CN108463305A - 机器人控制的气体钨弧焊机及其操作方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用在弧焊机中的焊枪组件。该焊枪组件包括头部、从头部延伸的电极、以及承载可移动的馈送线并从头部延伸的非直线形输送管。衬垫被保持在非直线形输送管内，其中该衬垫容纳馈送线并促进馈送线的移动。还公开了一种用于控制焊机的方法，也公开了一种相关的接口配置。

Description

机器人控制的气体钨弧焊机及其操作方法

技术领域

总体上，本发明涉及气体钨/金属弧焊机及其操作。更特别地，本申请涉及焊机和焊接过程的机器人控制。具体地，本发明涉及以太网/Device网接口的实现和焊接焊枪的修改，以实现焊机的机器人操作。

背景技术

当前，气体钨/金属弧焊是手动过程。由于焊机必须在将填充材料(也称为馈送线)馈送到焊接区域中的同时保持电极与工件之间的较短的电弧长度，所以该过程难以掌握。一旦产生电弧，焊机使承载电极的焊枪沿小圆圈移动以创建焊接熔池。焊接熔池的大小取决于电极的大小和施加的电流量。在维持电极与工件之间的恒定分离的同时，操作者必须以与直立成一精确角度地操纵焊枪。然后根据需要，将填充材料手动添加到焊接熔池的前端。

鉴于这种焊接过程的复杂本质，尚未积极地追求机器人的利用。焊接焊枪——焊机利用该焊接焊枪靠近工件实施处理——包括电极和线输送管，以将馈送线靠近电弧放置。目前的准S形焊接输送管不能一致地将馈送线准确地放置在焊接熔池中。结果，这样的形状不利于在机器人焊接过程中使用。此外，当前没有系统可用于协调气体钨焊接焊枪的操作与机器人臂的移动。因此，本领域中需要一种改进的馈送线输送系统并且提供机器人焊接臂和气体钨焊接焊枪的协调控制。

发明内容

鉴于以上所述，本发明的第一方面是提供一种机器人控制的气体钨弧焊机及其操作方法。

本发明的另一个方面是提供一种用在弧焊机中的焊枪组件，该焊枪组件提供头部、从头部延伸的电极、承载可移动馈送线并从头部延伸的非直线形输送管、以及被保持在非直线形输送管内的衬垫，其中该衬垫容纳馈送线并促进馈送线的移动。

本发明的又一个方面是提供一种用于控制焊机的方法，该方法通过将弧焊机与机器人臂相关联、将机器人臂编程为行进到焊接路径的起始位置、从电源中调用预定焊接参数计划、在弧焊机的电极与工件之间建立电弧、设定输出以启动源于所述电源的馈送线的输送和所述焊接参数计划、以及使移动机器人臂和振动馈送线沿着焊接路径同时进行来控制焊机。

本发明的又一个方面是提供一种机器人气体钨弧焊接口配置，该接口配置提供机器人臂、适于安装到机器人臂的焊枪组件、将馈送线供给到焊枪组件的线馈送单元、向焊枪组件供给电力和控制信号的电源、以及控制器，该控制器连接到机器人臂、线馈送单元和电源并且在机器人臂、线馈送单元与电源之间交换操作信号以便启动至少两个工件的自动焊接工序。

附图说明

参考下面的描述、所附权利要求和附图，本发明的特征和优点将变得更好理解，其中：

图1是根据本发明的构思完成的机器人控制的气体钨弧焊机的示意图；

图2是根据本发明的构思完成的气体钨弧焊机的示意图；

图3是根据本发明的构思的气体钨弧焊机的正视图；

图4是根据本发明的构思用在气体钨弧焊机中的输送管的横截面图；

图5是图示根据本发明的构思在弧焊机的部件之间交换操作信号的系统图；和

图6是示出机器人控制的气体钨弧焊机的操作的流程图。

具体实施方式

现在参考附图，特别是参考图1至图3，机器人控制的气体钨弧焊机一般以标记10表示。如将详细描述的那样，机器人臂与气体钨焊枪的集成实现了气体钨焊接过程的自动化。所公开的装置和相关过程允许实现由于装配限制而不能利用传统焊接系统实现的接头焊接，其中所公开的系统提供超过先前工艺的期望的速度和质量。

焊机10包括机器人臂12，该机器人臂12围绕被表示为WP的工件移动，其中该工件包括至少两个待被联接在一起的部分。臂12包括底座14，底座14连接到从该底座延伸的铰接臂16，其中该臂以精确控制和可重复的运动相对于底座移动。联接器18从铰接臂16的与底座相对的一端延伸，并能相对于臂16可旋转地运动。机器人臂的运动由机器人臂控制器20控制，该机器人臂控制器20实现铰接臂和联接器的各种运动。具体地，控制器20向马达、液压装置等提供输入功率、数据指令等，以便使机器人臂以期望的方式运动。本领域技术人员将会理解，机器人臂控制器20提供必要的硬件、软件和相关程序以便控制机器人臂12的操作。

通常由标记28表示的气体钨弧焊机与机器人臂12相关联。气体钨弧焊机28包括安装到联接器18的焊接焊枪组件30。束导管34可以与焊枪组件30相关联并且使该焊枪组件30能够操作。导管34供给在焊接过程中利用的气体物质、馈送线以及电力和操作信号，以便控制焊枪组件的操作。导管34的相对端可以被保持远离机器人臂，以便收集将被输送到焊枪组件30的物质、电力、馈送线等。在将要描述的机器人操作中，馈送线到焊枪组件的输送和控制对于获得工件WP的两个部分之间的最佳焊接是重要的。

焊线线轴或托架36可以被保持紧邻机器人臂12。线轴或托架36承载馈送线38(有时称为焊线)，该馈送线38通过束导管34被输送到焊枪组件。馈送线可以是直径为1/16英寸或更大的任何金属或金属合金材料。托架36可以被联接到线馈送单元40，该线馈送单元40将馈送线38输送到束导管中以便输送至焊枪组件。馈送线单元40以恒定的速度从托架馈送焊线，同时也以预定的频率反复振动焊线。在一些实施例中，振动频率可以在10到20Hz之间，在一些实施例中可以在17Hz左右。在其他实施例中，振动频率可以在5到60Hz之间。线馈送单元40可以使馈送线在向前方向或倒退方向上移动。

线加热器42也可以被保持紧邻机器人臂12。线加热器42包括与线馈送单元40相关联的变压器，并且还提供被容纳在束管道34中以用于被焊枪组件30接收的电力电缆。线加热器可以在馈送线离开焊枪组件之前将焊枪组件中或焊枪组件附近的馈送线进行预热，以便促进焊接过程。

电源46被连接到线馈送单元40和线加热器42，以便向这两个部件输送必要的电力需求。气体供给源48可以被保持紧邻机器人臂12，并且提供将经由导管34被输送到焊枪组件30的惰性气体。

现在参考图2至图4，可以看出，焊枪组件30包括被连接到联接器18的联接器臂52。因此，当联接器臂以任一方向旋转时，焊枪组件30也旋转。头部54被机械地连接到联接器臂52并且还接纳束管道34。头部54将诸如电力、气体、馈送线以及由焊枪组件利用的其他部件的各种输入引导到其相应的部件，如将讨论的那样。

焊枪组件30包括焊枪主体56和输送管60。焊枪主体56包括管道62。钨电极64从管道62延伸并且通过束导管连接到电源46。惰性气体66自气体供给源48被输送通过束导管并进入管道62且环绕着电极64。如本领域技术人员所熟知的，惰性气体66用于保护焊接区域不受到可能导致焊接缺陷的诸如氮气和氧气等大气气体的影响。气体还将来自电极的热传递到工件，并且有助于在焊接过程期间引发并保持稳定的电弧。气体可以是氩气、氦气、氩气-氦气混合物或者被视为适合于形成特定焊接的任何其他气体。考虑到其高熔解温度，电极64通常由钨或钨合金制成。

非直线形构型的输送管60容纳：馈送线、以及在馈送线被输送到焊接区域时对该馈送线加热的线。热保护套筒68可以覆盖管60的从焊枪组件30延伸的部分。联接螺母70允许输送管60相对于焊枪主体56并且特别是电极64进行位置调节。输送管60包括延伸到成角度部分74中的直线形部分72。成角度部分74以30到60°之间的任何角度从直线形部分72延伸。在具体实施例中，成角度部分74与直线形部分72之间的角度大约为50+/-2°。在大多数实施例中，该角度大约为50°。圆角过渡部80的成角度部分的曲率半径可以是25mm至55mm之间的任意大小。在一些实施例中，曲率角可以是约30mm至40mm。在大多数实施例中，曲率角约为35mm。在过渡到成角度部分74之前，在直线形部分72中也可以有轻微向上的角度弯曲。该轻微的角度弯曲可以是相对于直线形部分从1°到10°的任何角度。从成角度部分74延伸的是尖端部分76，该尖端部分76是基本上圆锥形状的并且允许馈送线被定位在电极附近。尖端部分76包括尖端开口84，尖端开口84允许馈送线朝向电极向外延伸。

如图4最好地看出，内部衬垫90容纳在输送管60内，并且从直线形部分72的远端通过成角度部分74朝向尖端部分76延伸。在本实施例中，内部衬垫90可以由低摩擦材料制成并且可以是螺旋构型。内部衬垫90有助于以最小的干涉且以一致的方式将馈送线输送到尖端并进入焊接区域。所选择的衬垫材料提供了馈送线的低摩擦内部通道以及期望的散热。在一些实施例中，低摩擦材料是黄铜，但是也可以采用能够承受焊接过程的热的其他材料。衬垫可以是管状构型，但相信类似于螺旋弹簧的螺旋构型能提供最小的摩擦以及馈送线的更可靠输送。

现在参考图5，可以看出，提供了控制系统100的示意图，该控制系统100能够使得机器人臂12与气体钨弧焊机28协调或接合。控制系统100可以使用以太网^TM通信协议和/或Device网TM协议以便传递控制和/或操作信号，以及以其他方式协调焊机10的各种部件之间的操作。可以采用部件之间的其它离散的操作信号。控制系统100包括机器人控制器102，该机器人控制器102提供必要的硬件、软件和相关部件以实现焊机10的操作。控制器102通常被保持在机器人臂控制器20内，或者被保持在保持机器人臂控制器20的相同外壳内。在任何情况下，示教器104被连接到控制器102，并且允许针对连接到控制器的各种部件的用户输入。该示教器尤其允许技术人员输入机器人臂的期望运动、焊接焊枪组件的所有操作参数、以及在机器人臂相对于工件行进期间何时发生焊接焊枪操作的协调。此外，控制器102可以向示教器104提供各种部件的状态更新。连接到控制器102并与其进行通信的是机器人臂控制器20、馈送线单元40和电源46。还将理解的是，馈送线单元40和电源46与焊枪组件进行通信。该通信允许监控焊枪组件内的部件，该监控可以被转送回到控制器和/或机器人臂20以确保操作参数被遵循。

也可以被称为自动/适应性高度控制的电弧电压控制108被保持在控制器102内，并且控制钨电极64与工件WP之间的距离或高度。本领域技术人员将认识到，控制器102向线馈送单元40提供指令，诸如线馈送的速度、以及线馈送的方向是向前方向或倒退方向。线馈送单元还接收频率控制信号以便根据需要调节馈送线的振动以获得期望的焊接。线馈送单元40在馈送线被输送到焊枪组件30时传送或调整馈送线的实际物理参数。

控制器102向电源46提供以太网、Device网和/或离散信号以便控制、启动和/或停止焊接电流、电弧发生、气体导通，以及提供由电源使用的任何其他信号来控制和/或实现焊接过程。线馈送单元40的开启和振动也由控制器102进行控制。通过电源46利用变量——诸如点火开启、气体导通(惰性气体被输送到焊枪组件的时机)、施加到馈送线和电极的电压、点火延迟以及到电极的斜升放大电流来控制弧焊的启动。然后，电源将这些输入提供给焊枪组件30以用于其操作。

控制器102还通过电弧电压控制108向机器人臂20提供控制信号，以便控制焊枪组件相对于工件的位置以及随着焊接进行机器人臂如何相对于工件行进。

一旦所有参数都经由示教器104被编程到控制器102中，那么焊接过程可以被启动并被控制，直到完成。

现在参考图6，用于操作焊机10的方法通常由标记200指定。在步骤202，机器人臂被编程为行进到焊接开始位置。接下来，在步骤204，控制器102启动预定的焊接参数计划，并将该计划输送到电源46。在电极与工件之间建立电弧期间，输送来自气体供给源48的气体。随后，在步骤206，在不开始线馈送供给的情况下，高频电压被启动并被施加到电极。在步骤208，在电极与工件之间建立电弧。

接下来，在步骤210，控制器102设置输出以启动线馈送和焊接参数计划。这一步骤开始了馈送线的振动并且提供了馈送线的适当加热以开始焊接过程。其他输出、诸如气体通过导管的输送继续进行。

在步骤212，控制器102启动机器人臂20沿着焊接路径的运动，并且同时以预定的振动速率对馈送线进行馈送。在焊接工序期间，电弧电压控制108将工件保持到电极高度。随着机器人臂沿着工件到达焊接路径的末端，启动并完成焊接末端启动焊接计划，该焊接末端启动焊接计划使到馈送线和电极的各种施加的电压和电流斜降。一旦完成，焊接循环便在步骤216结束，并且焊枪组件远离工件移动，于是完成的工件被移动并且新的工件被放置就位以开始下一个焊接操作。

出于多种原因，所公开的焊枪组件、接口配置和方法是有利的。集成的接口和独特的填充线输送系统使得本发明过程能够以机器人的方式实现。机器人焊枪组件和相关软件的组合允许该过程产生更高质量的焊接、并且比手工气体钨弧焊和常规的机器人气体钨弧焊更快地完成。本发明系统可以在比先前提供的清洁度更高的情形下以可比的熔敷速率操作。相信这种系统允许较少的加热和更多的宽容润湿参数，这导致更少的产品返工、更小的失真、更快的生产能力和显著改善的美观性。输送管也是有利的，因为其允许馈送线的低摩擦输送以确保一致的焊接。输送管提供内部衬垫，该内部衬垫与输送管的成角度的和圆角的构型一起减少了通过输送管的摩擦，并且进一步增强了馈送线输送过程。

因此可以看出，本发明的目的已经通过上述结构和其使用方法得到了满足。尽管根据专利法规，只有最佳的模式和优选的实施例已经被提出并且被详细描述，但是应当理解的是，本发明不限于此或者由此限制。因此，为了理解本发明的真实范围和广度，应当参考所附的权利要求。

Claims (16)

1.一种用在弧焊机中的焊枪组件，包括：

头部；

从所述头部延伸的电极；

非直线形输送管，所述非直线形输送管承载可移动的馈送线并且从所述头部延伸；以及

衬垫，所述衬垫被保持在所述非直线形输送管内，所述衬垫容纳所述馈送线并且促进所述馈送线的移动。

2.根据权利要求1所述的焊枪组件，其中所述非直线形输送管包括：

从所述头部延伸的直线形部分；

从所述直线形部分延伸的成角度部分；以及

尖端部分，所述尖端部分具有开口、从所述成角度部分延伸并且具有在30°与60°之间的任一角度。

3.根据权利要求2所述的焊枪组件，其中所述成角度部分和所述直线形部分具有在二者之间的25mm至50mm的圆角过渡部。

4.根据权利要求1所述的焊枪组件，其中所述衬垫由黄铜制成。

5.根据权利要求1所述的焊枪组件，其中所述衬垫由螺旋缠绕的黄铜材料制成。

6.一种用于控制焊机的方法，包括：

将弧焊机与机器人臂相关联；

将所述机器人臂编程为行进到焊接路径的开始位置；

从电源调用预定的焊接参数计划；

在所述弧焊机的电极与工件之间建立电弧，并且设置输出，以从所述电源启动馈送线的输送和所述焊接参数计划；以及

使所述机器人臂的移动和所述馈送线的振动沿着所述焊接路径同时进行。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

针对气体钨电焊而指定所述预定的焊接参数计划。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括：

在所述焊接路径的末端位置启动斜降过程。

9.根据权利要求6所述的方法，还包括：

利用输入装置对所述机器人臂和所述预定的焊接参数计划两者进行编程。

10.根据权利要求6所述的方法，还包括：

为所述机器人臂设置自动高度控制。

11.一种机器人气体钨弧焊接口配置，包括：

机器人臂；

焊枪组件，所述焊枪组件适于被安装到所述机器人臂；

线馈送单元，所述线馈送单元将馈送线供给到所述焊枪组件；

电源，所述电源向所述焊枪组件供给电力和控制信号；以及

控制器，所述控制器连接到所述机器人臂、所述线馈送单元和所述电源，并且在所述机器人臂、所述线馈送单元与所述电源之间交换操作信号以便启动至少两个工件的自动焊接工序。

12.根据权利要求11所述的接口配置，其中所述机器人臂和所述控制器交换自动高度控制信号，以便在由所述焊枪组件承载的电极与所述至少两个工件之间保持预定距离。

13.根据权利要求11所述的接口配置，其中所述线馈送单元和所述控制器至少交换线馈送速度和线频率控制信号，以便从所述线馈送单元输送馈送线到所述焊枪组件。

14.根据权利要求11所述的接口配置，其中所述电源和所述控制器至少交换线加热和电弧信号，以便对从所述线馈送单元输送到所述焊枪组件的馈送线进行加热、并且引发在由所述焊枪组件保持的电极与所述至少两个工件之间的电弧。

15.根据权利要求11所述的接口配置，其中所述机器人臂和所述控制器交换自动高度控制信号，以便在由所述焊枪组件承载的电极与所述至少两个工件之间保持预定距离；其中所述线馈送单元和所述控制器至少交换线馈送速度和线频率控制信号，以便从所述线馈送单元输送馈送线到所述焊枪组件；并且其中所述电源和所述控制器至少交换线加热和电弧信号，以便对从所述线馈送单元输送到所述焊枪组件的馈送线进行加热、并且引发在由所述焊枪组件保持的电极与所述至少两个工件之间的电弧。

16.根据权利要求15所述的接口配置，还包括：

示教器，所述示教器被连接到所述控制器，其中用户输入允许调整所述自动高度控制信号、所述线馈送速度和线频率控制信号、以及所述线加热和电弧信号。