CN114012295A - 一种船舶曲面结构机器人焊接系统及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种船舶曲面结构机器人焊接系统，包括两根导轨立柱，导轨立柱的前后两端架设有横梁导轨，导轨立柱前后两侧设有横梁，横梁沿横梁导轨左右移动，横梁上设有机械门架，机械门架包括横移小车，横移小车沿横梁上端左右移动，横移小车与控制柜连接，控制柜设有升降立柱，升降立柱相对于横移小车上下移动，升降立柱下端设有机械手，机械手底部设有焊枪，横移小车侧面设有焊接电源，焊接电源驱动焊枪；采用横梁的空中导轨的设计，使横梁带动机器人运动时更加稳定，提高了焊接的稳定性；采用数字化设备，中控机、机械手臂、数字化焊接电源、激光寻位装置，使离线编程出的程序可在执行过程中，由激光寻位装置进行二次精确寻位，提高焊接的精准性。

Description

一种船舶曲面结构机器人焊接系统及其焊接方法

技术领域

本发明涉及船舶建造领域，尤其涉及一种船舶曲面结构机器人焊接系统及其焊接方法。

背景技术

在船舶建造过程中，焊接工作量巨大，随着造船技术的不断提高，各种自动化、智能化的设备在船舶焊接的应用占比也越来越高，其中，焊接机器人是最具有代表性的智能化设备。

船舶分段结构在建造过程中，可以分为平直分段和曲面分段，平直分段的焊缝多为直线焊缝，而曲面分段的焊缝多为曲线焊缝，且曲率多有变化，其生产难度平直分段大的多。目前，已有部分机器人焊接装置应用于平直分段，而曲面分段则全部由人工完成。针对船舶曲面结构的焊接设备无论从整体系统的设计还是离线编程技术等，难度均比针对平直分段的焊接设备高上许多。

发明内容

本发明的目的是提供一种船舶曲面结构机器人焊接系统及其焊接方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种船舶曲面结构机器人焊接系统，其特征在于，包括左右间隔设置的两根导轨立柱，所述导轨立柱的前后两端架各设有一横梁导轨，所述导轨立柱的前后两侧各设有一横梁，所述横梁沿横梁导轨左右移动，所述横梁上设有机械门架，所述机械门架包括横移小车，所述横移小车沿横梁的上端左右移动，所述横移小车的一侧与控制柜的一侧连接，所述控制柜的另一侧设有升降立柱，所述升降立柱可相对于横移小车上下移动，所述升降立柱的下端设有机械手，所述机械手的底部设有焊枪，所述横移小车的侧面还设有焊接电源，所述焊接电源驱动焊枪。

进一步地，所述机械手倒挂于升降立柱上，所述机械手为六轴机械手臂，所述机械手可沿X、Y、Z三个方向曲线移动。

进一步地，所述焊枪安装于机械手第六轴的法兰盘上，所述法兰盘上还设有激光寻位跟踪装置，所述激光寻位跟踪装置与焊枪的位置相对固定。

一种船舶曲面结构机器人焊接系统的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）根据船舶3D模型，利用离线编程软件对该模型进行离线编程，编辑出机器人的运动轨迹；

步骤2）通过离线编程软件编辑机器人轨迹后，机器人利用激光寻位跟踪装置对模型进行位置定位；

步骤3）确定摆放位置后，利用激光寻位跟踪装置扫描焊缝，精确定位焊缝位置；

步骤4）通过上位机的控制带动机器人，机器人带动焊枪进行焊接作业，焊接过程中利用激光寻位跟踪装置实时对焊接路径进行跟踪纠偏；

步骤5）焊接完相应工作量后，机器人根据设置移动至清枪剪丝位置，进行焊枪清理；

步骤6）一个焊接单元工作结束时，机械手臂带动清枪剪丝设备完成焊枪的清理。

进一步地，在步骤1中，所述机器人的运动轨迹包括定位轨迹、空走轨迹、寻位轨迹、焊接轨迹、清枪轨迹。

进一步地，在步骤2和步骤3中，激光寻位跟踪装置将收集到的焊缝位置特征点数据，及各个不同位置、不同曲率的焊缝位置特征点数据传输至控制系统，控制系统将得到的数据与预设数据进行对比、计算，得出偏差量，重新进行焊接轨迹规划，换算成机械手臂的移动数据，将数据反馈至机械手臂，机械手臂根据最终得到的数据进行运动。

进一步地，在步骤4中，在进行船舶曲面结构焊接时，曲面结构焊接包括不同曲率的平角焊、立角焊、斜角焊、圆角焊和各不同位置焊缝间的过渡焊缝。

进一步地，在步骤4中，在进行船舶曲面结构焊接时，针对不同曲率的焊缝，焊枪方向与焊枪前进方向的夹角为85°~95°。

本发明精确焊接船舶曲面结构焊缝，采用横梁的空中导轨的设计，使横梁带动机器人运动时更加稳定，提高了焊接的稳定性；针对曲面切线确定焊枪姿态的方式实现船舶曲面结构的机械手臂轨迹编辑；采用数字化设备，中控机、机械手臂、数字化焊接电源、激光寻位装置，使离线编程出的程序可在执行过程中，由激光寻位装置进行二次精确寻位，提高焊接的精准性。

附图说明

图1为本发明焊接系统的结构示意图；

图2为本发明上位机与焊接电源、机械手臂相配合的系统框图；

图3为本发明焊接方法的实施流程图。

附图标记：

1导轨立柱，2横梁导轨，3横梁，4升降立柱，

5机械手臂，6控制柜，7焊枪，8焊接电源。

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。

本发明公开了一种船舶曲面结构机器人焊接系统，如图1所示，机器人焊接系统的机械结构包括两侧的导轨立柱1、架在导轨立柱1上的横梁导轨2、可沿着横梁导轨2移动的两根横梁3、可在横梁3上移动的横移小车、可在横移小车上沿上下方向移动的升降立柱4。

焊接系统包括机械门架系统、机器人系统、焊接系统、激光寻位跟踪装置和上位机控制系统，机器人系统包括六轴的机械手臂5、控制柜6和机器人控制系统，焊接系统包括数字化焊机、带防碰撞装置的焊枪7和清枪剪丝机构，激光寻位跟踪装置包括线激光寻位跟踪装置和线激光寻位跟踪软件，上位机控制系统包括中控台、控制系统和人机交互系统。

六轴的机械手臂5倒挂于门架系统的升降立柱4上，六轴机械手臂5可跟着门架系统沿着X、Y、Z三个方向移动，带防碰撞功能的焊枪7安装于六轴机械手臂5的第六轴的法兰盘上，焊枪7跟随机械手臂5实现焊接功能，激光寻位跟踪装置安装于机械手臂5的第六轴的法兰盘上，激光寻位跟踪装置与焊枪7位置相对固定，用于给焊枪7寻找焊接位置，并提供实时位置跟踪数据。

焊接电源8和控制柜6均放置于机械门架的横移小车上，跟随横移小车运动，但不跟随升降立柱4上下移动，外部采用拖链进行电缆、信号线等的线路连接，中控台放置于地面，利用拖链与各设备进行线路连接。

如图2所示，本发明的运动机构采用伺服电机，伺服电机与机械手臂5本体轴联动，带动机械手臂5沿X、Y、Z三个方向进行大范围曲线移动，配合机械手臂5满足其各曲线焊缝焊接所需的姿态和路径，两个机械手臂5可以进行联动作业，分配工作，共同完成同一个结构的工作。

本发明的离线编程软件可针对船舶曲面结构，进行非人工示教方式的编程，运算出机器人的定位轨迹、空走轨迹、寻位轨迹、焊接轨迹和清枪轨迹，不同于船舶平直结构的离线编程，仅需确定起点终点，连接一条直线焊缝，保持同一焊枪7姿态即可。

离线编程软件利用曲面结构的曲线焊缝的切线进行焊枪7姿态的规划和定义，将各曲线焊缝切分成短曲线，根据各短曲线的切线进行焊枪7姿态的确定，再组合成整条曲线焊缝的焊枪7运行姿态。

本发明公开了一种船舶曲面结构机器人焊接系统的焊接方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤1）采用船舶曲面结构机器人焊接系统进行焊接，首先根据船舶3D模型，利用离线编程软件对该模型进行离线编程，编辑出机械手臂5的运动轨迹，运动轨迹包括定位轨迹、空走轨迹、寻位轨迹、焊接轨迹和清枪轨迹。

步骤2）机械手臂5轨迹通过离线编程软件编辑好后，机械手臂5利用激光寻位跟踪装置对模型进行位置定位。

步骤3）确定摆放位置后，再利用激光寻位跟踪装置扫描焊缝，精确定位焊缝位置。

步骤4）通过上位机控制带动机械手臂5，机械手臂5带动焊枪7开始焊接作业，焊接过程中，利用激光寻位跟踪装置实时对焊接路径进行跟踪纠偏，两个机械手臂5可进行联动，各自分配任务共同完成一个结构的工作。

步骤5）焊接完相应工作量后，机械手臂5根据设置，自动移动至清枪剪丝位置，进行焊枪7的清理。

步骤6）一个焊接单元工作结束时，机械手臂5带动清枪剪丝设备来完成焊枪7的清理，继续进行后续工作。

在步骤1中，根据船舶3D模型，利用离线编程软件对该模型进行离线编程，编辑出机器人的运动轨迹，离线编程软件无需人工对机器人进行示教编程，只需提供3D模型，可针对曲面结构利用计算机对其进行各运动轨迹的自动编辑，针对曲面结构不同的曲率进行分类，并匹配数据库中不同的模块进行调用。

在步骤2和步骤3中，激光寻位跟踪装置将收集到的焊缝位置特征点数据及各不同位置不同曲率的焊缝位置特征点数据传输至控制系统，控制系统将得到的数据与预设数据进行对比、计算，得出偏差量，随即重新进行焊接轨迹规划并换算成机械手臂5的移动数据，且将数据反馈至机械手臂5，机械手臂5根据最终得到的数据进行运动。

在步骤4中，在进行船舶曲面结构焊接时，船舶曲面结构包括不同曲率的平角焊、立角焊、斜角焊、圆角焊和各不同位置焊缝间的过渡焊缝。

在步骤4中，在进行船舶曲面结构焊接时，针对不同曲率的焊缝，焊枪7方向与焊枪7前进方向夹角为85°-95°。

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 (8)

1.一种船舶曲面结构机器人焊接系统，其特征在于，包括左右间隔设置的两根导轨立柱，所述导轨立柱的前后两端架各设有一横梁导轨，所述导轨立柱的前后两侧各设有一横梁，所述横梁沿横梁导轨左右移动，所述横梁上设有机械门架，所述机械门架包括横移小车，所述横移小车沿横梁的上端左右移动，所述横移小车的一侧与控制柜的一侧连接，所述控制柜的另一侧设有升降立柱，所述升降立柱可相对于横移小车上下移动，所述升降立柱的下端设有机械手，所述机械手的底部设有焊枪，所述横移小车的侧面还设有焊接电源，所述焊接电源驱动焊枪。

2.根据权利要求1所述的船舶曲面结构机器人焊接系统，其特征在于，所述机械手倒挂于升降立柱上，所述机械手为六轴机械手臂，所述机械手可沿X、Y、Z三个方向曲线移动。

3.根据权利要求2所述的船舶曲面结构机器人焊接系统，其特征在于，所述焊枪安装于机械手第六轴的法兰盘上，所述法兰盘上还设有激光寻位跟踪装置，所述激光寻位跟踪装置与焊枪的位置相对固定。

4.一种船舶曲面结构机器人焊接系统的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）根据船舶3D模型，利用离线编程软件对该模型进行离线编程，编辑出机器人的运动轨迹；

步骤2）通过离线编程软件编辑机器人轨迹后，机器人利用激光寻位跟踪装置对模型进行位置定位；

步骤3）确定摆放位置后，利用激光寻位跟踪装置扫描焊缝，精确定位焊缝位置；

步骤4）通过上位机的控制带动机器人，机器人带动焊枪进行焊接作业，焊接过程中利用激光寻位跟踪装置实时对焊接路径进行跟踪纠偏；

步骤5）焊接完相应工作量后，机器人根据设置移动至清枪剪丝位置，进行焊枪清理；

步骤6）一个焊接单元工作结束时，机械手臂带动清枪剪丝设备完成焊枪的清理。

5.根据权利要求4所述的一种船舶曲面结构机器人焊接系统的焊接方法，其特征在于，在步骤1中，所述机器人的运动轨迹包括定位轨迹、空走轨迹、寻位轨迹、焊接轨迹、清枪轨迹。

6.根据权利要求4所述的一种船舶曲面结构机器人焊接系统的焊接方法，其特征在于，在步骤2和步骤3中，激光寻位跟踪装置将收集到的焊缝位置特征点数据，及各个不同位置、不同曲率的焊缝位置特征点数据传输至控制系统，控制系统将得到的数据与预设数据进行对比、计算，得出偏差量，重新进行焊接轨迹规划，换算成机械手臂的移动数据，将数据反馈至机械手臂，机械手臂根据最终得到的数据进行运动。

7.根据权利要求4所述的一种船舶曲面结构机器人焊接系统的焊接方法，其特征在于，在步骤4中，在进行船舶曲面结构焊接时，曲面结构焊接包括不同曲率的平角焊、立角焊、斜角焊、圆角焊和各不同位置焊缝间的过渡焊缝。

8.根据权利要求7所述的一种船舶曲面结构机器人焊接系统的焊接方法，其特征在于，在步骤4中，在进行船舶曲面结构焊接时，针对不同曲率的焊缝，焊枪方向与焊枪前进方向的夹角为85°~95°。

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