CN113334018A - 视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置及方法，装置结构为运动模组、双轴变位机和运动导轨底部固定在地面上，六轴机器人和焊机固定在运动模组上，运动模组带动六轴机器人与焊机一起运动，线激光视觉传感器和焊机焊枪固定在六轴机器人机械末端；管道托架和单轴变位机底部分别安装在运动导轨上，三爪卡盘固定在单轴变位机上；电控柜为各器件提供电源，工控机分别控制六轴机器人、双轴变位机、单轴变位机、运动模组、运动导轨、焊机，线激光视觉传感器和显示屏分别与工控机相连。本发明大大提高自动化焊接效率和焊接质量，有效降低生产成本和工作人员工作强度。操作简单，实用性强，可推广应用性强。

Description

视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于建筑工程管道焊接管道相贯线装置及方法，具体涉及一种视觉引导机器人自动焊接管道相贯线不规则焊缝焊接装置及方法，应用于工程管道焊接领域。

背景技术

在工程管道焊接领域，管道焊接的实际应用的过程中。复杂的三维焊缝，人工示教路径难度大。焊接过程中，忽略了工件的升温导致的热变形，从而无法保证焊接精度；对于同型号工件，由于存在加工误差、环境温差、材料特性等因素的影响，焊缝相对于固定基准，会有一定偏差，人工示教的路径为固定路径，无法实时调整此偏差，从而影响焊接精度。由于工位夹具定位精度，变位机及机械臂的重复运动精度等问题，都有可能影响焊接精度，尤其针对于管道和管道相交的相贯线不规则焊缝，传统焊接更是无法达到合格后使用的焊接效果。因而，对于固定的示教路径的焊接方式，这些影响因素都无法自动排除。人工示教规划路径自动化焊接效率降低且焊接质量高。

发明内容

本发明为了克服上述存在的工程管道相贯线焊缝焊接需要人工示教规划路径，工作强度大操作难度高的问题，提供一种视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置及方法，本发明的视觉引导管道自动焊接机器人工作站适用于不同管道的相贯线不规则焊缝焊接，起到快捷、方便、节约成本，稳定且提高焊接质量。

本发明的技术方案为：

视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置，包括：六轴机器人、双轴变位机、单轴变位机、管道托架、运动模组、运动导轨、焊机、线激光视觉传感器、三爪卡盘、电控柜、显示屏、工控机，其特征在于：运动模组、双轴变位机和运动导轨底部分别固定在地面上，六轴机器人和焊机分别固定在运动模组上，运动模组带动六轴机器人与焊机一起运动，线激光视觉传感器和焊机的焊枪分别固定在六轴机器人的机械末端；管道托架和单轴变位机底部分别安装在运动导轨上，三爪卡盘固定在单轴变位机上；电控柜为各器件提供电源，工控机分别控制六轴机器人、双轴变位机、单轴变位机、运动模组、运动导轨、焊机，线激光视觉传感器和显示屏分别与工控机相连。

视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置的方法，其特征在于按以下步骤进行：

步骤一：工控机通过线激光视觉传感器来感应焊缝空间信息，其次工控机通过图像算法自主确定焊缝空间信息并在显示屏上显示，并控制六轴机器人的机械臂焊接路径和焊枪姿态；

步骤二：工控机通过图像化焊缝自动权值决断算法，以适应任意形状的焊缝；

步骤三：工控机通过智能判别算法，来自动规划六轴机器人焊接的路径，免去人工示教，且焊接路径自主规划算法保证激光视觉传感器寻迹过程随焊缝爬升而调整焊枪姿态示意以达到焊接质量要求。

视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置的方法，具体按以下步骤进行：

步骤一：桁车将已经点焊上带支管的主管道摆放至的单轴变位机上三爪卡盘中，使主管道依靠重力自然垂直向下放置在管道托架上，手动锁紧三爪卡盘定工件；

步骤二：启动工控机，打开显示屏，并设置相贯线焊缝焊接的安全起点、焊接终点和支管尺寸及距离夹具的水平距离，六轴机器人通过运动模组滑动至带支管的主管道的上方，并将六轴机器人的机械臂运行至要焊接相贯线焊焊缝的上方，通过机械臂前端的线激光视觉传感器，在人机交互的显示屏中，选取焊缝起始点和终点；

步骤三：六轴机器人的机械臂运行至选取的相贯线焊缝位置正上方，并下降，在此过程中，线激光视觉传感器持续工作，由线激光视觉传感器判断焊缝离焊接点的距离，当焊缝与线激光视觉传感器达到工作范围内时，六轴机器人的机械臂停止下降；

步骤四：通过线激光视觉传感器的扫描焊缝的三维坐标(X、Y、Z)，引导六轴机器人的机械臂完成起始点至终止点的焊缝寻迹，并自动记忆寻迹路径，包括复杂的三维焊缝，通过实际扫描的焊缝路径数据修正预设的相贯线焊缝模型；

步骤五：开启焊接：带支管的主管道相贯线焊缝开始正式焊接，六轴机器人的机械臂按照修正后的相贯线模型，以机械臂面对A点至B点逆时针相贯线焊缝，开始焊接；

步骤六：在焊接过程中，通过线激光视觉传感器的跟踪功能，实时修正相贯线焊缝焊接焊接路径，自动排除焊接误差；

步骤七：待A点至B点逆时针相贯线焊缝焊接完毕后，六轴机器人的机械臂开始上移至安全区域，单轴变位机开始旋转，使带支管的主管道上B点至A点逆时针相贯线焊缝面对六轴机器人的机械臂，并翻转至相应位置；

步骤八：重复步骤三～六操作，焊接完成B点至A点逆时针相贯线焊缝；

步骤九：相贯线焊缝焊接完成，待冷却完成将焊接完成的管道从管道托架卸下。

本发明以单一激光视觉传感器在六轴机器人手臂末端上，利用工控机的图像算法识别任意类型的焊缝坡口，并通过工控机规划运动路径，从而实现对任意三维空间的焊缝进行自主寻迹，同时获得焊缝坡口的三维朝向信息，来解决对直角或锐角拐点的寻迹。

1)通过工控机上图像化的焊缝选取，通过显示屏上图形化界面，工作人员可以快速选取相贯线焊缝特征。

2)通过工控机上智能寻迹，自动完成由起始点至终止点的焊缝寻迹，并记忆此焊缝的位置以及六轴机器人的姿态。通过线激光视觉传感器与六轴机器人的闭环控制，可以实现自动寻迹过程。

3)通过智能跟踪，对于不同批次的工件，由于工件的加工公差、工件定位误差导致的焊缝整体偏移，通过线激光的跟踪功能，可实时纠正此整体偏差，确保焊接精度，并且可以有效排除管道在焊接过程中热形变引起焊接精度的误差。

4)本发明操作简单，用户只需要通过显示屏上可视化界面，调整六轴机器人到焊缝的地方，通过在显示屏的界面上框选焊缝的特征，即可开始自动寻迹以及焊接。

本发明解决了工程管道装配领域管道相贯线焊缝焊接的实际应用的过程中，避免了人工示教的路径为固定路径，无法实时调整此偏差，从而影响焊接的质量。尤其对于复杂的相贯线焊缝，人工示教难度大，效率低。避免了工件的升温导致的热变形，从而造成焊接的质量受到影响。视觉引导管道焊接机器人的工作站能自动寻迹跟踪焊缝，提高了生产效率以及管道的焊接质量，降低焊接工人劳动强度，减少人工焊接风险。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的管道相贯线焊缝焊接的结构示意图。

图3为本发明的相贯线焊缝示意图。

图4为本发明的相贯线焊缝焊接流程图。

具体实施方式

附图对本发明作进一步描述。

本发明的结构框架：

如图1所示，本发明的视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置，包括：六轴机器人5、双轴变位机8、单轴变位机9、管道托架7、运动模组4、运动导轨6、焊机13、SA-L165线激光视觉传感器11、三爪卡盘10、电控柜3、显示屏2、工控机1，其特征在于：运动模组4、双轴变位机8和运动导轨6底部分别固定在地面上，六轴机器人5和焊机13分别固定在运动模组4上，运动模组4带动六轴机器人5与焊机13一起运动，SA-L165线激光视觉传感器11和焊机13的焊枪12分别固定在六轴机器人5的机械末端；管道托架7和单轴变位机9底部分别安装在运动导轨6上，三爪卡盘10固定在单轴变位机9上；电控柜3为各器件提供电源，工控机1分别控制六轴机器人5、双轴变位机8、单轴变位机9、运动模组4、运动导轨6、焊机13，SA-L165线激光视觉传感器11和显示屏2分别与工控机1相连。本发明的六轴机器人5、双轴变位机8、单轴变位机9、管道托架7、运动模组4、运动导轨6、焊机13、SA-L165线激光视觉传感器11、三爪卡盘10、电控柜3、显示屏2、工控机1均为现有结构。工控机1安装的图像算法、图像化焊缝自动权值决断算法、智能判别算法、自主规划算法及智能跟踪算法均为现有的。

如图2所示，视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置的方法，其特征在于按以下步骤进行：

步骤一：工控机通过线激光视觉传感器来感应焊缝空间信息，其次工控机通过图像算法自主确定焊缝空间信息并在显示屏上显示，并控制六轴机器人的机械臂焊接路径和焊枪姿态；

步骤二：工控机通过图像化焊缝自动权值决断算法，以适应任意形状的焊缝；

步骤三：工控机通过智能判别算法，来自动规划六轴机器人焊接的路径，免去人工示教，且焊接路径自主规划算法保证激光视觉传感器寻迹过程随焊缝爬升而调整焊枪姿态示意以达到焊接质量要求，例如保持焊枪工作角与焊缝轨迹的法线或其他工作角一致。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置的方法，具体步骤如下：

步骤一：桁车将已经点焊上带支管的主管道14摆放至本发明装置的单轴变位机9上三爪卡盘10中，使主管道14依靠重力自然垂直向下放置在管道托架7上，手动锁紧三爪卡盘10固定工件；

步骤二：启动工控机1，打开显示屏2，并设置相贯线焊缝焊接的安全起点、焊接终点和支管尺寸及距离夹具的水平距离，六轴机器人5通过运动模组4滑动至带支管的主管道14的上方，并将六轴机器人5的机械臂运行至要焊接相贯线焊焊缝的上方，通过机械臂前端的SA-L165线激光视觉传感器11，在人机交互的显示屏2中，选取焊缝起始点和终点；

步骤三：六轴机器人5的机械臂运行至选取的相贯线焊缝位置正上方，并缓慢下降，在此过程中，SA-L165线激光视觉传感器11持续工作，由SA-L165线激光视觉传感器11判断焊缝离焊接点的距离，当焊缝与线激光视觉传感器11达到工作范围内时，六轴机器人5的机械臂停止下降；

步骤四：通过线激光视觉传感器11的扫描焊缝的三维坐标(X、Y、Z)，引导六轴机器人5的机械臂完成起始点至终止点的焊缝寻迹，并自动记忆寻迹路径(包括复杂的三维焊缝)，通过实际扫描的焊缝路径数据修正预设的相贯线焊缝模型；

步骤五：开启焊接：带支管的主管道14相贯线焊缝开始正式焊接，六轴机器人5的机械臂按照修正后的相贯线模型，以机械臂面对A点至B点逆时针(含180度)相贯线焊缝，如图3所示，开始焊接；

步骤六：在焊接过程中，通过SA-L165线激光视觉传感器11的跟踪功能，实时修正相贯线焊缝焊接焊接路径，自动排除焊接误差；

步骤七：待A点至B点逆时针相贯线焊缝焊接完毕后，如图3所示，六轴机器人5的机械臂开始上移至安全区域，单轴变位机9开始旋转，使带支管的主管道14上B点至A点逆时针相贯线焊缝面对六轴机器人5的机械臂，并翻转至相应位置；

步骤八：重复步骤三～六操作，焊接完成B点至A点逆时针相贯线焊缝；

步骤九：相贯线焊缝焊接完成，待冷却完成将焊接完成的管道从管道托架7卸下。

相贯线焊缝的焊接：通过三爪卡盘10固定主管道14，主管道14可以在管道托架7上进行旋转，完成支管管道15与主管道14的相贯线的整体焊接，如图2所示。

Claims (3)

1.视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置，包括：六轴机器人、双轴变位机、单轴变位机、管道托架、运动模组、运动导轨、焊机、线激光视觉传感器、三爪卡盘、电控柜、显示屏、工控机，其特征在于：运动模组、双轴变位机和运动导轨底部分别固定在地面上，六轴机器人和焊机分别固定在运动模组上，运动模组带动六轴机器人与焊机一起运动，线激光视觉传感器和焊机的焊枪分别固定在六轴机器人的机械末端；管道托架和单轴变位机底部分别安装在运动导轨上，三爪卡盘固定在单轴变位机上；电控柜为各器件提供电源，工控机分别控制六轴机器人、双轴变位机、单轴变位机、运动模组、运动导轨、焊机，线激光视觉传感器和显示屏分别与工控机相连。

2.利用权利要求1所述的视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置的方法，其特征在于按以下步骤进行：

步骤一：工控机通过线激光视觉传感器来感应焊缝空间信息，其次工控机通过图像算法自主确定焊缝空间信息并在显示屏上显示，并控制六轴机器人的机械臂焊接路径和焊枪姿态；

步骤二：工控机通过图像化焊缝自动权值决断算法，以适应任意形状的焊缝；

步骤三：工控机通过智能判别算法，来自动规划六轴机器人焊接的路径，免去人工示教，且焊接路径自主规划算法保证激光视觉传感器寻迹过程随焊缝爬升而调整焊枪姿态示意以达到焊接质量要求。

3.根据权利要求2所述的视觉引导机器人自动焊接管道相贯线装置的方法，其特征在于具体按以下步骤进行：

步骤一：桁车将已经点焊上带支管的主管道摆放至的单轴变位机上三爪卡盘中，使主管道依靠重力自然垂直向下放置在管道托架上，手动锁紧三爪卡盘定工件；

步骤二：启动工控机，打开显示屏，并设置相贯线焊缝焊接的安全起点、焊接终点和支管尺寸及距离夹具的水平距离，六轴机器人通过运动模组滑动至带支管的主管道的上方，并将六轴机器人的机械臂运行至要焊接相贯线焊焊缝的上方，通过机械臂前端的线激光视觉传感器，在人机交互的显示屏中，选取焊缝起始点和终点；

步骤三：六轴机器人的机械臂运行至选取的相贯线焊缝位置正上方，并下降，在此过程中，线激光视觉传感器持续工作，由线激光视觉传感器判断焊缝离焊接点的距离，当焊缝与线激光视觉传感器达到工作范围内时，六轴机器人的机械臂停止下降；

步骤四：通过线激光视觉传感器的扫描焊缝的三维坐标(X、Y、Z)，引导六轴机器人的机械臂完成起始点至终止点的焊缝寻迹，并自动记忆寻迹路径，包括复杂的三维焊缝，通过实际扫描的焊缝路径数据修正预设的相贯线焊缝模型；

步骤五：开启焊接：带支管的主管道相贯线焊缝开始正式焊接，六轴机器人的机械臂按照修正后的相贯线模型，以机械臂面对A点至B点逆时针相贯线焊缝，开始焊接；

步骤六：在焊接过程中，通过线激光视觉传感器的跟踪功能，实时修正相贯线焊缝焊接焊接路径，自动排除焊接误差；

步骤七：待A点至B点逆时针相贯线焊缝焊接完毕后，六轴机器人的机械臂开始上移至安全区域，单轴变位机开始旋转，使带支管的主管道上B点至A点逆时针相贯线焊缝面对六轴机器人的机械臂，并翻转至相应位置；

步骤八：重复步骤三～六操作，焊接完成B点至A点逆时针相贯线焊缝；

步骤九：相贯线焊缝焊接完成，待冷却完成将焊接完成的管道从管道托架卸下。

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