CN118269121A - 一种机器人在曲屏管道销钉自动焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及曲面管屏销钉焊接技术领域，公开了一种机器人在曲屏管道销钉自动焊接方法，本方法采用激光三维雷达扫描整个曲面管屏，实现机器人的空间坐标定位，通过管屏的高精度三维点云自动计算得到管屏曲率，最终得到焊接点位，从而自动规划机器人的姿态和轨迹，完成对曲管屏的自动焊接；并且，针对曲面管道焊接方向的问题，通过对整体管屏点云进行算法分析，找到管屏曲面法相面，并根据每根管道与法相面相交的最高点作为焊接点，通过空间坐标位置实时纠正修正机器人的规划路径，提升作业质量和效率。

Description

一种机器人在曲屏管道销钉自动焊接方法

技术领域

本发明涉及曲面管屏销钉焊接技术领域，具体涉及一种机器人在曲屏管道销钉自动焊接方法。

背景技术

管屏是布置在炉膛中的屏式受热面，因为受热面布置在炉膛中并做成屏式，所以统称管屏。现有的管屏销钉焊接时，通常采用机器人示教再现的方式进行，这种焊接方式对于工作任务不复杂，示教时间相对于工作时间较短的情况是非常有效的，但是在复杂的作业应用中，效果却不令人满意。

公开号为CN116571852A的发明专利公开了一种机器人螺柱自动焊接方法和系统的发明专利，通过对管屏进行扫描定位，获取整体位置信息；基于整体位置信息，机器人及焊枪移动至初始位置；通过三维视觉识别方式获取管屏的最高点和左右偏移量，修正获得焊接运动路径；获取管屏圆管的轮廓信息，计算获得直径和轴线姿态，以此调整焊枪的姿态；根据焊接运动路径及调整后的姿态进行自动化焊接。

该专利虽然也涉及管屏螺柱的自动焊接，但是并不能实现曲面屏的复杂管屏的自动焊接，并且焊接过程也需要人工参与，并未实现全自动化。

发明内容

为解决现有技术存在的问题和不足，本发明提供了一种机器人在曲屏管道销钉自动焊接方法，采用激光三维雷达扫描整个曲面管屏，实现机器人的空间坐标定位，通过管屏的高精度三维点云自动计算得到管屏曲率，最终得到焊接点位，从而自动规划机器人的姿态和轨迹，完成对曲管屏的自动焊接。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

本发明首先提供机器人的自动定位方式：

本发明提供机器人自动定位方式：针对目前采用人工找到边界定位的方式，存在耗时长，自动化程度差且存在对于有起伏的曲面管屏不通用的问题。采用多个激光三维扫描设备对整个管屏提高定位精度，本发明采用两个扫描设备，能快速扫描获取拼接重构管屏的三维点云数据，通过精确三维点云数据，以放置管屏的平台固定位置作为起始点，规划机器人最优行程路径，调整机器人特别是在有弯曲弧面管屏的焊接姿态。

进一步地，本发明还提供曲面管屏销钉自动焊接的机器人行程路径规划方法，通过对整个管屏高精度三维点云的采集，获取整个管屏的空间点云坐标，以放置管屏平台固定位置作为整个系统的坐标原点，机器人在开机后开始作业前的先复位到原点。本发明根据获取的管屏三维点云数据，分别计算曲面管屏的曲率，结合分析计算圆管的最高点位置和左右偏移量等三维数据，确定焊点的具体位置和方向，再根据整个管屏的面积和焊点位置，整体规划机器人的行走路径和姿态，随后将位置坐标及姿态信息实时传给机器人控制器，最后通过坐标和方向信息规划机器人姿态和路径。

在本发明中，计算获取曲面管屏的曲率后，基于该曲率能够获得曲面管屏的切线法向量，然后以弯曲管屏的法线方向作为焊接方向，法线与管屏的交点处为焊接点坐标，再结合整个管屏的面积和焊点位置，整体规划机器人的行走路径和姿态。

在本发明中，计算曲率是为了找到焊点的最高点，如果待焊接的工件为直屏，只需要找管的最高点，但是曲屏则需要先找到曲屏的切线法向量，然后找管的圆弧最高点，得到的角度进行姿态修正，否则容易虚焊。因此，为防止出现虚焊，焊接点为管道直径最高点，工艺要求销钉轴线方向需与管的法线方向重合，由于在曲屏管道，机器人需要在两个维度保证示意图如图2和图3所示，以沿着平行管道走向为y轴，垂直向上为z轴，垂直于管道走向方向为x轴，曲屏管道的法线包括：xz平面垂直管道最高点切线的法线，以及yz平面垂直管道最高点曲屏弧面切线的法线，计算得到这两个法线角度修正机器人焊接姿态，焊接点为机器人焊接时的位置坐标。

本发明采用两个激光三维扫描设备通过点云拼接的方式实现了整个管屏的高精度激光点云获取。采用二维扫描仪搭载水平转台，实现激光三维扫描。通过获取的两个扁钢之间圆弧的轮廓尺寸，计算出圆心及圆心角，获取的管屏整体点云，计算曲屏的曲率。设计了点云处理算法，得到焊接点位置以及法线方向角度，实现对焊枪姿态的控制。

本发明的有益效果：

1、本发明针对曲面管道焊接方向的问题，通过对整体管屏点云进行算法分析，找到管屏曲面法相面，并根据每根管道与法相面相交的最高点作为焊接点。通过空间坐标位置实时纠正修正机器人的规划路径，提升作业质量和效率。

2、本发明通过激光三维扫描实现了坐标系统一，保证了焊接过程中不用重新扫描定位，提高了作业效率。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1为本发明焊接工艺流程图；

图2为本发明焊点位置示意图；

图3为本发明焊点姿态示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明发明目的的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

目前，已有工业机器人的工作方式主要采用示教再现的方式，或者采用局部视觉方式，这些工作方式对于工作任务不复杂，示教时间相对于工作时间较短的情况是非常有效的，但是在复杂的作业应用，或者管屏为曲面时无法实现自动焊接。

基于此，本发明的实施例提出了一种机器人在曲屏管道销钉自动焊接方法，本发明中机器人曲屏管道销钉自动焊接工作流程具体如下：

（1）将待焊接的工件（曲面管屏）吊装上料，放置在固定平台上。

（2）采用两个激光三维扫描仪对整个曲面管屏进行扫描，得到管屏的三维点云数据，对获取的三维点云进行拼接。激光扫描三维仪的数量根据实际场景确定，原则上单次扫描需要能覆盖所有工件表面信息，如果使用两个及以上扫描仪对工件进行扫描，那么则需要对三维点云的数据进行拼接。

（3）系统设置固定的原点，通过激光扫描仪获取的管屏的三维点云，得到工件整体位置数据，完成系统坐标系统一，即将机器人与点云统一到一个坐标系。在本发明中，通常以放置曲面管屏的平台固定位置作为整个系统的坐标原点，机器人在开机后开始作业前的先复位到原点。

（4）在上位机上进行参数化输入，自动规划机器人的行程路径。通过界面设置销钉的截距、销钉数量、管屏形式、机器人的运动速度、偏差补偿等参数。

（5）自动计算机器人的姿态和焊点位置，机器人自动到达需要焊接位置，进行焊接作业。

（6）节点焊接结束后，工件卸料。

在一些实施例中，为了保证测量准确，成功识别偏焊情况，给出以下机器人路径规划方法：

1）采用两个激光三维扫描仪对整个曲面管屏进行扫描，获得管屏的三维点云数据，然后对管屏的三维点云数据进行拼接；

2）以沿着平行管道走向为y轴，垂直向上为z轴，垂直于管道走向方向为x轴，通过管屏三维点云沿x轴，在yz平面按一定阈值逐片提取最大y值点和最小y值点，从而得到管屏的长度L，通常情况下一般是厘米级切片；

3）通过管屏三维点云沿y轴，在xz平面按一定阈值逐片提取最大x值点和最小x值点，从而得到管屏的宽度M；

4）按工艺要求在界面输入单位面积的销钉数量n、排列方式以及销钉角度，然后将焊接点粗分布到管屏上；

5）计算焊接点的具体位置和焊接姿态：截取上述步骤4）中焊接点位置10cm范围内的管屏点云，拟合管屏管口半圆，生成管子的直径d，得到曲面管屏精确焊接点位置；

6）如图2所示，求取xz平面垂直管道最高点切线的法线，yz平面垂直管道最高点曲屏弧面切线的法线，计算得到这两个法线角度修正机器人焊接姿态，焊接点为机器人焊接时的位置坐标；

7）节点焊接结束后，继续移动到下一区域重复以上动作进行焊接，直至整个工件焊接结束。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种机器人在曲屏管道销钉自动焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1.采用激光三维扫描仪对整个曲面管屏进行扫描，获得管屏的三维点云数据，进而基于管屏的三维点云数据获取管屏整体尺寸信息；

步骤S2.结合管屏的三维点云数据，将机器人与点云统一到一个坐标系中，规划管屏的焊接起点；

步骤S3.根据管屏的三维点云数据，计算曲面管屏的曲率；

步骤S4.基于曲面管屏的曲率，获得焊接点的坐标和方向，再根据整个管屏的面积和焊点位置，整体规划机器人的行走路径和姿态，实现曲面管屏销钉的自动焊接。

2.根据权利要求1所述的一种机器人在曲屏管道销钉自动焊接方法，其特征在于，所述基于管屏的三维点云数据获取管屏整体尺寸信息，至少包括以下步骤：

以沿着平行管道走向为y轴，垂直向上为z轴，垂直于管道走向方向为x轴；

通过管屏三维点云沿x轴，在yz平面逐片提取最大y值点和最小y值点，从而得到管屏的长度L；

通过管屏三维点云沿y轴，在xz平面逐片提取最大x值点和最小x值点，从而得到管屏的宽度M。

3.根据权利要求1所述的一种机器人在曲屏管道销钉自动焊接方法，其特征在于，所述基于曲面管屏的曲率，获得焊接点的坐标和方向，包括：

根据曲面管屏的曲率获得曲面管屏的切线法向量，然后以弯曲管屏的法线方向作为焊接方向，法线与管屏的交点处为焊接点坐标。

4.根据权利要求3所述的一种机器人在曲屏管道销钉自动焊接方法，其特征在于，以沿着平行管道走向为y轴，垂直向上为z轴，垂直于管道走向方向为x轴，曲面管屏的法线包括xz平面垂直管道最高点切线的法线，以及yz平面垂直管道最高点曲屏弧面切线的法线。

5.根据权利要求3或4所述的一种机器人在曲屏管道销钉自动焊接方法，其特征在于，整体规划机器人焊接姿态时，以弯曲管屏两个法线的角度修正机器人的焊接姿态。