CN105855766B - 一种对接管式的焊接机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对接管式的焊接机器人，包括两个对称半轨道结构组成的焊接导轨、行走机构、径向提升机构、摆动机构和送丝机构，焊接导轨通过固定装置固定在待焊接的管道上，送丝机构的功能是均匀的把焊丝送到焊接部分，满足焊料的填充并且达到均匀填充的效果，行走机构主要是拖动焊接小车沿着焊接导轨进行环绕管壁的运动，焊接部分由摆动机构和径向提升机构组成，摆动机构的主要功能是在焊接开始前调节焊枪在被焊接管道母线方向的位置使焊枪对准坡口，焊接过程中做微摆运动，径向提升机构的主要功能是调整焊枪距坡口的高度，以满足焊料填充高度的要求。本发明机器人具有整机体积小、重量轻、安装方便等特点。

Description

一种对接管式的焊接机器人

技术领域

本发明涉及一种焊接机器人，尤其涉及一种对接管式的焊接机器人，涉及陆地管道焊接领域。

背景技术

目前在管道的铺设中经常需要对管道进行焊接，而对接管式焊接机器人在管道的焊接中扮演了重要的角色。由于管道焊接机器人大部分是进口的，价格较为昂贵，并且传统的手工电弧焊焊接虽然操作灵活，但对焊接工人的技术要求高同时劳动强度很大，焊接作业环境恶劣，同时焊接质量粗糙和焊接精度低，焊缝质量和寿命无法得到有效地保证，故采用自动化焊接机器人对焊接生产有重要意义。

随着全球工业制造领域技术的不断迅猛化发展和提高，各管道焊接的使用单位对焊缝的制造质量和使用寿命提出了更高的要求，并且在整个国内行业中管道焊接机器人主要以国外产品为主国内为辅，但价格都很高，限制了国内企业的采购、应用和自动化焊接水平的提高，这就迫切的需要设计和制造一种高质量的对接管式焊接机器人以适应当今时代对管道焊接的要求。

焊接机器人不但可以减轻焊接工人的劳动强度和缩短焊接时间，而且能够确保提高焊接效率、焊缝质量和焊缝的使用寿命。采用自动焊接机器人将极大地减轻劳动负荷，在提高产品质量的前提下，产品产量也大幅度提高，给使用单位带来极为可观的经济效益。现代工业的发展，要求更高的生产效率，因此，研制自动焊接机器人对克服以往手工焊、生产劳动强度大、生产质量不稳定、劳动效率低和生产条件恶劣等缺点，提高生产效率，保障重要管线焊接质量具有重要意义，有良好的开发前景和社会效益。

发明内容

本发明的目的是为了在管道相对固定的情况下，完成管道对接口的焊接工作而提供一种对接管式的焊接机器人。

本发明的目的是这样实现的：包括两个对称半轨道结构组成的焊接导轨、行走机构、径向提升机构、摆动机构和送丝机构，焊接导轨通过固定装置固定在待焊接的管道上，所述行走机构包括底座III、安装在底座III上的电机、安装在电机输出端上的齿轮III，所述焊接导轨上设置有齿圈，齿轮III与齿圈啮合；

所述径向提升机构包括连接支架、安装在连接支架上的电机I、安装在电机I输出轴上的齿轮I、安装在连接板上的滚珠丝杆、安装在滚珠丝杆上的齿轮II、安装在滚珠丝杆上的丝杆螺母I、与丝杆螺母I固连的光杆I、与光杆I端部固连的焊枪底座，所述齿轮I与齿轮II啮合，焊枪底座上安装有焊枪架，焊枪架上安装有焊枪；

所述摆动结构包括底座II、安装在底座II上的电机II、与电机II输出轴连接的滚珠丝杆II、安装在滚珠丝杆II上的丝杆螺母II、与丝杆螺母II固连的光杆II，光杆II的端部与径向提升机构的连接支架固连；

所述送丝机构包括底座I、安装在底座I上的缠绕有焊丝的丝轮、安装在底座I上的送丝机机架、安装在送丝机机架上的导丝轮、位于导丝轮下方的导丝压轮、设置在导丝压轮上的导丝压轮杆，所述送丝机机架上还安装有提供送丝动力的送丝机，丝轮上的焊丝的端部位于导丝轮和导丝压轮之间；

所述底座I与底座II之间、底座II与底座III之间通过连接板连接，底座I、底座II和底座III的下端分别对称设置有四个滚轮I，滚轮I与焊接导轨外表面接触，底座I和底座III的下端还分别设置有一对滚轮II，滚轮II与焊接导轨内表面接触。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明利用焊接导轨和焊接小车的组合，实现焊接部分在管道上的焊接运动。2.焊接部分由摆动机构和径向提升机构组成，可以实现在焊接过程中做微摆运动和调整焊枪距坡口的高度，以满足焊料填充高度的要求。3.本发明满足大多数管道对接的焊接，并且机构经过小幅的改动，就可以实现一系列管道的焊接工作，实现管道焊接机器人的系列性，具有设计制造周期短、成本低等工程实用性。4.本发明构成部分简单明确，适合焊接现场的实时装配和快速焊接工作，具有较强的环境适应性。

附图说明

图1是本发明各部分机构关系示意图；

图2是本发明的主视方向的结构示意图；

图3是本发明的左视方向的结构示意图；

图4是本发明的俯视方向的结构示意图。

图中各标号分别为：1.焊接导轨，2.底座Ⅰ，3.导轨固定装置，4.连接板Ⅰ，5.底座Ⅱ，6.电机Ⅰ，7.齿轮Ⅰ，8.齿轮Ⅱ，9.丝杆螺母Ⅰ，10.滚珠丝杠Ⅰ，11.光杆Ⅰ，12.底座Ⅲ，13.滚轮Ⅰ，14.电机Ⅱ，15.减速器Ⅰ，16.联轴器Ⅱ，17.滚珠丝杠Ⅱ，18.丝杆螺母Ⅱ，19.光杆Ⅱ，20.连接支架，21.焊枪底座，22.焊枪架调节螺钉，23.焊枪架，24.焊枪架垫圈，25.丝轮，26.蝶形螺母，27.送丝机机架，28.送丝机，29.齿轮Ⅲ，30.减速器Ⅱ，31.电机Ⅲ，32.导丝压轮杆，33.导丝轮，34.导丝压轮轴，35.导丝压轮，36.滚轮Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图4，本发明的焊接导轨1通过导轨固定装置3将其固定在需要被焊接的管道上，将组装的焊接机器人装配在需要焊接的管道上，焊接机器人通过径向提升机构、摆动机构实现焊接中焊枪对于焊缝的对准，通过送丝机构实现焊接过程中焊丝的供给，通过行走机构完成焊接机构的360度周向运动，完成管道焊接工作，具体过程如下：

通过电机Ⅰ6带动齿轮Ⅰ7转动，进而带动齿轮Ⅱ8转动，齿轮Ⅱ8与滚珠丝杠Ⅰ10连接传递动力，带动滚珠丝杠Ⅰ10上的丝杆螺母Ⅰ9在光杆Ⅰ11导向作用下焊枪底座21的直线运动，实际操作过程中通过改变电机Ⅰ6的正反转向实现丝杆螺母Ⅰ9的直线周期往复运动，进而带动焊枪底座21的直线周期往复运动，实现焊枪在焊接前期的径向运动，从而达到焊接中的径向对准问题。

电机Ⅱ14与减速器Ⅰ15连接提供摆动运动的动力，减速器Ⅰ15通过联轴器Ⅱ16与滚珠丝杠Ⅱ17连接，带动滚珠丝杠Ⅱ17的旋转运动，进而滚珠丝杠Ⅱ17带动丝杆螺母Ⅱ18的直线运动，实际操作过程中通过改变电机Ⅱ14的正反转向实现丝杆螺母Ⅱ18的直线周期往复运动，从而带动连接支架20的直线周期往复运动，实现焊枪在焊接前期的轴向运动，从而达到焊接中的轴向对准问题。

送丝机28连接提供焊丝进给运动的动力来源，送丝机28包括导丝轮33、导丝压轮杆32、导丝压轮轴34和导丝压轮35等零部件，在送丝机28的带动下将缠绕在丝轮25上的焊丝导引到焊缝处，完成焊接过程中焊丝的进给运动。

滚轮Ⅰ13与底座Ⅰ2、底座Ⅱ5和底座Ⅲ12固定，滚轮Ⅱ36与底座Ⅱ5和底座Ⅲ12上，电机Ⅲ31与减速器Ⅱ30连接提供焊接机器人行走动作的动力源，减速器Ⅱ30与齿轮Ⅲ29联接，通过电机Ⅲ31转动带动齿轮Ⅲ29转动，齿轮Ⅲ29与焊接导轨1上的齿圈结构啮合接触运动，每对滚轮Ⅰ13都对称的分布在底座Ⅰ2、底座Ⅱ5和底座Ⅲ12的两侧，在电机Ⅲ31的工作中，滚轮Ⅰ13和滚轮Ⅱ36实现了整体结构在被焊接管道上运动，滚轮Ⅰ13和滚轮Ⅱ36完成焊接小车在焊接导轨1上的定位和运动中的约束，进而完成焊接的行走机构。

焊机机器人依次通过上述的径向提升运动、摆动运动、送丝运动和行走运动，完成对接管道的焊接工作。

实际使用时应考虑到以下几种因素。

1具体实施中应考虑管道的直径大小和材质因素等固有属性。

2具体实施中应考虑管道焊接的工作环境等场地因素。

对接管式焊接机器人就是在管道相对固定的情况下，完成管道对接口的焊接工作，机器人通过机械***和电气***使得焊枪沿着管道对接口进行环绕管壁运动，从而实现对管道对接的自动焊接。本发明机器人具有整机体积小、重量轻、安装方便等特点，可以广泛的应用于管道焊接领域。

对接管式焊接机器人的机械部分主要由焊接导轨和焊接小车组成，焊接导轨的功能是装卡在被焊接管道上供焊接小车行走和定位用的机构；焊接小车是本焊接机器人的主体，它由送丝机构、行走机构和焊接部分组成。送丝机构的功能是均匀的把焊丝送到焊接部分，满足焊料的填充和均匀填充，行走机构主要是拖动焊接小车沿着焊接导轨进行环绕管壁的运动，焊接部分由摆动机构和径向提升机构组成，摆动机构的主要功能是在焊接开始前调节焊枪在被焊接管道母线方向的位置使焊枪对准坡口，焊接过程中做微摆运动，径向提升机构的主要功能是调整焊枪距坡口的高度，以满足焊料填充高度的要求。

焊接机器人的各部分机构关系如图1所示，包括径向提升机构、摆动机构、行走机构和送丝机构。根据图1和图4可知，送丝机构、摆动机构和行走机构依次固连并周向布置在焊接导轨上，摆动机构和径向提升机构轴向布置并固连，组成焊接机器人的机械结构。

焊接导轨1由两个对称半轨道结构拼接组成，通过周向对称分布的固定装置3将其固定在需要焊接的管道上。

行走机构由焊接导轨1上的齿圈、齿轮Ⅲ29、减速器Ⅱ30和电机Ⅲ31组成，固定在底座Ⅲ12上，焊接导轨1上的齿圈结构与齿轮Ⅲ29的接触啮合运动，齿轮Ⅲ29与电机Ⅲ31通过减速器Ⅱ30连接，在电机Ⅲ31的驱动下，经过减速器Ⅱ30进行转速和转矩的调节，使焊接小车沿齿圈在管道上完成周向焊接动作。

径向提升机构由电机Ⅰ6、齿轮Ⅰ7、齿轮Ⅱ8、丝杆螺母Ⅰ9、滚珠丝杆Ⅰ10和光杆Ⅰ11组成，电机Ⅰ6驱动齿轮Ⅰ7，齿轮Ⅰ7与齿轮Ⅱ8啮合运动，带动齿轮Ⅱ8运动，齿轮Ⅱ8带动滚珠丝杆Ⅰ10的旋转运动，依次带动滚珠丝杆Ⅰ10上的丝杆螺母Ⅰ9径向运动，丝杆螺母Ⅰ9带动光杆Ⅰ11的径向运动，从而光杆Ⅰ11带动焊枪底座21径向运动，实现焊接过程中的径向直线往复运动。

摆动机构由电机Ⅱ14、减速器Ⅰ15、联轴器Ⅱ16、滚珠丝杆Ⅱ17、丝杆螺母Ⅱ18和光杆Ⅱ19组成，固定在底座Ⅱ5上，电机Ⅱ14与减速器Ⅰ15连接在一起，通过联轴器Ⅱ16将减速器Ⅰ15与滚珠丝杆Ⅱ17连接在一起，电机Ⅱ14通过减速器Ⅰ15、联轴器Ⅱ16带动滚珠丝杆Ⅱ17旋转运动，滚珠丝杆Ⅱ17带动丝杆螺母Ⅱ18直线运动，进而带动光杆Ⅱ19直线运动，从而带动连接支架20沿管道母线方向运动，实现焊接部分的母线方向和微幅摆动运动。

送丝机构由丝轮25、蝶形螺母26、送丝机机架27、送丝机28组成，固定在底座Ⅰ2上，送丝机机架27由导丝压轮杆32、导丝轮33、导丝压轮轴34、导丝压轮35组成，通过送丝机28提供动力来源，将缠绕在丝轮25上的焊丝导引到管道焊缝处，实现在焊接过程中焊丝的进给运动。

底座Ⅰ2、底座Ⅱ5和底座Ⅲ12通过连接板Ⅰ4连接在一起，将焊接机器人的各机械结构部分组装在一起。

焊枪部分由焊枪底座21、焊枪架调节螺钉22、焊枪架23、焊枪架垫圈24组成，焊枪架23固定在焊枪底座21上，可以通过焊枪架调节螺钉22对焊枪的角度进行微调，并且焊枪架垫圈24可以实现焊枪大小的小幅适应性。

底座Ⅰ2、底座Ⅱ5和底座Ⅲ12与滚轮Ⅰ13固连，滚轮Ⅰ13对称布置在焊接导轨1的两侧，通过滚轮Ⅰ13与焊接导轨1的接触，实现焊接机器人在被焊接管道上的轴向固定。底座Ⅰ2和底座Ⅲ12与滚轮Ⅱ36固连，滚轮Ⅱ36对称布置在底座Ⅰ2和底座Ⅲ12上，通过滚轮Ⅱ36与焊接导轨1的接触，实现焊接机器人在被焊接管道上的径向固定。

根据管道材质和焊接方式选择焊丝的类型，将焊丝放在送丝机构中，之后根据管道直径选择一系列焊接导轨中符合的一款型号，将焊接导轨固定在管道上，为焊接机器人提供行走和定位的轨道，焊接机构可以实现轴向、径向和微幅摆动的运动，实现对于焊缝的精准焊接，提高焊接机器人焊接部分的自由度可以实现焊缝质量和寿命的提高。焊接小车由行走机构带动实现在焊接导轨上的周向运动，通过焊接小车带动焊接部分在焊接导轨齿圈上的运动实现对接管式焊接的功能。

本发明涉及陆地管道焊接领域，具体是一种在陆地的圆形管道焊接工程中需要平口焊接的工作条件下，进行对接管式焊接技术的研究，设计一种对接管式焊接机器人，完成陆地管道的对接焊接的作业。

对接管式焊接机器人就是在管道相对固定的情况下，完成管道对接口的焊接工作，机器人通过机械***和电气***使得焊枪沿着管道对接口进行环绕管壁运动，从而实现对管道的自动焊接。

对接管式焊接机器人具备三个自由度，一个自由度是围绕焊接管道旋转，从而实现绕着管道的对接焊缝进行焊接；一个自由度是沿着焊接管道母线方向运动，以实现调整焊枪在焊接管道母线方向位置的焊接和微摆动焊接；另外一个自由度是沿着焊接管道的径向运动以实现焊枪在焊接坡口处高度的调整。因此为了实现管道对接的焊接动作，对接管式焊接机器人必须完成以下几个动作：

(1)焊枪在被焊接管道母线方向运动的动作，使焊枪对准对接管道焊缝；

(2)焊枪在被焊接管道径向方向提升运动的动作，使焊枪离对接坡口有一定的距离满足焊接焊料填充高度的要求；

(3)调整焊枪在被焊接管道圆周方向的绕管旋转动作，完成轴向焊接工作；

(4)焊枪对于焊丝的送丝动作，完成焊接过程中焊丝的进给；

(5)焊接过程中焊头进行微摆焊接的动作，适应工况在小幅改变情况下的焊接工作。

对接管式焊接机器人的机械部分主要有焊接导轨和焊接小车组成，焊接导轨的功能是装卡在需要焊接的管道上供焊接小车行走和定位用的机构，焊接机器人行走的平稳性和位置的精确程度直接由焊接导轨的性能决定；焊接小车是本焊接机器人的主体，它由送丝机构、行走机构和焊接部分组成。送丝机构的功能是均匀的把焊丝送到焊接部分，满足焊料的填充并且达到均匀填充的效果，行走机构主要是拖动焊接小车沿着焊接导轨进行环绕管壁的运动，焊接部分由摆动机构和径向提升机构组成，摆动机构的主要功能是在焊接开始前调节焊枪在被焊接管道母线方向的位置使焊枪对准坡口，焊接过程中做微摆运动，径向提升机构的主要功能是调整焊枪距坡口的高度，以满足焊料填充高度的要求。

Claims (1)

1.一种对接管式的焊接机器人，其特征在于：包括两个对称半轨道结构组成的焊接导轨、行走机构、径向提升机构、摆动机构和送丝机构，焊接导轨通过固定装置固定在待焊接的管道上，所述行走机构包括底座III、安装在底座III上的电机、安装在电机输出端上的齿轮III，所述焊接导轨上设置有齿圈，齿轮III与齿圈啮合；

所述径向提升机构包括连接支架、安装在连接支架上的电机I、安装在电机I输出轴上的齿轮I、安装在连接板上的滚珠丝杆、安装在滚珠丝杆上的齿轮II、安装在滚珠丝杆上的丝杆螺母I、与丝杆螺母I固连的光杆I、与光杆I端部固连的焊枪底座，所述齿轮I与齿轮II啮合，焊枪底座上安装有焊枪架，焊枪架上安装有焊枪；

所述摆动结构包括底座II、安装在底座II上的电机II、与电机II输出轴连接的滚珠丝杆II、安装在滚珠丝杆II上的丝杆螺母II、与丝杆螺母II固连的光杆II，光杆II的端部与径向提升机构的连接支架固连；

所述送丝机构包括底座I、安装在底座I上的缠绕有焊丝的丝轮、安装在底座I上的送丝机机架、安装在送丝机机架上的导丝轮、位于导丝轮下方的导丝压轮、设置在导丝压轮上的导丝压轮杆，所述送丝机机架上还安装有提供送丝动力的送丝机，丝轮上的焊丝的端部位于导丝轮和导丝压轮之间；

所述底座I与底座II之间、底座II与底座III之间通过连接板连接，底座I、底座II和底座III的下端分别对称设置有四个滚轮I，滚轮I与焊接导轨外表面接触，底座I和底座III的下端还分别设置有一对滚轮II，滚轮II与焊接导轨内表面接触。