CN112518740A - 面向船舶中组立结构机器人运动路径的焊接工艺规划方法 - Google Patents

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韦乃琨
王冬梅
刘坚
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Abstract

本发明提供了面向船舶中组立结构机器人运动路径的焊接工艺规划方法，其特征在于，包括以下步骤：提取工件及焊缝信息；提取焊缝特征；调整工件摆放；分配机器人；确定焊接顺序；匹配焊接工艺；生成运动路径；本发明利用从设计软件提取的工件设计数据，加以分析处理，以满足机器人在虚拟环境中完成对中组立工件的运动路径及焊接工艺规划的需要，有利于取代通过手工示教确定路径的方法，提高焊接规划的效率，可在虚拟环境中进行规划，减少停机时间。

Description

面向船舶中组立结构机器人运动路径的焊接工艺规划方法
技术领域
本发明涉及机器人焊接技术领域，尤其涉及面向船舶中组立结构机器人运动路径的焊接工艺规划方法。
背景技术
在船舶中组立工件的装配过程中，目前绝大部分船厂采用了人工焊接的方式。随着船厂自动化的发展趋势，机器人焊接的需求突显，在工业领域通常使用示教/回放(Teaching/Playback)方法确定机器人运动路径。然而中组立工件结构复杂、焊缝较多，对整个工件进行路径示教工作量巨大，且不易操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向船舶中组立结构机器人运动路径的焊接工艺规划方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种面向船舶中组立结构的机器人运动路径及焊接工艺规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1)从船舶设计软件的API接口读取工件的设计数据，设计数据包括零件列表、焊缝列表及装配信息；
步骤S2)在三维几何模型可视化交互界面拖动旋转工件，将工件在虚拟场景中的摆放方式调整至与实际工位一致，确定焊缝在实际焊接过程中的焊接位置；
步骤S3)根据焊缝的设计属性及其所连接的零件外形提取出焊缝的特征信息；
步骤S4)将机器人按工作区域的方式进行划分，使得工作区域的并集覆盖所有待焊焊缝，每台机器人的工作区域互不相交；
步骤S5)根据工件外形将工件按行列划分为若干单元格，分配所有焊缝到各个单元格中并按焊接位置分组，将焊缝按焊接位置分组，根据焊缝分组以及所属格子间进行焊接排序；
步骤S6)将工艺规则写为匹配表达式，按由特殊到一般进行优先级降序排列，通过表达式对焊缝特征进行计算，若表达式结果为真，将表达式相应的工艺参数赋给焊缝，否则进入下一轮匹配；
步骤S7)将路径点位的生成规则写为表达式，按由特殊到一般进行优先级降序排列，通过表达式对焊缝特征进行计算，若表达式结果为真，根据表达式对应的点位生成规则计算焊缝的路径点位及姿态，否则进入下一轮匹配。
进一步地，使用基于S-表达式的语法描述，表达式的形式为：(运算符表达式/引用字段/常量)；
其中焊缝的设计属性使用“Weld.属性名”的形式表示，焊缝的特征信息使用“Weld.Features.特征名”的形式表示；
例如，长度大于200mm的平焊缝表示为：(And(＝Weld.Position“H”)(>Weld.Wlength 200))。
进一步地，步骤S7中的姿态计算方法为：
假设焊枪绕固定坐标系的X、Y、Z轴依次旋转γ、β、α角，沿坐标系的X、Y、Z轴分别偏移x，y，z后达到焊接姿态，则焊枪位姿可用式1表示，将矩阵中的各个元素按行列记为rij得式2；
Figure BDA0002757034300000021
Figure BDA0002757034300000022
根据式3、4、5，分别获得旋转角α、β、γ的值；
α＝atan2(r21,r11) (3)
Figure BDA0002757034300000023
γ＝atan2(r32,r33) (5)。
进一步地，所述步骤S1中，零件列表包含所有零件的标识名称、零件类型、外形轮廓信息，焊缝列表包含所有焊缝的外形信息、焊接位置、接头形式、连接零件信息，装配关系包含零件的装配层次及装配关系。
进一步地，所述步骤S2中，焊缝的特征信息包括焊缝长度、焊接位置、焊缝方位、焊缝起终点处的过焊孔半径、过焊孔所在零件、焊缝连接的板材厚度。
本发明利用从设计软件提取的工件设计数据，加以分析处理，以满足机器人在虚拟环境中完成对中组立工件的运动路径及焊接工艺规划的需要，有利于取代通过手工示教确定路径的方法，提高焊接规划的效率，可在虚拟环境中进行规划，减少停机时间。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为焊接设备的正面示意图；
图3为焊接设备的侧面示意图；
图4为中组立工件模型示意图；
图5为机器人立焊顺序示意图；
图6为机器人平焊顺序示意图。
附图标记：
1、导轨
2、门架
3、升降轴
4、机器人
5、中组立工件。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种面向船舶中组立结构的机器人运动路径及焊接工艺规划方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1)从船舶设计软件的API接口读取工件的设计数据，设计数据包括零件列表、焊缝列表及装配信息；
步骤S2)在三维几何模型可视化交互界面拖动旋转工件，将工件在虚拟场景中的摆放方式调整至与实际工位一致，确定焊缝在实际焊接过程中的焊接位置；
步骤S3)根据焊缝的设计属性及其所连接的零件外形提取出焊缝的特征信息；
步骤S4)将机器人按工作区域的方式进行划分，使得工作区域的并集覆盖所有待焊焊缝，每台机器人的工作区域互不相交；
步骤S5)根据工件外形将工件按行列划分为若干单元格，分配所有焊缝到各个单元格中并按焊接位置分组，将焊缝按焊接位置分组，根据焊缝分组以及所属格子间进行焊接排序；
步骤S6)将工艺规则写为匹配表达式，按由特殊到一般进行优先级降序排列，通过表达式对焊缝特征进行计算，若表达式结果为真，将表达式相应的工艺参数赋给焊缝，否则进入下一轮匹配；
步骤S7)将路径点位的生成规则写为表达式，按由特殊到一般进行优先级降序排列，通过表达式对焊缝特征进行计算，若表达式结果为真，根据表达式对应的点位生成规则计算焊缝的路径点位及姿态，否则进入下一轮匹配。
使用基于S-表达式的语法描述，表达式的形式为：(运算符表达式/引用字段/常量)；
其中焊缝的设计属性使用“Weld.属性名”的形式表示，焊缝的特征信息使用“Weld.Features.特征名”的形式表示；
例如，长度大于200mm的平焊缝表示为：(And(＝Weld.Position“H”)(>Weld.Wlength 200))。
所述步骤S7中的姿态计算方法为：
假设焊枪绕固定坐标系的X、Y、Z轴依次旋转γ、β、α角，沿坐标系的X、Y、Z轴分别偏移x，y，z后达到焊接姿态，则焊枪位姿可用式1表示，将矩阵中的各个元素按行列记为rij得式2；
Figure BDA0002757034300000051
Figure BDA0002757034300000052
根据式3、4、5，分别获得旋转角α、β、γ的值；
α＝atan2(r21,r11) (3)
Figure BDA0002757034300000053
γ＝atan2(r32,r33) (5)。
所述步骤S1中，零件列表包含所有零件的标识名称、零件类型、外形轮廓信息，焊缝列表包含所有焊缝的外形信息、焊接位置、接头形式、连接零件信息，装配关系包含零件的装配层次及装配关系。
所述步骤S2中，焊缝的特征信息包括焊缝长度、焊接位置、焊缝方位、焊缝起终点处的过焊孔半径、过焊孔所在零件、焊缝连接的板材厚度。
本发明的规划方法，在具体实施时包括以下步骤：
(1)从船舶设计软件的API接口读取中组立工件的设计数据，设计数据分为零件列表、焊缝列表及装配信息，以某零件为例，其几何结构如图4所示；某焊缝A为连接底板D206H-Z1470A-1P与立板D206H-F26G-1P的平焊缝，底板板厚30mm立板板厚24mm，连接角90°，焊缝长494mm。
(2)根据焊缝A的设计属性及其所连接的零件外形提取出焊缝起点处的过焊孔半径为20mm，开孔在垂直焊缝的立板上，终点无过焊孔。
(3)在三维几何模型可视化交互界面拖动旋转工件，将工件在虚拟场景中绕X轴旋转180°再绕Z轴旋转90°后摆放方式与实际工位一致。
(4)在虚拟场景中搭建如图2、图3所示的门架式焊接设备，包括导轨1、门架2、升降轴3和机器人4，在门架2上挂载两台焊接机器人4，为避免机器人4互相干涉，将中组立工件5沿门架2横跨方向对半分为上下两个工作区，将中组立工件5的上半工作区分配给一号机器人，将工件的下半工作区分配给二号机器人。
(5)将工件按立板划分为6×6的单元格阵列，将所有焊缝按单元格包围区域进行划分，并按焊接位置分为平立焊两组，将焊缝按从工件中心向四周发散的形式排列，具体顺序如图5、图6所示；
首先根据列数1～6对焊接顺序进行排序，对每一列的中组立工件5，根据1～4、5～8、9～12的顺序进行排序，每一列的中组立工件5焊接由两个机器人4负责。
(6)将工艺规则写为匹配表达式并按由特殊到一般进行优先级降序排列，通过表达式对焊缝特征进行计算，依次完成所有焊缝工艺参数匹配。
(7)将路径点位的生成规则写为表达式并按由特殊到一般进行优先级降序排列，通过表达式对焊缝特征进行计算，依次完成所有焊缝路径点位生成。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.面向船舶中组立结构机器人运动路径的焊接工艺规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1)从船舶设计软件的API接口读取工件的设计数据，设计数据包括零件列表、焊缝列表及装配信息；
步骤S2)在三维几何模型可视化交互界面拖动旋转工件，将工件在虚拟场景中的摆放方式调整至与实际工位一致，确定焊缝在实际焊接过程中的焊接位置；
步骤S3)根据焊缝的设计属性及其所连接的零件外形提取出焊缝的特征信息；
步骤S4)将机器人按工作区域的方式进行划分，使得工作区域的并集覆盖所有待焊焊缝，每台机器人的工作区域互不相交；
步骤S5)根据工件外形将工件按行列划分为若干单元格，分配所有焊缝到各个单元格中并按焊接位置分组，将焊缝按焊接位置分组，根据焊缝分组以及所属格子间进行焊接排序；
步骤S6)将工艺规则写为匹配表达式，按由特殊到一般进行优先级降序排列，通过表达式对焊缝特征进行计算，若表达式结果为真，将表达式相应的工艺参数赋给焊缝，否则进入下一轮匹配；
步骤S7)将路径点位的生成规则写为表达式，按由特殊到一般进行优先级降序排列，通过表达式对焊缝特征进行计算，若表达式结果为真，根据表达式对应的点位生成规则计算焊缝的路径点位及姿态，否则进入下一轮匹配。
2.根据权利要求1所述的面向船舶中组立结构机器人运动路径的焊接工艺规划方法，其特征在于，使用基于S-表达式的语法描述，表达式的形式为：(运算符表达式/引用字段/常量)；
其中焊缝的设计属性使用“Weld.属性名”的形式表示，焊缝的特征信息使用“Weld.Features.特征名”的形式表示；
例如，长度大于200mm的平焊缝表示为：(And(＝Weld.Position“H”)(>Weld.Wlength200))。
3.根据权利要求1所述的面向船舶中组立结构机器人运动路径的焊接工艺规划方法，其特征在于，步骤S7中的姿态计算方法为：
假设焊枪绕固定坐标系的X、Y、Z轴依次旋转γ、β、α角，沿坐标系的X、Y、Z轴分别偏移x，y，z后达到焊接姿态，则焊枪位姿可用式1表示，将矩阵中的各个元素按行列记为rij得式2；
Figure FDA0002757034290000021
Figure FDA0002757034290000022
根据式3、4、5，分别获得旋转角α、β、γ的值；
α＝atan2(r21,r11) (3)
Figure FDA0002757034290000023
γ＝atan2(r32,r33) (5)。
4.根据权利要求1所述的面向船舶中组立结构机器人运动路径的焊接工艺规划方法，其特征在于，所述步骤S1中，零件列表包含所有零件的标识名称、零件类型、外形轮廓信息，焊缝列表包含所有焊缝的外形信息、焊接位置、接头形式、连接零件信息，装配关系包含零件的装配层次及装配关系。
5.根据权利要求1所述的面向船舶中组立结构机器人运动路径的焊接工艺规划方法，其特征在于，所述步骤S2中，焊缝的特征信息包括焊缝长度、焊接位置、焊缝方位、焊缝起终点处的过焊孔半径、过焊孔所在零件、焊缝连接的板材厚度。
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