CN111266776B - 一种管道相贯线焊接系统 - Google Patents

Abstract

一种管道相贯线焊接系统，属于管道焊接技术领域。其特征在于：包括并联机器人（A1）、电动滑轨组件（B1）和门型支架，门型支架的上部设有电动滑轨组件（B1），并联机器人（A1）上部通过电动滑轨组件（B1）安装在门型支架上，并联机器人（A1）下部输出端安装焊枪（5）；并联机器人（A1）包括固定平台（1）、运动支链（2）、中心伸缩支链（3）和运动工作台（4），固定平台（1）与运动工作台（4）之间设有多组运动支链（2）和一组中心伸缩支链（3）。本发明采用运动支链与中心伸缩支链，实现驱动焊枪整体三移动一转动的运动效果。不仅增大了机构的工作空间，同时解决了并联机构存在的因不对称支链导致的自锁及冗余约束的问题。

Description

一种管道相贯线焊接系统

技术领域

一种管道相贯线焊接系统，属于管道焊接技术领域。

背景技术

机械产品的焊接工艺目前最常采用的是手工焊接和机械手焊接两种方式。在焊接的工艺过程中，一方面释放的热光比较刺眼，另一方面释放的有害物质还会危害到人身健康。手工焊接虽然操作灵活，适用面广，但是焊接质量的均一性无法保证，且焊接效率极低、工作环境差，对工人的焊接技术要求极高，劳动强度大，尤其是不适合焊接铝、钛等活泼金属，及低熔点金属以及难溶金属。而机械手焊接，价格昂贵，一次性投入大，因涉及到机器人运动控制系统、焊接系统、变位机系统等多个系统的协调运作，导致系统结构复杂且维修难度极高，只能满足直焊缝、环状弧形焊等平焊位，不适用批量复杂结构的焊接。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种系统结构简化、能满足直焊缝、环状弧形焊等平焊位，适用批量复杂结构的管道相贯线焊接系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种管道相贯线焊接系统，其特征在于：包括并联机器人、电动滑轨组件和门型支架，门型支架的上部设有电动滑轨组件，并联机器人上部通过电动滑轨组件安装在门型支架上，并联机器人下部输出端安装焊枪；并联机器人包括固定平台、运动支链、中心伸缩支链和运动工作台，固定平台与运动工作台上下平行设置，固定平台与运动工作台之间设有多组运动支链和一组中心伸缩支链。

本发明的焊接系统，可操作性强，灵活性高，不仅增大了机构的工作空间，可以焊接不同复杂程度的工装件，而且实现了焊缝精确定位、全封闭环焊接，同时解决了并联机构存在的因不对称支链导致的自锁及冗余约束的问题。通过设置所述焊接并联机器人，结构简单便于保养维修，性价比高，强度及刚度大、承载能力强。一方面可缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资，另一方面可以焊接不同路径、结构复杂的产品。通过设置电动滑轨组件，可以实现通过伺服电机驱动后把丝杠组件的螺旋运动转化为直线运动，从而可以根据焊接需要调节并联机器人的位置。

运动支链与中心伸缩支链，进而驱动运动工作台运转，所述运动平台与焊枪连接在一起，从而实现驱动焊枪整体三移动一转动的运动效果。弹性移动副连接着微位移驱动器，这样的系统设计，不仅增大了机构的工作空间，可以焊接不同复杂程度的工装件，而且实现了焊缝精确定位、全封闭环焊接，同时解决了并联机构存在的因不对称支链导致的自锁及冗余约束的问题。

所述的多组运动支链对称布设在固定平台与运动工作台外侧，运动支链上部连接固定平台上部，运动支链下部连接运动工作台外侧；中心伸缩支链上部连接固定平台中部，中心伸缩支链下部连接运动工作台中部。

所述的运动支链包括驱动杆、上球铰链、直线光杆轴和下球铰链，驱动杆上部连接安装在固定平台上的驱动装置，下部通过上球铰链连接直线光杆轴上部，直线光杆轴下部通过下球铰链垂直连接在运动工作台外圈；多组运动支链分别通过多组下球铰链连接在运动工作台三个互相垂直平面上，多组运动支链通过多组上球铰链与固定平台三个互相垂直平面上的弹性移动副连接。

在电机驱动下可以实现绕中心Z轴的旋转与空间三坐标轴的平移，可以焊接半封闭全封闭的弧形、圆形以及不规则线路的产品焊接，增大了机构的工作空间，从而可以实现通过修改与更新编程以适应不同复杂工件的批量焊接与生产。

所述的驱动装置包括伺服电机、同步传动机构、光耦传感装置及机座，伺服电机通过机座安装在固定平台上，伺服电机输出端通过同步传动机构连接驱动杆，机座一侧设有光耦传感装置。

所述的光耦传感装置包括光耦传感器和感应片，光耦传感器安装在机座一侧面，感应片安装在驱动杆与驱动装置转动连接处一侧。

所述的固定平台的底部设有视觉拍摄装置，包括相机夹和视觉相机，视觉相机通过相机夹和螺栓固定在固定平台的底部。通过设置所述视觉相机与感应装置，可以保证焊接精度高、焊接速度快，在保证焊接质量的前提下可以选择最优化焊接路径，节约焊丝等耗材。

所述的中心伸缩支链包括另一组伺服电机、联轴器、蜗轮蜗杆传动机构、滚珠丝杠机构、伸缩外管和铰链，伺服电机输出端通过联轴器连接蜗轮蜗杆传动机构，蜗轮蜗杆传动机构输出端通过上虎克铰链连接滚珠丝杠机构上部，滚珠丝杠机构下部套装伸缩外管，伸缩外管通过下虎克铰链连接运动工作台。

蜗轮蜗杆机构与1:1的同步带轮进行工作，这样可以保证原动力稳定、持续的输出与传递，具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，且轮蜗杆传动比大，是垂直传动，带传动比小，是平行传动，协调工作可以实现整体安全快速运转的效果。

所述的电动滑轨组件包括伺服电机三、滑轨、丝杠组件、平移横梁和滑块，滑轨通过底座水平安装在门型支架的顶部，滑轨上安装滑块，滑块上部固定连接平移横梁，中部螺纹连接丝杠组件一端，丝杠组件另一端通过联轴器连接伺服电机三；平移横梁中部通过连接柱连接并联机器人顶部。

滑块组成的导轨装置由螺旋运动转化为直线运动，从而带动平移组件的运动，固定座通过螺栓紧固的连接方式把电动滑轨紧固牢靠。

所述的门型支架的下方设有管道加工运输一体车，管道加工运输一体车上装夹待焊接钢管。通过设置车载轨道，可以实现用来运输与定位管道的焊接需求，一车多用，安全方便快捷，可以满足管道的上下料、焊接定位、运输等多用途。

所述的管道加工运输一体车包括车身和脚轮，车身上部设有多组管体槽板，管体槽板上部设有装夹钢管的弧形槽。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

本发明的焊接系统，可操作性强，灵活性高，不仅增大了机构的工作空间，可以焊接不同复杂程度的工装件，而且实现了焊缝精确定位、全封闭环焊接，同时解决了并联机构存在的因不对称支链导致的自锁及冗余约束的问题。通过设置所述焊接并联机器人，结构简单便于保养维修，性价比高，强度及刚度大、承载能力强。一方面可缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资，另一方面可以焊接不同路径、结构复杂的产品。通过设置电动滑轨组件，可以实现通过伺服电机驱动后把丝杠组件的螺旋运动转化为直线运动，从而可以根据焊接需要调节并联机器人的位置。

运动支链与中心伸缩支链，进而驱动运动工作台运转，所述运动平台与焊枪连接在一起，从而实现驱动焊枪整体三移动一转动的运动效果。弹性移动副连接着微位移驱动器，这样的系统设计，不仅增大了机构的工作空间，可以焊接不同复杂程度的工装件，而且实现了焊缝精确定位、全封闭环焊接，同时解决了并联机构存在的因不对称支链导致的自锁及冗余约束的问题。

附图说明

图1为管道相贯线焊接系统结构示意图。

图2为并联机器人结构示意图。

图3为电动滑轨组件与门型支架安装关系示意图。

其中，A1、并联机器人 B1、电动滑轨组件 C1、管道加工运输一体车 1、固定平台100、轴一 101、大轮一 102、轴二 103、小轮一 104、同步带 105、小轮二 106、大轮二 107、伺服电机一 108、伺服电机二 109、轴盖 110、滚动轴承 111、光耦传感器二 112、感应片二113、机座 114、蜗杆 115、螺栓 116、相机夹 117、视觉相机 118、光耦传感器一 119、感应片一 120、固定夹 2、运动支链 200、驱动杆 201、上球铰链 2010、球头座 2011、球头杆202、直线光杆轴 203、下球铰链 3、中心伸缩支链 300、联轴器 301、蜗轮 302、上虎克铰链303、滚珠丝杠机构 304、伸缩外管 305、下虎克铰链 3050、上铰链 3051、销轴 3052、下铰链 306、轴承套 4、运动工作台 5、焊枪 6、电机卡座 7、联轴器 8、伺服电机三 9、导轨垫10、滑轨 11、丝杠组件 12、底座 13、平移横梁 14、滑块 15、立柱 16、连接柱 17、固定座18、上管道 19、下管道 20、车身 2001、管体槽板 21、固定脚轮 22、万向脚轮。

具体实施方式

图1~3是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~3对本发明做进一步说明。

参照附图1~3：一种管道相贯线焊接系统，包括并联机器人A1、电动滑轨组件B1和门型支架，门型支架的上部设有电动滑轨组件B1，并联机器人A1上部通过电动滑轨组件B1安装在门型支架上，并联机器人A1下部输出端安装焊枪5；并联机器人A1包括固定平台1、运动支链2、中心伸缩支链3和运动工作台4，固定平台1与运动工作台4上下平行设置，固定平台1与运动工作台4之间设有多组运动支链2和一组中心伸缩支链3。

多组运动支链2对称布设在固定平台1与运动工作台4外侧，运动支链2上部连接固定平台1上部，运动支链2下部连接运动工作台4外侧；中心伸缩支链3上部连接固定平台1中部，中心伸缩支链3下部连接运动工作台4中部。运动支链2包括驱动杆200、上球铰链201、直线光杆轴202 和下球铰链203，驱动杆200上部连接安装在固定平台1上的驱动装置，下部通过上球铰链201连接直线光杆轴202上部，直线光杆轴202下部通过下球铰链203垂直连接在运动工作台4外圈；多组运动支链2分别通过多组下球铰链203连接在运动工作台4三个互相垂直平面上，多组运动支链2通过多组上球铰链201与固定平台1三个互相垂直平面上的弹性移动副连接。

驱动装置包括伺服电机、同步传动机构、光耦传感装置及机座113，伺服电机通过机座113安装在固定平台1上，伺服电机输出端通过同步传动机构连接驱动杆200，机座113一侧设有光耦传感装置。光耦传感装置包括光耦传感器和感应片，光耦传感器安装在机座113一侧面，感应片安装在驱动杆200与驱动装置转动连接处一侧。

固定平台1的底部设有视觉拍摄装置，包括相机夹116和视觉相机117，视觉相机117通过相机夹116和螺栓115固定在固定平台1的底部。

中心伸缩支链3包括另一组伺服电机、联轴器300、蜗轮蜗杆传动机构、滚珠丝杠机构303、伸缩外管304和铰链，伺服电机输出端通过联轴器300连接蜗轮蜗杆传动机构，蜗轮蜗杆传动机构输出端通过上虎克铰链302连接滚珠丝杠机构303上部，滚珠丝杠机构303下部套装伸缩外管304，伸缩外管304通过下虎克铰链305连接运动工作台4。

电动滑轨组件B1包括伺服电机三8、滑轨10、丝杠组件11、平移横梁13和滑块14，滑轨10通过底座12水平安装在门型支架的顶部，滑轨10上安装滑块14，滑块14上部固定连接平移横梁13，中部螺纹连接丝杠组件11一端，丝杠组件11另一端通过联轴器7连接伺服电机三8；平移横梁13中部通过连接柱16连接并联机器人A1顶部。

门型支架的下方设有管道加工运输一体车C1，管道加工运输一体车C1上装夹待焊接钢管。管道加工运输一体车C1包括车身20和脚轮，车身20上部设有多组管体槽板2001，管体槽板2001上部设有装夹钢管的弧形槽。

并联机器人A1的固定平台1通过螺栓紧固在电动滑轨组件B1中的连接柱16上， 所述电动滑轨组件B1经伺服电机三8减速后通过联轴器7驱动丝杠组件11运动，借助丝杠组件11在导轨垫9、滑轨10、底座12及滑块14组成的导轨装置，由螺旋运动转化为直线运动，从而带动平移横梁13的运动，所述固定座17通过螺栓紧固的连接方式把电动滑轨组件B1紧固牢靠。所述运动工作台4通过四支完全对称结构的运动支链2，所述中心伸缩支链3与固定平台1连接，所述四支运动支链2与运动工作台4的连接是分布在运动工作台三个互相垂直平面上的下球铰链203，四支运动支链2通过上球铰链201与固定平台1三个互相垂直平面上的弹性移动副连接，弹性移动副连接着微位移驱动器，这样的系统设计，不仅增大了机构的工作空间，可以焊接不同复杂程度的工装件，而且实现了焊缝精确定位、全封闭环焊接，同时解决了并联机构存在的因不对称支链导致的自锁及冗余约束的问题。

固定平台1上端面中央位置设置有一个伺服电机一107，用来驱动中心伸缩支链3，在固定平台1四周均布设置有四个伺服电机，用来驱动运动支链2，分别与光耦传感器一118、光耦传感器二111、感应片一119及感应片二112协调工作进行电控控制，所述视觉相机117用来识别、计算与控制焊接的路径轨迹，通过 M8螺栓115，相机夹116一并紧固在固定平台1上，这样可以保证焊接采取的最优化路径、焊接质量以及焊接速度调节。

大轮二106、小轮二105和同步带104通过轴一100、轴盖109、滚动轴承110及轴二102组成主动轮系统。大轮一101、小轮一103和同步带104、通过轴一100、轴盖109、滚动轴承110和轴二102组成从动轮系统。所述固定平台1下端面焊接有固定夹120，与蜗杆114和蜗轮301组成蜗轮蜗杆机构，因此，驱动伺服电机一107，伺服电机二108旋转后，从而驱动了相连接的蜗轮蜗杆机构与1:1的同步带轮进行工作，这样可以保证原动力稳定、持续的输出与传递，具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，且轮蜗杆传动比大，是垂直传动，带传动比小，是平行传动，协调工作可以实现整体安全快速运转的效果，同步带轮再驱动运动支链2与中心伸缩支链3，进而驱动运动工作台4运转。

所述运动平台4通过轴承套306、下铰链3052中的轴承部分与焊枪5连接在一起，从而实现驱动焊枪整体三移动一转动的运动效果，所述中心伸缩支链3由上虎克铰链302、滚珠丝杠机构303，、伸缩外管304及下虎克铰链305组成。所述上虎克铰链302与下虎克铰链305均由上铰链3050、销轴3051和下铰链3052组成，其中上部配有螺纹可以通过联轴器连接伺服电机一107，下部配有轴承连接滚珠丝杠机构303，这样可以保证连接的可靠性、承载强度大，所述运动支链2由驱动杆200、上球铰链201、直线光杆轴202及下球铰链203组成，其中上球铰链201与下球铰链203均由球头座2010和球头杆2011构成，在电机驱动下可以实现绕中心Z轴的旋转与空间三坐标轴的平移，可以焊接半封闭全封闭的弧形、圆形以及不规则线路的产品焊接，增大了机构的工作空间，从而可以实现通过修改与更新编程以适应不同复杂工件的批量焊接与生产。

管道加工运输一体车C1可以满足管道的上下料、焊接定位、运输等多用途，包括有上管道18，下管道19、车身20、固定脚轮21及万能脚轮22， 固定脚轮21安装在前侧作为前轮，可以实现直线移动，万能脚轮22带有刹车系统，安装在后侧作为后轮，可以实现万向转向与移动，可以控制车的前进与锁紧，上管道18和下管道19通过人工点焊三个支撑点后放置在车身20上，最终调整好电动滑轨组件B1，管道加工运输一体车C1的相对位置后，通过操控并联机器人A1实现的三移一转运动调节焊枪5来实现管道的相贯线精确焊接。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种管道相贯线焊接系统，其特征在于：包括并联机器人（A1）、电动滑轨组件（B1）和门型支架，门型支架的上部设有电动滑轨组件（B1），并联机器人（A1）上部通过电动滑轨组件（B1）安装在门型支架上，并联机器人（A1）下部输出端安装焊枪（5）；并联机器人（A1）包括固定平台（1）、运动支链（2）、中心伸缩支链（3）和运动工作台（4），固定平台（1）与运动工作台（4）上下平行设置，固定平台（1）与运动工作台（4）之间设有多组运动支链（2）和一组中心伸缩支链（3）；

所述的电动滑轨组件（B1）包括伺服电机三（8）、滑轨（10）、丝杠组件（11）、平移横梁（13）和滑块（14），滑轨（10）通过底座（12）水平安装在门型支架的顶部，滑轨（10）上安装滑块（14），滑块（14）上部固定连接平移横梁（13），中部螺纹连接丝杠组件（11）一端，丝杠组件（11）另一端通过联轴器（7）连接伺服电机三（8）；平移横梁（13）中部通过连接柱（16）连接并联机器人（A1）顶部；

所述的门型支架的下方设有管道加工运输一体车（C1），管道加工运输一体车（C1）上装夹待焊接钢管；

所述的多组运动支链（2）对称布设在固定平台（1）与运动工作台（4）外侧，运动支链（2）上部连接固定平台（1）上部，运动支链（2）下部连接运动工作台（4）外侧；中心伸缩支链（3）上部连接固定平台（1）中部，中心伸缩支链（3）下部连接运动工作台（4）中部；

所述的运动支链（2）包括驱动杆（200）、上球铰链（201）、直线光杆轴（202）和下球铰链（203），驱动杆（200）上部连接安装在固定平台（1）上的驱动装置，下部通过上球铰链（201）连接直线光杆轴（202）上部，直线光杆轴（202）下部通过下球铰链（203）垂直连接在运动工作台（4）外圈；多组运动支链（2）分别通过多组下球铰链（203）连接在运动工作台（4）三个互相垂直平面上，多组运动支链（2）通过多组上球铰链（201）与固定平台（1）三个互相垂直平面上的弹性移动副连接；

所述的驱动装置包括伺服电机、同步传动机构、光耦传感装置及机座（113），伺服电机通过机座（113）安装在固定平台（1）上，伺服电机输出端通过同步传动机构连接驱动杆（200），机座（113）一侧设有光耦传感装置；

所述的光耦传感装置包括光耦传感器和感应片，光耦传感器安装在机座（113）一侧面，感应片安装在驱动杆（200）与驱动装置转动连接处一侧；

所述的固定平台（1）的底部设有视觉拍摄装置，包括相机夹（116）和视觉相机（117），视觉相机（117）通过相机夹（116）和螺栓（115）固定在固定平台（1）的底部。

2.根据权利要求1所述的一种管道相贯线焊接系统，其特征在于：所述的中心伸缩支链（3）包括另一组伺服电机、联轴器（300）、蜗轮蜗杆传动机构、滚珠丝杠机构（303）、伸缩外管（304）和铰链，伺服电机输出端通过联轴器（300）连接蜗轮蜗杆传动机构，蜗轮蜗杆传动机构输出端通过上虎克铰链（302）连接滚珠丝杠机构（303）上部，滚珠丝杠机构（303）下部套装伸缩外管（304），伸缩外管（304）通过下虎克铰链（305）连接运动工作台（4）。

3.根据权利要求1所述的一种管道相贯线焊接系统，其特征在于：所述的管道加工运输一体车（C1）包括车身（20）和脚轮，车身（20）上部设有多组管体槽板（2001），管体槽板（2001）上部设有装夹钢管的弧形槽。

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