CN111015053A - 一种板架钢结构数字化装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种板架钢结构数字化装配方法，通过计算机控制系统和装置实现数字化装配。机械装置组成：在移动龙门架下部安装有抓手支架，上部设置抓手支架旋转结构，抓手支架旋转结构上部设置有横向移动小车，抓手支架下部设置有焊接组件滑道，抓手支架通过滑道安装有焊接机器人，抓手支架下部设置有液压抓手，液压抓手上部装有液压抓手液压缸，其下部及两侧液压抓手之间安装有液压抓手夹紧齿轮，两侧液压抓手里侧设置有液压抓手夹具，压紧装置液压缸设置于压紧装置导向杆之间，待装配钢结构件置于压紧机构的下部，在抓手支架一侧安装有视觉相机和相机支架。本发明适宜作为板架钢结构数字化装配方法应用。

Description

一种板架钢结构数字化装配方法

技术领域

本发明属于高技术船舶数字化制造技术领域，涉及到船舶结构数字化装配方法，特别涉及一种板架结构形式的大型高强钢制结构数字化装配装置与方法。具体地说是一种板架钢结构数字化装配方法。

背景技术

随着数字化制造技术的发展，工件的装配方法由以往的人工装配发展成为更为先进的数字化装配和自动化装配。数字化装配技术以其高效率和人为干预少的高质量成型得到了各行业的关注，并在航空领域得到了广泛的应用，而在船舶领域则刚刚起步，特别是针对板架结构形式的大型高强钢制结构装配，因为工件尺寸、厚度、强度等特殊限制，目前依然采用人工装配方法，装配精度无法保证，往往需要经过多次反复施工，装配效率较低。在高技术船舶领域，仅实现部分小组立和中组立的自动化焊接，对于数字化和自动化装配技术研究较少，已成为船舶领域数字化制造不可忽视的难题；本发明方法较传统板架结构装配的不同在于，针对大尺寸、高强度的中厚钢板装配，工件的位置移动、固定和装配间隙调整等一系列工作全部可以通过数据驱动而自动完成，并满足较高的钢结构装配技术指标要求。

发明内容

为了实现钢结构数字化装配，本发明提出了一种板架钢结构数字化装配方法。该方法通过模型数据驱动数字化装配装置，解决钢结构数字化装配的技术问题。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

机械装置组成：在移动龙门架下部安装有抓手支架，在抓手支架上部设置抓手支架旋转结构，在抓手支架旋转结构上部设置有横向移动小车，在抓手支架下部设置有焊接组件滑道，抓手支架通过滑道安装有焊接机器人，在抓手支架下部设置有液压抓手，相对设置的液压抓手上部装有液压抓手液压缸，在液压抓手液压缸下部及两侧液压抓手之间安装有液压抓手夹紧齿轮，两侧液压抓手里侧设置有液压抓手夹具，压紧装置液压缸设置于压紧装置导向杆之间，待装配钢结构件置于压紧机构的下部，在抓手支架一侧安装有视觉相机和相机支架。

数字化装配装置的组成包括计算机控制系统和机械装置，其中计算机控制系统的操作控制台的核心由工业级控制计算机、可编程控制器PLC及其外围电路、传感器、视觉装配系统等组成。可编程控制器PLC配有高速计数模块、模拟量输入模块，分别与各机械装置位移传感器通讯，获取其位移状况，计算机控制程序则通过PC/PPI专用通讯电缆与PLC通讯，获取位移等数据和PLC输入输出状态。计算机和PLC综合以上信息，通过智能处理，控制PLC输出，通过中间继电器、控制外围电器、液压机械装置的运转，同时将位移、报警等各种数据、信息以图文结合方式显示在计算机屏幕上。通过工业级控制计算机调用装配数据，装配数据发送至视觉装配控制系统，利用龙门架，横向移动小车，抓手支架旋转结构，抓手支架，钢制结构液压抓手，钢制结构压紧装置、焊接机器人等机械装置和视觉装配控制系统完成自动装配工作；其中龙门架承载参与装配的相关机械装置，龙门架和地面轨道利用齿轮齿条的连结形式，完成纵向移动功能，横向移动小车和龙门架利用齿轮齿条的连结形式完成横向移动功能；两者配合能够覆盖所有施工区域。

抓手支架旋转结构和横向小车利用齿轮齿条的连结形式完成抓手的旋转功能，能够保证高强钢结构构件装配过程的角度安装和调整。

抓手支架和抓手支架旋转结构利用焊接形式安装。

视觉装配控制系统由视觉识别系统和激光测量系统组成，其主体和抓手支架采用螺栓连接，在龙门架、横向小车以及可以旋转的抓手支架配合下，完成全部施工位置的定位基准点或基准线识别工作。

钢制结构液压抓手，钢制结构压紧装置分别利用齿轮齿条的连结形式和抓手支架连接，保证不同高度的高强钢结构构件装配过程中钢制结构液压抓手，钢制结构压紧装置可以垂直方向移动。

焊接机器人和抓手支架利用螺栓固定，配合视觉装配控制系统完成高强钢结构构件装配后的定位焊接工作。

操作步骤：

（1）先期建立板架结构三维模型，在模型中定义装配顺序和相关参数并通过软件开发输出装配策略数据。

（2）工业级控制计算机接收装配策略数据，与PLC之间采用TCP/IP协议通讯，数据驱动有关装配机械装置。

（3）龙门架承载各类装置完成钢制结构装配（较大构件可采用2至3套装置）；其中横向移动小车，抓手支架旋转机构，抓手支架，钢制结构液压抓手，钢制结构压紧装置，焊接机器人安装在龙门架上。视觉装配控制系统中的支架相机安放在抓手支架上。

（4）高强钢结构构件到达指定工位，按装配顺序放置），底板由人工先行上胎、矫正及固定，构件装配策略数据传送至工业级控制计算机。

（5）高强钢结构构件装配策略数据通过工业控制计算机发送指令到视觉装配控制系统，视觉装配控制系统扫描板架中底板上的基准点或基准线，按照装配策略数据确定板架上构件相关位置和安装顺序，发出抓取第一个构件的指令。

（6）横向移动小车可沿轨道横向移动，承载抓手支架、抓手支架旋转结构和液压抓手，使得液压抓手能够抓取结构件到指定安装位置，调整结构件的水平和垂直度。

（7）利用钢制结构压紧装置将构件与底板之间的缝隙进行调整符合技术指标要求为止。

（8）利用视觉装配控制系统对安装结束后的大型高强钢制结构采用线激光测量和判断是否符合装配指标要求。

（9）最后利用焊接机器人点焊固定已安装在底板上的高强钢结构构件。

积极效果：本发明解决了一直以来针对尺寸较大，厚度较厚的高强钢结构件无法进行自动装配的技术难题，可以为海洋工程装备和高技术船舶制造行业提供高效，高质量的制造方案。适宜作为板架钢结构数字化装配方法应用。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明主视图；

图3为本发明抓手支架立体示意图；

图4为本发明抓手支架主视图；

图5为本发明抓手支架侧视图；

图6为本发明液压抓手设置状态图；

图7为本发明液压抓手侧视图；

图8为本发明液压抓手立体示意图；

图9为本发明压紧装置示意图。

图中，1.移动龙门架，2.横向移动小车，3.抓手支架，4.焊接机器人，5.抓手支架旋转结构，6.焊接组件滑道，7.液压抓手，8. 液压抓手液压缸， 9. 压紧机构，10.待装配钢结构件，11.压紧装置液压缸，12.液压抓手夹具，13.液压抓手夹紧齿轮，14.压紧装置导向杆，15.视觉相机和相机支架。

具体实施方式

在移动龙门架1下部安装有抓手支架3，在抓手支架上部设置抓手支架旋转结构5，在抓手支架旋转结构上部设置有横向移动小车2，在抓手支架下部设置有焊接组件滑道6，抓手支架通过滑道安装有焊接机器人4，在抓手支架下部设置有液压抓手7，相对设置的液压抓手上部装有液压抓手液压缸8，在液压抓手液压缸下部及两侧液压抓手之间安装有液压抓手夹紧齿轮13，两侧液压抓手里侧设置有液压抓手夹具12，压紧装置液压缸11设置于压紧装置导向杆14之间，待装配钢结构10件置于压紧机构9的下部，在抓手支架一侧安装有视觉相机和相机支架15。

所述视觉相机和相机支架用于结构件装配影像的获取。

所述液压抓手通过液压缸驱动伸缩，抓握结构件，通过移动小车移动抓手组件移动，利用焊接机器人对装配结构件进行定位与焊接。

所述抓手支架在移动龙门架上设置一至多个，一个抓手支架与移动小车构成一个焊接单元。

工作过程：

横向移动小车带动抓手结构和液压抓手在移动龙门架上移动，改变工位，利用液压抓手抓取待装配的结构件到指定位置，利用液压抓手液压缸驱动待装配结构件对位装配，利用焊接机器人对待装配结构件进行焊接定位，同时利用液压抓手夹持其它待装配部件进行配合与组装。操作过程利用计算机进行控制。

概括地说：目前钢结构的装配效率低以及自动装配难度，先期在三维模型中定义装配策略，再通过软件开发输出装配数据，利用工业级控制计算机接收装配数据，工业级控制计算机与PLC之间采用TCP/IP协议通讯，将装配数据传送至PLC，数据直接驱动相关装配装置，减少现场编程反复调试的问题，联合使用可移动式龙门架、横向移动小车、抓手支架旋转结构、抓手支架、钢制结构液压抓手、钢制结构压紧机构、焊接机器人和视觉装配控制系统，包括激光测量系统，对板架结构形式的大型高强钢制结构进行校正、定位、装配缝隙调整和焊接机器人点焊固定等一系列装配工作并达到技术指标要求。

大型高强钢制结构装配范围：板厚12mm～35mm、长500mm～12000mm、宽150mm～3000mm，下屈服强度ReL=590～730N/mm²。

大型高强钢制结构装配主要技术指标：构件安装位置偏差≤1mm，构件与底板间隙≤2mm，构件安装垂直度≤2mm/1000mm。

操作方法：

首先本发明中的装配装置布置在固定的大型高强钢结构装配生产线上，装配生产线的构件放置工位、装配工位与装配装置的位置相对是固定的，结构件放置工位上的构件摆放具有一定的顺序，以便减少装配过程中装配装置识别和抓取结构件的时间，其次工业级计算机与龙门架的PLC的之间预先已设定结构件放置工位和装配工位之间的位移策略，以减少装置进行装配过程中多次重复定位的时间。

大型高强钢结构数字化装配具体实施步骤如下：

（1）先期设计时建立板架结构三维模型，在模型中定义装配顺序和相关参数并通过软件开发输出装配策略数据，具体方法如下：

a）选择三维模型中板架结构的结构树节点；

b）选择底板作为装配基准面；

c）选择需装配的构件；

d）进行构件装配顺序规划和抓手规划，可自动生成或人工选取；

e）定义装配基准点或基准线；

f）定义装配构件点焊部位和焊接参数；

g）选择已定义的装配补偿值；

h）生成装配坐标系下各装配构件的坐标值和点焊部位坐标值；

i）输出装配策略数据。

（2）结构构件装配策略数据可通过网络或U盘摆渡方式输出至工业级控制计算机，由该计算机发送指令到视觉装配控制系统，视觉装配控制系统识别指令中板材定位基准点，识别已确定的装配策略。

（3）工业级控制计算机发送指令，驱动龙门架移动至构件放置工位，执行大型高强钢制结构自动装配；

步骤如下：

a）利用扫码设备确认各构件的正确性，视觉装配控制系统识别确定第一个或按安装顺序的待装配构件，记忆构件的位置及型号；

b）视觉装配控制系统按照输入的装配策略数据启动钢制结构液压抓手。根据钢结构构件的尺寸确定需要先期装配策略已定抓手数量；

c）钢制结构液压抓手抓取第一个或按安装顺序的构件后通过龙门架移动到指定安装位置，此时大型高强钢结构的底板已由人工先行上胎、矫正及固定，视觉装配系统扫描底板上的基准点或线，确定构件安装位置；

d）钢制结构液压抓手调整结构件的水平度和垂直度。并对调整好的结构构件执行装配策略，将结构构件安装到相应位置。

e）利用钢制结构压紧装置将结构件与底板之间的缝隙进行调整符合指标要求为止。

f）利用焊接机器人对钢结构构件进行点焊固定。

g）利用视觉装配控制系统中的线激光测量系统对安装结束后的大型高强钢制结构进行测量和判断是否符合装配指标要求。

h)按照判断结果选择执行a、d、e或f项。

一个高强钢结构件点焊固定后，经过测量符合装配指标要求时，则判断该构件装配完成，执行a项及以下步骤，即按照装配策略抓取下一个待装配的结构件开展装配步骤，反之则发出报警，人工辅助调整后，继续执行d项或e项及以下步骤，即结构件位置、水平度、垂直度和装配缝隙调整直至合格。

技术原理：

（1）龙门架焊接制作而成，门架整体供电、气管路等采用拖链方式。横向移动小车，横向小车横向移动采用直线导轨导向，齿轮齿条传动，电机采用伺服电机。在行程两端分别设计机械限位、电气限位及软件限位。旋转机构旋转采用回转支撑轴承支撑，采用伺服电机驱动，能够很好的保证旋转精度，在旋转行程两端分别设计机械限位、电气限位及软件限位。

（2）视觉装配控制系统在底板上扫描定位钢制结构安装位置，底板上标记出定位基准点或基准线。

a）大型高强钢制结构装配策略数据传输至视觉装配控制系统;

b）视觉装配控制系统识别板材定位基准点或基准线后执行装配策略。

（3）执行板架结构形式的大型高强钢制结构自动装配，步骤如下：

a）利用扫码设备确认结构正确性，启动视觉装配控制系统。

b）视觉装配控制系统按照装配策略数据启动钢制结构液压抓手。

c）钢制结构液压抓手调整大型高强钢制结构的水平和垂直度。

d）钢制结构液压抓手对调整好的大型高强钢制结构执行装配策略。

e）利用钢制结构压紧结构将大型高强钢制结构与板材之间的缝隙进行调整。

f）利用焊接机器人对于安装压紧的构件进行点焊固定。

g）利用视觉装配控制系统对安装结束后的大型高强钢制结构进行测量和判断。

特点：利用本装置能够实现钢结构件的定位与装配，并利用焊接机器人进行焊接，所以实现了钢结构件装配智能化，提高了装配质量和速度。

Claims (5)

1.一种板架钢结构数字化装配方法，其特征是：

装置组成：

机械装置组成：在移动龙门架(1)下部安装有抓手支架(3)，在抓手支架上部设置抓手支架旋转结构(5)，在抓手支架旋转结构上部设置有横向移动小车(2)，在抓手支架下部设置有焊接组件滑道(6)，抓手支架通过滑道安装有焊接机器人(4)，在抓手支架下部设置有液压抓手(7)，相对设置的液压抓手上部装有液压抓手液压缸(8)，在液压抓手液压缸下部及两侧液压抓手之间安装有液压抓手夹紧齿轮(13)，两侧液压抓手里侧设置有液压抓手夹具(12)，压紧装置液压缸(11)设置于压紧装置导向杆(14)之间，待装配钢结构(10)件置于压紧机构（9）的下部，在抓手支架一侧安装有视觉相机和相机支架(15)；

数字化装配装置的组成包括计算机控制系统和机械装置，其中计算机控制系统的操作控制台的核心由工业级控制计算机、可编程控制器PLC及其外围电路、传感器、视觉装配系统等组成；可编程控制器PLC配有高速计数模块、模拟量输入模块，分别与各机械装置位移传感器通讯，获取其位移状况，计算机控制程序则通过PC/PPI专用通讯电缆与PLC通讯，获取位移等数据和PLC输入输出状态；计算机和PLC综合以上信息，通过智能处理，控制PLC输出，通过中间继电器、控制外围电器、液压机械装置的运转，同时将位移、报警等各种数据、信息以图文结合方式显示在计算机屏幕上；通过工业级控制计算机可直接调用装配策略数据，装配策略数据发送至视觉装配控制系统，利用龙门架，横向移动小车，抓手支架旋转结构，抓手支架，钢制结构液压抓手，钢制结构压紧装置、焊接机器人等机械装置和视觉装配控制系统完成自动装配工作；其中龙门架承载参与装配的相关机械装置，龙门架和地面轨道利用齿轮齿条的连结形式，完成纵向移动功能，横向移动小车和龙门架利用齿轮齿条的连结形式完成横向移动功能，两者配合能够覆盖所有施工区域；

抓手支架旋转结构和横向小车利用齿轮齿条的连结形式完成抓手的旋转功能，能够保证高强钢结构构件装配过程的角度安装和调整；

抓手支架和抓手支架旋转结构利用焊接形式安装；

视觉装配控制系统由视觉识别系统和激光测量系统组成，其主体和抓手支架采用螺栓连接，在龙门架、横向小车以及可以旋转的抓手支架配合下，完成全部施工位置的定位基准点或基准线识别工作；

钢制结构液压抓手，钢制结构压紧装置分别利用齿轮齿条的连结形式和抓手支架连接，保证不同高度的高强钢结构构件装配过程中钢制结构液压抓手，钢制结构压紧装置可以垂直方向移动；

焊接机器人和抓手支架利用螺栓固定，配合视觉装配控制系统完成高强钢结构构件装配后的定位焊接工作；

操作步骤：

1）先期建立板架结构三维模型，在模型中定义装配顺序和相关参数并通过软件开发输出装配策略数据；

2）工业级控制计算机接收装配策略数据，与PLC之间采用TCP/IP协议通讯，数据驱动有关装配机械装置，其中工业级计算机与龙门架的PLC之间预先已设定结构件放置工位和装配工位之间的位移策略，减少重复定位时间；

3）龙门架承载各类装置完成钢制结构装配（较大构件可采用2至3套装置）；其中横向移动小车，抓手支架旋转机构，抓手支架，钢制结构液压抓手，钢制结构压紧装置，焊接机器人安装在龙门架上；视觉装配控制系统中的支架相机安放在抓手支架上；

4）高强钢结构构件到达指定工位，按装配顺序放置，底板由人工先行上胎、矫正及固定，构件装配策略数据传送至工业级控制计算机；

5）高强钢结构构件装配策略数据通过工业控制计算机发送指令到视觉装配控制系统，视觉装配控制系统扫描板架中底板上的基准点或基准线，按照装配策略数据确定板架上构件相关位置和安装顺序，发出抓取第一个构件的指令；

6）横向移动小车可沿轨道横向移动，承载抓手支架、抓手支架旋转结构和液压抓手，使得液压抓手能够抓取结构件到指定安装位置，调整结构件的水平和垂直度；

7）利用钢制结构压紧装置将构件与底板之间的缝隙进行调整符合技术指标要求为止；

8）利用视觉装配控制系统对安装结束后的大型高强钢制结构采用线激光测量和判断是否符合装配指标要求；

9）最后利用焊接机器人点焊固定已安装在底板上的高强钢结构构件。

2.根据权利要求1所述的一种板架钢结构数字化装配方法，其特征是：

输出装配策略数据方法：

先期设计时建立板架结构三维模型，在模型中定义装配顺序和相关参数并通过软件开发输出装配策略数据，具体方法如下：

a）选择三维模型中板架结构的结构树节点；

b）选择底板作为装配基准面；

c）选择需装配的构件；

d）进行构件装配顺序规划和抓手规划，可自动生成或人工选取；

e）定义装配基准点或基准线；

f）定义装配构件点焊部位和焊接参数；

g）选择已定义的装配补偿值；

h）生成装配坐标系下各装配构件的坐标值和点焊部位坐标值；

i）输出装配策略数据。

3.根据权利要求1所述的一种板架钢结构数字化装配方法，其特征是：

确定装配策略：

结构构件装配策略数据可通过网络或U盘摆渡方式输出至工业级控制计算机，由该计算机发送指令到视觉装配控制系统，视觉装配控制系统识别指令中板材定位基准点，识别已确定的装配策略。

4.根据权利要求1所述的一种板架钢结构数字化装配方法，其特征是：

高强钢自动装配步骤：

工业级控制计算机发送指令，驱动龙门架移动至构件放置工位，执行大型高强钢制结构自动装配：

步骤如下：

a）利用扫码设备确认各构件的正确性，视觉装配控制系统识别确定第一个或按安装顺序的待装配构件，记忆构件的位置及型号；

b）视觉装配控制系统按照输入的装配策略数据启动钢制结构液压抓手；根据钢结构构件的尺寸确定需要先期装配策略已定抓手数量；

c）钢制结构液压抓手抓取第一个或按安装顺序的构件后通过龙门架移动到指定安装位置，此时大型高强钢结构的底板已由人工先行上胎、矫正及固定，视觉装配系统扫描底板上的基准点或线，确定构件安装位置；

d）钢制结构液压抓手调整结构件的水平度和垂直度；并对调整好的结构构件执行装配策略，将结构构件安装到相应位置；

e）利用钢制结构压紧装置将结构件与底板之间的缝隙进行调整符合指标要求为止；

f）利用焊接机器人对钢结构构件进行点焊固定；

g）利用视觉装配控制系统中的线激光测量系统对安装结束后的大型高强钢制结构进行测量和判断是否符合装配指标要求；

h)按照判断结果选择执行a、d、e或f项;

一个高强钢结构件点焊固定后，经过测量符合装配指标要求时，则判断该构件装配完成，执行a项及以下步骤，即按照装配策略抓取下一个待装配的结构件开展装配步骤，反之则发出报警，人工辅助调整后，继续执行d项或e项及以下步骤，即结构件位置、水平度、垂直度和装配缝隙调整直至合格。

5.根据权利要求1所述的一种板架钢结构数字化装配方法，其特征是：所述装配装置布置在钢结构装配生产线上，生产线上构件放置工位，装配工位与装配装置的位置是相对固定的。

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