CN110076569A - 一种焊接与焊接前后处理一体化设备及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接与焊接前后处理一体化设备，包括底座、主机械臂、副机械臂、表面处理装置、焊接装置、应力处理装置和控制器，通过控制器对机械臂的控制可实现工件的焊前打磨、焊接、焊后应力处理以及焊后焊渣处理等过程的一体化，结构简单，实用性强。本发明还公开了一种焊接与焊接前后处理一体化设备的处理方法，对焊前、焊接和焊后全过程的处理实现闭环控制，实现了处理过程的全自动化，提高了工作效率，适合产业应用。

Description

一种焊接与焊接前后处理一体化设备及处理方法

技术领域

本发明涉及焊接及前后处理一体化技术领域，尤其涉及一种焊接与焊接前后处理一体化设备及处理方法。

背景技术

随着社会的发展，自动焊接机器人、焊接前的打磨装置以及焊后应力处理装置的应用范围越来越广。在焊接之前，焊接过程中以及焊后的处理都需要复杂的工序处理，若要将这几个较为繁琐的流程高效率地结合起来，形成一个全自动的一体化装置，目前国内还没有一个能够实现一体化功能的机器。

由于结构件表面的清洁程度对焊接质量影响很大，焊接作业过程中往往会先对焊接的物体进行打磨，除去物体表面残余的铁锈铜锈等杂质。焊接结束后的结构件表面也会低洼不平，较为粗糙。而在这样技术条件下，焊前、焊接以及焊后处理都是分步进行处理。先人工进行焊前打磨，再进行手动或者机器焊接，最后进行应力消除。无法完全达成全自动的高效的一体化焊接以及焊接处理的要求，整个焊接过程的时间很长，焊接效率低。

基于国内尚无实用化的全自动焊接以及焊前焊后处理的一体化机器人的现状。本发明利用全方位可移动平台搭载焊接机器人，实现多种环境下的对多种工件的在线焊缝跟踪焊接操作；可实时调整焊接机器人机械臂的角度、伸展距离、坐标系、移动速度作业方式，有效降低生产成本，提升焊接作业质量。

综上所述，如何提高焊接以及焊接处理效率，实现全自动一体化焊接是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种焊接与焊接前后处理一体化设备，包括底座、主机械臂、副机械臂、表面处理装置、焊接装置和应力处理装置；

一种焊接与焊接前后处理一体化设备，其特征在于：包括底座、主机械臂、副机械臂、表面处理装置、焊接装置和应力处理装置；

所述底座可转动地设置在一移动平台上，所述主机械臂的一端铰接在所述底座上并通过第一伺服电机驱动在竖直平面内绕着铰接点摆动；所述副机械臂的一端铰接在主机械臂的另一端并通过第二伺服电机驱动在竖直平面方向绕着铰接点摆动；

所述表面处理装置、焊接装置与应力处理装置均通过各自的机械臂铰接在副机械臂的另一端；所述表面处理装置的机械臂端部、焊接装置的机械臂端部以及应力处理装置的机械臂端部同轴连接在副机械臂的另一端并绕着铰接点在竖直平面内摆动，且各机械臂均绕着铰接点独立运动。

进一步的，表面处理装置为角磨机；焊接装置包括焊枪、焊丝和设置在底座上的送丝机；应力处理装置为超声波冲击枪。

进一步的，底座上设置有第一驱动电机，底座通过所述第一驱动电机驱动可相对所述移动平台水平旋转。

进一步的，表面处理装置的机械臂、焊接装置的机械臂与应力处理装置的机械臂为杆件结构或伸缩气缸结构或滑轨滑块配合的滑动式结构。

本发明还提供了一种焊接与焊接前后处理一体化设备的处理方法，包括以下步骤：

S1：表面处理装置伸展至工作区域后，对待焊接工件进行表面处理至处理完毕；

S2：表面处理装置收回，焊接装置伸展至工作区域，对经过步骤S1处理后的工件进行焊接至焊接完毕；

S3：焊接装置收回，应力处理装置伸展至工作区域，对步骤S2得到的已焊接工件进行应力处理至处理完毕；

S4：应力处理装置收回，表面处理装置伸展至工作区域，对经过步骤S3处理得到的工件表面的焊渣进行处理至处理完毕；

S5：表面处理装置收回，主机械臂和副机械臂复位，准备下一周期的工作。

本发明的优点在于：

1)本发明中能够完全达成全自动的高效的一体化焊接以及焊接处理的要求；解决了人工进行焊前打磨，再进行手动或者机器焊接，最后进行应力消除分步处理费时费力，焊接及焊接前后处理效率低下的问题。

2)本发明能够将繁琐的焊接过程都集成到一个全方位可移动平台上，通过上位机进行集中控制，同时又将各个机械臂的伸缩和运动进行了步进处理；整个结构更加稳定，机械臂也让其伸缩更加方便，总体上大大提高了整个焊接的效率。

3)本发明创新地结合了焊前打磨、焊缝焊接、应力处理、焊渣清理等步骤，实现一体化，节省人力，使焊接更加快捷；所采用的三机械臂系统可更换机械臂所接枪头，实现更多复杂的功能，可移植性强。

4)本发明使用软件实现运动控制模块的控制功能，从而降低了机械臂对控制器的要求，有效降低了控制系统成本。

5)本发明采用双闭环系统，精度较高，利用反馈环节削弱干扰的影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的一种焊接与焊接前后处理一体化设备的立体示意图。

图2为本发明的一种焊接与焊接前后处理一体化设备的处理方法流程图。

图3为本发明的一种焊接与焊接前后处理一体化设备的表面处理装置工作状态图。

图4为本发明的一种焊接与焊接前后处理一体化设备的焊接装置工作状态图。

图5为本发明的一种焊接与焊接前后处理一体化设备的应力处理装置工作状态图。

附图中标记如下：底座1、第一驱动电机11、主机械臂2、第一伺服电机21、第二伺服电机31、副机械臂3、表面处理装置4、焊接装置5、送丝机51、应力处理装置6、摄像头7

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1所示的一种焊接与焊接前后处理一体化设备，包括：底座1、主机械臂2、副机械臂3、第一伺服电机21、第二伺服电机31、表面处理装置4、焊接装置5、送丝机51、应力处理装置6和摄像头7；

所述底座1可转动地设置在一移动平台上，所述主机械臂2的一端铰接在底座上并通过第一伺服电机21驱动在竖直平面内绕着铰接点摆动；所述副机械臂3的一端铰接在主机械臂2的另一端并通过第二伺服电机31驱动在竖直平面方向绕着铰接点摆动；

所述表面处理装置4、焊接装置5与应力处理装置6均通过各自的机械臂铰接在副机械臂3的另一端；所述表面处理装置4的机械臂端部、焊接装置5的机械臂端部以及应力处理装置6的机械臂端部同轴连接在副机械臂3的另一端并绕着铰接点在竖直平面内摆动，且各机械臂均绕着铰接点独立运动。

表面处理装置4为角磨机；所述焊接装置5为焊枪与焊丝结构，所述送丝机51设置在底座1上；所述应力处理装置6为超声波冲击枪。

底座1上设置有第一驱动电机11，第一驱动电机11驱动底座1在移动平台在沿水平面旋转。

表面处理装置4的机械臂、焊接装置5的机械臂与应力处理装置6的机械臂为杆件结构或伸缩气缸结构或滑轨滑块配合的滑动式结构。

第一驱动电机11、第一伺服电机21、第二伺服电机31、送丝机51均通过控制器控制；其中，所述主机械臂2与副机械臂3上均设置有运动检测传感器，且运动检测传感器与控制器进行数据交换，控制器中使用ID区分CAN总线网络中第一驱动电机11、第一伺服电机21、第二伺服电机31，通过CANopen协议将期望步进指令信号从CAN总线传送给第一驱动电机11、第一伺服电机21、第二伺服电机31，实现控制主机械臂2的第一伺服电机21的步进运动与控制副机械臂3的第二伺服电机31的步进运动。主机械臂2与副机械臂3之间的动作夹角有分别安装在第一伺服电机21和第二伺服电机31上的编码器获得并经卡尔曼滤波得到准确的角度偏离值后由控制器控制第二伺服电机31实现。

如图2所示的一种焊接与焊接前后处理一体化设备的处理方法，包括以下步骤：

S1：表面处理装置伸展至工作区域后，对待焊接工件进行表面处理至处理完毕；

摄像头7拍摄得到待焊接工件的位置信息和原始图像信息后，将信息传输给控制器，控制器根据接受到的待焊接工件的位置信息，控制第一伺服电机21、第二伺服电机31和安装在表面处理装置4机械臂上的伺服电机分别驱动主机械臂2、副机械臂3、表面处理装置4的机械臂运动，使处理装置4准确到达工作区域；然后控制器控制表面处理装置4对焊接件进行表面处理，处理的时间可以根据待处理工件状况预设；

S2：表面处理装置收回，焊接装置伸展至工作区域，对经过步骤S1处理后的工件进行焊接至焊接完毕；

控制器控制第二伺服电机31和安装在表面处理装置4机械臂上的伺服电机分别驱动副机械臂3、表面处理装置4的机械臂收回至初始位置，然后控制器对接受到的待焊接工件的原始图像信息进行图像处理后提取焊缝中心线，通过控制第二伺服电机31和安装在控制焊接装置5上的伺服电机实现焊接装置5移动至工作区域对待焊接工件沿焊缝中心线进行焊缝焊接；工作状态如图4所示；焊接装置5机械臂移动过程中，编码器和运动检测传感器分别测量出位置误差和速度误差并通过CAN总线传回控制器，控制器通过PID算法对误差进行消除，并通过Lyapunov理论所述的增益调整规则控制机械臂进行补偿。

S3：焊接装置收回，应力处理装置伸展至工作区域，对步骤S2得到的已焊接工件进行应力处理至处理完毕；

控制器控制第二伺服电机31和安装在焊接装置5机械臂上的伺服电机分别驱动副机械臂3、焊接装置5的机械臂收回至初始位置，控制器根据步骤S1中接受的带焊接工件的位置信息，控制第二伺服电机31和安装在应力处理装置6机械臂上的伺服电机控制应力处理装置6伸展至工作区域，然后控制应力处理装置6对焊接完成后的焊接工件进行应力处理；工作状态如图5所示；应力处理装置6为超声波冲击枪，通过上位机实现控制器对其进行控制；通过超声波冲击强进行应力处理，可彻底消除工件表面或焊缝区有害残余应力，形成有益压应力，并使焊址表面产生压缩塑性变形，消除焊趾表面的缺陷，降低应力集中使焊趾部位得到强化和硬化，显著提高焊接件疲劳强度和疲劳寿命；

S4：应力处理装置回收后表面处理装置伸展至工作区域，对经过步骤S3处理得到的工件表面的焊渣进行处理至处理完毕；

控制器控制第二伺服电机31和安装在应力处理装置6机械臂上的伺服电机分别驱动副机械臂3、应力处理装置6的机械臂收回至初始位置，然后控制器控制表面处理装置4至工作区域后，控制表面处理装置4对焊缝表面的焊渣进行处理；对焊接工件表面的残渣处理，可使焊缝更加美观，并有助于涂装防止氧化；通过角磨机对影响外观平整的焊缝进行打磨，直到焊缝平整为止，以避免影响其他工序对结构件的处理；

S5：表面处理装置回收，主机械臂和副机械臂复位，准备下一周期的工作。

工作原理：对焊缝进行处理时，首先通过控制器驱动机械臂电机同轴转动，焊接装置机械臂通过关节弯曲进行收缩，使表面处理机械臂对准焊缝并进行打磨。打磨结束后，收回所述机械臂至初始位置并伸展焊接机械臂至工作区，对结构件进行焊缝焊接；焊接结束后收回所述机械臂至初始位置并伸展应力处理机械臂至工作区并对结构件进行应力处理；应力处理后收回所述机械臂至初始位置并伸展装表面处理机械臂至工作区；对结构件进行表面残渣处理；运动完成后，表面处理机械臂收缩回到初始位置。机械臂的收回的工作原理为：记录控制器控制伸出所述表面处理装置与焊接装置的机械臂所需的脉冲数，收回机械臂只需发出相同脉冲数并反转其输入脉冲顺序即可实现；

在机械臂关节加入闭环控制，形成内环为伺服电机控制而外环为视觉控制的系统，反馈信号是处理装置在图像空间中的位置、速度，这些反馈信号反馈给控制器，由控制器预估出下一时刻目标姿态并转换为关节控制量，通过CAN总线发给对应的伺服电机，由该控制量控制机械臂运动。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种焊接与焊接前后处理一体化设备，其特征在于：包括底座、主机械臂、副机械臂、表面处理装置、焊接装置、应力处理装置；

所述底座设置在一移动平台上，所述主机械臂的一端铰接在底座上并通过第一伺服电机驱动在竖直平面内绕着铰接点摆动；所述副机械臂的一端铰接在主机械臂的另一端并通过第二伺服电机驱动在竖直平面方向绕着铰接点摆动；

所述表面处理装置、焊接装置与应力处理装置均通过各自的机械臂铰接在副机械臂的另一端；所述表面处理装置的机械臂端部、焊接装置的机械臂端部以及应力处理装置的机械臂端部同轴连接在副机械臂的另一端并绕着铰接点在竖直平面内摆动，且各机械臂均绕着铰接点独立运动；

所述焊接与焊接前后处理一体化设备还包括控制器，用于控制所述底座、所述主机械臂、所述副机械臂、所述表面处理装置、所述焊接装置和所述应力处理装置的运动。

2.根据权利要求1所述的焊接与焊接前后处理一体化设备，其特征在于：所述表面处理装置为角磨机；所述焊接装置包括焊枪、焊丝和送丝机，所述送丝机设置在所述底座上；所述应力处理装置为超声波冲击枪。

3.根据权利要求1所述的焊接与焊接前后处理一体化设备，其特征在于：所述底座上设置有第一驱动电机，所述第一驱动电机用于驱动所述底座相对所述移动平台在水平方向旋转。

4.根据权利要求1所述的焊接与焊接前后处理一体化设备，其特征在于：所述表面处理装置的机械臂、焊接装置的机械臂与应力处理装置的机械臂为杆件结构或伸缩气缸结构或滑轨滑块配合的滑动式结构。

5.根据权利要求1所述的焊接与焊接前后处理一体化设备，其特征在于：所述主机械臂与所述副机械臂上均设置有运动检测传感器。

6.权利要求1至5任一项所述的焊接与焊接前后处理一体化设备的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：表面处理装置伸展至工作区域后，对待焊接工件进行表面处理至处理完毕；

S2：表面处理装置收回，焊接装置伸展至工作区域，对经过步骤S1处理后的工件进行焊接至焊接完毕；

S3：焊接装置收回，应力处理装置伸展至工作区域，对步骤S2得到的已焊接工件进行应力处理至处理完毕；

S4：应力处理装置收回，表面处理装置伸展至工作区域，对经过步骤S3处理得到的工件表面的焊渣进行处理至处理完毕；

S5：表面处理装置收回，主机械臂和副机械臂复位，准备下一周期的工作。