CN109108419A - 铜管自动焊接系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铜管自动焊接系统和方法，通过中央控制模块控制两台工业机器人配合送丝机构和火焰喷射机构对铜管进行钎焊和退火的流水作业，同时由氮气保护装置提供焊接过程中对铜管进行保护的氮气；由旋转夹具装置固定和旋转工件以方便加工；由路径规划与离线编程模块对两台工业机器人进行优化的路径规划并进行离线编程；由激光定位模块识别和引导焊位；由焊缝质量在线检测模块对焊缝质量进行在线检测。本发明可以实现铜管焊接的自动化，提高焊接效率和焊接质量。

Description

铜管自动焊接系统和方法
技术领域
本发明涉及机器人焊接智能化技术领域的自动焊接系统和方法，特别是涉及一种铜管自动焊接系统和方法。
背景技术
由铜管所制的冷却系统是发动机和空调等设备的重要组成部分，铜管的焊接质量决定了设备的性能，铜管的焊接效率决定了设备生产效率。由于铜管有着特殊的焊接工艺要求，与常规的金属焊接工艺相比，多了预热和退火等工序，其焊接过程中气体的保护形式也不同。因此，铜管焊接的自动化并不普及，人工焊接的精密度和效率均低于与机器人自动焊接，不能满足现代化工业的标准和要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜管自动焊接系统和方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明实施例公开了一种铜管自动焊接系统和方法，其包括中央控制模块，以及与所述中央控制模块信号连接并受其控制的以下设备：
第一机器人，其为六自由度的工业机器人；
与所述第一机器人配套的送丝结构和火焰喷射机构，所述送丝结构将焊丝送入送丝嘴内，所述火焰喷射机构包括多管口火焰枪、为所述多管口火焰枪输送可燃气体和点火的系统，所述多管口火焰枪和所述送丝嘴通过连接架固定连接，且所述送丝嘴位于所述多管口火焰枪的上方，所述第一机器人抓持所述连接架将送丝嘴内焊丝送至焊缝处，同时将所述多管口火焰枪的顶端部送至铜管所需加热处；
第二机器人，其为六自由度的工业机器人；
与所述第二机器人配套的火焰喷射机构，所述火焰喷射机构包括多管口火焰枪为所述多管口火焰枪输送可燃气体和点火的系统，所述第二机器人抓持所述多管口火焰枪并将其顶端部送至铜管所需加热处；
氮气保护装置，包括氮气源和氮气供气系统和氮气回气系统，用于供给和回收焊接铜管过程中的保护用氮气；
旋转夹具装置，包括一个可固定多个夹具的平台和带动所述平台旋转的旋转机构，所述平台上设有通孔分别与所述氮气供气系统和氮气回气系统相连，所述平台的通孔与固设于所述平台上的夹具内所设的通孔相连，以引导氮气流入和流出所加工的铜管；和
焊缝质量在线检测模块，根据安装在所述第一机器人和第二机器人的前臂上的激光传感器对焊缝扫描，并根据焊缝形貌的对焊缝质量进行在线检测。
作为本发明的优选方案之一，所述铜管自动焊接系统还包括与所述中央控制模块的信号连接并受其控制的激光定位模块，其根据所述激光传感器的扫描结果作为引导所述第一机器人和第二机器人进行位置调整的依据。
作为本发明的优选方案之一，所述铜管自动焊接系统还设有与所述中央控制模块信号连接并受其控制的路径规划与离线编程模块，对所述第一机器人和第二机器人进行工作路径防碰撞的规划，并对规划的方案进行离线编程。
作为本发明的优选方案之一，所述第一机器人的送丝嘴数目为两个，两个所送丝嘴对称布置且沿其延伸方向上呈聚拢趋势，所述第一机器人和第二机器人的多管口火焰枪的管口数目为四个，四个所述管口呈顶端向内聚拢的钉耙状分布，且所述多管口火焰枪的中心线与所述两个送丝嘴所对称的中心线在垂直方向上重合。
作为本发明的优选方案之一，所述旋转夹具装置的平台在其四个方位上各设有四个排成一排的夹具座以安装夹具。
作为本发明的优选方案之一，所述第一机器人和第二机器人分别设有垫高底座，所述底座能够带动所述第一机器人和第二机器人在水平方向和垂直方向直线移动，所述第一机器人和第二机器人还分别设有机器人控制柜以放置机器人控制设备。
作为本发明的优选方案之一，所述中央控制模块、焊缝质量在线检测模块、激光定位模块和路径规划与离线编程模块设于中央控制平台柜内。
本发明还提供一种铜管自动焊接系统的焊接方法，其特征在于，包含以下过程：
将多个工件安装在各个的夹具上，旋转夹具装置旋转工件至两个工业机器人能够加工到的位置；
由中央控制模块下达命令使第一机器人抓持连接架将固设于连接架上的送丝嘴和多管口火焰枪送至待焊工件的焊接位置进行送丝嘴和火焰喷射管的定位；启动氮气保护装置，并在将待焊工件内部通入保护氮气；
由中央控制模块下达命令启动第一机器人的火焰喷射对待焊工件的焊缝处进行预热；预热完成后，由中央控制模块下达命令使第一机器人抓持连接架、带动送丝嘴和多管口火焰枪同步移动开始对焊缝进行钎焊，同时由中央控制模块下达命令启动第一机器人的送丝机构将焊丝稳定地送至第一机器人的送丝嘴；
第一机器人完成工件的钎焊工序后给出完成信号,停止第一机器人的火焰喷射和送丝机构；第一机器人移动至下一个待加工工件处，开始钎焊工序，同时第二机器人移动至完成钎焊的焊缝处，开始对焊缝进行退火处理；
第二机器人对工件焊缝的退火工序完成后给出完成信号，停止第二机器人的火焰喷射，氮气保护装置对完成退火工序的工件持续供氮气至完成冷却工作，即完成该工件的完整的焊接工作；
第一机器人和第二机器人完成所能加工范围内的工件后，旋转夹具装置旋转，将其他未加工工件旋转至两个工业机器人所能够加工的位置，重复以上焊接工作，直至旋转夹具装置上的工件均完成焊接工作。
作为本发明的优选方案之一，所述铜管自动焊接方法还包括：由第一机器人和第二机器人代用机器人前臂上设置的激光传感器移动，并通过激光定位模块确认焊接的起始位置，以便第一机器人进行送丝嘴和多管口火焰枪的定位以及第二机器人进行多管口火焰枪的定位。
作为本发明的优选方案之一，所述铜管自动焊接方法还包括：在第一机器人完成钎焊工作后及在第二机器人完成退火工作后分别由其前臂上设置的激光传感器对铜管的焊缝进行扫描，并根据焊缝形貌对焊缝质量进行在线检测。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明提供的铜管自动焊接系统实现了铜管焊接的自动化，尤其在系统中使用了两个机器人，一个进行钎焊作业，一个进行退火作业，两者流水线作业，不仅提高了铜管的焊接质量，更大幅提高了铜管的焊接效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明一较佳实施例所公开的一种铜管自动焊接系统的结构示意图；
图2为本发明一较佳实施例所公开的一种铜管自动焊接系统的布置示意图；
图3为本发明一较佳实施例所公开的一种铜管自动焊接系统的焊接方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明提供一种铜管自动焊接系统，其包括两个六自由度的工业机器人，即第一机器人1和第二机器人2、氮气保护装置3、旋转夹具装置4、焊缝质量在线检测模块5、激光定位模块6和模块路径规划与离线编程模块7。
如图1所示，本发明提供一种铜管自动焊接系统，其包括两个六自由度的工业机器人，即第一机器人和第二机器人、第一机器人配置的送丝机构和火焰喷射机构、第二机器人配置的火焰喷射机构、氮气保护装置、旋转夹具装置、焊缝质量在线检测模块、激光定位模块、模块路径规划与离线编程模块，以及对上述模块及其间的工作进行控制的中央控制模块。
其中，两台六自由度的工业机器人分别安装在底座上，底座可以实现小范围内的上、下高度调整和左、右移动。因此借助底座，第一机器人和第二机器人工作范围可以覆盖旋转夹具装置上所固定的待加工的铜管工件。第一机器人所配置的火焰喷射机构通过能够调整可燃气体的配比和流速来调整喷射火焰的温度从而满足铜管预热和钎焊的需求，同时送丝机构送入送丝嘴的焊丝，两者配合第一机器人即可完成铜管的钎焊工序。第二机器人所配置的火焰喷射机构则将喷射的火焰调整至满足铜管焊缝退火的温度要求，第二机器人抓持其火焰枪完成退火工作。
本发明的旋转夹具装置用于固定多个用于铜管的夹具，氮气保护装置将保护氮气通过旋转夹具装置所设置的通孔导入固定在夹具上的铜管内以铜管焊缝预热、钎焊、退火冷却的整个过程中起到保护作用，提高焊缝质量。
路径规划与离线编程模块可以对第一机器人的钎焊路径和第二机器人的退火路径进行规划和仿真优化，以得到优化的路径规划方案，提高焊接效率，防止两个工业机器人发生碰撞。优化的路径规划方案采用离线编程的方式来取代人工示教编程，以提高铜管自动焊接效率。
激光定位模块通过激光传感器对待加工铜管的焊缝进行激光扫描，并根据扫描结果控制机器人到达待加工铜管处，从而实现第一机器人焊接的初始焊接位置和第二机器人退火初始位置的识别和引导。
焊缝质量在线检测模块可以实现对焊缝质量的在线检测。第一机器人钎焊工序完成后，通过激光传感器对焊缝进行扫描，然后根据焊缝形貌自动判断钎焊工序的焊接质量。第二机器人的退火工序完成后，通过激光传感器对焊缝进行再次扫描，然后根据焊缝形貌自动判断焊缝最终的焊接质量，实现对焊缝质量的在线检测。
本发明的中央控制模块，可以控制激光传感器对铜管进行扫描，实现两个工业机器人的初始位置的识别和引导；控制路径规划与离线编程模块规划焊接和退火路径、进行离线编程；控制第一机器人抓持送丝嘴和火焰枪对铜管焊缝进行自动钎焊工序；控制第二机器人抓持火焰枪对完成钎焊工序的铜管焊缝进行退火工序；根据第一机器人和第二机器人对喷射火焰的不同要求分别控制两者所配置的火焰喷射机构；控制第一机器人的送丝机构以使焊丝稳定连续地送出送丝嘴；控制旋转夹具装置以将未加工的铜管旋转至两个工业机器人能够方便作业的一面；控制氮气保护装置，保证在铜管焊缝加工的全过程中均有保护氮气通过铜管；铜管的钎焊工序和退火工序完成后，控制激光传感器对焊缝进行扫描获得焊缝形貌，实现对焊缝质量的在线检测。
如图2所示是本实施例中铜管自动焊接系统的布置结构示意图。本例中机器人焊接系统，包括：两个并排布置的六自由度机器人，即第一机器人10和第二机器人20，两者分别固定连接在其底座11和21上，底座11和底座21能够分别带动第一机器人10和第二机器人20在水平方向和垂直方向直线移动；
旋转夹具平台30，其设置在两个机器人面前，旋转夹具平台30的内部设有转动机构，其平台的四个方位上各设有四个排成一排的夹具座以安装夹具31，旋转夹具平台在其中一面四个夹具31上的铜管完成焊接后旋转，使得一排未加工的工件旋转至与两个工业机器人平行以方便机器人操作；
送丝机构40，其包括配备于第一机器人10的两个送丝嘴41、送丝桶42和送丝机构的控制模块，送丝桶42布置在第一机器人10的附近，方便排布送丝管道(图中未显示)；
第一机器人火焰喷射机构50和第二机器人火焰喷射机构60，第一机器人抓持一个固定架12，火焰喷射机构50的多管口火焰枪51固定在固定架12的下部且多管口火焰枪51的四个管口呈顶端向内聚拢的钉耙状分布，两个送丝嘴41固定在固定架12的上部，两个送丝嘴对称布置且沿其延伸方向上呈聚拢趋势，多管口火焰枪51的中心线与两个送丝嘴41所对称的中心线在垂直方向上重合，第二机器人火焰喷射机构60包括第二机器人所抓持的多管口火焰枪61，其四个管口呈顶端向内聚拢的钉耙状分布，第一机器人的火焰喷射机构还包括可燃气气源52，第二机器人的火焰喷射机构还包括可燃气气源62、可燃气源的防护围栏53、可燃气的输送管道(图中未显示)以及第一机器人火焰喷射机构50和第二机器人火焰喷射机构60的控制模块等，为了安全需要，可燃气气源还可设置加工区外的安全隔离间内；
氮气防护装置70，包括氮气气源71、与旋转夹具平台41相连接的输送和回收系统(图中未显示)及防护装置70的控制模块；
中央控制平台80，前文所述的路径规划与离线编程模块、激光定位模块、焊缝质量在线检测模块、氮气保护装置控制模块和中央控制模块等均设置在中央控制平台80内；
第一机器人控制柜91和第二机器人控制柜92，两个机器人相应的机器人控制系统和各自配备的火焰喷射机构和送丝机构的控制模块可以设置在其对应的机器人控制柜和/或中央控制平台80中。
如图3所示，利用本发明所述机器人焊接设备实现的焊接方法，包括如下步骤：
S1.将要加工焊缝的铜管工件装配好后固定安装在旋转夹具装置上；
S2.采用人工示教操作，通过参考点确认工件时间坐标，校正工件的坐标系；
S3.控制旋转夹具装置，将其未加工的一排工件旋转至与两台机器人平行；
S4.对两台机器人的焊接路径进行优化，获得优化的路径方案，并进行离线编程；
S5.第一机器人抓持送丝嘴和多管口火焰枪送至焊接初始位置，第一机器人的激光传感器识别待焊接铜管的焊缝中心位置并检测相关参数；
S6.启动氮气保护装置，将待焊的铜管进行充氮保护；
S7.控制第一机器人的多管口火焰枪喷射火焰对工件进行预热和加热，送丝机构进行送丝钎焊，完成钎焊工序后发出完成信号；
S8.第一机器人的激光传感器扫描，获得钎焊后焊缝的三维重建，对焊缝质量进行在线检测；
S9.第一机器人的激光传感器识别下一个待加工铜管的焊缝中心坐标，并检测相关参数；
S10.重复步骤S5-S9，完成该排所有工件的钎焊。
S11.第二机器人的激光传感器识别完成钎焊的铜管焊缝中心坐标，并检测相关参数；
S12.控制第二机器人的多管口火焰枪喷射火焰对钎焊后的焊缝进行退火工序，并在完成退火后发出完成信号；
S13.第二机器人的激光传感器扫描，获得退火后焊缝的三维重建，对焊缝质量进行在线检测；
S14.重复步骤S11-S13，完成该排所有工件的退火。
S15.氮气保护装置对完成退火的铜管工件持续通气直至铜管冷却；
S16.完成该排所有铜管焊缝的焊接；
S17.重复步骤S3-S16，完成旋转夹具平台上所有工件的自动焊接工作。
本发明可以实现铜管自动焊接的初始焊位的识别与引导、路径规划与离线编程、铜管焊缝的机器人自动化焊接、焊缝质量的在线检测等主要功能。该铜管自动焊接系统采取钎焊和退火分别由两个机器人完成的设计，能够提高焊接效率、提高焊缝的稳定性；两个机器人的火焰枪采用多管口设计能够使得铜管焊缝的加热更加均匀；双送丝嘴的设计能够进一步提高焊接效率。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种铜管自动焊接系统，其特征在于，
所述铜管自动焊接系统设有中央控制模块，以及与所述中央控制模块信号连接并受其控制的以下设备：
第一机器人，其为六自由度的工业机器人；
与所述第一机器人配套的送丝结构和火焰喷射机构，所述送丝结构将焊丝送入送丝嘴内，所述火焰喷射机构包括多管口火焰枪、为所述多管口火焰枪输送可燃气体和点火的系统，所述多管口火焰枪和所述送丝嘴通过连接架固定连接，且所述送丝嘴位于所述多管口火焰枪的上方，所述第一机器人抓持所述连接架将送丝嘴内焊丝送至焊缝处，同时将所述多管口火焰枪的顶端部送至铜管所需加热处；
第二机器人，其为六自由度的工业机器人；
与所述第二机器人配套的火焰喷射机构，所述火焰喷射机构包括多管口火焰枪为所述多管口火焰枪输送可燃气体和点火的系统，所述第二机器人抓持所述多管口火焰枪并将其顶端部送至铜管所需加热处；
氮气保护装置，包括氮气源和氮气供气系统和氮气回气系统，用于供给和回收焊接铜管过程中的保护用氮气；
旋转夹具装置，包括一个可固定多个夹具的平台和带动所述平台旋转的旋转机构，所述平台上设有通孔分别与所述氮气供气系统和氮气回气系统相连，所述平台的通孔与固设于所述平台上的夹具内所设的通孔相连，以引导氮气流入和流出所加工的铜管；和
焊缝质量在线检测模块，根据安装在所述第一机器人和第二机器人的前臂上的激光传感器对焊缝扫描，并根据焊缝形貌的对焊缝质量进行在线检测。
2.根据权利要求1所述的一种铜管自动焊接系统，其特征在于：所述铜管自动焊接系统还包括与所述中央控制模块的信号连接并受其控制的激光定位模块，其根据所述激光传感器的扫描结果作为引导所述第一机器人和第二机器人进行位置调整的依据。
3.根据权利要求1或2所述的一种铜管自动焊接系统，其特征在于：所述铜管自动焊接系统还设有与所述中央控制模块信号连接并受其控制的路径规划与离线编程模块，对所述第一机器人和第二机器人进行工作路径防碰撞的规划，并对规划的方案进行离线编程。
4.根据权利要求1所述的一种铜管自动焊接系统，其特征在于：所述第一机器人的送丝嘴数目为两个，两个所送丝嘴对称布置且沿其延伸方向上呈聚拢趋势，所述第一机器人和第二机器人的多管口火焰枪的管口数目为四个，四个所述管口呈顶端向内聚拢的钉耙状分布，且所述多管口火焰枪的中心线与所述两个送丝嘴所对称的中心线在垂直方向上重合。
5.根据权利要求1所述的一种铜管自动焊接系统，其特征在于：所述旋转夹具装置的平台在其四个方位上各设有四个排成一排的夹具座以安装夹具。
6.根据权利要求1所述的一种铜管自动焊接系统，其特征在于：所述第一机器人和第二机器人分别设有垫高底座，所述底座能够带动所述第一机器人和第二机器人在水平方向和垂直方向直线移动，所述第一机器人和第二机器人还分别设有机器人控制柜以放置机器人控制设备。
7.根据权利要求1所述的一种铜管自动焊接系统，其特征在于：所述中央控制模块、焊缝质量在线检测模块、激光定位模块和路径规划与离线编程模块设于中央控制平台柜内。
8.一种铜管自动焊接系统的焊接方法，其特征在于，包含以下过程：
将多个工件分别安装在夹具上，旋转夹具装置旋转工件至两个工业机器人能够加工到的位置；
由中央控制模块下达命令使第一机器人抓持连接架将固设于连接架上的送丝嘴和多管口火焰枪送至待焊工件的焊接位置进行送丝嘴和火焰喷射管的定位；启动氮气保护装置，并在将待焊工件内部通入保护氮气；
由中央控制模块下达命令启动第一机器人的火焰喷射对待焊工件的焊缝处进行预热；预热完成后，由中央控制模块下达命令使第一机器人抓持连接架、带动送丝嘴和多管口火焰枪同步移动开始对焊缝进行钎焊，同时由中央控制模块下达命令启动第一机器人的送丝机构将焊丝稳定地送至第一机器人的送丝嘴；
第一机器人完成工件A1的钎焊工序后给出完成信号,停止第一机器人的火焰喷射和送丝机构；第一机器人移动至下一个待加工工件处，开始钎焊工序，同时第二机器人移动至完成钎焊的焊缝处，开始对焊缝进行退火处理；
第二机器人对工件焊缝的退火工序完成后给出完成信号，停止第二机器人的火焰喷射，氮气保护装置对完成退火工序的工件持续供氮气至完成冷却工作，即完成该工件的完整的焊接工作；
第一机器人和第二机器人完成所能加工范围内的工件后，旋转夹具装置旋转，将其他未加工工件旋转至两个工业机器人所能够加工的位置，重复以上焊接工作，直至旋转夹具装置上的工件均完成焊接工作。
9.根据权利要求8所述的一种铜管自动焊接系统的焊接方法，其特征在于：所述铜管自动焊接方法还包括：由第一机器人和第二机器人代用机器人前臂上设置的激光传感器移动，并通过激光定位模块确认焊接的起始位置，以便第一机器人进行送丝嘴和多管口火焰枪的定位以及第二机器人进行多管口火焰枪的定位。
10.根据权利要求8所述的一种铜管自动焊接系统的焊接方法，其特征在于：所述铜管自动焊接方法还包括：在第一机器人完成钎焊工作后及在第二机器人完成退火工作后分别由其前臂上设置的激光传感器对铜管的焊缝进行扫描，并根据焊缝形貌对焊缝质量进行在线检测。
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