CN117583771B - 基于定向基准的焊接方法、系统及多轴焊接机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及基于定向基准的焊接方法、系统及多轴焊接机器人。本发明提供基于定向基准的焊接方法，包括以下步骤：先后对焊接硬件、待焊件进行实景三维建模，根据焊接硬件活动参数限定活动范围，扫描焊缝提取点云数据，对每一点对应虚拟形成一组工作基准面。通过将焊枪虚拟为直线、对焊缝每一点对应虚形成工作基准面，设定直线轮流与各工作基准面垂直，并且进行虚拟仿真以判定焊枪在上述运动约束条件下的运动是否与焊件的运动存在运动干涉，在仿真无运动干涉的情况下进行实际焊接作业，对焊件进行垂直焊接，保证焊件的焊接质量。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及基于定向基准的焊接方法、系统及多轴焊接机器人。
背景技术
在焊接的大多数情况中，垂直焊接相对于其他角度焊接具有更高的焊接质量（因为垂直焊接可以更容易在重力的帮助下填充焊缝，减少气孔和缺陷的可能性）、更少的变形（因为焊接热量在焊缝上下方向上更为均匀分布，减少焊接产生的热应力）、适应性更强（垂直焊接对于处理不同形状和结构的工件更具适应性）、减少飞溅和气孔（降低飞溅风险）。
现有设备在焊接过程中往往注重于焊缝的焊接完成而不注重焊接角度，未能始终保持对焊缝的垂直焊接，可能产生气孔、缺陷、热应力、飞溅等质量或风险问题。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了基于定向基准的焊接方法、系统及多轴焊接机器人，能够有效解决现有技术注重于焊缝的焊接完成而不注重焊接角度，未能始终保持对焊缝的垂直焊接，可能产生质量或风险的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
本发明提供基于定向基准的焊接方法，包括以下步骤：
先后对焊接硬件、待焊件进行实景三维建模，根据焊接硬件活动参数限定活动范围，扫描焊缝提取点云数据，对每一点对应虚拟形成一组工作基准面；
将焊枪虚拟为直线，设定直线轮流垂直于其中一组每一工作基准面、直线下端与每一工作基准面存在焊接间距d为运动约束条件，判断并调节使焊枪基于运约束条件的运动范围与处于旋转环境下的待焊件的运动范围无重复活动范围；
通过焊接软件规划焊枪运动轨迹、焊枪姿态以及待焊件的倾角，通过焊接硬件按照规划进行实际焊接作业。
进一步地，对待焊件进行实景三维建模之前，对焊接硬件进行实景三维建模生成第一点云数据集，所述焊接硬件为第一焊接机器人、第二焊接机器人、焊枪和轴向旋转夹具，输入第一焊接机器人与第二焊接机器人活动参数，基于第一点云数据集以及活动参数，设焊枪运动范围为第一活动范围以及轴向旋转夹具运动范围为第二活动范围，所述轴向旋转夹具具有夹持工作面。
进一步地，具体为：
S1.使用轴向旋转夹具固定待焊件，对待焊件进行实景三维建模生成第二点云数据集，扫描至少一条焊缝并自动提取至少一个第三点云数据集，基于每一点对应虚拟形成一组工作基准面，所述工作基准面仅与某一点相交而不与其他点相交；
S2.将焊枪虚拟为直线，设定直线轮流垂直于其中/另一组每一工作基准面、直线下端与每一工作基准面存在焊接间距d为运动约束条件，以轴向旋转夹具的夹持工作面处于竖直状态为初始位姿，基于第二点云数据集设待焊件虚拟轴向旋转运动范围为第三活动范围，旋转速度为v，旋转时间为t，基于第一点云数据集设焊枪基于运约束条件的运动范围为第四活动范围；
S3.判断第三活动范围与第四运动范围是否存在重复活动范围；
S31.若否，确定倾角，在t时间内，通过第一焊接机器人规划焊枪运动轨迹、焊枪姿态以及待焊件的倾角，进行实际焊接作业；
S32.若是，则调节待焊件的倾角至无重复活动范围；
S4.焊枪虚拟直线下端形成一组相对于第三点云数据集偏置的点云数据集，其中一条焊缝焊接结束；
S5.是否仍有未焊接的焊缝；
S51.若否，则结束；
S52.若是，虚拟恢复轴向旋转夹具的夹持工作面的竖直状态，重复S2。
进一步地，所述S32具体为：
S321.若第一次判断是，以第二活动范围为界限按照第一方向增大一个倾角并重复S2；
S322.若第二次判断是，判断重复活动范围是否增大；
S3221.若是，以第二活动范围为界限按照第二方向减少两个倾角，重复S2；
S3222.若否，重复S32、S2；
S323.若第三次判断是，以第二活动范围为界限按照第二方向减少一个倾角，重复S2；
重复上述S323直至判断为否。
进一步地，每次倾角调节刻度为5-15°。
进一步地，所述d为6-9mm，所述v为5-15rpm。
进一步地，所述第一焊接机器人与第二焊接机器人均具有多个旋转臂，所述活动参数为各旋转臂的旋转角度范围。
进一步地，所述第一方向与第二方向为以夹持工作面为基准面，上端面远离与朝向焊枪的方向。
基于定向基准的焊接系统，包括焊接硬件与焊接软件；
所述焊接硬件包括第一焊接机器人、焊枪、第二焊接机器人、轴向旋转夹具；
所述焊接硬件还包括激光扫描仪；
所述焊接软件包括三维建模模块与虚拟仿真模块。
多轴焊接机器人，为第一焊接机器人和第二焊接机器人，所述第一焊接机器人为九轴焊接机器人，所述第二焊接机器人为三轴焊接机器人。
本发明提供的技术方案，与已知的现有技术相比，具有如下有益效果：
通过将焊枪虚拟为直线、对焊缝每一点对应虚形成工作基准面，设定直线轮流与各工作基准面垂直，并且进行虚拟仿真以判定焊枪在上述运动约束条件下的运动是否与焊件的运动存在运动干涉，在仿真无运动干涉的情况下进行实际焊接作业，对焊件进行垂直焊接，保证焊件的焊接质量，以解决现有技术注重于焊缝的焊接完成而不注重焊接角度，未能始终保持对焊缝的垂直焊接，可能产生质量或风险的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于定向基准的焊接方法对焊接硬件进行实景三模的流程图；
图2为本发明基于定向基准的焊接方法的流程图；
图3为图2中一部分放大的流程图；
图4为图2中另一部分放大的流程图；
图5为本发明基于定向基准的焊接系统的示意图；
图6为本发明基于定向基准的焊接系统部分焊接硬件的示意图。
图中的标号分别代表：100、第一焊接机器人；101、焊枪；200、第二焊接机器人；201、轴向旋转夹具；300、待焊件；301、焊缝。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例：
参照图1至图4，基于定向基准的焊接方法，包括以下步骤：先后对焊接硬件、待焊件300进行实景三维建模，根据焊接硬件活动参数限定活动范围，扫描焊缝301提取点云数据，对每一点对应虚拟形成一组工作基准面；将焊枪101虚拟为直线，设定直线轮流垂直于其中一组每一工作基准面（待焊件300处于旋转环境）、直线下端与每一工作基准面存在焊接间距d为运动约束条件，判断并调节使焊枪101基于运约束条件的运动范围与处于旋转环境下的待焊件300的运动范围无重复活动范围；通过焊接软件规划焊枪101运动轨迹、焊枪101姿态以及待焊件300的倾角，通过焊接硬件按照规划进行实际焊接作业。
本方法通过将焊枪101虚拟为直线、对焊缝301每一点对应虚形成工作基准面，设定直线轮流与各工作基准面垂直，并且进行虚拟仿真以判定焊枪101在上述运动约束条件下的运动是否与待焊件300的运动存在运动干涉，在仿真无运动干涉的情况下进行实际焊接作业，对待焊件300进行垂直焊接，保证待焊件300的焊接质量，以解决现有技术注重于焊缝301的焊接完成而不注重焊接角度，未能始终保持对焊缝301的垂直焊接，可能产生质量或风险的问题。
由于焊接硬件的位置是固定不便的，因此在对待焊件300进行实景三维建模之前，对焊接硬件进行实景三维建模生成第一点云数据集，实景三维建模属于成熟的现有技术，在此不做赘述，焊接硬件为第一焊接机器人100、第二焊接机器人200、焊枪101和轴向旋转夹具201，输入第一焊接机器人100与第二焊接机器人200活动参数，此处活动参数的设置因第一焊接机器人100与第二焊接机器人200均具有多个旋转臂，活动参数为各旋转臂的旋转角度范围，基于第一点云数据集以及活动参数，设焊枪101运动范围为第一活动范围以及轴向旋转夹具201运动范围为第二活动范围，轴向旋转夹具201具有夹持工作面，待焊件300固定夹持于夹持工作面上，第一活动范围与第二活动范围分别为焊枪101与轴向旋转夹具201的最大活动范围。
需要说明的是，上述待焊件300可以为板状件、管状件以及其它异形件，由于本方法中的第一焊接机器人100因有多个自由度使焊枪101具有较大的活动范围，轴向旋转夹具201基于第二焊接机器人200可带动待焊件300进行倾角调节以及轴向旋转，适应于复杂焊缝301的垂直焊接作业。
本焊接方法具体为：
S1.使用轴向旋转夹具201固定待焊件300，对待焊件300进行实景三维建模生成第二点云数据集，扫描至少一条焊缝301并自动提取至少一个第三点云数据集，基于每一点对应虚拟形成一组工作基准面，工作基准面仅与某一点相交而不与其他点相交，由此可知工作基准面与对应点相切，可同时扫描一条或多条焊缝301，单轮焊接一条或多条焊缝301；
S2.将焊枪101虚拟为直线，设定直线轮流垂直于其中/另（另表示需要对多条焊缝301进行焊接）一组每一工作基准面、直线下端与每一工作基准面存在焊接间距d为运动约束条件，d为6-9mm，此为硬性焊接约束条件，以轴向旋转夹具201的夹持工作面处于竖直状态为初始位姿，在对某一条焊缝301焊接前均以此初始位姿为虚拟初始焊接条件，基于第二点云数据集设待焊件300虚拟轴向旋转运动范围为第三活动范围，旋转速度为v，v为5-15rpm，v为5-15rpm，旋转时间为t，t为在旋转速度为v的基础上旋转一周所用时间，基于第一点云数据集设焊枪101基于运约束条件的运动范围为第四活动范围；
S3.判断第三活动范围与第四运动范围是否存在重复活动范围，即判断在轴向旋转夹具201与待焊件300在夹持工作面处于初始位姿时是否存在运动干涉；
S31.若否，确定倾角，在t时间内，通过第一焊接机器人100规划焊枪101运动轨迹、焊枪101姿态以及待焊件300的倾角，进行实际焊接作业；
S32.若是，则调节待焊件300的倾角至无重复活动范围，倾角以夹持工作面水平中线为旋转轴线；
S321.若第一次判断是，以第二活动范围为界限按照第一方向增大一个倾角并重复S2；
S322.若第二次判断是，判断重复活动范围是否增大；
S3221.若是，以第二活动范围为界限按照第二方向减少两个倾角，重复S2；
S3222.若否，重复S32、S2；
S323.若第三次判断是，以第二活动范围为界限按照第二方向减少一个倾角，重复S2；
重复上述S323直至判断为否；
需要说明的是，第一方向与第二方向为以夹持工作面为基准面，上端面远离与朝向焊枪101的方向，以第一方向为先，第二方向为后，因在朝向第一方向旋转一个倾角后，相对朝向第二方向旋转一个倾角后增大了待焊件300活动范围。
每次倾角调节刻度为5-15°，可根据待焊件300的尺寸大小设定。
S4.焊枪101虚拟直线下端形成一组相对于第三点云数据集偏置的点云数据集，此偏置因焊接间距d而形成，其中一条焊缝301焊接结束；
S5.是否仍有未焊接的焊缝301；
S51.若否，则结束；
S52.若是，虚拟恢复轴向旋转夹具201的夹持工作面的竖直状态，重复S2。
需要说明的是，应用本焊接方法可采用有焊材焊接方式以及无焊材焊接方式，在采用有焊材焊接方式时，可在焊接前将焊材置于焊缝301中，在采用无焊材方式方式时，可采用激光焊接和电子束焊接，高能光束被用来融化工件表面，而不需要额外的填充材料，适用于一些金属材料的高质量焊接。
参照图5至图6，基于定向基准的焊接系统，包括焊接硬件与焊接软件；
焊接硬件包括第一焊接机器人100、焊枪101、第二焊接机器人200、轴向旋转夹具201；
焊接硬件还包括激光扫描仪（图中未画出），为现有技术，对实际场景进行数据采集，可以获取场景中的点云数据；
焊接软件包括三维建模模块与虚拟仿真模块，为现有技术，利用三维建模与虚拟仿真可在焊接前设定待焊件300的倾角以及焊枪101的运动路径与姿态调整。
多轴焊接机器人，为第一焊接机器人100和第二焊接机器人200，第一焊接机器人100为九轴焊接机器人，第二焊接机器人200为三轴焊接机器人，第一焊接机器人100与第二焊接机器人200为现有技术，分别具有九个、三个自由度。
以上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，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.基于定向基准的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
先后对焊接硬件、待焊件进行实景三维建模，根据焊接硬件活动参数限定活动范围，扫描焊缝提取点云数据，对每一点对应虚拟形成一组工作基准面；
将焊枪虚拟为直线，设定直线轮流垂直于其中一组每一工作基准面、直线下端与每一工作基准面存在焊接间距d为运动约束条件，判断并调节使焊枪基于运约束条件的运动范围与处于旋转环境下的待焊件的运动范围无重复活动范围；
通过焊接软件规划焊枪运动轨迹、焊枪姿态以及待焊件的倾角，通过焊接硬件按照规划进行实际焊接作业；
具体为：
S1.使用轴向旋转夹具固定待焊件，对待焊件进行实景三维建模生成第二点云数据集，扫描至少一条焊缝并自动提取至少一个第三点云数据集，基于每一点对应虚拟形成一组工作基准面，所述工作基准面仅与某一点相交而不与其他点相交；
S2.将焊枪虚拟为直线，设定直线轮流垂直于其中另一组每一工作基准面、直线下端与每一工作基准面存在焊接间距d为运动约束条件，以轴向旋转夹具的夹持工作面处于竖直状态为初始位姿，基于第二点云数据集设待焊件虚拟轴向旋转运动范围为第三活动范围，旋转速度为v，旋转时间为t，基于第一点云数据集设焊枪基于运约束条件的运动范围为第四活动范围；
S3.判断第三活动范围与第四运动范围是否存在重复活动范围；
S31.若否，确定倾角，在t时间内，通过第一焊接机器人规划焊枪运动轨迹、焊枪姿态以及待焊件的倾角，进行实际焊接作业；
S32.若是，则调节待焊件的倾角至无重复活动范围；
S4.焊枪虚拟直线下端形成一组相对于第三点云数据集偏置的点云数据集，其中一条焊缝焊接结束；
S5.是否仍有未焊接的焊缝；
S51.若否，则结束；
S52.若是，虚拟恢复轴向旋转夹具的夹持工作面的竖直状态，重复S2。
2.根据权利要求1所述的基于定向基准的焊接方法，其特征在于，在对待焊件进行实景三维建模之前，对焊接硬件进行实景三维建模生成第一点云数据集，所述焊接硬件为第一焊接机器人、第二焊接机器人、焊枪和轴向旋转夹具，输入第一焊接机器人与第二焊接机器人活动参数，基于第一点云数据集以及活动参数，设焊枪运动范围为第一活动范围以及轴向旋转夹具运动范围为第二活动范围，所述轴向旋转夹具具有夹持工作面。
3.根据权利要求1所述的基于定向基准的焊接方法，其特征在于，所述S32具体为：
S321.若第一次判断是，以第二活动范围为界限按照第一方向增大一个倾角并重复S2；
S322.若第二次判断是，判断重复活动范围是否增大；
S3221.若是，以第二活动范围为界限按照第二方向减少两个倾角，重复S2；
S3222.若否，重复S32、S2；
S323.若第三次判断是，以第二活动范围为界限按照第二方向减少一个倾角，重复S2；
重复上述S323直至判断为否。
4.根据权利要求2所述的基于定向基准的焊接方法，其特征在于，每次倾角调节刻度为5-15°。
5.根据权利要求2所述的基于定向基准的焊接方法，其特征在于，所述d为6-9mm，所述v为5-15rpm。
6.根据权利要求2所述的基于定向基准的焊接方法，其特征在于，所述第一焊接机器人与第二焊接机器人均具有多个旋转臂，所述活动参数为各旋转臂的旋转角度范围。
7.根据权利要求3所述的基于定向基准的焊接方法，其特征在于，所述第一方向与第二方向为以夹持工作面为基准面，上端面远离与朝向焊枪的方向。
8.基于定向基准的焊接系统，其特征在于，包括焊接硬件与焊接软件；
所述焊接硬件包括上述权利要求2所述的第一焊接机器人、焊枪、第二焊接机器人、轴向旋转夹具；
所述焊接硬件还包括激光扫描仪；
所述焊接软件包括三维建模模块与虚拟仿真模块。
9.多轴焊接机器人，其特征在于，为上述权利要求2或5所述的第一焊接机器人和第二焊接机器人，所述第一焊接机器人为九轴焊接机器人，所述第二焊接机器人为三轴焊接机器人。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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