CN112719702B - 一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置及方法。基于管路三维数模，由数模解析软件开展装配位姿、在线检测及焊接路径规划，由机器人抓取法兰，并与六自由度平台上的管路进行粗略对中。非接触式在线测量系统依次扫描法兰及管路，并将数据反馈至数模解析软件，控制六自由度平台进行管路与法兰精准对中；焊接机器人的视觉系统自动捕捉焊缝位置，并实施点焊，点焊完成后，法兰抓取机器人脱离法兰。焊接机器人再次实施装配焊接，对于局部不可达的焊缝位置，六自由度平台根据焊接机器人反馈的无法焊接焊缝位置信息，自动调姿，辅助焊接机器人完成焊接工作。适宜作为一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置及方法应用。

Description

一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置及方法

技术领域

本发明属于船舶智能制造技术领域，涉及到数模驱动的复杂管路智能装配与焊接，特别涉及一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置及方法。

背景技术

目前，复杂管路装配与焊接主要通过人工搭建管路与待焊接附件的限、定位工装，依靠测量器具人为约束待焊接件位置，并进行手工焊接。此种方法效率低、劳动强度大、装焊质量不可控，加工完毕的管路缺乏有效测量。

此外，在某些场合的案例中，有利用人工将管路与待焊接附件固定于旋转工装上，焊口随着焊接机器人边焊接边旋转，但此种方法的缺点在于：旋转对管路的弯曲路径及尺寸限制较大、通用化程度低，只适用于一些空间姿态简单的小管路。其次，管路与待焊接附件的对中工作还需人为干预，这便削减了管路装配、焊接的制作精度及智能化程度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置及方法，本发明通过人机交互自动实现管路与待焊接附件的精准对中，六自由度平台将根据焊接机器人视觉系统实时在线调整姿态，以此辅助焊接，克服管路装配精确度不足、效率低、待焊接管路外观形状、尺寸受焊接工装限制等缺点。通过非接触式在线测量系统可及时、准确测量焊后成型组件精度，解决复杂管路智能装配与焊接的技术问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置包括六自由度平台、装配在六自由度平台上的定位夹具、笼罩六自由度平台的桁架、非接触式在线测量系统、法兰抓取机器人、焊接机器人和上位机系统；在六自由度平台上设置有用于限位固定待焊接管路和待焊接法兰的定位夹具，六自由度平台一端设置有焊接机器人，焊接机器人的侧部设有法兰抓取机器人；桁架上部设置有非接触式在线测量系统，非接触式在线测量系统依次扫描待焊接管路及待焊接法兰，并将管路三维信息将传送至上位机系统数模解析软件，上位机系统反馈信息与三维数模信息比对后，控制六自由度平台管路装配，焊接机器人完成待焊接管路与待焊接法兰的焊接。

为了进一步的解决本发明所要解决的技术问题，在本发明的焊接机器人中，所述焊接机器人设有视觉识别系统，自动捕捉焊缝位置，进行组件点焊固定，抓取机器人脱离，焊接机器人联动六自由度平台，同步完成管道环焊缝的360度旋转焊接，焊接安成后非接触式在线测量系统检测焊后成型组件精度；

进一步的，对于焊接机器人局部不可达的焊缝位置，其可联动六自由度平台实时在线调整焊缝空间姿态，进而完成全焊缝的焊接工作。

应用一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置的方法，包括以下步骤：

1)上位机系统基于待装配、焊接管路的三维数模信息，数模解析软件自动进行复杂弯管组件的装配位姿、在线检测及焊接路径规划。

2)法兰抓取机器人根据数模解析软件规划的对中路径，从法兰螺孔定位工装上抓取待焊接法兰，并与固定在六自由度平台上待焊接管路的法兰装配管路端面进行首次粗略位置对中。

3)装配于桁架上的非接触式在线测量系统，按照上位机系统的规划路径，依次扫描首次粗略位置对中、装配后的待焊接法兰、待焊接管路，扫描结果上传至上位机系统。

4)数模解析软件将扫描的管路组件形位及接口处偏差，与三维数模进行比对，自动计算管路的位姿调整数据，上传至控制系统，六自由度运动平台接收控制系统指令，进行管子位姿精确微调，完成管路组件精准对中，并在线检测确认对中结果。

5)焊接机器人的视觉自动识别系统，自动捕捉精准对中后的待焊接管路与法兰抓取机器人机械抓手中的待焊接法兰之间的焊缝位置，并对焊缝进行点焊，以此固定焊接法兰。

6)点焊工序完成后，法兰抓取机器人脱离待焊接法兰，自动复位至初始工位；焊接机器人将继续对未焊接焊缝进行焊接，焊接机器人联动六自由度平台，同步完成管道环焊缝的360度旋转焊接，焊接完成后非接触式在线测量系统检测焊后成型组件精度。

7)对于焊接机器人局部不可达的焊缝位置，六自由度平台将根据焊接机器人反馈的无法焊接焊缝位置信息，实时调整空间姿态，进而改变焊缝的空间位置，辅助焊接机器人完成所有焊口的焊接工作，焊接完成后非接触式在线测量系统检测焊后成型组件精度，重复上述步骤直至符合焊接要求。

积极效果，复杂管路的智能装配与焊接以人机交互为基础，通过计算机三维数模驱动，无需专用工装。利用智能装配与自动焊接技术领域交叉结合，快速、精确制得成型产品。由于本发明通过非接触式在线测量系统反馈数据实现管路与待焊接附件的对中，装配便捷、快速、准确；六自由度平台实时在线辅助焊接机器人开展焊接工作，对待焊接管路空间姿态、尺寸限制较小，自动化、智能化程度高，复杂管路的装配焊接成型精度高。适宜作为一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置及方法应用。

附图说明

图1为本发明主视结构示意图；

图2为本发明移除法兰抓取机器人和焊接机器人后的俯视结构示意图。

图中：1.桁架；2.非接触式在线测量系统；3.法兰抓取机器人；4.焊接机器人；5.待焊接法兰；6.待焊接管路；7.定位夹具；8.六自由度平台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，在不矛盾或冲突的情况下，本发明的所有实施例、实施方式以及特征可以相互组合。在本发明中，常规的设备、装置、部件等，既可以商购，也可以根据本发明公开的内容自制。在本发明中，为了突出本发明的重点，对一些常规的操作和设备、装置、部件进行的省略，或仅作简单描述。

据图所示，一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置包括六自由度平台8、装配在六自由度平台8上的定位夹具7、笼罩六自由度平台8的桁架1、非接触式在线测量系统2、法兰抓取机器人3、焊接机器人4和上位机系统；在六自由度平台8上设置有用于限位固定待焊接管路6和待焊接法兰5的定位夹具7，六自由度平台8一端设置有焊接机器人4，焊接机器人4的侧部设有法兰抓取机器人3；桁架1上部设置有非接触式在线测量系统2，非接触式在线测量系统2依次扫描待焊接管路6及待焊接法兰5，并将管路三维信息将传送至上位机系统数模解析软件，上位机系统反馈信息与三维数模信息比对后，控制六自由度平台8管路装配，焊接机器人4完成待焊接管路6与待焊接法兰5的焊接。

所述六自由度平台8设有固定夹具7和滑动夹具，可对不同形状的复杂管路实现快速、准确固定；由定位夹具7固定其上的待焊接管路，提供沿x轴方向平移与旋转、沿y轴方向平移与旋转、沿z轴方向平移与旋转的六个自由度。

所述非接触式在线测量系统2可通过其本体竖直滑轨、桁架1上的水平滑轨以及扫描头处两台伺服电机相互配合，共同实现沿x轴方向平移与旋转、沿y轴方向平移、沿z轴方向平移与旋转五个自由度运动。

所述焊接机器人4设有视觉识别系统，自动捕捉焊缝位置，进行组件点焊固定，抓取机器人脱离，焊接机器人4联动六自由度平台8，同步完成管道环焊缝的360度旋转焊接，焊接安成后非接触式在线测量系统2检测焊后成型组件精度；

对于焊接机器人4局部不可达的焊缝位置，其可联动六自由度平台8实时在线调整焊缝空间姿态，进而完成全焊缝的焊接工作。

所述上位机系统的数模解析软件提取管件三维数模信息，为管件在六自由度平台8上的定位提供坐标信息，并根据解析数据自动规划非接触式在线测量系统2的扫描路径，以及管路与法兰的装配路径。

应用一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置的方法，包括以下步骤：

1)上位机系统基于待装配、焊接管路的三维数模信息，数模解析软件自动进行复杂弯管组件的装配位姿、在线检测及焊接路径规划。

2)法兰抓取机器人3根据数模解析软件规划的对中路径，从法兰螺孔定位工装上抓取待焊接法兰5，并与固定在六自由度平台8上待焊接管路6的法兰装配管路端面进行首次粗略位置对中。

3)装配于桁架1上的非接触式在线测量系统2，按照上位机系统的规划路径，依次扫描首次粗略位置对中、装配后的待焊接法兰5、待焊接管路6，扫描结果上传至上位机系统。

4)数模解析软件将扫描的管路组件形位及接口处偏差，与三维数模进行比对，自动计算管路的位姿调整数据，上传至控制系统，六自由度运动平台8接收控制系统指令，进行管子位姿精确微调，完成管路组件精准对中，并在线检测确认对中结果。

5)焊接机器人4的视觉自动识别系统，自动捕捉精准对中后的待焊接管路6与法兰抓取机器人3机械抓手中的待焊接法兰5之间的焊缝位置，并对焊缝进行点焊，以此固定焊接法兰5。

6)点焊工序完成后，法兰抓取机器人3脱离待焊接法兰5，自动复位至初始工位；焊接机器人4将继续对未焊接焊缝进行焊接，焊接机器人4联动六自由度平台8，同步完成管道环焊缝的360度旋转焊接，焊接完成后非接触式在线测量系统2检测焊后成型组件精度。

7)对于焊接机器人4局部不可达的焊缝位置，六自由度平台8将根据焊接机器人4反馈的无法焊接焊缝位置信息，实时调整空间姿态，进而改变焊缝的空间位置，辅助焊接机器人4完成所有焊口的焊接工作，焊接完成后非接触式在线测量系统2检测焊后成型组件精度，重复上述步骤直至符合焊接要求。

本发明的工作原理：

基于管路三维数模，由数模解析软件开展装配位姿、在线检测及焊接路径规划，由法兰抓取机器人3抓取待焊接法兰5，并与六自由度平台8上的待焊接管路6进行粗略对中。非接触式在线测量系统2依次扫描待焊接法兰5及待焊接管路6，并将数据反馈至数模解析软件，控制六自由度平台8进行管路与法兰精准对中；焊接机器人4的视觉系统自动捕捉焊缝位置，并实施点焊，点焊完成后，法兰抓取机器人3脱离待焊接法兰5，焊接机器人4再次实施装配焊接，对于局部不可达的焊缝位置，六自由度平台8根据焊接机器人4反馈的无法焊接焊缝位置信息，自动调姿，辅助焊接机器人4完成焊接工作。焊接完成后非接触式在线测量系统2检测焊后成型组件精度。本发明可快速装配、焊接复杂管路，具有速度快，精度高等特点。

本发明的工作过程：

基于待装配、焊接管路的三维数模信息，数模解析软件自动进行复杂管路组件的装配位姿、在线检测及焊接路径规划。

首先，法兰抓取机器人3根据上位机系统规划的对中路径，将焊接法兰5从法兰螺孔定位工装上抓取起来，并与固定在六自由度平台8上待焊接管路6的法兰焊接管路端面及端面轴线进行首次粗略位置对中。

其次，非接触式在线测量系统2依次扫描待焊接管路6及待焊接法兰5，扫描后的法兰与管路三维空间位置信息将传至数模解析软件。

再其次，上位机系统将反馈到的位置信息与三维数模进行比对，自动计算管路的位姿调整数据，上传至控制系统，六自由度平台8接收控制系统指令，进行管路位姿精确微调，完成管路组件精准对中，并在线检测确认。

最后，焊接机器人4的视觉自动识别系统将自动捕捉焊缝位置，对待焊接管路6与待焊接法兰5之间的焊缝首先进行点焊，以此固定待焊接法兰5，点焊工序完成后，法兰抓取机器人3将脱离待焊接法兰5，自动复位至初始工位，焊接机器人4将继续对未焊接焊缝进行焊接；

对于焊接机器人4局部不可达的焊缝位置，六自由度平台8将根据焊接机器人4所反馈的无法焊接焊缝位置信息，实时联动焊接机器人4调整空间姿态，进而改变焊缝空间位置，辅助焊接机器人4完成所有焊缝的焊接工作，焊接完成后非接触式在线测量系统2检测焊后成型组件精度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置，其特征是：包括六自由度平台（8）、装配在六自由度平台（8）上的定位夹具（7）、笼罩六自由度平台（8）的桁架（1）、非接触式在线测量系统（2）、法兰抓取机器人（3）、焊接机器人（4）和上位机系统；在六自由度平台（8）上设置有用于限位固定待焊接管路（6）和待焊接法兰（5）的定位夹具（7），六自由度平台（8）一端设置有焊接机器人（4），焊接机器人（4）的侧部设有法兰抓取机器人（3）；桁架（1）上部设置有非接触式在线测量系统（2），非接触式在线测量系统（2）依次扫描待焊接管路（6）及待焊接法兰（5），并将管路三维信息将传送至上位机系统数模解析软件，上位机系统反馈信息与三维数模信息比对后，控制六自由度平台（8）管路装配，焊接机器人（4）完成待焊接管路（6）与待焊接法兰（5）的焊接；

应用一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置的方法，包括以下步骤：

1).上位机系统基于待装配、焊接管路的三维数模信息，数模解析软件自动进行复杂弯管组件的装配位姿、在线检测及焊接路径规划；

2).法兰抓取机器人（3）根据数模解析软件规划的对中路径，从法兰螺孔定位工装上抓取待焊接法兰（5），并与固定在六自由度平台（8）上待焊接管路（6）的法兰装配管路端面进行首次粗略位置对中；

3).装配于桁架（1）上的非接触式在线测量系统（2），按照上位机系统的规划路径，依次扫描首次粗略位置对中、装配后的待焊接法兰（5）、待焊接管路（6），扫描结果上传至上位机系统；

4).数模解析软件将扫描的管路组件形位及接口处偏差，与三维数模进行比对，自动计算管路的位姿调整数据，上传至控制系统，六自由度运动平台（8）接收控制系统指令，进行管路位姿精确微调，完成管路组件精准对中，并在线检测确认对中结果；

5).焊接机器人（4）的视觉自动识别系统，自动捕捉精准对中后的待焊接管路（6）与法兰抓取机器人（3）机械抓手中的待焊接法兰（5）之间的焊缝位置，并对焊缝进行点焊，以此固定待焊接法兰（5）；

6).点焊工序完成后，法兰抓取机器人（3）脱离待焊接法兰（5），自动复位至初始工位；焊接机器人（4）将继续对未焊接焊缝进行焊接，焊接机器人（4）联动六自由度平台（8），同步完成管道环焊缝的360度旋转焊接，焊接完成后非接触式在线测量系统（2）检测焊后成型组件精度；

7).对于焊接机器人（4）局部不可达的焊缝位置，六自由度平台（8）将根据焊接机器人（4）反馈的无法焊接焊缝位置信息，实时调整空间姿态，进而改变焊缝的空间位置，辅助焊接机器人（4）完成所有焊口的焊接工作，焊接完成后非接触式在线测量系统（2）检测焊后成型组件精度，重复上述步骤直至符合焊接要求。

2.根据权利要求1所述的一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置，其特征是：

所述六自由度平台（8）设有定位夹具（7）和滑动夹具，可对不同形状的复杂管路实现快速、准确固定；由定位夹具（7）固定其上的待焊接管路，提供沿x轴方向平移与旋转、沿y轴方向平移与旋转、沿z轴方向平移与旋转的六个自由度。

3.根据权利要求1所述的一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置，其特征是：

所述非接触式在线测量系统（2）可通过其本体竖直滑轨、桁架（1）上的水平滑轨以及扫描头处两台伺服电机相互配合，共同实现沿x轴方向平移与旋转、沿y轴方向平移、沿z轴方向平移与旋转五个自由度运动。

4.根据权利要求1所述的一种复杂管路智能装配与焊接一体化装置，其特征是：

所述上位机系统的数模解析软件提取管件三维数模信息，为管件在六自由度平台（8）上的定位提供坐标信息，并根据解析数据自动规划非接触式在线测量系统（2）的扫描路径，以及管路与法兰的装配路径。

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