CN111633364A - 单面焊双面成型焊接机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单面焊双面成型焊接机器人，其包括底座组件、三维移动机构、激光视觉跟踪传感器、焊枪夹持机构、焊枪摆动机构和控制器，三维移动机构设置在底座组件上，三维移动机构包括X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构，焊枪夹持机构与焊枪摆动机构固定连接，激光视觉跟踪传感器设置在焊枪摆动机构旁，激光视觉跟踪传感器实时扫描焊道，得到焊道的轨迹、坡口间隙、坡口宽度、坡口深度的焊道数据，并实时传送给控制器，控制器根据当前的焊道数据调用适合当前工况的焊接速度、焊枪摆动参数、焊接电流、电压、多层多道焊接工艺参数，并自动调整Y轴移动机构、Z轴移动机构，使焊枪自动对正焊道中心进行焊接。

Description

单面焊双面成型焊接机器人

技术领域

本发明涉及自动化焊接设备领域，特别是涉及一种单面焊双面成型焊接机器人。

背景技术

目前核电站施工中，核岛安全壳开始大量使用，SC钢-混凝土复合结构，大型钢结构件现场施工时，存在大量长距离焊缝，短则10米，长焊道可达120米以上。大型构件时常因为构件背面焊钉，预埋钢筋等障碍物的存在，同时焊接时为满足RT检测I级，人员无法进入背面进行焊接或清根作业，必须使用人工进行单面焊双面成型作业，焊接效率差，一次合格率低。现有焊接施工方式，工作效率低，质量一致性差，尤其人工单面焊双面成型焊接，对焊接技术人员要求比较高，同时人工单面焊双面成型作业RT/UT射线检测合格率低，同一位置一旦发生两次及以上次数焊接不合格即意味该构件报废，无法返工。且现有施工使用的自动、半自动焊接设备均未搭载焊缝跟踪设备，无法实现对目标焊道的跟踪与识别，因而需要对其进行改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的焊接机器人，无法实现对目标焊道的跟踪和识别，人工实施单面焊双面成型时，对工人的技术要求高，合格率低等问题，提供一种焊接机器人。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种单面焊双面成型焊接机器人，其特点是：其包括底座组件、三维移动机构、激光视觉跟踪传感器、焊枪夹持机构、焊枪摆动机构和控制器，三维移动机构设置在底座组件上，三维移动机构包括X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构，X轴移动机构带动底座组件沿着机器人轨道移动，Y轴移动机构带动升降座的升降移动，Z轴移动机构设置在升降座上，Z轴移动机构带动激光视觉跟踪传感器和焊枪摆动机构沿着与机器人轨道垂直的方向水平移动，焊枪夹持机构与焊枪摆动机构固定连接，激光视觉跟踪传感器设置在焊枪摆动机构旁，激光视觉跟踪传感器实时扫描焊道，得到焊道的轨迹、坡口间隙、坡口宽度、坡口深度的焊道数据，并实时传送给控制器，控制器根据当前的焊道数据调用适合当前工况的焊接速度、焊枪摆动参数、焊接电流、电压、多层多道焊接工艺参数，并自动调整Y轴移动机构、Z轴移动机构，使焊枪自动对正焊道中心进行焊接。

进一步的方案是，所述的底座组件包括底座、固定侧轮和可调侧轮，在底座的下方设有大于轨道宽度的底槽，固定侧轮装配在底槽的一侧侧壁上，可调侧轮装配在底槽的另一侧侧壁上，固定侧轮和可调侧轮都能沿着轨道的侧壁滚动，并对底座组件进行限位。

进一步的方案是，所述的X轴移动机构包括电机、减速箱、主动齿轮、从动齿轮、传动轴及滚轮，电机和减速箱分别与底座固定连接，电机的输出轴与减速箱连接，减速箱的输出轴与主动齿轮连接，主动齿轮和从动齿轮为45°螺旋齿轮组，从动齿轮与传动轴固定连接，滚轮与传动轴固定连接，滚轮能沿着机器人轨道滚动。

进一步的方案是，所述的Y轴移动机构包括电机、同步带轮传动机构、丝杆、导轨和升降座，电机通过一组同步带轮传动机构带动丝杆转动，导轨与丝杆同方向设置，升降座与导轨滑动配合，升降座与丝杆组成丝杆机构，丝杆转动时，升降座沿着导轨升降活动。

进一步的方案是，所述的Z轴移动机构包括壳体、固定座、驱动电机、齿轮齿条机构和滑动臂，固定座与壳体固定连接，驱动电机固定在固定座上，驱动电机的输出轴与齿轮齿条机构的齿轮固定连接，齿条与齿轮啮合，齿条固定在滑动臂的上表面上，在固定座上设有滑槽，滑动臂与滑槽滑动配合，滑动臂的端部与焊枪摆动机构固定连接，在齿条的末端设有齿轮限位块。

进一步的方案是，所述的焊枪摆动机构包括壳体、导轨、驱动电机、丝杆传动机构和摆臂，壳体与Z轴驱动机构的滑动臂固定连接，驱动电机固定在壳体上，驱动电机的输出轴与丝杆传动机构连接，螺母块与滑块固定连接，滑块与导轨滑动配合，摆臂与滑块固定连接，丝杆传动机构的丝杆和导轨都沿着Z轴移动机构的方向设置，驱动电机能带动摆臂沿着Z轴方向移动，所述的焊枪夹持机构与摆臂固定连接。

进一步的方案是，所述的焊枪夹持机构包括紧固组件、纵杆、角铁座和焊枪绝缘固定套和焊枪固定套锁紧件，紧固组件用于连接摆臂和纵杆，紧固组件包括锁紧夹板、螺栓、紧固螺母和锁紧手柄，锁紧夹板的中部设有通孔，纵杆的上端从该通孔中穿过，通过转动锁紧手柄能将螺栓和紧固螺母锁紧，使锁紧夹板将纵杆锁紧，锁紧夹板与摆臂的端部固定连接，纵杆的下端设有连接头，连接头的下表面设有凹槽，在角铁座的上端面上设有与连接头的凹槽配合的凸条，凸条与凹槽滑动配合，调节到预定位置后通过螺栓锁紧固定，焊枪绝缘固定套与角铁座的下端部活动连接，调节好焊枪绝缘固定套的角度后，将焊枪穿过焊枪绝缘固定套，通过焊枪固定套锁紧件锁紧固定。

进一步的方案是，所述的激光视觉跟踪传感器固定设置在焊枪摆动机构的壳体上，激光视觉跟踪传感器包括线结构激光器和模拟相机，线结构激光器发出激光束照射至需要焊接的工件表面，产生线性光斑，由模拟相机对焊缝轮廓进行三维测量，获得焊道数据，并实时传送给控制器，控制器根据当前的焊道数据控制焊枪自动对正焊道中心进行焊接。

进一步的方案是，所述的控制器与三维移动机构、激光视觉跟踪传感器、焊枪夹持机构和焊枪摆动机构之间无线通信，操作人员能在控制器上设置焊接时的焊接工艺参数。

本发明具有积极的效果：1）本发明的单面焊双面成型焊接机器人，在控制器上设置好焊接参数后，能根据激光视觉跟踪传感器获得的焊道参数，自动调用相应的焊接参数，进行自动焊接，焊接过程无需人工参与，焊接质量稳定，能一次性焊接合格，提高焊接效率，也能避免多次焊接不合格造成的构件报废，节约焊接成本；2）通过控制器也可以远程无线控制焊接过程，当发生丢失焊道轨迹的故障时，通过控制器能使用示教法进行编程焊接。

附图说明

图1为本发明的结构示意图（带壳体）。

图2为本发明的结构示意图（不带壳体）。

图3为底座组件和X轴移动机构的结构示意图。

图4为底座组件的仰视示意图。

图5为Y轴移动机构的结构示意图。

图6为Y轴移动机构与Z轴移动机构、焊枪摆动机构、焊枪夹持机构、激光视觉跟踪传感器的连接结构示意图。

图7为焊枪摆动机构、焊枪夹持机构、激光视觉跟踪传感器的连接结构示意图。

图中的附图标记如下：底座组件1、底座11，固定侧轮12，可调侧轮13，X轴移动机构2，电机21，减速箱22，主动齿轮23，从动齿轮24、传动轴25，滚轮26，Y轴移动机构3，电机31，同步带轮传动机构32，丝杆33，导轨34，升降座35，Z轴移动机构4，壳体41，固定座42，驱动电机43，齿轮44，齿条45，滑动臂46，齿轮限位块47，激光视觉跟踪传感器5，焊枪夹持机构6，紧固组件61，锁紧夹板611，螺栓612，紧固螺母613，锁紧手柄614，纵杆62，连接头621，角铁座63，凸条631，焊枪绝缘固定套64，焊枪固定套锁紧件65，焊枪摆动机构7，壳体71，驱动电机72，丝杆73，导轨74，滑块75，摆臂76，螺母块77，机器人轨道8。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图7所示，本发明的单面焊双面成型焊接机器人，其包括底座组件1、三维移动机构、激光视觉跟踪传感器5、焊枪夹持机构6、焊枪摆动机构7和控制器。

底座组件1包括底座11、固定侧轮12和可调侧轮13，在底座11的下方设有大于机器人轨道8宽度的底槽，固定侧轮12装配在底槽的一侧侧壁上，可调侧轮13装配在底槽的另一侧侧壁上，固定侧轮12和可调侧轮13都能沿着机器人轨道8的侧壁滚动，并对底座组件1进行限位。

三维移动机构设置在底座组件1上，三维移动机构包括X轴移动机构2、Y轴移动机构3和Z轴移动机构4。

X轴移动机构2的X轴方向为机器人轨道8的方向。X轴移动机构2包括电机21、减速箱22、45°螺旋齿轮组、传动轴25及滚轮26，电机21和减速箱22分别与底座11固定连接，电机21的输出轴与减速箱22连接，减速箱22的输出轴与45°螺旋齿轮组的主动齿轮23连接，从动齿轮24与传动轴25固定连接，滚轮26与传动轴25固定连接，滚轮26能沿着机器人轨道8滚动。在底座11上设有与45°螺旋齿轮组的从动齿轮24对应的通孔。电机21为伺服电机、步进电机或带编码器的直流电机。减速箱为齿轮减速箱，电机21通过减速箱22减速至适合的转速后，经过45°螺旋齿轮组动力传动，带动滚轮26沿着机器人轨道8滚动，使底座组件1以一定的速度沿着机器人轨道8移动至目标位置。

Y轴移动机构3固定设置在底座11上。Y轴移动机构3包括电机31、同步带轮传动机构32、丝杆33、导轨34和升降座35，电机31通过一组同步带轮传动机构32带动丝杆33转动，导轨34与丝杆33同方向设置，升降座35与导轨34滑动配合，升降座35与丝杆33组成丝杆机构，丝杆33转动时，升降座35沿着导轨34升降活动。电机31为伺服电机、步进电机或带编码器的直流电机。电机31带动同步带轮的主动轮转动，通过同步带带动从动轮转动，从动轮与丝杆33固定连接，因而丝杆33与从动轮一起转动，使升降座35沿着导轨34升降活动，调节升降座35的高度。

Z轴移动机构4包括壳体41、固定座42、驱动电机43、齿轮齿条机构和滑动臂46，固定座42与壳体41固定连接，驱动电机43固定在固定座42上，驱动电机43的输出轴与齿轮齿条机构的齿轮44固定连接，齿条45与齿轮44啮合，齿条45固定在滑动臂46的上表面上，在固定座42上设有滑槽，滑动臂46与滑槽滑动配合，滑动臂46的端部与焊枪摆动机构7固定连接，在齿条45的末端设有齿轮限位块47。壳体41与Y轴移动机构3的升降座35固定连接，Y轴移动机构3能带动Z轴移动机构4升降活动。Z轴移动机构4的驱动电机43为伺服电机、步进电机或带编码器的直流电机。驱动电机43带动齿轮44转动，使齿条45带动滑动臂46沿着固定座42上的滑槽移动。滑动臂46与焊枪摆动机构7固定连接，因而，Z轴移动机构4能带动焊枪摆动机构7沿着与机器人轨道8垂直的方向水平移动。

焊枪摆动机构7包括壳体71、导轨74、驱动电机72、丝杆传动机构和摆臂76，壳体71与Z轴驱动机构4的滑动臂46固定连接，驱动电机72固定在壳体71上，驱动电机72的输出轴与丝杆传动机构连接，螺母块77与滑块75固定连接，滑块75与导轨74滑动配合，摆臂76与滑块75固定连接，丝杆传动机构的丝杆73和导轨74都沿着Z轴移动机构的方向设置，驱动电机72能带动摆臂76沿着Z轴方向移动，所述的焊枪夹持机构6与摆臂76固定连接。驱动电机72为伺服电机、步进电机或带编码器的直流电机。通过驱动电机72的转动，带动螺母块77沿着导轨74移动，带动摆臂76沿着Z轴方向移动。

焊枪夹持机构6包括紧固组件61、纵杆62、角铁座63和焊枪绝缘固定套64和焊枪固定套锁紧件65，紧固组件61用于连接摆臂76和纵杆62，紧固组件61包括锁紧夹板611、螺栓612、紧固螺母613和锁紧手柄614，锁紧夹板611的中部设有通孔，纵杆62的上端从该通孔中穿过，通过转动锁紧手柄614能将螺栓和紧固螺母613锁紧，使锁紧夹板611将纵杆62锁紧，锁紧夹板611与摆臂76的端部固定连接，纵杆62的下端设有连接头621，连接头621的下表面设有凹槽，在角铁座63的上端面上设有与连接头621的凹槽配合的凸条631，凸条631与凹槽滑动配合，调节到预定位置后通过螺栓锁紧固定，焊枪绝缘固定套64与角铁座63的下端部活动连接，调节好焊枪绝缘固定套64的角度后，将焊枪穿过焊枪绝缘固定套64，通过焊枪固定套锁紧件65锁紧固定。

激光视觉跟踪传感器5固定设置在焊枪摆动机构7的壳体71上，激光视觉跟踪传感器5包括线结构激光器和模拟相机，线结构激光器发出激光束照射至需要焊接的工件表面，产生线性光斑，由模拟相机对焊缝轮廓进行三维测量，获得焊道的轨迹、坡口间隙、坡口宽度、坡口深度等焊道数据，并实时传送给控制器，控制器根据当前的焊道数据调用适合当前工况的焊接速度、焊枪摆动参数、焊接电流、电压、多层多道焊接工艺参数，并自动调整Y轴移动机构3、Z轴移动机构4，使焊枪自动对正焊道中心进行焊接，实现单层焊双面成型及多层多道弧焊的自动焊接工序。

控制器与三维移动机构、激光视觉跟踪传感器5、焊枪夹持机构6和焊枪摆动机构7之间无线通信，操作人员能在控制器上设置焊接时的焊接工艺参数，当发生丢失焊道轨迹的故障时，通过控制器能使用示教法进行编程焊接。

本发明的单面焊双面成型焊接机器人，在控制器上设置好焊接参数后，能根据激光视觉跟踪传感器获得的焊道参数，自动调用相应的焊接参数，进行自动焊接，焊接过程无需人工参与，焊接质量稳定，能一次性焊接合格，提高焊接效率，也能避免多次焊接不合格造成的构件报废，节约焊接成本。通过控制器也可以远程无线控制焊接过程，当发生丢失焊道轨迹的故障时，通过控制器能使用示教法进行编程焊接。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种单面焊双面成型焊接机器人，其特征在于：其包括底座组件、三维移动机构、激光视觉跟踪传感器、焊枪夹持机构、焊枪摆动机构和控制器，三维移动机构设置在底座组件上，三维移动机构包括X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构，X轴移动机构带动底座组件沿着机器人轨道移动，Y轴移动机构带动升降座的升降移动，Z轴移动机构设置在升降座上，Z轴移动机构带动激光视觉跟踪传感器和焊枪摆动机构沿着与机器人轨道垂直的方向水平移动，焊枪夹持机构与焊枪摆动机构固定连接，激光视觉跟踪传感器设置在焊枪摆动机构旁，激光视觉跟踪传感器实时扫描焊道，得到焊道的轨迹、坡口间隙、坡口宽度、坡口深度的焊道数据，并实时传送给控制器，控制器根据当前的焊道数据调用适合当前工况的焊接速度、焊枪摆动参数、焊接电流、电压、多层多道焊接工艺参数，并自动调整Y轴移动机构、Z轴移动机构，使焊枪自动对正焊道中心进行焊接。

2.根据权利要求1所述的单面焊双面成型焊接机器人，其特征在于：所述的底座组件包括底座、固定侧轮和可调侧轮，在底座的下方设有大于轨道宽度的底槽，固定侧轮装配在底槽的一侧侧壁上，可调侧轮装配在底槽的另一侧侧壁上，固定侧轮和可调侧轮都能沿着轨道的侧壁滚动，并对底座组件进行限位。

3.根据权利要求2所述的单面焊双面成型焊接机器人，其特征在于：所述的X轴移动机构包括电机、减速箱、主动齿轮、从动齿轮、传动轴及滚轮，电机和减速箱分别与底座固定连接，电机的输出轴与减速箱连接，减速箱的输出轴与主动齿轮连接，主动齿轮和从动齿轮为45°螺旋齿轮组，从动齿轮与传动轴固定连接，滚轮与传动轴固定连接，滚轮能沿着机器人轨道滚动。

4.根据权利要求1所述的单面焊双面成型焊接机器人，其特征在于：所述的Y轴移动机构包括电机、同步带轮传动机构、丝杆、导轨和升降座，电机通过一组同步带轮传动机构带动丝杆转动，导轨与丝杆同方向设置，升降座与导轨滑动配合，升降座与丝杆组成丝杆机构，丝杆转动时，升降座沿着导轨升降活动。

5.根据权利要求1所述的单面焊双面成型焊接机器人，其特征在于：所述的Z轴移动机构包括壳体、固定座、驱动电机、齿轮齿条机构和滑动臂，固定座与壳体固定连接，驱动电机固定在固定座上，驱动电机的输出轴与齿轮齿条机构的齿轮固定连接，齿条与齿轮啮合，齿条固定在滑动臂的上表面上，在固定座上设有滑槽，滑动臂与滑槽滑动配合，滑动臂的端部与焊枪摆动机构固定连接，在齿条的末端设有齿轮限位块。

6.根据权利要求1所述的单面焊双面成型焊接机器人，其特征在于：所述的焊枪摆动机构包括壳体、导轨、驱动电机、丝杆传动机构和摆臂，壳体与Z轴驱动机构的滑动臂固定连接，驱动电机固定在壳体上，驱动电机的输出轴与丝杆传动机构连接，螺母块与滑块固定连接，滑块与导轨滑动配合，摆臂与滑块固定连接，丝杆传动机构的丝杆和导轨都沿着Z轴移动机构的方向设置，驱动电机能带动摆臂沿着Z轴方向移动，所述的焊枪夹持机构与摆臂固定连接。

7.根据权利要求6所述的单面焊双面成型焊接机器人，其特征在于：所述的焊枪夹持机构包括紧固组件、纵杆、角铁座和焊枪绝缘固定套和焊枪固定套锁紧件，紧固组件用于连接摆臂和纵杆，紧固组件包括锁紧夹板、螺栓、紧固螺母和锁紧手柄，锁紧夹板的中部设有通孔，纵杆的上端从该通孔中穿过，通过转动锁紧手柄能将螺栓和紧固螺母锁紧，使锁紧夹板将纵杆锁紧，锁紧夹板与摆臂的端部固定连接，纵杆的下端设有连接头，连接头的下表面设有凹槽，在角铁座的上端面上设有与连接头的凹槽配合的凸条，凸条与凹槽滑动配合，调节到预定位置后通过螺栓锁紧固定，焊枪绝缘固定套与角铁座的下端部活动连接，调节好焊枪绝缘固定套的角度后，将焊枪穿过焊枪绝缘固定套，通过焊枪固定套锁紧件锁紧固定。

8.根据权利要求6所述的单面焊双面成型焊接机器人，其特征在于：所述的激光视觉跟踪传感器固定设置在焊枪摆动机构的壳体上，激光视觉跟踪传感器包括线结构激光器和模拟相机，线结构激光器发出激光束照射至需要焊接的工件表面，产生线性光斑，由模拟相机对焊缝轮廓进行三维测量，获得焊道数据，并实时传送给控制器，控制器根据当前的焊道数据控制焊枪自动对正焊道中心进行焊接。

9.根据权利要求1所述的单面焊双面成型焊接机器人，其特征在于：所述的控制器与三维移动机构、激光视觉跟踪传感器、焊枪夹持机构和焊枪摆动机构之间无线通信，操作人员能在控制器上设置焊接时的焊接工艺参数。

Images