一种基于智能焊接系统的支架自动焊接方法及装置与流程

本发明属于支架自动焊接，也属于工业机器人智能焊接，具体涉及一种基于智能焊接系统的支架自动焊接方法及装置，尤其涉及一种基于激光视觉、免示教自动编程及数字孪生的支架自动焊接装置，主要用于核电站管道支架、电缆桥架支架、仪表支吊架、风管支架等核级支架自动化焊接生产，装置集成6轴机器人、激光视觉传感、柔性工装与核电级安全防护系统，可完成工件定位、焊缝识别、路径规划、实时跟踪及全熔透焊接一体化作业，解决传统焊接示教繁琐、高反光焊缝识别难、全熔透质量不稳等问题，满足核电工程对焊接质量、安全与效率的严苛要求，可应用于核电、化工、军工等高可靠焊接场景。

背景技术：

1、在支吊架焊接领域，管道支架、电缆桥架支架、仪表支吊架、风管支架等构件是工业基建与核电工程的关键配套部件，焊接质量直接决定工程结构稳定性与运行安全性。当前支吊架焊接仍以两种模式为主：一是人工气保焊焊接，依赖熟练焊工手工操作，虽适配异形构件与现场多变工况，但存在效率低下、劳动强度大、焊接质量受人工技能与疲劳状态影响大、焊缝缺陷率可控性差等问题；二是传统示教型焊接机器人，仅适用于批量标准化支吊架加工，需专业人员提前示教编程、调试工装，面对现场非标构件、装配偏差、空间位置多变的场景，适配性极差，难以满足现场灵活焊接需求。

2、专利公开号为cn117961559a的现有技术方案公开了一种工业管道支架加工用焊接装置及其焊接方法，涉及工业管道加工领域。该工业管道支架加工用焊接装置，包括机体、焊枪和移动座，所述机体外侧设置有夹持旋转机构，且管道支架夹紧在夹持旋转机构上，所述机体外侧设置有支撑杆。该工业管道支架加工用焊接装置及其焊接方法，通过使泡沫喷头将泡沫喷洒至管道支架焊接处，启动鼓风机，使风吹向管道支架内部，观察管道支架焊接处的泡沫是否有异动，有利于提高管道支架的焊接质量，且通过第二驱动电机启动带动打磨块转动，并使得对管道支架焊接处外壁进行打磨，使得焊接后的管道支架更加平整，使焊接形成的新管道支架受力均匀。该焊接装置依赖于人工示教，焊接质量不稳定。专利公开号为cn119927915a的现有技术方案公开了一种用于临边悬挂支架焊接的机器人，包括：移动底座、焊接用机械臂、固定用机械臂、焊接系统、传感系统、控制系统；该机器人能够在临边悬挂的复杂环境下进行高效、精准的支架焊接作业。该临边悬挂支架焊接机器人仅适配特定临边悬挂场景，无激光视觉免示教编程、焊缝实时跟踪与非标支吊架自适应焊接能力，依赖预设轨迹、柔性与智能程度低，无法满足核电多类型支吊架无工装、高精度氩弧焊需求。专利公告号为cn221289979u的现有技术方案公开了一种自动化程度高的电动车支架焊接机器人，包括横板，所述横板顶部的左侧固定连接有柱体，所述柱体内腔的底部固定安装有第一伺服电机，所述第一伺服电机的输出端设置有第一螺纹杆，所述第一螺纹杆外表面的上端螺纹连接有升降块，所述升降块的右侧固定连接有升降壳。该电动车支架焊接机器人仅通过简单机械结构实现升降调节，仅适用于固定工位、规则定型工件的半自动焊接，不具备激光视觉识别定位、免示教自动编程与焊缝实时跟踪能力，无法适配核电现场非标支吊架无工装定位、动态变形补偿的高精度氩弧焊智能焊接需求。

技术实现思路

1、针对核电站建设中支吊架类工件焊接量大、结构多样、装配偏差大、焊接质量要求高、人工焊接效率低、一致性差、安全风险突出等问题，本发明提供一种基于智能焊接系统的支架自动焊接方法及装置，实现核级支架从模型导入、路径规划、视觉定位、焊缝跟踪到自动焊接的全流程智能化作业，其目的归纳为如下所示：

2、实现支架焊接免示教、自动编程，简化操作流程、降低操作人员技能门槛，大幅提升编程与生产效率，适配核电支架多品种、变结构、小批量的工程生产特点。通过多视觉融合定位与焊缝实时跟踪，消除理论模型与实际工件之间的偏差，解决高反光工件焊缝识别困难问题，保证焊接轨迹精准匹配实际焊缝，提升焊接定位精度与过程稳定性。构建核电专用智能焊接工艺与数字孪生仿真体系，稳定实现全熔透、单面焊双面成形，保证焊接成形均匀一致，满足核电工程对焊接质量的高标准验收要求。打造符合核电现场环境与安全规范的自动化焊接装备，完善安全防护、电气保护、降噪防尘等配置，降低人工作业风险，提升设备运行安全性与环境适应性。

3、本发明运用如下的技术方案。

4、一种基于智能焊接系统的支架自动焊接方法，包括：

5、步骤1：执行模型导入与格式转换、焊缝自动识别与工艺参数配置；

6、步骤2：执行焊接路径自动规划与数字孪生仿真以及工件上料与柔性定位放置；

7、步骤3：执行3d视觉全局粗定位、2d激光视觉焊缝精定位与寻位；

8、步骤4：执行一键启动自动焊接与焊缝实时跟踪以及多层多道焊接与工艺协同调节；

9、步骤5：焊接结束后新型自动清枪剪丝、工件下料与设备待机。

10、进一步的，步骤1具体包括：

11、操作人员从核电工程主流三维设计软件solidworks中完成核电管道支架模型设计，按工程标准导出为.step通用格式文件；将.step文件拷贝至智能焊接系统离线编程工控机，在免示教自动编程软件中执行模型导入操作，软件自动加载工件的几何特征、尺寸信息与装配关系，完成模型场景初始化；

12、离线编程软件对导入的支架模型进行几何分析与拓扑解析，自动提取全部待焊焊缝边线、焊缝走向与焊缝长度；操作人员在软件界面选取目标焊接区域，根据核电支架焊接技术要求，选定焊接工艺类型为平角焊与连续包角焊，设置焊接层数、焊道数量，焊接摆动方式为三角摆动；调用系统内置核电支架专用焊接工艺库，自动匹配对应壁厚、材质、坡口形式的焊接电流、电压、焊接速度、摆动频率与摆幅核心参数。

13、进一步的，步骤2具体包括：

14、软件根据工件姿态、机器人可达范围、变位机协同关系，自动完成焊接路径、空移路径、起弧位置、收弧位置、安全过渡点的一体化规划；开启数字孪生仿真模块，按照1:1虚拟工作站比例执行全流程焊接模拟，软件自动完成碰撞检测、奇异点规避、运动超限检查、焊枪姿态合理性校验；仿真无异常后，软件生成机器人可直接执行的后置控制程序，通过通讯接口传输至机器人控制柜；

15、操作人员使用行车或吊装设备，将待焊核电管道支架平稳吊入机器人焊接工作站工作区域；将工件放置于柔性工装平台之上。

16、进一步的，步骤3具体包括：

17、在控制系统界面启动3d视觉定位模块，软件控制3d相机对工件整体进行快速扫描，获取工件表面完整点云数据；对点云数据进行降噪、滤波、降采样预处理，将实际工件点云与理论三维模型进行精准配准，解算工件实际空间位姿与理论模型之间的偏差；控制系统自动根据定位结果修正焊接路径与机器人运动坐标；

18、启动2d激光视觉跟踪系统，通过手眼标定关系将视觉坐标系与机器人工具坐标系精准绑定；控制系统驱动机器人带动激光传感器沿焊缝方向执行四点寻位，完成焊缝起点、焊缝走向、焊缝间隙的高精度检测；软件对检测数据进行滤波与拟合，确定最终焊接起始点与焊缝中心线，完成焊缝精定位。

19、进一步的，步骤4具体包括：

20、操作人员在触控界面按下焊接启动按钮，机器人按照修正后的优化路径快速移动至焊接起点；控制系统同步启动焊接电源、送丝机，执行起弧动作，进入稳定焊接状态；焊接过程中，2d激光视觉传感器以高频速率实时扫描焊缝位置，动态检测焊接热变形与工件偏移，控制系统实时调整机器人姿态与焊接路径；

21、机器人按照预设的工艺顺序执行焊接作业，每层焊道完成后自动调整焊枪姿态与焊接参数，逐层填充焊缝；软件根据实时检测的焊缝宽度、间隙变化与熔池状态，协同调节焊接电流、电压、行走速度与摆动参数。

22、进一步的，步骤5具体包括：

23、当前工件全部焊缝焊接完成后，机器人执行灭弧、停丝动作，缓慢撤离焊缝并返回安全位置；控制系统自动触发清枪站工作，按预设流程完成焊枪喷嘴飞溅清理、焊丝剪切、防飞溅剂喷涂，保证焊枪处于良好工作状态；清枪完成后，机器人回归原点，系统发出焊接完成提示信号，等待下一工件循环；

24、操作人员确认焊接结束后，将已完成焊接的管道支架吊出工作站，完成下料；系统自动清空当前工件数据，复位相关参数，进入待机状态，等待导入新模型与新一轮焊接任务。

25、一种基于智能焊接系统的支架自动焊接装置，包括：

26、焊接机器人单元、焊接执行单元、视觉传感单元、工装变位单元、控制单元、安全防护单元六大部分，各单元协同配合，完成从工件定位、路径规划、仿真验证到自动焊接、清枪维护的全流程作业，实现核级支架智能化焊接。

27、进一步的，焊接机器人单元采用新时达6轴关节机器人。

28、进一步的，焊接执行单元包括焊接电源、焊枪、送丝机和清枪站，构成稳定可靠的焊接执行系统。焊接电源采用气体保护焊电源，支持gmaw焊接方法；送丝机由控制系统闭环驱动；清枪站通过plc与软件联动，可按设定时间或焊接量自动完成清枪、剪丝、去除焊渣。

29、进一步的，视觉传感单元由3d视觉定位模块、2d激光视觉跟踪模块、手眼标定模块组成，3d视觉定位模块采用大视野面阵相机；2d激光视觉跟踪模块搭配减光滤光片；手眼标定模块完成相机与机器人坐标系精准匹配。

30、进一步的，工装变位单元采用柔性简易工装与双轴变位机组合模式，双轴变位机可与机器人协同插补运动，将工件调整至船形焊、平角焊、立向上焊最佳焊接姿态。

31、进一步的，控制单元由plc、工业计算机、触控操作界面和运动控制卡组成，实现机器人运动、焊接参数、视觉感知、变位机联动、清枪维护的集中控制。

32、进一步的，安全防护单元包括安全围栏、急停按钮、防撞安全限位机构、防护防尘装置、漏电保护、接地保护。

33、进一步的，基于智能焊接系统的支架自动焊接装置，还包括软件系统，软件系统由免示教自动编程软件、数字孪生仿真模块、视觉处理与定位模块、焊接工艺库与智能控制模块四大模块构成；

34、免示教自动编程软件支持对接tekla、solidworks核电工程主流三维建模软件，兼容.ifc、.step、.stp等工程格式文件；

35、数字孪生仿真模块按照1:1比例构建虚拟焊接工作站，实现虚拟机器人与真实设备实时联动，完成虚实同步运动控制；

36、视觉处理与定位模块集成抗反光算法与深度学习焊缝识别模型；

37、焊接工艺库与智能控制模块内置核电支架专用焊接工艺数据库，覆盖不同板厚、间隙、坡口、材质的焊接参数，支持正弦摆、钟摆、l型摆、三角摆多种摆动焊接方式。

38、本发明的有益效果在于，和现有技术相比，本发明的技术效果包括：

39、本发明通过智能焊接系统与核电支架工程深度融合，实现了核级支架焊接的自动化、智能化、高精度、高安全、高效率，整体效果如下所示：

40、显著提升自动化与智能化水平，实现免示教自动编程与柔性化生产，无需复杂工装定位，大幅降低操作难度与人工依赖，编程效率与生产效率成倍提升，适配核电支架多品种、变结构生产模式。全面提高焊接精度与质量稳定性，通过三级视觉融合定位与跟踪，有效消除工件偏差与焊接变形，配合核电专用智能工艺库，稳定实现全熔透、单面焊双面成形，焊缝成形均匀、缺陷率低，完全满足核电高质量验收标准。有效解决行业共性技术难题，攻克高反光工件视觉识别、模型与实际焊缝偏差、全熔透焊接质量不稳定等痛点，技术方案成熟可靠，具备较强的先进性与工程实用性。大幅提升安全性与环境适应性，实现人机隔离作业，降低弧光、烟尘、触电等安全风险，设备安全防护、电气保护、降噪防尘等配置完善，完全符合核电现场安全规范与环境使用要求。