用于船舶中组立的机器人自适应智能焊接系统及焊接方法
阅读说明：本技术 用于船舶中组立的机器人自适应智能焊接系统及焊接方法 (Robot self-adaptive intelligent welding system and welding method for assembly in ship ) 是由 甘露 沈鹏 刘鹏 于津伟 秦左铭 王正强 喻天祥 王浩 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：用于船舶中组立的机器人自适应智能焊接系统,包括上位机、门架、轨道、行走小车、焊接机器人、激光位移传感器、传感器挡板、点激光扫描器、3D线激光扫描器、智能焊接控制系统；门架和轨道上分别安装有激光位移传感器和传感器挡板,焊接机器人和3D线激光扫描器安装于行走小车的Z轴移动机构上,点激光扫描器安装于焊接机器人上；智能焊接控制系统包括离线编程模块、焊缝自适应寻位模块、焊接工艺数据库模块、电弧跟踪模块。本发明可以适应船舶生产的特点,实现焊接机器人无需示教,自动寻找焊缝,而且在焊接过程中,能根据焊缝实际情况自动纠偏,保证焊接轨迹的精准,极大程度地节省了时间,提高了焊接的稳定性。(The robot self-adaptive intelligent welding system for assembly in the ship comprises an upper computer, a portal frame, a track, a walking trolley, a welding robot, a laser displacement sensor, a sensor baffle, a point laser scanner, a 3D line laser scanner and an intelligent welding control system; a laser displacement sensor and a sensor baffle are respectively arranged on the portal frame and the track, the welding robot and the 3D line laser scanner are arranged on a Z-axis moving mechanism of the walking trolley, and the point laser scanner is arranged on the welding robot; the intelligent welding control system comprises an offline programming module, a welding seam self-adaptive locating module, a welding process database module and an arc tracking module. The invention can adapt to the characteristics of ship production, realizes that the welding robot does not need teaching, automatically searches for welding seams, can automatically correct the deviation according to the actual conditions of the welding seams in the welding process, ensures the accuracy of welding tracks, greatly saves time and improves the welding stability.)
技术领域
本发明属于船舶焊接领域，具体涉及一种用于船舶中组立的机器人自适应智能焊接系统及焊接方法。
背景技术
目前国内几个主要国有大型船厂的平面分段流水线基本上是早些年日本新日铁公司或挪威TTS提供整条生产线总成，其存在售后响应慢，售后服务不及时，购买价格及日常维护成本高，流水线老化，国外技术保护导致的改造升级困难等现实困难，终其原因是因为船舶制造装备核心先进技术被国外供应商把持和封锁，我国没有掌握自主核心的先进技术，无法实现产品装备的自主研发制造导致的。
对标欧美、日韩等造船强国，我国造船装备的数字化、自动化与智能化方面差距依然巨大。我国目前只是在某些作业环节的单机方面达到数字化，大多作业环节仍靠手工作业，特别是在生产线方面，我国基本停留在一站式、刚性方式，离数字化、智能化有着很大的距离。
面对我国在造船装备上存在的技术短板，急需自主研发，坚持创新驱动，大力提升造船装备的自主设计水平和系统集成水平，形成相关制造装备的配套能力，以此来满足海洋经济发展和国家重大战略的需求。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种用于船舶中组立的机器人自适应智能焊接系统及焊接方法。
本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：
一种用于船舶中组立的机器人自适应智能焊接系统，包括上位机、门架、轨道、行走小车、焊接机器人、激光位移传感器、传感器挡板、点激光扫描器、3D线激光扫描器、智能焊接控制系统；
所述门架安装于轨道上，门架和轨道上分别安装有相配合的激光位移传感器和传感器挡板；
所述行走小车包括X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构，所述Y轴移动机构安装于门架上，所述X轴移动机构安装于Y轴移动机构上，所述Z轴移动机构安装于X轴移动机构上；
所述焊接机器人和3D线激光扫描器安装于Z轴移动机构上，所述点激光扫描器安装于焊接机器人上；
所述上位机根据激光位移传感器的反馈信号控制门架沿轨道移动，上位机根据3D线激光扫描器的扫描反馈控制X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构移动焊接机器人，所述焊接机器人根据点激光扫描器的扫描反馈确定工作位置；
所述智能焊接控制系统包括离线编程模块、焊缝自适应寻位模块、焊接工艺数据库模块、电弧跟踪模块，所述离线编程模块、焊缝自适应寻位模块、焊接工艺数据库模块通过上位机统一调控实现各自的功能，所述电弧跟踪模块对焊接机器人在焊接作业过程中的焊缝轨迹实时纠偏。
进一步地，所述门架为双梁结构，包括横梁、立柱、底梁、端梁、轮组机构、夹轨器、同步驱动电机，两根横梁的一端安装于两根立柱上，两根立柱的下端安装于底梁上，两根横梁的另一端安装有端梁，底梁和端梁上均安装有轮组机构和夹轨器，底梁上安装有驱动其上轮组机构的同步驱动电机，同步驱动电机均与上位机连接。更进一步地，所述轨道包括底梁轨道、端梁轨道，底梁轨道与底梁上的轮组机构和夹轨器相配合，端梁轨道与端梁上的轮组机构和夹轨器相配合。所述激光位移传感器和传感器挡板分别安装于门架的底梁和底梁轨道上。
进一步地，所述行走小车的X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构均采用精密齿轮齿条传动实现精密运动。
进一步地，所述行走小车和焊接机器人的数量均为两个。
一种用于船舶中组立的机器人自适应智能焊接方法，采用上述机器人自适应智能焊接系统，包括如下步骤：
S1、离线编程模块对待焊工件模型信息提取，并梳理焊缝信息及进行整体规划，再根据焊缝信息生成焊接轨迹，从焊接工艺数据库模块提取相对应的焊接参数信息进行匹配，生成离线作业程序后下发至上位机；
S2、上位机根据焊缝自适应寻位模块，结合离线作业程序提供的门架位置信息、现场工件摆放位置、激光位移传感器测量的到传感器挡板的距离，控制门架移动；
S3、上位机根据焊缝自适应寻位模块控制3D线激光扫描器对工件自动扫描，完成对工件特征点位置信息的获取，再对实际门架位置信息及工件特征点位置信息整合，完成离线作业程序中对应信息的数据偏移，生成新的离线作业程序后下发至焊接机器人；
S4、上位机控制焊接机器人与行走小车协同作业，焊接机器人按照新的离线作业程序进行轨迹运行，在焊接机器人到达焊缝起始点之前，焊接机器人根据焊缝自适应寻位模块控制点激光扫描器对工件自动寻位扫描，完成对焊缝起始点位置及焊缝末点位置的精检，并将获得的焊缝准确位置数据与新的离线作业程序中的理论数据进行置换赋值，在焊接作业过程中，焊接机器人根据电弧跟踪模块对焊缝轨迹进行实时纠偏。
本发明中的智能焊接控制系统：
（1）离线编程模块的功能为：采用基于工件模型离线编程的方式，实现从工件模型中获取生产数据，通过离线编程及仿真验证生成焊接机器人的离线作业程序。
（2）焊缝自适应寻位模块的功能为：通过及时读取传感器数据来感知工件位置和工况情况，进行分析、判断，为焊接机器人的动作做出决策；采用3D线激光扫描器扫描工件，使离线作业程序接收工件坐标信息后生成新的路径程序来指导焊接机器人进行焊前移动；焊接前,采用点激光扫描器进行焊缝寻位来指导焊接机器人进行准确焊接作业。
（3）焊接工艺数据库模块的功能为：依据船厂的焊接工艺规范，针对船企焊接对象的材质、厚度、形式、焊材、焊脚、装配间隙所构建；匹配焊接规程信息，如焊接电压、焊接电流，供离线编程模块生成焊接轨迹的过程中调用相应焊接工艺数据。
（4）电弧跟踪模块的功能为：在焊接作业过程中对焊接机器人的焊缝轨迹进行实时纠偏。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：可以适应船舶生产的特点，实现焊接机器人无需示教，自动寻找焊缝，而且在焊接过程中，能根据焊缝实际情况自动纠偏，保证焊接轨迹的精准，极大程度地节省了时间，并提高了焊接的稳定性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中底梁上的激光位移传感器和底梁轨道上的传感器挡板的结构示意图。
图3为本发明对工件焊接时的结构示意图。
图4为本发明中焊接机器人对工件焊接的结构示意图。
图5为本发明对工件焊接的流程图。
图中部件标号如下：
1门架
101横梁
102立柱
103底梁
104端梁
2底梁轨道
3行走小车
301 X轴移动机构
302 Y轴移动机构
303 Z轴移动机构
4焊接机器人
5激光位移传感器
6传感器挡板
7点激光扫描器
8 3D线激光扫描器
9工件
a焊缝起始点
b焊缝末点。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。
参见图1，一种用于船舶中组立的机器人自适应智能焊接系统，包括上位机、门架1、轨道、行走小车3、焊接机器人4、智能焊接控制系统。
参见图1，所述门架1包括横梁101、立柱102、底梁103、端梁104、轮组机构、夹轨器、同步驱动电机，所述轨道包括底梁轨道2、端梁轨道。所述门架1为双梁结构，两根所述横梁101的一端安装于两根立柱102上，两根所述立柱102的下端安装于底梁103上，两根横梁101的另一端安装有端梁104，所述底梁103和端梁104上均安装有轮组机构和夹轨器，底梁103上安装有驱动其上轮组机构的同步驱动电机，底梁103上的轮组机构和夹轨器与底梁轨道2相配合，端梁104上的轮组机构和夹轨器与端梁轨道相配合，同步驱动电机与上位机连接。
其中，参见图1和图2，所述底梁103上安装有激光位移传感器5，所述底梁轨道2上安装有与激光位移传感器5相配合的传感器挡板6，所述激光位移传感器5与上位机连接。激光位移传感器5实时检测其到传感器挡板6的距离，并反馈给上位机，上位机根据激光位移传感器5的实时反馈控制同步驱动电机启停，保证门架1运动到中组立部件的指定焊接区域。同时停止运行后，夹轨器工作确保门架1的位置精准稳固，如此可保证焊接机器人4焊接过程的稳定性。
参见图1和图3，所述行走小车3包括X轴移动机构301、Y轴移动机构302、Z轴移动机构303，所述Y轴移动机构302安装于门架1的横梁101上，所述X轴移动机构301安装于Y轴移动机构302上，并由Y轴移动机构302带动沿Y轴方向移动，所述Z轴移动机构303安装于X轴移动机构301上，并由X轴移动机构301带动沿X轴方向移动，所述焊接机器人4安装于Z轴移动机构303上，并由Z轴移动机构303带动沿Z轴方向移动。X轴移动机构301、Y轴移动机构302、Z轴移动机构303均采用精密齿轮齿条传动实现精密运动，使得焊接机器人4实现大范围的精密运动，并确保了焊接覆盖率；X轴移动机构301、Y轴移动机构302、Z轴移动机构303均为焊接机器人4外部轴联动机构，焊接机器人4与上位机连接，实现了X轴移动机构301、Y轴移动机构302、Z轴移动机构303、焊接机器人4之间的联动控制。
其中，参见图1、图3、图4，所述焊接机器人4上安装有点激光扫描器7，所述Z轴移动机构303上安装有3D线激光扫描器8，所述点激光扫描器7与焊接机器人4的系统连接，3D线激光扫描器8与上位机连接。点激光扫描器7检测确定焊缝位置，并反馈给焊接机器人4，3D线激光扫描器8检测确定工件位置，并反馈给上位机，上位机根据3D线激光扫描器8的扫描反馈，控制X轴移动机构301、Y轴移动机构302、Z轴移动机构303移动焊接机器人4，焊接机器人4根据点激光扫描器7的扫描反馈，确定焊接机器人4的工作位置，实现了智能化焊接。
本实施例中，行走小车3和焊接机器人4的数量均为两个。
所述智能焊接控制系统包括离线编程模块、焊缝自适应寻位模块、焊接工艺数据库模块、电弧跟踪模块。
各个模块的功能及本系统的工作步骤如下：
S1、参见图5，所述离线编程模块通过船厂提供所需焊接的工件模型进行信息提取，目的是为了梳理焊缝信息及进行整体规划，再根据焊缝信息生成焊接轨迹，并从焊接工艺数据库模块提取相对应的焊接参数信息进行匹配，从而生成完整的离线作业程序，离线编程模块将离线作业程序下发至上位机，进而由上位机进行统一调控。
S2、上位机根据焊缝自适应寻位模块，结合离线作业程序提供的门架位置信息、现场工件9摆放位置、激光位移传感器5测量的到传感器挡板6的距离，控制门架1的同步驱动电机工作，使门架1实现定长移动，直至实际门架位置与离线作业程序提供的门架位置信息相同。
S3、上位机根据焊缝自适应寻位模块控制3D线激光扫描器8对工件9自动扫描，完成对工件特征点位置信息的获取，上位机对实际门架1位置信息及工件特征点位置信息整合，完成离线作业程序中对应信息的数据偏移，生成新的离线作业程序，并下发至焊接机器人4。
S4、上位机控制焊接机器人4与行走小车3高度协同作业，保证了大面积、长距离焊接的稳定性。同时，焊接电源、送丝机构、焊枪、清枪剪丝机构、点激光扫描器7与焊接机器人4进行实时通讯。焊接机器人4按照新的离线作业程序进行轨迹运行，在焊接机器人4到达焊缝起始点a之前，焊接机器人4根据焊缝自适应寻位模块控制点激光扫描器7对工件9自动寻位扫描，焊接机器人4配合点激光扫描器7完成焊缝起始点a位置及焊缝末点b位置的精检，见图4，从而得到焊缝的准确位置数据，并将该数据与新的离线作业程序中理论的焊缝起始点a位置及焊缝末点b位置的数据进行置换赋值，如此大大地提高了焊接轨迹的精度。在焊接作业过程中，焊接机器人根据电弧跟踪模块对焊缝轨迹进行实时纠偏，保证了焊缝轨迹的高度吻合，提高了稳定性，确保了焊接质量。
应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
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