CN113510411A - 一种管道机器人焊接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道机器人焊接系统，涉及机器人。可移动平台设在第一轨道上，设有：上料框；滑台，设在上料框一侧；搬运机器人，搬运机器人上设置有：图像采集装置；手爪；焊接机器人，焊接机器人上设置有：焊枪；第二导轨上设有：第一变位机，可沿第二导轨移动；第二变位机，设置在第二导轨一侧；第一变位机和第二变位机上分别设置有三爪卡盘；控制器，分别连接可移动平台、搬运机器人、焊接机器人、第一变位机和第二变位机，用于控制可移动平台移动，搬运机器人搬运支管，焊接机器人进行焊接和控制第一、二变位机转动。具有以下有益效果：提高了焊接的质量和焊接效率，并降低了焊接成本。

Description

一种管道机器人焊接系统及方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种管道机器人焊接系统。

背景技术

管道运输是对流体的最常用的运输方式之一，管道运输具有占地空间小、成本低等特点。在管道组成的管路系统中，管道通常分为主管和支管，其中主管主要起到运输的作用，支管用于实现一系列特定的功能，管道作为长距离运输的一种重要手段，由于主管上连接有非常多的支管，管道在长距离运输中是否安全可靠与支管和主管之间的焊接技术密不可分。现阶段管道系统中支管和主管的焊接方式主要采用人工手持焊接。

目前较多采用的人工焊接方式，存在劳动强度大、工作效率低、成本高等不足，并且由于管道可能支路繁多复杂，人工的焊接难度大，同时人工焊接容易出现漏焊或者焊接质量达不到要求的情况，满足不了管道安全可靠的长距离输送。

为了实现提高管道焊接的质量，降低焊接成本和提高焊接效率的目的，开发了一种管道机器人焊接系统及方法。

发明内容

本发明为了解决上述问题，现提出一种管道机器人焊接系统，管道包括一主管和至少一支管，所述主管上具有对应于各所述支管的若干焊缝；所述管道机器人焊接系统包括：

上料框，所述上料框中放置有若干所述支管；

搬运机器人，所述搬运机器人上设置有：

图像采集装置，设置在所述搬运机器人的末端；

手爪，设置在所述搬运机器人的末端，用于抓取所述支管；

焊接机器人，所述焊接机器人通过设置在所述焊接机器人末端的焊枪将所述支管焊接在所述主管上；

控制器，分别连接所述图像采集装置、所述搬运机器人和所述焊接机器人，所述控制器包括：

第一控制模块，用于根据外部的焊接指令控制所述搬运机器人带动所述图像采集装置移动至所述上料框上方，并进行拍照得到支管图像；

第一处理模块，连接所述第一控制模块，用于将所述支管图像与预先存储的支管标准图像进行比对获得支管相似值，将所述支管相似值与预先设置的支管相似阈值进行比较，并在所述支管相似值大于所述支管相似阈值时输出第一控制指令；

第二控制模块，连接所述第一处理模块，用于根据所述第一控制指令控制所述搬运机器人从所述上料框中抓取所述支管，在抓取操作完成后控制所述搬运机器人带动所述图像采集装置移动至所述主管的对应所述焊缝的上方，并进行拍照得到焊缝图像；

第二处理模块，连接所述第二控制模块，用于将所述焊缝图像和预先存储的焊缝标准图像进行比较获得焊缝相似值，并将所述焊缝相似值与预先设置的焊缝相似阈值进行比较，且在所述焊缝相似值大于所述焊缝相似阈值时输出第二控制指令；

第三控制模块，连接所述第二处理模块，用于根据所述第二控制指令控制所述搬运机器人将所述支管搬运至所述焊缝处，以及控制所述焊接机器人带动所述焊枪移动至所述焊缝处以将所述支管焊接在所述主管上；

所述控制器控制所述图像采集装置、所述搬运机器人和所述焊接机器人重复上述焊接过程，直至所有所述支管焊接至所述主管上，完成管道焊接操作。

优选的，所述管道还包括至少一吊耳；

则所述焊接机器人上还设置有一激光传感器，连接所述控制器，所述控制器通过所述激光传感器的激光检测结果控制所述焊接机器人通过激光寻位的方式将所述吊耳焊接至所述主管上。

优选的，还包括一滑台，设置在所述上料框一侧，用于对所述支管进行位置调整。

优选的，还包括一可移动平台，所述上料框、所述滑台、所述搬运机器人和所述焊接机器人分别设置在所述可移动平台上。

优选的，所述可移动平台设置在第一导轨上，且所述可移动平台连接所述控制器，并在所述控制器的控制作用下带动所述上料框、所述滑台、所述搬运机器人和所述焊接机器人沿所述第一导轨移动。

优选的，还包括一主管固定装置，所述主管固定装置包括：

第一变位机，设置在与所述第一导轨平行的一所述第二导轨上，且可沿所述第二导轨移动；

第二变位机，固定设置在所述第二导轨的一侧，所述主管通过所述第一变位机和所述第二变位机固定于所述第二导轨上。

优选的，所述第一变位机和所述第二变位机上分别设置有三爪卡盘，用于将所述主管的两端分别固定在所述三爪卡盘中，且所述第一变位机和所述第二变位机带动所述主管沿所述主管的轴向转动。

优选的，所述第二导轨上设置有若干滚轮架，所述滚轮架设置在所述第一变位机和所述第二变位机之间，用于支撑并配合所述主管在所述第一变位机和所述第二变位机带动下进行转动。

一种管道机器人焊接方法，应用于一种管道机器人焊接系统，包括以下步骤：

步骤S1，所述管道机器人焊接系统根据外部的焊接指令控制所述搬运机器人带动所述图像采集装置移动至所述上料框上方，并进行拍照得到支管图像；

步骤S2，所述管道机器人焊接系统将所述支管图像与预先存储的支管标准图像进行比对获得支管相似值，将所述支管相似值与预先设置的支管相似阈值进行比较：

若所述支管相似值大于所述支管相似阈值，则转向步骤S3；

若所述支管相似值不大于所述支管相似阈值，则转向所述步骤S1；

步骤S3，所述管道机器人焊接系统控制所述搬运机器人从所述上料框中抓取所述支管，在抓取操作完成后控制所述搬运机器人带动所述图像采集装置移动至所述主管的对应所述焊缝的上方，并进行拍照得到焊缝图像；

步骤S4，所述管道机器人焊接系统将所述焊缝图像和预先存储的焊缝标准图像进行比较获得焊缝相似值，并将所述焊缝相似值与预先设置的焊缝相似阈值进行比较：

若所述焊缝相似值大于所述焊缝相似阈值，则转向步骤S5；

若所述焊缝相似值不大于所述焊缝相似阈值，则转向所述步骤S3；

步骤S5，所述管道机器人焊接系统控制所述搬运机器人将所述支管搬运至所述焊缝处，以及控制所述焊接机器人带动所述焊枪移动至所述焊缝处以将所述支管焊接在所述主管上；

重复执行上述所述步骤S1至所述步骤S5，直至所有所述支管焊接至所述主管上，完成管道焊接操作。

优选的，所述管道还包括至少一吊耳，所述焊接机器人上还设置有一激光传感器，则还包括一吊耳焊接的过程：

所述管道机器人焊接系统根据所述激光传感器的激光检测结果控制所述焊接机器人通过激光寻位的方式将所述吊耳焊接至所述主管上。

具有以下有益效果：

本发明管道机器人焊接系统，通过自动控制搬运机器人和焊接机器人将支管和吊耳焊接到主管上，提高了管道焊接的质量和焊接效率，并降低了焊接成本。

附图说明

图1为本发明较佳的实施例中，一种管道机器人焊接系统的结构示意图；

图2为本发明较佳的实施例中，图像采集装置和手爪的结构示意图；

图3为本发明较佳的实施例中，焊枪和激光传感器的结构示意图；

图4为本发明较佳的实施例中，一种管道机器人焊接系统的系统结构图；

图5为本发明较佳的实施例中，一种管道机器人焊接方法的流程示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明为了解决上述问题，现提出一种管道机器人焊接系统，如图1至图4所示，管道包括一主管和至少一支管，主管上具有对应于各支管的若干焊缝；管道机器人焊接系统包括：

上料框2，上料框2中放置有若干支管；

搬运机器人4，搬运机器人4上设置有：

图像采集装置41，设置在搬运机器人4的末端；

手爪42，设置在搬运机器人4的末端，用于抓取支管；

焊接机器人5，焊接机器人5通过设置在焊接机器人5末端的焊枪51将支管焊接在主管上；

控制器8，分别连接图像采集装置41、搬运机器人4和焊接机器人5，控制器8包括：

第一控制模块81，用于根据外部的焊接指令控制搬运机器人带动图像采集装置移动至上料框上方，并进行拍照得到支管图像；

第一处理模块82，连接第一控制模块81，用于将支管图像与预先存储的支管标准图像进行比对获得支管相似值，将支管相似值与预先设置的支管相似阈值进行比较，并在支管相似值大于支管相似阈值时输出第一控制指令；

第二控制模块83，连接第一处理模块82，用于根据第一控制指令控制搬运机器人从上料框中抓取支管，在抓取操作完成后控制搬运机器人带动图像采集装置移动至主管的对应焊缝的上方，并进行拍照得到焊缝图像；

第二处理模块84，连接第二控制模块83，用于将焊缝图像和预先存储的焊缝标准图像进行比较获得焊缝相似值，并将焊缝相似值与预先设置的焊缝相似阈值进行比较，且在焊缝相似值大于焊缝相似阈值时输出第二控制指令；

第三控制模块85，连接第二处理模块84，用于根据第二控制指令控制搬运机器人将支管搬运至焊缝处，以及控制焊接机器人带动焊枪移动至焊缝处以将支管焊接在主管上；

控制器8控制图像采集装置41、搬运机器人4和焊接机器人5重复上述焊接过程，直至所有支管焊接至主管上，完成管道焊接操作。

具体地，本实施例中，本发明为了实现提高管道焊接的质量，降低焊接成本和提高焊接效率的目的，开发了管道机器人焊接系统，上料框2，用于放置若干支管；搬运机器人4，搬运机器人4的末端上设置有：图像采集装置41和手爪42，图像采集装置41，用于对上料框2中的支管进行拍照获得支管图像并将其传输给管道机器人焊接系统，优选的，图像采集装置41为 3D相机，手爪42为电磁手爪，管道机器人焊接系统根据获得的支管图像和支管标准图像进行比较获得支管相似值，支管相似值用来表征支管图像的相似度的大小，当支管相似值大于设定的支管相似阈值，则认定该支管为真实且位置确定的支管，并控制搬运机器人4从上料框2中抓取该支管，并移动到主管的焊缝上，当支管相似值不大于设定的支管相似阈值，则需要图像采集装置41对支管进行再次拍照确认，直到支管相似值大于设定的支管相似阈值以进行下一步搬运机器人4对支管的抓取；在支管移动到焊缝的上方后，需要对主管上的焊缝进行确认，并将支管移动到焊缝上进行焊接作业，为了实现上述步骤，管道机器人焊接系统控制图像采集装置41拍照得到焊缝图像并将焊缝图像和焊缝标准图像进行比较得到焊缝相似值，应用焊缝相似值表征焊缝的真实度，当焊缝相似值大于焊缝相似阈值，管道机器人焊接系统则认定该焊缝为真实且位置确定的焊缝，并控制之前移动到焊缝上方的支管进一步移动到焊缝处，并控制焊接机器人5带动焊枪51移动至焊缝处以将支管焊接在主管上，完成将该支管焊接到主管上，然后重复上述动作完成第二个支管的焊接，第二个支管的焊接方法和上述支管的焊接方法一样，不再赘述，直到将所有支管焊接到主管上。优选的，在焊接机器人将支管焊接到主管上之前，控制搬运机器人移动到安全位置，防止焊接机器人在焊接作业时对搬运机器人造成损害。

本发明较佳的实施例中，管道还包括至少一吊耳；

则焊接机器人5上还设置有一激光传感器52，连接控制器8，控制器8 通过激光传感器52的激光检测结果控制焊接机器人5通过激光寻位的方式将吊耳焊接至主管上。

具体地，本实施例中，管道上还包括若干吊耳，为了将吊耳焊接到主管上，我们采用在焊接机器人5上设置激光传感器52，通过激光传感器52的激光检测寻找位置并将吊耳焊接到主管上。优选的，将吊耳以预点焊的方式固定在主管上，方便焊接机器人5对吊耳进行寻找位置并进行焊接。

本发明较佳的实施例中，还包括一滑台3，设置在上料框2一侧，用于对支管进行位置调整。

具体地，本实施例中，滑台3为了对支管进行精确定位，为了实现上述目的，将滑台3倾斜设置，再将支管放在滑台3上后支管在滑台3上进行滚动，并使支管的待焊口位于滑台3上的设定位置上，以确保每个支管在滑台 3上滑动后待焊口的位置固定，然后搬运机器人4控制电磁手爪抓取到离焊接口设定位置的地方，实现精确控制焊接口的位置，优选的，通过对管道焊接系统进行建立三维坐标系统，可以精确控制焊接口的位置。

本发明较佳的实施例中，还包括一可移动平台1，上料框2、滑台3、搬运机器人4和焊接机器人5分别设置在可移动平台1上。

具体地，本实施例中，设置可移动平台1可以将设置在可移动平台1上的上料框2、滑台3、搬运机器人4和焊接机器人5进行同步移动，提高整体焊接效率和焊接质量。

本发明较佳的实施例中，可移动平台1设置在第一导轨11上，且可移动平台1连接控制器8，并在控制器8的控制作用下带动上料框2、滑台3、搬运机器人4和焊接机器人5沿第一导轨11移动。

具体地，本实施例中，在可移动平台1安装在第一导轨11上，通过控制器8对可移动平台1沿第一导轨11移动，实现可移动平台1的整体移动，方便在完成当前支管焊接后进行对下一个支管的焊接。

本发明较佳的实施例中，还包括一主管固定装置，主管固定装置包括：

第一变位机71，设置在与第一导轨11平行的一第二导轨7上，且可沿第二导轨7移动；

第二变位机72，固定设置在第二导轨7的一侧，主管通过第一变位机71 和第二变位机72固定于第二导轨7上。

具体地，本实施例中，设置第一变位机71和第二变位机72后，可以将主管安装在第一变位机71和第二变位机72上，并通过控制第一变位机71 和第二变位机72对主管进行转动，进一步，将第一变位机71设置在第二导轨7，可以通过对第一变位机71进行移动，以适应不同长度主管的安装。

本发明较佳的实施例中，第一变位机71和第二变位机72上分别设置有三爪卡盘73，用于将主管的两端分别固定在三爪卡盘73中，且第一变位机 71和第二变位机72带动主管沿主管的轴向转动。

具体地，本实施例中，通过设置三爪卡盘73，可以将主管牢牢固定在三爪卡盘73中，实现主管转动时不会从第一变位机71和第二变位机72上掉落。

本发明较佳的实施例中，第二导轨7上设置有若干滚轮架74，滚轮架74 设置在第一变位机71和第二变位机72之间，用于支撑并配合主管在第一变位机71和第二变位机72带动下进行转动。

具体地，本实施例中，滚轮架74可以支撑主管的一部分重量以减轻第一变位机71和第二变位机72的负担，同时主管与滚轮架74上的滚轮进行接触，当第一变位机71和第二变位机72对主管进行转动时，主管可以对在滚轮上相对滚轮架74滑动，减小第一变位机71和第二变位机72对主管进行转动的转动力矩。

一种管道机器人焊接方法，应用于一种管道机器人焊接系统，如图5所示，包括以下步骤：

步骤S1，管道机器人焊接系统根据外部的焊接指令控制搬运机器人带动图像采集装置移动至上料框上方，并进行拍照得到支管图像；

步骤S2，管道机器人焊接系统将支管图像与预先存储的支管标准图像进行比对获得支管相似值，将支管相似值与预先设置的支管相似阈值进行比较：

若支管相似值大于支管相似阈值，则转向步骤S3；

若支管相似值不大于支管相似阈值，则转向步骤S1；

步骤S3，管道机器人焊接系统控制搬运机器人从上料框中抓取支管，在抓取操作完成后控制搬运机器人带动图像采集装置移动至主管的对应焊缝的上方，并进行拍照得到焊缝图像；

步骤S4，管道机器人焊接系统将焊缝图像和预先存储的焊缝标准图像进行比较获得焊缝相似值，并将焊缝相似值与预先设置的焊缝相似阈值进行比较：

若焊缝相似值大于焊缝相似阈值，则转向步骤S5；

若焊缝相似值不大于焊缝相似阈值，则转向步骤S3；

步骤S5，管道机器人焊接系统控制搬运机器人将支管搬运至焊缝处，以及控制焊接机器人带动焊枪移动至焊缝处以将支管焊接在主管上；

重复执行上述步骤S1至步骤S5，直至所有支管焊接至主管上，完成管道焊接操作。

本发明较佳的实施例中，管道还包括至少一吊耳，焊接机器人上还设置有一激光传感器，则还包括一吊耳焊接的过程：

管道机器人焊接系统根据激光传感器的激光检测结果控制焊接机器人通过激光寻位的方式将吊耳焊接至主管上。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种管道机器人焊接系统，其特征在于，管道包括一主管和至少一支管，所述主管上具有对应于各所述支管的若干焊缝；所述管道机器人焊接系统包括：

上料框，所述上料框中放置有若干所述支管；

搬运机器人，所述搬运机器人上设置有：

图像采集装置，设置在所述搬运机器人的末端；

手爪，设置在所述搬运机器人的末端，用于抓取所述支管；

焊接机器人，所述焊接机器人通过设置在所述焊接机器人末端的焊枪将所述支管焊接在所述主管上；

控制器，分别连接所述图像采集装置、所述搬运机器人和所述焊接机器人，所述控制器包括：

第一控制模块，用于根据外部的焊接指令控制所述搬运机器人带动所述图像采集装置移动至所述上料框上方，并进行拍照得到支管图像；

第一处理模块，连接所述第一控制模块，用于将所述支管图像与预先存储的支管标准图像进行比对获得支管相似值，将所述支管相似值与预先设置的支管相似阈值进行比较，并在所述支管相似值大于所述支管相似阈值时输出第一控制指令；

第二控制模块，连接所述第一处理模块，用于根据所述第一控制指令控制所述搬运机器人从所述上料框中抓取所述支管，在抓取操作完成后控制所述搬运机器人带动所述图像采集装置移动至所述主管的对应所述焊缝的上方，并进行拍照得到焊缝图像；

第二处理模块，连接所述第二控制模块，用于将所述焊缝图像和预先存储的焊缝标准图像进行比较获得焊缝相似值，并将所述焊缝相似值与预先设置的焊缝相似阈值进行比较，且在所述焊缝相似值大于所述焊缝相似阈值时输出第二控制指令；

第三控制模块，连接所述第二处理模块，用于根据所述第二控制指令控制所述搬运机器人将所述支管搬运至所述焊缝处，以及控制所述焊接机器人带动所述焊枪移动至所述焊缝处以将所述支管焊接在所述主管上；

所述控制器控制所述图像采集装置、所述搬运机器人和所述焊接机器人重复上述焊接过程，直至所有所述支管焊接至所述主管上，完成管道焊接操作。

2.根据权利要求1所述的管道机器人焊接系统，其特征在于，所述管道还包括至少一吊耳；

则所述焊接机器人上还设置有一激光传感器，连接所述控制器，所述控制器通过所述激光传感器的激光检测结果控制所述焊接机器人通过激光寻位的方式将所述吊耳焊接至所述主管上。

3.根据权利要求1所述的管道机器人焊接系统，其特征在于，还包括一滑台，设置在所述上料框一侧，用于对所述支管进行位置调整。

4.根据权利要求3所述的管道机器人焊接系统，其特征在于，还包括一可移动平台，所述上料框、所述滑台、所述搬运机器人和所述焊接机器人分别设置在所述可移动平台上。

5.根据权利要求4所述的管道机器人焊接系统，其特征在于，所述可移动平台设置在第一导轨上，且所述可移动平台连接所述控制器，并在所述控制器的控制作用下带动所述上料框、所述滑台、所述搬运机器人和所述焊接机器人沿所述第一导轨移动。

6.根据权利要求5所述的管道机器人焊接系统，其特征在于，还包括一主管固定装置，所述主管固定装置包括：

第一变位机，设置在与所述第一导轨平行的一所述第二导轨上，且可沿所述第二导轨移动；

第二变位机，固定设置在所述第二导轨的一侧，所述主管通过所述第一变位机和所述第二变位机固定于所述第二导轨上。

7.根据权利要求6所述的管道机器人焊接系统，其特征在于，所述第一变位机和所述第二变位机上分别设置有三爪卡盘，用于将所述主管的两端分别固定在所述三爪卡盘中，且所述第一变位机和所述第二变位机带动所述主管沿所述主管的轴向转动。

8.根据权利要求7所述的管道机器人焊接系统，其特征在于，所述第二导轨上设置有若干滚轮架，所述滚轮架设置在所述第一变位机和所述第二变位机之间，用于支撑并配合所述主管在所述第一变位机和所述第二变位机带动下进行转动。

9.一种管道机器人焊接方法，应用于如权利要求1至8任意一项所述的管道机器人焊接系统，包括以下步骤：

步骤S1，所述管道机器人焊接系统根据外部的焊接指令控制所述搬运机器人带动所述图像采集装置移动至所述上料框上方，并进行拍照得到支管图像；

步骤S2，所述管道机器人焊接系统将所述支管图像与预先存储的支管标准图像进行比对获得支管相似值，将所述支管相似值与预先设置的支管相似阈值进行比较：

若所述支管相似值大于所述支管相似阈值，则转向步骤S3；

若所述支管相似值不大于所述支管相似阈值，则转向所述步骤S1；

步骤S3，所述管道机器人焊接系统控制所述搬运机器人从所述上料框中抓取所述支管，在抓取操作完成后控制所述搬运机器人带动所述图像采集装置移动至所述主管的对应所述焊缝的上方，并进行拍照得到焊缝图像；

步骤S4，所述管道机器人焊接系统将所述焊缝图像和预先存储的焊缝标准图像进行比较获得焊缝相似值，并将所述焊缝相似值与预先设置的焊缝相似阈值进行比较：

若所述焊缝相似值大于所述焊缝相似阈值，则转向步骤S5；

若所述焊缝相似值不大于所述焊缝相似阈值，则转向所述步骤S3；

步骤S5，所述管道机器人焊接系统控制所述搬运机器人将所述支管搬运至所述焊缝处，以及控制所述焊接机器人带动所述焊枪移动至所述焊缝处以将所述支管焊接在所述主管上；

重复执行上述所述步骤S1至所述步骤S5，直至所有所述支管焊接至所述主管上，完成管道焊接操作。

10.根据权利要求9所述的管道机器人焊接方法，其特征在于，所述管道还包括至少一吊耳，所述焊接机器人上还设置有一激光传感器，则还包括一吊耳焊接的过程：

所述管道机器人焊接系统根据所述激光传感器的激光检测结果控制所述焊接机器人通过激光寻位的方式将所述吊耳焊接至所述主管上。

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