CN104588839B - 一种用于大型复杂箱形结构件的焊缝自动跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构件焊接加工领域，具体是一种用于大型复杂箱形结构件的焊缝实时自动跟踪方法。解决了现有焊缝跟踪技术无法适应高温弧光烟尘及箱形方格的狭小空间限制和多种焊缝形式的统一跟踪要求，克服了自动焊接设备在线有效利用率低的缺点。步骤是：⑴、将组装成型的大型复杂箱形结构件放置在自动焊接工位上；⑵、在自动焊接设备的焊枪端部安装摆动撞针，通过撞针反复摆碰焊缝两边来反馈焊缝摆幅信息；⑶、通过设备控制系统与设定的理论摆幅进行比较，计算摆幅差值；⑷、依据摆幅差值调整焊枪姿态至正确位置，起弧施焊直至完成结构件所有焊缝的自动跟踪及焊接。本发明工艺合理、简洁，可操作性强，焊接质量有保证，生产效率高，适于广泛推广。

Description

一种用于大型复杂箱形结构件的焊缝自动跟踪方法

技术领域

本发明涉及结构件焊接加工领域，具体是一种用于大型复杂箱形结构件的焊缝实时自动跟踪方法。

背景技术

由异形的曲板、直板、贴板、垫板、盖板及各功能性成型件组成的具有网格形结构特征的中厚板结构件被称之为大型复杂箱形结构件，其通常由焊接加工完成。由于异形结构的存在，成型过程包含了修割、配做，使得装配上形成误差，造成焊缝位置和尺寸的变化，在采用自动化焊接时，焊缝轨迹需要提前引导和跟踪。公知的焊缝跟踪技术，分为焊枪外挂跟踪传感设备和无外挂的弧压跟踪技术两大类。

焊枪外挂跟踪传感设备：由于外挂的传感元器件无法承受高温弧光烟尘的长时间作用，使得焊接传感器防护尺寸大，相对于网格型箱形结构件而言，内部方格空间狭小，传感器需要在前后左右下5个方位安装，形成大的避让盲区，使得箱格底部能够施焊的焊缝很短，无法有效应用。

弧压跟踪技术：由于弧压跟踪技术能够实施的对象必须是同一特征的焊缝，面对异形结构件具有曲形焊缝、贴板坡口焊缝、角焊缝并存的焊缝特征，单一的弧压跟踪方式无法完整统一适应。

目前，大型复杂箱形结构件是采用人工示教方式完成焊缝轨迹的引导而实现自动焊接，由于人工示教在工位上占用有效时间，使自动焊接设备有效利用率降低；同时示教的人工技能不同，造成焊接成型质量不稳定、焊接强度整体不同。

发明内容

本发明为了解决现有焊缝跟踪技术无法适应高温弧光烟尘及箱形方格的狭小空间限制和多种焊缝形式的统一跟踪要求，以及人工示教无法保证焊缝成型质量的缺点，提供一种大型复杂箱形结构件的全位置焊接实时自动跟踪方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大型复杂箱形结构件的焊缝实时自动跟踪方法，采用如下步骤：

①、将组装成型的大型复杂箱形结构件放置在自动焊接工位上，启动自动焊接设备，其所配置的焊枪依据预先设置的焊接程序自动寻找到焊缝起点；同时，焊枪端部安装的摆动撞针在其驱动装置的作用下开始反复斜向摆动；

所述自动焊接设备是由数控电机驱动的可以实现X/Y/Z三轴移动以及X/Y/Z多轴旋转的关节式焊接机械手所组成的设备，其执行端部安装焊枪、摆动撞针及其驱动装置，通过控制系统进行集成控制；

②、当摆动撞针摆碰到焊缝两边时，摆动撞针摆幅数据被驱动装置上安装的摆幅编码器检测系统记录，并与设定的理论摆幅进行比较，计算出摆幅差值，然后通过自动焊接设备控制系统，按照摆幅差值调整焊枪位置，使焊枪处于焊缝施焊的正确位置；

③、焊枪位置调整正确后，按照焊接程序沿焊缝路径起弧施焊；同时，摆动撞针随着焊枪移动继续反复斜向摆动，摆碰焊缝两边，按照步骤②实时反馈摆幅信息，并实时调整焊枪位置；当在大型复杂箱形结构件内腔方格内施焊角焊缝时，摆动撞针摆碰角焊缝垂直两边，由于具有斜向摆动，在内腔方格转角处摆动撞针能够提前于焊枪而摆碰到侧边，从而能够提前将摆碰侧边的摆幅信息按照步骤②进行反馈，焊接程序依据摆幅边界条件判别而实施转角施焊程序，从而对结构件内腔方格周圈焊接实现实时自动跟踪及焊接；当对大型复杂箱形结构件外露坡口焊缝与角焊缝施焊时，由于摆动撞针摆碰坡口焊缝坡口两边与角焊缝垂直两边，其摆幅有明显不同，按照步骤②进行反馈后，焊接程序能够依据摆幅边界条件而自动判别实施坡口焊缝与角焊缝施焊程序，从而对结构件外露坡口焊缝与角焊缝自动实现连续衔接，完成多种焊缝统一实时自动跟踪及焊接；

重复以上步骤，直至焊接完成结构件所有焊缝，从而对大型复杂箱形结构件多种焊缝全位置焊接实现全自动实时跟踪。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明利用安装在焊枪端部的摆动撞针反复摆碰焊缝两边来反馈信息的技术特点，实现焊接过程的自动实时跟踪。由于摆动撞针的纯机械特性，能够与焊枪随形制作，不受烟尘、弧光、焊缝边界条件限制，占用空间小，解决了现有外挂跟踪传感设备无法适应高温弧光烟尘及箱形方格的狭小空间限制和无外挂的弧压跟踪技术无法适应多种焊缝形式的统一跟踪要求；而且摆动撞针与焊枪同步工作，焊缝跟踪不占用时间，使自动焊接设备在线利用率由原来的70%提高为90%；同时，摆动撞针通过驱动装置自动反馈焊缝信息，与人工示教技能无直接必然联系，因此能一直保持同质量焊缝跟踪，满足产品焊接质量稳定性要求。

另外，实现上述功能的自动焊接设备是由数控电机驱动的通用数控设备，配以相应的工装夹具，对于本数控领域的技术人员来说，可以采用多种数控结构和编程形式实现。

本发明工艺合理、简洁，可操作性强，焊接质量有保证，生产效率高，适于广泛推广。

附图说明

图1为大型复杂箱形结构件组装成型示意图之一。

图2为大型复杂箱形结构件组装成型示意图之二。

图3为内腔自动焊接设备自动跟踪结构示意图。

图4为图3的局部放大结构示意图。

图5为网格内腔焊缝自动跟踪过程示意图。

图6为盖板自动焊接设备自动跟踪结构示意图。

图7为箱形结构外露焊缝自动跟踪过程示意图。

图8为摆动撞针安装在焊枪上的侧视结构示意图。

图9为摆动撞针安装在焊枪上的正视结构示意图。

图10为齿轮轴在基座上的安装结构示意图。

1-平板；2-垫板；3-曲板；4-贴板；5-直板；6-功能性部件；7-盖板；8-焊枪；9-驱动装置；10-摆幅编码器检测系统；11-控制系统；12-摆动撞针；13-内腔自动焊接设备；14-网格结构件；15-自动焊接工位；16-盖板自动焊接设备；17-箱形结构件；18-变位焊接工位；19-连接板，20-转轴，21-扇形齿轮，22-基座，23-齿轮轴，24-伺服电机，25-减速机，26-扭矩联轴器，27-扭矩传感器，28-轴承座，29-连接固定板，30-编码器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作具体说明。

如图1～7所示，一种用于大型复杂箱形结构件的焊缝实时自动跟踪方法，采用如下步骤：

①、（参照图1）按照大型复杂箱形结构件生产要求将其所含的平板1、垫板2、曲板3、贴板4、直板5及各功能性部件6组装成网格结构件。

②、（参照图3）将组装成型的大型复杂箱形网格结构件14放置在自动焊接工位15上，启动内腔自动焊接设备13，其所配置的焊枪8依据预先设置的焊接程序自动寻找到焊缝起点；同时，焊枪端部安装的摆动撞针12在其驱动装置9的作用下开始反复斜向摆动；

所述内腔自动焊接设备13是由数控电机驱动的可以实现X/Y/Z三轴移动以及X/Y/Z多轴旋转的关节式焊接机械手所组成的设备，其执行端部安装焊枪8、摆动撞针12及其驱动装置9，通过控制系统11进行集成控制。

③、（参照图5）当摆动撞针12摆碰到焊缝两边时，摆动撞针摆幅数据被驱动装置9上安装的摆幅编码器检测系统10记录，并与设定的理论摆幅进行比较，计算出摆幅差值，然后通过自动焊接设备控制系统11进行数据处理，按照摆幅差值调整焊枪8的枪姿位置，使焊枪8处于焊缝施焊的正确位置。

④、（参照图5）当焊枪8位置调整正确后，按照焊接程序沿焊缝路径起弧施焊；同时，摆动撞针12随焊枪移动，继续反复斜向摆碰焊缝垂直两边；当摆动撞针12摆碰到内腔方格转角处提前于焊枪而摆碰到侧边时，将摆碰侧边的摆幅信息按照步骤③进行反馈，焊接程序依据摆幅边界条件判别而实施转角施焊程序；然后继续施焊，直至将内腔方格周圈焊缝施焊完成；然后按照焊接程序焊接下一个方格。重复以上步骤，直至将结构件所有的内腔方格焊缝实现自动跟踪并完成焊接。

⑤、（参照图6、图7）当对大型复杂箱形结构件内腔方格焊缝完成焊接后，将盖板7组装成箱形结构件17，并将其放置在变位焊接工位18上，启动盖板自动焊接设备16，其所配置的焊枪8依据预先设置的焊接程序自动寻找到外露焊缝起点；同时，焊枪端部安装的摆动撞针12在其驱动装置9的作用下开始反复斜向摆动，并将摆幅信息按照步骤③进行反馈处理，调整枪姿后按照焊接程序沿焊缝路径起弧施焊；当摆动撞针12摆碰到外露坡口焊缝与角焊缝交接处时，其摆幅有明显不同，按照步骤③进行反馈后，焊接程序依据摆幅边界条件自动判别而变换实施坡口焊缝与角焊缝施焊程序，从而对结构件外露坡口焊缝与角焊缝自动实现连续衔接。重复以上步骤，直至将结构件所有的外露焊缝实现自动跟踪并焊接完成。

图2为设置盖板7后的大型复杂箱形结构件结构。图4为图3的局部放大图，可以看出摆动撞针12转动形成的圆弧轨迹。

如图8~10为本发明所采用的摆动撞针与焊枪的安装示意图。焊枪8上靠近其端部的位置固定有一个连接板19，摆动撞针12通过转轴20转动设在连接板19上；摆动撞针12的转动平面位于竖直平面且与焊枪8（整体）前进方向垂直；摆动撞针12的结构与焊枪8相配，摆动撞针12上端固定有一个扇形齿轮21，扇形齿轮21与一个支撑在基座22上的齿轮轴23相啮合；基座22上还设有伺服电机24以及由伺服电机24驱动的减速机25，减速机25的驱动轴与齿轮轴23的一端相连接，齿轮轴23位于减速机25一侧的部分设有一对扭矩联轴器26，扭矩联轴器26之间还设有扭矩传感器27；基座22上还固定有一个轴承座28内；轴承座28外侧通过连接固定板29固定有一个编码器30；齿轮轴23的另一端穿过轴承座28与编码器30转轴相连接；扭矩传感器27的信号输出端与伺服电机24信号输入端相连接以反馈摆动撞针12的摆动相位信号；编码器的信号输出端与控制系统11的信号输入端相连接。

扭矩传感器27接收摆动撞针12的摆动相位信号，并根据预先设定的阈值进行判断，控制伺服电机24改变转动方向；编码器30记录摆动撞针12的左右摆动幅度并进行比较，判断焊枪8是否在正确的焊接位置上，实时将信号传递给控制系统11，控制系统11实时控制焊枪8的位置，以确保焊接质量。

图9中可以看出摆动撞针12的结构与焊枪8相配，上部为竖直连杆，摆动撞针12下端向一侧倾斜弯折呈与焊枪8类似的结构；摆动撞针绕着转轴左右（在倾斜设置的焊枪前端左右两侧摆动）转动，将焊枪8走向信息通过编码器30传递给控制系统，控制系统11反馈相应控制信号控制焊枪的走向。图10中的齿轮轴23、伺服电机24、减速机25及扇形齿轮21构成摆动撞针12的驱动装置9；扇形齿轮21、齿轮轴23、编码器30组成摆幅编码器检测系统10。伺服电机24通过减速机25、齿轮轴23及扇形齿轮21驱动摆动撞针12斜向摆动。基座22与焊枪8上端固定在一起。

Claims (2)

1.一种大型复杂箱形结构件的焊缝实时自动跟踪方法，其特征在于，采用如下步骤：

①、将组装成型的大型复杂箱形结构件放置在自动焊接工位上，启动自动焊接设备，其所配置的焊枪（8）依据预先设置的焊接程序自动寻找到焊缝起点；同时，焊枪（8）端部安装的摆动撞针（12）在其驱动装置（9）的作用下开始反复斜向摆动；

所述自动焊接设备是由数控电机驱动的可以实现X/Y/Z三轴移动以及X/Y/Z多轴旋转的关节式焊接机械手所组成的设备，其执行端部安装焊枪（8）、摆动撞针（12）及其驱动装置（9），通过控制系统（11）进行集成控制；

②、当摆动撞针（12）摆碰到焊缝两边时，摆动撞针（12）摆幅数据被驱动装置（9）上安装的摆幅编码器检测系统（10）记录，并与设定的理论摆幅进行比较，计算出摆幅差值，然后通过自动焊接设备的控制系统（11），按照摆幅差值调整焊枪（8）位置，使焊枪（8）处于焊缝施焊的正确位置；

③、焊枪（8）位置调整正确后，按照焊接程序沿焊缝路径起弧施焊；同时，摆动撞针（12）随着焊枪移动继续反复斜向摆动，摆碰焊缝两边，按照步骤②实时反馈摆幅信息，并实时调整焊枪（8）位置；当在大型复杂箱形结构件内腔方格内施焊角焊缝时，摆动撞针（12）摆碰角焊缝垂直两边，由于具有斜向摆动，在内腔方格转角处摆动撞针（12）能够提前于焊枪（8）而摆碰到侧边，从而能够提前将摆碰侧边的摆幅信息按照步骤②进行反馈，焊接程序依据摆幅边界条件判别而实施转角施焊程序，从而对结构件内腔方格周圈焊接实现实时自动跟踪及焊接；当对大型复杂箱形结构件外露坡口焊缝与角焊缝施焊时，由于摆动撞针（12）摆碰坡口焊缝坡口两边与角焊缝垂直两边，其摆幅有明显不同，按照步骤②进行反馈后，焊接程序能够依据摆幅边界条件而自动判别实施坡口焊缝与角焊缝施焊程序，从而对结构件外露坡口焊缝与角焊缝自动实现连续衔接，完成多种焊缝统一实时自动跟踪及焊接；

重复以上步骤，直至焊接完成结构件所有焊缝，从而对大型复杂箱形结构件多种焊缝全位置焊接实现全自动实时跟踪。

2.如权利要求1所述的一种大型复杂箱形结构件的焊缝实时自动跟踪方法，其特征在于，所述的摆动撞针（12）与焊枪（8）是采用如下结构实现安装的：焊枪（8）上靠近其前端部的位置固定有一个连接板（19），摆动撞针（12）通过转轴（20）转动设在连接板（19）上；摆动撞针（12）的转动平面位于竖直平面且与焊枪（8）前进方向垂直；摆动撞针（12）的结构与焊枪（8）相配，摆动撞针（12）上端固定有一个扇形齿轮（21），扇形齿轮（21）与一个支撑在基座（22）上的齿轮轴（23）相啮合；基座（22）上还设有伺服电机（24）以及由伺服电机（24）驱动的减速机（25），减速机（25）的驱动轴与齿轮轴（23）的一端相连接，齿轮轴（23）位于减速机（25）一侧的部分设有一对扭矩联轴器（26），扭矩联轴器（26）之间设有扭矩传感器（27）；基座（22）上还固定有一个轴承座（28）；轴承座（28）外侧通过连接固定板（29）固定有一个编码器（30）；齿轮轴（23）的另一端穿过轴承座（28）与编码器（30）转轴相连接；扭矩传感器（27）的信号输出端与伺服电机（24）信号输入端相连接以反馈摆动撞针（12）的摆动相位信号；编码器（30）的信号输出端与控制系统（11）的信号输入端相连接。