CN109967875A - 复杂构件无人化激光智能焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复杂构件无人化激光智能焊接装置及方法，装置包括焊接机器人、激光器、上下料机器人和中央控制系统；焊接机器人一端设置激光焊接头、焊缝跟踪传感器和焊缝成形传感器，焊缝跟踪传感器和焊缝成形传感器位于激光焊接头两侧；激光器为激光焊接头提供激光源；上下料机器人一端设置抓手或吸盘、上下料视觉传感器和焊接质量在线检测传感器；焊接机器人、激光器、上下料机器人、焊缝跟踪传感器、焊缝成形传感器、上下料视觉传感器和焊接质量在线检测传感器均与中央控制系统连接。本发明涉及复杂构件无人化激光智能焊接装置及方法，能够准确的实现整个焊接过程环节的无人化、智能化，可确保产品质量的一致性和可靠性。

Description

复杂构件无人化激光智能焊接装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接技术，具体涉及复杂构件无人化激光智能焊接装置及方法。

背景技术

焊接技术是一种重要的材料加工手段，在国民经济中发挥了重要作用，但是现有技术中焊接技术的自动化程度普遍较低，焊接辅助环节还大量依赖手工操作。复杂密集焊缝结构基于模型的焊接机器人轨迹智能规划能力不足；焊接过程中焊接路径、工艺参数等核心环节的自适应控制能力有待提高；上下料、装配等辅助环节的自动化水平有待加强；焊接质量在线检测手段缺失；焊接工艺与制造信息化技术融合度不够。因此亟待开展智能化焊接关键技术研究及集成应用，实现半自动化、自动化焊接向数字化、智能化焊接的转型升级。随着工业机器人、高精度传感器以及中控系统等技术的发展，为焊接数字化、智能化的发展奠定了基础。

以某复杂构件为例，在骨架的两面采用激光将蒙皮与骨架穿透焊接。每一面的焊缝数量数十条，由于该复杂构件的焊接变形量控制要求极高，必须在工艺上采用正反面焊接以抵消焊接变形。当前焊接技术以手工翻转来实现两面的对称焊接；机器人轨迹采用人工示教编程，工作量极大；焊接过程中由于热变形以及机器人固有误差等因素，导致焊缝轨迹的偏差无法补偿；焊前预设的工艺参数无法考虑到焊接实际情况，会出现焊缝成形不满足设计要求；焊接质量通过焊后检测手段；整个过程人工参与度高、焊接质量无法保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂构件无人化激光智能焊接装置及方法，解决现有焊接技术自动化程度低、焊接质量无法保证的问题。

为了达到上述的目的，本发明提供一种复杂构件无人化激光智能焊接装置，包括焊接机器人、激光器、上下料机器人和中央控制系统；所述焊接机器人一端设置激光焊接头、焊缝跟踪传感器和焊缝成形传感器，所述焊缝跟踪传感器和焊缝成形传感器位于所述激光焊接头两侧；所述激光器为所述激光焊接头提供激光源；所述上下料机器人一端设置抓手或吸盘、上下料视觉传感器和焊接质量在线检测传感器；所述焊接机器人、激光器、上下料机器人、焊缝跟踪传感器、焊缝成形传感器、上下料视觉传感器和焊接质量在线检测传感器均与所述中央控制系统连接。

上述复杂构件无人化激光智能焊接装置，其中，由上下料视觉传感器获取待焊接的骨架的表面图像，中央控制系统辨识焊缝并自动化编制机器人运动轨迹，该机器人运动轨迹控制激光焊接头运动路径。

上述复杂构件无人化激光智能焊接装置，其中，焊接过程中，由焊缝跟踪传感器实时获取未焊接焊缝图像，中央控制系统据此实时对机器人运动轨迹进行修正；由焊缝成形传感器实时获取焊接中的焊缝图像，中央控制系统据此实时对焊接工艺参数进行调整；由焊接质量在线检测传感器实时获取已焊接焊缝图像，中央控制系统据此实时对焊接质量进行检测，辨识出焊缝焊接缺陷并标记该缺陷。

上述复杂构件无人化激光智能焊接装置，其中，所述复杂构件无人化激光智能焊接装置还包括焊接工作台、焊接工装、蒙皮料架、骨架料架、合格品料架和不合格品料架；焊接工装设置在焊接工作台台上；准备阶段，待焊接的骨架置于骨架料架上，待焊接的蒙皮置于蒙皮料架上；焊接过程中，待焊接的骨架置于焊接工装上；焊接结束后，不合格焊接产品置于不合格品料架上，合格焊接产品置于合格品料架上。

本发明提供的另一技术方案是复杂构件无人化激光智能焊接方法，采用上述复杂构件无人化激光智能焊接装置。

上述复杂构件无人化激光智能焊接方法，其中，所述焊接方法包括：A)完成待焊接的骨架与待焊接的蒙皮之间的点固：上下料机器人的抓手抓取待焊接的骨架放置于焊接工装上，由上下料视觉传感器扫描待焊接的骨架的表面并向中央控制系统发送扫描数据，中央控制系统根据扫描数据辨识焊缝并自动化编制机器人运动轨迹；抓手抓取待焊接的蒙皮放置于待焊接的骨架上；焊接机器人的激光焊接头出射激光，将待焊接的蒙皮与待焊接的骨架点固；B)焊接待焊接的骨架与待焊接的蒙皮：焊接机器人的激光焊接头出射激光，焊接待焊接的骨架与待焊接的蒙皮之间的焊缝；焊接过程中，焊缝跟踪传感器实时探测未焊接焊缝，并将探测数据实时发送中央控制系统，中央控制系统根据探测数据实时获得未焊接焊缝图像，并据此实时对编制的机器人运动轨迹进行修正；焊缝成形传感器实时扫描焊接中的焊缝，并将扫描数据实时发送中央控制系统，中央控制系统根据扫描数据实时获得焊接中的焊缝图像，并据此实时对焊接工艺参数进行调整；焊接质量在线检测传感器实时扫描已焊接焊缝，并将扫描数据实时发送中央控制系统，中央控制系统根据扫描数据实时获得已焊接焊缝图像，并据此实时对焊接质量进行检测，辨识出焊缝焊接缺陷并标记该缺陷。

上述复杂构件无人化激光智能焊接方法，其中，对于双面焊接，所述步骤A)中，上下料视觉传感器分别扫描待焊接的骨架的两个表面，中央控制系统分别对该两个表面编制相应的机器人运动轨迹。

上述复杂构件无人化激光智能焊接方法，其中，对于双面焊接，所述步骤B)中，先对一焊缝进行双面焊接后再进行下一焊缝的双面焊接，直至完成所有焊缝的双面焊接。

上述复杂构件无人化激光智能焊接方法，其中，所述焊接方法还包括：C)中央控制系统根据实时焊接质量检测结果进行质量综合判断，若判断质量合格，上下料机器人的抓手将焊接产品放入合格品料架上，若判断质量不合格，上下料机器人的抓手将焊接产品放入不合格品料架上。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明的复杂构件无人化激光智能焊接装置及方法，利用上下料机器人实现骨架、蒙皮及工装的抓取、放置，大大减少人工参与，提高了自动化程度；利用上下料视觉传感器和中央控制系统获得机器人运动轨迹，利用焊缝跟踪传感器和中央控制系统实时对激光焊接头运行轨迹进行修正，利用焊缝成形传感器和中央控制系统实时调整工艺参数，利用焊接质量在线检测传感器和中央控制系统实时对焊接质量进行检测，大大提高了焊接质量；

本发明的复杂构件无人化激光智能焊接装置及方法，能够准确的实现整个焊接过程环节的无人化、智能化；产品的质量完全由软硬件来保证，确保了产品质量的一致性和可靠性。

本发明的复杂构件无人化激光智能焊接装置及方法，可应用于大多数焊接工艺，适用范围较广。

附图说明

本发明的复杂构件无人化激光智能焊接装置及方法由以下的实施例及附图给出。

图1为本发明较佳实施例的复杂构件无人化激光智能焊接装置的示意图。

具体实施方式

以下将结合图1对本发明的复杂构件无人化激光智能焊接装置及方法作进一步的详细描述。

图1所示为本发明较佳实施例的复杂构件无人化激光智能焊接装置的示意图。

参见图1，本实施例的复杂构件无人化激光智能焊接装置包括焊接机器人1、激光器2、焊接工作台8、焊接工装7、上下料机器人16、中央控制系统21、蒙皮料架17、骨架料架18、合格品料架19和不合格品料架20；

所述焊接机器人1一端设置激光焊接头5、焊缝跟踪传感器4和焊缝成形传感器6，所述焊缝跟踪传感器4和焊缝成形传感器6位于所述激光焊接头5两侧；

所述激光器2为所述激光焊接头5提供激光源，所述激光器2输出的激光通过光纤3送至所述焊接机器人1一端内部的光学系统，激光经该光学系统调节后由所述激光焊接头5输出；

所述焊接工装7设置在所述焊接工作台8台上；

所述上下料机器人16一端设置抓手13、上下料视觉传感器14和焊接质量在线检测传感器15；

待焊接的骨架置于所述骨架料架18上，待焊接的蒙皮置于所述蒙皮料架17上；

所述焊接机器人1、激光器2、焊接工装7、上下料机器人16、焊缝跟踪传感器4、焊缝成形传感器6、上下料视觉传感器14和焊接质量在线检测传感器15均与所述中央控制系统21连接。

进一步地，可用吸盘替换所述抓手13。

本实施例的复杂构件无人化激光智能焊接方法包括：

1)待焊接工件在料架中准备就绪，开启所述复杂构件无人化激光智能焊接装置；

待焊接工件包括待焊接的骨架和待焊接的蒙皮，待焊接的骨架置于骨架料架18上，待焊接的蒙皮置于蒙皮料架17上；

2)完成待焊接的骨架与待焊接的蒙皮之间的点固；

2-1)上下料机器人16的抓手13从骨架料架18上抓取待焊接的骨架9放置于焊接工装7上，待焊接的骨架A面朝上；

抓手13的抓取动作由中央控制系统21控制；

2-2)上下料视觉传感器14扫描待焊接的骨架A面并向中央控制系统21发送扫描数据，中央控制系统21根据扫描数据辨识焊缝并自动化编制A面机器人运动轨迹；

待焊接的骨架放置到位后，中央控制系统21向上下料视觉传感器14和上下料机器人16发送指令，由上下料机器人16带动上下料视觉传感器14扫描待焊接的骨架A面，获取待焊接的骨架A面的图像；

2-3)上下料机器人16的抓手13从蒙皮料架17上抓取第一待焊接的蒙皮放置于待焊接的骨架A面上；

2-4)焊接机器人1的激光焊接头5出射激光，将第一待焊接的蒙皮与待焊接的骨架A面点固；

第一待焊接的蒙皮放置到位后，中央控制系统21向焊接机器人1和激光器2发送指令，由焊接机器人1带动激光焊接头5扫描，激光器2发射激光；

激光焊接头5扫描路径由编制的A面机器人运动轨迹控制；焊接过程由中央控制系统21控制；

2-5)上下料机器人16的抓手13将待焊接的骨架翻转，使待焊接的骨架B面朝上；

2-6)上下料视觉传感器14扫描待焊接的骨架B面并向中央控制系统21发送扫描数据，中央控制系统21根据扫描数据辨识焊缝并自动化编制B面机器人运动轨迹；

同样地，由上下料机器人16带动上下料视觉传感器14扫描待焊接的骨架B面，获取待焊接的骨架B面的图像；

2-7)上下料机器人16的抓手13从蒙皮料架17上抓取第二待焊接的蒙皮放置于待焊接的骨架B面上；

2-8)焊接机器人1的激光焊接头5出射激光，将第二待焊接的蒙皮与待焊接的骨架B面点固；

激光焊接头5扫描路径由编制的B面机器人运动轨迹控制；焊接过程由中央控制系统21控制；

至此，完成待焊接的骨架与待焊接的蒙皮之间的点固，待焊接的骨架的两个面上均铺上了蒙皮，即完成了蒙皮的初步定位；

3)焊接待焊接的骨架与待焊接的蒙皮；

3-1)焊接机器人1的激光焊接头5出射激光，焊接待焊接的骨架B面与第二待焊接的蒙皮之间的第i条焊缝，i＝1,2,…,N，N为焊缝总条数；

焊接过程中，激光焊接头5扫描路径(即激光焊接头5的位置)由编制的B面机器人运动轨迹控制，但由于热变形及机器人固有误差等因素，由编制的B面机器人运动轨迹控制的激光焊接头5位置与实际焊缝之间会存在偏差，该偏差如不修正，会影响焊接质量，尤其是随着焊接进程的推进，该偏差会不断增大，甚至导致焊接产品不合格，为解决这一问题，本发明设置焊缝跟踪传感器4，焊缝跟踪传感器4用于探测还未焊接的焊缝，并将探测数据实时发送中央控制系统21，中央控制系统21根据探测数据实时获得未焊接焊缝图像，并据此实时对编制的B面机器人运动轨迹进行修正，使激光焊接头5扫描路径与实际焊缝更吻合，提高焊接质量；

焊接过程中，焊接机器人1带动焊缝成形传感器6随激光焊接头5一起移动，扫描焊接过程，并实时将扫描数据发送中央控制系统21，中央控制系统21根据扫描数据实时获得焊接中的焊缝图像，并据此实时对焊接工艺参数进行调整，以使焊接质量最优化；

焊接过程中，焊接质量在线检测传感器15对已焊接焊缝进行扫描，并实时将扫描数据发送中央控制系统21，中央控制系统21根据扫描数据实时获得已焊接焊缝图像，并据此实时对焊接质量进行检测，辨识出焊缝焊接缺陷并标记该缺陷；

焊接工艺由焊接机器人1执行、中央控制系统21控制；

3-2)上下料机器人16的抓手13将待焊接的骨架翻转，使待焊接的骨架A面朝上(即第一待焊接的蒙皮朝上)；

3-3)焊接机器人1的激光焊接头5出射激光，焊接待焊接的骨架A面与第一待焊接的蒙皮之间的第i条焊缝，i＝1,2,…,N，N为焊缝总条数；

待焊接的骨架A面与第一待焊接的蒙皮之间的第i条焊缝，与待焊接的骨架B面与第二待焊接的蒙皮之间的第i条焊缝相对应；

步骤3-3)的焊接过程与步骤3-1)的焊接过程相似，在此不再赘述；

3-4)i＝i+1；

3-5)判断i＞N是否成立，若成立，执行步骤4)，若不成立，上下料机器人16的抓手13将待焊接的骨架翻转，使待焊接的骨架B面朝上(即第二待焊接的蒙皮朝上)，返回步骤3-1)；

图1中示出三条焊缝——第一焊缝10、第二焊缝11和第三焊缝12，此仅为示意；本实施例中，焊缝焊接包括双面焊接，例如，焊接第一焊缝10是指从骨架的两个面(A面和B面)对第一焊缝10进行焊接，也就是说，从骨架B面焊接第一焊缝10后，再从骨架A面焊接第一焊缝10；先对一焊缝进行双面焊接后再进行下一焊缝的双面焊接；

4)中央控制系统21根据实时焊接质量检测结果进行质量综合判断，若判断质量合格，上下料机器人16的抓手13将焊接产品放入合格品料架19上，若判断质量不合格，上下料机器人16的抓手13将焊接产品放入不合格品料架20上；

所述实时焊接质量检测结果即是步骤3-1)中提到的，中央控制系统21根据焊接质量在线检测传感器15的扫描数据，实时辨识出的焊缝焊接缺陷。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.复杂构件无人化激光智能焊接装置，其特征在于，包括焊接机器人、激光器、上下料机器人和中央控制系统；

所述焊接机器人一端设置激光焊接头、焊缝跟踪传感器和焊缝成形传感器，所述焊缝跟踪传感器和焊缝成形传感器位于所述激光焊接头两侧；

所述激光器为所述激光焊接头提供激光源；

所述上下料机器人一端设置抓手或吸盘、上下料视觉传感器和焊接质量在线检测传感器；

所述焊接机器人、激光器、上下料机器人、焊缝跟踪传感器、焊缝成形传感器、上下料视觉传感器和焊接质量在线检测传感器均与所述中央控制系统连接。

2.如权利要求1所述的复杂构件无人化激光智能焊接装置，其特征在于，由上下料视觉传感器获取待焊接的骨架的表面图像，中央控制系统辨识焊缝并自动化编制机器人运动轨迹，该机器人运动轨迹控制激光焊接头运动路径。

3.如权利要求1所述的复杂构件无人化激光智能焊接装置，其特征在于，焊接过程中，由焊缝跟踪传感器实时获取未焊接焊缝图像，中央控制系统据此实时对机器人运动轨迹进行修正；由焊缝成形传感器实时获取焊接中的焊缝图像，中央控制系统据此实时对焊接工艺参数进行调整；由焊接质量在线检测传感器实时获取已焊接焊缝图像，中央控制系统据此实时对焊接质量进行检测，辨识出焊缝焊接缺陷并标记该缺陷。

4.如权利要求1所述的复杂构件无人化激光智能焊接装置，其特征在于，所述复杂构件无人化激光智能焊接装置还包括焊接工作台、焊接工装、蒙皮料架、骨架料架、合格品料架和不合格品料架；

焊接工装设置在焊接工作台台上；准备阶段，待焊接的骨架置于骨架料架上，待焊接的蒙皮置于蒙皮料架上；焊接过程中，待焊接的骨架置于焊接工装上；焊接结束后，不合格焊接产品置于不合格品料架上，合格焊接产品置于合格品料架上。

5.复杂构件无人化激光智能焊接方法，其特征在于，采用如权利要求1至4中任一权利要求所述的复杂构件无人化激光智能焊接装置。

6.如权利要求5所述的复杂构件无人化激光智能焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括：

A)完成待焊接的骨架与待焊接的蒙皮之间的点固：上下料机器人的抓手抓取待焊接的骨架放置于焊接工装上，由上下料视觉传感器扫描待焊接的骨架的表面并向中央控制系统发送扫描数据，中央控制系统根据扫描数据辨识焊缝并自动化编制机器人运动轨迹；抓手抓取待焊接的蒙皮放置于待焊接的骨架上；焊接机器人的激光焊接头出射激光，将待焊接的蒙皮与待焊接的骨架点固；

B)焊接待焊接的骨架与待焊接的蒙皮：焊接机器人的激光焊接头出射激光，焊接待焊接的骨架与待焊接的蒙皮之间的焊缝；焊接过程中，焊缝跟踪传感器实时探测未焊接焊缝，并将探测数据实时发送中央控制系统，中央控制系统根据探测数据实时获得未焊接焊缝图像，并据此实时对编制的机器人运动轨迹进行修正；焊缝成形传感器实时扫描焊接中的焊缝，并将扫描数据实时发送中央控制系统，中央控制系统根据扫描数据实时获得焊接中的焊缝图像，并据此实时对焊接工艺参数进行调整；焊接质量在线检测传感器实时扫描已焊接焊缝，并将扫描数据实时发送中央控制系统，中央控制系统根据扫描数据实时获得已焊接焊缝图像，并据此实时对焊接质量进行检测，辨识出焊缝焊接缺陷并标记该缺陷。

7.如权利要求6所述的复杂构件无人化激光智能焊接方法，其特征在于，对于双面焊接，所述步骤A)中，上下料视觉传感器分别扫描待焊接的骨架的两个表面，中央控制系统分别对该两个表面编制相应的机器人运动轨迹。

8.如权利要求6所述的复杂构件无人化激光智能焊接方法，其特征在于，对于双面焊接，所述步骤B)中，先对一焊缝进行双面焊接后再进行下一焊缝的双面焊接，直至完成所有焊缝的双面焊接。

9.如权利要求6所述的复杂构件无人化激光智能焊接方法，其特征在于，所述焊接方法还包括：

C)中央控制系统根据实时焊接质量检测结果进行质量综合判断，若判断质量合格，上下料机器人的抓手将焊接产品放入合格品料架上，若判断质量不合格，上下料机器人的抓手将焊接产品放入不合格品料架上。