CN105798613B - 一种爬壁式焊接机器人 - Google Patents

Abstract

一种爬壁式焊接机器人，包括带有行走机构的机架，机架上安装有主推杆电机，主推杆电机上安装有主支架，主支架上安装有可旋转的回转台，回转台的各面上分别安装有用于处理多种焊接工序的焊接处理组件。所述行走机构包括若干个向下延伸的支撑杆，支撑杆的下端安装有万向轮；支撑杆上还安装有横杆，横杆上安装有爬壁轮，爬壁轮的同步带的外侧设置有多个电磁吸盘。上述一种爬壁式焊接机器人，能够根据待焊件加工工艺要求，自动完成坡口清理、酸洗、清洗、烘干、热处理、焊接、喷丸、打磨以及喷漆等任务；爬壁式焊接机器人结构简单，安装与维护方便，与传统的机械手臂式焊接机器人相比，柔性更高，能够完成高空作业以及其它不良环境下的焊接任务。

Description

一种爬壁式焊接机器人

技术领域

本发明涉及一种焊接装置，具体涉及一种能够处理焊接前、焊接中和焊接后工序的一体式焊接机器人。

背景技术

焊接是一种拼合金属元件的加工工艺，对于工作人员的技术水平有较高的要求。焊接工艺主要分为焊前处理、焊接以及焊后处理三部分。

焊前处理：焊前处理包括焊接坡口的杂质清理、油脂处理、坡口清洗、焊前热处理等步骤。焊前应将焊接坡口两侧至少各20mm范围内的油污、氧化膜及其他污物去除干净。多道焊时，若采用焊条焊接时，应将前道焊缝表面焊渣、氧化膜及其他污物去除干净后方可进行下一焊道的焊接；若采用实心焊丝进行保护气体焊接时，则可以直接进行下一焊道的焊接。对于杂质的清理一般采用钢刷与尼龙刷，通过机械作用去除；对于油脂可采用酸洗剂化学反应去除，并结合硝酸钠溶液冲洗实现。焊接前的热处理对于焊缝质量也是有至关重要的影响的，比如刚度较大的高碳钢或者合金钢，需要通过焊前热处理避免焊接裂纹的出现。

焊接：焊接的方法和种类较多，其中，钨极气体保护焊是应用最广泛的焊接方法之一，其噪声小，焊缝被氧化的程度低，焊缝强度高，通过焊丝的自动进给机构能够方便地实现焊接的自动化。

焊后处理：焊接接头由母材、焊缝区、热影响区以及熔合区组成，各个部分的性能差异较大。其中，热影响区由于焊接前后的温度差异较大，容易产生热裂纹与内应力，降低了焊接接头的强度。为了提升焊接接头的质量，需要进行焊后处理。一般地，焊后处理包括焊缝的热处理、喷丸、打磨以及喷漆等工序。焊后热处理能够明显消除焊接热变形，消除热影响区的粗大晶粒，改善焊接接头的组织性能；喷丸处理能够消除大量的内应力，提升焊缝的疲劳强度；打磨处理能够使得焊缝接头更加美观，并为喷漆做准备。

焊接过程会产生大量的热量、辐射、有毒气体等，对工人的身体造成较大的伤害，比如，焊接过程中出现的高温可对皮肤产生烧伤，强光可对视力产生损伤，强辐射可对免疫力与生殖力造成不良影响等。为了解决焊接对身体的危害，部分焊接工作由焊接机器人完成，常见的焊接机器人多为机械手臂式，它的出现不仅降低了工人劳动强度，而且提高了生产效率和质量，因此应用越来越广泛。但是，现有的焊接机器人功能较为单一、体积较大、安装定位困难、长距离的移动能力较差，而且难以适应较为恶劣或者复杂的工况。

发明内容

为了解决现有技术中焊接机器人功能单一的问题，本发明提供一种爬壁式焊接机器人。

一种爬壁式焊接机器人，包括带有行走机构的机架，机架上安装有主推杆电机，主推杆电机上安装有主支架，主支架上安装有可旋转的回转台，回转台上安装有用于处理多种焊接工序的焊接处理组件，焊接处理组件的各焊接工序处理部件分别位于回转台各面上。

优选的，焊接处理组件的各焊接工序处理部件可以分别是焊前处理机构、焊接机构、喷丸机构和打磨喷漆机构，焊前处理机构、焊接机构、喷丸机构和打磨喷漆机构环绕回转台一周。

再优选的，所述焊前处理机构包括固定在回转台上的第一固定板，第一固定板上安装有若干个第一副推杆电机，第一副推杆电机上连接有焊前处理支撑架，焊前处理支撑架上从前向后依次安装有旋转钢刷、第一吸尘设备、旋转尼龙刷、第二吸尘设备、酸洗涂抹机构、清洗液喷头和烘干器，所述旋转尼龙刷和旋转钢刷上分别安装有第一驱动电机。

再优选的，所述焊接机构包括固定在回转台上的第二固定板，第二固定板上从前向后依次安装有加热器、第二副推杆电机和绕线筒，所述第二副推杆电机端部的安装板上安装有焊接电极；焊接电极和绕线筒之间设置有焊丝进给机构。

再优选的，所述喷丸机构包括固定在回转台上的第三固定板，第三固定板上设置有若干个第三副推杆电机，第三副推杆电机的下部安装有喷丸支撑架，喷丸支撑架上安装有曲柄结构，曲柄结构上安装有第二驱动电机；曲柄结构还连接有多个向下延伸的导杆，导杆的下部设置有敲击板，敲击板上设置有若干个用于敲击的凸起块。

再优选的，所述打磨喷漆机构包括固定在回转台上的第四固定板，第四固定板上设置有若干个第四副推杆电机，第四副推杆电机的下部安装有打磨喷漆支撑架，打磨喷漆支撑架上安装有打磨器，打磨器包括两个滚筒，两个滚筒之间通过打磨带相连接，滚筒上安装有第三驱动电机；打磨喷漆支撑架上还安装有吹风器和喷漆口。

优选的，所述行走机构包括若干个向下延伸的支撑杆，支撑杆的下端安装有万向轮。

所述支撑杆上还安装横杆，横杆上安装有爬壁轮，所述爬壁轮包括爬壁架，爬壁架上安装有第一步进电机和由第一步进电机驱动的同步带轮，同步带轮上安装有与同步带轮相适配的同步带，同步带的外侧设置有多个电磁吸盘。

再优选的，所述爬壁架呈三角形，爬壁架上还设置有轴承，所述横杆安装在轴承上。

优选的，所述机架包括两个平行分布的第一导轨，两个第一导轨上均设置有由第二步进电机驱动的滑动块，两个滑动块之间通过矩形支架相连接；所述矩形支架上安装有驱动机构，驱动机构上安装有滑轨，滑轨上安装有滑块，驱动机构上还安装有带动滑块运动的第三步进电机；所述主推杆电机固定在滑块上。

再优选的，所述主支架上设置有两个平行分布的安装杆，两个安装杆通过连接杆相连接，所述回转台安装在连接杆上，安装杆上设置有控制连接杆和回转台旋转的回转电机。

优选的，一种爬壁式焊接机器人还包括若干个绕管机构，所述绕管机构分为驱动绕管机构和改向绕管机构，所述驱动绕管机构上安装有第四驱动电机。机架和/或主支架上可以设置多个滑道，各滑道上均设置有通过第四步进电机驱动的移动块，绕管机构固定在移动块上。

上述一种爬壁式焊接机器人，机架上安装主推杆电机，主推杆电机带动主支架上下运动，进而调节焊接处理组件与待焊件之间的距离；回转台的各面分别安装有用于处理多种焊接工序的焊接处理组件，工作人员可以通过旋转回转台，使焊接处理组件中各部位分别朝向待焊件，选择需进行的工序。上述一种爬壁式焊接机器人，将焊接处理组件集成在回转台上，能够在较小空间内处理多种焊接工序。

所述焊前处理机构通过第一副推杆电机，控制焊前处理机构与待焊件之间的距离。旋转钢刷与旋转尼龙刷能够分别去除硬质、软质的待焊件表面杂质，并通过第一吸尘设备和第二吸尘设备，将待焊件表面的杂质去除；酸洗涂抹机构的主要功能为去除油脂和表面氧化层，然后通过清洗喷头喷出的液体进行表面冲洗，为了消除酸洗液或酸洗膏的影响，清洗喷头喷出的液体可以是硝酸钠溶液；最后通过烘干器将待焊件表面烘干，达到焊前预处理的目的。

所述焊接机构设置有加热器，所述加热器可以是陶瓷红外加热器，方便对待焊件进行焊前加热，焊接机构包括焊接电极和向焊接电极输送焊丝的焊丝进给机构，能够稳定、高效地完成焊接任务。焊接机构还可以设置有保护气体通气口，能够实现惰性气体保护。

所述喷丸机构采用曲柄结构，将多个曲柄滑块串联形成曲柄结构，由第二驱动电机驱动，可使敲击板上的凸起块连续反复、高速击打焊缝表面，达到去除焊缝表面内应力的效果。

所述打磨喷漆机构通过打磨带的高速转动，实现毛刺、凸点的磨平效果，其具有打磨面积大，易于控制等优点。焊缝被打磨之后，可根据工艺要求进一步酸洗和清洗，其过程可通过焊前处理机构实现。也可通过吹风器去除杂质，最后做喷漆处理。

上述一种爬壁式焊接机器人，行走机构包括万向轮和爬壁轮，万向轮和爬壁轮共同起到支撑的作用。爬壁轮安装在横杆上，用于爬壁式焊接机器人的行进、后退以及转弯等操作，通过电磁吸盘的吸附作用，可在具有大倾斜角度的待焊件上稳定运动。爬壁架呈三角形，爬横杆安装在爬壁架的轴承上，当遇到障碍时，爬壁轮能够翻转，具有较强的越障能力。

上述一种爬壁式焊接机器人，第二步进电机用于控制滑动块在横向的运动，驱动机构上还安装有第三步进电机，第三步进电机带动滑块纵向运动；第二步进电机和第三步进电机能够使回转台位于待焊件的不同位置，方便确定焊接处理位置。滑块上还安装有主推杆电机，用于调节焊接处理组件与待焊件的距离。通过第二步进电机、第三步进电机和主推杆电机相互配合，同时，还需转动回转台，使焊接处理组件位于待焊件上部，进行焊接前、焊接中或焊接后处理。

上述爬壁式焊接机器人还包括若干个绕管机构，所述绕管机构分为驱动绕管机构和改向绕管机构，所述驱动绕管机构上安装有第四驱动电机。绕管机构主要方便水管、气体管、电线管以及喷漆管等管线的缠绕放置。通过绕管机构能够实现焊接机器人的长距离运动，使其具有更高的柔性。

本发明述及的一种爬壁式焊接机器人，能够根据待焊件加工工艺要求，自动完成焊前的坡口清理、酸洗、清洗、烘干、热处理、焊接、喷丸、打磨以及喷漆等任务，运行平稳，并可实现运动轨迹的精确控制，路径障碍的自由跨越等。当安装有控制系统进行智能控制时，还能够完全脱离人工干预，完成恶劣环境、大倾角等不良焊接条件下的大型铁磁性焊件的焊接任务。爬壁式焊接机器人占地空间小，质量轻，无需进行复杂的安装定位操作，能够适用各种不同类型和不同位置的焊接接头，焊后的接头热变形及内应力小，氧化程度低，同时，省去了大量的人力和时间，避免了因工作人员的失误或者经验不足造成的焊缝缺陷，以及焊接辐射等因素对身体的伤害。此外，本发明结构简明，安装与维护方便，与传统的机械手臂式焊接机器人相比，柔性更高，能够完成高空作业以及其它不良环境下的焊接任务。

附图说明

图1是一种爬壁式焊接机器人的立体结构示意图Ⅰ。

图2是一种爬壁式焊接机器人的立体结构示意图II。

图3是爬壁轮的立体结构示意图。

图4是机架的立体结构示意图。

图5是驱动机构和主支架的立体结构示意。

图6是驱动机构、主支架和焊接处理组件的立体结构示意图。

图7是焊前处理机构的立体结构示意图。

图8是焊接机构的立体结构示意图。

图9是喷丸机构的立体结构示意图。

图10是打磨与喷漆机构的立体结构示意图。

图11是驱动绕管机构的立体结构示意图。

图12是改向绕管机构的立体结构示意图。

1爬壁轮；101电磁吸盘；102同步带；103同步带轮；104爬壁架；105第一步进电机；

2机架；201万向轮；202第一导轨；203滑动块；204矩形支架；

3绕管机构；301驱动绕管机构；30101第四驱动电机；302改向绕管机构；

4驱动机构；401第三步进电机；402滑轨；403回转台；404回转电机；405主支架；406主推杆电机；407滑块；

5焊接处理组件；501焊前处理机构；502焊接机构；503喷丸机构；504打磨喷漆机构；

50101第一固定板；50102焊前处理支撑架；50103烘干器；50104清洗液喷头；50105酸洗涂抹机构；50106第一副推杆电机；50107第一吸尘设备；50108旋转尼龙刷；50109第二吸尘设备；50110旋转钢刷；50111第一驱动电机；

50201第二固定板；50202加热器；50203第二副推杆电机；50204保护气体入口；50205焊接电极；50206绕线筒；50207焊丝进给机构；

50301第三固定板；50302第三副推杆电机；50303喷丸支撑架；50304敲击板；50305导杆；50306曲柄结构；50307第二驱动电机；

50401第四固定板；50402打磨喷漆支撑架；50403喷漆口；50404吹风器；50405滚筒；50406打磨带；50407第三驱动电机；50408第四副推杆电机。

具体实施方式

下面结合图1至图12对本发明进行详细说明。

一种爬壁式焊接机器人，包括带有行走机构的机架2，所述行走机构包括若干个向下延伸的支撑杆，支撑杆的下端安装有万向轮201；所述支撑杆上还安装横杆，横杆上安装有爬壁轮1，所述爬壁轮1包括三角形的爬壁架104，爬壁架104上设置有用于安装横杆的轴承；爬壁架104上还安装有第一步进电机105和由第一步进电机105驱动的同步带轮103，同步带轮103上安装有与同步带轮103相适配的同步带102，同步带102的外侧设置有多个电磁吸盘101。

所述机架2包括两个平行分布的第一导轨202，两个第一导轨202上均设置有由第二步进电机驱动的滑动块203，两个滑动块203之间通过矩形支架204相连接；所述矩形支架204上安装有驱动机构4，驱动机构4上安装有滑轨402，滑轨402上安装有滑块407，驱动机构4上还安装有带动滑块407运动的第三步进电机401；滑块407上安装有主推杆电机406，主推杆电机406上安装有主支架405；主支架405上设置有两个平行分布的安装杆，两个安装杆通过连接杆相连接，连接杆上安装有回转台403，安装杆上设置有控制连接杆和回转台403旋转的回转电机404；回转台403的各面上还安装有用于处理多种焊接工序的焊接处理组件5，焊接处理组件5的各焊接工序处理部件分别位于回转台403各面上。

其中，焊接处理组件5的各焊接工序处理部件可以分别是焊前处理机构501、焊接机构502、喷丸机构503和打磨喷漆机构504；焊前处理机构501、焊接机构502、喷丸机构503和打磨喷漆机构504环绕回转台403一周。

上述焊前处理机构501包括固定在回转台403上的第一固定板50101，第一固定板50101上安装有若干个第一副推杆电机50106，第一副推杆电机50106上连接有焊前处理支撑架50102，焊前处理支撑架50102上从前向后依次安装有旋转钢刷50110、第一吸尘设备50107、旋转尼龙刷50108、第二吸尘设备50109、酸洗涂抹机构50105、清洗液喷头50104和烘干器50103，所述旋转尼龙刷50108和旋转钢刷50110上分别安装有第一驱动电机50111。

上述焊接机构502包括固定在回转台403上的第二固定板50201，第二固定板50201上从前向后依次安装有加热器50202、第二副推杆电机50203和绕线筒50206，所述第二副推杆电机50203端部的安装板上安装有焊接电极50205，当焊接需要保护气体时，安装板上还可以设置保护气体入口50204；焊接电极50205和绕线筒50206之间设置有焊丝进给机构50207。

上述喷丸机构503包括固定在回转台403上的第三固定板50301，第三固定板50301上设置有若干个第三副推杆电机50302，第三副推杆电机50302的下部安装有喷丸支撑架50303，喷丸支撑架50303上安装有曲柄结构50306，曲柄结构50306上安装有第二驱动电机50307；曲柄结构50306还连接有多个向下延伸的导杆50305，导杆50305的下部设置有敲击板50304，敲击板50304上设置有若干个用于敲击的凸起块。

上述打磨喷漆机构504包括固定在回转台403上的第四固定板50401，第四固定板50401上设置有若干个第四副推杆电机50408，第四副推杆电机50408的下部安装有打磨喷漆支撑架50402，打磨喷漆支撑架50402上安装有打磨器，打磨器包括两个滚筒50405，两个滚筒50405之间通过打磨带50406相连接，滚筒50405上安装有第三驱动电机50407；打磨喷漆支撑架50402上还安装有吹风器50404和喷漆口50403。

进一步的，爬壁式焊接机器人还包括若干个固定在机架2及主支架405上的绕管机构3，所述绕管机构3分为驱动绕管机构301和改向绕管机构302，所述驱动绕管机构301上安装有第四驱动电机30101。机架2和/或主支架405上可以设置多个滑道，各滑道上均设置有通过第四步进电机驱动的移动块，绕管机构3固定在移动块上，可以方便缠绕各类管线。

上述一种爬壁式焊接机器人，可以完成多种工况条件下的焊接任务，比如，水平面、倾斜面的直线焊缝或曲线焊缝，圆弧面的纵焊缝或环焊缝等。正常作业时，爬壁轮1中的电磁吸盘101可根据运动状态进行交替通电与断电，当同步带102顺时针转动时，运动至最左侧的电磁吸盘101开始断电，运动至最右侧的电磁吸盘101开始通电。通过控制各爬壁轮1的运动，可以实现整体机构的前进、后退以及转向等，其中，转向可以通过控制各爬壁轮1的转速差实现。

在进行焊接预处理作业时，首先，控制第二步进电机和第三步进电机401，使得矩形支架204在合适的位置，完成焊前的定位操作使焊前处理机构501运动至坡口的起点；然后，控制回转台403，使焊前处理机构501转至最底端，通过主推杆电机406和第一副推杆电机50106，使焊前处理机构501处于距离坡口垂直方向合适的距离。然后，启动第一驱动电机50111，使旋转钢刷50110和旋转尼龙刷50108高速转动，并通过第一吸尘设备50107和第二吸尘设备50109将待焊件表面去除的杂质吸走。再然后，控制第一步进电机105、第二步进电机和第三步进电机401中的一个或多个，使得待焊件的杂质清理工作重复多次；杂质清理完成后，通过酸洗涂抹机构50105进行酸洗，接着通过清洗液喷头50104对坡口进行清洗，其中喷头喷出的清洗液可以是硝酸钠溶液，清洗后由烘干器50103进行烘干。

在进行焊接任务时，首先，根据焊接工艺要求确定坡口是否需要焊前预热处理，若需要预热处理，则采用加热器50202进行坡口表面加热。此时，采用同样的方法控制控制第一步进电机105、第二步进电机和第三步进电机401，使焊接处理组件5位于坡口上方，再通过回转台403将焊接机构502转至最底端；然后，控制主推杆电机406和第二副推杆电机50203，使得焊接电极50205与坡口的距离适宜，同时导通保护气体，使保护气体通过保护气体入口50204吹向焊接电极50205；最后，通过焊丝进给机构50207实现焊丝的进给，通过控制第一步进电机105、第二步进电机和第三步进电机401完成焊缝的加工工艺。

当焊接完成后，首先，控制回转台403，使得喷丸机构503转至最底端；控制主推杆电机406、第三副推杆电机50302，使喷丸机构503与焊缝的距离适宜。然后，启动第二驱动电机50307，通过曲柄结构50306控制导杆50305在喷丸支撑架50303的导槽中垂直升降，进而控制敲击板50304上的凸起块高速击打焊缝表面。

当需要打磨喷漆处理时，控制回转台403，使得打磨喷漆机构504转至最底端，同时，控制主推杆电机406与第四副推杆电机50408，调节打磨带50406与焊缝之间的压力，启动第三驱动电机50407，完成打磨工序，其中，在打磨的同时，使用吹风器50404将打磨后的金属粉末吹走；当需要喷漆处理时，只需控制喷漆口50403，进行焊缝的喷漆工序。

上述一种爬壁式焊接机器人，包括有水管、保护气体管、电线管以及喷漆管等，因此，在机架2和主支架405上设置绕管机构3，方便管线的缠绕和放置。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种爬壁式焊接机器人，其特征在于，包括带有行走机构的机架，机架上安装有主推杆电机，主推杆电机上安装有主支架，主支架上安装有可旋转的回转台，回转台上安装有用于处理多种焊接工序的焊接处理组件，焊接处理组件的各焊接工序处理部件分别位于回转台各面上；所述行走机构包括若干个向下延伸的支撑杆，支撑杆的下端安装有万向轮；所述支撑杆上还安装有横杆，横杆上安装有爬壁轮，所述爬壁轮包括爬壁架，爬壁架上安装有第一步进电机和由第一步进电机驱动的同步带轮，同步带轮上安装有与同步带轮相适配的同步带，同步带的外侧设置有多个电磁吸盘。

2.如权利要求1所述的一种爬壁式焊接机器人，其特征在于，所述焊接处理组件包括焊前处理机构，所述焊前处理机构包括固定在回转台上的第一固定板，第一固定板上安装有若干个第一副推杆电机，第一副推杆电机上连接有焊前处理支撑架，焊前处理支撑架上从前向后依次安装有旋转钢刷、第一吸尘设备、旋转尼龙刷、第二吸尘设备、酸洗涂抹机构、清洗液喷头和烘干器，所述旋转尼龙刷和旋转钢刷上分别安装有第一驱动电机。

3.如权利要求1或2所述的一种爬壁式焊接机器人，其特征在于，所述焊接处理组件包括焊接机构，所述焊接机构包括固定在回转台上的第二固定板，第二固定板上从前向后依次安装有加热器、第二副推杆电机和绕线筒，所述第二副推杆电机端部的安装板上安装有焊接电极；焊接电极和绕线筒之间设置有焊丝进给机构。

4.如权利要求1或2所述的一种爬壁式焊接机器人，其特征在于，所述焊接处理组件包括喷丸机构，所述喷丸机构包括固定在回转台上的第三固定板，第三固定板上设置有若干个第三副推杆电机，第三副推杆电机的下部安装有喷丸支撑架，喷丸支撑架上安装有曲柄结构，曲柄结构上安装有第二驱动电机；曲柄结构还连接有多个向下延伸的导杆，导杆的下部设置有敲击板，敲击板上设置有若干个用于敲击的凸起块。

5.如权利要求1或2所述的一种爬壁式焊接机器人，其特征在于，所述焊接处理组件包括打磨喷漆机构，所述打磨喷漆机构包括固定在回转台上的第四固定板，第四固定板上设置有若干个第四副推杆电机，第四副推杆电机的下部安装有打磨喷漆支撑架，打磨喷漆支撑架上安装有打磨器，打磨器包括两个滚筒，两个滚筒之间通过打磨带相连接，滚筒上安装有第三驱动电机；打磨喷漆支撑架上还安装有吹风器和喷漆口。

6.如权利要求1所述的一种爬壁式焊接机器人，其特征在于，所述爬壁架呈三角形，爬壁架上还设置有轴承，所述横杆安装在轴承上。

7.如权利要求1所述的一种爬壁式焊接机器人，其特征在于，所述机架包括两个平行分布的第一导轨，两个第一导轨上均设置有由第二步进电机驱动的滑动块，两个滑动块之间通过矩形支架相连接；所述矩形支架上安装有驱动机构，驱动机构上安装有滑轨，滑轨上安装有滑块，驱动机构上还安装有带动滑块运动的第三步进电机；所述主推杆电机固定在滑块上。

8.如权利要求7所述的一种爬壁式焊接机器人，其特征在于，所述主支架上设置有两个平行分布的安装杆，两个安装杆通过连接杆相连接，所述回转台安装在连接杆上，安装杆上设置有控制连接杆和回转台旋转的回转电机。

9.如权利要求1所述的一种爬壁式焊接机器人，其特征在于，还包括若干个绕管机构，所述绕管机构分为驱动绕管机构和改向绕管机构，所述驱动绕管机构上安装有第四驱动电机；机架和/或主支架上设置有多个滑道，各滑道上均设置有通过第四步进电机驱动的移动块，绕管机构固定在移动块上，可以方便缠绕各类管线。