一种船舶复杂结构机器人智能焊接方法及系统与流程

1.本发明属于船舶焊接技术领域，特别是船舶中小组立焊接领域，尤其涉及一种船舶复杂结构机器人智能焊接方法及系统。


背景技术：

2.船舶中小组立制造是将零件、部件组成一个较大组合件的过程，是船体分段建造的一个重要阶段。焊接是中小组立制造中最主要的一个环节，所占工作量比重高，直接影响分段的建造质量。在传统的中小组立生产过程中，人工焊接是主导作业方式，长期存在焊接效率低、劳动强度大、工作环境差、质量不稳定和生产连续性差等问题。
3.在船舶中小组立焊接阶段引入机器人焊接工作站是提高产品焊接质量和焊接效率的一种重要手段，对于实现船舶产品规模化、高效化与批量化生产具有重要意义。近几年，通过行业骨干船厂的不断探索和实践，国内建设了一批船舶中小组立机器人自动焊接装备，对于特定规格、结构形式简单的中小组立产品，一定程度上提升了焊接作业的自动化程度和生产效率。现有装备主要采用以下两种方案：
4.基于传感器识别的结构化编程技术：根据焊接工件的结构特点，预先编写好结构化程序，综合运用电弧传感器，基于结构光的视觉传感器，对工件特征进行识别，自动获取工件的相关信息并传输至焊接机器人系统，之后焊接机器人根据预设程序及焊缝信息进行焊接作业。这种方式的优点是操作相对简单，但缺点是需要提前根据工件特点进行示教编程，仅能满足部分特种规格和结构形式简单的中小组立产品焊接需求。大连造船厂、外高桥造船厂建设的小组立焊接工作站均采用这种模式。
5.基于工件模型的离线编程技术：导入设计软件的工件模型数据，提取焊接信息，通过离线编程工具进行仿真验证生成焊接程序并传输至焊接机器人，焊接机器人利用传感器进行焊缝精确定位后进行焊接作业。这种方式的优点是能够适应不同规格的中小组立产品焊接需求，但缺点是需要操作人员对每个工件进行焊接机器人任务分配和规划，焊接准备时间长，对操作人员的综合素质要求较高。荷兰kranedonk、南通中远川崎船舶工程有限公司、广船国际有限公司均采用这种技术方案进行中小组立焊接作业。
6.对于规格多变、结构形式复杂的中小组立产品，尚缺少一种高效、智能的机器人自主规划和作业系统，实现不同规格复杂中小组立产品的批量化混线生产。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对船舶中小组立产品规格多变、结构形式复杂、焊接智能化困难等问题，研制一种船舶复杂结构机器人智能焊接方法及系统，实现不同规格复杂中小组立产品的批量化混线生产。
8.实现本发明目的的技术解决方案为：一种船舶复杂结构机器人智能焊接方法，所述方法包括以下步骤：
9.步骤1，从船舶设计文件中提取焊缝信息数据，并生成可处理的三维模型；
10.步骤2，基于提取的焊缝信息数据，基于工艺规则或路径最优算法完成多机器人焊接任务分配；
11.步骤3，机器人根据分配到的焊接任务，通过索引焊缝类型及工艺要求，生成机器人仿真程序；
12.步骤4，对生成的仿真程序进行仿真验证，若存在运动干涉，进入三维仿真环境进行轨迹调整，直至无运动干涉；
13.步骤5，选择机器人型号，对仿真程序进行转换处理，并将程序下发至机器人；
14.步骤6，进行工件坐标系标定；
15.步骤7，进行焊缝位置定位；
16.步骤8，开始机器人焊接作业，直至完成全部焊接任务。
17.进一步地，步骤1所述从船舶设计文件中提取焊缝信息数据，并生成可处理的三维模型，具体过程包括：
18.步骤1-1，从船舶设计文件中提取焊缝信息，生成相应的焊缝信息列表，并为每条焊缝分配唯一的标识号；所述焊缝信息包括工件基准点、焊缝起止点、焊缝空间位置、焊缝类型、焊脚高度、是否包角；
19.步骤1-2，基于上述信息，通过三维设计软件生成焊接零件三维模型，并将三维模型文件转换为离线仿真系统可识别的标准模型格式。
20.进一步地，步骤2所述基于提取的焊缝信息数据，基于工艺规则或路径最优算法完成多机器人焊接任务分配，具体过程包括：
21.步骤2-1，按照焊缝形式进行焊缝分类，并根据分类结果与焊缝信息分别对各类焊缝进行焊接任务分解；
22.步骤2-2，按照多机器人协同焊接作业时间最短原则，调用路径规划算法进行多机器人焊接任务分配，为每个机器人生成单独的焊接任务列表；所述焊接任务列表包括以下信息：该机器人要焊接的焊缝标识号，以及是否需要协同焊接。
23.进一步地，步骤3所述机器人根据分配到的焊接任务，通过索引焊缝类型及工艺要求，生成机器人仿真程序，具体过程包括：
24.步骤3-1，焊接任务处理，根据焊接任务列表中的焊缝标识号，查询焊缝类型信息，匹配焊接动作库，生成相应的机器人运动指令程序模块，该程序模块用于实现焊缝的精确寻位和焊接功能；
25.步骤3-2，查询焊缝工艺要求信息，匹配焊接工艺数据库，生成焊接工艺参数数据，补充机器人运动程序中焊接工艺信息；
26.步骤3-3，根据焊缝之间的位置信息，自动添加机器人运动过渡指令，并根据离线仿真环境要求，将所有运动指令转换为离线仿真环境可识别的统一格式程序。
27.进一步地，步骤4所述对生成的仿真程序进行仿真验证，若存在运动干涉，进入三维仿真环境进行轨迹调整，直至无运动干涉，具体过程包括：
28.步骤4-1，运行生成的仿真程序，并设置为高速，若仿真过程中出现运动干涉，弹出对话框进行报警；
29.步骤4-2，在三维离线仿真环境中，手动对机器人焊接运动轨迹进行调整，再次进行运动仿真，直至无运动干涉情况发生，仿真过程中可设置为低倍速进行观察。
30.进一步地，步骤5所述选择机器人型号，对仿真程序进行转换处理，并将程序下发至机器人，具体过程包括：
31.步骤5-1，对不同型号的机器人，创建相应格式的运动程序文件和运动数据文件，并保持为打开状态；
32.步骤5-2，创建程序语句数组，获取离线仿真软件中所有虚拟仿真程序语句，并对其进行遍历，针对不同语句调用不同的处理函数，按照机器人可执行文件的指令结构填写相应的运动参数，将程序语句及参数写入运动程序文件和运动数据文件；
33.步骤5-3，通过网络，将运动程序文件和运动数据文件保存至机器人下相应的存储空间，实现程序自动下达。
34.进一步地，步骤6所述进行工件坐标系标定，具体过程包括：
35.步骤6-1，移动龙门架到工件上方，通过安装在门架上的相机对工件进行检测，识别出设计图纸中对应的基准点；
36.步骤6-2，根据识别出的基准点位置，计算实际场景中的工件坐标系数据并更新。
37.进一步地，步骤7所述进行焊缝位置定位，具体过程包括：
38.步骤7-1，切换至工件坐标系，调用并执行寻位程序；
39.步骤7-2，利用传感器进行焊缝位置寻位，计算焊缝起止点在世界坐标中的位置数据。
40.一种船舶复杂结构机器人智能焊接系统，所述系统包括：设计信息提取与处理、焊接路径规划与任务分配、焊接工艺匹配与程序设计、离线仿真修正、智能焊接系统应用五大功能模块；
41.所述设计信息提取与处理模块，用于对船舶设计软件数据交互接口设计、焊接工艺数据、焊缝数据信息进行提取与处理，同时对设计的三维模型进行处理获得符合实际焊接的工件三维模型，规范数据交互文件形式；
42.所述焊接路径规划与任务分配模块，用于基于设计信息提取与处理模块提取的信息进行焊接路径规划，并根据规划结果与机器人状态信息进行任务分配；
43.所述焊接工艺匹配与程序设计模块，用于根据提取的焊接工艺信息自动匹配焊接工艺，以焊接任务与焊接路径为基础，结合匹配的工艺进行程序设计；
44.所述离线仿真修正模块，用于对实际焊接过程与设计的程序进行离线仿真，对存在运动干涉的位置进行程序修正并转换为实际设备可识别、运行的程序，并导出至系统设备；
45.所述智能焊接系统应用模块，用于实现系统各运动机构运动规划、坐标系标定以及焊缝位置定位，并进行实际焊接作业。
46.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
47.1)适用工件结构形式更多、结构更复杂。
48.2)实现船舶设计与生产现场信息交互，充分利用设计的焊接工艺信息及船舶中小组立三维模型，实际焊接与设计信息匹配度高，焊接效果相比现有技术更好。
49.3)现场工件标定与定位更精准，可实现更大尺寸工件焊接作业。
50.4)现场示教工作前移，无需现场示教，利用离线仿真就能进行焊接程序优化，对工人依赖程度相比现有技术更低。
51.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
52.图1为本发明船舶复杂结构机器人智能焊接方法的流程图。
具体实施方式
53.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
54.在一个实施例中，结合图1，本发明提供了一种船舶复杂结构机器人智能焊接方法，所述方法包括以下步骤：
55.根据设计软件名称，选择对应的接口，导入船舶设计数据文件；
56.步骤1，从船舶设计文件中提取焊缝信息数据，并生成可处理的三维模型；具体过程包括：
57.步骤1-1，从船舶设计文件中提取焊缝信息，生成相应的焊缝信息列表，并为每条焊缝分配唯一的标识号；具体地：根据待焊接零件的名称提取出部件尺寸、组成部件名称、材料厚度、焊缝名称、序号及数量等信息。根据焊缝名称、序号等信息提取出焊缝类型、焊缝起止点信息、焊缝长度、焊脚高度、是否包角等信息，在此基础上进行数据处理，形成标准格式的焊接工艺文件；根据提出的待焊接零件组成部件名称，提取出各部件的材料、尺寸、厚度、位置等信息。
58.步骤1-2，基于上述信息，通过三维设计软件生成焊接零件三维模型，并将三维模型文件转换为离线仿真系统可识别的标准模型格式。
59.步骤2，基于提取的焊缝信息数据，基于工艺规则或路径最优算法完成多机器人焊接任务分配；具体过程包括：
60.步骤2-1，按照焊缝形式进行焊缝分类，并根据分类结果与焊缝信息分别对各类焊缝进行焊接任务分解；
61.步骤2-2，按照多机器人协同焊接作业时间最短原则，调用路径规划算法进行多机器人焊接任务分配，为每个机器人生成单独的焊接任务列表；所述焊接任务列表包括以下信息：该机器人要焊接的焊缝标识号，以及是否需要协同焊接。
62.步骤3，机器人根据分配到的焊接任务，通过索引焊缝类型及工艺要求，生成机器人仿真程序；具体过程包括：
63.步骤3-1，焊接任务处理，根据焊接任务列表中的焊缝标识号，查询焊缝类型信息，匹配焊接动作库，生成相应的机器人运动指令程序模块，该程序模块用于实现焊缝的精确寻位和焊接功能；
64.步骤3-2，查询焊缝工艺要求信息，匹配焊接工艺数据库，生成焊接工艺参数数据，补充机器人运动程序中焊接工艺信息；
65.步骤3-3，根据焊缝之间的位置信息，自动添加机器人运动过渡指令，并根据离线仿真环境要求，将所有运动指令转换为离线仿真环境可识别的统一格式程序。
66.步骤4，对生成的仿真程序进行仿真验证，若存在运动干涉，进入三维仿真环境进
行轨迹调整，直至无运动干涉；具体过程包括：
67.步骤4-1，运行生成的仿真程序，并设置为高速，若仿真过程中出现运动干涉，弹出对话框进行报警；
68.步骤4-2，在三维离线仿真环境中，手动对机器人焊接运动轨迹进行调整，再次进行运动仿真，直至无运动干涉情况发生，仿真过程中可设置为低倍速进行观察。
69.步骤5，选择机器人型号，对仿真程序进行转换处理，并将程序下发至机器人；具体过程包括：
70.步骤5-1，对不同型号的机器人，创建相应格式的运动程序文件和运动数据文件，并保持为打开状态；
71.步骤5-2，创建程序语句数组，获取离线仿真软件中所有虚拟仿真程序语句，并对其进行遍历，针对不同语句调用不同的处理函数，按照机器人可执行文件的指令结构填写相应的运动参数，将程序语句及参数写入运动程序文件和运动数据文件；
72.步骤5-3，通过网络，将运动程序文件和运动数据文件保存至机器人下相应的存储空间，实现程序自动下达。
73.步骤6，进行工件坐标系标定；具体过程包括：
74.步骤6-1，移动龙门架到工件上方，通过安装在门架上的相机对工件进行检测，识别出设计图纸中对应的基准点；
75.步骤6-2，根据识别出的基准点位置，计算实际场景中的工件坐标系数据并更新。
76.步骤7，进行焊缝位置定位；具体过程包括：
77.步骤7-1，切换至工件坐标系，调用并执行寻位程序；
78.步骤7-2，利用传感器进行焊缝位置寻位，计算焊缝起止点在世界坐标中的位置数据。
79.步骤8，开始机器人焊接作业，直至完成全部焊接任务。
80.在一个实施例中，提供了一种船舶复杂结构机器人智能焊接系统，系统作业流程分为焊接任务规划阶段和现场焊接作业阶段，不同的阶段可由同一人员，也可由不同的人员完成。系统由焊接任务规划子系统和现场焊接作业子系统组成。其中，焊接任务规划子系统包括：设计数据转换、焊接任务智能规划、工艺匹配与仿真程序设计、离线仿真及程序输出等；现场焊接作业子系统包括：龙门架单元、工业机器人单元、焊接电源单元、工件定位相机单元和寻位传感器单元。
81.进一步地，在其中一个实施例中，所述船舶复杂结构机器人智能焊接系统包括：设计信息提取与处理、焊接路径规划与任务分配、焊接工艺匹配与程序设计、离线仿真修正、智能焊接系统应用五大功能模块。
82.所述设计信息提取与处理模块，用于实现与船舶设计软件数据交互接口设计、焊接工艺数据、焊缝数据等信息进行提取与处理，同时对设计的三维模型进行处理获得符合实际焊接的工件三维模型，规范数据交互文件形式等；
83.所述焊接路径规划与任务分配模块，用于基于提取的信息进行焊接路径合理规划、并根据规划结果与机器人状态信息进行任务分配；
84.所述焊接工艺匹配与程序设计模块，用于根据提取的焊接工艺信息自动匹配焊接工艺，以焊接任务与焊接路径为基础，结合匹配的工艺进行程序设计；
85.所述离线仿真修正模块，用于对实际焊接过程与设计的程序进行离线仿真，对存在干涉位置进行程序修正并转换为实际设备可识别、运行的程序导出至系统设备；
86.所述智能焊接系统应用模块，用于实现系统运动机构运动规划、坐标系标定、焊缝位置精确定位等，并进行实际焊接作业。
87.进一步地，在其中一个实施例中，所述设计信息提取与处理模块，首先选择设计软件名称，然后根据开发的接口，根据待焊接零件的名称优先提取出部件尺寸、组成部件名称、材料厚度、焊缝名称、序号及数量等信息。
88.根据焊缝名称、序号等信息提取出焊缝类型、焊缝起止点信息、焊缝长度、焊脚高度、是否包角等信息，在此基础上进行数据处理，形成标准格式的焊接工艺文件；
89.根据提出的待焊接零件组成部件名称，提取出各部件的材料、尺寸、厚度、位置等信息，在此基础上进行处理，结合焊缝信息构建包含焊接工艺信息的焊接零件三维模型。
90.进一步地，在其中一个实施例中，所述焊接路径规划与任务分配模块，首先根据生成焊接工艺文件对焊缝进行分类，以分类结果为基础对各类焊缝进行焊接任务分解。
91.按照多机器人协同焊接作业时间最短原则，调用相应智能规划算法进行多机器人焊接任务分配，为每个机器人生成单独的焊接任务列表，焊接任务列表包括该机器人要焊接的焊缝标识号以及是否需要协同焊接等信息。
92.进一步地，在其中一个实施例中，所述焊接工艺匹配与程序设计模块，实现根据焊接工艺文件查询焊缝类型信息，据此匹配焊接动作库，进而生成运动指令程序模型，该程序模块能够实现焊缝的精确寻位和焊接功能。
93.根据焊接工艺文件，匹配焊接工艺数据库，生成焊接工艺参数数据，补充机器人运动程序中焊接工艺信息。
94.根据不同位置焊缝的位置信息，进行位置信息插值，自动添加机器人运动过渡指令，根据离线仿真环境要求，将所有运动指令转换为离线仿真环境可识别的统一格式的焊接程序。
95.进一步地，在其中一个实施例中，所述离线仿真修正模块，首先导入生成的焊接零件三维模型，在导入实际焊接场景中设备模型，然后导入生成的焊接程序。
96.点击仿真开始按钮，运行生成的仿真程序，并设置为高速，若仿真过程中出现碰撞、运动奇异点等运动干涉，弹出对话框进行报警；
97.在三维离线仿真环境中，手动对机器人焊接运动轨迹进行调整，再次进行运动仿真，直至无运动干涉情况发生，仿真过程中可设置为低倍速进行观察。
98.仿真过程符合实际要求后，根据不同品牌工业机器人创建相应格式的运动程序及数据文件。
99.创建程序语句数组，获取离线仿真软件中所有虚拟仿真程序语句，并对其进行遍历，针对不同语句调用不同的处理函数，按照机器人可执行文件的指令结构填写相应的运动参数，将程序语句及参数写入运动程序文件和运动数据文件；
100.将运动程序文件和运动数据文件通过网络，保存到工业机器人下相应的存储空间，实现程序自动下达。
101.进一步地，在其中一个实施例中，所述智能焊接系统应用模块，首先进行实际工作场景中的工件坐标系标定。
102.将移动龙门架到工件上方，通过安装在门架上的相机对工件进行检测，识别出设计图纸中对应的基准点；
103.根据识别出的基准点位置，计算实际场景中的工件坐标系数据并更新。
104.进行焊缝位置精确寻位，切换至工件坐标系，调用并执行寻位程序；
105.利用传感器进行焊缝位置精确寻位，计算焊缝起止点在世界坐标中的位置数据。
106.本发明可适用工件结构形式更多、结构更复杂，能实现船舶设计与生产现场信息交互，充分利用设计的焊接工艺信息及船舶中小组立三维模型，实际焊接与设计信息匹配度高，焊接效果相比现有技术更好。且现场工件标定与定位更精准，可实现更大尺寸工件焊接作业。此外，现场示教工作前移，无需现场示教，利用离线仿真就行焊接程序优化，简化现场工人工作内容。
107.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。