CN102039509B

CN102039509B - 曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置

Info

Publication number: CN102039509B
Application number: CN2011100238514A
Authority: CN
Inventors: 吴哲明; 张长; 张文增; 李丽荣; 孙振国; 陈咏华; 陈强
Original assignee: Tsinghua University; Qinghai University
Current assignee: Tsinghua University; Qinghai University
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: CN102039509A

Abstract

曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，属于焊接技术领域。包括机架、横向开合机构、升降机构、三个以上的竖直导杆、转轴、第一电机、第二电机、焊枪夹持筒、三个万向轮和永磁体。该装置利用曲面焊接切平面三点定位原理、永磁体间隙吸附、多自由度运动机构综合实现了复杂空间曲面工件焊接时焊枪自动适应曲面的曲率而随形运动，以及焊枪位置和姿态的调节功能；同时该装置结构简洁、紧凑，运动灵活，适应曲率范围大，制造和维护成本低，特别适用于大型导磁性变曲率空间曲面工件的全位置修焊作业。

Description

曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，主要用于水轮机叶片等复杂曲面大型结构件的全位置焊接。

背景技术

目前，面向如大型水轮机叶片等复杂曲面大型结构件的修焊作业时，一般采用搭脚手架后由工人进行手工焊接方式，工作环境恶劣，劳动强度大，维修周期长。而使用机器人对这类表面进行加工时，由于待修焊表面曲率变化不规则，机器人末端执行器和曲面的相对空间位置控制难度大，并且由于需要在三维空间(水平、铅垂、俯仰或它们的组合位置等)进行全位置堆焊，必须根据焊接位置调整焊枪的位姿(在机器人学中，物体的位置和姿态合称为“位姿”)，即高度位置和偏转姿态。

已有的针对三维曲面的焊接辅助装置，如专利“用于三维曲面产品激光焊接的夹具”(CN101407009)，其包括上模板和下模板，通过上模板和下模板上下固定在一起时，可夹持待焊接三维曲面产品于两者之间，通过该上模板的下表面和该下模板的上表面分别顶抵于所述待焊接三维曲面产品的上面部分和下面部分而使该产品定位。该装置的不足之处在于：需要预先制作好与三维曲面形状相同的模板，不适合大型复杂曲面结构件的焊接，同时也未考虑不同位置下焊枪位姿的调整。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足之处，提供曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置。该装置能够用于曲面钢板的人工或机器人的全位置焊接，在焊接过程中自适应曲面曲率和位置的变化，实现焊枪自动保持相对于焊接切平面的理想位姿状态。特别适用于水轮机叶片、球罐等大型复杂曲面结构件的修焊作业。

本发明的技术方案如下：

本发明所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：包括机架、横向开合机构、升降机构、三个以上的竖直导杆、转轴、第一电机、第二电机、焊枪夹持筒、三个万向轮和永磁体；所述的机架包括上框架和底板；所述的横向开合机构包括两个螺母、丝杠、水平导杆和两个水平滑块，所述的两个水平滑块分别与两个螺母固接，所述的丝杠包括左螺纹段和右螺纹段，所说两个螺母分别与丝杠的左螺纹段和右螺纹段通过螺纹连接，所述的两个水平滑块分别套接在水平导杆上，所述的丝杠的两端套设在上框架上，所述的水平导杆两端固接在上框架上；所述的升降机构包括中框架和至少一个连杆组，所述的连杆组包括两个连杆，所述的两个连杆呈“八”字形或“X”形，所述的连杆两端分别与中框架和水平滑块铰接，所述的一个连杆组的两个连杆分别与不同的水平滑块的铰接；所述的竖直导杆两端分别与上框架、底板固接，所述的竖直导杆套设在中框架上，所述的竖直导杆、上框架、中框架和底板呈中空框架形结构；所述的转轴套设在中框架中；所述的第一电机与上框架固接，所述的第一电机的输出轴与丝杠相连；所述的第二电机与中框架固接，所述的第二电机输出轴与转轴相连；所述的焊枪夹持筒套固在转轴上；所述的三个万向轮分别与底板固接；所述的永磁体与底板固接，所述的永磁体与待焊接的导磁壁面之间存在一定气隙。

本发明所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：所述的万向轮采用万向滚珠。

本发明所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：所说三个万向轮中心连线呈等边三角形。

本发明所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：还包括轭铁，所述的永磁体通过轭铁与底板固接。

本发明所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：所述的永磁体有多个，分别围绕在三个万向轮四周。

本发明所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：还包括焊枪防护罩。

本发明所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：还包括第一减速传动机构，所述的第一电机的输出轴通过第一减速传动机构与丝杠相连。

本发明所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：还包括第二减速传动机构，所述的第二电机的输出轴通过第二减速传动机构与转轴相连，所述的第二减速传动机构是自锁的。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和显著进步：

本发明装置利用曲面焊接切平面三点定位原理实现了焊枪始终在待焊工件曲面的局部切平面位置，利用永磁体吸附实现了焊枪在全位置空间始终保持在待焊工件附近，利用间隙吸附方式实现了该装置在不影响磁吸附的情况下非常灵活的运动性能，利用第一电机、横向开合机构、升降机构实现了焊枪相对于焊接切平面的位置的调节，利用第二电机实现了焊枪姿态的调节，上述多个方面综合实现了复杂空间曲面工件焊接时焊枪自动适应曲面的曲率而随形运动，以及焊枪位置和姿态的调节功能；同时该装置结构简洁、紧凑，运动灵活，适应曲率范围大，制造和维护成本低，特别适用于大型导磁性变曲率空间曲面工件的全位置修焊作业。

附图说明

图1是本发明提供的一种曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置的实施例的正面外观图。

图2是是图1的左侧视图。

图3是是图1的主视图。

图4是是图1的爆炸视图。

图5是是图1的右侧视图。

图6是是图1的俯视图，主要说明横向开合机构。

图7是本实施例利用第二电机带动转轴使得焊接偏转的示意图。

图8是本实施例的焊枪转轴与第二电机之间的传动方式的示意图。

图9是本实施例的焊枪夹持筒的示意图。

图10是本实施例永磁体、轭铁和万向球的分布方式以及它们与机架底板连接的示意图。

图11是本实施例永磁体、轭铁和万向球与机架底板连接的局部剖面示意图。

图12、图13是本实施例调整焊枪相对焊接切平面偏角的示意图。

图14、图15是本实施例调整焊枪相对工件高度的示意图。

在图1至图15中：

1-机架， 2-横向开合机构， 3-竖直导杆，

4-第一电机， 5-永磁体， 6-万向轮，

7-焊枪， 8-焊枪夹持筒， 9-第二电机，

10-转轴， 13-升降机构， 11-上框架，

31-第二直线滑动轴承，51-轭铁， 71-焊丝，

12-底板， 131-中框架， 106-法兰型带座轴承，

132-连杆， 22-第一电机连接架， 23-同步带，

24-同步带轮， 102-第二电机连接座， 25-螺母，

26-丝杠， 27-T型带座轴承， 28-水平滑块，

29-水平导杆， 21-第一直线滑动轴承， 104-蜗杆，

105-调心球轴承， 103-蜗轮， 100-待焊接的导磁壁面，

52-磁力线。

具体实施方式

本发明设计的一种曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置的实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示，包括机架1、横向开合机构2、升降机构13、三个以上的竖直导杆3、转轴10、第一电机4、第二电机9、焊枪夹持筒8、三个万向轮6和永磁体5；所述的机架包括上框架11和底板12；所述的横向开合机构包括两个螺母24、丝杠26、水平导杆29和两个水平滑块28，所述的两个水平滑块28分别与两个螺母固接，所述的丝杠26包括左螺纹段和右螺纹段，所说两个螺母24分别与丝杠26的左螺纹段和右螺纹段通过螺纹连接，所述的两个水平滑块28分别套接在水平导杆29上，所述的丝杠26的两端套设在上框架11上，所述的水平导杆29两端固接在上框架11上；所述的升降机构13包括中框架131和至少一个连杆组，所述的连杆组包括两个连杆132，所述的两个连杆132呈“八”字形或“X”形，所述的连杆132两端分别与中框架131和水平滑块28铰接，所述的一个连杆组的两个连杆132分别与不同的水平滑块28的铰接；所述的竖直导杆3两端分别与上框架11、底板12固接，所述的竖直导杆3套设在中框架131上，所述的竖直导杆3、上框架11、中框架131和底板12呈中空框架形结构；所述的转轴10套设在中框架131中；所述的第一电机4与上框架11固接，所述的第一电机4的输出轴与丝杠26相连；所述的第二电机9与中框架131固接，所述的第二电机9输出轴与转轴10相连；所述的焊枪夹持筒8套固在转轴10上；所述的三个万向轮6分别与底板12固接；所述的永磁体5与底板12固接，所述的永磁体5与待焊接的导磁壁面之间存在一定气隙。

本实施例中，所述的万向轮6采用万向滚珠，提高了运动灵活性；万向滚珠采用磁导率低的材料如304不锈钢制造，可以有效的防止铁屑、钢屑吸附在滚珠上而降低运动灵活性。

本实施例中，所说三个万向轮6中心连线呈等边三角形，等边三角形外接圆与圆形机架底板12同心，如图10所示。当装置运动时，装置可绕该中心旋转，最小转向半经为0；通过与工业机器人末端连接，可自由控制焊枪的方向。

本实施例中，所述的永磁体5通过轭铁51与底板12固接，所述的永磁体5有六个，所述的轭铁51有三个，每两块永磁体5对称布置于相应的一个轭铁51的同一侧且磁极极性排列方向相反，并分别围绕在三个万向轮6四周，如图11所示。永磁体5采用高性能永磁材料如NdFeB等制造，轭铁51采用低碳钢如Q235制造。

本实施例中，还可以在机架底板上固定安装焊枪防护罩，将焊接时产生的电孤光和飞溅金属控制在防护罩内，保护装置不受电孤光和飞溅金属的影响和干扰，同时也部分保护操作人员或机器人操作臂。

本实施例中，还包括第一减速传动机构，所述的第一电机的输出轴通过第一减速传动机构与丝杠相连。本实施例中，所述的第一电机4通过第一电机连接架22与上框架11固接，所述的第一减速传动机构为同步带传动机构，所述的第一电机4的输出轴通过同步带传动机构与丝杠26相连。

本实施例中，还包括第二减速传动机构，所述的第二电机的输出轴通过第二减速传动机构与转轴相连，所述的第二减速传动机构是自锁的。本实施例中，所述的第二减速传动机构为蜗轮蜗杆传动机构，所述的第二电机9输出轴通过蜗轮蜗杆传动机构与转轴10相连。

本实施例中，丝杠26是两端左右螺纹的30度梯形丝杠。

本实施例的工作原理，如图12、图13、图14、图15所示，叙述如下：

当装置在曲面上运动时，通过三个万向滚珠与曲面的接触点来确定曲面的焊接切平面π，保证了焊枪的随形运动，同时可以通过多自由度运动确定焊枪相对于切平面的高度和焊枪的偏角，如图11所示。

第二电机通过蜗轮蜗杆传动机构带动转轴10进而带动固接在其上的焊枪偏转，如图12所示，实现了焊枪的偏转自由度。焊枪相对切平面π的偏转角为θ，在±30°范围内可调。

第一电机4通过同步带传动方式带动左右螺纹丝杠26转动，从而分别驱动两个螺母24沿丝杠26相向或背离运动，进而带动与螺母24固接的两个水平滑块28相向或背离运动。水平滑块28通过连杆组带动中框架131实现了上下升降的自由度，焊枪升降运动的极限位置如图14和图15所示。

采用永磁非接触吸附方案，有效克服了装置吸附能力和运动灵活性间的矛盾，既能实现全位置吸附并有效地抵消不同位姿下焊枪缆线等物体对装置产生的倾覆力矩，又能沿曲面各个方向灵活运动。

更换焊枪7时仅需要松开固定螺钉，即可将焊枪7和焊枪夹持筒8一并取出。若只更换焊枪嘴，则直接可以从焊枪7上旋下而无需拆卸装置。

Claims

1.曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：包括机架(1)、横向开合机构(2)、升降机构(13)、三个以上的竖直导杆(3)、转轴(10)、第一电机(4)、第二电机(9)、焊枪夹持筒(8)、三个万向轮(6)和永磁体(5)；所述的机架包括上框架(11)和底板(12)；所述的横向开合机构包括两个螺母(24)、丝杠(26)、水平导杆(29)和两个水平滑块(28)，所述的两个水平滑块分别与两个螺母固接，所述的丝杠包括左螺纹段和右螺纹段，所说两个螺母分别与丝杠的左螺纹段和右螺纹段通过螺纹连接，所述的两个水平滑块分别套接在水平导杆上，所述的丝杠的两端套设在上框架上，所述的水平导杆两端固接在上框架上；所述的升降机构包括中框架(131)和至少一个连杆组(132)，所述的连杆组包括两个连杆，所述的两个连杆呈“八”字形或“X”形，所述的连杆两端分别与中框架和水平滑块铰接，所述的一个连杆组的两个连杆分别与不同的水平滑块铰接；所述的竖直导杆的两端分别与上框架、底板固接，所述的竖直导杆套设在中框架上，所述的竖直导杆、上框架、中框架和底板呈中空框架形结构；所述的转轴套设在中框架中；所述的第一电机与上框架固接，所述的第一电机的输出轴与丝杠相连；所述的第二电机与中框架固接，所述的第二电机输出轴与转轴相连；所述的焊枪夹持筒套固在转轴上；所述的三个万向轮分别与底板固接；所述的永磁体与底板固接，所述的永磁体与待焊接的导磁壁面之间存在一定气隙。

2.如权利要求1所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：所述的万向轮采用万向滚珠。

3.如权利要求1所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：所说三个万向轮中心连线呈等边三角形。

4.如权利要求1所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：还包括轭铁(51)，所述的永磁体通过轭铁与底板固接。

5.如权利要求1所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：所述的永磁体有多个，分别围绕在三个万向轮四周。

6.如权利要求1所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：还包括焊枪防护罩。

7.如权利要求1所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：还包括第一减速传动机构，所述的第一电机的输出轴通过第一减速传动机构与丝杠相连。

8.如权利要求1所述的曲面焊接间隙磁吸式焊枪随形运动与位姿调节装置，其特征在于：还包括第二减速传动机构，所述的第二电机的输出轴通过第二减速传动机构与转轴相连，所述的第二减速传动机构是自锁的。