CN108857134A - 一种锅炉内壁圆管环角焊缝的自动焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锅炉内壁圆管环角焊缝的自动焊接装置，本发明提供的装置主要用于解决锅炉内壁与对流圆管形成的环角焊缝的自动焊接问题，本发明通过合理的结构布局，采用前置式单目交叉激光定位系统、贴片式双电容位移传感焊枪姿态实时调节系统对锅炉内壁与对流圆管形成的环角焊缝进行精确定位与跟踪，具体为基于前置式单目交叉激光定位系统对各对流圆管进行定位进而实现对焊缝轨迹的预判，同时通过贴片式双电容位移传感焊枪姿态实时调节系统对焊枪姿态进行实时调节，本发明非常适合于锅炉内壁与密布对流圆管形成的狭小空间环境下环角焊缝的精确跟踪与焊接。

Description

一种锅炉内壁圆管环角焊缝的自动焊接装置

技术领域

本发明属于自动焊接装置，具体涉及一种对锅炉圆筒内壁与对流管形成的环角焊缝进行自动焊接的装置。

背景技术

自动焊接装置一般是针对某种特殊的焊接操作环境和焊接要求设计多自由度的机械运动手臂或其它运动方式的机构，机构末端夹持焊枪的焊接智能化设备，在焊接操作空间内完成对工件所形成的焊缝轨迹的自动焊接，它是一种能够完成一定复杂焊缝轨迹的自动化焊接装置。但对于一些特殊的工件所形成的狭小空间或更为复杂多样的焊接环境，现有机器人的结构设计仍然不能满足当前某些焊接环境的要求。列如，锅炉容器内密布的对流圆管与锅炉圆筒内壁之间的连接所形成的环角焊缝具有工作空间狭小，工作量大，焊接环境恶劣等特点，导致工人行动不便、对工人危害大等问题，因此，难以对其进行焊接。由于焊接空间的狭小，需要运用多自由度的小机械手臂，以完成这种特殊条件下的焊接。

哈尔滨工程大学杜宏旺等于2009年在焊接学报上发表的《接管焊接机器人运动学及轨迹修正》中所研制的接管焊接机器人采用悬挂式四自由度结构，这种焊接机器人采用的是示教的方法进行线性插值来对轨迹修正，不能实现实时跟踪，过程相对费时，且这种接管焊接针对的是对接管的外壁进行焊接，焊接操作空间相对较大，不能完成对接管内部的焊接。2013年授权发明专利“环缝焊接机器人装置”[专利号:CN102049638B]，这种装置的自由度很多，控制起来较为复杂，传感器只有激光视觉传感器且安装在离枪头较近的地方，这样激光视觉传感器易受弧光干扰，工作面积相对来说也要求较大，装置没有涉及焊枪姿态的调节，且其用于大型球冠面工件与管件形成的拼接焊缝进行焊接的特殊装置，难以完成锅筒内壁与对流管所形成的环角焊缝的焊接。

发明内容

本发明的目的是提供一种对锅炉圆筒内壁与对流圆管形成的环角焊缝进行自动焊接的装置。

以下参照附图对本发明的原理和技术方案进行说明。一种锅炉内壁圆管环角焊缝的自动焊接装置具有十一个运动轴，两个宏观旋转运动轴，一个宏观平移运动轴，四个微动旋转运动轴，四个微动平移运动轴。装置的机械结构包括：固定底座、立柱、横梁、滑套、夹具、方形立柱、小车、小车导轨、滑环、一字滑架、旋转轴、伸缩轴等。机械结构原理为：横梁与立柱以滑块结构形式实现横梁沿立柱上下微观调节达到转轴旋转轴心在锅炉圆筒中心，滑套可沿横梁左右滑动，实现焊枪和前置式单目交叉激光传感器等在锅炉圆筒轴向上大范围移动，与前置式单目交叉激光传感器固连的转轴绕滑套旋转，结合前置式单目交叉激光传感器内的激光发生器径向转动和轴向滑动，实现前置式单目交叉激光传感器扫描并识别对流管的端面中心的目的，滑套左侧的转轴下方刚性固定有垂直方向悬臂，悬臂内有一伸缩轴，伸缩轴可上下伸缩，用于调整焊枪的下枪高度，滑环系统安装于整个装置的各个轴承和滑套处，这里滑环系统包括导线滑环和流体滑环，采用滑环系统可以很好的疏通装配导线和保护气管线，同时有利于机构的运动。伸缩轴下方连接着绕伸缩轴转动的水平转轴，这里水平转轴负责使焊枪做圆周运动完成对环角焊缝的焊接，丝盘架设于水平转轴上，焊丝经滑环系统和管束后进入焊枪，水平转轴下方刚性固定有一字滑架，滑架上的小滑块可沿一字滑架滑动而对焊枪进行径向调节，滑块下方的径向转轴可使固定于其下方的机构摆动，形成的摆臂可对焊枪进行调姿，径向转轴下方小悬臂内的方形伸缩轴在远离焊枪平面的上下两侧固定有贴片式圆形电极板，一字滑架和其下方的摆臂就是利用贴片式圆形电极板与对流管内壁形成的电容式位移传感器实现对焊枪的调姿和径向位移的调节。

本发明的有益效果是，可以适应锅筒内壁与密布对流管形成的环角焊缝的跟踪和焊接工艺的要求，提供运用两种传感器进行焊缝轨迹预测、焊枪姿态实时调节的自动焊接装置。

与现有的自动化焊接装备相比具有以下特点：

(1)适应于锅筒内壁与密布对流管形成的狭小空间环境的环角焊缝焊接操作；

(2)能够实时调节焊枪姿态，避免焊枪与工件相碰撞，提升焊接质量；

(3)结构相对简单，各传感方式有机结合，提高焊接效率。

附图说明

图1为本发明整体的三维结构示意图；

图2为本发明主体部分的三维结构示意图；

图3为本发明前置式单目交叉激光传感器的左视图；

图4为本发明贴片式双电容传感器的三维结构示意图；

图5为本发明主体部分进入锅筒时的位姿示意图；

图6为本发明主体部分进入焊接状态的位姿示意图；

图7为本发明主体部分左旋进入下一工位时各轴所处位姿示意图；

图8为本发明主体部分右移进入下一工位时各轴所处位姿示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对发明的结构原理做进一步的说明。

实施例1，如图1、2、3、4所示,一种锅炉内壁圆管环角焊缝的自动焊接装置由底座1、立柱2、滑套3、横梁4、主体部分5、主悬臂转轴5-1、前置式单目交叉激光传感器转轴5-2、滑套5-3、主悬臂5-4、前置式单目交叉激光传感器5-5、伸缩轴5-6、水平转轴5-7、丝盘架5-8、一字滑架5-9、滑块5-10、径向转轴5-11、小悬臂5-12、方形伸缩轴5-13、焊枪夹具5-14、焊枪5-15、方形立柱8、夹具9、方形小车10、小车轨道11等构成。立柱2刚性固定于底座1上，横梁4与立柱2、方形立柱8形成工字型连接，横梁4通过滑套3可沿立柱2上下移动，滑套3不动后，方形小车10带动方形立柱8沿小车轨道11左移让夹具9夹住方形立柱8并固定，主体部分5靠滑套5-3沿横梁4进行左右移动，两转轴5-1、5-2可绕滑套5-3进行360°旋转，这样转轴5-2带动前置式单目交叉激光传感器5-5对每个圆周上的对流管7进行扫描并识别，在扫描并识别完一周上的对流管7后，滑套5-3右移使前置式单目交叉激光传感器5-5进入下一对流管7所处圆周面上，前置式单目交叉激光传感器5-5正处于转轴5-2下方，转轴5-1下方刚性固定着主悬臂5-4，主悬臂5-4内有伸缩轴5-6，伸缩轴5-6可沿主悬臂5-4进行上下移动，这里的转轴5-2和伸缩轴5-6根据前置式单目交叉激光传感器5-5的识别信息来调节转轴5-2的转动角度和下放伸缩轴5-6的高度以调节焊枪5-15的高度并贴近焊缝，伸缩轴5-6下端有一水平转轴5-7绕其转动以带动焊枪5-15绕对流管7旋转，侧面刚性固定有丝盘架5-8，其下端还刚性固定有一字滑架5-9，其下方的滑块5-10可沿其左右滑动，滑块5-10下端有一径向转轴5-11，径向转轴5-11与刚性固定于其下端的小悬臂5-12形成摆动臂以调节焊枪5-15姿态，小悬臂5-12内部有一方形伸缩轴5-13可沿其内的小圆柱上下滑动，当方形伸缩轴5-13滑移时，启动其上的贴片式圆形电极板5-135与对流管内壁形成贴片式双电容传感器可测出对流管7相对水平位置的倾斜角度，从而调节焊枪5-15姿态，使焊枪5-15处于合适的位姿，小悬臂5-12外壁刚性固定的焊枪夹具5-14用于固定焊枪5-15。所有滑套和转轴的运动均采用伺服电机驱动，且用电机旋转编码器采集各电机的转动圈数、角度、速度等，将采集的这些参数送至处理器内处理，并在一套动作完成后通过控制电路控制相关电机复位。

本实施例对锅筒6内壁与对流管7形成的环角焊缝7-1进行焊接。焊枪5-15沿对流管7与锅筒6内壁之间形成的环角焊缝7-1做圆周运动。每焊接完一个环角焊缝7-1后，主体部分5的焊接部分将收枪复位移动至下一环角焊缝7-1进行焊接。

这里特别指出，如图3所示的前置式单目交叉激光传感器5-5，传感器由外壳5-51、导线孔5-52、上顶板5-53、转轴5-54、一字滑架5-55、滑块5-56、激光发生器5-57、电路板安装盒5-58、光电传感器5-59、固定板5-510组成，转轴5-54提供激光的径向摆动，一字滑架5-55和滑块5-56提供激光的轴向移动，光电传感器5-59负责对激光扫描之处的图像感应与采集，电路板安装盒5-58内的电路板包括旋转编码器、图像处理电路可对传感器内电机进行信息采集传输和对采集的扫描图像进行处理。如图4所示的贴片式圆形电极板5-135，该贴片式圆形电极板5-135安装于伸缩轴5-13一面的两侧，整体由滑轨5-131、导线孔5-132、绝缘隔热层5-133、屏蔽层5-134、贴片式圆形电极板5-135、方形伸缩轴5-13组成，方形伸缩轴5-13沿滑轨上下移动让贴片式圆形电极板5-135进入对流管7内，绝缘隔热层5-133可有效隔绝焊接热源和绝缘，屏蔽层5-134可屏蔽外部电场的干扰和本身电场向边缘发散。

实施例2，如图5、6、7、8，对于每个环角焊缝7-1的焊接和跟踪方式如下：

装置上电后，通过人机交互界面设置焊接参数等重要参数，一键启动后，系统控制伸缩轴、转轴、滑套等回复至初始位置，随后系统发送指令至滑套电机驱动使相应伺服电机转动，此时滑套5-3往右滑移进入锅筒，主体部分5进入锅筒6时的状态如图5所示，电源板给前置式单目交叉激光传感器5-5中的激光发生器5-57发射激光，根据光电传感器5-59的信息采集和处理，测出横梁4轴心至锅筒6内壁的距离，根据这一测距信息的反馈，经系统处理判断将结果发送至滑套3的电机驱动，驱动电机使滑套3上下滑动的距离。调整好这一轴心位置的同时，滑套5-3的电机还在转动使滑套5-3继续沿横梁4滑移，此时系统控制前置式单目交叉激光传感器5-5内的径向伺服电机驱动使径向转轴5-54转动带动前置式单目交叉激光传感器5-5内的激光发射器5-57发射的激光线对对流管7进行扫描，与对流管7边缘相交两点后，主控板通过控制滑套5-3的电机驱动使滑套5-3的驱动电机停止转动，再通过系统的处理和电机驱动调整径向转轴5-54的角度至这两点连线的中点，此时控制径向转轴5-54不动，系统发送指令至轴向电机驱动，驱动轴向电机转动使一字滑架5-55上的滑块5-56滑动带动激光沿两点中垂线上进行扫描，这时与对流管7边缘相交两点形成线段的中点即为圆心，这样就得出对流管7端面的圆心，确定这一圆心后，保持滑套5-3不动，前置式单目交叉激光传感器5-5在转轴5-2的带动下绕滑套5-3转动，按照上述方法激光扫描识别锅筒6内壁这一截面上的所有对流管7的圆心，在旋转编码器采集的信息经系统处理得出转轴5-2转动一周后，滑套5-3接着往右滑移，按上述方法检测出不同截面上横梁4轴心到锅筒内壁的距离并识别出这一圆周上剩下对流管7的端面圆心，因激光发射器5-57的初始轴心与主悬臂5-4轴心间的水平距离在装配好后已知，在前置式单目交叉激光传感器5-5识别对流管7圆心时，当滑套5-3移动至主悬臂5-4轴心与对流管7圆心处于同一截面时，系统控制转轴5-1电机的驱动来驱动电机使转轴5-1转动至主悬臂5-4的轴心与对流管7圆心正对，之后系统发送指令至伸缩轴5-6电机的驱动来驱动电机转动从而控制伸缩轴5-6沿主悬臂5-4下移，使焊枪5-15与对流管7不碰撞且枪头处于正确的高度，再通过控制电机使小悬臂5-12内方形伸缩轴5-13下滑，伸缩轴5-13沿小悬臂5-12内小圆柱下滑完全后，系统发送指令至电源系统给方形伸缩轴5-13上下两侧的贴片式圆形电极板5-135通电，通过方形伸缩轴5-13上下两侧的贴片式圆形电极板5-135(电极板装在远离焊枪的一侧)测出两贴片式圆形电极板5-135至对流管7内壁的距离X₁和X₂，因两圆形电极板5-135之间的距离已知为X₀，这样就可计算出此时焊枪5-15焊接的这一平面对流管7与水平面间的夹角θ，其计算公式为经系统算出这一倾角后，通过控制径向转轴5-11带动悬臂5-12摆动角度为(当X₁>X₂时，径向转轴5-11逆时针转动ω，同理当X₁<X₂时，径向转轴5-11顺时针转动ω)，在径向转轴5-11转动时，根据径向转轴5-11轴心至方形伸缩轴5-13下滑完全时下端贴片式圆形电极板5-135的距离X₃，通过系统计算得出滑块5-10沿一字滑架5-9左右滑动的位移X＝X₃sinω(当径向转轴5-11逆时针旋转时，滑块5-10沿滑架5-9朝远离焊枪的一侧移动，反之则向靠近焊枪的一侧滑动)，系统发送指令至滑块5-10电机和径向转轴5-11电机的驱动来使两者电机转动而使径向转轴5-11转动和滑块5-10滑动，进而保证焊枪5-15处于适当位姿后，系统启动焊接开关焊枪5-15起弧焊接，同时系统控制水平转轴5-7电机驱动来驱动水平转轴5-7电机转动使水平转轴5-7带动焊枪绕对流管进行焊接，在焊接的同时，方形伸缩轴5-13上下两端的贴片式圆形电极板5-135实时进行水平距离测量，按照初始调整焊枪5-15姿态的方式实时调整焊枪5-15姿态，保证焊枪5-15处于适当的位姿。

在这里特别指出，所有运动都采用伺服电机和伺服电机驱动并通过在各个电机上安装旋转编码器采集各电机旋转角度和旋转速度，加上控制系统的精确控制，保证前置式单目交叉激光传感器5-5精确扫描并识别出对流管7端面圆心，转轴5-1、5-2可绕滑套5-3转动无限周次，当每次转轴5-1、5-2绕回至某一圆周截面初始位置时默认为转轴复位，当焊枪5-15进入焊接状态且未焊完一周上的环角焊缝7-1时或前置式单目交叉激光传感器5-5未识别完一周上的对流管7中心时，滑套5-3均静止，等待后续焊枪5-15焊完锅筒6内壁一周的对流管7和前置式单目交叉激光传感器5-5识别完锅筒6内壁一周的对流管7后，滑套5-3再接着往右滑移，接着前置式单目交叉激光传感器5-5和焊接部分按上述步骤主体部分5识别并焊完锅筒6上的环角焊缝7-1后，整个装置回车复位，机架上的夹具9松开，立柱8在小车10的带动下沿导轨11向右移动，待立柱8右移一定距离后，将锅筒6平行横梁4的轴向移出，移出后就可将下一锅筒6沿横梁4的轴向移入，再将立柱8左移并用夹具9固定好，即可进入下一锅筒6内壁环角焊缝7-1的焊接。

这里也特别指出，当焊枪5-15沿对流管7的环角焊缝7-1焊完后，系统控制相应电机驱动来控制电机使滑套5-6和滑套5-13分别沿所连接的悬臂5-4和5-12收回复位，径向转轴5-11和滑块5-10也一同复位，当进入焊下一对流管7工位时，根据前置式单目交叉激光传感器5-5已识别的对流管7中心，按既定步骤进行焊枪定位和焊枪姿态调节，保证焊缝的精确跟踪并提升焊接质量。

Claims (3)

1.一种锅炉内壁圆管环角焊缝的自动焊接装置，包括前置式单目交叉激光定位系统、贴片式双电容位移传感焊枪姿态实时调节系统、焊枪、焊接电源等，其特征是前置式单目交叉激光定位系统包括可变式台架、焊枪接近机构、前置式单目交叉激光视觉传感器，贴片式双电容位移传感焊枪姿态实时调节系统包括贴片式双电容传感器、焊枪姿态实时调节机构。

2.根据权利要求1所述的前置式单目交叉激光定位系统，其特征在于前置式单目交叉激光定位系统的可变式台架由固定底座、圆形立柱、滑套、横梁、方形立柱、夹具、方形小车、小车轨道构成；前置式单目交叉激光定位系统的焊枪接近机构包括主悬臂、主悬臂转轴、伸缩轴，前置式单目交叉激光定位系统的前置式单目交叉激光传感器包括激光发生器、转轴、一字滑架、光电传感器；该系统通过前置式单目交叉激光传感器对对流管端面中心进行定位，先调动可变式台架使横梁处于锅筒轴心线上，再调动焊枪接近机构使焊枪接近对流管。

3.根据权利要求1所述的贴片式双电容位移传感焊枪姿态实时调节系统，其特征在于贴片式双电容位移传感焊枪姿态实时调节系统的贴片式双电容传感器由方形伸缩轴、贴片式圆形电极板、电容信号处理器；贴片式双电容位移传感焊枪姿态实时调节系统的焊枪姿态实时调节机构包括丝盘架、水平转轴、一字滑架、径向转轴、小悬臂、焊枪夹具；其中贴片式圆形电极板位于远离焊枪一侧的方形伸缩轴上下两端，丝盘架位于水平转轴上，在焊枪接近对流管后，下放方形伸缩轴，贴片式圆形电极板通电，两电极板与对流管内壁形成双电容；整个系统根据贴片式双电容传感器的传感，调动焊枪姿态实时调节机构进行焊枪姿态的实时调节，保证焊枪相对对流管侧壁都平行。