一种钢结构焊接机器人控制方法及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体地说，涉及一种钢结构焊接控制方法及钢结构焊接机器人。

背景技术

钢结构件生产需要采用焊接工艺技术，焊接生产工艺劳动强度高，环境差，安全性也不佳。

建筑、桥梁、船舶等产品大多是非标准产品，结构类型各异，焊缝种类繁多，装配误差大，焊缝位置不精确，加工生产难度较大。

目前钢结构焊接的方式主要有几种：一是人工焊接，生产现场布置混乱，造成加工效率低、自动化水平较低、人工工作量大、加工质量不稳定，安全性差等状况；二是采用传统工业机器人焊接，但因其需要专业技术人员编程，对操作工人技能水平要求较高，前期焊接编程准备时间较长，受钢结构形式多样，非标准件多等因素影响，传统工业机器人焊接在钢结构焊接基本无法满足生产。三是采用智能焊接机器人，通过3D模型导入，焊接程序自动生产，视觉修正实际焊接轨迹，由于此套系统，目前技术尚不成熟，可靠性无法保证，受技术和构件的特点制约，只能在局部简单构件上得到一定应用，绝大多数构件无法满足生产要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于现有人工焊接，生产现场布置混乱，造成加工效率低、自动化水平较低、人工工作量大、加工质量不稳定，安全性差等状况，针对现有技术的上述的缺陷，一方面，本发明提供一种钢结构焊接机器人控制方法，用于钢结构构件焊接，包括步骤：

采用协作机械手、数字焊机，通过软件系统控制所述机器人，进行人机交互，执行自动焊接作业，所述软件系统控制包括上位机软件系统，所述上位机软件系统通过网络与所述机器人进行通讯，所述软件系统控制所述协作机械手、焊接电源及送丝机执行机构进行工作；

所述上位机软件系统设有人机交互界面，通过所述人机交互界面，执行焊接编程操作流程；

所述上位机软件系统执行焊接工艺自动管理流程，对工件的焊接工艺进行建立、存储、修改和自动调用操作；

采用所述协作机械手，拖动示教及人机界面进行交互编程，所述协作机械手接受人工拖动控制，通过软件界面编程操作流程完成焊缝点记录、焊接工艺生成及焊接动作程序生成；

从上位机获取机器人编程程序和焊接工艺推送信息，通过机械臂自动执行工作，实现机械臂对连续的钢构件的多条焊缝、多个位置进行自动化焊接。

优选地，所述上位机软件系统通过网络与所述机器人进行通讯的步骤之前还包括：

获取登录账号和登录密码；

对所述登录账号和所述登录密码进行验证，如果验证通过则运行以所述登录账号和所述登录密码通过所述上位机对所述机器人下达指令，如果验证失败，则发出验证失败的提示。

优选地，所述通过所述人机交互界面，执行焊接编程操作流程的步骤包括：

定义工件数量及板厚或者选择工件数据文件，所述工件数据文件包括工件数量及板厚信息；

按照所述工件数量及板厚信息，或者按照所述工件数据文件中的所述工件数量及板厚信息，控制机器人将焊枪对准所需焊接焊缝位置，并且记录焊缝点位信息；

判断焊缝信息是否全部记录完毕，是则控制机器人快速通过各点位，检测焊缝数据是否正确。

优选地，所述通过所述人机交互界面，执行焊接编程操作流程

控制机器人进行起弧焊接；

判断所述机器人是否起弧焊接完毕，如是，则控制所述机器人运行全部焊缝以检测焊接过程是正确。

另一方面，本发明还提供了一种钢结构焊接机器人，包括：

台架，上位机，气瓶，送丝机，送丝盘，六轴协作机械手，焊枪，所述台架上设有所述上位机、六轴协作机械手，所述台架侧边设有所述气瓶、所述送丝机及所述送丝盘，所述送丝机置于所述送丝盘的上方，所述六轴协作机械手顶部设有所述焊枪。

优选地，所述台架上还设有龙门平台，所述龙门平台上设有升降轴、所述焊机、桶装焊丝，所述送丝机设于所述龙门平台上，所述六轴协作机械手置于所述龙门平台下方。

优选地，所述龙门平台上还设有移动轨道。

优选地，所述移动轨道上设有移动平台。

优选地，所述移动平台上设有升降轴，所述送丝机置于所述升降轴上。

优选地，所述升降轴上设有悬臂梁。

实施本发明的钢结构焊接机器人控制方法及钢结构焊接机器人，具有以下有益效果：通过人机结合，焊缝识别，自动化焊接工艺输出，实现连续的多条焊缝、多位置自动化机器人机械手焊接，焊接稳定，安全且效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明可以应用于其中的示例性系统架构图；

图2是本发明一种钢结构焊接机器人控制方法流程图；

图3是本发明一种钢结构焊接机器人控制方法中使用的机器人与上位机连接示意图；

图4是本发明一种钢结构焊接机器人控制方法中的工件设置界面示意图；

图5是本发明一种钢结构焊接机器人控制方法中的选择工件文件界面示意图；

图6是本发明一种钢结构焊接机器人控制方法中的定义焊缝界面示意图；

图7是本发明一种钢结构焊接机器人控制方法中的定义过渡点、中间的界面示意图。

图8是本发明一种钢结构焊接机器人的一种优选实施例结构示意图；

图9是本发明一种钢结构焊接机器人的另一种优选实施例结构示意图；

图10是本发明一种钢结构焊接机器人的又一种优选实施例结构示意图；

图11是本发明一种钢结构焊接机器人的再一种优选实施例结构示意图。

图中，1-台架，2-上位机，3-气瓶，4-送丝机，5-送丝盘，6-六轴协作机械手，7-焊枪，8-龙门平台，9-升降轴，10-焊机，11-桶装焊丝，12-移动轨道，13-移动平台，14-悬臂梁，15-气瓶，16-第一磁铁吸盘，17-第二磁铁吸盘。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，系统架构100可以包括第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103、网络104和服务器105。网络104用以在第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103和服务器105之间提供通信链路的介质。网络104可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。

用户可以使用第一终端设备101、第二终端设备102或者第三终端设备103通过网络104与服务器105交互，以接收或发送消息等。第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103上可以安装有各种通讯客户端应用，例如网页浏览器应用、购物类应用、搜索类应用、即时通信工具、邮箱客户端、社交平台软件等。

第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103可以是具有显示屏并且支持网页浏览的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、电子书阅读器、MP3播放器(MovingPictureExpertsGroupAudio LayerIII，动态影像专家压缩标准音频层面3)、MP4(MovingPicture ExpertsGroupAudioLayerIV，动态影像专家压缩标准音频层面4)播放器、膝上型便携计算机和台式计算机等等。

服务器105可以是提供各种服务的服务器，例如对第一终端设备101、第二终端设备102、第三终端设备103上显示的页面提供支持的后台服务器。

需要说明的是，本发明实施例所提供的钢结构焊接机器人控制方法一般由服务器/终端设备执行。

应该理解，图1中的终端设备、网络和服务器的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的终端设备、网络和服务器。

实施例一

继续参考图2，示出了本发明的钢结构焊接机器人控制方法的一个实施例的流程图。所述钢结构焊接机器人控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，采用协作机械手、数字焊机，通过软件系统控制机器人，进行人机交互，执行自动焊接作业，软件系统控制包括上位机软件系统，上位机软件系统通过网络与机器人进行通讯，软件系统控制协作机械手、焊接电源及送丝机执行机构进行工作。

协作机械手具有质量轻、体积小、安全性高等特点，可改变机器人安装方式及结构形式，适应和克服构件形式多样、非标准件多的等特点制约。本实施例所述的机器人，其结构包括但是不限于以下几种：移动式灵巧焊接机器人、龙门灵巧焊接机器人、悬臂式灵巧焊接机器人及磁座式灵巧焊接机器人等。

在本实施例中，钢结构焊接机器人控制方法运行于其上的电子设备(例如图1所示的服务器/终端设备)可以通过有线连接方式或者无线连接方式接收机器人控制请求。需要指出的是，上述无线连接方式可以包括但不限于3G/4G/5G连接、WiFi连接、蓝牙连接、WiMAXX连接、Zigbee连接、UWB(ultrawideband)连接、以及其他现在已知或将来开发的无线连接方式。

设备配置工控一体机，安装上位机软件系统，具有人机交互系统操作界面，灵巧焊接机器人采用手工拖动示教方式，配合机械按钮与上位操作系统完成程序生成、机器人执行焊接。上位操作系统流程简单，并针对焊接工艺流程与操作人员的现场使用习惯设计人机操作界面。其目的是最大程度的提高焊接工作效率，降低操作工人使用难度，可快速掌握使用本方法。

对钢结构构件焊接采用协作机械手、数字焊机，通过软件系统控制，人机交互，简化编程操作，焊接工艺自动管理，执行自动焊接作业。

图3是本发明一种钢结构焊接机器人控制方法中使用的机器人与上位机连接示意图。如图3所示，机器人控制作为通讯核心，通过无线网络与上位机进行通讯。操作员可在WIFI范围内自由移动，通过平板上位机控制机器人。

步骤S2，上位机软件系统设有人机交互界面，通过人机交互界面，执行焊接编程操作流程。

软件系统控制具有上位机软件系统，通过网络等通讯方式连接，可对协作机械手，焊接电源，送丝机等执行机构进行控制工作。

上位机软件系统具有人机交互界面，界面内容可以包括：账号管理，焊接编程操作流程。(a.工件：定义工件数量及板厚，b.焊缝：定义并记录焊缝点位信息,c.工艺：系统自动匹配焊接所需电流、电压、速度、摆动等工艺数据,d.数据：显示工件各焊缝焊接结果)

在本实施例中，在步骤S2之前还可以包括：

获取登录账号和登录密码；

对所述登录账号和所述登录密码进行验证，如果验证通过则运行以所述登录账号和所述登录密码通过所述上位机对所述机器人下达指令，如果验证失败，则发出验证失败的提示。

具体实施时，操作流程可以是：

1.系统登录：通过账号、密码确保登录用户安全性。

对所述机器人的控制指令可以包括：

定义工件数量及板厚或者选择工件数据文件，所述工件数据文件包括工件数量及板厚信息；

按照所述工件数量及板厚信息，或者按照所述工件数据文件中的所述工件数量及板厚信息，控制机器人将焊枪对准所需焊接焊缝位置，并且记录焊缝点位信息；

判断焊缝信息是否全部记录完毕，是则控制机器人快速通过各点位，检测焊缝数据是否正确。

2.焊接操作流程：

登录成功后，自动跳转至“新的焊接”。

上层菜单栏可以选择再次打开“新的焊接”重新初始化一系列焊缝。

焊接操作流程分为4个步骤：

1)工件：定义工件数量及板厚或者选择工件数据文件。

选择工艺文件后，系统将自动匹配数据到后续步骤，如果需要修改某一数据，可参照手动记录点位的过程。

点击“第二步”进入“焊缝步骤”，如图4所示界面，是本发明一种钢结构焊接机器人控制方法中的工件设置界面示意图。步骤1工件(选择工件文件)如图5所示，图5是本发明一种钢结构焊接机器人控制方法中的选择工件文件界面示意图。

具体实施时，通过所述人机交互界面，执行焊接编程操作流程还可以包括：

控制机器人进行起弧焊接；

判断所述机器人是否起弧焊接完毕，如是，则控制所述机器人运行全部焊缝以检测焊接过程是正确。

2)焊缝：定义并记录焊缝点位信息

操作人拖动机器人焊枪，对准所需焊接焊缝位置，

蓝色按钮系统提示操作员当前自动储存的焊接点。点击外部“记录”按钮就可将数据记录到蓝色点内。如果操作员需要将当前点位数据记录到其他点位，可手动点击相应橙色点位按钮。

当定义的焊缝全部记录完毕后，系统将提示。

当前焊缝信息全部记录完毕后，可点击“仿真”，机器人将快速通过各点位，检测当前焊缝数据是否正确。

点击“清零”，该焊缝数据将全部清楚，待重新记录。

点击“第三步”进入“工艺步骤”。点击红色“回退”，回到上一步。重新定义焊缝，如图6所示，图6是本发明一种钢结构焊接机器人控制方法中的定义焊缝界面示意图。

步骤2焊缝(定义焊缝)，如图7所示，图7是本发明一种钢结构焊接机器人控制方法中的定义过渡点、中间的界面示意图。

步骤2工件(定义过渡点、中间点)：

3)工艺：系统自动匹配焊接所需电流、电压、速度、摆动等工艺数据。

如需修改，也可人工输入数据选择相应工艺。

确认工艺数据正确后，机器人进入实际起弧焊接。

同时设备具有浏览功能，机器人可快速运行全部焊缝以检测焊接过程是正确。

4)数据：显示工件各焊缝焊接结果。

焊接结束后，可“重新焊接”，再次执行相同焊接动作。

当前数据可永久保存为工具数据文件，以待后续使用。

实施本实施例，采用协作机器人进行焊接作业，通过软件系统设计，人机界面交互，简化编程操作，工艺自动管理，极大降低对操作工的技术和技能要求；同时协作机器人本身具有质量轻、体积小、安全性高等特点，改变机器人安装方式及结构形式，来适应和克服构件形式多样、非标准件多的等特点制约。

步骤S3，上位机软件系统执行焊接工艺自动管理流程，对工件的焊接工艺进行建立、存储、修改和自动调用操作

焊接工艺包括电流、电压、速度、摆动等工艺数据。

步骤S4，采用协作机械手，拖动示教及人机界面进行交互编程，协作机械手接受人工拖动控制，通过软件界面编程操作流程完成焊缝点记录、焊接工艺生成及焊接动作程序生成。

采用步骤S4，可以简化编程操作，节省时间，提高焊接效率。

在本实施例中，机器人按照上位机下达的指令进行工作。机器人和上位机直接，可以通过共同的协议来进行通信，例如RS232串口通讯、RS485串行通讯和CAN总线通信等。RS232串口通讯、RS485串行通讯和CAN总线通信可以采用现有技术中的常规设置，在此不再赘述。

步骤S5、从上位机获取机器人编程程序和焊接工艺推送信息，通过机械臂自动执行工作，实现机械臂对连续的钢构件的多条焊缝、多个位置进行自动化焊接。

可以事先通过上位机，由人工拖动编程，生成机器人编程程序和焊接工艺推送信息。然后机械臂按照机器人编程程序和焊接工艺推送信息，自动执行任务。也就是说，通过人工拖动编程、焊接工艺推送及机械臂自动执行的人机协作技术路线，人工拖动标定焊缝，自动推送焊接工艺，实现机械臂对连续的钢构件的多条焊缝、多个位置进行自动化焊接。

本发明通过以上实施例的设计，其有益效果是：

(1)适用产品范围广：适用于钢构件小批量、多品种、非标定制、尺寸变化大、装配精度低等特点的金属件焊接，多种焊缝位置和坡口的适用性强，适用于复杂外部空间环境，例如密闭空间桥梁的钢箱梁仓式、船体、工地端等场合的焊接。

(2)重量轻、移动布置灵活、占地面积小，场地利用率高等。

(3)操作简单、节省人工：电脑、平板或手机都可以与WebAPP系统连接，友好的人机交互界面，免示教编程，全触控操作，一次性可以实现多道焊缝的人工拖动选点；普通操作工经过短时培训即可上岗；一个普通操作工可以负责两台设备的生产。

(4)焊接工艺自动管理：通过人机交互，系统建立、优化焊接工艺库，自动生成焊接工艺参数，极大降低对操作工的技术和技能要求，可替代熟练焊工。

(5)环境适应性强：机械臂防护等级达IP66，模块化全集成设计，维护简单方便。

(6)安全性高：采用协作机器人焊接作业，具有触碰保护，人可远离焊接区、避免弧光、烟尘等伤害。

实施例二

图8是本发明一种钢结构焊接机器人的一种优选实施例结构示意图。图8示出了一种移动式灵巧焊接机器人，由本实施例执行如实施例一所述的钢结构焊接机器人控制方法。本实施例的机器人，包括移动式机械台架1，上位机工控一体机2，气瓶3，送丝机4，送丝盘5，六轴协作机械手6，焊枪7，台架1上设有上位机2、六轴协作机械手6，台架1侧边设有气瓶3、送丝机4及送丝盘5，送丝机4置于送丝盘5的上方，六轴协作机械手6顶部设有焊枪7。可悬挂气瓶3，整机集成设计，占地面积小，采用移动式机械台架，通过脚轮可自由移动，依据使用要求和位置需要，可自由移动机械台架1布置至指定位置，尤其适用焊接大尺寸、重型部件等不适宜转运的产品。

本实施例的钢结构焊接机器人，设计满足钢结构生产特别是建筑钢结构小批量、多品种、非标定制的特点，满足其构件尺寸变化大、装配精度低等的特点，更满足其钢结构构件在车间里位置变化大，整齐度低的特色。为此，我们设计一个移动小车，将焊接系统、机械臂系统集成一起，整个设备占地只有1个平方米左右，重量小于200公斤，使用万向轮，工人可推动机器人到构件旁边所要焊接的位置；同时，小车上有一副吊环，也可以方便地将机器人调运到指定位置，充分体现出该焊接机器人重量轻、体积小、移动方便、布置灵活快速的独特优势。

目前，市面上的焊接机器人工作站系统，在采用人工编程、软件导入图形组合在对焊缝的位置识别时，受到技术要求高，费工费时，定位不准；在使用视觉生成、激光跟踪等方法的组合在对焊缝的位置识别时，常常对坡口形状与尺寸无法识别，还发生过机加工坡口“太亮”无法检出，还会遇到周围时有时无的电弧光和变化的日照光影响而无法准确识别焊缝。

本实施例进行人机有效结合，由操作员眼睛来识别焊缝，实行拖到机械臂焊枪头点击焊缝起点、中点和末点，配合系统存储的数学逻辑来确定焊缝位置与焊缝路径(直线、圆弧等)，这样拖动编程、免代码，全触控操作，简单可靠有效。

同时，操作简单省人工：友好的人机交互界面，免示教编程，全触控操作，普通操作工经过短时培训即可上岗；一个普通操作工可以负责两-三台机器人设备的生产。

本实施例机器人，配备有焊接工艺库和管理系统，并且兼有软件系统自适应和自优化功能，它与数字化焊机交流匹配，管理和控制焊接和机械臂的运行，完成构件的焊接。

软件界面设计简单实用，焊缝编程单次编程可支持1-20条焊缝，可多次编程、重复调用；设备管理员可通过焊接工艺管理系统对焊接工艺设置、修改、调用、存储。设备操作员在生产操作时，通过菜单引导式操作进行人机协作高效编程和工艺确认，机器人即可自动连续焊接。

值得提出的是，工件一致，装配精度保证，在做好工件有良好的装夹定位，基准一致情况下，一次拖到编程，可长期使用，不必多次编程。

本实施例的机器人，由于采用全集成设计：焊机、机械臂、控制系统均采用模块化装配，维护简单方便。机械臂全封闭设计、防护等级达IP66，不会收到外界不良环境影响，终身免拆卸免保养。设备有碰撞保护系统，，可避免人员和设备损伤，机械臂采用48V电压供电，安全性高。机器人焊接作业中，设备操作者可远离焊接区，避免弧光、烟尘等伤害。

实施例三

图9是本发明一种钢结构焊接机器人的另一种优选实施例结构示意图。在实施例二的基础上，图9示出了一种龙门灵巧焊接机器人，由本实施例执行如实施例一所述的钢结构焊接机器人控制方法。本实施例的机器人，包括六轴协作机械手、龙门平台、升降轴、焊机、桶装焊丝、送丝机、送丝盘、焊枪、工控一体机等功能部件组成，龙门平台8上设有升降轴9、焊机10、桶装焊丝11，送丝机4设于龙门平台8上，六轴协作机械手6置于龙门平台8下方。机械手采用倒挂式，安装在升降轴上、通过升降轴上下移动增加机械手工作范围，与龙门平台集成一体，此类结构形式特别适用大型钢构件，例如桥梁的钢箱梁舱室焊接。

实施例四

图10是本发明一种钢结构焊接机器人的又一种优选实施例结构示意图。图10示出了一种悬臂式灵巧焊接机器人，由本实施例执行如实施例一所述的钢结构焊接机器人控制方法。本实施例的机器人，包括六轴协作机械手、移动平台、悬臂梁、升降轴、焊机、送丝机、桶装焊丝、焊枪、工控一体机等功能部件组成，机械手安装于升降轴上，升降轴安装在悬臂梁上，悬臂梁安装在移动平台上，通过升降轴的上下移动及移动平台沿轨道的移动，可适应工件的尺寸变化范围的加工要求，特别适用中小型钢构件焊接，例如牛腿、柱、梁及桥梁横隔板等中小型构件。

实施例五

图11是本发明一种钢结构焊接机器人的再一种优选实施例结构示意图。图11示出了一种磁座式灵巧焊接机器人，由本实施例执行如实施例一所述的钢结构焊接机器人控制方法。本实施例的机器人，磁吸式灵巧焊接人采用分体式设计，送丝机、送丝盘、磁铁独立集成一体，六轴协作机械手、磁铁独立集成一体，焊机气瓶独立外置，现场快插方式，快速连接布局，六轴机械手依据焊接位置要求，可以通过磁铁固定；此类结构在复杂外部空间环境具有较强适应性，例如密闭空间桥梁的钢箱梁仓式、船体、工地端。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。