CN104690456B - 一种管道焊接机器人及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管道焊接机器人，包括轨道组件、纵向进给机构、焊枪姿态调整机构、横向进给机构、驱动机构、车体组件、焊枪位姿检测***和焊枪。本发明还公开了利用上述机器人焊接管道的方法：步骤1：采集信息；步骤2：调节焊枪位置；步骤3：焊接管道。本发明一种管道焊接机器人实现了大型管道的360°全方位自动跟踪焊接，可在较恶劣的工作环境下实现大型管道的自动焊接，改善了工人的工作环境，同时该管道焊接机器人可连续作业，克服了人工工作时间不能太长的限制，提高了工程的进度。

Description

一种管道焊接机器人及焊接方法
技术领域
本发明属于工业机器人技术领域，涉及一种管道焊接机器人，本发明还涉及利用上述机器人焊接管道的方法。
背景技术
随着“西气东输”等项目的实施，管道输送成为其输送的重要手段，相应的，管道焊接成为长距离管道铺设的关键技术。我国是一个消费大国，对石油、天然气等使用量逐年增加，从长远利益、降低成本和使用安全性方面考虑，采用管道运输比用公路和铁路运输更可行。
对石油、天然气等输送用管道的铺设，其跨度大，施工环境差，同时，管道在铺设过程中，大部分管道的对接环缝焊接时管件是固定安装，这就要求焊接设备能实现绕管道360°的全方位焊接。在此种情况下，采用手工焊接，工人的劳动强度大，生产效率低，施工进程受工作环境等自然因素影响，难于满足管道铺设过程中对焊接质量和效率的要求，且我国的焊接工人短缺。因此，迫切需要研究一种能替代手工焊接的自动化管道焊接设备以提高管道铺设的效率和焊接合格率，更重要的是节省了焊接成本，也减轻了工人的劳动强度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管道焊接机器人，解决了现有焊接技术无法满足焊接质量和效率的问题。
本发明的另一目的在于提供利用上述机器人焊接管道的方法。
本发明所采用的第一种技术方案是：一种管道焊接机器人，包括轨道组件、纵向进给机构、焊枪姿态调整机构、横向进给机构、驱动机构、车体组件、自动送丝机构及焊枪位姿检测***和焊枪，驱动机构通过螺栓固连在所述车体组件上；
轨道组件包括固定在被焊接管道内的轨道圈，轨道圈通过螺钉和内齿圈固连，轨道圈外侧设置有用于连接相邻轨道圈的连接件；
纵向进给机构包括通过螺钉固定的纵向进给电动缸和电机a，通过平键将电机a的轴与纵向进给电动缸输入轴连接，电机a转动时带动纵向进给电动缸的滑块沿缸体轴向运动；
焊枪姿态调整机构包括固定在支架上的传动齿轮对，支架下方通过螺钉连接有电机b，通过平键将电机b与传动齿轮对的输入齿轮固连，传动齿轮对的输出轴与自动送丝机构安装板固连，支架固定在所述纵向进给机构的纵向进给电动缸的滑块上；
横向进给机构包括通过螺钉连接的电动缸和电机c，电动缸的缸体通过螺钉与车体组件连接，通过螺钉将电机c的机体与横向进给机构的电动缸的缸体固定，通过平键将电机c的轴与电动缸输入轴连接，电动缸的滑块与纵向进给机构中的纵向进给电动缸的缸体固定。
驱动机构包括与所述车体组件固连的车体底座，车体底座下部通过齿轮轴承座固定有小齿轮轴，小齿轮轴上设置有电机d；
车体组件包括固定在车架上的轴承座，轴承座借助轴承标准件与内轮轴连接，内轮轴上设置有内导向滚轮，内轮轴通过车轮连接板与设置在外轮轴上的外导向滚轮连接，内导向滚轮与轨道组件的轨道圈内切，外导向滚轮与轨道组件的轨道圈外切；
自动送丝机构焊枪位姿检测***包括用于实现焊缝沿管道轴向位置检测的图像传感器、焊缝沿管道径向位置检测的超声波测距传感器和自动送丝机构，图像传感器、超声波测距传感器和自动送丝机构均通过螺钉固定在自动送丝机构安装板上。
本发明第一种技术方案的特点还在于：
轨道圈通过固定螺栓固定在被焊接管道内。
纵向进给电动缸为滑块式电动缸。
焊枪姿态调整机构设置在纵向进给电动缸的滑块上，横向进给机构设置在纵向进给电动缸的缸体上。
车架与轴承座通过螺栓连接。
本发明所采用的第二种技术方案是，利用上述管道焊接机器人焊接管道的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：采集信息；
步骤2：调节焊枪位置；
步骤3：焊接管道。
本发明第二种技术方案的特点还在于：
步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1，通过图像传感器采集焊枪沿管道轴向的位置信息；
步骤1.2，通过超声波测距传感器采集焊枪沿管道径向的位置信息。
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1，根据步骤1.1采集到的焊枪沿管道轴向的位置信息，通过横向进给机构的电动缸和纵向进给电动缸调整焊枪与焊缝对中；
步骤2.2，根据步骤1.2采集到的焊枪沿管道径向的位置信息，通过电机b带动传动齿轮对，传动齿轮对带动自动送丝机构安装板来调节焊枪与被焊接管道壁的距离。
本发明的有益效果是：本发明一种管道焊接机器人实现了大型管道的360°全方位自动跟踪焊接，可在较恶劣的工作环境下实现大型管道的自动焊接，改善了工人的工作环境，同时该管道焊接机器人可连续作业，克服了人工工作时间不能太长的限制，提高了工程的进度。
附图说明
图1是本发明一种管道焊接机器人的结构示意图；
图2是本发明一种管道焊接机器人中轨道组件的结构示意图；
图3是本发明一种管道焊接机器人中纵向进给机构的结构示意图；
图4是本发明一种管道焊接机器人中焊枪姿态调整机构的结构示意图；
图5是本发明一种管道焊接机器人中横向进给机构的结构示意图；
图6是本发明一种管道焊接机器人中驱动机构的结构示意图；
图7是本发明一种管道焊接机器人中车体组件的结构示意图；
图8是本发明一种管道焊接机器人中自动送丝机构及焊枪位姿检测***的结构示意图。
图中，1.轨道组件，2.纵向进给机构，3.焊枪姿态调整机构，4.横向进给机构，5.驱动机构，6.车体组件，7.焊枪位姿检测***，8.焊枪，9.轨道圈，10.内齿圈，11.连接件，12.固定螺栓，13.纵向进给电动缸，14.电机a，15.支架，16.传动齿轮对，17.电机b，18.自动送丝机构安装板，19.电动缸，20.电机c，21.车体底座，22.齿轮轴承座，23.小齿轮轴，24.电机d，25.车架，26.轴承座，27.内导向滚轮，28.车轮连接板，29.外导向滚轮，30.内轮轴，31.外轮轴，32.图像传感器，33.自动送丝机构，34.超声波测距传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种管道焊接机器人的结构如图1所示，包括轨道组件1、纵向进给机构2、焊枪姿态调整机构3、横向进给机构4、驱动机构5、车体组件6、焊枪位姿检测***7和焊枪8，驱动机构5通过螺栓固连在车体组件6上；
如图2所示，轨道组件1包括固定在被焊接管道内的轨道圈9，轨道圈9通过螺钉和内齿圈10固连，轨道圈9外侧设置有用于连接相邻轨道圈的连接件11；
如图3所示，纵向进给机构2包括通过螺钉固定的纵向进给电动缸13和电机a14，通过平键将电机a14的轴与纵向进给电动缸13输入轴连接，电机a14转动时带动纵向进给电动缸13的滑块沿缸体轴向运动；
如图4所示，焊枪姿态调整机构3包括固定在支架15上的传动齿轮对16，支架15下方通过螺钉连接有电机b17，通过平键将电机b17与传动齿轮对16的输入齿轮固连，传动齿轮对16的输出轴与自动送丝机构安装板18固连，支架15固定在纵向进给机构2的纵向进给电动缸13的滑块上；
如图5所示，横向进给机构4包括通过螺钉连接的电动缸19和电机c20，电动缸19的缸体通过螺钉与车体组件6连接，通过螺钉将电机c20的机体与横向进给机构4的电动缸19的缸体固定，通过平键将电机c20的轴与电动缸19输入轴连接，电动缸19的滑块与纵向进给机构中的纵向进给电动缸13的缸体固定。
如图6所示，驱动机构5包括与车体组件6固连的车体底座21，车体底座21下部通过齿轮轴承座22固定有小齿轮轴23，小齿轮轴23上设置有电机d24；
如图7所示，车体组件6包括固定在车架25上的轴承座26，轴承座26借助轴承标准件与内轮轴30连接，内轮轴30上设置有内导向滚轮27，内轮轴30通过车轮连接板28与设置在外轮轴31上的外导向滚轮29连接，内导向滚轮27与轨道组件1的轨道圈9内切，外导向滚轮29与轨道组件1的轨道圈9外切；
如图8所示，焊枪位姿检测***7包括用于实现焊缝沿管道轴向位置检测的图像传感器32、焊缝沿管道径向位置检测的超声波测距传感器34和自动送丝机构33，图像传感器32、超声波测距传感器34和自动送丝机构33均通过螺钉固定在自动送丝机构安装板18上。
轨道圈9通过固定螺栓12固定在被焊接管道内。
纵向进给电动缸13为滑块式电动缸。
焊枪姿态调整机构3设置在纵向进给电动缸13的滑块上，横向进给机构4设置在纵向进给电动缸13的缸体上。
车架25与轴承座26通过螺栓连接。
一种管道焊接机器人在工作时，焊接机器人沿被焊接管道做周向运动，内齿圈10与焊接机器人的驱动齿轮啮合以保证焊接机器人绕内齿圈10运动，轨道圈9与焊接机器人的内导向滚轮27相切配合以实现对焊接机器人绕被焊接管道做周向运动；焊枪8相对焊缝沿被焊接管道的轴向位置由横向进给机构4调整，焊枪8相对焊缝沿被焊接管道的径向距离则由纵向进给机构2控制；采用焊枪位姿检测***7可实时检测焊枪8与相对被焊接管道的位置信息，据此对纵向进给机构2、焊枪姿态调整机构3、横向进给机构4和驱动机构5中驱动电机进行实时控制，可实现焊枪8与焊缝的定位；同时，图像传感器32采集到的信息可实现焊枪8相对焊缝沿管道轴向的位置检测，超声波测距传感器35可实现焊枪8相对焊缝沿管道径向的位置检测。
驱动机构5采用的是齿轮传动，由于轨道组件1中的轨道圈9通过连接件11和固定螺栓12与被焊接管道固定，内齿圈10与轨道圈9固连，即内齿圈10相对被焊接件是固定的。当驱动机构5中的小齿轮轴23在电机驱动下转动时，只能绕内齿圈10做行星运动，进而带动焊接机器人的主体沿被焊接管道做周向运动。在焊接过程中，由于轨道组件1与被焊接管道并不一定同心，在焊接过程中需要根据管道与轨道组件1的偏心量实时调整焊接机器人的运动速度以确保焊枪8相对焊缝做匀速运动，同时，纵向进给机构2也要负责实现焊枪8与焊缝距离的实时调整。
本发明一种管道焊接机器人焊接管道的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：采集信息；
步骤1.1，通过图像传感器32采集焊枪8沿管道轴向的位置信息；
步骤1.2，通过超声波测距传感器35采集焊枪8沿管道径向的位置信息；
步骤2：调节焊枪8位置；
步骤2.1，根据步骤1.1采集到的焊枪8沿管道轴向的位置信息，通过横向进给机构4的电动缸19和纵向进给电动缸13调整焊枪8与焊缝对中；
步骤2.2，根据步骤1.2采集到的焊枪8沿管道径向的位置信息，通过电机b17带动传动齿轮对16，传动齿轮对16带动自动送丝机构安装板18来调节焊枪8与被焊接管道壁的距离。
步骤3：焊接管道。
本发明一种管道焊接机器人，纵向进给机构和横向进给机构均采用电动缸驱动，位置控制精确，运动可靠，使焊接精度得到保障，驱动机构采用齿轮啮合，由于齿轮传动是定比传动，运动精度易保证，自动送丝机构满足了机器人对送丝精度的要求，车体组件的设置能确保焊接机器人的焊枪能绕被焊接管道做周向运动，实现了大型管道的360°全方位自动跟踪焊接，可在较恶劣的工作环境下实现大型管道的自动焊接，改善了工人的工作环境，同时该管道焊接机器人可连续作业，克服了人工工作时间不能太长的限制，提高了工程的进度。另外，该管道焊接机器人结构精巧，使用方便，并且焊接质量稳定。

Claims (8)

1.一种管道焊接机器人，其特征在于，包括轨道组件(1)、纵向进给机构(2)、焊枪姿态调整机构(3)、横向进给机构(4)、驱动机构(5)、车体组件(6)、焊枪位姿检测***(7)和焊枪(8)，所述驱动机构(5)通过螺栓固连在所述车体组件(6)上；
所述的轨道组件(1)包括固定在被焊接管道内的轨道圈(9)，轨道圈(9)通过螺钉和内齿圈(10)固连，所述轨道圈(9)外侧设置有用于连接相邻轨道圈的连接件(11)；
所述的纵向进给机构(2)包括通过螺钉固定的纵向进给电动缸(13)和电机a(14)，通过平键将电机a(14)的轴与纵向进给电动缸(13)输入轴连接，电机a(14)转动时带动纵向进给电动缸(13)的滑块沿缸体轴向运动；
所述的焊枪姿态调整机构(3)包括固定在支架(15)上的传动齿轮对(16)，所述支架(15)下方通过螺钉连接有电机b(17)，通过平键将电机b(17)与传动齿轮对(16)的输入齿轮固连，传动齿轮对(16)的输出轴与自动送丝机构安装板(18)固连，所述支架(15)固定在所述纵向进给机构(2)的纵向进给电动缸(13)的滑块上；
所述的横向进给机构(4)包括通过螺钉连接的电动缸(19)和电机c(20)，所述电动缸(19)的缸体通过螺钉与车体组件(6)连接，通过螺钉将电机c(20)的机体与横向进给机构(4)的电动缸(19)的缸体固定，通过平键将电机c(20)的轴与电动缸(19)输入轴连接，电动缸(19)的滑块与纵向进给机构中的纵向进给电动缸(13)的缸体固定；
所述的驱动机构(5)包括与所述车体组件(6)固连的车体底座(21)，车体底座(21)下部通过齿轮轴承座(22)固定有小齿轮轴(23)，小齿轮轴(23)上设置有电机d(24)；
所述的车体组件(6)包括固定在车架(25)上的轴承座(26)，轴承座(26)借助轴承标准件与内轮轴(30)连接，内轮轴(30)上设置有内导向滚轮(27)，内轮轴(30)通过车轮连接板(28)与设置在外轮轴(31)上的外导向滚轮(29)连接，所述内导向滚轮(27)与轨道组件(1)的轨道圈(9)内切，所述外导向滚轮(29)与轨道组件(1)的轨道圈(9)外切；
所述的焊枪位姿检测***(7)包括用于实现焊缝沿管道轴向位置检测的图像传感器(32)、焊缝沿管道径向位置检测的超声波测距传感器(34)和自动送丝机构(33)，所述图像传感器(32)、超声波测距传感器(34)和自动送丝机构(33)均通过螺钉固定在自动送丝机构安装板(18)上。
2.根据权利要求1所述的一种管道焊接机器人，其特征在于，所述轨道圈(9)通过固定螺栓(12)固定在被焊接管道内。
3.根据权利要求1所述的一种管道焊接机器人，其特征在于，所述纵向进给电动缸(13)为滑块式电动缸。
4.根据权利要求1或者3所述的一种管道焊接机器人，其特征在于，所述焊枪姿态调整机构(3)设置在所述纵向进给电动缸(13)的滑块上，所述横向进给机构(4)设置在纵向进给电动缸(13)的缸体上。
5.根据权利要求1所述的一种管道焊接机器人，其特征在于，所述车架(25)与轴承座(26)通过螺栓连接。
6.一种采用权利要求1-5任意一项所述的管道焊接机器人进行管道焊接的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：采集信息；
步骤2：调节焊枪(8)位置；
步骤3：焊接管道。
7.根据权利要求6所述的管道焊接方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1，通过图像传感器(32)采集焊枪(8)沿管道轴向的位置信息；
步骤1.2，通过超声波测距传感器(35)采集焊枪(8)沿管道径向的位置信息。
8.根据权利要求7所述的管道焊接方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1，根据所述步骤1.1采集到的焊枪(8)沿管道轴向的位置信息，通过横向进给机构(4)的电动缸(19)和纵向进给电动缸(13)调整焊枪(8)与焊缝对中；
步骤2.2，根据所述步骤1.2采集到的焊枪(8)沿管道径向的位置信息，通过电机b(17)带动传动齿轮对(16)，传动齿轮对(16)带动自动送丝机构安装板(18)来调节焊枪(8)与被焊接管道壁的距离。
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