CN109352152B - 一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法，首先对工件进行焊前清洗，装配工件的焊缝位置后，使用焊接工装安装至双轴变位机，然后将焊接机器人系统安装于三轴移动直线导轨装置上，三轴移动直线导轨装置能够高、横、纵三个方向的独立调节，双轴变位机能够实现工件的双自由度翻转变位，三轴移动直线导轨装置与双轴变位机实现焊接机器人系统中安装在末端的焊枪与焊接工装上工件焊缝相对位置的实时控制，最后进行焊缝焊接轨迹试运行，修正偏差并调整焊接机器人系统的焊接参数，完成工件焊接。

Description

一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法

技术领域

本发明涉及机械工程领域，特别是一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法。

背景技术

在大型航天器结构中，存在大量复杂形式的焊缝，如球形、圆柱形、圆台壳体与圆形、异形法兰形成的相贯线等。载人飞船、天宫系列、月球探测飞行器等舱体结构都不同程度地涉及到这类形式焊缝的焊接问题。目前大多靠手工焊来完成这类曲线焊缝的焊接。手工焊接生产过程中存在的问题主要有：1)反复补焊影响产品研制进度。手工焊接容易出现缺陷，排除缺陷和补焊的效率往往牵制结构的研制进度。2)手工氩弧焊热输入量大，焊接残余应力水平高，容易导致产品尺寸超差。3)新一代长期在轨航天器密封舱体要求在轨寿命十五年以上。手工氩弧焊工艺，焊接热输入量大，焊缝显微组织粗大，焊缝残余应力较大，应力腐蚀倾向严重，手工氩弧焊工艺已不适应长寿命、高可靠航天器结构的生产。

变极性等离子弧(VPPA)焊接方法在20世纪70年代由波音公司的Van CLEAVE采用西亚基公司制造的变极性方波电源开发出来，被誉为“零缺陷”的焊接方法，并在国外航天工业取得了成功应用。上世纪90年代初，美国 Marshall制造中心针对空间站舱体结构，最先开展了复杂曲线焊缝的VPPA自动化焊接工艺技术的研究工作，研究内容涉及了工艺装备、工艺技术、送丝机构、焊缝跟踪传感、焊接过程仿真及离线编程等方面。随后，采用6自由度机械臂配合2自由度转台焊接了空间站结构近1/3的焊缝，取得了良好的效果。但欧美国家对VPPA焊接设备核心技术、工艺及成套装备对我国进行了严密的封锁。

随着我国载人航天、深空探测工程的发展，天地往返和在轨长期飞行试验任务逐年增加，对铝合金密封舱体焊接结构的研制任务量逐年增加，必须实现批量或小批量自动化焊接生产模式，大幅度缩短焊接生产周期，对高效的空间曲线焊缝自动化焊接通用设备需求迫切。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法，通过6轴机器人配置5个外部轴协同动作，保证VPPA焊接过程中焊枪的立向上焊接姿态，尤其针对大型复杂零件的焊接具有独特的优势。

本发明的技术解决方案是：一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法，包括如下步骤：

步骤1、对工件进行焊前清洗，然后装配工件的焊缝位置后，使用焊接工装安装至双轴变位机；

步骤2、将焊接机器人系统安装于三维 移动直线导轨装置上，三维 移动直线导轨装置能够高、横、纵三个方向的独立调节，双轴变位机能够实现工件的双自由度翻转变位，三维 移动直线导轨装置与双轴变位机实现焊接机器人系统中安装在末端的焊枪与焊接工装上工件焊缝相对位置的实时控制；

步骤3、进行焊缝焊接轨迹试运行，修正偏差并调整焊接机器人系统的焊接参数，完成工件焊接。

所述的焊接机器人系统安装在末端的焊枪与焊接工装上焊缝的相对位置中，始终处于垂直立向上的关系。

所述的双轴变位机包括翻转轴环齿、翻转轴小齿轮、翻转电机、翻转轴齿轮、旋转轴环齿旋转轴小齿轮旋转轴齿轮、旋转电机、工作台面，其中：L形臂由翻转电机驱动，翻转电机借助翻转轴齿轮、翻转轴环齿和翻转轴小齿轮实现无间隙动力传输，工作台面由旋转电机驱动，旋转电机借助旋转轴环齿旋转轴小齿轮旋转轴齿轮实现无间隙动力传输，在水平位置装夹焊接工装(5)时，焊接时工作台面翻转变位，使焊缝与地面垂直。

所述的三维 移动直线导轨装置包括底座、X轴移动组件、Y轴移动组件、Z 轴移动组件、机器人托架组件，在底座上由下到上分别安装X轴移动组件、Y 轴移动组件、Z轴移动组件，机器人托架组件安装在Z轴移动组件上，用于搭载焊接机器人系统，X轴移动组件、Y轴移动组件、Z轴移动组件分别实现焊接机器人系统在指定坐标系下沿着各轴的直线运动。

所述的焊接机器人系统为6轴工业机器人通过控制系统控制焊接功能系统形成。

所述的焊接功能系统包括焊接功能系统为焊接电源，主要为变极性等离子弧焊接、GTAW焊接、GMAW焊接、激光焊接。

所述的焊接工装在步骤1中对工件从上下进行固定压紧后安装至双轴变位机。

一种多轴联动空间曲线焊缝VPPA焊接系统，包括双轴变位机、焊接功能系统、三维移动直线导轨装置、焊接机器人系统，其中：

待焊接工件通过焊接工装安装至双轴变位机，实现工件的双自由度翻转变位，焊接机器人系统包括6轴工业机器人通过控制系统控制焊接功能系统，焊接机器人系统安装于三维 移动直线导轨装置上，三维移动直线导轨装置能够高、横、纵三个方向的独立调节。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明与现有技术相比，能够实现大型薄壁壳体结构的空间曲线焊缝焊接，采用大负载高精度的双轴变位机，高精度三维移动直线导轨以及6轴焊接机器人，组成多轴联动的焊接机器人系统，通过对焊枪与焊缝相对位置的实时控制，使VPPA焊枪与焊缝的相对位置在空间曲线焊缝焊接过程中，始终处于垂直立向上的关系，实现穿孔立向上变极性等离子焊接，保证焊接过程的工艺稳定，实现高质量低热输入焊接。

附图说明

图1为多轴联动空间曲线VPPA焊缝焊接系统组成图；

图2为双轴变位机示意图；

图3为三维移动直线导轨示意图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法，基于多轴联动空间曲线VPPA焊缝焊接系统，能够解决大型薄壁壳体结构的空间曲线焊缝焊接的问题，在航天飞行器密封舱体制造领域实现应用，替代进口，填补国内空白，意义重大。本发明采用站立式机器人焊接工作站系统，如图1所示为多轴联动空间曲线VPPA焊缝焊接系统组成图，如图 2所示为双轴变位机示意图，如图3所示为三维移动直线导轨示意图，本发明方法包括双轴变位机1，焊接功能系统2，三维移动直线导轨装置3，焊接机器人系统4，焊接工装5，翻转轴环齿6，翻转轴小齿轮7，翻转电机8，翻转轴齿轮9，旋转轴环齿10，旋转轴小齿轮11，旋转轴齿轮12，旋转电机13，工作台面14，基座15，L形臂16，Z轴移动组件17，Y轴移动组件18，X 轴移动组件19，底座20，机器人托架组件21。焊接机器人系统4安装于三维 移动直线导轨装置3上，工件安装于双轴变位机1，三维移动直线导轨装置3 可实现高向(Z轴)、横向(X轴)、纵向(Y轴)的独立调节，增加机器人移动范围，使其效焊接范围能够满足产品焊接的要求，通过对焊接机器人系统4+ 三维移动直线导轨装置3+双轴变位机1系统的集成，实现焊接机器人系统4 中安装在机器人末端的焊枪与焊接工装5上焊缝相对位置的实时控制，使VPPA 焊枪与焊缝的相对位置在复杂曲线焊缝焊接过程中，始终处于垂直立向上的关系。

多轴联动空间曲线焊缝VPPA焊接系统组成具体包括：双轴变位机1、焊接功能系统2、三维移动直线导轨装置3、焊接机器人系统4。

双轴变位机1

为实现焊接过程中被焊工件焊接姿态的实施调整，需要设计高精度大负载的双轴变位机，变位机采用每轴可以单独旋转设计，主要由工作台面(14)基座15、L形臂16和电控系统组成。电控系统中的压缩空气及控制管线通过L 形臂16的面板空心轴导入，L形臂16由翻转电机8驱动，由翻转轴齿轮9、翻转轴环齿6和翻转轴小齿轮7实现无间隙动力传输；工作台面14由旋转电机13驱动，由旋转轴环齿10旋转轴小齿轮11旋转轴齿轮12实现实现无间隙动力传输。在水平位置装夹焊接工装5，焊接时工作台面14翻转变位，使被焊工件的焊缝位置处于与地面垂直姿态，实现对被焊工件的双自由度翻转变位。

三维移动直线导轨装置3

三维 移动直线导轨装置3，由底座20、X轴移动组件19、Y轴移动组件 18、Z轴移动组件17和机器人托架组件21组成。底座20安装于地面，然后由下到上分别安装X轴移动组件19、Y轴移动组件18、Z轴移动组件17，机器人托架组件21安装在Z轴移动组件17上，主要用于搭载焊接机器人系统4，各轴移动组件(17-19)分别实现焊接机器人系统4在指定坐标系下沿着各轴的直线运动，其中，该坐标系可以为以三维 移动直线导轨装置3质心为原心的任意直角坐标系。

焊接机器人系统4

焊接机器人为6轴工业机器人通过控制系统控制焊接功能系统2而成，电源可以实现多种焊接方式，机器人系统通过现场总线实现对焊接电源的控制。

焊接功能系统2

焊接功能系统为焊接电源，主要为变极性等离子弧焊接电源，另外可以扩展为GTAW、GMAW、激光等多种焊接方法。

焊接工装5

焊接工装5一般根据不同工件进行设计，将两个工件的焊缝位置装配后，从上下进行固定压紧。

本发明方法工作流程如下：

焊接零件和焊接工装的准备和定位安装；

根据焊枪优先原则，即保证焊枪水平，并且垂直于焊缝，对焊缝轨迹进行示教；

进行焊接轨迹试运行，修正偏差；

工件焊前清洗，装配，点固；

焊接轨迹试运行，修正偏差；

调整焊接功能系统的焊接参数，完成工件焊接。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、对工件进行焊前清洗，然后装配工件的焊缝位置后，使用焊接工装(5)安装至双轴变位机(1)；

步骤2、将焊接机器人系统(4)安装于三维 移动直线导轨装置(3)上，三维 移动直线导轨装置(3)能够高、横、纵三个方向的独立调节，双轴变位机(1)能够实现工件的双自由度翻转变位，三维 移动直线导轨装置(3)与双轴变位机(1)实现焊接机器人系统(4)中安装在末端的焊枪与焊接工装(5)上工件焊缝相对位置的实时控制；

步骤3、进行焊缝焊接轨迹试运行，修正偏差并调整焊接机器人系统(4)的焊接参数，完成工件焊接；

所述的焊接机器人系统(4)安装在末端的焊枪与焊接工装(5)上焊缝的相对位置中，始终处于垂直立向上的关系；

所述的双轴变位机(1)包括翻转轴环齿(6)、翻转轴小齿轮(7)、翻转电机(8)、翻转轴齿轮(9)、旋转轴环齿(10)旋转轴小齿轮(11)旋转轴齿轮(12)、旋转电机(13)、工作台面(14)，其中：L形臂(16)由翻转电机(8)驱动，翻转电机(8)借助翻转轴齿轮(9)、翻转轴环齿(6)和翻转轴小齿轮(7)实现无间隙动力传输，工作台面(14)由旋转电机(13)驱动，旋转电机(13)借助旋转轴环齿(10)旋转轴小齿轮(11)旋转轴齿轮(12)实现无间隙动力传输，在水平位置装夹焊接工装(5)时，焊接时工作台面(14)翻转变位，使焊缝与地面垂直。

2.根据权利要求1所述的一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法，其特征在于：所述的三维 移动直线导轨装置(3)包括底座(20)、X轴移动组件(19)、Y轴移动组件(18)、Z轴移动组件(17)、机器人托架组件(21)，在底座(20)上由下到上分别安装X轴移动组件(19)、Y轴移动组件(18)、Z轴移动组件(17)，机器人托架组件(21)安装在Z轴移动组件(17)上，用于搭载焊接机器人系统(4)，X轴移动组件(19)、Y轴移动组件(18)、Z轴移动组件(17)分别实现焊接机器人系统(4)在指定坐标系下沿着各轴的直线运动。

3.根据权利要求2所述的一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法，其特征在于：所述的焊接机器人系统(4)为6轴工业机器人通过控制系统控制焊接功能系统(2)形成。

4.根据权利要求3所述的一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法，其特征在于：所述的焊接功能系统(2)包括焊接功能系统为焊接电源，主要为变极性等离子弧焊接、GTAW焊接、GMAW焊接、激光焊接。

5.根据权利要求4所述的一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法，其特征在于：所述的焊接工装(5)在步骤1中对工件从上下进行固定压紧后安装至双轴变位机(1)。

6.根据权利要求1所述的一种多轴联动空间曲线焊缝变极性等离子弧焊接方法，变极性等离子弧焊接系统包括双轴变位机(1)、焊接功能系统(2)、三维移动直线导轨装置(3)、焊接机器人系统(4)，其中：

待焊接工件通过焊接工装(5)安装至双轴变位机(1)，实现工件的双自由度翻转变位，焊接机器人系统(4)包括6轴工业机器人通过控制系统控制焊接功能系统(2)，焊接机器人系统(4)安装于三维 移动直线导轨装置(3)上，三维移动直线导轨装置(3)能够高、横、纵三个方向的独立调节。

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