CN114473308A - 大厚度板材坡口自动化焊接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大厚度板材机器人自动化焊接系统及方法，其中系统包括依次连接的扫描装置、数据处理装置和焊接装置；扫描装置对大厚度板材上待焊接坡口进行扫描以获取扫描数据；数据处理装置基于扫描数据获取坡口参数，并基于坡口参数在焊接工艺数据库中查找对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数；焊接装置基于待执行焊接工艺参数通过预设焊接工艺对待焊接坡口进行焊接；焊接工艺数据库中的焊接数据由机器人示教焊接所得。本发明方法显著降低了工艺设计时间，提高了生产效率；同时焊接工艺数据库中的焊接工艺数据均通过机器人示教编程所得，充分利用了以往焊接过程中积累的经验工艺参数，降低了焊接试错成本；且焊接适应性强，使用范围极广。

Description

大厚度板材坡口自动化焊接系统及方法

技术领域

本发明涉及大厚度构件焊接技术领域，尤其涉及一种大厚度板材坡口自动化焊接系统及方法。

背景技术

大厚度板材在船舶、装甲等大型钢质结构中被广泛应用。船舶、装甲车辆生产过程涉及到大厚度板材的焊接，实现对大厚度板材的高效优质焊接对提升船舶、装甲车辆生产效率与质量具有重要意义。

大厚度板材焊接时需开坡口，并采用多层多道焊接工艺填充坡口。该焊接过程复杂，目前通常采用人工焊接或者机器人示教焊接，现有的焊接方式存在焊接质量不稳、效率低下的问题，极大增加了船舶和装甲车辆的生产周期。同时现有的多层多道焊接规划算法也无法预估并适应焊接过程中变形导致的坡口尺寸变化，无法满足大型结构的连续焊接过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有多层多道焊接工艺中焊接方式存在质量不稳定且效率低下的问题，同时现有多层多道焊接工艺无法预估并适应焊接过程中变形导致的坡口尺寸变化，进而无法满足大型结构的连续焊接过程。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种大厚度板材坡口自动化焊接系统，包括依次连接的扫描装置、数据处理装置和焊接装置；

所述扫描装置，用于对大厚度板材上待焊接坡口进行扫描，以获取扫描数据；

所述数据处理装置，用于基于所述扫描数据获取所述待焊接坡口的坡口参数，并基于所述坡口参数在焊接工艺数据库中查找对应的焊接工艺参数，将对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数；

所述焊接装置，包括机器人和焊机，用于基于所述待执行焊接工艺参数通过预设焊接工艺对所述待焊接坡口进行焊接；

其中，所述焊接工艺数据库包括多组焊接数据，所有所述焊接数据均由机器人示教焊接所得，且每组所述焊接数据均包括参考坡口参数以及与所述参考坡口参数对应的焊接工艺参数。

优选地，所述扫描装置包括视觉识别模块和激光扫描识别模块；

所述视觉识别模块，用于对所述待焊接坡口进行视觉识别，以获取视觉识别数据；

所述激光扫描识别模块，用于对所述待焊接坡口进行激光扫描，以获取激光扫描数据；

所述扫描数据包括视觉识别数据和激光扫描数据。

优选地，所述数据处理装置基于所述扫描数据获取所述待焊接坡口的坡口参数包括：

所述数据处理装置基于所述扫描数据构建所述待焊接坡口的三维数据模型，而后基于所述待焊接坡口的三维数据模型获取所述待焊接坡口的坡口参数。

优选地，所述数据处理装置基于所述坡口参数在焊接工艺数据库中查找对应的焊接工艺参数，将对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数包括：

所述数据处理装置在焊接工艺数据库中查找与所述坡口参数相同的参考坡口参数作为相对参考坡口参数，并将相对参考坡口参数所对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数。

优选地，所述坡口参数包括坡口角度和坡口装配间隙。

优选地，所述焊接工艺参数包括焊接电流、电弧电压、送丝速度、焊接速度、焊枪姿态、焊枪位置信息以及焊丝摆动长度。

优选地，所述预设焊接工艺为多层多道焊接工艺。

优选地，所述大厚度板材材料为不锈钢、碳钢或高强钢。

优选地，所述大厚度板材厚度范围为10mm-30mm。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种大厚度板材坡口自动化焊接方法，包括：

通过扫描装置对大厚度板材上待焊接坡口进行扫描以获取扫描数据，并将所述扫描数据传输给数据处理装置；

所述数据处理装置基于所述扫描数据获取所述待焊接坡口的坡口参数，并基于所述坡口参数在焊接工艺数据库中查找对应的焊接工艺参数，将对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数并将其传输给焊接装置；

所述焊接装置基于所述待执行焊接工艺参数通过预设焊接工艺对所述待焊接坡口进行焊接；

其中，所述焊接工艺数据库包括多组焊接数据，所有所述焊接数据均由机器人示教焊接所得，且每组所述焊接数据均包括参考坡口参数以及与所述参考坡口参数对应的焊接工艺参数。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

应用本发明实施例提供的大厚度板材机器人自动化焊接系统，通过扫描方式快速获取待焊接坡口的坡口参数，可准确获取待焊接坡口的尺寸数据；再通过坡口参数从焊接工艺数据库中直接获取焊接工艺参数，显著降低了工艺设计时间，提高了生产效率；同时焊接工艺数据库中的焊接工艺数据均通过机器人示教编程所得，充分利用了以往焊接过程中积累的经验工艺参数，降低了焊接试错成本，解决了现有焊接方法焊接质量不稳定以及焊接效率低下的问题，且本发明焊接系统焊接适应性强，使用范围极广。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了本发明实施例一大厚度板材坡口自动化焊接系统结构示意图；

图2示出了本发明实施例二大厚度板材坡口自动化焊接方法流程示意图；

其中，1为扫描装置，2为大厚度板材，3为机器人，4为数据处理装置，5为焊机，6为待焊接坡口。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

实施例一

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明实施例提供了一种大厚度板材坡口自动化焊接系统。

图1示出了本发明实施例一大厚度板材坡口自动化焊接系统结构示意图，参考图1所示，本发明实施例大厚度板材坡口自动化焊接系统包括依次连接的扫描装置1、数据处理装置4和焊接装置，其中焊接装置具体包括机器人3和焊机5。

扫描装置1主要用于对大厚度板材2上待焊接坡口6进行扫描以获取扫描数据。进一步地，扫描装置1包括视觉识别模块和激光扫描识别模块。其中视觉识别模块主要用于对大厚度板材2上的待焊接坡口6进行视觉识别以获取待焊接坡口6的视觉识别数据；优选地可选取Basler aca1920-40gm黑白工业相机作为视觉识别模块。而激光扫描识别模块则主要用于对待焊接坡口6进行激光扫描以获取待焊接坡口6的激光扫描数据；优选地可选取英莱IL-HSP-100S03作为激光扫描识别模块。而后将待焊接坡口6的视觉识别数据和激光扫描数据作为扫描数据发送给数据处理装置4。

需要说明的是，大厚度板材2材料可以为不锈钢、碳钢或高强钢，且大厚度板材2厚度范围为10mm-30mm。且待焊接坡口6可能为V形坡口、Y形坡口或X形坡口，当待焊接坡口6的坡口参数确定后，待焊接坡口6形状也即确定，且V形坡口、Y形坡口和X形坡口的坡口间隙范围均为0-10mm。

数据处理模块主要用于基于扫描数据获取待焊接坡口6的坡口参数，并基于坡口参数在焊接工艺数据库中查找对应的焊接工艺参数，将对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数。进一步地，数据处理模块先基于待焊接坡口6的扫描数据即视觉识别数据和激光扫描数据，构建待焊接坡口6的三维数据模型，而后基于待焊接坡口6的三维数据模型获取待焊接坡口6的坡口参数。更进一步地，待焊接坡口6的坡口参数包括坡口角度和坡口装配间隙。数据处理模块获取待焊接坡口6的坡口参数后，再基于坡口参数在焊接工艺数据库中查找对应的焊接工艺参数，进一步即数据处理装置4在焊接工艺数据库中查找与坡口参数相同的参考坡口参数作为相对参考坡口参数，并将相对参考坡口参数所对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数。优选地，数据处理模块可选取安装有可进行三维数据建模软件的计算机，计算机界面上设置有视觉扫描图标、激光扫描图标、工艺规划图标、焊接图标、自动焊接图标、急停图标、重启图标以及焊接工艺数据库图标，上述图标分别对应对应的功能。

需要说明的是，焊接工艺数据库包括多组焊接数据，焊接工艺数据库中的所有焊接数据均由以往机器人示教焊接过程中积累所得，即充分利用了以往机器人示教焊接过程中积累的大量经验工艺参数，避免了焊接经验的浪费，充分利用了隐性的生产经验。且在焊接工艺数据库中所有的参考坡口参数均不相同，所有的焊接工艺参数也均不相同，同时参考坡口参数与焊接工艺参数为一一对应的关系，因此即可保证基于待焊接坡口的坡口参数即能准确的获取到对应的焊接工艺参数。进一步需要说明的是，若在焊接工艺数据库中没有查找到与待焊接坡口的坡口参数对应的参考坡口参数时，则采用预先设置的下限焊接工艺参数作为执行焊接工艺参数。当预设焊接工艺为多层多道焊接工艺时，焊接工艺数据库中的焊接工艺参数也对应为多层多道焊接工艺参数。进一步优选地，焊接工艺参数包括焊接电流、电弧电压、送丝速度、焊接速度、焊枪姿态、焊枪位置信息和焊丝摆动长度。

焊接装置主要用于基于待执行焊接工艺参数通过预设焊接工艺对待焊接坡口6进行焊接。进一步地，数据处理模块将获取的待执行焊接工艺参数传输至机器人3和焊机5，机器人3和焊接协作基于预设焊接工艺对待焊接接口进行焊接。优选地，预设焊接工艺为多层多道焊接工艺。即焊接机器人3和焊接基于待执行焊接工艺参数，通过多层多道焊接工艺，实现大厚度板材坡口的自动焊接。

为进一步对本发明大厚度板材坡口自动化焊接系统进行说明，以下以厚度为20mm的10CrNi3MoV钢的大厚度板材进行坡口自动化焊接为例进行说明。

扫描装置1通过Basler aca1920-40gm黑白工业相机和英莱IL-HSP-100S03对10CrNi3MoV钢的待焊接坡口6进行扫描，以获取待焊接坡口6的扫描数据；而后数据处理装置4基于待焊接坡口6的扫描数据构建待焊接坡口6的三维数据模型，并获取待焊接坡口6数据的坡口参数，即确定待焊接坡口6为V型坡口，坡口宽度为25mm，坡口装配间隙为5mm，且坡口角度为42°；数据处理装置4再基于待焊接坡口6的坡口参数在焊接工艺数据库中查找与坡口参数相同的参考坡口参数作为相对参考坡口参数，并将相对参考坡口参数所对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数，待执行焊接工艺参数如表1所示。

表1待执行焊接工艺参数

焊接装置中的焊接机器人和焊接基于待执行焊接工艺参数，通过多层多道焊接工艺对大厚度板材上的待焊接坡口6进行焊接，焊接完成后的试样形貌是表面成形完成，无咬边和裂纹等缺陷。

本发明实施例提供的大厚度板材机器人自动化焊接系统，通过扫描方式快速获取待焊接坡口的坡口参数，可准确获取待焊接坡口的尺寸数据；再通过坡口参数从焊接工艺数据库中直接获取焊接工艺参数，显著降低了工艺设计时间，提高了生产效率；同时焊接工艺数据库中的焊接工艺数据均通过机器人示教编程所得，充分利用了以往焊接过程中积累的经验工艺参数，降低了焊接试错成本，解决了现有焊接方法焊接质量不稳定以及焊接效率低下的问题，且本发明焊接系统焊接适应性强，使用范围极广。

实施例二

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明实施例提供了一种大厚度板材坡口自动化焊接方法。

图2示出了本发明实施例二大厚度板材坡口自动化焊接方法流程示意图；本实施例大厚度板材坡口自动化焊接方法是基于实施例一中大厚度板材坡口自动化焊接系统所进行的；参考图2所示，本发明实施例大厚度板材坡口自动化焊接方法包括如下步骤。

步骤S101，通过扫描装置对大厚度板材上待焊接坡口进行扫描以获取扫描数据，并将扫描数据传输给数据处理装置。

具体地，大厚度板材上可能同时存在多个待焊接坡口，但每次仅对单个待焊接接口通过本实施例方法进行焊接，其它待焊接接口焊接模式重复当前焊接过程即可完成。确定本次方法所实施的待焊接坡口后，通过扫描装置中的视觉识别模块对大厚度板材上的待焊接坡口进行视觉识别以获取待焊接坡口的视觉识别数据，优选地可选取Basleraca1920-40gm黑白工业相机作为视觉识别模块；同时基于扫描装置中的激光扫描识别模块对待焊接坡口进行激光扫描以获取待焊接坡口的激光扫描数据；优选地可选取英莱IL-HSP-100S03作为激光扫描识别模块。在获取待焊接坡口的视觉识别数据和激光扫描数据后即获取了待焊接坡口的扫描数据，而后将扫描数据发送给数据处理装置。

需要说明的是，大厚度板材材料可以为不锈钢、碳钢或高强钢，且大厚度板材厚度范围为10mm-30mm。且待焊接坡口可能为V形坡口、Y形坡口或X形坡口，当待焊接坡口的坡口参数确定后，待焊接坡口形状也即确定，且V形坡口、Y形坡口和X形坡口的坡口间隙范围均为0-10mm。

步骤S102，数据处理装置基于扫描数据获取待焊接坡口的坡口参数，并基于坡口参数在焊接工艺数据库中查找对应的焊接工艺参数，将对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数并将其传输给焊接装置。

具体地，数据处理模块先基于待焊接坡口的扫描数据即视觉识别数据和激光扫描数据，构建待焊接坡口的三维数据模型，而后基于待焊接坡口的三维数据模型获取待焊接坡口的坡口参数。更进一步地，待焊接坡口的坡口参数包括坡口角度和坡口装配间隙。数据处理模块获取待焊接坡口的坡口参数后，再基于坡口参数在焊接工艺数据库中查找对应的焊接工艺参数，进一步即数据处理装置在焊接工艺数据库中查找与坡口参数相同的参考坡口参数作为相对参考坡口参数，并将相对参考坡口参数所对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数。

且需要说明的是，焊接工艺数据库包括多组焊接数据，焊接工艺数据库中的所有焊接数据均由以往机器人示教焊接过程中积累所得，即充分利用了以往机器人示教焊接过程中积累的大量经验工艺参数，实现将经验数据与坡口模型进行融合，克服了坡口尺寸差异导致的工艺重新设计及查阅的耗时。优选地，焊接工艺参数包括焊接电流、电弧电压、送丝速度、焊接速度、焊枪姿态、焊枪位置信息和焊丝摆动长度。

步骤S103，焊接装置基于待执行焊接工艺参数通过预设焊接工艺对待焊接坡口进行焊接。

具体地，将待执行焊接工艺参数传输至机器人和焊机，机器人和焊接协作基于预设焊接工艺对待焊接接口进行焊接。优选地，预设焊接工艺为多层多道焊接工艺。即焊接机器人和焊接基于待执行焊接工艺参数，通过多层多道焊接工艺，实现大厚度板材坡口的自动焊接。

本发明实施例提供的大厚度板材机器人自动化焊接方法，通过扫描方式快速获取待焊接坡口的坡口参数，可准确获取待焊接坡口的尺寸数据；再通过坡口参数从焊接工艺数据库中直接获取焊接工艺参数，显著降低了工艺设计时间，提高了生产效率；同时焊接工艺数据库中的焊接工艺数据均通过机器人示教编程所得，充分利用了以往焊接过程中积累的经验工艺参数，降低了焊接试错成本，解决了现有焊接方法焊接质量不稳定以及焊接效率低下的问题，提升了大厚度板材自动化焊接能力，实现了大厚度板材的高效优质焊接；且本发明焊接方法焊接适应性强，使用范围极广。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种大厚度板材机器人自动化焊接系统，其特征在于，包括依次连接的扫描装置、数据处理装置和焊接装置；

所述扫描装置，用于对大厚度板材上待焊接坡口进行扫描，以获取扫描数据；

所述数据处理装置，用于基于所述扫描数据获取所述待焊接坡口的坡口参数，并基于所述坡口参数在焊接工艺数据库中查找对应的焊接工艺参数，将对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数；

所述焊接装置，包括机器人和焊机，用于基于所述待执行焊接工艺参数通过预设焊接工艺对所述待焊接坡口进行焊接；

其中，所述焊接工艺数据库包括多组焊接数据，所有所述焊接数据均由机器人示教焊接所得，且每组所述焊接数据均包括参考坡口参数以及与所述参考坡口参数对应的焊接工艺参数。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描装置包括视觉识别模块和激光扫描识别模块；

所述视觉识别模块，用于对所述待焊接坡口进行视觉识别，以获取视觉识别数据；

所述激光扫描识别模块，用于对所述待焊接坡口进行激光扫描，以获取激光扫描数据；

所述扫描数据包括视觉识别数据和激光扫描数据。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理装置基于所述扫描数据获取所述待焊接坡口的坡口参数包括：

所述数据处理装置基于所述扫描数据构建所述待焊接坡口的三维数据模型，而后基于所述待焊接坡口的三维数据模型获取所述待焊接坡口的坡口参数。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据处理装置基于所述坡口参数在焊接工艺数据库中查找对应的焊接工艺参数，将对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数包括：

所述数据处理装置在焊接工艺数据库中查找与所述坡口参数相同的参考坡口参数作为相对参考坡口参数，并将相对参考坡口参数所对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述坡口参数包括坡口角度和坡口装配间隙。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述焊接工艺参数包括焊接电流、电弧电压、送丝速度、焊接速度、焊枪姿态、焊枪位置信息以及焊丝摆动长度。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预设焊接工艺为多层多道焊接工艺。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述大厚度板材材料为不锈钢、碳钢或高强钢。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述大厚度板材厚度范围为10mm-30mm。

10.一种基于权利要求1-9中任意一项大厚度板材机器人自动化焊接系统的大厚度板材机器人自动化焊接方法，包括：

通过扫描装置对大厚度板材上待焊接坡口进行扫描以获取扫描数据，并将所述扫描数据传输给数据处理装置；

所述数据处理装置基于所述扫描数据获取所述待焊接坡口的坡口参数，并基于所述坡口参数在焊接工艺数据库中查找对应的焊接工艺参数，将对应的焊接工艺参数作为待执行焊接工艺参数并将其传输给焊接装置；

所述焊接装置基于所述待执行焊接工艺参数通过预设焊接工艺对所述待焊接坡口进行焊接；

其中，所述焊接工艺数据库包括多组焊接数据，所有所述焊接数据均由机器人示教焊接所得，且每组所述焊接数据均包括参考坡口参数以及与所述参考坡口参数对应的焊接工艺参数。

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