CN102861970A - 正交异性板u形肋角焊缝机器人焊接方法及其专用设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法，其步骤包括：A、U形肋板单元的制备；B、将U形肋板单元卡固在反变形翻转胎架上，采用机器人自动化焊接系统进行U形肋一侧角焊缝的焊接；C、一侧U形肋角焊缝焊完后，将反变形翻转胎架翻转至另一侧U肋角焊缝成船位，进行U形肋另一侧角焊缝的焊接。上述正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法的专用设备，其包括机器人自动化焊接系统及反变形翻转胎架，二者通过控制器实现自动化交互作业。本发明能够解决现有技术的不足，保证U形肋角焊缝的焊接质量稳定性，提高生产效率。

Description

正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法及其专用设备

技术领域

本发明涉及一种正交异性板U形肋角焊缝的焊接工艺，尤其是一种钢桥制造中桥面板U形肋角焊缝机器人焊接工艺。

背景技术

目前正交异性板结构在大跨度钢桥的桥面板设计上普遍采用。桥梁正交异性板结构就是为了增加桥面板、底板或腹板的刚度，在面板、底板或腹板上焊接一定数量的纵向和横向加劲肋的结构。由于其刚度在互相垂直的两个方向上有所不同，造成构造上的各向异性。

正交异性板上的纵向加劲肋一般采用U形肋或板肋。对于U形肋角焊缝的焊接，目前普遍采用气体保护焊手工方法或配角焊缝跟踪器焊接，受人为因素的影响，U形肋角焊缝的焊接质量有一定的波动，角焊缝的熔透深度不能稳定满足达到U形肋板厚的80%的要求，且角焊缝的外观成形难以保证一致性。在某些大型钢桥制造过程中，手工操作的低效率也往往成为按期完成生产计划的最大障碍。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法及其专用设备，能够解决现有技术的不足，保证U形肋角焊缝的焊接质量稳定性，提高生产效率。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法，尤其适用于钢桥的桥面板U形肋坡口角焊缝的自动化焊接，其步骤包括：

A、U形肋板单元的制备：通过定位焊将U形肋固定在桥面板上制备U形肋板单元；

B、将U形肋板单元卡固在反变形翻转胎架上，U形肋板单元在反变形翻转胎架上进行反变形，翻转反变形翻转胎架至U形肋角焊缝成船位，采用机器人自动化焊接系统的四个机器人焊接手进行U形肋一侧角焊缝的焊接；

C、一侧U形肋角焊缝焊完后，将反变形翻转胎架翻转至另一侧U肋角焊缝成船位，采用机器人自动化焊接系统的四个机器人焊接手进行U形肋另一侧角焊缝的焊接。

其中，步骤A“U形肋板单元的制备”的具体操作过程为：

A-1、U形肋坡口加工、压型：首先将U形肋用钢板擀平后按照U形肋展开宽度和长度并预留一定加工量进行下料，钢板两侧铣边并加工角焊缝坡口，然后在压型机上压制成U型；

A-2、桥面板下料：将桥面板擀平后下料；

A-3、待焊接区域清理：将U形肋、桥面板上待焊接区域及两侧待焊接范围内的铁锈、油污、水分等焊接有害物清除干净；

A-4、U形肋板单元的组装：在桥版面上画制U形肋组装定位线，然后按照定位线进行U形肋组装，并进行定位焊，即形成完整的U形肋板单元。

步骤B、C的焊接工艺中采用优化的气体保护焊丝，选用标准为：采用飞溅小、送丝稳定、药皮少的气体保护焊桶装焊丝。

步骤B、C的焊接工艺中采用优化的U形肋角焊缝工艺参数：焊接电流280～340A、电弧电压32～36V、焊速22～28m/h、保护气体流量15～25L/min。

步骤B、C的焊接工艺要求：有效保证U形肋角焊缝熔透深度不小于U形肋板厚的80%，U形肋坡口钝边P=1mm，坡口角度α=50°，根部组装间隙控制在0.5mm内，外观成型良好。

上述正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法的专用设备，其包括机器人自动化焊接系统及反变形翻转胎架，二者通过控制器实现自动化交互作业；其中，

所述机器人自动化焊接系统包括工作平台、设置在工作平台上的移动装置以及设置在移动装置上的两套独立的悬臂行走机构，每套悬臂行走机构上设置两支机器人焊接手；机器人焊接手之间通过有线或无线方式进行实时通信，根据其中一个焊接手的施焊情况对另一个焊接手进行实时修正，实现互补焊接作业；

所述反变形翻转胎架包括墩座、铰接设置在墩座上的翻转架及设置在翻转架两端的两组压紧爪，翻转架及压紧爪上分别设置翻转液压缸及压紧液压缸作为其动力装置。

所述机器人自动化焊接系统还包括机器人总控制柜、焊接电源、焊丝桶和焊接冷却系统。

所述机器人自动化焊接系统的工作平台上容置至少两组U形肋板单元，每组U形肋板单元对应多组反变形翻转胎架，控制器对多组反变形翻转胎架进行自动控制，当机器人焊接手焊接一个反变形翻转胎架上的U形肋板单元时，在其他的反变形翻转胎架上对U形肋板单元进行卡固定位，实现整机不间断焊接作业。

所述机器人自动化焊接系统还包括机器人示教编程器，其具有操作模式转换、暂停、急停功能；其编程方式采用示教菜单提示人机对话方式，完成坐标系选择、各示教点修改、各轴点动操作，并对焊接速度、焊接电压、焊接电流在工作或停止状态进行微调修改；实现关节运动圆弧及曲线差补功能，并显示机器人本体和周边设备的报警、自诊断内容记录。

所述机器人自动化焊接系统还包括高性能电弧传感跟踪系统，其监测焊接过程中机器人焊接手的摆动，感知焊接电流和电弧电压的变化，实现对焊缝的跟踪，同时对跟踪结果产生记忆，在往复多层多道焊中，利用在先焊接工序时获取的传感信息，经控制器整理计算，实时调整后续焊接工序。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明实现了板单元船位翻转与机器人焊接自动化控制为一体，在国内和国际钢桥制造领域首次提出，并进行了试验研究，在同行业技术领先，构思独特、巧妙，具有巨大应用价值和市场前景，其有益效果分述如下：

①由于将正交异性板U形肋角焊缝焊接机器人与反变形翻转胎相结合，采用了正交异性板U形肋角焊缝机器人自动化反变形焊接技术，钢桥结构的焊接质量具有很大改善，生产效率明显提高，实用性强，具有很高的经济效益和社会效益；

②所述机器人自动化焊接系统设置两套悬臂行走机构，每套悬臂行走机构上设置两支机器人焊接手；一方面可以实现多进程焊接作业，焊接效率明显提高；另一方面，藉助高性能电弧传感跟踪系统及控制器，实现不同机器人焊接手之间的实时通信，根据其中一个焊接手的施焊情况对另一个焊接手进行实时修正，实现互补焊接作业，焊接质量明显提高；

③机器人自动化焊接系统的工作平台上容置至少两组U形肋板单元，每组U形肋板单元对应多组反变形翻转胎架，控制器对多组反变形翻转胎架进行自动控制，当机器人焊接手焊接一个反变形翻转胎架上的U形肋板单元时，在其他的反变形翻转胎架上对U形肋板单元进行卡固定位，实现整机不间断焊接作业；

④本发明所采用的高新能电弧传感跟踪系统，靠电弧本身进行传感，不需要在焊枪上安装外部传感器，是一种适用性很好的传感形式，结合控制器，可以对焊缝偏移或工件安装误差进行实时检测、机器人自动跟踪补正；

⑤本发明的机器人示教编程器具有操作模式转换、暂停、急停功能，能够完成坐标系选择、各示教点修改、各轴点动操作，并对焊接速度、焊接电压、焊接电流在工作或停止状态进行微调修改，实现关节运动圆弧及曲线差补功能，并显示机器人本体和周边设备的报警、自诊断内容记录；

⑥本发明的反变形翻转胎架采用双液压控制，驱动精确，与控制器通信方便，便于自动化操作；

⑦焊接过程中采用飞溅小、送丝稳定、药皮少的气体保护焊桶装焊丝，能够发挥机器人焊接的最佳效果，保证焊接质量；

⑧通过大量的焊接试验优化焊接工艺参数：焊接电流280～340A、电弧电压32～36V、焊速22～28m/h、保护气体流量15～25L/min，对于保证焊接质量的稳定性具有十分重要的意义；

⑨设置U形肋坡口钝边P=1mm，坡口角度α=50°，根部组装间隙控制在0.5mm内，有效保证U形肋角焊缝熔透深度不小于U形肋板厚的80%，外观成型良好。

附图说明

图1是U形肋板单元的结构示意图。

图2是本发明专用设备的整体结构示意图。

图3是反变形翻转胎架的结构示意图。

图4是U形肋角焊缝的坡口形式和熔敷简图。

图5是本发明的工艺步骤简图。

图中：1、桥面板；2、U形肋；3、U形肋板单元；4、反变形翻转胎架；41、墩座；42、翻转架；43、压紧爪；44、翻转液压缸；45、压紧液压缸；51、工作平台；52、移动装置；53、悬臂行走机构；54、机器人焊接手；6、横肋。

具体实施方式

实施例1

本发明的正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法，其步骤包括：

U形肋板单元的制备：通过定位焊将U形肋2固定在桥面板1上制备U形肋板单元3；具体操作过程如下：

A-1、U形肋坡口加工、压型：首先将U形肋2用钢板擀平后按照U形肋2展开宽度和长度并预留一定加工量进行下料，钢板两侧铣边并加工角焊缝坡口，然后在压型机上压制成U型；

A-2、桥面板下料：将桥面板1擀平后下料；

A-3、待焊接区域清理：将U形肋2、桥面板1上待焊接区域及两侧待焊接范围内的铁锈、油污、水分等焊接有害物清除干净；

A-4、U形肋板单元的组装：在桥版面上画制U形肋2组装定位线，然后按照定位线进行U形肋2组装，并进行定位焊，即形成完整的U形肋板单元3；

B、将U形肋板单元3卡固在反变形翻转胎架4上，U形肋板单元3在反变形翻转胎架4上进行反变形，翻转反变形翻转胎架4至U形肋角焊缝成约40°船位，采用机器人自动化焊接系统的四个机器人焊接手54进行U形肋2一侧角焊缝的焊接，分两道进行焊接U；

C、一侧U形肋角焊缝焊完后，将反变形翻转胎架4翻转至另一侧U肋角焊缝成约40°船位，采用机器人自动化焊接系统的四个机器人焊接手54进行U形肋2另一侧角焊缝的焊接，分两道进行焊接U；

步骤B、C的焊接工艺中采用合适的气体保护焊丝，为保证U形肋角焊缝焊接过程中，能够采用加长长度8~10米的送丝软管，进行连续焊接且道间不清理药皮，需要采用一种飞溅小、送丝稳定、药皮少的气体保护焊桶装焊丝，焊丝牌号为MX-200H；步骤B、C的焊接工艺中采用优化的U形肋角焊缝工艺参数：焊接电流280～340A、电弧电压32～36V、焊速22～28m/h、保护气体流量15～25L/min；步骤B、C的焊接工艺要求：有效保证U形肋角焊缝熔透深度不小于U形肋2板厚的80%，U形肋2坡口钝边P=1mm，坡口角度α=50°，根部组装间隙控制在0.5mm内，通过合理的焊接热输入，保证焊缝无裂纹、气孔、咬边、焊瘤等缺陷，接头硬度不大于350HV₁₀，同时外观成型良好；

步骤B、C的工艺步骤中采用机器人示教编程器，其具有操作模式转换、暂停、急停等功能，示教编程操作器具有机器人编程的所有功能，编程方式采用示教菜单提示人机对话方式进行，示教编程操作器可完成坐标系选择，各示教点修改，各轴点动操作并对焊接速度、焊接电压、电流在工作或停止状态进行微调修改，控制系统具有关节运动圆弧及曲线差补功能，示教操作器可以显示机器人本体和周边设备的报警、自诊断内容记录；

步骤B、C的工艺步骤中采用高性能电弧传感跟踪系统，其监测焊接过程中机器人焊接手的摆动，感知焊接电流和电弧电压的变化，实现对焊缝的跟踪，同时对跟踪结果产生记忆，在往复多层多道焊中，利用在先焊接工序时获取的传感信息，经控制器整理计算，实时调整后续焊接工序。

实施例2

正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法的专用设备，其包括机器人自动化焊接系统及反变形翻转胎架4，二者通过控制器实现自动化交互作业；

其中，机器人自动化焊接系统包括工作平台51、设置在工作平台51上的移动装置52以及设置在移动装置52上的两套独立的悬臂行走机构53，每套悬臂行走机构53上设置两支机器人焊接手54；机器人焊接手54之间通过有线或无线方式进行实时通信，根据其中一个焊接手的施焊情况对另一个焊接手进行实时修正，实现互补焊接作业；机器人自动化焊接系统还包括机器人总控制柜、焊接电源、焊丝桶和焊接冷却系统（悬臂行走机构53能够承载机构设计中所需要的各系统重量外，还必须能够承载对应机器人数量的筒装焊丝（250kg/桶）的重量）；机器人自动化焊接系统的工作平台51上容置至少两组U形肋板单元3，每组U形肋板单元3对应多组反变形翻转胎架4，控制器对多组反变形翻转胎架4进行自动控制，当机器人焊接手54焊接一个反变形翻转胎架4上的U形肋板单元3时，在其他的反变形翻转胎架4上对U形肋板单元3进行卡固定位，实现整机不间断焊接作业；机器人自动化焊接系统还包括机器人示教编程器，其具有操作模式转换、暂停、急停功能；其编程方式采用示教菜单提示人机对话方式，完成坐标系选择、各示教点修改、各轴点动操作，并对焊接速度、焊接电压、焊接电流在工作或停止状态进行微调修改；实现关节运动圆弧及曲线差补功能，并显示机器人本体和周边设备的报警、自诊断内容记录；机器人自动化焊接系统还包括高性能电弧传感跟踪系统，其监测焊接过程中机器人焊接手的摆动，感知焊接电流和电弧电压的变化，实现对焊缝的跟踪，同时对跟踪结果产生记忆，在往复多层多道焊中，利用在先焊接工序时获取的传感信息，经控制器整理计算，实时调整后续焊接工序；

反变形翻转胎架4包括墩座41、铰接设置在墩座41上的翻转架42及设置在翻转架42两端的两组压紧爪43，翻转架42及压紧爪43上分别设置翻转液压缸44及压紧液压缸45作为其动力装置。

另外，参看附图1-5，图1给出了U形肋板单元的结构示意图。图5给出了本发明的工艺框图，第一道工序是U形肋坡口加工、压型，桥面板下料，包括：U形肋用钢板下料后坡口加工、压型成为U形肋；桥面板下料；第二道工序是待焊接区域清理和U形肋组装，包括：将U形肋、桥面板上待焊接区域的焊接有害物清理打磨干净，然后按照桥面板上的U形肋组装定位线进行U形肋组装，并进行定位焊；第三道工序是将U形肋板单元卡固在反变形胎架上，翻转反变形胎架至U形肋角焊缝成船位，采用机器人自动化焊接系统的四个焊接手同时进行U形肋一侧角焊缝的焊接。第四道工序是翻转胎翻转，另一侧U形肋角焊缝成船位，采用机器人自动化焊接系统的四个焊接手同时进行U形肋另一侧角焊缝的焊接。在图2中给出了本发明中U形肋角焊缝机器人焊接设备构成图；焊接机器人在悬臂结构上可以左右上下移动，臂结构固定在移动装置上，移动装置可以沿轨道前后行走；移动装置上固定机器人控制柜、焊接电源、焊丝桶和焊接冷却系统等；为了实现板单元的船位焊接和自动控制翻转，将U形肋板单元卡固在液压反变形翻转胎上焊接。在图3中给出了本发明中液压反变形翻转胎结构简图；翻转架与墩座间铰接，压紧液压缸控制压紧爪将U形肋板单元卡固在翻转架上，翻转液压缸控制翻转架的翻转。在图4中给出了本发明中U形肋角焊缝的坡口形式和熔敷简图；一般桥面板上常用U形肋的板厚为8~10mm，U形肋与桥面板通过角焊缝连接；为了保证U形肋角焊缝不焊漏并且熔透，坡口钝边P=1mm，坡口角度а=50°，根部组装间隙控制在0.5mm以内。每侧U形肋坡口角焊缝分两道焊接。

本发明是针对目前正交异性桥面板U形肋角焊缝单面焊焊接质量不稳定，生产效率低而发明的，具有很强的针对性。本发明将正交异性板U形肋角焊缝焊接机器人与反变形翻转胎相结合，实现了板单元船位翻转与机器人焊接自动化控制为一体，在国内和国际钢桥制造领域首次提出，并进行了试验研究，在同行业技术领先，构思独特、巧妙，具有创造性和先进性。由于采用了正交异性板U形肋角焊缝机器人自动化反变形焊接技术，钢桥结构的焊接质量具有很大改善，生产效率明显提高，实用性强，具有很高的经济效益和社会效益。本发明中用于U形肋角焊缝焊接的机器人自动化焊技术，还适用于类似板单元结构的焊接，适用性强，可以在船舶钢结构、机械钢结构、建筑钢结构等钢结构制造领域广泛推广应用，适用范围广。本发明所涉及的一种正交异性板U形肋角焊缝机器人自动化焊技术，其中包括的技术方案，制订依据都是建立在系统完整的机构功能配置和焊接试验研究的基础之上，具有充分的客观性和合理性。

上述描述仅作为本发明可实施的技术方案提出，不作为对其技术方案本身的单一限制条件。

Claims (10)

1.正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法，尤其适用于钢桥的桥面板U形肋坡口角焊缝的自动化焊接，其特征步骤包括：

A、U形肋板单元的制备：通过定位焊将U形肋（2）固定在桥面板（1）上制备U形肋板单元（3）；

B、将U形肋板单元（3）卡固在反变形翻转胎架（4）上，U形肋板单元（3）在反变形翻转胎架（4）上进行反变形，翻转反变形翻转胎架（4）至U形肋角焊缝成船位，采用机器人自动化焊接系统的四个机器人焊接手（54）进行U形肋（2）一侧角焊缝的焊接；

C、一侧U形肋角焊缝焊完后，将反变形翻转胎架（4）翻转至另一侧U肋角焊缝成船位，采用机器人自动化焊接系统的四个机器人焊接手（54）进行U形肋（2）另一侧角焊缝的焊接。

2.根据权利要求1所述的正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法，其特征在于：步骤A“U形肋板单元的制备”的具体操作过程为：

A-1、U形肋坡口加工、压型：首先将U形肋（2）用钢板擀平后按照U形肋（2）展开宽度和长度并预留一定加工量进行下料，钢板两侧铣边并加工角焊缝坡口，然后在压型机上压制成U型；

A-2、桥面板下料：将桥面板（1）擀平后下料；

A-3、待焊接区域清理：将U形肋（2）、桥面板（1）上待焊接区域及两侧待焊接范围内的铁锈、油污、水分等焊接有害物清除干净；

A-4、U形肋板单元的组装：在桥版面上画制U形肋（2）组装定位线，然后按照定位线进行U形肋（2）组装，并进行定位焊，即形成完整的U形肋板单元（3）。

3.根据权利要求1所述的正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法，其特征在于：步骤B、C的焊接工艺中采用优化的气体保护焊丝，选用标准为：采用飞溅小、送丝稳定、药皮少的气体保护焊桶装焊丝。

4.根据权利要求1所述的正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法，其特征在于：步骤B、C的焊接工艺中采用优化的U形肋角焊缝工艺参数：焊接电流280～340A、电弧电压32～36V、焊速22～28m/h、保护气体流量15～25L/min。

5.根据权利要求1所述的正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法，其特征在于：步骤B、C的焊接工艺要求：有效保证U形肋角焊缝熔透深度不小于U形肋（2）板厚的80%，U形肋（2）坡口钝边P=1mm，坡口角度α=50°，根部组装间隙控制在0.5mm内，外观成型良好。

6.权利要求1所述正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法的专用设备，其特征在于：其包括机器人自动化焊接系统及反变形翻转胎架（4），二者通过控制器实现自动化交互作业；其中，

所述机器人自动化焊接系统包括工作平台（51）、设置在工作平台（51）上的移动装置（52）以及设置在移动装置（52）上的两套独立的悬臂行走机构（53），每套悬臂行走机构（53）上设置两支机器人焊接手（54）；机器人焊接手（54）之间通过有线或无线方式进行实时通信，根据其中一个焊接手的施焊情况对另一个焊接手进行实时修正，实现互补焊接作业；

所述反变形翻转胎架（4）包括墩座（41）、铰接设置在墩座（41）上的翻转架（42）及设置在翻转架（42）两端的两组压紧爪（43），翻转架（42）及压紧爪（43）上分别设置翻转液压缸（44）及压紧液压缸（45）作为其动力装置。

7.根据权利要求6所述的正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法的专用设备，其特征在于：所述机器人自动化焊接系统还包括机器人总控制柜、焊接电源、焊丝桶和焊接冷却系统。

8.根据权利要求6所述的正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法的专用设备，其特征在于：所述机器人自动化焊接系统的工作平台（51）上容置至少两组U形肋板单元（3），每组U形肋板单元（3）对应多组反变形翻转胎架（4），控制器对多组反变形翻转胎架（4）进行自动控制，当机器人焊接手（54）焊接一个反变形翻转胎架（4）上的U形肋板单元（3）时，在其他的反变形翻转胎架（4）上对U形肋板单元（3）进行卡固定位，实现整机不间断焊接作业。

9.根据权利要求6所述的正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法的专用设备，其特征在于：所述机器人自动化焊接系统还包括机器人示教编程器，其具有操作模式转换、暂停、急停功能；其编程方式采用示教菜单提示人机对话方式，完成坐标系选择、各示教点修改、各轴点动操作，并对焊接速度、焊接电压、焊接电流在工作或停止状态进行微调修改；实现关节运动圆弧及曲线差补功能，并显示机器人本体和周边设备的报警、自诊断内容记录。

10.根据权利要求6所述的正交异性板U形肋角焊缝机器人焊接方法的专用设备，其特征在于：所述机器人自动化焊接系统还包括高性能电弧传感跟踪系统，其监测焊接过程中机器人焊接手的摆动，感知焊接电流和电弧电压的变化，实现对焊缝的跟踪，同时对跟踪结果产生记忆，在往复多层多道焊中，利用在先焊接工序时获取的传感信息，经控制器整理计算，实时调整后续焊接工序。

Images