CN110814520A - 实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统 - Google Patents

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花磊
李帅
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Abstract

本发明公开了一种实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，包括双臂龙门架单元，用于携载机器人单元实现三轴运动；机器人单元，用于控制双臂龙门架单元运动以及激光复合头单元工作；激光单元、弧焊单元分别输出激光能量、电弧能量；激光复合头单元，用于实现激光电弧复合焊接；总控单元，用于实现与机器人单元进行通信，以及人机交互；配电单元，用于为其他单元提供工作所需电源。本发明通过双机器人结合龙门架单元的结构方式，以及双机器人协调运动的方式，从设备上实现大尺寸复杂T型接头厚板工件的双面激光电弧复合对称焊接，能够提高生产效率，此外具有大跨度和高精度等特点，可以实现大型复杂工件的焊接，且整体结构简单易实现。

Description

实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统
技术领域
本发明涉及机器人焊接技术领域，特别涉及一种实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统。
背景技术
传统的厚板T型接头气保焊焊接方法是采用K形坡口，正面焊接完成后进行背面清根，该方法消耗大量工时，效率低。如中国专利CN200410082758公开了一种双面双弧焊接方法，其采用对称K形坡口进行双面双弧打底焊接和双面双弧填充焊接，该方法省去背面清根过程，缩短施工周期，但是焊接变形难以控制、弧焊填充量大等问题仍然突出。
激光电弧复合焊接方法结合了电弧和激光的优势，具有较大的熔深和较好的搭桥能力，在厚板焊接领域逐步推广应用。如中国专利CN102126088A公开了一种厚板T型接头双面激光电弧复合焊接方法，该方法采用的双面激光电弧复合焊接技术，结合了激光复合焊接和双面焊接的优势，将激光电弧复合热源作用于厚板T型接头的立板两侧，同步施焊，解决了传统T型接头焊接方法中存在的焊接工序多、焊丝填充量大、应力变形不易控制等问题。
上述专利CN102126088A中仅给出T型结构厚板双面焊接的方法，但是要实现双面同步焊接，需要设计专用的焊接设备，依靠人工无法保证焊接质量和效率。目前还没有专门用于双面激光电弧复合焊接的设备。中国专利CN102672315B公开了一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统，该系统中两台机器人采用爬行装置结构吸附在待焊工件两侧，双机器人可以协同控制，实现双面双弧焊接。但该系统的结构灵活性不高，在小空间范围内的焊接可达性不好。此外轮式的行走方式难以保证激光电弧复合焊接工艺的焊接精度和速度要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于大尺寸复杂工件T型接头厚板的高效双面焊接机器人系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，包括双臂龙门架单元、机器人单元、激光单元、弧焊单元、激光复合头单元、总控单元以及配电单元；
所述双臂龙门架单元，用于携载机器人单元实现三轴方向的运动；
所述机器人单元，用于携载激光复合头单元实现激光电弧复合焊接，且控制双臂龙门架单元实现三轴运动；
所述激光单元，用于输出激光能量至激光复合头单元；
所述弧焊单元，用于输出电弧能量至激光复合头单元；
所述激光复合头单元，用于实现激光电弧复合焊接；
所述总控单元，用于实现与机器人单元进行通信，以及人机交互；
所述配电单元，用于为其他单元提供工作所需电源。
进一步地，所述双臂龙门架单元包括平行设置的第一横梁和第二横梁，跨接于第一横梁、第二横梁之间的第三横梁，设置于第三横梁两端且与第三横梁垂直的第一运动臂和第二运动臂；第一横梁、第二横梁通过若干立柱支撑固定；
将第一横梁、第二横梁视为X轴，第三横梁视为Y轴，第一运动臂、第二运动臂分别视为Z1轴、Z2轴；Y轴可沿X轴运动，Z1轴、Z2轴可沿Y轴运动，Z1轴、Z2轴可沿垂直于XOY面的方向运动。
进一步地，所述机器人单元包括分别设置于Z1轴、Z2轴末端的主机器人、从机器人，以及分别用于控制主机器人、从机器人运动的主机器人控制柜、从机器人控制柜；所述主机器人、从机器人之间实现协同联动，且主机器人能控制Y轴沿X轴运动、Z1轴沿Y轴运动以及Z1轴沿垂直于XOY面的方向运动，从机器人仅能控制Z2轴沿Y轴运动以及Z2轴沿垂直于XOY面的的方向运动。
进一步地，所述激光复合头单元包括分别设置于主机器人、从机器人末端的第一激光复合头单元、第二激光复合头单元；所述第一激光复合头单元包括接收激光能量的第一激光加工头、接收电弧能量的第一焊枪、以及第一焊缝跟踪装置，第二激光复合头单元包括接收激光能量的第二激光加工头、接收电弧能量的第二焊枪、以及第二焊缝跟踪装置。
进一步地，所述激光单元输出两路激光分别至第一激光复合头单元、第二激光复合头单元；所述弧焊单元输出两路电弧分别至第一激光复合头单元、第二激光复合头单元。
进一步地，所述总控单元包括：
主控PLC，用于接收机器人单元传输的焊接相关参数；
HMI触摸屏，用于实时显示所述焊接相关参数，还用于设置机器人单元的运动及焊接参数和故障报警应答。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明从设备上实现了T型接头厚板的双面激光复合焊接，可以实现真正意义上的提高生产效率；2)本发明的双臂龙门式机器人系统具有大跨度和高精度等特点，可以实现大型复杂工件的焊接；3)本发明以机器人控制系统为基础，而实现双机器人协调控制及外部轴联动控制的技术方案成熟度高，因此整体系统易实现。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1本发明实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统的结构示意图。
图2本发明实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统的控制系统图。
图3为本发明系统进行双面激光电弧复合焊接示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1和图2，本发明提供了一种实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，包括双臂龙门架单元、机器人单元、激光单元、弧焊单元、激光复合头单元、总控单元以及配电单元；
双臂龙门架单元，用于携载机器人单元实现三轴方向的运动；
机器人单元，用于携载激光复合头单元实现激光电弧复合焊接，且控制双臂龙门架单元实现三轴运动；
激光单元，用于输出激光能量至激光复合头单元；
弧焊单元，用于输出电弧能量至激光复合头单元；
激光复合头单元，用于实现激光电弧复合焊接；
总控单元1，用于实现与机器人单元进行通信，以及人机交互；
配电单元3，用于为其他单元提供工作所需电源。
上述双臂龙门式机器人系统，从设备上实现了T型接头厚板的双面激光复合焊接，能够提高生产效率。
进一步地，在其中一个实施例中，双臂龙门架单元包括平行设置的第一横梁12-1和第二横梁12-2，跨接于第一横梁12-1、第二横梁12-2之间的第三横梁8，设置于第三横梁8两端且与第三横梁8垂直的第一运动臂6和第二运动臂9；第一横梁12-1、第二横梁12-2通过若干立柱11支撑固定；
将第一横梁12-1、第二横梁12-2视为X轴，第三横梁8视为Y轴，第一运动臂6、第二运动臂9分别视为Z1轴、Z2轴；Y轴可沿X轴运动，Z1轴、Z2轴可沿Y轴运动，Z1轴、Z2轴可沿垂直于XOY面的方向运动。
采用本实施例的方案，使得机器人单元能够实现多维运动，进而使得整个双臂龙门式机器人系统能够适应不同尺寸T型接头厚板的焊接。
进一步优选地，在其中一个实施例中，双臂龙门架单元的各运动轴采用齿轮齿条传动。
进一步优选地，在其中一个实施例中，由于Z轴方向负载比较大，因此在上述Z1轴、Z2轴上安装平衡气缸实现平衡负载。
进一步示例性地，上述Y轴上设置扶梯平台，用于承载其他单元。
进一步示例性地，上述X轴上也设置扶梯平台13，同时X轴与地面之间设置有斜坡扶梯，便于检修人员登上双臂龙门架对其进行检修。
进一步示例性地，双臂龙门架单元X/Y/Z轴的有效行程设计可达20m/8m/2m以上，以实现大范围的焊接。为保证激光复合焊接精度，双臂龙门架单元的设计精度参数如下表1所示：
表1双臂龙门架单元的设计精度参数
名称 X轴参数 Y轴参数 Z轴参数
重复定位精度 ±0.1mm ±0.1mm ±0.1mm
机械定位精度 ±0.1mm/m ±0.1mm/m ±0.1mm/m
最大运行速度 6m/min 6m/min 6m/min
进一步地，在其中一个实施例中，机器人单元包括分别设置于Z1轴、Z2轴末端的主机器人7、从机器人10，以及分别用于控制主机器人7、从机器人10运动的主机器人控制柜4、从机器人控制柜5；主机器人7、从机器人10之间实现协同联动，且主机器人7能控制Y轴沿X轴运动、Z1轴沿Y轴运动以及Z1轴沿垂直于XOY面的方向运动，从机器人10仅能控制Z2轴沿Y轴运动以及Z2轴沿垂直于XOY面的方向运动。
采用本实施例的方案，针对T型接头厚板，在使用本系统时两个机器人分别位于T型面板的两侧以实现同步焊接。
进一步优选地，在其中一个实施例中，上述主机器人7、从机器人10均采用六轴工业机器人。
进一步优选地，在其中一个实施例中，上述主机器人7、从机器人10均采用库卡KR60型机器人，且配备KRC4控制系统，两个机器人之间的协同联动通过KRC4控制系统的RoboTeam功能实现。该功能主要用于解决机器人的时间耦合关系，即机器人协作时轨迹运动在时间和几何上相互协调。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，激光复合头单元包括分别设置于主机器人7、从机器人10末端的第一激光复合头单元、第二激光复合头单元；第一激光复合头单元包括接收激光能量的第一激光加工头1-1、接收电弧能量的第一焊枪2-1、以及第一焊缝跟踪装置3-1，第二激光复合头单元包括接收激光能量的第二激光加工头4-1、接收电弧能量的第二焊枪5-1、以及第二焊缝跟踪装置6-1。
由于T型接头厚板的焊接多为大尺寸工件，坡口加工难度增大，焊缝处理更加复杂，定位和装夹产生的误差更大，因此采用本实施例方案中的焊缝跟踪装置实现焊缝偏差的纠正是非常必要的。
进一步地，在其中一个实施例中，上述第一激光复合头单元、第二激光复合头单元还分别包括第一熔池观测设备、第二熔池观测设备。
采用本实施例的方案，可以实时监测焊接的质量状态，及时发现并解决质量不过关现象，提高焊接工作的有效性。
进一步示例性地，在其中一个实施例中，上述熔池观测设备具体采用加拿大赛融POWER CAM系列。
进一步地，在其中一个实施例中，激光单元输出两路激光分别至第一激光复合头单元、第二激光复合头单元；弧焊单元输出两路电弧分别至第一激光复合头单元、第二激光复合头单元。
进一步优选地，在其中一个实施例中，激光单元包括两台激光器，分别由主机器人7、从机器人10控制。
进一步优选地，在其中一个实施例中，激光单元包括一台激光器和将激光分为两路的分光模块。
采用本实施例的方案，可以减少激光器设备的数目，降低整个系统的成本。
进一步优选地，在其中一个实施例中，弧焊单元包括两台CMT焊接设备。
进一步地，在其中一个实施例中，总控单元包括：
主控PLC，用于接收机器人单元传输的焊接相关参数(焊接电流、电压、激光功率等)；
HMI触摸屏，用于实时显示焊接相关参数(显示画面包括指示灯、按钮、文字、图形和曲线等)，还用于设置机器人单元的运动及焊接参数和故障报警应答。
本发明通过双机器人结合龙门架单元的结构方式，以及双机器人协调运动的方式，从设备上实现大尺寸复杂T型接头厚板工件的双面激光电弧复合对称焊接，能够提高生产效率，此外具有大跨度和高精度等特点，可以实现大型复杂工件的焊接，且整体结构简单易实现。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，其特征在于，包括双臂龙门架单元、机器人单元、激光单元、弧焊单元、激光复合头单元、总控单元以及配电单元；
所述双臂龙门架单元，用于携载机器人单元实现三轴方向的运动；
所述机器人单元，用于携载激光复合头单元实现激光电弧复合焊接，且控制双臂龙门架单元实现三轴运动；
所述激光单元，用于输出激光能量至激光复合头单元；
所述弧焊单元，用于输出电弧能量至激光复合头单元；
所述激光复合头单元，用于实现激光电弧复合焊接；
所述总控单元(1)，用于实现与机器人单元进行通信，以及人机交互；
所述配电单元(3)，用于为其他单元提供工作所需电源。
2.根据权利要求1所述的实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，其特征在于，所述双臂龙门架单元包括平行设置的第一横梁(12-1)和第二横梁(12-2)，跨接于第一横梁(12-1)、第二横梁(12-2)之间的第三横梁(8)，设置于第三横梁(8)两端且与第三横梁(8)垂直的第一运动臂(6)和第二运动臂(9)；第一横梁(12-1)、第二横梁(12-2)通过若干立柱(11)支撑固定；
将第一横梁(12-1)、第二横梁(12-2)视为X轴，第三横梁(8)视为Y轴，第一运动臂(6)、第二运动臂(9)分别视为Z1轴、Z2轴；Y轴可沿X轴运动，Z1轴、Z2轴可沿Y轴运动，Z1轴、Z2轴可沿垂直于XOY面的方向运动。
3.根据权利要求1或2所述的实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，其特征在于，所述机器人单元包括分别设置于Z1轴、Z2轴末端的主机器人(7)、从机器人(10)，以及分别用于控制主机器人(7)、从机器人(10)运动的主机器人控制柜(4)、从机器人控制柜(5)；所述主机器人(7)、从机器人(10)之间实现协同联动，且主机器人(7)能控制Y轴沿X轴运动、Z1轴沿Y轴运动以及Z1轴沿垂直于XOY面的方向运动，从机器人(10)仅能控制Z2轴沿Y轴运动以及Z2轴沿垂直于XOY面的方向运动。
4.根据权利要求3所述的实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，其特征在于，所述主机器人(7)、从机器人(10)均采用库卡KR 60型机器人，且配备KRC4控制系统，两个机器人之间的协同联动通过KRC4控制系统的RoboTeam功能实现。
5.根据权利要求3所述的实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，其特征在于，所述激光复合头单元包括分别设置于主机器人(7)、从机器人(10)末端的第一激光复合头单元、第二激光复合头单元；所述第一激光复合头单元包括接收激光能量的第一激光加工头(1-1)、接收电弧能量的第一焊枪(2-1)、以及第一焊缝跟踪装置(3-1)，第二激光复合头单元包括接收激光能量的第二激光加工头(4-1)、接收电弧能量的第二焊枪(5-1)、以及第二焊缝跟踪装置(6-1)。
6.根据权利要求5所述的实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，其特征在于，所述第一激光复合头单元、第二激光复合头单元还分别包括第一熔池观测设备、第二熔池观测设备。
7.根据权利要求5或6所述的实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，其特征在于，所述激光单元输出两路激光分别至第一激光复合头单元、第二激光复合头单元；所述弧焊单元输出两路电弧分别至第一激光复合头单元、第二激光复合头单元。
8.根据权利要求7所述的实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，其特征在于，所述激光单元包括两台激光器，分别由主机器人(7)、从机器人(10)控制。
9.根据权利要求7所述的实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，其特征在于，所述激光单元包括一台激光器和将激光束分为两路的分光模块。
10.根据权利要求1或6所述的实现双面激光电弧复合焊接的双臂龙门式机器人系统，其特征在于，所述总控单元包括：
主控PLC，用于接收机器人单元传输的焊接相关参数；
HMI触摸屏，用于实时显示所述焊接相关参数，还用于设置机器人单元的运动及焊接参数和故障报警应答。
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