CN103418890A - 用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，包括焊接车，完成焊接任务的执行单元；辅助车，完成焊接的前期任务和后期的处理任务；智能监控单元，负责对焊接车、辅助车的监测与控制，实现焊接作业的可视化跟踪与人工干预；电源单元，提供焊接过程的工作电源；焊接车为两辆，辅助车为两辆，焊接车与辅助车间隔分布在管道的外侧，相邻之间的焊接车与辅助车通过弹性约束单元相连接，智能监控单元通过传输电缆分别与各焊接车、辅助车相连接。本发明的管道焊接机器人，缩短焊接时间，提高效率，针对特殊钢材焊接前定温预热，焊接后定温回火，焊接质量高，在焊接作业时实现人工干预，适用于野外焊接作业。

Description

用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人

技术领域

本发明涉及一种管道焊接机器人，尤其涉及一种用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人。

背景技术

P91钢是美国七十年代末八十年代初开发的新型马氏体耐热钢，作为一种改进的9Cr-1MoV钢种，具有高温强度高、抗氧化性能和抗蠕变性能好以及具有相对高的热传导性与低的热膨胀率等特点，已成为一大批新建超临界机组、超超临界机组锅炉最关键部件用钢，如近年来的许多大型火力发电站机组建设中，主蒸汽管道都普遍采用P91钢。P91钢填补了铁素体钢与奥氏体钢间的空白，其焊件具有较小的截面尺寸，有效地降低了焊件壁厚，减少了材料用量，降低了管道热应力，减少了热疲劳裂纹的危险。

然而，众所周知，焊接劳动强度大，工作条件恶劣，特别是P91钢等特殊钢材的焊接，其焊接过程复杂，工艺特殊，且质量要求高，传统焊接工艺的实施主要依靠手工操作实施，手工操作具有以下三大特点：烟尘多，热辐射强，危险性高。在这种环境下长期工作对焊工的身体极为不利，同时容易导致工人疲劳，难以保证焊接质量的稳定。焊接工作环境、焊接产品和工艺的复杂性、焊接质量和精度的高要求，迫切需要实现焊接自动化，用“机器代替人焊接”。

随着21世纪计算机与自动化技术的发展，工业机器人技术成为当今世界最引人瞩目的高新产业之一，焊接机器人领域也取得了巨大进步。近年来，焊接机器人以其效率高、通用性强、质量稳定、工作可靠等优点，受到人们越来越多的重视，目前己广泛应用于船舶、汽车、兵器、铁路车辆、建筑机械等行业，对提高焊接质量、降低成产成本起到了重大作用，焊接机器人的优势归纳如下：

1)可在恶劣环境场工作，甚至可在极限条件下完成人工难以进行的焊接作业，改善工人劳动环境；2)可一天24小时连续工作，提高生产率；3)保证焊接质量稳定性和均一性；4)降低对工人操作技术的要求；5)缩短生产周期，减少相应投资；6)可以实现小批量产品的焊接自动化。

焊接机器人可以实现用稳定的工艺条件保证产品焊接质量并满足产品各项性能指标要求，同时焊缝成形良好，满足产品外观质量要求，可以说，焊接机器人是焊接自动化的革命性进步。

但是，目前市面上还没有出现适应于野外特殊钢材（P91钢）管道焊接的专用焊接机器人，现阶段还是采用传统手工焊接野外的特殊钢材管道，同样存在焊接烟尘多、热辐射强、危险性高、焊接质量不稳定、效率低的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的有出现适应于野外特殊钢材（如P91钢）管道焊接的专用焊接机器人，现阶段还是采用传统手工焊接野外的特殊钢材管道，同样存在焊接烟尘多、热辐射强、危险性高、焊接质量不稳定、效率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：包括

焊接车，完成焊接任务的执行单元；

辅助车，完成焊接的前期任务和后期的处理任务；

智能监控单元，负责对焊接车、辅助车的监测与控制，实现焊接作业的可视化跟踪与人工干预；

电源单元，提供焊接过程的工作电源；

所述焊接车为两辆，辅助车为两辆，焊接车与辅助车间隔分布在管道的外侧，相邻之间的焊接车与辅助车通过弹性约束单元相连接，所述智能监控单元通过传输电缆分别与各焊接车、辅助车相连接。

前述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述焊接车包括行走机构、焊枪机构和送丝机构，所述行走机构为复合轮式机构，包括位于焊接车底部两侧的轮子，轮子分别通过金属杆活动连接至焊接车的车厢底部，金属杆绕焊接车车厢底部的连接支点360°转动，通过智能监控单元内的伺服电机控制轮子，实现焊接车正、反向360°行走。

前述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述焊枪机构包括焊枪、焊枪位置调整装置和焊枪摆动装置，所述焊枪上设有用于气体保护电弧焊的气体喷嘴、位置传感器、绝对角度传感器和摄像机，所述位置传感器、绝对角度传感器和摄像机均通过传输电缆与智能监控单元相连接；所述焊枪位置调整装置包括智能监控单元通过内部的三组步进电机来控制的左右调整机构、高低调整机构和焊枪角度调整机构；所述摄像机与左右调整机构构成与管道坡口平行的自动跟踪系统，完成管道坡口的多层多道的往复焊接；所述位置传感器与高低调整机构，用于实现焊枪高度的自动跟踪；所述绝对角度传感器与焊枪角度调整机构，用于控制焊枪角度位移的自动跟踪；所述焊枪摆动装置包括摆动中心传感器、滚珠丝杠、驱动滑块机构和焊枪夹持机构，所述摆动中心传感器与智能监控单元相连接，根据摆动中心传感器采集的数据，智能监控单元内的高速步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠旋转，带动驱动滑块机构通过丝杠螺母作轴向直线运动，焊枪夹持机构与驱动滑块机相连接，实现焊枪的摆动运动。

前述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述送丝机构采用两轮送丝方式，包括主送丝轮、压紧轮和焊丝导向管，智能监控单元内的送丝电机驱动主送丝轮及其上的主齿轮旋转，通过主、从动齿轮啮合传到压紧轮上，焊丝经导向管贯穿主送丝轮、压紧轮，使进入焊枪的焊丝修整笔直。

前述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述辅助车包括行走机构、预热装置和测温装置，所述行走机构为复合轮式机构，包括位于辅助车底部两侧的轮子，轮子分别通过金属杆活动连接至辅助车的车厢底部，金属杆绕辅助车车厢底部的连接支点360°转动，通过智能监控单元内的伺服电机控制轮子，实现辅助车正、反向360°行走。

前述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述预热装置采用电磁加热方式，所述测温装置与智能监控单元相连接。

前述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述智能监控单元还包括可视化焊接跟踪模块、人工干预模块和PLC控制器，所述人工干预模块为控制面板，对焊接车进行人工调整控制，包括人工调整焊接车方向、车速；所述PLC控制器接收各传感器及摄像机采集的数据，并输出控制各电机的控制信号；所述可视化焊接跟踪模块与PLC控制器相连接。

前述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述弹性约束单元为弹簧，弹簧将各焊接车、辅助车连接，并将约束于管道的外表面。

前述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述电源单元为便携式的外置电源。

前述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：还包括野外施工罩，所述野外施工罩罩套在各焊接车、辅助车的外侧。

本发明的有益效果是：本发明的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，具有以下优点，

（1）本发明的管道焊接机器人，应用两辆焊接车同时焊接，缩短焊接时间，提高效率；

（2）本发明的管道焊接机器人，用辅助车来完成预热及测温工作，针对特殊钢材焊接前定温预热，焊接后定温回火，焊接质量高；

（3）本发明的管道焊接机器人，焊枪机构设置在智能监控单元的控制下，能够完成氩弧焊、电弧焊、点焊等焊接要求，满足特殊钢材焊接的各种工艺要求；

（4）本发明的管道焊接机器人，采用模块化设计，焊接时两辆焊接车与两辆辅助车间隔布置于管道周围，并由四条弹簧带组成约束机构，将四辆车连接，使整套焊接设备约束在管道表面，与传统的导轨式约束相比，安装更简单，携带更轻便，适用场所广泛；

（5）本发明的管道焊接机器人，在实施焊接作业时能实时监测摄像机和各传感器，并输出为图像和各施工数据，包括温度、压力、焊接车速度，实现高温焊接作业的可视化跟踪；

（6）本发明的管道焊接机器人，在焊接作业时实现人工干预，通过控制面板对焊接车进行调整控制，包括调整焊接车方向、调整焊接车速度等；

（7）本发明的管道焊接机器人，采用便携式的外置电源，还包含野外施工罩，适用于野外焊接作业。

附图说明

图1是本发明的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人的结构示意图。

图2是本发明的行走机构的结构示意图。

图3是本发明的焊接车焊枪的结构示意图。

图4是本发明的智能监控单元的系统框图。

图5是本发明的本发明的管道焊接机器人焊接P91钢特殊钢材焊接作业时的侧面示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，包括

焊接车，完成焊接任务的执行单元；

辅助车，完成焊接的前期任务和后期的处理任务；

智能监控单元，负责对焊接车、辅助车的监测与控制，实现焊接作业的可视化跟踪与人工干预；

电源单元，为便携式的外置电源，提供焊接过程的工作电源，适用于野外焊接作业；

所述焊接车为两辆A、C，辅助车为两辆B、D，焊接车与辅助车间隔分布在管道G的外侧，相邻之间的焊接车与辅助车通过弹性约束单元相连接，智能监控单元通过传输电缆分别与各焊接车、辅助车相连接，弹性约束单元为弹簧，共四段分别为P1、P2、P3、P4，弹簧将各焊接车、辅助车连接，并将约束于管道G的外表面。

所述焊接车包括行走机构、焊枪机构和送丝机构，所述行走机构为复合轮式机构，包括位于焊接车底部两侧的轮子，轮子分别通过金属杆活动连接至焊接车的车厢底部，金属杆绕焊接车车厢底部的连接支点360°转动，通过智能监控单元内的伺服电机控制轮子，实现焊接车正、反向360°行走如，图2所示，是行走机构的示意图， O1、O2为两个小轮中心，O3为焊接车车厢底部的连接支点，金属杆O1O3O2为一个整体，其可绕连接支点O3转动，当其中一个小轮如O1抬高距离L时，点O4抬高L/2，则可认为点O3也是抬高了L/2，采用复合轮机构的好处是，焊接车可以比较平稳地经过管道表面的障碍物而不引起大的波动，这样可以尽可能地保持焊接的稳定性，保证焊接质量。

所述焊枪机构包括焊枪、焊枪位置调整装置和焊枪摆动装置，所述焊枪上设有用于气体保护电弧焊的气体喷嘴、位置传感器、绝对角度传感器和摄像机，气体喷嘴是由于特殊钢材（P91钢）的焊接工艺需要氩弧焊打底，电弧焊盖面，因此焊枪上还加了气体喷嘴，如图3所示为焊接车的焊枪示意图，1是焊丝，2是气体喷嘴，3是各传感器和摄像机装置，4是气体喷嘴喷出的氩气，5是电弧，6是熔池，7是管道焊缝，8是管道，位置传感器、绝对角度传感器和摄像机均通过传输电缆与智能监控单元相连接；所述焊枪位置调整装置包括智能监控单元通过内部的三组步进电机来控制的左右调整机构、高低调整机构和焊枪角度调整机构；所述摄像机与左右调整机构构成与管道坡口平行的自动跟踪系统，完成管道坡口的多层多道的往复焊接；位置传感器与高低调整机构，用于实现焊枪高度的自动跟踪；绝对角度传感器与焊枪角度调整机构，用于控制焊枪角度位移的自动跟踪；焊枪摆动装置包括摆动中心传感器、滚珠丝杠、驱动滑块机构和焊枪夹持机构，摆动中心传感器与智能监控单元相连接，根据摆动中心传感器采集的数据，智能监控单元内的高速步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠旋转，带动驱动滑块机构通过丝杠螺母作轴向直线运动，焊枪夹持机构与驱动滑块机相连接，实现焊枪的摆动运动，焊枪摆动装置的性能好坏将直接影响焊缝的成形，根据焊接工艺要求，焊枪摆动到两端时必须有一定的停留时间，停留时间很短，可由智能控制单元进行控制，焊枪摆动装置实际上是一个带间歇的往复直线运动的机构，采用高速电机驱动控制。

所述送丝机构采用两轮送丝方式，包括主送丝轮、压紧轮和焊丝导向管，智能监控单元内的送丝电机驱动主送丝轮及其上的主齿轮旋转，通过主、从动齿轮啮合传到压紧轮上，焊丝经导向管贯穿主送丝轮、压紧轮，使进入焊枪的焊丝修整笔直、以便在焊接过程中不会出现卡焊丝现象。

所述辅助车包括行走机构、预热装置和测温装置，所述行走机构为复合轮式机构，包括位于辅助车底部两侧的轮子，轮子分别通过金属杆活动连接至辅助车的车厢底部，金属杆绕辅助车车厢底部的连接支点360°转动，通过智能监控单元内的伺服电机控制轮子，实现辅助车正、反向360°行走，辅助车的行走机构与焊接车的一致，这里就不详细描述。

所述预热装置采用电磁加热方式，所述测温装置与智能监控单元相连接，用于实现针对特殊钢材（如P91钢）焊接前需定温预热，焊接后需定温回火的焊接工艺要求，辅助车的预热装置及测温装置来完成预热及测温工作。

所述智能监控单元还包括PLC控制器和控制面板，控制面板能够输入特定指令和参数来控制焊接车和辅助车的动作，实现人工调整控制，包括人工调整焊接车方向、车速；PLC控制器接收各传感器及摄像机采集的数据，这些数据既可以不作处理直接输出，也可以经处理后转换为控制信号从而调整和控制焊接车和辅助车的工作。

如图4所示，智能监控单元包括摄像机模块、传感器模块、可视化焊接跟踪模块、人工干预模块、电机和PLC控制器，摄像机模块为安装在焊枪上的摄像机，传感器模块包括上述安装在焊接车、辅助车上的各类传感器，人工干预模块为控制面板，能够输入特定指令和参数来控制焊接车和辅助车的动作，实现人工调整控制，包括人工调整焊接车方向、车速；PLC控制器接收各传感器及摄像机采集的数据，这些数据既可以不作处理直接输出，也可以经处理后转换为控制信号从而调整和控制焊接车和辅助车的工作，工作过程如下，摄像机模块和传感器模块收集的数据经PLC监控中心的处理后，可在可视化跟踪单元显示，可视化跟踪模块中，上方的大屏幕显示所选位置摄像机拍摄的实时画面，大屏幕下方的A、B、C、D四个LED小屏幕显示所选位置传感器所监测的温度、压力、焊接车速度等数值，而再下方的圆形按钮则用于显示器的电源开关、各摄像机和传感器的选择设置等，其中P键用于开启或关闭显示器，S键用于设置，人工干预模块为人工调整焊接设备的状态，其中，左边的+、-键用于焊接车的加速或减速，L、R键用于调整焊接车的前进方向；右边的圆形按钮同样用于开关及焊接车的选取；右上方的矩形LED显示屏则用于显示所选取的焊接车编号。

如图5所示，本发明的管道焊接机器人焊接P91钢特殊钢材焊接作业时的侧面示意图，由于P91钢钢材焊接工艺的特殊性，因此管道焊接机器人的焊接过程也较特殊，将焊接车及辅助车固定安装好之后，，辅助车的行走机构开始动作，辅助车B、D要先通过电磁加热装置Xb、Xd对焊接管道G进行预热；当焊接车的温度传感器监测到管道温度在200℃—250℃之间时，经智能监控单元控制，焊接车的焊枪Xa、Xc开始焊接，焊接工艺为氩弧焊打底，电弧焊盖面；焊接时两辆焊接车同时进行，此时行走机构运行速度应以满足低速焊接车的要求为主；焊接完成后需自然冷却，直到温度传感器监测的温度为100℃，再由智能监控单元控制，进行后热处理及回火处理，图中V为野外施工罩，焊接作业时，野外施工罩罩在整套焊接设备的外面，起到防风、防止环境因素影响焊接作业的作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：包括

焊接车，完成焊接任务的执行单元；

辅助车，完成焊接的前期任务和后期的处理任务；

智能监控单元，负责对焊接车、辅助车的监测与控制，实现焊接作业的可视化跟踪与人工干预；

电源单元，提供焊接过程的工作电源；

所述焊接车为两辆，辅助车为两辆，焊接车与辅助车间隔分布在管道的外侧，相邻之间的焊接车与辅助车通过弹性约束单元相连接，所述智能监控单元通过传输电缆分别与各焊接车、辅助车相连接。

2.根据权利要求1所述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述焊接车包括行走机构、焊枪机构和送丝机构，所述行走机构为复合轮式机构，包括位于焊接车底部两侧的轮子，轮子分别通过金属杆活动连接至焊接车的车厢底部，金属杆绕焊接车车厢底部的连接支点360°转动，通过智能监控单元内的伺服电机控制轮子，实现焊接车正、反向360°行走。

3.根据权利要求2所述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述焊枪机构包括焊枪、焊枪位置调整装置和焊枪摆动装置，所述焊枪上设有用于气体保护电弧焊的气体喷嘴、位置传感器、绝对角度传感器和摄像机，所述位置传感器、绝对角度传感器和摄像机均通过传输电缆与智能监控单元相连接；所述焊枪位置调整装置包括智能监控单元通过内部的三组步进电机来控制的左右调整机构、高低调整机构和焊枪角度调整机构；所述摄像机与左右调整机构构成与管道坡口平行的自动跟踪系统，完成管道坡口的多层多道的往复焊接；所述位置传感器与高低调整机构，用于实现焊枪高度的自动跟踪；所述绝对角度传感器与焊枪角度调整机构，用于控制焊枪角度位移的自动跟踪；所述焊枪摆动装置包括摆动中心传感器、滚珠丝杠、驱动滑块机构和焊枪夹持机构，所述摆动中心传感器与智能监控单元相连接，根据摆动中心传感器采集的数据，智能监控单元内的高速步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠旋转，带动驱动滑块机构通过丝杠螺母作轴向直线运动，焊枪夹持机构与驱动滑块机相连接，实现焊枪的摆动运动。

4.根据权利要求2所述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述送丝机构采用两轮送丝方式，包括主送丝轮、压紧轮和焊丝导向管，智能监控单元内的送丝电机驱动主送丝轮及其上的主齿轮旋转，通过主、从动齿轮啮合传到压紧轮上，焊丝经导向管贯穿主送丝轮、压紧轮，使进入焊枪的焊丝修整笔直。

5.根据权利要求1所述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述辅助车包括行走机构、预热装置和测温装置，所述行走机构为复合轮式机构，包括位于辅助车底部两侧的轮子，轮子分别通过金属杆活动连接至辅助车的车厢底部，金属杆绕辅助车车厢底部的连接支点360°转动，通过智能监控单元内的伺服电机控制轮子，实现辅助车正、反向360°行走。

6.根据权利要求1所述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述预热装置采用电磁加热方式，所述测温装置与智能监控单元相连接。

7.根据权利要求1所述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述智能监控单元还包括可视化焊接跟踪模块、人工干预模块和PLC控制器，所述人工干预模块为控制面板，对焊接车进行人工调整控制，包括人工调整焊接车方向、车速；所述PLC控制器接收各传感器及摄像机采集的数据，并输出控制各电机的控制信号；所述可视化焊接跟踪模块与PLC控制器相连接。

8.根据权利要求1所述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述弹性约束单元为弹簧，弹簧将各焊接车、辅助车连接，并将约束于管道的外表面。

9.根据权利要求1所述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：所述电源单元为便携式的外置电源。

10.根据权利要求1所述的用于特殊钢材野外施工焊接的管道焊接机器人，其特征在于：还包括野外施工罩，所述野外施工罩罩套在各焊接车、辅助车的外侧。

Images