CN107498152A - 一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，包括大面积钣金工装结构上的交叉焊缝的位置定位机构，焊枪与工件相对位置的预定位机构，大跨度焊缝的纠偏定位机构，气保焊焊机系统，接触式焊缝跟踪传感装置，驱动机构及自动焊接控制系统，采用焊缝位置定位、焊枪与工件相对位置预定位、焊缝纠偏定位三级定位机构，实现大面积钣金工装结构拼接焊缝的自动化焊接。焊缝焊接质量优良、效率大幅度提高、设备投入成本低、易于操作和维护、有效降低生产加工成本。

Description

一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置。

背景技术

钣金工装结构拼接焊缝的焊接是大型工业除尘器装备制造中的重要环节，尤其是长6~8米，宽3~4米的大面积钣金工装结构，传统焊接基本由人工手工焊接或者由人工操作半自动焊接小车实现。其焊接过程中存在以下几点不足：

（1）大面积钣金工装结构焊接尺寸范围较大，长6~8米、宽3~4米，且焊缝交叉分布较多，区域工装结构变化较为频繁。附带高精度电流传感器、激光传感器的智能机器人焊接，虽然能够实现焊缝工况的在线实时扫描和信息反馈，焊接质量高，但是由于机械臂臂展范围有限、设备成本昂贵、运行和维护费用高，在除尘器大面积钣金工装结构的焊接领域尚未能普遍应用。现有其他自动焊接装备很难同时满足大尺寸工件、交叉焊缝焊接以及焊接设备成本的经济性等特点。

（2）大面积钣金工装结构的焊缝长度较长，且大面积钣金工装结构件的摆放位置存在误差，导致焊缝的纠偏跨度较大，现有丝杠滑台纠偏机构的纠偏范围有限，不能满足大面积钣金工装结构大跨度焊缝纠偏的实际需求。

（3）大面积钣金工装结构制造批量较大，人工焊接质量受到工人技术水平、疲劳程度以及情绪形态的影响，很不稳定，经常出现虚焊、漏焊、焊偏、焊穿等焊接缺陷，存在大量返工的现象，耗费大量人力、物力，生产效率不高，制造成本难以进一步降低。

（4）焊接操作中所产生的强光、强辐射以及焊接烟尘等对工人的人身健康造成了严重危害。

因此，亟需一种既能满足大面积钣金工装结构焊接要求，又能兼顾焊接效率和装备投入、维护成本的自动焊接装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，能够实现大面积钣金工装结构拼接焊缝的自动化焊接，焊缝质量优良，生产效率大幅度提高，设备投入成本低，易于操作和维护，有效降低生产加工成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，包括X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构、Z轴旋转机构、光栅纠偏机构、焊枪摆动机构、焊枪与工件相对位置预定位机构、Y轴滑台、控制箱、焊枪、气保焊焊机、焊丝输送机构、保护气体供给装置、基础平台框架，所述X轴位移机构设置在基础平台框架上，Y轴位移机构安装在X轴位移机构上，Y轴滑台安装在Y轴位移机构上，Z轴位移机构、Z轴旋转机构和焊丝输送机构安装在Y轴滑台上，光栅纠偏机构安装在Z轴位移机构上，摆动机构和焊枪与工件相对位置预定位机构安装在光栅纠偏机构上，焊枪通过夹具装夹在摆动机构上，控制箱、气保焊焊机和保护气体供给装置放置在基础平台框架一侧的外围，基础平台框架中间设有焊接工作平台区域。

本发明所述一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置通过沿X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构的三个相对独立的直线运动以及以Z轴旋转机构为中心的旋转运动实现焊缝位置定位，所述X轴位移机构、Y轴位移机构的直线运动由伺服电机一、伺服电机二驱动与之相连接齿轮轴，齿轮轴通过齿轮齿条机构实现X轴和Y轴的位移；Z轴位移机构的直线运动由伺服电机三驱动与之相连接丝杠，丝杠通过丝杠螺母机构实现Z轴的位移；所述丝杠螺母机构与一对外啮合齿轮组的大齿轮对心链接，外接伺服电机四驱动小齿轮转动，带动外啮合的大齿轮旋转实现绕Z轴为中心的旋转运动。

本发明所述X轴方向的直线运动通过齿轮齿条机构驱动带有滚轮的一对Y轴支撑小车在钢轨上行走，一对Y轴支撑小车分别安装在相互平行的两条钢轨上，有齿轮齿条机构的一侧为主动小车、另一边为从动小车，在Y轴支撑小车上安装有相互平行的两根Y轴钢轨，从而实现一对Y轴支撑小车在X轴方向上的同步运动。

本发明所述Y轴方向的直线运动通过齿轮齿条机构带动Y轴滑台沿Y轴方向位移，所述Y轴滑台上面链接个导轨滑块，两根导轨安装在两根Y轴钢轨上面，形成一组平行的导轨滑块机构，Y轴滑台上装有Z轴丝杠螺母机构、齿轮旋转机构、伺服电机二、焊丝输送机构。

本发明所述Z轴方向的直线运动通过伺服电机三带动丝杠旋转，丝杠旋转带动丝杠螺母上下运动，丝杠螺母通过过渡件与光栅纠偏机构连接，带动末端的焊枪上下运动，实现焊枪高度的调整。

本发明在所述主动Y轴支撑小车沿X轴方向两侧的末端、Y轴滑台沿Y轴方向两侧的末端、光栅纠偏机构的上下边缘都安装有限位安全开关，当限位开关触碰到限位块时，设备停止运动。

本发明所述焊枪与工件相对位置预定位机构，包括安装在与焊枪焊接位移方向垂直的平面位置内的两个光电位移传感器和接触式力学传感器，两个光电位移传感器分别安装在两个直线位移气缸上，两个光电位移传感器呈90°设置，焊枪和接触式力学传感器在光电位移传感器安装平面内的投影与两个光电位移传感器夹角为45°，自动焊接控制系统可以控制两个直线位移气缸的输入、输出位移方向，从而控制两个光电位移传感器在自主定位过程中的伸缩行程，定位过程中控制两个光电位移传感器通过气缸伸出，进行焊枪与工件相对位置的预定位，确保焊枪处于与角焊缝两侧平面各成45°的角平分线位置，且与角焊缝两侧平面的距离为10mm；定位结束后通过气缸控制两个光电位移传感器缩进，保证焊接过程中两个光电位移传感器与焊接工件不干涉。

本发明所述X轴、Y轴、Z轴方向的直线运动位移量，以及绕Z轴方向的旋转运动旋转角度，由自动焊接控制系统外接输入的不同钣金工装结构拼接焊缝的焊接工艺轨迹程序文件提供，带动接触式力学传感器和焊枪至指定焊缝位置。

本发明所述光栅纠偏机构由一组相互正交的直线电机滑台配合光栅组成，直线电机控制安装在焊缝纠偏定位机构上的焊枪在垂直于焊接位移方向的平面内进行上下、左右运动，通过光栅精准测量直线电机滑台在位移方向上的位移量，确保焊枪沿焊缝位置的纠偏位移与控制系统的输出的纠偏位移量一致，所述控制系统的输出的纠偏位移量，由接触式力学传感器测量的偏差电位信号参数，经自动焊接控制系统转换程序运算得出。

本发明所述接触式力学传感器安装在焊枪前端，沿焊缝焊接的方向，距离为30mm，和焊枪同处于与角焊缝两侧平面各成45°的角平分平面位置上，在该平面内传感器接触的指针与焊枪成45°，且传感器接触的指针指向焊枪末端焊丝位置，所述接触式力学传感器的指针可以根据焊缝的实际情况分为圆锥形、球星等。

本发明所述焊枪摆动机构与焊光栅偏机构连接，焊枪通过夹具装夹在焊枪摆动机构上，焊接过程中焊枪摆动机构的摆动幅度可以根据焊缝实际焊接要求进行调节。

本发明所述气保焊焊机系统包括焊枪、安装在Y轴滑台上的焊丝输送机构、外围的气保焊焊机、保护气体输送系统。

本发明所述焊接自动控制系统包括控制箱、内部PLC模块、自动焊接控制程序，内部和外部控制电路、控制箱上面的控制按钮和显示屏幕，所述自动焊接控制系统用于读取焊接工艺轨迹程序，控制焊缝位置，计算纠偏位移量，根据实际焊接情况实时调节电流、速度等焊接工艺参数。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用焊缝位置定位、焊枪与工件相对位置预定位、焊缝纠偏定位三级定位机构，解决大面积钣金工装结构大尺寸范围内的焊缝定位精度问题，其中机器人焊接由于机械臂臂展范围和设备成本的问题，在除尘器大面积钣金工装结构件的焊接领域尚未能普遍应用。

2、焊缝纠偏定位机构采用高精度直接电机配合光栅实现焊缝的精准纠偏，大面积钣金工装结构的焊缝长度较长，且大面积钣金工装结构件的摆放位置存在误差，导致焊缝的纠偏跨度较大，该方法的优点在于满足大跨度焊缝纠偏，解决现有丝杠滑台纠偏机构的纠偏跨度有限的问题，现行丝杠螺母滑台纠偏机构的纠偏范围有限，不能满足大跨度焊缝纠偏。

3、该方法满足大面积钣金工装结构的拼接焊接定位精度及焊缝大跨度纠偏要求，实现了大面积钣金工装结构拼接焊缝的自动化焊接，本发明所述设备相比于机器人焊接设备成本投入和维护成本较低，有效提高生产效益。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的俯视图。

附图标记列表：

1、X轴位移机构；2、Y轴位移机构；3、Z轴位移机构；4、Z轴旋转机构；5、光栅纠偏机构；6、焊枪摆动机构；7、焊枪与工件相对位置预定位机构；8、Y轴滑台；9、控制箱；10、焊枪；11、气保焊焊机；12、焊丝输送机构；13、保护气体供给装置；14、基础平台框架；15、工件；16、伺服电机一；17、伺服电机三；18、伺服电机二；19、Y轴主动支撑小车；20、Y轴从动支撑小车；21、接触式力学传感器；22、气缸；23、光电位移传感器；24、伺服电机四，25、焊接工作平台区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图所示，本发明所述的一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，包括大面积钣金工装结构上的交叉焊缝的位置定位机构，焊枪与工件相对位置的预定位机构，大跨度焊缝的纠偏定位机构，气保焊焊机系统，接触式焊缝跟踪传感装置，驱动机构及自动焊接控制系统，所述分级定位包括焊缝位置定位、焊枪与工件相对位置预定位、焊缝纠偏定位三级定位。

具体装置由X轴位移机构1、Y轴位移机构2、Z轴位移机构3、Z轴旋转机构4、光栅纠偏机构5、焊枪摆动机构6、焊枪与工件相对位置预定位机构7、Y轴滑台8、控制箱9、焊枪10、气保焊焊机11、焊丝输送机构12、保护气体供给装置13、基础平台框架14和工件15构成。所述X轴位移机构1安装在基础平台框架14上，Y轴位移机构2安装在X轴位移机构1上，Y轴滑台8安装在Y轴位移机构2上，Z轴位移机构3、Z轴旋转机构4和焊丝输送机构12安装在Y轴滑台8上，光栅纠偏机构5安装在Z轴位移机构3上，摆动机构6和焊枪与工件相对位置预定位机构7安装在光栅纠偏机构5上，焊枪10通过夹具装夹在摆动机构6上，控制箱9、气保焊焊机11和保护气体供给装置13放置在基础平台框架14一侧的外围，工件15水平放置在基础平台框架14中间的焊接工作平台区域25上。

所述焊枪与工件相对位置预定位机构7，包括安装在与焊枪10焊接位移方向垂直的平面位置内的两个光电位移传感器23和接触式力学传感器21，两个光电位移传感器23分别安装在两个直线位移气缸22上，两个光电位移传感器呈90°设置，焊枪10和接触式力学传感器21在光电位移传感器安装平面内的投影与两个光电位移传感器23夹角为45°，自动焊接控制系统可以控制两个直线位移气缸22的输入、输出位移方向，从而控制两个光电位移传感器23在自主定位过程中的伸缩行程，定位过程中控制两个光电位移传感器23通过气缸22伸出，进行焊枪10与工件15相对位置的预定位，确保焊枪10处于与角焊缝两侧平面各成45°的角平分线位置，且与角焊缝两侧平面的距离为10mm；定位结束后通过气缸22控制两个光电位移传感器23缩进，保证焊接过程中两个光电位移传感器与焊接工件不干涉。

本发明的具体实施方法是：

步骤一：焊接工作前，通过行车或者悬臂吊将大面积钣金工装结构工件15安放在基础平台框架14中间的焊接工作平台区域25，启动气保焊焊机11，开启保护气体供给装置13，启动控制箱9，构成焊接环境，自动焊接控制系统读取焊接工艺轨迹程序；

步骤二：自动焊接控制系统将处理后的位置信息发送至驱动系统，X轴位移机构1、Y轴位移机构2、Z轴位移机构3和Z轴旋转机构4带动焊枪10至指定焊缝位置区域，当前一条拼接焊接焊缝完成后，驱动系统将带动焊枪10至下一条指定焊缝位置区域，并重复上述动作程序；

步骤三：焊枪10至指定焊缝位置区域后，焊枪与工件相对位置预定位机构7启动，将焊枪10带至拼接焊缝的起始位置，并确保焊枪处于与角焊缝两侧平面各成45°的角平分线位置，且与角焊缝两侧平面的距离为10mm；

步骤四：上述步骤准备完善后，启动焊接程序，焊枪10沿着焊缝轨迹方向焊接，摆动机构6带动焊枪10左右摆动，接触式力学传感器21实时测量焊枪10与焊缝的相对位置，测量数据信息传至自动焊接控制系统，系统将反馈信息传至光栅纠偏机构5，实时对焊枪10位置进行实时纠偏调整。

本发明所述的一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，根据自动焊接控制系统与外部设备的输入、输出与转换，读取不同钣金工装结构拼接焊缝的焊接工艺轨迹程序，即大面积钣金工装结构拼接焊缝二维图的转换文本，获取焊缝的位置线路信息，通过焊缝位置定位机构对焊缝的初始位置进行定位，通过焊枪与工件相对位置预定位机构对焊枪位置进行预定位，焊接过程中通过接触式寻缝跟踪传感器和焊缝纠偏定位机构对焊缝进行实时跟踪和纠偏，确保焊枪沿着拼接焊缝的设计轨迹运动，实现大面积钣金工装结构拼接焊缝的自动化焊接。焊缝焊接质量优良、效率大幅度提高、设备投入成本低、易于操作和维护、有效降低生产加工成本。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (9)

1.一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，其特征在于：包括X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构、Z轴旋转机构、光栅纠偏机构、焊枪摆动机构、焊枪与工件相对位置预定位机构、Y轴滑台、控制箱、焊枪、气保焊焊机、焊丝输送机构、保护气体供给装置、基础平台框架，所述X轴位移机构设置在基础平台框架上，Y轴位移机构安装在X轴位移机构上，Y轴滑台安装在Y轴位移机构上，Z轴位移机构、Z轴旋转机构和焊丝输送机构安装在Y轴滑台上，光栅纠偏机构安装在Z轴位移机构上，摆动机构和焊枪与工件相对位置预定位机构安装在光栅纠偏机构下方，所述光栅纠偏机构由一组相互正交的直线电机滑台配合光栅组成，焊枪通过夹具装夹在摆动机构上，直线电机连接夹具，控制箱、气保焊焊机和保护气体供给装置放置在基础平台框架一侧的外围，基础平台框架中间设有焊接工作平台区域。

2.根据权利要求1所述的一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，其特征在于：所述X轴位移机构、Y轴位移机构由伺服电机一、伺服电机二驱动与之相连接齿轮轴，齿轮轴连接齿轮齿条机构；Z轴位移机构由伺服电机三驱动与之相连接丝杠，丝杠连接丝杠螺母机构；所述丝杠螺母机构与一对外啮合齿轮组的大齿轮对心连接，小齿轮连接伺服电机四，丝杠螺母通过过渡件与光栅纠偏机构连接。

3.根据权利要求1所述的一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，其特征在于：所述X轴方向的直线运动通过齿轮齿条机构连接带有滚轮的一对Y轴支撑小车，一对Y轴支撑小车设置在相互平行的两条X轴钢轨上，有齿轮齿条机构的一侧为主动小车、另一边为从动小车。

4.根据权利要求1所述的一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，其特征在于：所述Y轴方向的直线运动通过齿轮齿条机构连接Y轴滑台，所述Y轴滑台上面连接四个导轨滑块，两根导轨安装在两根Y轴钢轨上面，形成一组平行的导轨滑块机构，Y轴滑台上装有Z轴丝杠螺母机构、齿轮旋转机构、伺服电机二、焊丝输送机构。

5.根据权利要求1所述的一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，其特征在于：所述焊枪与工件相对位置预定位机构，包括安装在与焊枪焊接位移方向垂直的平面位置内的两个光电位移传感器和接触式力学传感器，两个光电位移传感器分别安装在两个直线位移气缸上，两个光电位移传感器呈90°设置，焊枪和接触式力学传感器在光电位移传感器安装平面内的投影与两个光电位移传感器夹角为45°。

6.根据权利要求1所述的一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，其特征在于：本发明所述接触式力学传感器安装在焊枪前端，沿焊缝焊接的方向，距离为30mm，和焊枪同处于与角焊缝两侧平面各成45°的角平分平面位置上，在该平面内传感器接触的指针与焊枪成45°，且传感器接触的指针指向焊枪末端焊丝位置。

7.根据权利要求6所述的一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，其特征在于：所述接触式力学传感器的指针为圆锥形或球形。

8.根据权利要求1所述的一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置，其特征在于：所述控制箱包括内部PLC模块、自动焊接控制程序，内部和外部控制电路、控制箱上面设置有控制按钮和显示屏幕。

9.一种分级定位的大面积钣金工装结构自动焊接装置的具体实施方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：焊接工作前，通过行车或者悬臂吊将大面积钣金工装结构工件安放在基础平台框架中间的焊接工作平台区域，启动气保焊焊机，开启保护气体供给装置，启动控制箱，构成焊接环境，自动焊接控制系统读取焊接工艺轨迹程序；

步骤二：自动焊接控制系统将处理后的位置信息发送至驱动系统，X轴位移机构、Y轴位移机构、Z轴位移机构和Z轴旋转机构带动焊枪至指定焊缝位置区域，当前一条拼接焊接焊缝完成后，驱动系统将带动焊枪至下一条指定焊缝位置区域，并重复上述动作程序；

步骤三：焊枪至指定焊缝位置区域后，焊枪与工件相对位置预定位机构启动，将焊枪带至拼接焊缝的起始位置，并确保焊枪处于与角焊缝两侧平面各成45°的角平分线位置，且与角焊缝两侧平面的距离为10mm；

步骤四：上述步骤准备完善后，启动焊接程序，焊枪沿着焊缝轨迹方向焊接，摆动机构带动焊枪左右摆动，接触式力学传感器实时测量焊枪与焊缝的相对位置，测量数据信息传至自动焊接控制系统，系统将反馈信息传至光栅纠偏机构，实时对焊枪位置进行实时纠偏调整。