体上面的水平门架体，两个所述竖直门架体的下面分别设有一条高精度的直线导轨2，所述直线导轨2与一高精度的伺服电机3连接，两条直线导轨2相平行设置，两个所述竖直门架体分别安装于两条直线导轨2的滑块上，所述水平门架体的下面固定连接有机器人4和传感器固定支架5，所述机器人4用于执行焊接指令来对产品进行焊接，所述传感器固定支架5水平设置且垂直于焊接门架1的运动方向，传感器固定支架5上安装有多个3D线激光扫描传感器6，所述3D线激光扫描传感器6朝下扫描设置，相邻的两个3D线激光扫描传感器6在水平方向上相间隔且扫描范围相交，参见图5，图中的两条射线构成的三角形区域表示扫描范围；所述上位机控制并连接伺服电机3、机器人4和3D线激光扫描传感器6。

所述直线导轨2的两端均安装有限位器，限位器用于限制机器人4焊接门的移动范围。两条所述直线导轨2之间设有辊道7，所述辊道7的运输方向与焊接门架1的运动方向相平行，辊道7的起始段为上料区域，辊道7连接有电机，所述电机与上位机连接，并由其控制。

所述3D线激光扫描传感器6包括相连接的3D线激光扫描传感器本体、电源模块和通讯模块，所述3D线激光扫描传感器本体起到测量、扫描的作用，所述电源模块为3D线激光扫描传感器本体和通讯模块供电，电源模块连接有供电线路，所述通讯模块将线激光传感器本体测量、扫描的数据进行通讯传输，通讯模块连接有通讯数据传输电缆，通讯数据传输电缆与上位机连接。

所述传感器固定支架5包括主体501和高度调整连接支架502；所述主体501水平设置且垂直于焊接门架1的运动方向，参见图6，主体501的横截面呈开口朝下的U形，主体501内安装多个3D线激光扫描传感器6的3D线激光扫描传感器本体，主体501的外侧表面安装相对应的电源模块和通讯模块，主体501内的侧壁上设有线槽和盖于线槽上的盖板，所述线槽设置供电线路和通讯数据传输电缆，所述主体501的两端处分别通过一高度调整连接支架502与焊接门架1的水平门架体固定连接；所述高度调整连接支架502呈倒置的L型，参见图7，高度调整连接支架502包括纵连接板5021、纵梁5022、横梁5023和横连接板5024，所述纵连接板5021上设有纵向走向的长条孔，所述纵梁5022的下端通过螺钉穿过纵连接板5021与主体501连接，纵连接板5021上的长条孔使得主体501在竖直方向上的高度可调整，所述纵梁5022的上端与横梁5023的一端连接，所述横梁5023的另一端通过横连接板5024与水平门架体固定连接。

所述上位机包括处理器和存储器，所述处理器加载存储器中的指令并执行。所述存储器中存储有如下指令：

规定焊接门架1在直线导轨2的带动下移动的一段区域为焊接区域；

控制辊道7的电机工作，辊道7将工件传输至焊接区域；

控制伺服电机3工作，直线导轨2带动焊接门架1移动至焊接区域的起始端；

开始扫描：直线导轨2以指定速度带动焊接门架1移动，短暂延迟后3D线激光扫描传感器6打开开始扫描，直至焊接门架1移动完整个焊接区域，3D线激光扫描传感器6关闭扫描,焊接门架1停止移动；

对3D线激光扫描传感器6扫描得到的点云数据进行模型重构，生成带有焊接路径顺序和焊接工艺的焊接程序；

焊接门架1复位至焊接区域的起始端；

机器人4根据焊接程序对工件执行焊接作业。

本发明适用于尺寸小于5m*5m的船舶小组立结构的自动焊接作业，筋板厚度8～30mm，重量小于5吨，识别精度5mm，工作温度0～40℃，湿度范围20～80，支持小组立筋板8任意形状摆放焊接，扫描速度20～30mm/s。

本实施例中，工件为筋板8。3D线激光扫描传感器6的测量最大范围为3m，识别精度控制在1-5mm以内，激光点角度分辨率在0.1-0.5°以内，最大测量高度在0.7-2.5m之间，线激光扫描频率在250Hz以上。3D线激光扫描传感器6的数量可根据焊接区域的尺寸而定。3D线激光扫描传感器6的安装高度和间距则根据小组立筋板8模型在Y方向的识别精度进行调整，例如多个所述3D线激光扫描传感器6在主体501上呈水平走向的波浪状分布。焊接门架1的运动速度通常设定为20～30mm/s，其决定了小组立筋板8模型在X方向上的识别精度。

在3D线激光扫描传感器6扫描完整个焊接区域而获得小组立筋板8平面点云之后，常规做法是将平面点云转化为单色图像文件，利用标准霍夫变换（Standard HoughTransform）、随机抽样一致性算法（Random sample consensus）等方法完成对小组立筋板8模型的特征提取与定位。标准霍夫变换（Standard Hough Transform）能够识别小组立筋板8外形尺寸和位置，具体地，每个3D线激光扫描传感器6在其扫描区域内挑选出Z轴方向上坐标值大于小组立筋板8的厚度的所有点，利用霍夫变换识别该3D线激光扫描传感器6的点云数据中属于一条直线的点云数据，并拟合出筋板8位置和尺寸，但拟合出的筋板8存在大量噪声，使得筋板8不够平滑，需要再通过一次闭运算对筋板8进行平滑处理，最终得到精确的筋板8位置和尺寸。随机抽样一致性算法（Random sample consensus）能够迅速在图像中随机捕捉一条直线段，因此可以使用该算法来提供其中一条加强筋的方向和法向，再将点云沿加强筋与法向方向进行霍夫变换投票，结果峰值就对应了各条加强筋。对小组立筋板8模型进行特征提取与定位后，得到小组立筋板8的起终点位置、筋板8交点位置以及长直筋板8位置的坐标，并根据机器人4焊接作业方式和筋板8位置信息进行焊接路径顺序排序，将不同特征的筋板8套用对应的焊接程序，并根据筋板8厚度等信息自动匹配焊接工艺，最后生成带有焊接路径顺序和焊接工艺的机器人4执行焊接程序，达到自动焊机路径规划的目的，本实施例焊接路径顺序参见图8。

其中，小组立筋板8的焊接作业分为三类，分别为起点包角焊接作业、筋板交点处焊接作业和直线筋板补焊。筋板交点处的焊接分为三步完成，分别为水平主要方向筋板焊接、水平次要方向筋板焊接以及立向方向筋板焊接，起点包角的焊接作业是以每条筋板的端点作为焊接起点进行包角焊接作业，最后长直筋板上未完成焊接的部分进行直焊缝补焊作业，最终完成小组立工件的筋板8遍历焊接作业。

实际要根据辊道的宽度设置3D线激光扫描传感器6的数量、间距和测量高度，并将3D线激光扫描传感器6前后交替安装，保证每个3D线激光扫描传感器6的激光线重叠。数量根据焊接区域跨度可选择安装3-10个。

实际操作如下：1.为小组立机器人4在线自动焊接设备通电和通气；

2.工作人员利用门吊将小组立筋板8以随意方向摆放在上料区域中；

3.工作人员确认设备工作状态正常后，通过上位机控制辊道7移动，将小组立筋板8从上料区域移动至焊接区域；

4.工作人员控制上位机下达开始扫描指令，焊接门架1以20mm/s的速度移动；

5.焊接门架1移动一段时间（1s左右）达到匀速运动后，3D线激光扫描传感器6开始扫描；

6.3D线激光扫描传感器6扫描完整个焊接区域后关闭，同时焊接门架1停止运动；

7.上位机控制焊接门架1复位，同时进行小组立筋板8模型重构、焊接路径规划和焊接程序生成；

8.焊接门架1复位，机器人4执行焊接程序对筋板8进行焊接作业。

应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型，且以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种小组立机器人在线自动焊接设备，其特征在于，包括焊接门架、直线导轨、伺服电机、机器人、传感器固定支架、3D线激光扫描传感器和上位机；所述焊接门架包括两个竖直门架体和横跨连接于两个竖直门架体上面的水平门架体，两个所述竖直门架体分别安装于两条相平行的直线导轨的滑块上，所述直线导轨与伺服电机连接，所述水平门架体的下面固定连接有机器人和传感器固定支架，所述传感器固定支架水平设置且垂直于焊接门架的运动方向，传感器固定支架上安装有多个3D线激光扫描传感器，所述3D线激光扫描传感器朝下扫描设置，相邻的两个3D线激光扫描传感器在水平方向上相间隔且扫描范围相交；所述上位机控制并连接伺服电机、机器人和3D线激光扫描传感器；

所述上位机包括处理器和存储器，所述存储器中存储有如下指令：规定焊接门架在直线导轨的带动下移动的一段区域为焊接区域，控制辊道的电机工作，辊道将工件传输至焊接区域；控制伺服电机工作，直线导轨带动焊接门架移动至焊接区域的起始端；直线导轨以指定速度带动焊接门架移动，3D线激光扫描传感器打开开始扫描，直至焊接门架移动完整个焊接区域，3D线激光扫描传感器关闭扫描,焊接门架停止移动；对3D线激光扫描传感器扫描得到的点云数据进行模型重构，生成带有焊接路径顺序和焊接工艺的焊接程序；焊接门架复位至焊接区域的起始端；机器人根据焊接程序执行焊接作业。

2.根据权利要求1所述的小组立机器人在线自动焊接设备，其特征在于，所述直线导轨的两端均安装有限位器。

3.根据权利要求1所述的小组立机器人在线自动焊接设备，其特征在于，所述3D线激光扫描传感器包括相连接的3D线激光扫描传感器本体、电源模块和通讯模块，所述电源模块连接有供电线路，所述通讯模块通过通讯数据传输电缆与上位机连接。

4.根据权利要求3所述的小组立机器人在线自动焊接设备，其特征在于，所述传感器固定支架包括主体和高度调整连接支架；所述主体水平设置且垂直于焊接门架的运动方向，主体的横截面呈开口朝下的U形，主体内安装3D线激光扫描传感器的3D线激光扫描传感器本体，主体的外侧表面安装相对应的电源模块和通讯模块，主体内的侧壁上设有线槽和盖于线槽上的盖板，所述线槽设置供电线路和通讯数据传输电缆；所述主体通过高度调整连接支架与焊接门架的水平门架体固定连接，所述高度调整连接支架上设有纵向走向的长条孔，高度调整连接支架通过螺钉穿过纵连接板与主体连接。

5.根据权利要求4所述的小组立机器人在线自动焊接设备，其特征在于，所述高度调整连接支架呈倒置的L型，高度调整连接支架包括纵连接板、纵梁、横梁和横连接板，所述纵连接板上设有纵向走向的长条孔，所述纵梁的下端通过螺钉穿过纵连接板与主体连接，所述纵梁的上端与横梁的一端连接，所述横梁的另一端通过横连接板与水平门架体固定连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的小组立机器人在线自动焊接设备，其特征在于，两条所述直线导轨之间设有辊道，所述上位机控制并连接辊道的电机。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述的小组立机器人在线自动焊接设备的焊接作业方法，其特征在于，包括如下步骤：根据焊接生产线的辊道宽度，在传感器固定支架上人工设置3D线激光扫描传感器的数量、间距和测量高度，保证相邻的3D线激光扫描传感器的扫描范围相交；规定焊接门架在直线导轨的带动下移动的一段区域为焊接区域，控制焊接生产线的辊道将工件传输至焊接区域；控制伺服电机工作，直线导轨带动焊接门架移动至焊接区域的起始端；直线导轨以指定速度带动焊接门架移动，3D线激光扫描传感器打开开始扫描，直至焊接门架移动完整个焊接区域，3D线激光扫描传感器关闭扫描,焊接门架停止移动；对3D线激光扫描传感器扫描得到的点云数据进行模型重构，生成带有焊接路径顺序和焊接工艺的焊接程序；焊接门架复位至焊接区域的起始端；机器人根据焊接程序执行焊接作业。

8.根据权利要求7所述的焊接作业方法，其特征在于，待焊接工件为筋板，筋板的模型重构过程为：将每个3D线激光扫描传感器的点云数据中的Z轴方向上坐标值大于筋板厚度的所有点挑出，利用霍夫变换识别属于一条直线的点云数据，并拟合出筋板的位置和尺寸，通过一次闭运算对筋板进行平滑处理，最终得到精确的筋板的位置和尺寸。

9.根据权利要求7所述的焊接作业方法，其特征在于，待焊接工件为筋板，筋板的焊接作业包括筋板交点处焊接作业、起点包角焊接作业和直线筋板补焊，筋板的焊接路径顺序为：1、筋板交点处的焊接作业是分为三步完成，依次为水平主要方向筋板焊接、水平次要方向筋板焊接以及立向方向筋板焊接，2、起点包角的焊接作业是以每条筋板的端点作为焊接起点进行包角焊接，3、直线筋板补焊是在长直筋板上未完成焊接的部分进行直焊缝补焊作业。

10.根据权利要求7-10任一项所述的焊接作业方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：机器人完成焊接作业后，焊接门架复位至焊接区域的起始端，等待下一次开始扫描指令。