CN114055021A - 一种应用于钛钢复合材料的智能焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于钛钢复合材料的智能焊接装置，该装置包括智能焊接机器人、激光相机和智能焊接控制装置，所述激光相机安装于所述智能焊接机器人上，所述智能焊接控制装置用于对所述智能焊接机器人、激光相机进行控制。本发明的智能焊接是一种基于三维模型数据驱动轨迹自动规划和视觉扫描纠偏、循环反馈，实现无人工示教的自动离线和控制机器人实时运行的综合性钛钢复合材料焊接装置，焊接精度高，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及智能焊接技术领域，尤其涉及一种应用于金属复合材料的智能焊接装置。
背景技术
目前，由于电焊技工劳动成本逐年攀升，且人工焊接质量不稳定，效率低，而行业对产品质量要求越来越高，因此很多企业均采用自动焊接装置对批量产品进行自动化智能化焊接。
现有的自动焊接装置主要由机器人本体、机器人控制柜、焊接电源装置、焊接传感器装置、安全保护设施和焊接工装夹具几部分构成。机器人一般是伺服电机驱动的6轴关节式操作机，由驱动器、传动机构、机械手臂、关节以及内部传感器等组成，其精确地保证机械手末端(悍枪)所要求的位置、姿态和运动轨迹。机器人控制柜是自动焊接装置的神经中枢，包括计算机硬件、软件和一些专用电路，负责处理机器人本体工作过程中的全部信息和控制其全部动作，将动作指令发送给机器人本体，机器人本体按照指令完成焊接任务。现有的自动焊接装置通常是针对标准件的自动焊接，需要通过操作者把作业要求的内容预先通过示教装置导引给焊接机器人，且现有的焊接机器人动作过程只是简单的机械化，只能执行一般标准件的批量焊接工作，焊接精度低，适用范围小。
发明内容
本发明有效解决了现有技术中自动焊接装置需要对焊接机器人进行示教，只能执行标准件的自动焊接，焊接精度低，适用范围小的问题。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种应用于钛钢复合材料的智能焊接装置，包括：智能焊接机器人、激光相机和智能焊接控制装置，所述激光相机安装于所述智能焊接机器人上，所述智能焊接控制装置用于对所述智能焊接机器人、激光相机进行控制，所述智能焊接控制装置包括：焊接工艺模块，用于创建和存储焊接工艺包；建模模块，用于创建待焊接构件的构件模型和焊缝模型；机器人焊接仿真模块，用于基于机器人运动学原理动画模拟出与实际焊接场景相符的等效焊接场景；路径自动规划模块，包括扫描路径规划单元和焊接路径规划单元，其中，所述扫描路径规划单元用于根据所述构件模型和焊缝模型获得焊缝位置参数，并在所述智能焊接机器人可执行范围内驱动所述激光器按照所述焊缝位置参数进行粗略扫描，并将扫描结果进行分析处理，拟合成实际的真实焊缝位置参数，基于所述真实焊缝位置参数对所述焊缝位置参数进行修正；所述焊接路径规划单元用于根据修正后的焊缝位置参数重新按照所述智能焊接机器人焊接的走向、姿态和焊接工艺信息自动匹配对应的所述焊接工艺包，形成可实际执行焊接的路径规划；焊接程序自动编写模块，用于根据与所述智能焊接机器人相匹配的数据格式和接口参数自动根据所述扫描路径规划和焊接路径规划的结果计算出焊接程序；视觉识别定位模块，用于对所述待焊接构件进行定位，获取所述待焊接构件的坐标参数和焊缝的坐标参数；激光扫描分析模块，用于实时捕捉目标点的激光帧图像，分析出焊缝坡口断面上特征点信息，自动提取坐标值反馈给装置进行线性拟合，生成实际焊缝的真实坐标值。
所述智能焊接装置还包括机器人控制交互模块，所述机器人控制交互模块用于实现所述智能焊接机器人和所述智能焊接控制装置的完全交互。
所述焊接工艺包中的参数至少包括焊接指标参数、焊接时机器人姿态控制参数、子焊道的道次控制参数和智能决策规则参数。
所述智能焊接机器人包括机械手、焊机、焊枪和行走机构，所述焊枪安装于所述机械手上，所述机械手安装于所述行走机构上，所述行走机构用于带动所述机械手在水平任意方向移动，所述机械手用于带着所述激光相机和焊枪按照所述智能焊接控制装置发出的机械手运动控制指令进行焊枪位姿的调整。
所述智能焊接机器人还包括焊接工作台，所述焊接工作台用于固定待焊接构建，并带动所述待焊接构件根据所述智能焊接控制装置发出的工作台运动控制指令进行待焊接构件位姿的调整。
所述相机上设置有电弧滤光片组，所述电弧滤光片组为带通滤光片、中性滤光片和偏振片组成的滤光组件。
本申请提供的一种应用于钛钢复合材料的智能焊接装置，相对于现有技术需要对焊接机器人进行示教，只能执行标准件的自动焊接，焊接精度低，适用范围小，本申请的智能焊接装置是一种基于三维模型数据驱动轨迹自动规划和视觉扫描纠偏、循环反馈，实现无人工示教的自动离线编程和控制机器人实时运行的综合性金属件焊接装置，焊接精度高，适用范围广，既可以执行普通多道角焊缝的焊接，也可以执行多层多道深熔焊的焊接。
附图说明
图1是本发明提供的一种应用于钛钢复合材料的智能焊接装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种应用于钛钢复合材料的智能焊接装置，如图1所示，所述装置可以包括以下结构：智能焊接机器人、激光相机和智能焊接控制装置，激光相机安装于智能焊接机器人上，智能焊接控制装置用于对智能焊接机器人、激光相机进行控制，智能焊接控制装置包括：焊接工艺模块，用于创建和存储焊接工艺包；焊接工艺包是采用参数化的形式将焊接工艺信息和焊接专家经验进行数据化所形成，为装置实现智能自动焊接提供基础焊接数据，所述数据均以工艺包的形式提供给装置使用，焊接工艺包中的参数至少包括焊接指标参数、焊接时机器人姿态控制参数、子焊道的道次控制参数和智能决策规则参数，工艺包中参数在焊接路径规划时会被自动匹配，是焊接质量控制的关键点；工艺包允许自行定义和扩充，使用前需要进行实效焊接质量验证。
建模模块，用于创建待焊接构件的构件模型和焊缝模型；建模模块采用参数化的方式进行模型创建、编辑、文件保存，主要包括构件模型和焊缝模型两类模型；构件模型通过创建型材零件和板材零件的方式，应用各种组合和拓扑关系的建立，实现构件的创建；具体地，在本实施方式中，建模模块可以识别主流图形交换格式，特别是可以完全兼容从Tekla软件导出的中间格式文件，这样可以很好的利用钢结构行业内项目产品的前期任务成果，方便实现本装置所需的各类驱动数据；建模装置可以基于结构件模型创建零件与零件之间的交接面焊缝，能够快速自动识别并计算出构件的所有焊缝信息，如焊脚尺寸、焊缝位置等；建模模块可以把三维实体中的面、线自动转换成所需要焊缝，焊缝也可以自行设绘；通过定制可以将外部的焊缝格式文件和AutoCAD图中焊缝信息导入到建模模块中。
机器人焊接仿真模块，用于基于机器人运动学原理动画模拟出与实际焊接场景相符的等效焊接场景；机器人焊接仿真模块采用机器人运动学原理，动画模拟出与实际场景相符的等效场景，模拟装置中各组成部件(机器人、焊枪、工作台)尺寸外形和安装定位坐标均与工位实际尺寸一致；仿真机器人的运行轨迹和控制也与实际机器人的运行结果相同；机器人焊接仿真模块能够很好的提前解决目标位置的可达性和运行轨迹奇异点检查功能；通过仿真可以事前设计好工位场景的布局；焊缝轨迹的仿真可以检验焊接的可行性和焊接姿态的合理性，为轨迹优化提供有效的手段。
路径自动规划模块，包括扫描路径规划单元和焊接路径规划单元，其中，扫描路径规划单元用于根据构件模型和焊缝模型获得焊缝位置参数，并在智能焊接机器人可执行范围内驱动激光器按照焊缝位置参数进行粗略扫描，并将扫描结果进行分析处理，拟合成实际的真实焊缝位置参数，基于真实焊缝位置参数对焊缝位置参数进行修正；焊接路径规划单元用于根据修正后的焊缝位置参数重新按照智能焊接机器人焊接的走向、姿态和焊接工艺信息自动匹配对应的焊接工艺包，形成可实际执行焊接的路径规划；需要说明的是，扫描路径规划和焊接路径规划工作全部为离线自动完成，路径规划的规则设置均可自行定制，以期符合使用单位的焊接规定、项目产品的焊接工艺认定参数和个人的焊接操作习惯等。
焊接程序自动编写模块，用于根据与智能焊接机器人相匹配的数据格式和接口参数自动根据扫描路径规划和焊接路径规划的结果计算出焊接程序；具体地，该焊接程序中包括焊接指令、姿态控制、相机激光交互通信等内容。
视觉识别定位模块，用于对待焊接构件进行定位，获取待焊接构件的坐标参数和焊缝的坐标参数；视觉识别定位模块作为一种辅助手段，通过与其相连的相机定位构件和一般交互操作模式下的焊缝位置点取；相机通常安装在机械手末端的焊枪枪背上，使用前需要进行相机的位置标定；相机视觉图像通过网络连接实时传送到智能焊接装置界面上；视觉识别定位模块还可以提供基于图像识别和特征分析的功能，通过深度学习的图像处理技术，获得一些图像上目标点的坐标获取，为焊缝定位提供手段。
激光扫描分析模块，用于实时捕捉目标点的激光帧图像，分析出焊缝坡口断面上特征点信息，自动提取坐标值反馈给装置进行线性拟合，生成实际焊缝的真实坐标值。
激光扫描分析模块是实现焊缝实际位置计算纠偏的重要手段，它的计算精度决定了焊接纠偏的能力，是整个智能焊接装置的一个关键性指标；激光扫描分析模块根据所接收的开关指令，将所获得的信息循环反馈给智能焊接装置进行处理，适用于普通角焊缝的位置识别和V型坡口的断面形状特征点的提取，也为多层多道焊缝的焊接提供必要的数据支撑。
在本实施方式中，智能焊接控制装置的功能执行和智能焊接控制装置对相连设备的控制(如智能焊接机器人、激光相机)均通过网络连接的方式实现。
在本实施方式中，智能焊接装置还包括机器人控制交互模块，机器人控制交互模块用于实现智能焊接机器人和智能焊接控制装置的完全交互。
机器人控制交互模块通过与机器人控制器接口的完全交互，实现基于自动模式控制的必要功能，是实现本智能焊接装置中无人工示教、自动离线编程和自动控制机器人进行焊接工作的枢纽。
在本实施方式中，智能焊接机器人包括机械手、焊机、焊枪和行走机构，焊枪安装于机械手上，机械手安装于行走机构上，行走机构用于带动机械手在水平任意方向移动，机械手用于带着激光相机和焊枪按照智能焊接控制装置发出的机械手运动控制指令进行焊枪位姿的调整。
在本实施方式中，智能焊接机器人还包括焊接工作台，焊接工作台用于固定待焊接构建，并带动待焊接构件根据智能焊接控制装置发出的工作台运动控制指令进行待焊接构件位姿的调整。
在本实施方式中，相机上设置有电弧滤光片组，电弧滤光片组为带通滤光片、中性滤光片和偏振片组成的滤光组件。
激光器是利用受激辐射原理使光在装些受激发的物质中放大或振荡发射的器件，其具有高亮度、高方向性，很适合做为主动光源。激光器按工作物质可分为：自由电子激光器、气体激光器、液体激光器，固体激光器、半导体激光器这五类。考虑到智能机器人的视觉传感器体积应尽量小，而半导体激光器激光器具有体积小重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等优点，所以本装置采用红光一字形半导体激光器，由于激光线的宽度会影响到后续的图像处理，并且较宽的条纹不能检测小间隙或小坡口的焊缝，故激光器产生的激光的线宽应越细越好。
在焊接过程中不可避免的要产生强烈的弧光，弧光的强度远远大于激光器产生的强度，有可能会淹没信号。为了减少弧光的影响，通常会在相机前增加滤光片或滤光片组，这样可使激光特定波长范围的光通过，进入相机。本实施例所选的激光器波长为536nm，所以选择中心波长为536nm、带宽为±15nm的带通滤光片。但仅安装带通滤波片的滤波效果并不理想，因为波长在536nm附近的孤光也会通过滤光片，弧光的干扰还是十分严重。中性滤光片均匀减弱光强度而不改变光谱成分，这种滤光作用是非选择性的，只起到减弱光线的作用。所以使用中性滤光片可以消除通过带通滤光片的弱光干扰。半导体激光器发出的光是线偏振光，线偏振光是有方向性的，同样偏振片也具有方向性。当偏振光透过偏振片时，如果偏振光的振动方向和偏振片的投射方向平行时几乎不受阻挡，如果偏振光的振动方向与偏振片的投射方向成90°时几乎不能通过。所以可以在摄像机镜头前加偏振片，可有效的减少进入相机的干扰信号，使后续图像处理简单，加快图像处理速度。因此本实施例选用的是带通滤光片、中性滤光片和偏振片组成的滤光组件。本实施方式中相机采用CCD相机。通过图像采集卡对CCD相机获取的图像进行采集，然后再经过图像处理器进行后续图像处理。选择图像采集卡需要考虑其支持的视顿格式是否与相机相匹配，接口的形式和最大分辨率是否满足要求及选择色彩模式。本装置选用的图像采集卡为大恒图像公司开发的基于PCI接口的DH-CG410彩色/黑白采集卡。
上述智能焊接装置的运行步骤如下：1.创建焊接工艺包：根据装置用户焊接试验数据，定义焊接工艺参数；2.创建模型：创建焊接工件的三维结构模型和焊缝模型；3.工位设计：确定机器人和焊接工作台位置尺寸；4.工件位置确定：在仿真装置中确定工件在工作台上的位置，确保与实物的基本一致，便于数据提取；5.获取焊缝激光扫描路径数据：该取焊缝激光扫描路径数据可以从确定场景位置的工件三维模型的焊缝数据中获得，也可以直接用相机视觉从图像上交互获得；6.扫描路径运行姿态规划和扫描程序生成：根据所获得的焊缝激光扫描路径数据和待焊接构建的结构模型特征，确定激光器的扫描位姿，自动生成扫描程序，并上传给智能焊接机器人；7.激光器将所扫描的数据拟合成真实的焊缝位置数据，反馈给智能焊接控制装置进行纠偏；8.焊接路径规划和焊接程序生成：以经过纠偏的数据为基础计算真实焊缝的焊接路径；自动匹配好焊接工艺包中的参数；自动生成离线焊接程序；9.焊接程序上传和运行：焊接程序自动上传到机器人控制器，并启动焊接机器人自动运行；当一段焊缝是多道焊接时，程序会自动控制机器人往复运行，每道焊缝的焊接参数和位姿控制都与焊接工艺包自动关联。
10.当有多道焊缝需要焊接时，返回到步骤5重新按上述步骤依次循环执行；对于深熔焊缝会自动根据智能焊接规则，每道子焊缝按照扫一遍焊一道，再扫再焊的策略直至焊接完成。
以上2-4三个步骤只适用于采用模型驱动方式时前期准备。
本智能焊接装置按焊缝类别可以实现角焊缝的多道自动焊接和深熔坡口焊缝的多层多道自动焊接；按坐标驱动模式可以实现三维模型坐标数据驱动焊接和相机图像交互坐标数据焊接；按移动方式可以实现机械手固定，焊接工作台移动实施焊接和机械手通过行走机构移动，焊接工作台固定的方式实施焊接。
Claims (7)
1.一种应用于钛钢复合材料的智能焊接装置，其特征在于，包括：智能焊接机器人、激光相机和智能焊接控制装置，所述激光相机安装于所述智能焊接机器人上，所述智能焊接控制装置用于对所述智能焊接机器人、激光相机进行控制，所述智能焊接控制装置包括：焊接工艺模块，用于创建和存储焊接工艺包；建模模块，用于创建待焊接构件的构件模型和焊缝模型；机器人焊接仿真模块，用于基于机器人运动学原理动画模拟出与实际焊接场景相符的等效焊接场景；路径自动规划模块，包括扫描路径规划单元和焊接路径规划单元，其中，所述扫描路径规划单元用于根据所述构件模型和焊缝模型获得焊缝位置参数，并在所述智能焊接机器人可执行范围内驱动所述激光器按照所述焊缝位置参数进行粗略扫描，并将扫描结果进行分析处理，拟合成实际的真实焊缝位置参数，基于所述真实焊缝位置参数对所述焊缝位置参数进行修正；所述焊接路径规划单元用于根据修正后的焊缝位置参数重新按照所述智能焊接机器人焊接的走向、姿态和焊接工艺信息自动匹配对应的所述焊接工艺包，形成可实际执行焊接的路径规划；焊接程序自动编写模块，用于根据与所述智能焊接机器人相匹配的数据格式和接口参数自动根据所述扫描路径规划和焊接路径规划的结果计算出焊接程序；视觉识别定位模块，用于对所述待焊接构件进行定位，获取所述待焊接构件的坐标参数和焊缝的坐标参数；激光扫描分析模块，用于实时捕捉目标点的激光帧图像，分析出焊缝坡口断面上特征点信息，自动提取坐标值反馈给装置进行线性拟合，生成实际焊缝的真实坐标值。
2.根据权利要求1所述的应用于钛钢复合材料的智能焊接装置，其特征在于，还包括机器人控制交互模块，所述机器人控制交互模块用于实现所述智能焊接机器人和所述智能焊接控制装置的完全交互。
3.根据权利要求1所述的应用于钛钢复合材料的智能焊接装置，其特征在于，所述焊接工艺包是采用参数化的形式将焊接工艺信息和焊接专家经验进行数据化所形成。
4.根据权利要求3所述的应用于钛钢复合材料的智能焊接装置，其特征在于，所述焊接工艺包中的参数至少包括焊接指标参数、焊接时机器人姿态控制参数、子焊道的道次控制参数和智能决策规则参数。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的应用于钛钢复合材料的智能焊接装置，其特征在于，所述智能焊接机器人包括机械手、焊机、焊枪和行走机构，所述焊枪安装于所述机械手上，所述机械手安装于所述行走机构上，所述行走机构用于带动所述机械手在水平任意方向移动，所述机械手用于带着所述激光相机和焊枪按照所述智能焊接控制装置发出的机械手运动控制指令进行焊枪位姿的调整。
6.根据权利要求5所述的应用于钛钢复合材料的智能焊接装置，其特征在于，所述智能焊接机器人还包括焊接工作台，所述焊接工作台用于固定待焊接构建，并带动所述待焊接构件根据所述智能焊接控制装置发出的工作台运动控制指令进行待焊接构件位姿的调整。
7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的应用于钛钢复合材料的智能焊接装置，其特征在于，所述相机上设置有电弧滤光片组，所述电弧滤光片组为带通滤光片、中性滤光片和偏振片组成的滤光组件。
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Cited By (1)
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| CN115592324A (zh) * | 2022-12-08 | 2023-01-13 | 唐山雄炜机器人有限公司（Cn） | 基于人工智能的自动焊接机器人控制*** |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220218 |