CN112605498B - 一种针对复杂管系的机器人对接焊***及方法 - Google Patents

一种针对复杂管系的机器人对接焊***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对复杂管系的机器人对接焊***及方法，***包括复杂管系变位平台、机器人焊接平台、应力调控单元和***集成单元；复杂管系变位平台用于支撑并自定心卡紧待焊管件，并提供旋转变位；应力调控单元用于在***焊接过程中通过超声导波束进行焊缝位置的能量导入，实现组织结晶的均匀化；***集成单元通过总控制柜的操控终端来实现***作业参数的输入、设备运行状态显示、信息的输出。本发明实现了不同管件的参数化焊接，解决了管系焊接装备工艺参数积累及自动下发等问题，提高了装备自适应焊接的能力，减少人工辅助作业，提升了管件生产过程中的智能化水平。

Description

一种针对复杂管系的机器人对接焊***及方法
技术领域
本发明属于复杂高价值管系智能制造领域，特别是一种针对复杂管系的机器人对接焊***及方法。
背景技术
在传统的管件对接焊装备使用过程中，普遍采用电动辅助装卡、人工在线手工调整寻位、手动调节工艺参数。导致人工参与度过高，装备在自动化、智能化水平较低。同时，由于焊接加热产生不均匀温度场而引起的残余应力，往往导致后期管件使用中的应力腐蚀、应力释放缺陷。
面对诸多特种材质及高价值管系的高精度及可靠性要求，尤其是面向有色金属管-管、管-法兰、管三通、管弯头等附件对接焊应用，当前手工或半自动装备基本无法满足装配精度及焊后成品质量需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对复杂管系的机器人对接焊***及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种针对复杂管系的机器人对接焊***，包括复杂管系变位平台、机器人焊接平台、应力调控单元和***集成单元；
所述复杂管系变位平台用于支撑并自定心卡紧待焊管件，并提供旋转变位；
所述应力调控单元用于在***焊接过程中通过超声导波束进行焊缝位置的能量导入；
所述机器人焊接平台包括六轴工业机器人、机器人轨道、焊接电源、焊枪和焊缝跟踪传感器；所述六轴工业机器人通过安装座安装于机器人轨道，用于完成待焊管件的扫描和不同焊缝位置的轴向滑移；焊枪安装于机器人末端，焊缝跟踪传感器通过过渡支架夹持并前置安装于焊枪上，焊缝跟踪传感器相对与焊枪末端存在前置量；
所述***集成单元通过总控制柜的操控终端来实现***作业参数的输入、设备运行状态显示、信息的输出。
一种针对复杂管系的机器人对接焊方法，包括如下步骤：
步骤1、将待焊管件材质、管径、壁厚、应力调控时间、高能声束强度这些参数通过显示设置终端的***任务界面录入；***设备至初始零位状态，前、后支撑滚轮架自动提升至待焊管件对心中心高度；
步骤2、待焊管件通过行车吊装至前、后支撑滚轮架上，并按照预置的焊缝区间进行摆放；
步骤3、U型变位卡钳的卡抓完成自定心卡紧；
步骤4、六轴工业机器人控制单元接收到U型变位卡钳的卡紧完成信号，驱动六轴工业机器人行进至预置焊缝区间，启动机器人扫描程序开始焊缝扫描；焊缝跟踪传感器完成扫描并将焊缝参数上传至六轴工业机器人控制单元；
步骤5、机器人控制单元获取焊缝位置参数，启动机器人焊缝跟踪程序；若管径小于等于设定阈值，调用机器人焊缝跟踪程序一，先沿周扫描待焊焊缝，完成特征数据的提取并上传至六轴工业机器人控制单元；若管径大于设定阈值，调用机器人焊缝跟踪程序二，待焊接时进行实时在线跟踪；
步骤6、六轴工业机器人控制器读取任务信息并自动匹配机器人焊接过程的机器人欧拉参数、变位机旋转速度、起弧参数、焊接参数、收弧参数、摆动参数、偏移参数、应力调控起始时间、应力调控终止时间及高能声束强度，并根据步骤4获得的焊缝位置自主规划起弧位置，焊接的同时根据机器人焊缝跟踪程序一或机器人焊缝跟踪程序二提取的位置参数进行实时调整焊枪末端位置，实现焊缝跟踪；焊接过程中***根据预设的时间启动应力调控单元，总控制柜根据输入的高能声束强度参数配置多路信号控制器输出，实现焊接过程的应力在线调控；
步骤7、完成管件焊接，***各设备恢复初始位置，六轴工业机器人恢复到初始位置，U型变位卡钳旋转至零位并打开卡抓；显示设置终端显示焊接工作完成，等待人工取件。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明实现复杂管系对接焊自动定心夹持、自动寻位、在线应力调控、连续自动焊缝跟踪，工作效率高、焊缝质量好、节省人力物力；(2)具有工艺数据库存储与调用功能，焊接工作任务时序设计，使各个任务动作连续、协调一致，尽可能的使各个任务动作并行运行，减少循环时间，提高***自动化率；(3)设计人机界面，搭建软件控制***实现焊接、应力调控等***工艺的参数化设置。
附图说明
图1为复杂管系的机器人对接焊***三维结构示意图。
图2为复杂管系的机器人对接焊***平面结构示意图。
图3为复杂管系的机器人对接焊***组成框图。
图4为应力调控单元组成及原理示意图。
图5为复杂管系的机器人对接焊***实施逻辑顺序图。
具体实施方式
如图1-3所示，一种针对复杂管系的机器人对接焊***，包括复杂管系变位平台、机器人焊接平台、应力调控单元和***集成单元；
所述复杂管系变位平台用于支撑并自定心卡紧待焊管件，并提供旋转变位；
所述应力调控单元11用于在***焊接过程中通过超声导波束进行焊缝位置的能量导入，实现组织结晶的均匀化；
所述***集成单元通过总控制柜1的操控终端来实现***作业参数的输入、设备运行状态显示、信息的输出。
进一步的，所述复杂管系变位平台由支撑轨道10、U型旋转变位卡盘8、前支撑滚轮架12和后支撑滚轮架9组成；
所述U型旋转变位卡钳8固定安装于支撑轨道10上，前支撑滚轮架12和后支撑滚轮架9安放于U型旋转变位卡钳8两侧，并通过滑块连接至支撑轨道10上，通过齿轮齿条传动实现管件轴线方向的自动调整；前支撑滚轮架12和后支撑滚轮架9通过电机驱动涡轮蜗杆减速器带动支撑托辊上下移动。
进一步的，如图4所示，所述应力调控单元11由四组楔块1101、高能声束换能器1102、换能器安装调整架1103、环形过渡安装座1105、环形支座1104和信号放大器及多路超声信号控制器组成；
四路高能声束换能器1102通过螺钉固定在四组楔块1101上，楔块1101经过安装调整支架1103连接至环形过渡安装座1105上，四件过渡安装座1105经过螺钉安装至环形支座1104；环形支座由沿周锁紧螺钉固定在待焊管件上；应力调控由***集成单元设置并下发调控时间、调控强度参数，多路超声信号控制器通过信号放大器将信号放大并由高能声束换能器1102进行输出，实现沿周焊缝的多区域应力调控。
进一步的，所述机器人焊接平台包括六轴工业机器人5、机器人轨道4、焊接电源13、焊枪6和焊缝跟踪传感器7；
所述六轴工业机器人5通过安装座安装于机器人轨道4，用于完成待焊管件14的扫描和不同焊缝位置的轴向滑移；焊枪6安装于机器人末端，焊缝跟踪传感器7通过过渡支架夹持并前置安装于焊枪6上，焊缝跟踪传感器7相对与焊枪6末端存在一定前置量。对于待焊管径小于前置量则无法在线跟踪，需要采用预扫描离线跟踪的方式来执行。
进一步的，所述的机器人轨道4、U型变位卡盘8作为六轴工业机器人5外部轴，由机器人控制器直接控制；***启动前，将待焊管件放置于前后支撑滚轮架上，其中待焊焊缝处于预设焊缝范围内；***启动时，U型变位卡盘8将待焊管件自动对中卡紧，机器人携带焊缝跟踪传感器7沿着机器人轨道自动扫描管件焊缝，将焊缝位置参数进行提取并自动引导***对焊缝位置进行定位。
进一步的，直径小于140mm以下管件，由焊缝跟踪传感器7先沿周扫描并提取焊缝位置参数，再由机器人根据提取的焊缝位置参数进行离线轨迹规划跟踪焊缝位置；直径大于140mm的管件，通过实时采集焊缝数据，进行机器人在线轨迹规划。
进一步的，总控制柜1负责机器人控制柜2、六轴工业机器人5、U型变位卡钳8的供电与控制交互；总控制柜1的上端设有显示设置终端，用于部署工艺数据库、***任务界面和状态监控画面，完成一键式全自动焊接生产任务。
进一步的，所述***作业参数包括焊缝类型、机器人焊接过程的欧拉参数、变位机旋转速度、焊接电源电流和送丝参数，通过***集成单元中的人机界面进行设置和录入；同时，通过机器人控制器将不同的作业参数下发至焊接电源13、六轴工业机器人5、机器人轨道4、U型旋转变位卡盘8。
进一步的，所述***还包括配电单元，为六轴工业机器人5、焊接电源13、机器人轨道4及U型旋转变位卡盘8供电。
本发明还提供一种基于上述***的接焊方法，如图5所示，包括如下步骤：
步骤1、将待焊管件14材质、管径、壁厚、应力调控时间、高能声束强度这些参数通过显示设置终端的***任务界面录入；***设备至初始零位状态，前、后支撑滚轮架自动提升至待焊管件对心中心高度；
步骤2、待焊管件14通过行车吊装至前、后支撑滚轮架上，并按照预置的焊缝区间进行摆放；
步骤3、总控制柜1上方的操作任务界面启动按钮，U型变位卡钳8的卡抓完成自定心卡紧；
步骤4、六轴工业机器人5控制单元接收到U型变位卡钳8的卡紧完成信号，驱动六轴工业机器人5行进至预置焊缝区间，启动机器人扫描程序开始焊缝扫描；焊缝跟踪传感器7完成扫描并将焊缝参数上传至六轴工业机器人5控制单元；
步骤5、机器人控制单元获取焊缝位置参数，启动机器人焊缝跟踪程序；若管径小于等于140mm，调用机器人焊缝跟踪程序一，先沿周扫描待焊焊缝，完成特征数据的提取并上传至六轴工业机器人5控制单元；若管径大于140mm，调用机器人焊缝跟踪程序二，待焊接时进行实时在线跟踪；
步骤6、六轴工业机器人5控制器读取任务信息并自动匹配机器人焊接过程的机器人欧拉参数、变位机旋转速度、起弧参数、焊接参数、收弧参数、摆动参数、偏移参数、应力调控起始时间、应力调控终止时间及高能声束强度，并根据步骤4获得的焊缝位置自主规划起弧位置，焊接的同时根据机器人焊缝跟踪程序一或机器人焊缝跟踪程序二提取的位置参数进行实时调整焊枪末端位置，实现焊缝跟踪；焊接过程中***根据预设的时间启动应力调控单元，总控制柜1根据输入的高能声束强度参数配置多路信号控制器输出，实现焊接过程的应力在线调控；
步骤7、完成管件焊接，***各设备恢复初始位置，六轴工业机器人5恢复到初始位置，U型变位卡钳8旋转至零位并打开卡抓；显示设置终端显示焊接工作完成，等待人工取件。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明所述复杂管系包括有色金属管-管、管-法兰、管三通、管弯头等附件。
本实施例的一种复杂管系的机器人对接焊***，如图1～3所示，***由复杂管系变位平台、机器人焊接平台、应力调控单元、***集成单元等部分组成。
复杂管系变位平台解决方案：基于复杂空间管系焊接变位及安装方便性需求，配置支撑滚轮架、支撑轨道10和U型旋转变位卡盘8，支撑滚轮架设置前支撑滚轮架12和后支撑滚轮架9，便于在布放管件时进行支撑，支撑滚轮架配置有电动和辅助手动升降功能，可根据待焊任务参数自动调节管件中心高度。支撑轨道10用于支撑滚轮架的轴向滑移，并配有锁止装置实现轴线方向的随意定点布放。U型旋转变位卡钳8固定安装于支撑轨道10上，前支撑滚轮架12和后支撑滚轮架9安放于U型旋转变位卡钳8两侧，并通过滑块连接至支撑轨道10上，通过齿轮齿条传动实现管件轴线方向的自动调整。U型旋转变位卡钳8负责将待焊管件自动对中加紧，并提供伺服旋转动力。前、后支撑滚轮架通过电机驱动涡轮蜗杆减速器带动支撑托辊上下移动。
机器人焊接平台解决方案：该***焊接平台搭载六轴关节机器人5、配置机器人轨道4、搭载焊接电源13、焊枪及焊缝跟踪装置。六轴工业机器人5通过安装座安装于机器人轨道4，用于完成待焊管件14的扫描和不同焊缝位置的轴向滑移。六轴关节机器人5可实现满足操作空间且适应环境需要，搭载的焊缝跟踪装置7可基于集成后的机器人焊接平台开展焊前寻位、焊前小径管扫描、焊中大径管过程跟踪等功能。所有管件实现***的焊缝自动扫描寻位。对于小径管，焊前对待焊管件焊缝扫描并生成连续离散坐标信息，通过机器人离线程序实现焊接过程的末端位姿实时调整。对于大径管采用焊接过程的实时跟踪。
应力调控单元11解决方案：配置超声信号控制器，通过上位机调控***软件向高功率超声信号放大器发出指令，高功率放大器根据调控信号驱动高能换能器输出高能超声束。可实现结合不同材质、不同焊道的调控工艺自主化选择，进行调控窗口时间、调控强度、调控频率等参数的设置。应力调控单元11参与机器人焊接过程的应力调控，便于释放由于焊接局部热输入导致的应力集中。
***集成单元解决方案：所包含的显示设置终端、工艺数据库为用户的标准化订制和非标开发提供了友好便捷的操作模式。显示设置终端用于现实工作执行逻辑顺序、设备与设备间的通讯状态、设备工作状态等信息。人机操控界面是工艺录入、任务输入的人机接口，也是日常设备运行状态监控的支持终端。同时，可通过手动编辑设定工艺参数、应力调控参数、待焊管件材质、结构参数等。对于常规标准化管件，则可预存储相关***参数，方便***下一次调用实现自动焊接。
总控制柜1负责机器人控制柜2、六轴工业机器人5、U型变位卡钳8及其他外部设备的供电与控制交互。总控制柜1的上端设有显示设置终端，用于部署工艺数据库、***任务界面和状态监控画面，可完成一键式全自动焊接生产任务。
本***的控制单元由上位机总控***和机器人作业执行单元组成，其中上位机总控***用于人工录入工艺数据、单元工作顺序控制、各单元状态监控。机器人作业执行单元用于衔接上位机总控***，负责工作任务的协议转换及相关任务的顺序下发等功能。
一种基于上述***的对接焊方法，包括如下步骤：
步骤一：沿着支撑轨道调节前后支撑滚轮架至合适位置并锁止，通过桁车将组对后的管件吊至复杂管系变位平台。
步骤二：通过显示设置终端对管件材质、管径、壁厚；应力调控窗口时间、调控强度和调控频率进行设置。设定完毕后启动软件程序。
步骤三：控制支撑滚轮架自动调节至U型旋转变位卡钳中心高度，U型旋转变位卡钳自定心卡抓自动行进并卡紧管件。
步骤四：上位机控制器下发控制指令，机器人由初始姿态变换为寻位扫描姿态，同时沿机器人轨道快速行进至待焊区域，而后调用机器人降速扫描程序开始焊缝扫描。焊缝跟踪装置将扫描后的焊缝形位数据进行特征提取，获取焊缝中心位置。并将焊缝中心位置数据上传给机器人控制器。
步骤五：根据显示设置终端录入的管径信息，自动判断管径范围，若管径小于140mm，***调用机器人焊缝扫描程序，控制U型旋转变位卡钳带动管件旋转一周，完成待焊管件焊缝的预扫描。焊缝跟踪传感器将提取后的焊缝沿周坐标数据上传给机器人控制器用于焊中修正末端位置参数。若管径大于140mm，焊缝跟踪采用在线实时采集实时修正的模式开展。机器人控制器下发焊接工艺参数至焊接电源，打开保护气电磁阀，启动电源并开始焊接。
步骤六：上位机控制器将应力调控参数下发至超声信号控制器，完成参数配置同时启动应力调控。根据调控时间、调控参数，配合完成焊接过程。同时，机器人结合焊缝跟踪传感器传回的坐标参数，离线或实时修正末端位置参数，完成焊接过程。
步骤七：当焊接完成后，机器人复位，焊后管件复位至初始位置，U型旋转变位机打开卡钳，完成焊接过程并通过声光报警装置和显示终端提示人工下料。

Claims (7)

1.一种针对复杂管系的机器人对接焊方法，其特征在于，所述机器人对接焊方法基于机器人对接焊***实现，所述机器人对接焊***包括复杂管系变位平台、机器人焊接平台、应力调控单元（11）和***集成单元；所述复杂管系变位平台用于支撑并自定心卡紧待焊管件，并提供旋转变位；复杂管系变位平台由支撑轨道（10）、U型旋转变位卡钳（8）、前支撑滚轮架（12）和后支撑滚轮架（9）组成；所述U型旋转变位卡钳（8）固定安装于支撑轨道（10）上，前支撑滚轮架（12）和后支撑滚轮架（9）安放于U型旋转变位卡钳（8）两侧，并通过滑块连接至支撑轨道（10）上，通过齿轮齿条传动实现管件轴线方向的自动调整；前支撑滚轮架（12）和后支撑滚轮架（9）通过电机驱动蜗轮蜗杆减速器带动支撑托辊上下移动；所述应力调控单元（11）用于在***焊接过程中通过超声导波束进行焊缝位置的能量导入；所述机器人焊接平台包括六轴工业机器人（5）、机器人轨道（4）、焊接电源（13）、焊枪（6）和焊缝跟踪传感器（7）；所述六轴工业机器人（5）通过安装座安装于机器人轨道（4），用于完成待焊管件（14）的扫描和不同焊缝位置的轴向滑移；焊枪（6）安装于机器人末端，焊缝跟踪传感器（7）通过过渡支架夹持并前置安装于焊枪（6）上，焊缝跟踪传感器（7）相对于焊枪（6）末端存在前置量；所述***集成单元通过总控制柜的操控终端来实现***作业参数的输入、设备运行状态显示、信息的输出；所述机器人对接焊方法包括如下步骤：
步骤1、将待焊管件（14）材质、管径、壁厚、应力调控时间、高能声束强度这些参数通过显示设置终端的***任务界面录入；***设备至初始零位状态，前、后支撑滚轮架自动提升至待焊管件对心中心高度；
步骤2、待焊管件（14）通过行车吊装至前、后支撑滚轮架上，并按照预置的焊缝区间进行摆放；
步骤3、U型旋转变位卡钳（8）的卡爪完成自定心卡紧；
步骤4、六轴工业机器人（5）控制单元接收到U型旋转变位卡钳（8）的卡紧完成信号，驱动六轴工业机器人（5）行进至预置焊缝区间，启动机器人扫描程序开始焊缝扫描；焊缝跟踪传感器（7）完成扫描并将焊缝参数上传至六轴工业机器人（5）控制单元；
步骤5、机器人控制单元获取焊缝位置参数，启动机器人焊缝跟踪程序；若管径小于等于设定阈值，调用机器人焊缝跟踪程序一，先沿周扫描待焊焊缝，完成特征数据的提取并上传至六轴工业机器人（5）控制单元；若管径大于设定阈值，调用机器人焊缝跟踪程序二，待焊接时进行实时在线跟踪；
步骤6、六轴工业机器人（5）控制器读取任务信息并自动匹配机器人焊接过程的机器人欧拉参数、变位机旋转速度、起弧参数、焊接参数、收弧参数、摆动参数、偏移参数、应力调控起始时间、应力调控终止时间及高能声束强度，并根据步骤4获得的焊缝位置自主规划起弧位置，焊接的同时根据机器人焊缝跟踪程序一或机器人焊缝跟踪程序二提取的位置参数进行实时调整焊枪末端位置，实现焊缝跟踪；焊接过程中***根据预设的时间启动应力调控单元，总控制柜（1）根据输入的高能声束强度参数配置多路信号控制器输出，实现焊接过程的应力在线调控；
步骤7、完成管件焊接，***各设备恢复初始位置，六轴工业机器人（5）恢复到初始位置，U型旋转变位卡钳（8）旋转至零位并打开卡爪；显示设置终端显示焊接工作完成，等待人工取件。
2.根据权利要求1所述的针对复杂管系的机器人对接焊方法，其特征在于，所述应力调控单元（11）由四组楔块（1101）、四路高能声束换能器（1102）、四件换能器安装调整架（1103）、四件环形过渡安装座（1105）、环形支座（1104）和信号放大器及多路超声信号控制器组成；四路高能声束换能器（1102）通过螺钉固定在四组楔块（1101）上，楔块（1101）经过换能器安装调整架（1103）连接至环形过渡安装座（1105）上，四件环形过渡安装座（1105）经过螺钉安装至环形支座（1104）；环形支座（1104）固定在待焊管件上；应力调控由***集成单元设置并下发调控时间、调控强度参数，多路超声信号控制器通过信号放大器将信号放大并由高能声束换能器（1102）进行输出，实现沿周焊缝的多区域应力调控。
3.根据权利要求2所述的针对复杂管系的机器人对接焊方法，其特征在于，所述环形支座（1104）由周向布置的锁紧螺钉固定在待焊管件上。
4.根据权利要求2所述的针对复杂管系的机器人对接焊方法，其特征在于，直径小于140mm以下管件，由焊缝跟踪传感器（7）先沿周扫描并提取焊缝位置参数，再由机器人根据提取的焊缝位置参数进行离线轨迹规划跟踪焊缝位置；直径大于140mm的管件，通过实时采集焊缝数据，进行机器人在线轨迹规划。
5.根据权利要求1所述的针对复杂管系的机器人对接焊方法，其特征在于，所述总控制柜（1）负责机器人控制柜（2）、六轴工业机器人（5）、U型旋转变位卡钳（8）的供电与控制交互；总控制柜（1）的上端设有显示设置终端，用于部署工艺数据库、***任务界面和状态监控画面。
6.根据权利要求1所述的针对复杂管系的机器人对接焊方法，其特征在于，所述***作业参数包括焊缝类型、机器人焊接过程的欧拉参数、变位机旋转速度、焊接电源电流和送丝参数，通过***集成单元中的人机界面进行设置和录入。
7.根据权利要求1所述的针对复杂管系的机器人对接焊方法，其特征在于，所述设定阈值为140mm。
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