CN109079356B - 一种机器人自动气刨焊接钢圈工作站及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人自动气刨焊接钢圈工作站及其使用方法。工作站包括：机座，具有升降装置；机器人，安装于升降装置；滚轮架，设置于机座的一侧，且滚轮架上放置有钢圈，且带动钢圈绕钢圈的轴线转动；点激光，配置成在钢圈转动时检测钢圈的内侧坡口；焊枪，可拆装地设置于机座，以使机器人取用焊枪，并对内侧坡口进行接触寻位和焊接；相机，可拆装地设置于机座，以使机器人取用相机，根据图片对钢圈的外侧焊缝进行定位；气刨枪，可拆装地设置于机座，以在机器人利用焊枪对外侧焊缝进行接触寻位后，使机器人取用气刨枪，对外侧焊缝进行气刨。满足钢圈焊缝的自动识别与气刨焊接，具有提高生产效率、降低劳动强度、操作方便、通用性好等优点。

Description

一种机器人自动气刨焊接钢圈工作站及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种全自动钢圈气刨和焊接领域，特别是一种机器人自动气刨焊接钢圈工作站及其使用方法。

背景技术

目前，工件钢圈的外径尺寸为Φ504～Φ1854mm，壁厚为8～96mm，宽度尺寸为200～600mm，重量为64～1185.6Kg。其成型工艺为：钢板火焰切割下料、坡口--卷板机卷制成圆--校形机进行圆度校圆。钢圈根据工艺要求，卷圆后的对接处为V型坡口或X型坡口。为保证焊接强度，需要对钢圈内侧的坡口进行焊接，内侧坡口处经焊丝填充满后，将钢圈翻转180°，用气刨枪对外侧的焊缝处，进行气刨清根，然后进行焊接填平。考虑工件为辊式卷板机卷制成型，圆度最大偏差为15mm，经反复校形工艺后，圆度偏差可控制在3mm以内。要求焊缝达到Ⅰ级焊缝。

传统的钢圈气刨和焊接生产中，将工件放置在普通的滚轮架上，完全由人工对坡口位置进行焊接，然后通过控制滚轮架旋转将钢圈转过180°，人工进行气刨、焊接。由于钢圈板较厚，坡口较大，焊接要求高，人工作业不仅劳动强度大、效率低，而且工作环境较差，气刨产生的烟尘对人体健康会有一定危害性及安全隐患。

发明内容

本发明针对现有气刨焊接钢圈的不足，提供一种机器人自动气刨焊接钢圈工作站及其使用方法，能够自动对钢圈坡口和焊缝的位置进行识别，再进行自动气刨焊接，提高了生产作业效率。

具体地，一方面，本发明提供了一种机器人自动气刨焊接钢圈工作站，其包括：

机座，其具有升降装置；

机器人，安装于所述升降装置，以随所述升降装置进行升降运动；

滚轮架，设置于所述机座的一侧，且所述滚轮架上放置有钢圈，且带动所述钢圈绕所述钢圈的轴线转动；所述钢圈的轴线沿水平方向延伸；

点激光，安装于所述机座或所述机器人，配置成在所述钢圈转动时检测所述钢圈的内侧坡口，以控制所述滚轮架的运动，对所述内侧坡口进行定位；

焊枪，可拆装地设置于所述机座，以使所述机器人取用所述焊枪，并对所述内侧坡口进行接触寻位，以及在所述内侧坡口进行焊接；

相机，可拆装地设置于所述机座，以使所述机器人取用所述相机，并且在所述钢圈再次转动时，对所述钢圈的外侧进行拍摄，以获取具有外侧焊缝位置特征的图片，以根据所述图片上的外侧焊缝位置特征与预设的焊缝特征控制所述滚轮架的运动，对所述钢圈的外侧焊缝进行定位；

气刨枪，可拆装地设置于所述机座，以在所述机器人利用所述焊枪对所述外侧焊缝进行接触寻位后，使所述机器人取用所述气刨枪，对所述外侧焊缝进行气刨；以及在经过至少一次的气刨并清渣后，使所述机器人取用所述焊枪，对气刨后的所述外侧焊缝进行焊接。

可选地，所述滚轮架为两个，设置于所述机器人的两侧，以在非所述机器人工作于一个所述滚轮架上的钢圈时，使所述机器人工作于另一个所述滚轮架上的钢圈。

可选地，所述升降装置具有升降立柱、横梁和第一滑块，所述升降立柱上设置有沿竖直方向延伸的第一直线导轨，所述第一滑块安装于所述第一直线导轨上，所述横梁安装于所述第一滑块；所述机器人安装于所述横梁的末端；

所述焊枪、所述点激光、所述相机和所述气刨枪设置于所述横梁的一侧或两侧。

可选地，所述滚轮架包括：

底座，所述底座上设置有两条相对设置的第二直线导轨；

两组第二滑块，每一组所述第二滑块安装于一条所述第二直线导轨上；

四组复合滚轮，每两组所述复合滚轮安装于一组所述第二滑块，且与其余两组所述复合滚轮沿一竖直平面对称设置；

两个处于同一直线上的丝杆，每组所述第二滑块螺接于一个所述丝杆；和

电机，带动两个所述丝杆转动，以使两组所述第二滑块相向运动，从而使四组所述复合滚轮夹置所述钢圈。

可选地，还包括换枪盘，所述换枪盘具有设置于所述机器人的公头，以及三个分别设置于所述焊枪、所述气刨枪和所述相机的母头。

可选地，还包括送丝机，所述送丝机与所述焊枪设置于所述横梁的同侧。还包括两套挡弧光板，设置于两个所述所述滚轮架之间；清枪站，设置于两套所述挡弧光板之间。

另一方面，本发明还提供了一种用于上述任一种机器人自动气刨焊接钢圈工作站的使用方法，包括：

步骤一：将所述钢圈安装于所述滚轮架；

步骤二：转动所述滚轮架；开启点激光，并检测所述钢圈的内侧表面的底部距离固定点的距离；

步骤三：根据所述距离确定是否检测到所述内侧坡口；

步骤四：在检测到所述内侧坡口后，反转所述滚轮架，使所述内侧坡口处于所述钢圈的内表面的底部；

步骤五：所述机器人取用所述焊枪，并对所述内侧坡口进行接触寻位，以及在所述内侧坡口进行焊接；

步骤六：所述机器人将所述焊枪放回原处，并取用所述相机，且使所述滚轮架旋转，并利用所述相机对所述钢圈的外侧进行拍摄，以获取具有外侧焊缝位置特征的图片；而且，根据所述图片上的外侧焊缝位置特征与预设的焊缝特征控制所述滚轮架的运动，对所述钢圈的外侧焊缝进行定位，使所述外侧焊缝处于所述钢圈的外表面的顶部；

步骤七：所述机器人将所述相机放回原处，并取用所述焊枪，对所述外侧焊缝进行接触寻位；

步骤八：所述机器人将所述焊枪放回原处，并取用所述气刨枪，对所述外侧焊缝进行气刨；

步骤九：在经过至少一次的气刨并清渣后，使所述机器人将所述气刨枪放回原处，并取用所述焊枪，对气刨后的所述外侧焊缝进行填充焊接。

可选地，还包括：在非所述机器人工作于一个所述滚轮架上的钢圈时，使所述机器人工作于另一个所述滚轮架上的钢圈。

可选地，所述步骤二中的所述滚轮架的旋转速度大于所述步骤四中的所述滚轮架的旋转速度。在所述步骤六中，先使所述滚轮架旋转第一预设角度，后使所述滚轮架转速旋转；所述第一预设角度的取值范围为160°至178°。

本发明的一种机器人自动气刨焊接钢圈工作站及其使用方法，满足钢圈焊缝的自动识别与气刨焊接，具有提高生产效率、降低劳动强度、操作方便、通用性好等优点。而且，气刨焊接后钢圈的坡口质量比较稳定，产品一致性较好，解决了由于人为因素导致气刨坡口大小不均的问题。具体地，通过点激光、相机和焊枪的替换使用，保证了钢圈坡口和焊缝位置识别的准确，再进行自动气刨焊接，通过程序及工艺参数的设置，可以有效控制焊接及气刨坡口的稳定性，保证了气刨焊接钢圈质量的一致性。生产效率得到提高，从之前平均每件60分钟左右，提升到现在每件45分钟左右，为公司提升了单位时间的产能。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的机器人自动气刨焊接钢圈工作站的结构图；

图2是机器人自动气刨焊接钢圈工作站的主视图；

图3是机器人自动气刨焊接钢圈工作站的俯视图；

图4是机器人自动气刨焊接钢圈工作站的侧视图；

图5是图1中A处的示意性放大图；

图6是滚轮架的示意性结构图；

图7是滚轮架的示意性剖视图；

图8是图6中B处的示意性放大图。

具体实施方式

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

图1是根据本发明一个实施例的机器人自动气刨焊接钢圈工作站的结构图。如图1所示并参考图2至图8，本发明实施例提供了一种机器人自动气刨焊接钢圈工作站。该机器人自动气刨焊接钢圈工作站包括机座20、机器人30、滚轮架40、点激光50、焊枪60、相机70、气刨枪80。具体地，机座20具有升降装置。机器人30安装于升降装置，以随升降装置进行升降运动。滚轮架40设置于机座20的一侧，且滚轮架40上放置有钢圈90，且带动钢圈90绕钢圈90的轴线转动；钢圈90的轴线沿水平方向延伸。点激光50安装于机座20或机器人30，配置成在钢圈90转动时检测钢圈90的内侧坡口91，以控制滚轮架40的运动，对内侧坡口91进行定位。焊枪60可拆装地设置于机座20，以使机器人30取用焊枪60，并对内侧坡口91进行接触寻位，以及在内侧坡口91进行焊接。相机70可拆装地设置于机座20，以使机器人30取用相机70，并且在钢圈90再次转动时，对钢圈90的外侧进行拍摄，以获取具有外侧焊缝位置特征的图片，以根据图片上的外侧焊缝位置特征与预设的焊缝特征控制滚轮架40的运动，对钢圈90的外侧焊缝进行定位。气刨枪80可拆装地设置于机座20，以在机器人30利用焊枪60对外侧焊缝进行接触寻位后，使机器人30取用气刨枪80，对外侧焊缝进行气刨；以及在经过至少一次的气刨并清渣后，使机器人30取用焊枪60，对气刨后的外侧焊缝进行焊接。

具体地，在对内侧坡口91进行定位时，点激光50发出红外激光射线照在钢圈90内侧，如内侧的底部，滚轮架40带动钢圈90旋转运动，点激光50检测坡口处到固定点的距离，根据坡口处到固定点的距离测量数值特征，如先急剧变大、再急剧变小，精确判定坡口的位置。在检测到坡口位置时，由于反馈给系统处理需要时间，滚轮架40会将坡口位置转过，在检测到坡口位置后，将滚轮架40转换为慢速反转，直至点激光50再次检测到内侧坡口91位置，滚轮架40停止转动，完成对内侧坡口91定位。

采用焊枪60上的焊丝对钢圈90坡口进行接触寻位，确定坡口的位置及坡口的长度并焊接。由于需要在钢圈90的顶部对钢圈90的外侧焊缝进行加工，因此在内侧坡口91完成焊接后，需对钢圈90的外侧焊缝进行定位。

对钢圈90的外侧焊缝进行定位时，机器人30末端切换至相机70，然后将滚轮架40先快速转动，再慢速旋转，并进行拍照获取一个或多个图片，进而可获取到具有外侧焊缝位置特征的图片，以根据图片上的外侧焊缝位置特征与预设的焊缝特征进行对比，确定外侧焊缝位置，并在确定外侧焊缝位置后，滚轮架40停止旋转运动，实现对钢圈90的外侧焊缝进行定位。

接着，机器人30末端将相机70切换至焊枪60，采用焊丝接触寻位确定外侧焊缝所在的位置及长度。然后，机器人30末端将焊枪60切换至气刨枪80，开始执行气刨程序，进行至少一次气刨和人工清渣后，机器人30将气刨枪80切换至焊枪60，对外侧焊缝进行焊接。对外侧焊缝焊接完成后，本发明的机器人自动气刨焊接钢圈90工作站自动完成了对钢圈90的气刨焊接工作。

在本发明的一些实施例中，滚轮架40为两个，设置于机器人30的两侧，以在非机器人30工作于一个滚轮架40上的钢圈90时，使机器人30工作于另一个滚轮架40上的钢圈90。也就是说，两个滚轮架40构成双工位，一工位人工在上下料时，另一工位由机器人30自动焊接、气刨。将人工与焊接、气刨区域进行分离，有效地解决了特别是在夏季，工人容易中暑的问题，也能够尽可能地保证工人的安全。

在本发明的一些实施例中，升降装置可具有升降立柱、横梁21和第一滑块。升降立柱上设置有沿竖直方向延伸的第一直线导轨，第一滑块安装于第一直线导轨上，横梁21安装于第一滑块。机器人30安装于横梁21的末端。进一步地，升降立柱行程2000mm，增加了机器人30作业半径，可以通用外径尺寸为Φ504～Φ1854mm之间共约360多种钢圈90的气刨焊接工作。进一步地，升降立柱上设置有齿轮和齿条，伺服电机通过减速机驱动齿轮及齿条，带动第一滑块沿第一直线导轨移动，使机器人30随着所在横梁21沿着第一直线导轨作升降运动。

焊枪60、点激光50、相机70和气刨枪80设置于横梁21的一侧或两侧。例如，焊枪60可通过焊枪支座安装于横梁21的一侧，点激光50设置于焊枪60支座上。相机70和气刨枪80设置于横梁21的另一侧。

在本发明的一些实施例中，滚轮架40包括底座、两组第二滑块、四组复合滚轮41、两个处于同一直线上的丝杆和电机。底座上设置有两条相对设置的第二直线导轨。每一组第二滑块安装于一条第二直线导轨上，每一组第二滑块上底板42，底板42安装有复合滚轮41组件。每两组复合滚轮41安装于一个底板42，且与其余两组复合滚轮41沿一竖直平面对称设置。两个处于同一直线上的丝杆，每一组第二滑块或每个底板42螺接于一个丝杆。电机带动两个丝杆转动，以使两组第二滑块相向对中运动，实现两侧复合滚轮41组件对中移动。每两组复合滚轮41由电机独立驱动，电机驱动复合滚轮41作圆周旋转运动，从而带动钢圈90旋转。每两组复合滚轮41可单独旋转运动，也可同时进行旋转运动。当钢圈90吊入后，四组复合滚轮41自动与钢圈90相切成四条线接触，滑块带动四组复合滚轮41对中，在对中到位后，滚轮架40抱闸装置锁紧，消除钢圈90上的坡口在旋转过程中与复合滚轮41旋转接触时跳动。进一步地，丝杆和复合滚轮41均可采用伺服电机驱动，具有较高的重复定位精度，可达到0.3mm(半径R＝500mm处)。

在本发明的一些实施例中，机器人自动气刨焊接钢圈90工作站还包括换枪盘、送丝机61、两套挡弧光板22、安全围栏23和清枪站62。换枪盘具有设置于机器人30六轴末端的公头，以及三个分别设置于焊枪60、气刨枪80和相机70的母头，实现机器人30可按程序要求替换抓取焊枪60、相机70、气刨枪80进行工作。送丝机61与焊枪60设置于横梁21的同侧，为焊枪60提供所需的焊丝。两套挡弧光板22设置于两个滚轮架40之间。每套挡弧光板22可包括立柱和光板。光板沿着立柱，由气缸驱动，实现上下升降，可以有效地防护工人在一工位上下料时，不受来自另一工位气刨或焊接的弧光或飞溅渣的干扰和伤害。清枪站62设置于两套挡弧光板22之间，用于焊枪60焊接后，自动清枪剪丝及对导电嘴的润滑。安全围栏23设置于机座20和两个滚轮架40的四周。且安全围栏23的相对的两个侧壁上具有门洞，以对整个工作区域进行隔离。

本发明还提供上述任意一种实施例中的机器人自动气刨焊接钢圈90工作站的使用方法。该使用方法可包括如下步骤：

步骤一：将钢圈90安装于滚轮架40。在该步骤中，需要使第二滑块移动，带动四组复合滚轮41对中，且在对中到位后，滚轮架抱闸装置锁紧。

步骤二：转动滚轮架40，开启点激光50，并检测钢圈90的内侧表面的底部距离固定点的距离。

步骤三：根据距离确定是否检测到内侧坡口91。具体地，根据V型或X型坡口处的各个点/线到固定点的距离测量数值特征，先急剧变大，再急剧变小，从而精确判定坡口的位置。

步骤四：在检测到内侧坡口91后，反转滚轮架40，使内侧坡口91处于钢圈90的内表面的底部，优选为内侧坡口91处于圆周上的最低点处。步骤二中的滚轮架40的旋转速度大于步骤四中的滚轮架40的旋转速度。也就是说，考虑点激光50测量的反应时间对数值结果有影响，采用滚轮架40先快速旋转，直到数值符合设置坡口处数值变化特征，由于反馈给系统处理需要时间，通常为1至2s，此时，滚轮架40会将坡口位置转过，滚轮架40再以低速反转至坡口位置，此种寻位方法的精度为1mm以内。

步骤五：机器人30取用焊枪60，并对内侧坡口91进行接触寻位，以及在内侧坡口91进行焊接。焊枪60可按系统设定的焊接参数对内侧坡口91进行填充焊接。

步骤六：机器人30将焊枪60放回原处，并取用相机70，且使滚轮架40旋转，并利用相机70对钢圈90的外侧进行拍摄，以获取具有外侧焊缝位置特征的图片；而且，根据图片上的外侧焊缝位置特征与预设的焊缝特征控制滚轮架40的运动，对钢圈90的外侧焊缝进行定位，使外侧焊缝处于钢圈90的外表面的顶部。考虑到坡口，尤其是V型坡口时，工件焊缝外侧仅有对接的一条缝，滚轮架40的定位精度在0.5°不能满足机器人30气刨及焊接的要求，也无法根据点激光50检测的数值变化判定外侧坡口的位置。本发明采用性价比高的视觉相机70可以解决此问题，视觉相机70一直扫描钢圈90外侧，滚轮架40一直旋转，直到相机70采集的焊缝位置特征的图片，通过系统自动比对原设定的焊缝特征。如果焊缝位置到了指定的角度，滚轮架40则立即停止旋转运动。如果没到指定的角度，滚轮架40继续旋转，直到系统通过采集照片比对找到焊缝位置，滚轮架40才停止旋转运动。

步骤七：机器人30将相机70放回原处，并取用焊枪60，对外侧焊缝进行接触寻位。用焊丝接触寻位确定外侧焊缝所在的位置及长度，并将信息反馈给系统，系统自动调整补偿所编的对应程序。

步骤八：机器人30将焊枪60放回原处，并取用气刨枪80，对外侧焊缝进行气刨。执行气刨程序时，每次气刨完钢圈90外侧焊缝一遍后，气刨枪80停止在安全点上，此时需要人工对焊缝两侧的气刨渣进行铲除清理，人工清理完成后，机器人30带动气刨枪80，继续执行气刨程序，按“气刨--清渣”这一过程循环3次。在此需要注意的是，在进去气刨之前，需要人工将气刨接渣装置43平稳地放置在钢圈90上，用于接收气刨渣。

步骤九：在经过至少一次的气刨并清渣后，使机器人30将气刨枪80放回原处，并取用焊枪60，对气刨后的外侧焊缝进行填充焊接。

在本发明的一些实施例中，使用方法还包括在非机器人30工作于一个滚轮架40上的钢圈90(即一工位)时，使机器人30工作于另一个滚轮架40上的钢圈90(即二工位)。机器人30在工位一工作时，人工在工位二同步进行钢圈90的上下料。焊接完成后，人工用行车将焊好的钢圈90吊离工位一的滚轮架40，此时，机器人30开始对工位二按程序进行寻位，焊接，气刨工作。依此循环对钢圈90的批量生产作业。

在本发明的一些优选的实施例中，步骤六中，滚轮架40旋转时可先使滚轮架40旋转第一预设角度，后使滚轮架40转速旋转。第一预设角度的取值范围为160°至178°，优选为175°。这样设置的原因在于，考虑工件内侧坡口91位置在最低点时，焊完内侧焊缝后，需要旋转180°就是气刨所需的工件位置。为了提高节拍，在焊完内侧焊缝后，滚轮架40快速旋转至175°后，滚轮架40再低速旋转，相机70确定外侧焊缝位置后，滚轮架40停止旋转运动。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (3)

1.一种机器人自动气刨焊接钢圈工作站的使用方法，其特征在于，

所述一种机器人自动气刨焊接钢圈工作站，包括：

机座，其具有升降装置；

机器人，安装于所述升降装置，以随所述升降装置进行升降运动；

滚轮架，设置于所述机座的一侧，且所述滚轮架上放置有钢圈，且带动所述钢圈绕所述钢圈的轴线转动；所述钢圈的轴线沿水平方向延伸；

点激光，安装于所述机座或所述机器人，配置成在所述钢圈转动时检测所述钢圈的内侧坡口，以控制所述滚轮架的运动，对所述内侧坡口进行定位；

焊枪，可拆装地设置于所述机座，以使所述机器人取用所述焊枪，并对所述内侧坡口进行接触寻位，以及在所述内侧坡口进行焊接；

相机，可拆装地设置于所述机座，以使所述机器人取用所述相机，并且在所述钢圈再次转动时，对所述钢圈的外侧进行拍摄，以获取具有外侧焊缝位置特征的图片，以根据所述图片上的外侧焊缝位置特征与预设的焊缝特征控制所述滚轮架的运动，对所述钢圈的外侧焊缝进行定位；

气刨枪，可拆装地设置于所述机座，以在所述机器人利用所述焊枪对所述外侧焊缝进行接触寻位后，使所述机器人取用所述气刨枪，对所述外侧焊缝进行气刨；以及在经过至少一次的气刨并清渣后，使所述机器人取用所述焊枪，对气刨后的所述外侧焊缝进行焊接；

所述使用方法，包括：

步骤一：将所述钢圈安装于所述滚轮架；

步骤二：转动所述滚轮架；开启点激光，并检测所述钢圈的内侧表面的底部距离固定点的距离；

步骤三：根据所述距离确定是否检测到所述内侧坡口；

步骤四：在检测到所述内侧坡口后，反转所述滚轮架，使所述内侧坡口处于所述钢圈的内表面的底部；

步骤五：所述机器人取用所述焊枪，并对所述内侧坡口进行接触寻位，以及在所述内侧坡口进行焊接；

步骤六：所述机器人将所述焊枪放回原处，并取用所述相机，且使所述滚轮架旋转，并利用所述相机对所述钢圈的外侧进行拍摄，以获取具有外侧焊缝位置特征的图片；而且，根据所述图片上的外侧焊缝位置特征与预设的焊缝特征控制所述滚轮架的运动，对所述钢圈的外侧焊缝进行定位，使所述外侧焊缝处于所述钢圈的外表面的顶部；

步骤七：所述机器人将所述相机放回原处，并取用所述焊枪，对所述外侧焊缝进行接触寻位；

步骤八：所述机器人将所述焊枪放回原处，并取用所述气刨枪，对所述外侧焊缝进行气刨；

步骤九：在经过至少一次的气刨并清渣后，使所述机器人将所述气刨枪放回原处，并取用所述焊枪，对气刨后的所述外侧焊缝进行填充焊接。

2.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，还包括：

在非所述机器人工作于一个所述滚轮架上的钢圈时，使所述机器人工作于另一个所述滚轮架上的钢圈。

3.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于，

所述步骤二中的所述滚轮架的旋转速度大于所述步骤四中的所述滚轮架的旋转速度；

在所述步骤六中，先使所述滚轮架旋转第一预设角度，后使所述滚轮架转速旋转；所述第一预设角度的取值范围为160°至178°。