CN107322143A - 长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，其结构包括操作车和焊接小车和线缆；所述的操作车用于整体操控，并向焊接小车提供焊接所需材料及电力，所述的焊接小车用于控制焊接过程中焊枪的稳定移动与摆动，操作车和焊接小车之间通过线缆连接；所述的线缆由操作车上的两台送丝机的焊接管组成，线缆的末端连接焊接小车上的双丝焊枪。优点：1）采用混合保护气体，延长焊枪寿命，提高焊接质量，减少飞溅；2）采用程控数字化程序控制，提高效率，减少人为劳动，降低成本；3）采用双丝焊技术，高效快捷，减少材料消耗，可节约25％电力，提高焊接质量。

Description

长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人

技术领域

本发明涉及一种长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，属于机器人焊接技术领域。

背景技术

在现有焊接技术领域中，传统的单丝焊如气保焊、埋弧焊存在单一性，操作时往往需要耗费大量人力物力，难以提高工效，无法满足现代工业生产对焊接技术高速、高效、低能耗的需求；因此，对于双丝焊技术的开发一直是焊接技术领域的热点与难关之一。

对于中、长厚板的焊接，一般采用双丝焊技术来提高焊接效率和质量，因双丝焊电流较小，有利于形成较大的熔深，两根焊丝互相加热，充分利用了电弧的能量，实现较大的熔深率，使熔池里有充分的熔融金属和母材充分熔合，焊丝成型美观；但是大型中、长厚板的结构不再适合手工操作，如何解决在如舰船制造、管道对接和车辆成型等领域中的长距离（一般为10~20m）焊接导致的大量能耗和焊接效率低下等问题，已显得十分紧迫。因而，开发数字化、全自动的长距离焊接机器人是如今的技术关键点所在。

目前用于大型精密结构的焊接方式有轨道式和红外线控制式，设备体积大、结构复杂，加装的各式机构笨重，不灵活，并且吸附能力不能兼具；为保证大型中长厚板坡口斜度熔敷上下一致，除需控制焊枪摆动的频率，还需满足上下熔敷率不等的问题，因此需要开发用于适合大型结构的厚板焊接，并能够自主移动的焊接机器人***。

发明内容

本发明提出的是一种长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，其目的在于提供一种高效、高质量，用于中、长厚板焊接的自主移动式双丝焊机器人装置，克服现有的单丝焊机器人存在的运动灵活性和吸附能力不能兼备的问题，采用双脉冲焊机，集中两套数字化双脉冲焊机提高在长距离焊接过程中的效率，同时通过改进冷却***延长了导电阻及焊枪的寿命，并通过加装焊接摆动机构和采用混合保护气体，提升焊接质量，极大减少飞溅物，减少打磨工时，提高效率。

本发明的技术解决方案：长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，其结构包括操作车1和焊接小车3和线缆9；所述的操作车1用于整体操控，并向焊接小车3提供焊接所需材料及电力，所述的焊接小车3用于控制焊接过程中焊枪的稳定移动与摆动，操作车1和焊接小车3之间通过线缆9连接；所述的线缆9由A送丝机11-1和B送丝机11-2的焊接管组成，线缆9的末端连接焊接小车3上的双丝焊枪8。

其焊接方法，包括如下步骤：

1）在待焊接工件的焊接缝两端点安装固定引弧板，焊接缝底部安装陶瓷衬垫；

2）将焊接小车放置于焊接缝起始处的引弧板上，启动操作车，根据工件的厚度及焊接缝坡口的度数设置焊接速度及焊枪摆动频率，焊接小车跟随操作车沿着焊接缝上的轨道同步运动，2台焊机开始出气出丝，引弧后开始焊接；

3）焊接小车在焊接缝上移动时，通过后导向轮稳定小车的移动过程，前定向轮控制小车的移动方向，焊接摆动机构控制双丝焊枪在焊接过程中摆动的频率；

4）通过控制箱实时监控和调整操作车与焊接小车的运动，并通过控制送丝速度，减少焊接小车行走过程中的偏差，在观察到焊接缝出现咬边、跑偏时，通过控制箱及时纠偏；

5）在完成一轮焊接后，调整操作车和焊接小车的位置，提高焊枪高度，保持焊枪摆动频率不变，再次进行步骤2）~ 4）的焊接过程，直至焊接缝最终完成，通过单面焊接达成双面成型；

6）在实行全位置焊接时，可打开强磁起重器，使得焊接小车吸附于焊接表面，达到对曲面、斜面的全方位焊接。

本发明的优点：

1）调节焊枪冷却水管的布置方式，减少冷却水管的设置数量，从而大大减少焊接设备的重量和连接管线的体积，使焊枪整体重量降低1/3左右，降低焊接小车在长距离焊接过程中的能耗，并且能够适应全方位的焊接需求；

2）采用双脉冲电焊机电源，同时采用程控数字化程序控制，提高效率，可在焊接过程中及时修正偏差，设计的焊接摆动机构使得焊枪摆动幅度紧跟焊接进程，焊接缝质量高，减少打磨工序的时间；

3）采用Ar-CO₂混合保护气体，通过多点冷却延长焊枪寿命，提高焊接质量，减少飞溅；

4）焊枪喷嘴采用稀土铜合金，耐磨、导电率好，导电喷嘴内孔呈三角形，可适应长时间，长距离的焊接过程。

附图说明

附图1是长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人结构示意图。

附图2是焊接小车的结构示意图。

附图3是焊接摆动机构的A-A剖视图。

附图4是双丝焊***构示意图。

附图5是双丝焊枪A焊接管的B-B剖视图。

其中1是操作车，2是承载底座，3是焊接小车，3-1是行走电机，3-2是导向电机，4是后导向轮，5是前定向轮，6是强磁起重器，7是焊接摆动机构；7-1是传动齿轮，7-2是摆动电机，7-3是扇形齿轮，7-4是丝杆，7-5是立柱，7-6是连接滑块，7-7是滑动轨道，7-8是抬升底板，7-9是顶部限位板，7-10是限位杆；8是双丝焊枪，8-1是A焊接管，8-2是B焊接管，8-3是套管，8-4是喷嘴，8-1-1是A冷却水管，8-1-2是A送丝送气管，8-1-3是A出丝口，8-1-4是A焊接管外壳，8-1-5是A焊接管内管，8-2-1是B冷却水管，8-2-2是B送丝送气管，8-2-3是B出丝口，8-2-4是B焊接管外壳，8-2-5是B焊接管内管，9是线缆，10是调谐器、11-1是A送丝机，11-2是B送丝机，12-1是A焊接电源，12-2是B焊接电源、13-1是A保护气瓶，13-2是B保护气瓶，14是焊枪水箱，15是控制箱，16是手动控制杆。

具体实施方式

如图1所示，长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，其结构包括包括操作车1和焊接小车3和线缆9；所述的操作车1用于整体操控，并向焊接小车3提供焊接所需材料及电力，所述的焊接小车3用于控制焊接过程中焊枪的稳定移动与摆动，操作车1和焊接小车3之间通过线缆9连接；所述的线缆9由A送丝机11-1和B送丝机11-2的焊接管组成，线缆9的末端连接焊接小车3上的双丝焊枪8。

如图2所示，所述的操作车1其结构包括承载底座2、调谐器10、A送丝机11-1、B送丝机11-2、A焊接电源12-1、B焊接电源12-2、A保护气瓶13-1、B保护气瓶13-2、焊枪水箱14，控制箱15，手动控制杆16；其中承载底座2的底部设有2对行进轮，A保护气瓶13-1、B保护气瓶13-2并列设于承载底座2的最前端，2个气瓶内部装有Ar-CO₂混合气体；控制箱15设于保护气瓶的后侧；A焊接电源12-1、B焊接电源12-2设于控制箱15的后侧，A焊接电源12-1的正极连接其上方的A送丝机11-1，负极接地；B焊接电源12-2的正极连接其上方的B送丝机11-2，负极接地；A保护气瓶13-1的出气端通过A阀门连接A送丝机11-1的进气口，B保护气瓶13-2的出气端通过B阀门连接B送丝机11-2的进气口；A焊接电源12-1和B焊接电源12-2之间设有调谐器10，用于调谐和减少两台焊接电源之间的磁力干扰；焊枪水箱14设于承载底座2的最后端。

所述的控制箱15通过电缆分别与A送丝机11-1的开关、B送丝机11-2的开关、A焊接电源12-1的开关、B焊接电源12-2的开关、A保护气瓶13-1的A阀门、B保护气瓶13-2的B阀门连接，其内部设有控制电路、控制面板、PLC及操作车电源，用于数字化控制操作车1及焊接小车3各部分的运作，并为操作车1的运动提供动力；所述的手动控制杆16与行进轮的运动机构连接，用于发生故障时进行人工紧急制动。

如图3所示，所述的焊接小车3结构包括：行走电机3-1、导向电机3-2、后导向轮4、前定向轮5、强磁起重器6，焊接摆动机构7，双丝焊枪8；其中的焊接小车底部设有2对运送轮，行走电机3-1连接2对运送轮，后导向轮4设于焊接小车3的后端，上方设有弹簧；前定向轮5设于焊接小车3的前端并连接导向电机3-2；焊接摆动机构7设于焊接小车3的车体上，后端悬挂双丝焊枪8，强磁起重器6设于焊接小车3底部的2对运送轮之间。

如图3-图4所示，所述的焊接摆动机构7结构包括传动齿轮7-1、摆动电机7-2、扇形齿轮7-3、丝杆7-4、立柱7-5、连接滑块7-6、滑动轨道7-7、抬升底板7-8、顶部限位板7-9、限位杆7-10；其中摆动电机7-2连接传动齿轮7-1，传动齿轮7-1与扇形齿轮7-3相啮合，扇形齿轮7-3的中部设有限位孔，扇形齿轮7-3的底部转动轴固定于焊接小车3上，限位杆7-10穿过扇形齿轮7-3的限位孔，与连接滑块7-6相固定；4根立柱7-5分别穿过抬升底板7-8的四个角的孔洞，固定于焊接小车3上，顶部限位板7-9穿过4根立柱7-5的顶端固定于抬升底板7-8的上方，抬升底板7-8和顶部限位板7-9的右侧相对设有带螺纹的小孔，丝杆7-4穿过抬升底板7-8和顶部限位板7-9上的小孔而固定；滑动轨道7-7设于抬升底板7-8的上侧，连接滑块7-6通过滑槽与滑动轨道7-7嵌合。

焊接摆动机构7调控双丝焊枪8摆动幅度的方法如下：摆动电机7-2控制传动齿轮7-1，带动扇形齿轮7-3进行左右摇摆的往复运动，扇形齿轮7-3带动限位杆7-10连接的连接滑块7-6在滑动轨道7-7上横向移动，从而带动双丝焊枪8同步进行摆动；通过转动丝杆7-4调节抬升底板7-8的高度，使得连接滑块7-6的摆动幅度变大，从而双丝焊枪8的摆动幅度也随之变大；通过顶部限位板7-9和4根立柱7-5来限制连接滑块7-6在滑动轨道7-7上的最大摆动幅度，同时提高整个焊接摆动机构7的稳定性。

如图4所示，所述的双丝焊枪8包括A焊接管8-1、B焊接管8-2、套管8-3、喷嘴8-4、喷嘴冷却进水管14-1、喷嘴冷却出水管14-2、喷嘴冷却套管14-3；其中A焊接管8-1、B焊接管8-2并列设置，套管8-3设于A焊接管8-1和B焊接管8-2的外部，喷嘴8-4设于双丝焊枪8的顶端，喷嘴冷却套管14-3设于喷嘴8-4的外部，喷嘴冷却进水管14-1、喷嘴冷却出水管14-2分别与喷嘴冷却套管14-3和焊枪水箱14相连接；喷嘴8-4采用稀土铜合金，导电率好，内孔呈三角形，可适应长时间，长距离的焊接过程。

如图4-图5所示，所述的A焊接管8-1包括A冷却水管8-1-1，A送丝送气管8-1-2，A出丝口8-1-3，A焊接管外壳8-1-4，A焊接管内管8-1-5；其中A送丝送气管8-1-2设于A焊接管8-1的中心，A送丝送气管8-1-2外是A焊接管内管8-1-5，A焊接管内管8-1-5外是A冷却水管8-1-1，A冷却水管8-1-1的最外层是A焊接管外壳8-1-4；A冷却水管8-1-1的一部分穿过A焊接管内管8-1-5的管壁，贴近A送丝送气管8-1-2；A出丝口8-1-3设于A焊接管8-1的末端。

所述的B焊接管8-2包括B冷却水管8-2-1，B送丝送气管8-2-2，B出丝口8-2-3，B焊接管外壳8-2-4，B焊接管内管8-2-5；其中B送丝送气管8-2-2设于B焊接管8-2的中心，B送丝送气管8-2-2外是B焊接管内管8-2-5，B焊接管内管8-2-5外是B冷却水管8-2-1，B冷却水管8-2-1的最外层是B焊接管外壳8-2-4；B冷却水管8-2-1的一部分穿过B焊接管内管8-2-5的管壁，贴近B送丝送气管8-2-2；B出丝口8-2-3设于B焊接管8-2的末端。

A、B焊接管内的冷却水管均经过改造：将原本分别设在焊接管内管内、外两侧的4根冷却水管（2对联通的进水管、出水管）简化为1对冷却水管，通过弯折冷却水管的结构，使得冷却水管能够同时冷却焊接管外壁和内部的送丝送气管，不仅减少了焊接管的整体重量和体积，也降低了长距离焊接对材料和能耗的需求，从各方面提高长距离焊接的效率。

所述的强磁起重器6采用的型号为高磁10SH强磁起重器，能够根据焊接情况调节磁力强度，使得焊接小车3能够紧贴焊接表面行动，而又不失去移动与摆动的灵活性，吸附自如、方便，克服了现有技术中加装的各式机构笨重，不灵活，吸附能力不能兼具的问题，可使得焊接过程更加顺利。

所述的A送丝机11-1、B送丝机11-2采用的型号为MIG/MAG-TANE双脉冲焊接送丝机，2台焊机之间采用间接工作频率，同频率相位差180°，同时采用调谐器10减少电磁干扰，提高工作效率。

长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，其操作方法包括如下步骤：

1）在待焊接工件的焊接缝两端点安装固定引弧板，焊接缝底部安装陶瓷衬垫；

2）将焊接小车放置于焊接缝起始处，启动操作车，根据工件的厚度及焊接缝坡口的度数设置焊接速度及焊枪摆动频率，焊接小车跟随操作车沿着焊接缝上的轨道同步运动，2台焊机开始出气出丝，引弧后开始焊接；

3）焊接小车在焊接缝上移动时，通过后导向轮稳定小车的移动过程，前定向轮控制小车的移动方向，焊接摆动机构控制双丝焊枪在焊接过程中摆动的频率；

4）通过控制箱实时监控和调整操作车与焊接小车的运动，并通过控制送丝速度，减少焊接小车行走过程中的偏差，在观察到焊接缝出现咬边、跑偏时，通过控制箱及时纠偏；

5）在完成一轮焊接后，调整操作车和焊接小车的位置，提高焊枪高度，保持焊枪摆动频率不变，再次进行步骤2）~ 4）的焊接过程，直至焊接缝最终完成，通过单面焊接达成双面成型；

6）在实行全位置焊接时，可打开强磁起重器，使得焊接小车吸附于焊接表面，达到对曲面、斜面的全方位焊接。

Claims (8)

1.长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，其特征是包括操作车和焊接小车和线缆；所述的操作车用于整体操控，并向焊接小车提供焊接所需材料及电力，所述的焊接小车用于控制焊接过程中焊枪的稳定移动与摆动，操作车和焊接小车之间通过线缆连接；所述的线缆由A送丝机和B送丝机的焊接管组成，线缆的末端连接焊接小车上的双丝焊枪。

2.根据权利要求1所述的长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，其特征是所述的操作车包括承载底座、调谐器、A送丝机、B送丝机、A焊接电源、B焊接电源、A保护气瓶、B保护气瓶、焊枪水箱、控制箱、手动控制杆；其中承载底座的底部设有2对行进轮，A保护气瓶、B保护气瓶并列设于承载底座的最前端，控制箱设于保护气瓶的后侧；A焊接电源、B焊接电源设于控制箱的后侧，A焊接电源的正极连接其上方的A送丝机，负极接地；B焊接电源的正极连接其上方的B送丝机，负极接地；A保护气瓶的出气端通过A阀门连接A送丝机的进气口，B保护气瓶的出气端通过B阀门连接B送丝机的进气口；A焊接电源和B焊接电源之间设有调谐器；焊枪水箱设于承载底座的最后端；控制箱通过电缆分别与A送丝机的开关、B送丝机的开关、A焊接电源的开关、B焊接电源的开关、A保护气瓶的A阀门、B保护气瓶的B阀门连接；手动控制杆与行进轮的运动机构连接。

3.根据权利要求1所述的长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，其特征是所述的焊接小车包括：行走电机、导向电机、后导向轮、前定向轮、强磁起重器，焊接摆动机构，双丝焊枪；其中的焊接小车底部设有2对运送轮，行走电机连接2对运送轮，后导向轮设于焊接小车的后端，后导向轮的上方设有弹簧；前定向轮设于焊接小车的前端，前定向轮连接导向电机；焊接摆动机构设于焊接小车的车体上，焊接摆动机构的后端悬挂双丝焊枪，强磁起重器设于焊接小车底部的2对运送轮之间。

4.根据权利要求3所述的长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，其特征是所述的焊接摆动机构包括传动齿轮、摆动电机、扇形齿轮、丝杆、立柱、连接滑块、滑动轨道、抬升底板、顶部限位板、限位杆；其中摆动电机连接传动齿轮，传动齿轮与扇形齿轮相啮合，扇形齿轮的中部设有限位孔，扇形齿轮的底部转动轴固定于焊接小车上，限位杆穿过扇形齿轮的限位孔，与连接滑块相固定；4根立柱分别穿过抬升底板的四个角的孔洞，固定于焊接小车上，顶部限位板穿过4根立柱的顶端固定于抬升底板的上方，抬升底板和顶部限位板的右侧相对设有带螺纹的小孔，丝杆穿过抬升底板和顶部限位板上的小孔而固定；滑动轨道设于抬升底板的上侧，连接滑块通过滑槽与滑动轨道嵌合。

5.根据权利要求3所述的长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，其特征是所述的双丝焊枪包括A焊接管、B焊接管、套管、喷嘴、喷嘴冷却进水管、喷嘴冷却出水管、喷嘴冷却套管；其中A焊接管、B焊接管并列设置，套管设于A焊接管和B焊接管的外部，喷嘴设于双丝焊枪的顶端，喷嘴冷却套管设于喷嘴的外部，喷嘴冷却进水管、喷嘴冷却出水管分别与喷嘴冷却套管和焊枪水箱相连接。

6.根据权利要求5所述的长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，其特征是所述的A焊接管包括A冷却水管，A送丝送气管，A出丝口，A焊接管外壳，A焊接管内管；其中A送丝送气管设于A焊接管的中心，A送丝送气管外是A焊接管内管，A焊接管内管外是A冷却水管，A冷却水管的最外层是焊接管外壳；A冷却水管的一部分穿过A焊接管内管的管壁，贴近A送丝送气管；A出丝口设于A焊接管的末端。

7.根据权利要求5所述的长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人，其特征是所述的B焊接管包括B冷却水管，B送丝送气管，B出丝口，B焊接管外壳，B焊接管内管；其中B送丝送气管设于B焊接管的中心，B送丝送气管外是B焊接管内管，B焊接管内管外是B冷却水管，B冷却水管的最外层是B焊接管外壳；B冷却水管的一部分穿过B焊接管内管的管壁，贴近B送丝送气管；B出丝口设于B焊接管的末端。

8.使用如权利要求1所述的长距离数字化熔化气保双丝焊接机器人的焊接方法，其特征是该方法包括如下步骤：

1）在待焊接工件的焊接缝两端点安装固定引弧板，焊接缝底部安装陶瓷衬垫；

2）将焊接小车放置于焊接缝起始处，启动操作车，根据工件的厚度及焊接缝坡口的度数设置焊接速度及焊枪摆动频率，焊接小车跟随操作车沿着焊接缝上的轨道同步运动，2台焊机开始出气出丝，引弧后开始焊接；

3）焊接小车在焊接缝上移动时，通过后导向轮稳定小车的移动过程，前定向轮控制小车的移动方向，焊接摆动机构控制双丝焊枪在焊接过程中摆动的频率；

4）通过控制箱实时监控和调整操作车与焊接小车的运动，并通过控制送丝速度，减少焊接小车行走过程中的偏差，在观察到焊接缝出现咬边、跑偏时，通过控制箱及时纠偏；

5）在完成一轮焊接后，调整操作车和焊接小车的位置，提高焊枪高度，保持焊枪摆动频率不变，再次进行步骤2）~ 4）的焊接过程，直至焊接缝最终完成，通过单面焊接达成双面成型；

6）在实行全位置焊接时，可打开强磁起重器，使得焊接小车吸附于焊接表面，达到对曲面、斜面的全方位焊接。