用于船舶板架結(jié)構(gòu)機(jī)器人的智能焊接系統(tǒng)及其焊接工藝的制作方法

本發(fā)明涉及船舶設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種用于船舶板架結(jié)構(gòu)機(jī)器人的智能焊接系統(tǒng)，尤其涉及一種用于船舶中組立板架結(jié)構(gòu)格子間的焊接機(jī)器人智能焊接系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

作為世界造船大國(guó)，中國(guó)目前的船舶產(chǎn)量穩(wěn)居世界前三，但是從造船技術(shù)上，還落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，絕大部分工序需要大量的勞動(dòng)力。隨著工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025的提出，造船業(yè)要大力向自動(dòng)化、智能化方面發(fā)展。

在船舶制造中，焊接占據(jù)著重要位置，工作量及成本均占到船體建造的30%-40%。針對(duì)長(zhǎng)直焊縫，比如在一些拼板、小組立等工序，大量船廠已經(jīng)采用焊接專機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備，但對(duì)于分段艙室等中組立結(jié)構(gòu)，存在著焊縫短、結(jié)構(gòu)形式多樣等特點(diǎn)，不適合采用焊接專機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備，目前還是全部采用手工焊的方式進(jìn)行。西方發(fā)達(dá)造船國(guó)家，針對(duì)船舶艙室等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，已經(jīng)采用焊接機(jī)器人等智能化設(shè)備，國(guó)內(nèi)船廠在此方向，還處于研發(fā)階段，沒(méi)有應(yīng)用實(shí)際案例。

機(jī)器人由于其節(jié)約成本、提高效率、保證質(zhì)量、可重復(fù)性高等特點(diǎn)，已在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)機(jī)器人采用示教、離線編程等方式進(jìn)行焊接路徑的確定，適用于產(chǎn)品較小、批量大、裝配精準(zhǔn)等行業(yè)，例如汽車、零部件等，但船舶行業(yè)有自己的特點(diǎn)。以本發(fā)明為例，船舶板架結(jié)構(gòu)是船舶艙室的典型結(jié)構(gòu)，其中焊縫結(jié)構(gòu)形式多樣，量小品多，焊縫短小，且船廠裝配精度不高，即使相同結(jié)構(gòu)也有偏差，所以傳統(tǒng)機(jī)器人的示教方式不僅操作工作量巨大，且效率低下，顯然不適合船舶行業(yè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的用于船舶板架結(jié)構(gòu)機(jī)器人的智能焊接系統(tǒng)，它可克服現(xiàn)有技術(shù)中精度差、效率低下的一些不足。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：用于船舶板架結(jié)構(gòu)機(jī)器人的智能焊接系統(tǒng)，其特征在于：所述的智能焊接系統(tǒng)包括焊接裝置、與焊接裝置相連的數(shù)字化焊接電源和控制系統(tǒng)；所述的焊接裝置包括導(dǎo)軌，和設(shè)在導(dǎo)軌上的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，控制系統(tǒng)連接有一人機(jī)交互系統(tǒng)，所述的人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)焊接機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制；所述的焊接機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)械手臂，機(jī)械手臂連接有激光掃面件和焊槍裝置。

進(jìn)一步，所述的導(dǎo)軌設(shè)置于導(dǎo)軌機(jī)架上，導(dǎo)軌機(jī)架上設(shè)有焊接裝置底座，焊接裝置底座設(shè)有導(dǎo)向輪，焊接裝置通過(guò)導(dǎo)向輪可在導(dǎo)軌機(jī)架上滑動(dòng)；焊接裝置底座上設(shè)有焊接送絲裝置和清槍剪絲設(shè)備。

所述的焊接方法包括如下步驟：a、采用智能焊接系統(tǒng)進(jìn)行焊接，首先根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)形式，控制系統(tǒng)規(guī)劃焊縫信息采集位置，并根據(jù)激光掃描器的掃描范圍，編制相應(yīng)的機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡；

b、機(jī)械手臂第一次預(yù)焊接運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手臂帶動(dòng)激光掃描器掃描焊縫信息采集位置，完成掃描后，將焊縫實(shí)際位置信息傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后重新編制相應(yīng)的機(jī)械手臂的焊接軌跡；

c、焊槍裝置進(jìn)行焊接工作，當(dāng)機(jī)械手臂分到到達(dá)焊縫起止位置時(shí)，控制系統(tǒng)控制機(jī)械手臂執(zhí)行起收弧程序；

d、當(dāng)一個(gè)焊接單元工作結(jié)束時(shí)，機(jī)械手臂帶動(dòng)清槍剪絲設(shè)備來(lái)完成清槍剪絲，焊接機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)軌自動(dòng)移至下一個(gè)焊接單元繼續(xù)工作。

進(jìn)一步的，b步驟中，激光掃描件將收集到的焊縫位置特征點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將得到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、計(jì)算，得出偏差量，隨即重新進(jìn)行焊接軌跡規(guī)劃并換算成機(jī)械手臂的移動(dòng)數(shù)據(jù)，且將數(shù)據(jù)反饋至機(jī)械手臂，機(jī)械手臂根據(jù)最終得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

使用時(shí)本發(fā)明的焊接機(jī)器人系統(tǒng)是專門(mén)針對(duì)船舶中組立板架結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的焊接機(jī)器人系統(tǒng)啟動(dòng)后，全程無(wú)需人工干預(yù)，在機(jī)器人結(jié)束一個(gè)單元的工作后，會(huì)通過(guò)導(dǎo)軌自動(dòng)移至下一個(gè)單元進(jìn)行工作。針對(duì)結(jié)構(gòu)的裝配精度、擺放位置要求較低，且整個(gè)系統(tǒng)拆裝、吊運(yùn)方便，可解決船廠工件較大、不易移動(dòng)的現(xiàn)狀。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的智能焊接系統(tǒng)所需要焊接板材的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的船舶板架結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接補(bǔ)板圓角過(guò)渡示意圖。

圖5為本發(fā)明的船舶板架結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接補(bǔ)板搭接過(guò)渡示意圖。

圖6為本發(fā)明的船舶板架結(jié)構(gòu)機(jī)器人焊接包角示意圖。

圖7為圖6的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為本發(fā)明的控制系統(tǒng)電氣圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

各附圖的標(biāo)示表示如下：

1焊槍裝置、2激光掃描件、3機(jī)械手臂、4清槍剪絲設(shè)備、5導(dǎo)軌、6焊接送絲裝置、7數(shù)字化焊接電源、8控制系統(tǒng)、9人機(jī)交互系統(tǒng)、10底板、11肋板、12補(bǔ)板、13過(guò)焊孔、14縱骨。

本發(fā)明所述的用于船舶板架結(jié)構(gòu)機(jī)器人的智能焊接系統(tǒng)，其與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于：所述的智能焊接系統(tǒng)包括焊接裝置、與焊接裝置相連的數(shù)字化焊接電源和控制系統(tǒng)；所述的焊接裝置包括導(dǎo)軌，和設(shè)在導(dǎo)軌上的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，控制系統(tǒng)連接有一人機(jī)交互系統(tǒng)，所述的人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)焊接機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制；

所述的焊接機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)械手臂，機(jī)械手臂連接有激光掃面件和焊槍裝置。

可選的，所述的導(dǎo)軌設(shè)置于導(dǎo)軌機(jī)架上，導(dǎo)軌機(jī)架上設(shè)有焊接裝置底座，焊接裝置底座設(shè)有導(dǎo)向輪，焊接裝置通過(guò)導(dǎo)向輪可在導(dǎo)軌機(jī)架上滑動(dòng)；焊接裝置底座上設(shè)有焊接送絲裝置和清槍剪絲設(shè)備。

進(jìn)一步，所述的導(dǎo)軌由縱向?qū)к墬l和橫向?qū)к墬l連接而成，縱向?qū)к墬l與橫向?qū)к墬l的連接處設(shè)有凸起接觸條，所述的凸起接觸條為導(dǎo)軌限位裝置，整個(gè)軌道呈長(zhǎng)方形，在軌道的兩端部和中部設(shè)有邊界卡位件，所述的邊界卡位件共有六塊，兩兩為一組，分別設(shè)置于軌道的兩端和中部，邊界卡位件設(shè)置于軌道的下方，每塊邊界卡位件由一塊底板和設(shè)在底板上的凸起的卡條構(gòu)成，卡條與導(dǎo)軌之間的距離為10-35mm，卡條為電磁鐵，上述結(jié)構(gòu)可以精確控制焊接機(jī)器人在導(dǎo)軌上的行走、停止和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

在一個(gè)實(shí)施例中，焊接裝置底座上設(shè)有支撐臂，所述的機(jī)械手臂與支撐臂之間為可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，機(jī)械手臂上設(shè)有軸法蘭盤(pán)，所述的焊槍裝置和激光掃描件均設(shè)置在軸法蘭盤(pán)上，所述的激光掃描件設(shè)置于焊槍裝置的下方。

進(jìn)一步的，支撐臂上設(shè)有焊接送絲裝置，焊槍裝置與機(jī)械手臂之間也為可轉(zhuǎn)動(dòng)連接，焊槍裝置上設(shè)有焊槍。

在一個(gè)方法實(shí)施例中，所述的焊接方法包括如下步驟：a、采用智能焊接系統(tǒng)進(jìn)行焊接，首先根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)形式，控制系統(tǒng)規(guī)劃焊縫信息采集位置，并根據(jù)激光掃描器的掃描范圍，編制相應(yīng)的機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡；b、機(jī)械手臂第一次預(yù)焊接運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手臂帶動(dòng)激光掃描器掃描焊縫信息采集位置，完成掃描后，將焊縫實(shí)際位置信息傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后重新編制相應(yīng)的機(jī)械手臂的焊接軌跡；c、焊槍裝置進(jìn)行焊接工作，當(dāng)機(jī)械手臂分到到達(dá)焊縫起止位置時(shí)，控制系統(tǒng)控制機(jī)械手臂執(zhí)行起收弧程序；d、當(dāng)一個(gè)焊接單元工作結(jié)束時(shí)，機(jī)械手臂帶動(dòng)清槍剪絲設(shè)備來(lái)完成清槍剪絲，焊接機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)軌自動(dòng)移至下一個(gè)焊接單元繼續(xù)工作。

進(jìn)一步的，b步驟中，激光掃描件將收集到的焊縫位置特征點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將得到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、計(jì)算，得出偏差量，隨即重新進(jìn)行焊接軌跡規(guī)劃并換算成機(jī)械手臂的移動(dòng)數(shù)據(jù)，且將數(shù)據(jù)反饋至機(jī)械手臂，機(jī)械手臂根據(jù)最終得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。其中，焊縫數(shù)量取決于補(bǔ)板數(shù)量及過(guò)焊孔數(shù)量，補(bǔ)板可在板架結(jié)構(gòu)左側(cè)、右側(cè)、雙側(cè)、無(wú)，過(guò)焊孔可在左側(cè)、右側(cè)、補(bǔ)板上方、無(wú)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，啟動(dòng)后，全程無(wú)需人工干預(yù)，針對(duì)結(jié)構(gòu)的裝配精度、擺放位置要求較低，且整個(gè)系統(tǒng)拆裝、吊運(yùn)方便，可解決船廠工件較大、不易移動(dòng)的現(xiàn)狀。

在另一個(gè)方法實(shí)施例中，焊槍裝置在進(jìn)行船舶板架結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，包括立角焊、平角焊、圓角焊和包角焊，焊縫間隙在0-5mm，鋼板表面預(yù)處理底漆，焊縫附近無(wú)需打磨；焊接過(guò)程采用co2氣體保護(hù)焊，藥芯焊絲，平角焊和立角焊位置焊接時(shí)，焊槍裝置與鋼板之間呈40°角，焊槍裝置帶v型擺動(dòng)，焊槍裝置擺動(dòng)到兩側(cè)端時(shí)根據(jù)焊縫間隙停留0.5-1.5秒。

例如，進(jìn)行焊接時(shí)，在焊接補(bǔ)板從立角焊轉(zhuǎn)成平角焊的過(guò)程中，有一個(gè)圓角過(guò)渡；此時(shí)焊槍角度變化較大，機(jī)器人需在短時(shí)間內(nèi)調(diào)整較大角度，在此過(guò)程中，如圖4位置a到位置b。因機(jī)器人的機(jī)械原理，很難保證焊接質(zhì)量，需做相應(yīng)的工藝試驗(yàn)驗(yàn)證。補(bǔ)板處的立角焊和平角焊分開(kāi)焊接，在圓角過(guò)度處熄弧。具體的說(shuō)立角焊由下向上焊，并于圓弧處熄弧，平角焊由左向右焊，并于圓弧處熄弧，在熄弧處兩條焊縫重合，兩條焊縫熄弧點(diǎn)分別過(guò)對(duì)方3-5mm。

在一個(gè)方法實(shí)施例中，需要搭接過(guò)渡焊接，在補(bǔ)板與肋板連接處的平角焊位置，同樣由于焊槍角度變化過(guò)大、過(guò)快，而導(dǎo)致在搭接焊位置容易出現(xiàn)虛焊問(wèn)題。如圖5從位置a到位置b再到位置c。本發(fā)明采用在立角焊起弧時(shí)稍作停留，約1-2秒，且焊槍與底板角度小于30°，這樣在平角焊b位置焊接時(shí)，可保證焊縫飽滿。

在一個(gè)方法實(shí)施例中，采用智能焊接系統(tǒng)進(jìn)行包角焊接，包角是船廠焊接施工時(shí)的常見(jiàn)缺陷位置。機(jī)器人焊接時(shí)，不但由于焊槍角度變化問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生缺陷，也會(huì)因?yàn)楣に囋驅(qū)е沦|(zhì)量問(wèn)題。如圖6由位置a到位置b，由位置c到位置d，由位置e到位置f。解決此問(wèn)題既需要做相應(yīng)的工藝試驗(yàn)，調(diào)整工藝參數(shù)，也要調(diào)整焊接路徑。本發(fā)明采用在相同位置采用兩道焊方式來(lái)實(shí)現(xiàn)包角焊，既由位置a（c、e）焊接到位置b（d、f），再由位置b（d、f）焊接到位置a（c、e），中間不停留。

在一個(gè)具體實(shí)施例中，船舶板架結(jié)構(gòu)立角焊、平角焊，針對(duì)普通船用12mm厚a級(jí)鋼，采用co2氣保焊，焊腳高度7mm左右，確定機(jī)器人焊接具體工藝參數(shù)如表1和表2所示。

表1平角焊工藝參數(shù)

表2立角焊工藝參數(shù)

具體來(lái)說(shuō)，將整個(gè)智能焊接系統(tǒng)落位至需要焊接的位置上，通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)，采用一鍵式啟動(dòng)方式開(kāi)始工作。機(jī)械手臂帶動(dòng)安裝在其靠前部位的激光掃描系統(tǒng)沿特定軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并收集收據(jù)，激光掃描系統(tǒng)將收集到的數(shù)據(jù)（焊縫位置特征點(diǎn)）傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將得到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、計(jì)算，得出差值（偏差量），隨即重新進(jìn)行焊接軌跡規(guī)劃并換算成機(jī)械手臂的移動(dòng)數(shù)據(jù)，且將數(shù)據(jù)反饋至機(jī)械手臂，機(jī)械手臂根據(jù)最終得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。焊接系統(tǒng)與機(jī)械手臂協(xié)同工作，當(dāng)機(jī)械手臂分別到達(dá)焊縫起止位置時(shí)，焊接系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行起收弧程序。當(dāng)一個(gè)焊接單元工作結(jié)束時(shí)，機(jī)械手臂自動(dòng)執(zhí)行清槍剪絲程序完成清槍剪絲，并通過(guò)導(dǎo)軌自動(dòng)移至下一個(gè)焊接單元繼續(xù)工作。

本發(fā)明的焊接系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、機(jī)械手臂系統(tǒng)均通過(guò)控制柜統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，互相用devicenet協(xié)議通信。

首先，根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)形式，規(guī)劃焊縫信息采集位置，并根據(jù)激光掃描器的掃描范圍，編制相應(yīng)的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)軌跡，使其帶動(dòng)激光掃描器掃描焊縫信息采集位置，同時(shí)，根據(jù)同樣的焊接結(jié)構(gòu)形式，編制相應(yīng)的機(jī)械手臂焊接軌跡。其次，激光掃描器固定在機(jī)械手臂軸法蘭盤(pán)上，與同樣固定在機(jī)械手臂軸法蘭盤(pán)上的焊槍形成固定空間幾何關(guān)系，并在控制系統(tǒng)中建立此關(guān)系模型。在工作過(guò)程中，激光掃描器完成掃描后，將焊縫實(shí)際位置信息傳輸至控制系統(tǒng)，根據(jù)激光掃描器與焊槍的空間位置關(guān)系模型，結(jié)合已編制好的機(jī)械手臂焊接軌跡，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整機(jī)械手臂實(shí)際焊接位置偏差量，并開(kāi)始焊接。

因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

采用上述焊接機(jī)器人系統(tǒng)，所述激光掃描系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)掃描，能夠收集焊縫信息，并傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對(duì)收集到的信息進(jìn)行運(yùn)算，并傳輸至機(jī)器手臂，使其按照實(shí)際焊縫軌跡進(jìn)行焊接，全程無(wú)需人工干預(yù)。

采用上述焊接機(jī)器人系統(tǒng)，可通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，包括啟動(dòng)、控制、參數(shù)調(diào)整、實(shí)時(shí)監(jiān)控。

采用上述焊接機(jī)器人系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)清槍剪絲設(shè)備，自動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行清槍剪絲。

采用上述焊接機(jī)器人系統(tǒng)，在機(jī)器人結(jié)束一個(gè)單元的工作后，會(huì)通過(guò)導(dǎo)軌自動(dòng)移至下一個(gè)單元進(jìn)行工作。

采用上述焊接機(jī)器人系統(tǒng)，工件擺放無(wú)需固定、機(jī)器人系統(tǒng)落位無(wú)需特別精準(zhǔn)、工件裝配精度需求不高。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，啟動(dòng)后，全程無(wú)需人工干預(yù)，針對(duì)結(jié)構(gòu)的裝配精度、擺放位置要求較低，且整個(gè)系統(tǒng)拆裝、吊運(yùn)方便，可解決船廠工件較大、不易移動(dòng)的現(xiàn)狀。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明具體實(shí)施只局限于上述這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。