CN113927129A - 一种钢结构用机器人坡口切割系统及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢结构用机器人坡口切割系统及其施工方法，其中一种钢结构用机器人坡口切割系统，包括切割机器人、搬运机器人、线激光检测系统、点激光检测系统、PC控制系统、视觉定位系统、3D点云相机、切割平台、机器人滑台和料台，本发明有效解决传统坡口切割设备人工劳动强度大、智能化程度低、操作复杂、清渣工作量大、周期长的技术问题。

Description

一种钢结构用机器人坡口切割系统及其施工方法

技术领域

本发明涉及钢结构加工技术领域，具体涉及一种钢结构用机器人坡口切割系统及其施工方法。

背景技术

随着国民经济的发展，要建造更多更大的体育、休闲、展览、航空港、机库等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛。此类建筑形式一般为空间钢结构，结构型式可分为网架、空间桁架等。这些建筑物通常都具有跨度大、造型独特、受力复杂及建成后具有地区标志性意义等特点。

在这些大跨度钢结构中，需要对钢板板材工件进行坡口切割加工形成如V型坡口、Y型坡口或K型坡口等形状各异的零件以满足不同钢结构需求。目前，材料(主要指普通钢材)切割技术已经非常成熟和丰富，常用的切割方法包括：等离子切割、激光切割及火焰切割等，采用传统切割办法只能实现平面切割，无法满足高精度及高质量的要求，现有的K型坡口的切割成型方式很多，如采用传统方法分次切割的，此种方法需将零件翻身后进行二次切割，不仅耗费工时，而且很难保证加工精度，传统的火焰坡口切割装置均不能根据不同的板厚和坡口形式自动计算生成加工参数，或者按照合适的加工参数进行切割枪自动定位和坡口切割工作，导致自动化程度不高、加工精度不够、成本较高、劳动强度大，对操作人员的经验要求较高。

因此，提供一种自动化程度高且加工精度好的钢结构用机器人坡口切割系统及其施工方法，已是一个值得研究的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动化程度高且加工精度好的钢结构用机器人坡口切割系统及其施工方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种钢结构用机器人坡口切割系统，包括切割机器人、搬运机器人、线激光检测系统、点激光检测系统、PC控制系统、视觉定位系统、3D点云相机、切割平台、机器人滑台和料台，所述料台用于放置待加工的工件；机器人滑台用于使机器人运动，切割平台用于放置需要切割的工件，搬运机器人用于将待加工的工件从料台搬运至切割平台，工件加工后，搬运机器人将工件从切割平台搬运至料台，切割机器人上设有L型悬臂、位于L型悬臂上的切割炬，所述线激光检测系统位于切割机器人上对切割炬的位置信息进行扫描从而保证所述切割炬在切割前的切割直线度和轨迹，所述点激光检测系统位于料架的一侧，用于测量零件的厚度信息；所述PC控制系统内部通过离线编程方式设有切割机器人切割炬的姿态、位置及角度参数信息；PC控制系统将切割炬的实际位置信息与PC控制系统内部设定的所述切割炬的参数信息进行比较以得出所述实际位置信息与所设定的参数信息之间的差异，并根据所述比较结果驱动切割机器人自动调整切割炬的姿态及行走轨迹以对所述工件进行坡口切割，PC控制系统将视觉定位系统检测的工件的实际位置驱动搬运机器人自动调整姿态及行走轨迹并将工件进行搬运。

所述切割机器人包括火焰切割机器人和等离子切割机器人，火焰切割机器人上设有L型悬臂、位于L型悬臂上的火焰切割炬，等离子切割机器人上设有L型悬臂和位于L型悬臂上等离子切割炬，所述L型悬臂为六自由度机械臂，待零件放置于切割平台后启动线激光检测系统和点激光检测系统扫描零件完成二次零件定位并执行等离子和火焰坡口切割操作。

所述切割平台位于切割炬的下方，切割平台的数量与切割机器人的数量相等。

所述切割平台包括箱体、位于箱体上方且用于支撑钢板的隔栅，由隔栅形成横向风道，切割平台的一侧设有吸风道，通过吹吸式进行除尘。

所述搬运机器人为六自由度机械臂，负责通过点云3D相机扫面零件确定零件位姿，利用点激光确定零件厚度，并拖动电磁铁把料台上的工件搬运至切割平台，待切割完成后将零件搬运至另一个料台上。

所述机器人滑台与伺服马达连接，伺服马达驱动机器人滑台在精密直线导轨上移动，机器人滑台的精密齿轮与精密直线导轨的齿条无间隙传动，实现搬运机器人快速平稳的在切割平台与料盘之间来回移动。

所述等离子切割炬采用海宝的产品；火焰切割炬的型号为GCE FIT+two220/40，线激光检测器使用威格乐MLSL124；3D点云相机使用梅卡曼德 Mech-Eye Laser；点激光检测器使用奥泰斯CD33-85NA，通过Mech-Eye Laser点云相机有效降低了环境光干扰的情况，无需遮光设施便能采集到理想的零件点云图像，通过OpenCV编写视觉处理程序，支持Linux、Windows、Android和Mac OS操作系统，并具有C ++、Python等多种接口，通过视觉算法处理可获得零件的轮廓、形状特征和高度信息，确定出零件在空间中相对于切割机器人的位置和姿态，并将信息传输给控制系统；通过威格乐MLSL124对放置于切割平台上的零件进行轮廓扫描，精确获取零件的轮廓信息并与模型库进行匹配，确定坡口加工程序和加工工艺；采用西门子PLC可编程控制系统，使设备具有手动、自动选择功能，在手动模式下可以人工操作，在自动模式下根据程序设定支持一键启动，并自动完成切割功能。

一种钢结构用机器人坡口切割系统的施工方法，包括以下步骤：步骤1：编程人员根据切割工作的需求，通过制作CAD图形、标注版CAD和TEKLA模型完成离线编辑程序；步骤2：步骤1编辑的程序形成当日所有工程文件并远程传输给现场控制系统，并生成当日工程工艺单；步骤3：将工程文件和工艺清单交给现场执行人员，现场操作并调试各个设备，调试完成后，自动完成所有零件的切割工序。

所述步骤1的具体操作如下：1.1数据导入软系统：该软件系统支持工件轮廓.dxf数据导入，同时支持双方约定的TEKLA三维数据和CAD标注图形导入；1.2工件厚度设置；1.3坡口边缘选择；1.4坡口参数调整；1.5坡口类型选择；1.6坡口长度定义；1.7坡口高度设置；1.8坡口角度设定；1.9形成三维模型预览确认坡口切割完成效果；工艺数据可根据板厚自动匹配，火焰切割工艺需人工设置的有切割氧气压力值、预热氧气压力值、预热高度、预热时间、切割高度、切割速度、前倾角和后倾角；等离子切割工艺需人工设置的有切割速度、电流、割炬间距、起弧距离、起弧时间、收弧时间和收弧距离。

所述步骤3的具体操作如下：3.1零件由输送带或者叉车运至坡口设备区域；3.2启动工程文件；3.3搬运机器人KR20通过3D点云相机进行3D视觉识别算法并进行粗匹配及视觉抓取；3.4搬运机器人KR20运行至点激光区域进行厚度识别；3.5搬运机器人KR20将工件放置到切割台；3.6切割机器人启动并进行线激光扫描识别；3.7切割机器人进行二次扫描定位工件位置；3.8切割机器人切割完成后，搬运机器人KR210进行抓取下料至料台。

积极有益效果：本发明人工设定了坡口参数和工艺数据后，可自动规划切割轨迹。智能工艺库：根据零件板厚及坡口形态自动匹配切割工艺实现智能化切割；全流程仿真：可实现工艺全流程仿真，自动碰撞检测可避免过程中的各类碰撞问题；智能工件识别：根据导入数模数据，结合视觉系统自动对工件的种类进行识别判断。智能无序零件抓取：自研视觉算法，自动对无序放置工件进行视觉定位，实现智能化抓取。多机器人协作：三台机器人坐标共享，统一编程环境，提高编程效率。操作简便：根据现场实际情况进行流程优化，最大程度实现自动化。生产数据智能化管理：设备状态、生产进度可视化、现场生产实时监控，可接入工厂智能化管理系统。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明离线编程、制作CAD轮廓、TEKLA模型的流程图；

图4为本发明现场操作并调试各个设备的流程图；

图5为本发明3D视觉识别算法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1和图2所示，一种钢结构用机器人坡口切割系统，包括切割机器人、搬运机器人、线激光检测系统、点激光检测系统、PC控制系统、视觉定位系统、3D点云相机、切割平台、机器人滑台和料台，所述料台用于放置待加工的工件；机器人滑台用于使机器人运动，切割平台用于放置需要切割的工件，搬运机器人用于将待加工的工件从料台搬运至切割平台，工件加工后，搬运机器人将工件从切割平台搬运至料台，切割机器人上设有L型悬臂、位于L型悬臂上的切割炬，所述线激光检测系统和点激光检测系统位于切割机器人上对切割炬的位置信息进行扫描从而保证所述切割炬在切割前的切割直线度；所述PC控制系统内部通过离线编程方式设有切割机器人切割炬的姿态、位置及角度参数信息；PC控制系统将切割炬的实际位置信息与PC控制系统内部设定的所述切割炬的参数信息进行比较以得出所述实际位置信息与所设定的参数信息之间的差异，并根据所述比较结果驱动切割机器人自动调整切割炬的姿态及行走轨迹以对所述工件进行坡口切割，PC控制系统将视觉定位系统检测的工件的实际位置驱动搬运机器人自动调整姿态及行走轨迹并将工件进行搬运，在PC控制系统内导入CAD轮廓（.dxf）或TEKLA模型生成坡口切割预览，其中CAD轮廓需要进行人工定义坡口参数及工艺参数，TEKLA模型无需进行坡口设置，可自动形成切割路径，自动生成三台机器人可协调运转的切割程序文件，程序可远程下发，搬运机器人自动识别零件的外形和位置，切割机器人完成任务后，自动通知搬运机器人搬运切好的零件，按规则进行摆放。

所述切割机器人包括火焰切割机器人和等离子切割机器人，火焰切割机器人上设有L型悬臂、位于L型悬臂上的火焰切割炬，等离子切割机器人上设有L型悬臂和位于L型悬臂上等离子切割炬，所述L型悬臂为六自由度机械臂，待零件放置于切割平台后启动线激光检测系统和点激光检测系统扫描零件完成二次零件定位并执行等离子和火焰坡口切割操作。

所述切割平台位于切割炬的下方，切割平台的数量与切割机器人的数量相等。所述切割平台包括箱体、位于箱体上方且用于支撑钢板的隔栅，隔栅可以拆卸，便于清除底部的切割熔渣，由隔栅形成横向风道，切割平台的一侧设有吸风道，通过吹吸式进行除尘，箱体的开口向上，箱体用于收集金属屑和灰尘，箱体里的灰尘及废料必须及时清理倒掉，防止灰尘堆积过多造成二次扬尘及安全隐患，清理周期为1个月左右，具体标准为箱体满1/3就必须清理倒掉。清渣时需人工清渣。

所述搬运机器人为六自由度机械臂，负责拖动电磁铁把料台上的工件搬运至切割平台，待切割完成后将零件搬运至另一个料台上，搬运机器人的控制系统接收到“搬运”的命令之后，根据套料流程完成自动识别、吸附搬运作业的智能规划，智能选取吸盘组合方式，形成吸盘组，搬运机器人的控制系统驱动机器人、控制吸盘到达目标位置，抓取目标零件并运送至自动规划出的切割位置，完成目标零件的摆放。

所述机器人滑台与伺服马达连接，伺服马达驱动机器人滑台在精密直线导轨上移动，机器人滑台的精密齿轮与精密直线导轨的齿条无间隙传动，实现搬运机器人快速平稳的在切割平台与料盘之间来回移动，。

所述等离子切割炬采用海宝的产品；火焰切割炬的型号为GCE FIT+two220/40，线激光检测器使用威格乐MLSL124；3D点云相机使用梅卡曼德 Mech-Eye Laser；点激光检测器使用奥泰斯CD33-85NA，通过Mech-Eye Laser点云相机有效降低了环境光干扰的情况，无需遮光设施便能采集到理想的零件点云图像，通过OpenCV编写视觉处理程序，支持Linux、Windows、Android和Mac OS操作系统，并具有C ++、Python等多种接口，通过视觉算法处理可获得零件的轮廓、形状特征和高度信息，确定出零件在空间中相对于切割机器人的位置和姿态，并将信息传输给控制系统；通过威格乐MLSL124对放置于切割平台上的零件进行轮廓扫描，精确获取零件的轮廓信息并与模型库进行匹配，确定坡口加工程序和加工工艺；采用西门子PLC可编程控制系统，使设备具有手动、自动选择功能，在手动模式下可以人工操作，在自动模式下根据程序设定支持一键启动，并自动完成切割功能。

实施例2

如图3和图4所示，一种钢结构用机器人坡口切割系统的施工方法，包括以下步骤：步骤1：编程人员根据切割工作的需求，通过制作CAD图形、标注版CAD和TEKLA模型完成离线编辑程序：具体操作如下：1.1数据导入软系统：该软件系统支持工件轮廓.dxf数据导入，同时支持双方约定的TEKLA三维数据和CAD标注图形导入；1.2工件厚度设置；1.3坡口边缘选择；1.4坡口参数调整；1.5坡口类型选择；1.6坡口长度定义；1.7坡口高度设置；1.8坡口角度设定；1.9形成三维模型预览确认坡口切割完成效果；工艺数据可根据板厚自动匹配，火焰切割工艺需人工设置的有切割氧气压力值、预热氧气压力值、预热高度、预热时间、切割高度、切割速度、前倾角和后倾角；等离子切割工艺需人工设置的有切割速度、电流、割炬间距、起弧距离、起弧时间、收弧时间和收弧距离。

步骤2：将步骤1编辑的程序形成当日所有工程文件并远程传输给现场控制系统，并生成当日工程工艺清单；

步骤3：将工程文件和工艺清单交给现场执行人员，现场操作并调试各个设备，调试完成后，自动完成所有零件的切割工序：具体操作如下：3.1零件由输送带或者叉车运至坡口设备区域；3.2启动工程文件；3.3 搬运机器人KR20通过3D点云相机进行3D视觉识别算法并进行粗匹配及视觉抓取；3.4搬运机器人KR20运行至点激光区域进行厚度识别；3.5搬运机器人KR20将工件放置到切割台；3.6切割机器人启动并进行线激光扫描识别；3.7切割机器人进行二次扫描定位工件位置；3.8切割机器人切割完成后，搬运机器人KR210进行抓取下料至料台。

如图5所示，步骤3.3中3D视觉识别算法可实现以下四种功能：（1）对料架上的无序工件的视觉识别定位以及类型识别；（2）对料架上的工件的类型识别；（3）对工件的厚度检测；（4）对工件的正反面检测，3D视觉识别算法的实现流程如下：3D视觉识别算法主要包括料架点云数据获取、高度数据集点云切分、平面拟合切分2D图像和边缘即轮廓识别，搬运机器人KR20进行3D视觉识别算法识别工件后，确定零件位姿和零件在切割平台的摆放位置；待零件放置于切割台上，线激光检测系统进行扫描识别，将扫描轮廓进行重新识别匹配，并归纳至最终的工件类型，如果工件类型唯一，则3D视觉识别算法对工件进行正面和反面的判断，如果工件是正面，则切割机器人调用正向程序，如果工件是反面，则切割机器人调用反向程序；如果工件类型不唯一，则人工干涉确认加工类型及工件的正面和反面，三台机器人之间根据生产实际完成信号情况，进行现场的实际工程规划，最大程度减少设备停机等待时间，视觉定位效率为12s/件，抓取运转上料节拍30s/件，切割机器人扫描定位节拍：10~20s/件，下料节拍：30s/件。

Claims (10)

1.一种钢结构用机器人坡口切割系统，其特征在于：包括切割机器人、搬运机器人、线激光检测系统、点激光检测系统、PC控制系统、视觉定位系统、3D点云相机、切割平台、机器人滑台和料台，所述料台用于放置待加工的工件；机器人滑台用于使机器人运动，切割平台用于放置需要切割的工件，搬运机器人用于将待加工的工件从料台搬运至切割平台，工件加工后，搬运机器人将工件从切割平台搬运至料台，切割机器人上设有L型悬臂、位于L型悬臂上的切割炬，所述线激光检测系统位于切割机器人上对切割炬的位置信息进行扫描从而保证所述切割炬在切割前的切割直线度和轨迹，所述点激光检测系统位于料架的一侧，用于测量零件的厚度信息；所述PC控制系统内部通过离线编程方式设有切割机器人切割炬的姿态、位置及角度参数信息；PC控制系统将切割炬的实际位置信息与PC控制系统内部设定的所述切割炬的参数信息进行比较以得出所述实际位置信息与所设定的参数信息之间的差异，并根据所述比较结果驱动切割机器人自动调整切割炬的姿态及行走轨迹以对所述工件进行坡口切割，PC控制系统将视觉定位系统检测的工件的实际位置驱动搬运机器人自动调整姿态及行走轨迹并将工件进行搬运。

2.根据权利要求1所述的钢结构用机器人坡口切割系统，其特征在于：所述切割机器人包括火焰切割机器人和等离子切割机器人，火焰切割机器人上设有L型悬臂、位于L型悬臂上的火焰切割炬，等离子切割机器人上设有L型悬臂和位于L型悬臂上等离子切割炬，所述L型悬臂为六自由度机械臂，待零件放置于切割平台后启动线激光检测系统扫描零件完成二次零件定位并执行等离子和火焰坡口切割操作。

3.根据权利要求1所述的钢结构用机器人坡口切割系统，其特征在于：所述切割平台位于切割炬的下方，切割平台的数量与切割机器人的数量相等。

4.根据权利要求3所述的钢结构用机器人坡口切割系统，其特征在于：所述切割平台包括箱体、位于箱体上方且用于支撑钢板的隔栅，由隔栅形成横向风道，切割平台的一侧设有吸风道，通过吹吸式进行除尘。

5.根据权利要求1所述的钢结构用机器人坡口切割系统，其特征在于：所述搬运机器人为六自由度机械臂，负责通过点云3D相机扫面零件确定零件位姿，利用点激光确定零件厚度，并拖动电磁铁把料台上的工件搬运至切割平台，待切割完成后将零件搬运至另一个料台上。

6.根据权利要求1所述的钢结构用机器人坡口切割系统，其特征在于：所述机器人滑台与伺服马达连接，伺服马达驱动机器人滑台在精密直线导轨上移动，机器人滑台的精密齿轮与精密直线导轨的齿条无间隙传动，实现搬运机器人快速平稳的在切割平台与料盘之间来回移动。

7.根据权利要求1所述的钢结构用机器人坡口切割系统，其特征在于：所述等离子切割炬采用海宝的产品；火焰切割炬的型号为GCE FIT+two220/40，线激光检测器使用威格乐MLSL124；3D点云相机使用梅卡曼德 Mech-Eye Laser；点激光检测器使用奥泰斯CD33-85NA，通过Mech-Eye Laser点云相机有效降低了环境光干扰的情况，无需遮光设施便能采集到理想的零件点云图像，通过OpenCV编写视觉处理程序，支持Linux、Windows、Android和Mac OS操作系统，并具有C ++、Python等多种接口，通过视觉算法处理可获得零件的轮廓、形状特征和高度信息，确定出零件在空间中相对于切割机器人的位置和姿态，并将信息传输给控制系统；通过威格乐MLSL124对放置于切割平台上的零件进行轮廓扫描，精确获取零件的轮廓信息并与模型库进行匹配，确定坡口加工程序和加工工艺；采用西门子PLC可编程控制系统，使设备具有手动、自动选择功能，在手动模式下可以人工操作，在自动模式下根据程序设定支持一键启动，并自动完成切割功能。

8.一种如权利要求1-7任一项钢结构用机器人坡口切割系统的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：编程人员根据切割工作的需求，通过制作CAD图形、标注版CAD和TEKLA模型完成离线编辑程序；步骤2：步骤1编辑的程序形成当日所有工程文件并远程传输给现场控制系统，并生成当日工程工艺单；步骤3：将工程文件和工艺清单交给现场执行人员，现场操作并调试各个设备，调试完成后，自动完成所有零件的切割工序。

9.根据权利要求8所述的钢结构用机器人坡口切割系统的施工方法，其特征在于：所述步骤1的具体操作如下：1.1数据导入软系统：该软件系统支持工件轮廓.dxf数据导入，同时支持双方约定的TEKLA三维数据和CAD标注图形导入；1.2工件厚度设置；1.3坡口边缘选择；1.4坡口参数调整；1.5坡口类型选择；1.6坡口长度定义；1.7坡口高度设置；1.8坡口角度设定；1.9形成三维模型预览确认坡口切割完成效果；工艺数据可根据板厚自动匹配，火焰切割工艺需人工设置的有切割氧气压力值、预热氧气压力值、预热高度、预热时间、切割高度、切割速度、前倾角和后倾角；等离子切割工艺需人工设置的有切割速度、电流、割炬间距、起弧距离、起弧时间、收弧时间和收弧距离。

10.根据权利要求8所述的钢结构用机器人坡口切割系统的施工方法，其特征在于：所述步骤3的具体操作如下：3.1零件由输送带或者叉车运至坡口设备区域；3.2启动工程文件；3.3搬运机器人KR20通过3D点云相机进行3D视觉识别算法并进行粗匹配及视觉抓取；3.4搬运机器人KR20运行至点激光区域进行厚度识别；3.5搬运机器人KR20将工件放置到切割台；3.6切割机器人启动并进行线激光扫描识别；3.7切割机器人进行二次扫描定位工件位置；3.8切割机器人切割完成后，搬运机器人KR210进行抓取下料至料台。

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