CN110238575B - 可视化自主焊接机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接设备技术领域，具体公开了一种可视化自主焊接机器人，包括焊接单元和夹持单元，焊接单元包括焊枪、控制焊枪多角度自由移动的焊接机械手和驱动焊接机械手360°旋转的旋转机构；夹持单元包括第一焊接夹具、第二焊接夹具、第三伸缩驱动元件和行走移动机构，第一焊接夹具和第二焊接夹具相对设置，且第二焊接夹具的夹紧力可以调节，第三伸缩驱动元件用于驱动第一焊接夹具和第二焊接夹具相互靠近或远离对方，行走移动机构用于驱动第一焊接夹具和第一焊接夹具水平移动靠近或远离所述焊接单元。本装置中的焊接机器手可360°旋转，从而让焊枪环绕管件360°旋转对环形焊缝进行焊接，并可对焊接后的管件的焊接质量进行检测。

Description

可视化自主焊接机器人

技术领域

本发明属于焊接设备技术领域，具体公开了一种可视化自主焊接机器人。

背景技术

随着智能化的发展，制造业出现了大量代替人工的机器人，机器人的投入使用取代了传统的手工作业模式，大大提高了工厂的生产效率。在焊接领域中，目前的焊接操作多是由焊接机器人完成的，焊接机器人的机械手的末端安有固定焊枪，机械手可以多角度自由移动，智能化程度高，可以实现自动焊接的功能。焊接机器人的运用可以避免工人在有害环境下工作，减少相应的人工成本，且焊接机器人可24小时连续作业，从而缩短产品改形换代的准备周期。

在焊接时，往往存在大量的方形或圆形管件、法兰等环状零部件。在加工、制造、装配上述零部件的过程中，需要对上述管件、法兰等零部件的接口的环状焊缝进行焊接。但常用的焊接机器人一般是针对单一的产品，焊接夹具通常是固定在一个地方的，无法通过旋转零部件的方法进行焊接；虽然机械手的焊接角度可以自由调整，但是也无法满足360°自由旋转。此外，在实际生产过程中，还发现焊接好的零部件还可能存在焊缝缺陷或焊接不牢固的现象，焊接质量难以得到保证，如果漏检不进行返修，在使用过程中，会产生严重的质量问题。

发明内容

本发明的目的在提供一种可视化自主焊接机器人，以解决现有的焊接机器人不便于对环形焊缝进行焊接的问题。

为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种可视化自主焊接机器人，包括焊接单元和夹持单元，所述焊接单元包括焊枪、控制焊枪多角度自由移动的焊接机械手和驱动焊接机械手绕工件旋转的旋转机构；所述夹持单元包括第一焊接夹具和第二焊接夹具，第一焊接夹具和第二焊接夹具相对设置，且第二焊接夹具的夹紧力可以调节，第一焊接夹具和第二焊接夹具连接有第三伸缩驱动元件，第三伸缩驱动元件用于驱动第一焊接夹具和第二焊接夹具相互靠近或远离对方。

本基础方案的工作原理在于：第一焊接夹具和第二焊接夹具分别将需要焊接在一起的两个管件夹持固定好，让第三伸缩驱动元件驱动第一焊接夹具和第二焊接夹具相互靠近对方，使两个管件对接，让环形焊缝对齐，然后旋转机构驱动焊接机械手360°旋转，从而使焊枪可以环绕管件对环形焊缝进行焊接；焊接完成后，待焊缝冷却后，先适当减小第二焊接夹具的夹紧力，然后让第三伸缩驱动元件驱动第一焊接夹具和第二焊接夹具相互远离对方，由于第二焊接夹具的夹紧力减小，如果焊接在一起的两个管件被分开，则说明两个管件焊接不牢固，即焊接质量不合格，如果焊接在一起的两个管件没有被分开，则说明两个管件焊接牢固，即焊接质量合格。

本基础方案的有益效果在于：与现有技术相比，本装置中的焊接机器手可以360°旋转，让焊枪360°环绕管件旋转来对环形焊缝进行焊接，解决了现有技术中的焊接机械手无法360°自由旋转的问题；同时，本方案中设置有可调节夹紧力大小的第二焊接夹具，可对焊接后的管件质量进行检测。

进一步，所述旋转机构包括底座和固定安装在底座上且竖直设置的环形轨道，所述底座中设有用于驱动焊接机械手沿着环形轨道顺时针或逆时针运动的驱动组件，所述驱动组件包括第一齿轮和用于驱动第一齿轮正转反转的第一电机，所述环形轨道中设有与其同轴设置的环形槽，环形槽中转动连接有与其同轴设置的齿圈，齿圈的外圈设有与第一齿轮相互啮合的齿；所述焊接机械手远离焊枪的一端固定连接在齿圈内侧。

本方案中，第一电机驱动第一齿轮正转反转，第一齿轮带动齿圈正转反转，从而使焊接机械手及焊枪环绕管件转动对环形焊缝进行焊接。

进一步，所述第二焊接夹具包括两个相配合夹持工件的第二夹爪、两根第二摆杆、两个相互啮合的第二齿轮和第二基座，第二夹爪均与第二基座铰接，第二夹爪上均设有第二滑槽；第二摆杆的一端滑动连接在第二滑槽中，第二摆杆的另一端铰接在第二齿轮的偏心位置；第二齿轮均通过转轴安装在第二基座上，其中一个第二齿轮同轴连接有第三齿轮，第三齿轮啮合有齿条，齿条连接有可驱动齿条往复移动的第二伸缩驱动元件。

本方案中，第二伸缩驱动元件驱动齿条移动，齿条带动第三齿轮转动，第三齿轮带动与其同轴连接的第二齿轮转动，从而使得另一个第二齿轮反向转动；由于第二摆杆的一端滑动连接在第二滑槽中，第二摆杆的另一端铰接在第二齿轮的偏心位置，第二齿轮转动时会通过第二摆杆带动第二夹爪摆动，从而实现第二焊接夹具夹紧力的调节以及对管件的夹紧和放开。

进一步，所述第一焊接夹具包括两个相配合夹持工件的第一夹爪、第一滑动件和第一基座，两个第一夹爪均铰接在第一基座的同一位置，第一夹爪上均设有第一滑槽；第一滑动件包括组成T型滑杆的第一连杆和第二连杆，第一基座上设有与T型滑杆形状相配合的T型滑槽，第一连杆的自由端连接有可驱动T型滑杆在T型滑槽中沿第一连杆的轴向方向往复滑动的第一伸缩驱动元件；第二连杆的两端均垂直固定连接有与第一连杆朝向相反的第三连杆，第三连杆的自由端滑动连接在第一滑槽中。

本方案中，第一伸缩驱动元件通过第一连杆驱动第一滑动件在T型滑槽中往复滑动，由于第三连杆的自由端滑动连接在第一滑槽中，第三连杆会带动第一夹爪摆动，从而实现第一焊接夹具对管件的夹紧和放开。

进一步，所述焊接机械手包括横杆、滑块和摆动臂，横杆固定连接在齿圈内侧上，滑块滑动连接在横杆上，滑块沿着横杆前后移动，滑块沿着横杆的前后移动是通过前后移动齿轮齿条副完成的，滑块的下部转动连接转杆，转杆上固定连接有摆动臂，摆动臂在摆动臂驱动元件的驱动下可实现周向摆动；所述焊枪铰接在摆动臂上，焊枪一端与摆动臂铰接，另一端与固定在摆动臂上的伸缩气缸连接。

本方案中，滑块滑动连接在横杆上，可使焊枪靠近或远离管件；而摆动臂和伸缩气缸的设置，可实现焊枪的多角度自由移动。

进一步，还包括用于驱动第一焊接夹具和第二焊接夹具水平移动靠近或远离所述焊接单元的行走移动机构，所述行走移动机构包括设在环形轨道的两侧的两组行走轨道，每组行走轨道上滑动设置有支撑板，支撑板的底部通过支座连接有行走轮组，支撑板的上部设有支撑柱，第三伸缩驱动元件垂直固定安装在支撑柱上。

进一步，还包括智能监控单元，智能监控单元包括上位机、控制器和摄像机，所述摄像机用于对焊接过程中的管件进行实时监控，摄像机将采集的数据反馈给上位机，上位机对数据信息进行分析判断，上位机将信号传递给控制器，控制器控制焊接单元和夹持单元动作。

本方案中，智能监控单元的设置，能够方便准确地获知焊接中的多种信息，如焊件形状测量、焊缝定位以及焊缝跟踪等，从而实现焊接作业的可视化跟踪。

进一步，还包括防护罩，所述防护罩套在焊接单元的外侧。焊接时会产生大量火花、刺眼的强光和烟尘等，且热辐射强，防护罩的设置可以起到保护作用。

进一步，所述防护罩上设有玻璃观察窗，便于工人巡查焊接机器人的焊接作业进度。

进一步，所述第一伸缩驱动元件、第二伸缩驱动元件和第三伸缩驱动元件为气缸、液压缸或电动推杆中的一种或多种的组合。上述三种部件均可以驱动作水平或竖直的往复运动，同时方便与控制器电性连接，通过控制器来控制第一伸缩驱动元件、第二伸缩驱动元件和第三伸缩驱动元件工作。

附图说明

图1为本发明实施例一的立体图；

图2为本发明实施例一中焊接单元的正视图；

第3为本发明实施例一中焊接机械手的立体图；

图4为本发明实施例一中第一焊接夹具和第二焊接夹具的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：焊枪101、焊接机械手102、横杆1021、滑块1022、转杆1023、摆动臂1024、伸缩气缸1025、底座103、环形轨道104、第一齿轮105、齿圈106、第一焊接夹具2、第一夹爪201、第一滑槽2011、第一滑动件202、第一连杆2021、第二连杆2022、第三连杆2023、第一基座203、第一伸缩驱动元件204、第二焊接夹具3、第二夹爪301、第二滑槽3011、第二摆杆302、第二齿轮303、第二基座304、第三齿轮305、齿条306、第二伸缩驱动元件307、第三伸缩驱动元件4、行走轨道501、支撑板502、行走轮503、支撑柱504、摄像机6。

实施例一：

如图1所示：一种可视化自主焊接机器人，包括焊接单元和夹持单元，焊接单元包括焊枪101、控制焊枪101多角度自由移动的焊接机械手102和驱动焊接机械手102绕工件360°旋转的旋转机构；结合图2所示，旋转机构包括底座103和固定安装在底座103上且竖直设置的环形轨道104，底座103中设有用于驱动焊接机械手102沿着环形轨道104顺时针或逆时针运动的驱动组件，驱动组件包括第一齿轮105和用于驱动第一齿轮105正转反转的第一电机(图中未示出)，环形轨道104中开设有与环形轨道104同轴设置的环形槽，环形槽中转动连接有与环形槽同轴设置的齿圈106，齿圈106的外圈设有与第一齿轮105相互啮合的齿；焊接机械手102远离焊枪101的一端固定连接在齿圈106内侧。

结合图3所示，焊接机械手102包括横杆1021、滑块1022和摆动臂1024，横杆1021固定连接在齿圈106内侧上，滑块1022滑动连接在横杆1021上，滑块1022沿着支撑杆前后移动，滑块1022沿着横杆1021的前后移动是通过前后移动齿轮齿条副完成的，滑块1022的下部转动连接转杆1023，转杆1023上固定连接有摆动臂1024，摆动臂1024在摆动臂1024驱动元件的驱动下可实现周向摆动，具体的摆动臂1024驱动元件为安装在滑块1022中第二电机(图中未示出)，第二电机驱动转杆1023转动从而带动摆动臂1024摆动；焊枪101铰接在摆动臂1024上，焊枪101的中部与摆动臂1024铰接，焊枪101的上端与固定在摆动臂1024上的伸缩气缸1025连接。滑块1022滑动连接在横杆1021上，可使焊枪101靠近或远离管件；而摆动臂1024和伸缩气缸1025的设置，可实现焊枪101的多角度自由移动。

如图1所示，夹持单元包括第一焊接夹具2、第二焊接夹具3、第三伸缩驱动元件4和行走移动机构，第一焊接夹具2和第二焊接夹具3相对设置，且第二焊接夹具3的夹紧力可以调节；第三伸缩驱动元件4的驱动端与第一焊接夹具2和第二焊接夹具3固定连接，第三伸缩驱动元件4用于驱动第一焊接夹具2和第二焊接夹具3相互靠近或远离对方；行走移动机构用于驱动第一焊接夹具2和第二焊接夹具3水平移动靠近或远离环形轨道104，具体的，如图1所示，行走移动机构包括设在环形轨道104的两侧的两组行走轨道501，行走轨道501为倒T型轨道，每组行走轨道501上滑动设置有支撑板502，支撑板502的底部通过支座连接有四组行走轮503组，每组行走轮503组均包括两个并排的行走轮503，两个并排的行走轮503通过一根中心轴连接；支撑板502的上部焊接有支撑柱504，第三伸缩驱动元件4垂直固定安装在支撑柱504上。

结合图4所示，第一焊接夹具2包括两个相配合夹持工件且呈“＜”型的第一夹爪201、第一滑动件202和第一基座203，两个第一夹爪201均铰接在第一基座203的同一位置，第一夹爪201上均开设有第一滑槽2011；第一滑动件202包括组成T型滑杆的第一连杆2021和第二连杆2022，第一基座203上设有与T型滑杆形状相配合的T型滑槽，第一连杆2021的自由端连接有可驱动T型滑杆在T型滑槽中沿第一连杆2021的轴向方向往复滑动的第一伸缩驱动元件204；第二连杆2022的两端均垂直连接有与第一连杆2021朝向相反的第三连杆2023，第一连杆2021、第二连杆2022和第三连杆2023为一体铸造成型；第三连杆2023的左端滑动连接在第一滑槽2011中。第一焊接夹具2的工作方式为：第一伸缩驱动元件204通过第一连杆2021驱动第一滑动件202在T型滑槽中往复滑动，由于第三连杆2023的自由端滑动连接在第一滑槽2011中，第三连杆2023会带动第一夹爪201摆动，从而实现第一焊接夹具2对管件的夹紧和放开。

结合图4所示，第二焊接夹具3包括两个相配合夹持工件的第二夹爪301、两根第二摆杆302、两个相互啮合的第二齿轮303和第二基座304，第二夹爪301均通过销轴铰接在第二基座304上，第二夹爪301上均开设有第二滑槽3011；第二摆杆302的右端滑动连接在第二滑槽3011中，第二摆杆302的左端铰接在第二齿轮303的偏心位置，具体的，第二齿轮303端面的偏心位置焊接有固定轴，第二摆杆302的左端转动连接在固定轴上；第二齿轮303均通过转轴安装在第二基座304上，其中一个第二齿轮303同轴连接有第三齿轮305，第三齿轮305位于第二齿轮303的后端，第三齿轮305啮合有齿条306，齿条306连接有可驱动齿条306往复移动的第二伸缩驱动元件307，第二伸缩驱动元件307安装在第二基座304上。第二焊接夹具3的工作方式为：第二伸缩驱动元件307驱动齿条306移动，齿条306带动第三齿轮305转动，第三齿轮305带动与其同轴连接的第二齿轮303转动，从而使得另一个第二齿轮303反向转动；由于第二摆杆302的一端滑动连接在第二滑槽3011中，第二摆杆302的另一端铰接在第二齿轮303的偏心位置，第二齿轮303转动时会通过第二摆杆302带动第二夹爪301摆动，从而实现第二焊接夹具3夹紧力的调节以及对管件的夹紧和放开；具体的，第二焊接夹具3在图4所示的状态时夹紧力最小，当位于右侧的第二齿轮303逆时针转动时，位于左侧的第二齿轮303会顺时针转动，在此过程中，左右两根第二摆杆302逐渐靠近，第二焊接夹具3的夹紧力会逐渐增大，当第二摆杆302与第二夹爪301平行时，第二焊接夹具3的夹紧力会最大，第二齿轮303继续转动，第二焊接夹具3的夹紧力会逐渐减小。

本实施例中焊接机器人还包括智能监控单元，智能监控单元包括上位机(图中未示出)、控制器(图中未示出)和摄像机6，摄像机6为CCD相机，可并通过固定安装在环形轨道104上，便于对焊接过程中的管件进行实时监控；摄像机6将采集的数据反馈给上位机，上位机对数据信息进行分析判断，上位机将信号传递给控制器，控制器控制焊接单元和夹持单元动作。智能监控单元的设置，能够方便准确地获知焊接中的多种信息，如焊件形状测量、焊缝定位以及焊缝跟踪等，从而实现焊接作业的可视化跟踪。

值得注意的是，本实施例中的第一伸缩驱动元件204、第二伸缩驱动元件307和第三伸缩驱动元件4可以选用气缸、液压缸或电动推杆中的一种或多种的组合。上述三种部件均可以驱动作水平或竖直的往复运动，同时方便与控制器电性连接，通过控制器来控制第一伸缩驱动元件204、第二伸缩驱动元件307和第三伸缩驱动元件4工作。

具体实施过程如下：

行走移动机构带动第一焊接夹具2和第二焊接夹具3水平移动，第一焊接夹具2和第二焊接夹具3分别将需要焊接在一起的两个管件夹持固定好，行走移动机构再带动第一焊接夹具2和第二焊接夹具3靠近环形轨道104，并让第三伸缩驱动元件4驱动第一焊接夹具2和第二焊接夹具3相互靠近对方，使两个管件对接，让环形焊缝对齐；然后第一电机驱动第一齿轮105正转反转，第一齿轮105带动齿圈106正转反转，从而使焊接机械手102及焊枪101环绕管件360°转动对环形焊缝进行焊接。

焊接完成后，待焊缝冷却后，第一焊接夹具2的夹紧力保持不变，适当减小第二焊接夹具3的夹紧力使其小于第一焊接夹具2的夹紧力，然后让第三伸缩驱动元件4驱动第一焊接夹具2和第二焊接夹具3相互远离对方，如果焊接在一起的两个管件被分开，则说明两个管件焊接不牢固，即焊接质量不合格，如果焊接在一起的两个管件没有被分开，则说明两个管件焊接牢固，即焊接质量合格。

实施例二：

在实施例一的基础上，本实施例中的焊接机器人还包括防护罩，防护罩罩套在环形轨道104的外侧，防护罩上设有玻璃观察窗。焊接时会产生大量火花，烟尘多且热辐射强，防护罩的设置可以起到保护作用，而玻璃观察窗的设置便于工人巡查焊接作业进度。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (7)

1.可视化自主焊接机器人，其特征在于：包括焊接单元和夹持单元，所述焊接单元包括焊枪、控制焊枪多角度自由移动的焊接机械手和驱动焊接机械手绕工件旋转的旋转机构；所述夹持单元包括第一焊接夹具和第二焊接夹具，第一焊接夹具和第二焊接夹具相对设置，且第二焊接夹具的夹紧力可以调节，第一焊接夹具和第二焊接夹具连接有第三伸缩驱动元件，第三伸缩驱动元件用于驱动第一焊接夹具和第二焊接夹具相互靠近或远离对方；所述旋转机构包括底座和固定安装在底座上且竖直设置的环形轨道，所述底座中设有用于驱动焊接机械手沿着环形轨道顺时针或逆时针运动的驱动组件，所述驱动组件包括第一齿轮和用于驱动第一齿轮正转反转的第一电机，所述环形轨道中设有与其同轴设置的环形槽，环形槽中转动连接有与其同轴设置的齿圈，齿圈的外圈设有与第一齿轮相互啮合的齿；所述焊接机械手远离焊枪的一端固定连接在齿圈内侧；所述第二焊接夹具包括两个相配合夹持工件的第二夹爪、两根第二摆杆、两个相互啮合的第二齿轮和第二基座，第二夹爪均与第二基座铰接，第二夹爪上均设有第二滑槽；第二摆杆的一端滑动连接在第二滑槽中，第二摆杆的另一端铰接在第二齿轮的偏心位置；第二齿轮均通过转轴安装在第二基座上，其中一个第二齿轮同轴连接有第三齿轮，第三齿轮啮合有齿条，齿条连接有可驱动齿条往复移动的第二伸缩驱动元件；所述焊接机械手包括横杆、滑块和摆动臂，横杆固定连接在齿圈内侧上，滑块滑动连接在横杆上，滑块沿着横杆前后移动，滑块沿着横杆的前后移动是通过前后移动齿轮齿条副完成的，滑块的下部转动连接转杆，转杆上固定连接有摆动臂，摆动臂在摆动臂驱动元件的驱动下可实现周向摆动；所述焊枪铰接在摆动臂上，焊枪的中部与摆动臂铰接，焊枪远离枪口的一端与固定在摆动臂上的伸缩气缸连接。

2.根据权利要求1所述的可视化自主焊接机器人，其特征在于：所述第一焊接夹具包括两个相配合夹持工件的第一夹爪、第一滑动件和第一基座，两个第一夹爪均铰接在第一基座的同一位置，第一夹爪上均设有第一滑槽；第一滑动件包括组成T型滑杆的第一连杆和第二连杆，第一基座上设有与T型滑杆形状相配合的T型滑槽，第一连杆的自由端连接有可驱动T型滑杆在T型滑槽中沿第一连杆的轴向方向往复滑动的第一伸缩驱动元件；第二连杆的两端均垂直固定连接有与第一连杆朝向相反的第三连杆，第三连杆的自由端滑动连接在第一滑槽中。

3.根据权利要求2所述的可视化自主焊接机器人，其特征在于：还包括用于驱动第一焊接夹具和第二焊接夹具水平移动靠近或远离所述焊接单元的行走移动机构，所述行走移动机构包括设在环形轨道的两侧的两组行走轨道，每组行走轨道上滑动设置有支撑板，支撑板的底部通过支座连接有行走轮组，支撑板的上部设有支撑柱，第三伸缩驱动元件垂直固定安装在支撑柱上。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的可视化自主焊接机器人，其特征在于：还包括智能监控单元，智能监控单元包括上位机、控制器和摄像机，所述摄像机用于对焊接过程中的管件进行实时监控，摄像机将采集的数据反馈给上位机，上位机对数据信息进行分析判断，上位机将信号传递给控制器，控制器控制焊接单元和夹持单元动作。

5.根据权利要求4所述的可视化自主焊接机器人，其特征在于：还包括防护罩，所述防护罩套在焊接单元的外侧。

6.根据权利要求5所述的可视化自主焊接机器人，其特征在于：所述防护罩上设有玻璃观察窗。

7.根据权利要求2所述的可视化自主焊接机器人，其特征在于：所述第一伸缩驱动元件、第二伸缩驱动元件和第三伸缩驱动元件为气缸、液压缸或电动推杆中的一种或多种的组合。

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