CN109396641A - 一种圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆环间或不规则圆环件的机器人激光焊接系统及方法，该系统包括：激光焊接机器人系统及外部旋转轴；待焊接圆环件或不规则圆环件固定在外部旋转轴上；激光焊接机器人系统包括：机器人、控制系统、激光发生器及激光焊接头；控制系统用于将待焊接圆环件划分为多个圆弧段或将待焊接不规则圆环件简化为多个以外部旋转轴为圆心的圆弧段；还用于根据多个圆弧段为机器人进行分段示教；机器人用于控制激光焊接头根据待焊接件的实际形状来变化位姿；激光发生器用于为激光焊接头提供激光束，以照射在待焊接件的焊缝处实现焊接。该方法包括：安装；划分；示教；焊接。通过本发明，实现了圆环件或不规则圆环件的高精度高质量自动化激光焊接。

Description

一种圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统及方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统及方法。

背景技术

激光焊接作为先进制造技术之一，与传统焊接技术相比，在生产效率、自动化程度、焊接精度等方面都具有明显的优越性。近年来，随着航空、航天、能源运输等行业的迅猛发展，对材料性能以及制造精度的要求也越来越高。激光焊接作为典型的高能束焊接方法，展示了巨大的应用潜力。激光焊接是利用高能量密度的激光束熔化材料形成熔池，待熔池冷却凝固后形成焊缝的方法。焊缝的质量受到焊接速度、激光离焦量、激光功率等多个工艺因素的共同影响。

目前大直径的圆环件大多数是通过钣金、机加工或者旋压而成，再通过环焊缝对接形成管道或者舱体。环缝对接的过程一般是由激光头保持不动，圆环件自身旋转实现焊接。然而由于钣金回弹或者前道工序的加工精度问题，圆环件容易出现圆度或者同心度不够的情况，导致焊接过程中圆环件与激光头的相对距离忽大忽小，激光离焦量无法实现稳定量化控制，严重影响焊接质量。此外，激光焊接的工艺参数一般是以线速度为单位进行控制，在旋转轴独立控制的普通环缝焊接中，需要将线速度转化为角速度后再设定旋转轴的角速度，给实际操作人员带来了诸多不便。因此在大直径圆环件的对接环缝焊接中，如何保证激光焊接头与圆环件的相对距离成为影响环缝焊接质量的关键，如何直接通过机器人程序指定焊接线速度，也是必须要解决的问题。

发明内容

本发明提供一种圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统及方法，可以实现圆环件或不规则圆环件的高精度高质量自动化激光焊接。

根据本发明的第一方面，提供了一种圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统，包括：激光焊接机器人系统以及外部旋转轴；其中，

待焊接圆环件或不规则圆环件固定在所述外部旋转轴上，所述外部旋转轴用于带动所述待焊接圆环件或不规则圆环件转动；

所述激光焊接机器人系统包括：机器人、控制系统、激光发生器以及激光焊接头；

所述外部旋转轴与所述机器人的本体轴耦合联动；

所述控制系统用于将所述待焊接圆环件划分为多个圆弧段或将所述待焊接不规则圆环件简化为多个以所述外部旋转轴为圆心的圆弧段；还用于根据多个圆弧段为机器人进行分段示教；

所述机器人用于控制所述激光焊接头根据所述待焊接圆环件或不规则圆环件的实际形状来变化位姿；

所述激光发生器用于为所述激光焊接头提供激光束，以照射在所述待焊接圆环件或不规则圆环件的焊缝处实现焊接。

可选的，所述控制系统还用于根据焊接线速度计算经过标定的所述外部旋转轴的旋转角速度，进而得到所述待焊接圆环件或不规则圆环件的旋转角速度。

可选的，还包括：保护气体装置，用于为所述待焊接圆环件或不规则圆环件的焊缝处提供保护气体。

可选的，点焊固定装置，用于在启动自动焊接程序前，对所述待焊接圆环件或不规则圆环件进行一个或多个点焊固定。

可选的，所述激光器产生的激光束通过光纤传输至所述激光焊接头。

可选的，所述控制系统进行分段示教中的示教点位数是根据所述待焊接圆环件或不规则圆环件的周长和圆度确定的。

根据本发明的第二方面，提供了一种圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接方法，包括以下步骤：

S71：将待焊接圆环件或不规则圆环件安装在内撑工装上，将使用内撑工装固定的待焊接圆环件或不规则圆环件装夹于所述外部旋转轴上；

S72：将所述待焊接圆环件划分为多个圆弧段或将所述待焊接不规则圆环件简化为多个以所述外部旋转轴为圆心的圆弧段；

S73：使用机器人对准所述待焊接圆环件或不规则圆环件的焊缝中心进行示教编程，对每个圆弧段进行分段示教；

S74：启动机器人焊接程序，转动所述外部旋转轴，带动所述待焊接圆环件或不规则圆环件以指定的线速度匀速转动，开始激光焊接。

可选的，所述步骤S71之前还包括：

S81：对外部旋转轴的原点和旋转中心进行标定；进一步地，

所述步骤S74中的经过标定的外部旋转轴的旋转角速度是由机器人系统通过指定的焊接线速度自动计算得到。。

可选的，所述步骤S74中还包括：在所述待焊接圆环件或不规则圆环件的焊缝处通入保护气体进行保护。

可选的，所述步骤S73和步骤S74之间还包括：

S101：在所述待焊接圆环件或不规则圆环件上使用一个或多个点焊进行固定。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提供的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统及方法，通过将圆环件划分为多个圆弧段，或者将不规则的圆环件近似简化为多个以外部旋转轴为圆心的圆弧段，利用机器人的圆弧轨迹示教功能进行分段示教，实现了激光离焦量和焊接线速度的稳定不变，能够保证圆环件或不规则圆环件在激光焊接过程中的工艺参数稳定性；

(2)本发明的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统及方法，通过标定后的联动外部旋转轴实现了焊接线速度的直接指定，解决了不规则圆环件在焊接过程中由于角速度恒定和曲率半径变化带来的线速度不均匀问题，同时避免了根据线速度换算角速度的精度问题；

(3)本发明的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统及方法，通过在焊缝处通入保护气体对焊缝进行保护，可以防止合金与空气中的其他成分发生反应，进一步保证了焊接的稳定性。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统的结构示意图；

图2是本发明一实施例中的对不规则圆环件进行分段示教的示意图；

图3是本发明一实施例中的对圆环件进行点焊固定的示意图；

图4是本发明一实施例中的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接方法的流程图。

附图标记说明：

1-外部旋转轴；

2-待焊接圆环件；

3-焊缝；

4-激光焊接头；

5-光纤；

6-机器人；

7-激光束；

8-激光发生器；

9-控制系统。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1是本发明一实施例中的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统的结构示意图。

请参考图1，该系统包括：外部旋转轴1以及激光焊接机器人，激光焊机机器人包括：机器人6、控制系统9、激光发生器8以及激光焊机头4。其中，待焊接圆环件2固定在外部旋转轴1上，外部旋转轴1用于带动待焊接圆环件2转动；外部旋转轴1与机器人6的本体轴耦合联动；控制系统9用于将待焊接圆环件划分为多个圆弧段；还用于根据多个圆弧段为机器人进行分段示教；机器人6用于控制激光焊接头4根据待焊接圆环件或不规则圆环件的实际形状来变化位姿；激光发生器8用于为激光焊接头4提供激光束7，以照射在待焊接圆环件的焊缝3处实现焊接。本实施例中，激光发生器8与激光焊接头4之间通过光纤5连接，激光束在光纤5中传输。

不同实施例中，激光焊接可以采用激光自熔焊、激光填丝焊或者激光电弧复合焊接中的一种。

上述实施例是以圆环件为例，本发明的焊接系统也可以对不规则圆环件进行焊接，如：椭圆形圆环件、近似圆环件。此时控制系统用于将待焊接不规则圆环件简化为多个以外部旋转轴为圆心的圆弧段。如图2所示为对不规则圆环件进行分段示教的示意图，将不规则圆环件近似简化为多个以外部旋转轴1为圆心的圆弧段。以外部旋转轴1中心为圆心、以圆弧段的起始点和终点作为辅助点和目标点，利用机器人的圆弧轨迹命令示教，保证在焊接过程中的激光离焦量不变。

较佳实施例中，在焊接开始前，为了防止环缝焊接过程中出现错边、缝隙过大等现象，需要事先点焊固定，根据圆环件的壁厚和周长，在圆周上每隔一定角度进行点焊固定(如：整个环缝每隔15～90°点焊一次)，典型固定方法如图3所示。此外，为了最大程度的控制变形，可采用对称点焊法，每次点焊总点位数的1/3或者1/4，整个环缝点焊分3～4次完成。

较佳实施例中，外部旋转轴1经过了原点和旋转中心的标定，此时，控制系统还用于根据焊接线速度计算得到经过标定的外部旋转轴的旋转角速度，并带动待焊接圆环件或不规则圆环件实现转动。

较佳实施例中，还包括：保护气体装置，用于为待焊接圆环件或不规则圆环件的焊缝处提供保护气体，如：氩气。

焊接完成后，圆环件或不规则圆环件的焊缝的正面和背面均呈银白色金属光泽。X射线照相检测表明，焊缝内部质量满足QJ1666A-2011中规定的Ⅱ级焊缝要求，无超标气孔、夹杂等缺陷。

图4是本发明一实施例的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接方法的流程图。

请参考图4，该方法包括以下步骤：

S71：将待焊接圆环件或不规则圆环件安装在内撑工装上，保证焊缝间隙和错边量小于0.2mm，将使用内撑工装固定的待焊接圆环件或不规则圆环件装夹于外部旋转轴上；

S72：将待焊接圆环件划分为多个圆弧段(如：可以分为12等分)或将待焊接不规则圆环件简化为多个以外部旋转轴为圆心的圆弧段；

S73：使用机器人对准待焊接圆环件或不规则圆环件的焊缝中心进行示教编程，对每个圆弧段进行分段示教，以保证激光离焦量和激光焊接头的方向不变，编程时指定好焊接线速度(如：0.5m/min)；

S74：启动机器人焊接程序，转动外部旋转轴，带动待焊接圆环件或不规则圆环件以指定线速度匀速转动，开始激光焊接。

较佳实施例中，步骤S74中的经过标定的外部旋转轴的旋转角速度是由机器人系统通过指定的焊接线速度自动计算得到。

。较佳实施例中，步骤S74中还包括：在待焊接圆环件或不规则圆环件的焊缝处通入保护气体进行保护。

较佳实施例中，步骤S73和步骤S74之间还包括：

S101：在待焊接圆环件或不规则圆环件上使用一个或多个点焊进行固定。

综上所述，本发明提供的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统及方法，通过将圆环件划分为多个圆弧段，或者将不规则的圆环件近似简化为多个以外部旋转轴为圆心的圆弧段，利用机器人的圆弧轨迹示教功能进行分段示教，实现了激光离焦量和焊接线速度的稳定不变，能够保证圆环件或不规则圆环件在激光焊接过程中的工艺参数稳定性。

同时，本发明通过标定后的联动外部旋转轴实现了焊接线速度的直接指定，解决了不规则圆环件在焊接过程中由于角速度恒定和曲率半径变化带来的线速度不均匀问题，同时避免了根据线速度换算角速度的精度问题。

本发明直接指定线速度，通过机器人系统内部自动换算得到旋转角速度，消除不规则圆环件在焊接过程中由于角速度恒定和曲率半径变化带来的线速度不稳定现象，使零件以恒定的线速度转动。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统，其特征在于，包括：激光焊接机器人系统以及外部旋转轴；其中，

待焊接圆环件或不规则圆环件固定在所述外部旋转轴上，所述外部旋转轴用于带动所述待焊接圆环件或不规则圆环件转动；

所述激光焊接机器人系统包括：机器人、控制系统、激光发生器以及激光焊接头；

所述外部旋转轴与所述机器人的本体轴耦合联动；

所述控制系统用于将所述待焊接圆环件划分为多个圆弧段或将所述待焊接不规则圆环件简化为多个以所述外部旋转轴为圆心的圆弧段；还用于根据多个圆弧段为机器人进行分段示教；

所述机器人用于控制所述激光焊接头根据所述待焊接圆环件或不规则圆环件的实际形状来变化位姿；

所述激光发生器用于为所述激光焊接头提供激光束，以照射在所述待焊接圆环件或不规则圆环件的焊缝处实现焊接。

2.根据权利要求1所述的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统，其特征在于，所述控制系统还用于根据焊接线速度计算经过标定的所述外部旋转轴的旋转角速度，进而得到所述待焊接圆环件或不规则圆环件的旋转角速度。

3.根据权利要求1所述的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统，其特征在于，还包括：保护气体装置，用于为所述待焊接圆环件或不规则圆环件的焊缝处提供保护气体。

4.根据权利要求1所述的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统，其特征在于，点焊固定装置，用于在启动自动焊接程序前，对所述待焊接圆环件或不规则圆环件进行一个或多个点焊固定。

5.根据权利要求1所述的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统，其特征在于，所述激光器产生的激光束通过光纤传输至所述激光焊接头。

6.根据权利要求1所述的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接系统，其特征在于，所述控制系统进行分段示教中的示教点位数是根据所述待焊接圆环件或不规则圆环件的周长和圆度确定的。

7.一种圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S71：将待焊接圆环件或不规则圆环件安装在内撑工装上，将使用内撑工装固定的待焊接圆环件或不规则圆环件装夹于所述外部旋转轴上；

S72：将所述待焊接圆环件划分为多个圆弧段或将所述待焊接不规则圆环件简化为多个以所述外部旋转轴为圆心的圆弧段；

S73：使用机器人对准所述待焊接圆环件或不规则圆环件的焊缝中心进行示教编程，对每个圆弧段进行分段示教；

S74：启动机器人焊接程序，转动所述外部旋转轴，带动所述待焊接圆环件或不规则圆环件以指定的线速度匀速转动，开始激光焊接。

8.根据权利要求7所述的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S71之前还包括：

S81：对外部旋转轴的原点和旋转中心进行标定；进一步地，

所述步骤S74中的经过标定的外部旋转轴的旋转角速度是由机器人系统通过指定的焊接线速度自动计算得到。

9.根据权利要求7所述的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S73中还包括：在所述待焊接圆环件或不规则圆环件的焊缝处通入保护气体进行保护。

10.根据权利要求7所述的圆环件或不规则圆环件的机器人激光焊接方法，其特征在于，所述步骤S73和步骤S74之间还包括：

S101：在所述待焊接圆环件或不规则圆环件上使用一个或多个点焊进行固定。