CN114211099B - 型材焊接机器人充氩装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管道焊接技术领域，特别涉及一种型材焊接机器人充氩装置及方法。包括智能充氩机器人、伺服滑台及充氩末端执行器，其中智能充氩机器人设置于伺服滑台上；充氩末端执行器包括支撑架、空间姿态转接件及充氩嘴，支撑架的一端与智能充氩机器人的执行末端连接，另一端与空间姿态转接件转动连接，充氩嘴铰接在空间姿态转接件上，且与外部气源连接，充氩嘴用于在管道内腔对进行施焊的焊缝进行局部充氩。本发明能够实现对大径管道进行焊接，无需封堵管道，提高焊接作业效率及降低产品生产成本。

Description

型材焊接机器人充氩装置及方法

技术领域

本发明涉及管道焊接技术领域，特别涉及一种型材焊接机器人充氩装置及方法。

背景技术

在管道接焊过程中，不锈钢管里充填流速是10-15L/MIN的氩气作为保护熔池，避免焊缝与空气接处，防止高温熔池氧化，避免焊缝出现发黑、发蓝的现象。常规的焊接方法是：两根待对接的不锈钢管装配完成后，将管子一端封堵，另外一端接氩气管；充15-30分钟(排除管子中的空气)氩气，然后始氩弧焊接，焊接完工后，维持氩气流速持续15-30分钟，直至焊缝冷却。该过程中对接缝两端的管子越长，排空气和冷却的时间就越长，氩气消耗量就越大，工人待工时间就越长。另外，对于大径管道，例如60寸(外径1524mm)的管道和弯头焊接，常规方式已经不在适用。因此，一种大型管道焊接装置及方法丞待解决。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种型材焊接机器人充氩装置及方法，能够实现对大径管道进行焊接，无需封堵管道，提高焊接作业效率及降低产品生产成本。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种型材焊接机器人充氩装置，包括智能充氩机器人、伺服滑台及充氩末端执行器，其中智能充氩机器人设置于伺服滑台上；充氩末端执行器包括支撑架、空间姿态转接件及充氩嘴，支撑架的一端与智能充氩机器人的执行末端连接，另一端与空间姿态转接件转动连接，充氩嘴铰接在空间姿态转接件上，且与外部气源连接，充氩嘴用于在管道内腔对进行施焊的焊缝进行局部充氩。

在一种可能的实现方式中，所述充氩嘴包括下配重、供气管及局部氩气罩，其中供气管的上端与局部氩气罩连接，供气管的下端与下配重连接，下配重与所述空间姿态转接件铰接，下配重使局部氩气罩的顶部端口始终保持朝上。

在一种可能的实现方式中，所述局部氩气罩为圆筒形结构，且下端设有与所述供气管连接的锥形过渡段；所述局部氩气罩的顶部端口设有马鞍开口。

在一种可能的实现方式中，所述下配重为圆柱体结构，且上端相对两侧设有用于与所述空间姿态转接件铰接的铰接轴。

在一种可能的实现方式中，所述空间姿态转接件为U形结构，且底部封闭端通过转轴与所述支撑架转动连接，所述空间姿态转接件的开口端两侧与所述下配重上端的两个所述铰接轴铰接。

在一种可能的实现方式中，所述支撑架包括第一连接杆、第二连接杆及第三连接杆，其中第一连接杆和第三连接杆成锐角设置，且第一连接杆和第三连接杆之间通过平行设置的多个第二连接杆连接；第一连接杆的末端通过连接法兰与所述智能充氩机器人的执行末端固定连接，第三连接杆的末端与所述空间姿态转接件转动连接。

在一种可能的实现方式中，所述空间姿态转接件与所述第三连接杆之间的转动轴线与所述第一连接杆平行。

在一种可能的实现方式中，所述的型材焊接机器人充氩装置还包括变位机Ⅰ、氩弧焊机器人及变位机Ⅱ，其中变位机Ⅰ和变位机Ⅱ沿垂直于伺服滑台的方向依次设置于伺服滑台的同一侧；变位机Ⅰ和变位机Ⅱ用于支撑管道的两端，且同步驱动管道转动；氩弧焊机器人用于在对接的两个管道外侧对焊缝进行焊接。

本发明的另一实施例提供一种利用如上所述的装置进行型材焊接机器人充氩的方法，该方法是：通过变位机Ⅰ和变位机Ⅱ驱动管道转动；氩弧焊机器人在管道的外侧对焊缝进行焊接；智能充氩机器人通过充氩末端执行器在对接管道的内侧对氩弧焊机器人的施焊点进行局部区域充氩；伺服滑台驱动智能充氩机器人作往复直线运动，通过智能充氩机器人与伺服滑台的耦合动作使充氩末端执行器中的充氩嘴始终保持朝上的姿态。

在一种可能的实现方式中，该方法具体包括以下步骤：

1)管道放置于变位机Ⅰ和变位机Ⅱ上，变位机Ⅰ和变位机Ⅱ同步驱动管道转动；

2)智能充氩机器人将充氩末端执行器的充氩嘴伸入与管道对接的直管或弯头内，充氩嘴在下配重的作用下，使局部氩气罩的顶部端口朝上；

3)伺服滑台和智能充氩机器人进行七自由度耦合运动；智能充氩机器人末端通过气管对供气管的内部持续供应氩气，局部氩气罩与管道和弯头的内壁之间构成局部氩气保护环境；

4)氩弧焊机器人通过焊头在管道和弯头顶部，对管道坡口和弯头坡口之间的对接间隙开始实施焊接打底工艺；

5)管道转动一周，完成焊接打底工艺；

6)智能充氩机器人末端中断供应氩气；伺服滑台和智能充氩机器人进行七自由度耦合运动，将充氩末端执行器从弯头的内腔抽出。

本发明的优点及有意效果是：

本发明结构简单，操作方便，在对大型管道进行焊接时，无需对管道进行封堵，只是在局部充氩气，节省氩气消耗。且采用非接触形式，局部形成氩气，摩擦磨损少，使用寿命长。

本发明因无需对管道进行封堵，采用机器人进行局部充氩，避免人工进入旋转的管道和弯头内部，安全可靠。且机器人柔性高，只要更换末端执行器，可以适应多种规格的管道。通过充氩嘴在管道内部直接与氩弧焊枪对弧充氩，不需要提前向管道内充入大量氩气，因此可适当降低供氩流量，降低氩气的消耗，同时避免气室充氩过程中因空气置换和氩气流失而造成的氩气浪费，降低耗材成本。

本发明省去了管道内部气室的制作环节，两个待焊接件，组对完成即可进行焊接，节约大量时间、耗材和人工成本，提高施工效率和经济效益。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明一种型材焊接机器人充氩装置的结构示意图；

图2为本发明中充氩末端执行器的结构示意图；

图3为图2中I处放大图；

图4为本发明中充氩嘴的结构示意图；

图5为本发明中充氩嘴的工作示意图；

图中：1为变位机Ⅰ，2为氩弧焊机器人，201为焊头，3为伺服滑台，301为滑台，302为滑板，4为智能充氩机器人，5为充氩末端执行器，501为连接法兰，502为第一连接杆，503为第二连接杆，504为第三连接杆，505为空间姿态转接件，506为下配重，507为供气管，508为局部氩气罩，509为马鞍开口，6为管道，601为管道坡口，7为弯头，701为弯头坡口，8为变位机Ⅱ，9为对接间隙。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一实施例提供一种型材焊接机器人充氩装置，在对大型管道进行焊接时，无需对管道进行封堵，只是在局部充氩气，节省氩气消耗。参见图1所示，该型材焊接机器人充氩装置，包括智能充氩机器人4、伺服滑台3及充氩末端执行器5，其中智能充氩机器人4设置于伺服滑台3上；充氩末端执行器5包括支撑架、空间姿态转接件505及充氩嘴，支撑架的一端与智能充氩机器人4的执行末端连接，另一端与空间姿态转接件505转动连接，充氩嘴铰接在空间姿态转接件505上，且与外部气源连接，充氩嘴用于在管道内腔对进行施焊的焊缝进行局部充氩。

进一步地，本发明一实施例提供一种型材焊接机器人充氩装置，还包括变位机Ⅰ1、氩弧焊机器人2及变位机Ⅱ8，其中变位机Ⅰ1和变位机Ⅱ8沿垂直于伺服滑台3的方向依次设置于伺服滑台3的同一侧；变位机Ⅰ1和变位机Ⅱ8用于支撑管道6的两端，且同步驱动管道6转动；氩弧焊机器人2用于在管道6的外侧，对管道6和与其对接的直管或弯头7之间的焊缝进行施焊。

具体地，变位机Ⅰ1和变位机Ⅱ8的构型为托辊方式，能驱动管道6沿自身轴线周转。弯头7点焊固接在管道6上。因此，变位机Ⅰ1和变位机Ⅱ8能使管道6和弯头7绕管道6的轴线周转。

参见图2所示，本发明的实施例中，支撑架包括第一连接杆502、第二连接杆503及第三连接杆504，其中第一连接杆502和第三连接杆504成锐角设置，且第一连接杆502和第三连接杆504之间通过平行设置的多个第二连接杆503连接；第一连接杆502的末端(远离第三连接杆504的一端)通过连接法兰501与智能充氩机器人4的执行末端固定连接，第三连接杆504的末端(远离第一连接杆502的一端)与空间姿态转接件505转动连接。

具体地，第一连接杆502和第三连接杆504之间的夹角为45°，该结构能适应管道6与弯头7之间的角度弯曲。进一步地，空间姿态转接件505与第三连接杆504之间的转动轴线与第一连接杆502平行。

参见图2、图4所示，本发明的实施例中，充氩嘴包括下配重506、供气管507及局部氩气罩508，其中供气管507的上端与局部氩气罩508连接，供气管507的下端与下配重506连接，下配重506与空间姿态转接件505铰接，下配重506使局部氩气罩508的顶部端口始终保持朝上。

进一步地，局部氩气罩508为圆筒形结构，且下端设有与供气管507连接的锥形过渡段；局部氩气罩508的顶部端口设有马鞍开口509。

参见图3、图4所示，本发明的实施例中，下配重506为圆柱体结构，且上端相对两侧设有用于与空间姿态转接件505铰接的铰接轴。空间姿态转接件505为U形结构，且底部封闭端通过转轴与第三连接杆504转动连接，空间姿态转接件505的开口端两侧与下配重506上端的两个铰接轴铰接。进一步地，两个铰接轴的轴线同轴，铰接轴的轴线与空间姿态转接件505的转动轴线共面且正交。

具体地，第一连接杆502、第二连接杆503、第三连接杆504、供气管507和局部氩气罩508均为中空薄壁板壳，材质为碳纤维。

参见图1所示，本发明的实施例中，伺服滑台3包括滑台301、滑板302及直线驱动模组，直线驱动模组设置于滑台301内，滑台301上设有直线导轨，滑板302与直线导轨滑动连接，且与直线驱动模组连接，智能充氩机器人4的底座安装中滑板302上。具体地，直线驱动模组可采用齿轮齿条驱动机构，或者采用现有技术中任何一种能够实现直线运动的方式。本实施例中，智能充氩机器人4为市购产品，优选SIASUN品牌的SR120D型号的六自由度垂直多关节型机器人。

参见图5所示，管道6的抵接端含有管道坡口601，同时弯头7的对接端含有弯头坡口701，管道坡口601和弯头坡口701之间有对接间隙9。

工作时，伺服滑台3和智能充氩机器人4进行七自由度耦合运动，使充氩嘴在管道的腔体内静止不动，充氩末端执行器5的支撑架与弯头7同步进行空间转动。智能充氩机器人4末端可以通过气管对供气管507和局部氩气罩508的内部持续供应氩气。在局部氩气罩508与管道6和弯头7的内壁之间构成局部氩气保护环境。氩弧焊机器人2通过焊头201在管道6和弯头7的顶部，对管道坡口601和弯头坡口701之间的对接间隙9开始进行焊接打底工艺。

本发明的实施例中，下配重506、供气管507和局部氩气罩508为一体式结构，因重力场，下配重506、供气管507和局部氩气罩508保持回转轴线垂直于地平面。供气管507和局部氩气罩508内部联通，智能充氩机器人4末端可以通过气管对供气管507和局部氩气罩508内部持续供应氩气。局部氩气罩508的上端含有马鞍开口509，马鞍开口509与管道6和弯头7内壁在整个运动中不干涉，马鞍开口509与管道6和弯头7内壁的间隙为氩气排放口。

本发明一实施例中提供的一种型材焊接机器人充氩装置，能够对大径管道进行施焊，例如60寸(外径1524mm)的管道和弯头焊接。实现正面焊接，反面免清根的有益效果。本发明结构简单，操作方便，使用寿命长。可以通过变更机器人末端执行器，适用不同管径的管道内部充氩，且可重复使用，效果可靠、方便快速、氩气消耗低、具有较好的实际应用价值和推广价值。

本发明的另一实施例提供一种利用上述实施例中的装置进行型材焊接机器人充氩的方法，该方法是通过变位机Ⅰ1和变位机Ⅱ8驱动管道6转动；氩弧焊机器人2在管道6的外侧对焊缝进行焊接；智能充氩机器人4通过充氩末端执行器5在对接管道的内侧对氩弧焊机器人2的施焊点进行局部区域充氩；伺服滑台3驱动智能充氩机器人4作往复直线运动，通过智能充氩机器人4与伺服滑台3的耦合动作使充氩末端执行器5中的充氩嘴始终保持朝上的姿态。

本实施例中，型材焊接机器人充氩的方法，具体包括以下步骤：

1)管道6放置于变位机Ⅰ1和变位机Ⅱ8上，变位机Ⅰ1和变位机Ⅱ8同步驱动管道6转动；

2)智能充氩机器人4将充氩末端执行器5的充氩嘴伸入与管道6对接的弯头7内，充氩嘴在下配重506的作用下，使局部氩气罩508的顶部端口朝上；

3)伺服滑台3和智能充氩机器人4进行七自由度耦合运动；智能充氩机器人4末端通过气管对供气管507的内部持续供应氩气，局部氩气罩508与管道6和弯头7的内壁之间构成局部氩气保护环境；

4)氩弧焊机器人2通过焊头201在管道6和弯头7顶部，对管道坡口601和弯头坡口701之间的对接间隙9开始实施焊接打底工艺；

5)管道6转动一周，完成焊接打底工艺；

6)智能充氩机器人4末端中断供应氩气；伺服滑台3和智能充氩机器人4进行七自由度耦合运动，将充氩末端执行器5从弯头7的内腔抽出。

在伺服滑台3和智能充氩机器人4进行七自由度耦合运动的过程中，充氩嘴的马鞍开口509在管道内静止不动。充氩末端执行器5的支撑架与弯头7同步空间转动，且互不干涉。

本发明的实施例中，仅在局部氩气罩508与管道6和弯头7的内壁之间形成局部氩气保护环境，可以减小充气空间，节省氩气，缩短空气置换时间。

本发明因无需对管道进行封堵，采用机器人进行局部充氩，避免人工进入旋转的管道和弯头内部，安全可靠。且机器人柔性高，只要更换末端执行器，可以适应多种规格的管道。通过充氩嘴在管道内部直接与氩弧焊枪对弧充氩，不需要提前向管道内充入大量氩气，因此可适当降低供氩流量，降低氩气的消耗，同时避免气室充氩过程中因空气置换和氩气流失而造成的氩气浪费，降低耗材成本。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种型材焊接机器人充氩装置，其特征在于，包括智能充氩机器人(4)、伺服滑台(3)及充氩末端执行器(5)，其中智能充氩机器人(4)设置于伺服滑台(3)上；充氩末端执行器(5)包括支撑架、空间姿态转接件(505)及充氩嘴，支撑架的一端与智能充氩机器人(4)的执行末端连接，另一端与空间姿态转接件(505)转动连接，充氩嘴铰接在空间姿态转接件(505)上，且与外部气源连接，充氩嘴用于在管道内腔对进行施焊的焊缝进行局部充氩；

所述充氩嘴包括下配重(506)、供气管(507)及局部氩气罩(508)，其中供气管(507)的上端与局部氩气罩(508)连接，供气管(507)的下端与下配重(506)连接，下配重(506)与所述空间姿态转接件(505)铰接，下配重(506)使局部氩气罩(508)的顶部端口始终保持朝上；

所述下配重(506)为圆柱体结构，且上端相对两侧设有用于与所述空间姿态转接件(505)铰接的铰接轴；

所述空间姿态转接件(505)为U形结构，且底部封闭端通过转轴与所述支撑架转动连接，所述空间姿态转接件(505)的开口端两侧与所述下配重(506)上端的两个所述铰接轴铰接；

所述支撑架包括第一连接杆(502)、第二连接杆(503)及第三连接杆(504)，其中第一连接杆(502)和第三连接杆(504)成锐角设置，且第一连接杆(502)和第三连接杆(504)之间通过平行设置的多个第二连接杆(503)连接；第一连接杆(502)的末端通过连接法兰(501)与所述智能充氩机器人(4)的执行末端固定连接，第三连接杆(504)的末端与所述空间姿态转接件(505)转动连接。

2.根据权利要求1所述的型材焊接机器人充氩装置，其特征在于，所述局部氩气罩(508)为圆筒形结构，且下端设有与所述供气管(507)连接的锥形过渡段；所述局部氩气罩(508)的顶部端口设有马鞍开口(509)。

3.根据权利要求1所述的型材焊接机器人充氩装置，其特征在于，所述空间姿态转接件(505)与所述第三连接杆(504)之间的转动轴线与所述第一连接杆(502)平行。

4.根据权利要求2-3任一项所述的型材焊接机器人充氩装置，其特征在于，还包括变位机Ⅰ(1)、氩弧焊机器人(2)及变位机Ⅱ(8)，其中变位机Ⅰ(1)和变位机Ⅱ(8)沿垂直于伺服滑台(3)的方向依次设置于伺服滑台(3)的同一侧；变位机Ⅰ(1)和变位机Ⅱ(8)用于支撑管道(6)的两端，且同步驱动管道(6)转动；氩弧焊机器人(2)用于在对接的两个管道外侧对焊缝进行焊接。

5.一种利用权利要求4所述的装置进行型材焊接机器人充氩的方法，其特征在于，该方法是：通过变位机Ⅰ(1)和变位机Ⅱ(8)驱动管道(6)转动；氩弧焊机器人(2)在管道(6)的外侧对焊缝进行焊接；智能充氩机器人(4)通过充氩末端执行器(5)在对接管道的内侧对氩弧焊机器人(2)的施焊点进行局部区域充氩；伺服滑台(3)驱动智能充氩机器人(4)作往复直线运动，通过智能充氩机器人(4)与伺服滑台(3)的耦合动作使充氩末端执行器(5)中的充氩嘴始终保持朝上的姿态；

该方法包括以下步骤：

1)管道(6)放置于变位机Ⅰ(1)和变位机Ⅱ(8)上，变位机Ⅰ(1)和变位机Ⅱ(8)同步驱动管道(6)转动；

2)智能充氩机器人(4)将充氩末端执行器(5)的充氩嘴伸入与管道(6)对接的直管或弯头(7)内，充氩嘴在下配重(506)的作用下，使局部氩气罩(508)的顶部端口朝上；

3)伺服滑台(3)和智能充氩机器人(4)进行七自由度耦合运动；智能充氩机器人(4)末端通过气管对供气管(507)的内部持续供应氩气，局部氩气罩(508)与管道(6)和弯头(7)的内壁之间构成局部氩气保护环境；

4)氩弧焊机器人(2)通过焊头(201)在管道(6)和弯头(7)的顶部，对管道坡口(601)和弯头坡口(701)之间的对接间隙(9)开始实施焊接打底工艺；

5)管道(6)转动一周，完成焊接打底工艺；

6)智能充氩机器人(4)末端中断供应氩气；伺服滑台(3)和智能充氩机器人(4)进行七自由度耦合运动，将充氩末端执行器(5)从弯头(7)的内腔抽出。

Images