CN115070289A - 一种智能化短直管法兰焊接系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种智能化短直管法兰焊接系统及方法，本发明通过连续测量法兰和短直管组对间隙的大小，在测量组对间隙大小的同时获取焊缝圆周的多个特征点，通过特征点拟合出焊接轨迹，控制系统根据组对间隙大小变化不断调整焊接工艺参数，并通过拟合出的焊接轨迹控制机械臂同时完成两个变位装置上的工件焊接，有效的提高了焊接精度。本发明变位装置的卡爪采用弹性结构设计，夹紧法兰后，预留有一定的夹紧弹性行程，当法兰焊接完成后发生热形变时，弹性结构能够自适应法兰的形变，不会发生因为法兰受热型变而造成卡爪机械卡死的状态，从而达到法兰焊接完成后可以马上松开卡抓卸下法兰，无需等待法兰冷却型变恢复后才能卸下法兰，提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明属于智能化焊接领域，具体涉及一种智能化短直管法兰焊接系统及方法。
背景技术
现有的短直管法兰加工过程中，法兰与短管的组对依然依靠机械组对工装完成，或者人工将工件搬运至焊接变位机处，再采用机械调正机构进行组对，而后机器人进行焊接，智能化程度不高；另一方面，由于管件存在自身圆度一致性差的特点，因此导致圆周方向的组对间隙很难一致，进而影响后续的焊接质量；此外，工件在焊接时温度升高，发生膨胀形变，使现有的焊接变位机经常会出现机械夹盘卡死无法松开的状态，需要待工件冷却、形变恢复后才能卸下工件，严重影响了工作效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能化短直管法兰焊接系统及方法，通过短直管法兰焊接前自动组对和组对后间隙检测，解决了组对过程的自动化和消除因间隙不均匀而对焊缝焊接质量的影响，提高了焊接精度，并且变位装置采用弹性结构设计，无需等待法兰冷却形变恢复后才能卸下法兰，提升了工作效率。
一种智能化短直管法兰焊接系统，
包括：六轴机械臂A、六轴机械臂B、变位装置和控制系统；
所述六轴机械臂A和六轴机械臂B分别安装在变位装置两侧；所述六轴机械臂A末端安装有抓取装置和十字激光传感器；所述六轴机械臂B末端安装有焊枪和结构光传感器；所述抓取装置用于抓取法兰装夹在变位装置上和抓取短直管与变位装置上的法兰进行组对，组对前，十字激光传感器用于识别法兰和短直管的位置信息、圆心空间初始位置并将信息反馈到控制系统，控制系统控制抓取装置抓取法兰和短直管；所述六轴机械臂A抓持短直管与法兰自动组对装配，同时六轴机械臂B开始点焊，完成后六轴机械臂A松开短直管；所述六轴机械臂B对工件进行焊接；焊接前，结构光传感器用于对法兰和短直管的组对间隙变化进行检测；
所述变位装置，包括翻转电机、变位机底座、旋转电机、夹紧电机、翻转支架、安装在翻转支架上的旋转装置和卡爪；所述变位机底座与翻转支架活动连接；所述翻转电机用于控制翻转支架翻转；所述旋转电机用于控制旋转装置旋转；所述夹紧电机安装在翻转支架底部，用于驱动卡爪将工件夹紧；所述卡爪内部为弹性结构，当工件焊接时发生热形变，弹性结构能够自适应工件的形变；
所述控制系统，用于控制整个系统的所有设备。
进一步地，所述夹紧电机上设置有离合器，当法兰被卡爪夹紧后，离合器脱离旋转装置，旋转装置在旋转电机驱动下自由旋转。
进一步地，所述抓取装置包括缓冲减震装置和抓取组件；所述缓冲减震装置固定在六轴机械臂A末端，缓冲减震装置上设置有减震弹簧，当抓取工件时，减震弹簧可有效减缓抓取时的冲击力，防止设备损坏；所述抓取组件固定在缓冲减震装置上。
进一步地，所述抓取组件包括抓取电永磁铁、抓手和气动装置；所述气动装置固定在缓冲减震装置上；所述抓手固定在气动装置上，气动装置控制抓手张开或闭合；所述电永磁铁安装在抓手两侧，电永磁铁最下端高于抓手最下端；所述抓取组件抓取法兰时，通过抓取组件的电永磁铁抓取法兰，抓取直管类工件时，气动装置控制抓手张开抓取直管。
进一步地，所述六轴机械臂A末端安装有焊枪；所述变位装置设置有两个，当两个变位装置上工件点焊完成后，六轴机械臂A和六轴机械臂B可分别完成两个变位装置上工件的满焊。
进一步地，所述焊枪上安装有防撞器，防撞器用于在焊接时防止错误的信息导致焊枪与其它工件碰撞。
进一步地，所述六轴机械臂A和六轴机械臂B旁安装有清枪装置，所述清枪装置用于清理焊枪上的残渣。
一种智能化短直管法兰焊接方法，包括以下步骤：
S1：控制系统控制十字激光传感器获取法兰的位置信息，识别法兰的圆心位置并反馈到控制系统；
S2：控制系统根据采集的信息控制抓取装置的电永磁铁将法兰抓取到变位装置上；
S3：十字激光传感器获取短直管的位置信息，识别短直管的圆心位置并反馈到控制系统；
S4：控制系统根据采集的信息控制抓取装置的抓手抓取短直管放置于法兰内孔，抓手根据控制系统提前设定好的装配参数，自动调节装配深度，控制系统控制焊枪完成点焊，直至点焊完成后抓取装置松开直管；
S5：重复上述步骤，完成另一变位装置上焊枪对法兰和直管的点焊；
S6：控制系统控制结构光传感器获取法兰和短直管的位置信息，连续测量法兰和短直管组对间隙的大小，在测量组对间隙大小的同时获取焊缝圆周的多个特征点，通过特征点拟合出焊接轨迹，控制系统根据组对间隙大小变化不断调整焊接工艺参数，并通过拟合出的焊接轨迹控制六轴机械臂A和六轴机械臂B同时完成两个变位装置上的工件焊接；
S7：焊接完成后，抓取装置将焊接完成后的短直管法兰工件抓取到成品工件输送装置上。
进一步地，所述S6中结构光传感器将激光线成角度投射到短直管的外圆周面和法兰的上端面，获取法兰上端面水平方向激光线断点到短直管外圆周面垂直方向激光线的距离，将获取信息上传至控制系统，控制系统将获取信息与焊接工艺数据库匹配，确定焊接工艺参数。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用抓取装置抓取法兰装夹在变位装置上或抓取短直管与变位装置上的法兰进行组对，直至点焊完成后，抓取装置才松开短直管，实现了智能化组对。
(2)本发明通过测量短直管和法兰组对间隙的大小，并同时获取焊缝圆周的多个特征点，通过特征点拟合出焊接轨迹，根据组对间隙大小不断调整焊接工艺参数，通过拟合出的焊接轨迹完成焊接，有效的提高了焊接精度。
(3)本发明变位装置的卡爪采用弹性结构设计，夹紧法兰后，还预留有一定的夹紧弹性行程，当法兰焊接完成后发生热形变时，弹性结构能够自适应法兰的形变，不会发生因为法兰受热型变而造成卡爪机械卡死的状态，从而达到法兰焊接完成后可以马上松开卡抓卸下法兰，无需等待法兰冷却型变恢复后才能卸下法兰，提高了工作效率。
(4)本发明抓取装置采用弹性设计，减震弹簧可有效减缓抓取时的冲击力，防止设备损坏，并且采用多种抓取模式，满足不同工件的抓取。
附图说明
图1为本发明智能化加工系统总体图；
图2为本发明变位机结构图；
图3为本发明六轴机械臂主体图；
图4为本发明抓取装置结构图；
图5为本发明测量法兰和直管组对间隙示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”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，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1-图5所示，一种智能化直管法兰焊接系统，
包括：六轴机械臂A2、六轴机械臂B6、变位装置4和控制系统1。
所述六轴机械臂A2和六轴机械臂B6分别安装在变位装置4两侧；所述六轴机械臂A2末端安装有抓取装置3-3和十字激光传感器3-4；所述六轴机械臂B6末端安装有焊枪3-5和结构光传感器；所述抓取装置3-3用于抓取法兰装夹在变位装置4上和抓取短直管与变位装置4上的法兰进行组对，组对前，十字激光传感器3-3用于识别法兰和短直管的位置信息、圆心空间初始位置并将信息反馈到控制系统1，控制系统1控制抓取装置3-3抓取法兰和短直管；所述六轴机械臂A2抓持短直管与法兰自动组对装配，同时六轴机械臂B6开始点焊，完成后六轴机械臂A2松开短直管；所述六轴机械臂B6对工件进行焊接；焊接前，结构光传感器用于对法兰和短直管的组对间隙变化进行检测；
所述变位装置4，包括翻转电机8、变位机底座9、旋转电机10、夹紧电机11、翻转支架12、安装在翻转支架12上的旋转装置14和卡爪13；所述变位机底座9与翻转支架12活动连接；所述翻转电机8用于控制翻转支架12翻转；所述旋转电机10用于控制旋转装置14旋转；所述夹紧电机11安装在翻转支架12底部，用于驱动卡爪13将工件夹紧；夹紧电机11上设置有离合器16，当法兰被卡爪13夹紧后，离合器16脱离旋转装置14，旋转装置14在旋转电机10驱动下自由旋转；所述卡爪13内部为弹性结构，当工件焊接完成发生热形变时，弹性结构能够自适应工件的形变。
当抓取装置3-3将工件抓取到变位装置4的卡爪13上时，卡爪13读取夹紧电机的扭矩值，自动检测反馈夹紧信号从而夹紧工件，夹紧后离合器16脱离旋转装置14，旋转装置14在旋转电机10的驱动下自由旋转，焊接时，翻转电机8控制翻转支架12翻转45°，对工件的外焊道进行焊接，完成外焊道后，翻转支架12翻转180°对工件的内焊道进行焊接，焊接完成后，翻转支架12翻转135°使翻转支架12回到水平位置。当工件焊接完成后发生热形变时，弹性结构能够自适应工件的形变，不会发生因为工件受热形变而造成卡爪13机械卡死的状态，夹紧电机11在夹紧焊接完成后的法兰发热生膨胀，从而达到工件焊接完成后可以马上松开卡抓13卸下工件，无需等待工件冷却型变恢复后才能卸下工件，提高了工作效率。夹紧电机11的输出扭矩值达到额定扭矩值的65％就反馈信号停止工作，松开法兰时，夹紧电机11的输出扭矩值按照额定扭矩值的100％输出。同时因为卡爪13不会发生机械张死状态，有效保证了旋转装置14的正常使用寿命。
所述控制系统1，用于控制整个系统的所有设备。
如图4所示，抓取装置3-3包括缓冲减震装置14和抓取组件；所述缓冲减震装置14固定在六轴机械臂A2末端，缓冲减震装置14上设置有减震弹簧，当抓取工件时，减震弹簧可有效减缓抓取时的冲击力，防止设备损坏；所述抓取组件固定在缓冲减震装置14底端。所述抓取组件包括抓取电永磁铁15、抓手16和气动装置17；所述气动装置17固定在缓冲减震装置14上；所述抓手16固定在气动装置17上，气动装置17控制抓手16张开或闭合；所述电永磁铁15安装在抓手16两侧，电永磁铁15最下端高于抓手16最下端。当抓取法兰等工件时，通过抓取装置3-3的电永磁铁15抓取工件，当抓取直管类工件时，气动装置17控制抓手16张开抓取直管，抓取装置3-3可根据工件形状的不同，使用不同模式抓取工件，使工件被抓取时更加牢固，保证了施工安全。
所述变位装置4设置有两个，当两个变位装置4上工件点焊完成后，六轴机械臂A2和六轴机械臂B6可分别完成两个变位装置4上工件的焊接。
操作时，将六轴机械臂A2移动到托盘3正上方，十字激光传感器3-4识别托盘上法兰的位置信息和图像信息，将位置信息和图像信息反馈给控制系统1，根据拟合图像计算出法兰的中心点，此中心点作为基础参考点，根据计算出的中心点控制系统1发出指令使抓取装置3-3对准抓取法兰的中心点，将法兰抓取到变位装置4上，变位装置4的卡爪13夹紧法兰，控制系统1控制十字激光传感器3-4继续识别直管，与识别法兰方式相同，控制抓取装置3-3抓取短直管，根据控制系统1提前设定好的装配参数，自动调节直管装配深度，控制系统1控制焊枪3-5完成点焊，直至点焊完成后抓取装置3-3松开直管；重复上述步骤，完成另一变位装置4上焊枪3-5对法兰和直管的点焊；
控制系统1控制结构光传感器获取法兰和短直管的位置信息，连续测量法兰和短直管组对间隙的大小，结构光传感器将激光线成角度投射到短直管的外圆周面和法兰的上端面，获取法兰上端面水平方向激光线断点到直管外圆周面垂直方向激光线的距离，将获取信息上传至控制系统1，控制系统1将获取信息与焊接工艺数据库匹配，确定焊接工艺参数；在测量组对间隙大小的同时获取焊缝圆周的多个特征点，通过特征点拟合出焊接轨迹，控制系统1根据组对间隙大小变化不断调整焊接工艺参数，并通过拟合出的焊接轨迹控制六轴机械臂A2和六轴机械臂B6同时完成两个变位装置4上的工件焊接；
焊接时，控制系统1控制变位装置4转45°，焊枪3-5对外焊道进行焊接，按照焊接工艺加工的要求控制焊枪3-5的进枪角度与送丝机的进给速度，进一步的完成对组对工件外焊道的焊接，焊接完成后控制变位装置4转135°对其内焊道进行焊接，焊接方式与外焊道的方式方法一致，焊接完成后，抓取装置3-3将工件抓取到成品工件输送装置5上。
焊枪3-5上安装有防撞器3-2，防撞器3-2用于在焊接时防止错误的信息导致焊枪3-5与其它工件碰撞造成设备损耗，也保证了工作人员的安全。
本发明还设有清枪装置，清枪装置能有效清理导电咀上焊烟产生的积尘，疏通清理连接管上的出气孔，给保护套喷洒耐高温防堵济，降低焊渣对枪套、枪咀的死粘连，增加耐用度。在闲置时，清枪装置能自动清理工作过程中产生粘堵在焊枪气体保护套内的飞浅物，保证气体长期畅通无阻，有效地阻隔空气进入焊接区，保护焊接溶池提高焊缝质量。
本发明还涉及一种智能化短直管法兰焊接方法，包括以下步骤：
S1：控制系统控制十字激光传感器3-4获取法兰的位置信息，识别法兰的圆心位置并反馈到控制系统1；
S2：控制系统1根据采集的信息控制抓取组件的电永磁铁将法兰抓取到变位装置4上；
S3：十字激光传感器3-4获取短直管的位置信息，识别短直管的圆心位置并反馈到控制系统1；
S4：控制系统根据采集的信息控制抓取组件的抓手16抓取短直管放置于法兰内孔，抓手16根据控制系统1提前设定好的装配参数，自动调节装配深度，控制系统1控制焊枪完成点焊，直至点焊完成后抓取装置松开直管；
S5：重复上述步骤，完成另一变位装置4上焊枪3-5对法兰和直管的点焊；
S6：控制系统1控制结构光传感器获取法兰和短直管的位置信息，连续测量法兰和短直管组对间隙的大小，在测量组对间隙大小的同时获取焊缝圆周的多个特征点，通过特征点拟合出焊接轨迹，控制系统1根据组对间隙大小变化不断调整焊接工艺参数，并通过拟合出的焊接轨迹控制六轴机械臂A2和六轴机械臂B6同时完成两个变位装置4上的工件焊接；
S7：焊接完成后，抓取装置3-3将焊接完成后的短直管法兰工件抓取到成品工件输送装置5上。
所述S6中结构光传感器将激光线成角度投射到短直管的外圆周面和法兰的上端面，获取法兰上端面水平方向激光线断点到短直管外圆周面垂直方向激光线的距离，将获取信息上传至控制系统1，控制系统1将获取信息与焊接工艺数据库匹配，确定焊接工艺参数。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种智能化短直管法兰焊接系统，其特征在于，
包括：六轴机械臂A、六轴机械臂B、变位装置和控制系统；
所述六轴机械臂A和六轴机械臂B分别安装在变位装置两侧；所述六轴机械臂A末端安装有抓取装置和十字激光传感器；所述六轴机械臂B末端安装有焊枪和结构光传感器；所述抓取装置用于抓取法兰装夹在变位装置上和抓取短直管与变位装置上的法兰进行组对，组对前，十字激光传感器用于识别法兰和短直管的位置信息、圆心空间初始位置并将信息反馈到控制系统，控制系统控制抓取装置抓取法兰和短直管；所述六轴机械臂A抓持短直管与法兰自动组对装配，同时六轴机械臂B开始点焊，完成后六轴机械臂A松开短直管；所述六轴机械臂B对工件进行焊接；焊接前，结构光传感器用于对法兰和短直管的组对间隙变化进行检测；
所述变位装置，包括翻转电机、变位机底座、旋转电机、夹紧电机、翻转支架、安装在翻转支架上的旋转装置和卡爪；所述变位机底座与翻转支架活动连接；所述翻转电机用于控制翻转支架翻转；所述旋转电机用于控制旋转装置旋转；所述夹紧电机安装在翻转支架底部，用于驱动卡爪将工件夹紧；所述卡爪内部为弹性结构，当工件焊接时发生热形变，弹性结构能够自适应工件的形变；
所述控制系统，用于控制整个系统的所有设备。
2.根据权利要求1所述的一种智能化短直管法兰焊接系统，其特征在于，所述夹紧电机上设置有离合器，当法兰被卡爪夹紧后，离合器脱离旋转装置，旋转装置在旋转电机驱动下自由旋转。
3.根据权利要求1或2所述的一种智能化短直管法兰焊接系统，其特征在于，所述抓取装置包括缓冲减震装置和抓取组件；所述缓冲减震装置固定在六轴机械臂A末端，缓冲减震装置上设置有减震弹簧，当抓取工件时，减震弹簧可有效减缓抓取时的冲击力，防止设备损坏；所述抓取组件固定在缓冲减震装置上。
4.根据权利要求3所述的一种智能化短直管法兰焊接系统，其特征在于，所述抓取组件包括抓取电永磁铁、抓手和气动装置；所述气动装置固定在缓冲减震装置上；所述抓手固定在气动装置上，气动装置控制抓手张开或闭合；所述电永磁铁安装在抓手两侧，电永磁铁最下端高于抓手最下端；所述抓取组件抓取法兰时，通过抓取组件的电永磁铁抓取法兰，抓取直管类工件时，气动装置控制抓手张开抓取直管。
5.根据权利要求4所述的一种智能化短直管法兰焊接系统，其特征在于，所述六轴机械臂A末端安装有焊枪；所述变位装置设置有两个，当两个变位装置上工件点焊完成后，六轴机械臂A和六轴机械臂B可分别完成两个变位装置上工件的满焊。
6.根据权利要求5所述的一种智能化短直管法兰焊接系统，其特征在于，所述焊枪上安装有防撞器，防撞器用于在焊接时防止错误的信息导致焊枪与其它工件碰撞。
7.根据权利要求6所述的一种智能化短直管法兰焊接系统，其特征在于，所述六轴机械臂A和六轴机械臂B旁安装有清枪装置，所述清枪装置用于清理焊枪上的残渣。
8.一种智能化直管法兰焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：控制系统控制十字激光传感器获取法兰的位置信息，识别法兰的圆心位置并反馈到控制系统；
S2：控制系统根据采集的信息控制抓取装置的电永磁铁将法兰抓取到变位装置上；
S3：十字激光传感器获取短直管的位置信息，识别短直管的圆心位置并反馈到控制系统；
S4：控制系统根据采集的信息控制抓取装置的抓手抓取短直管放置于法兰内孔，抓手根据控制系统提前设定好的装配参数，自动调节装配深度，控制系统控制焊枪完成点焊，直至点焊完成后抓取装置松开直管；
S5：重复上述步骤，完成另一变位装置上焊枪对法兰和直管的点焊；
S6：控制系统控制结构光传感器获取法兰和短直管的位置信息，连续测量法兰和短直管组对间隙的大小，在测量组对间隙大小的同时获取焊缝圆周的多个特征点，通过特征点拟合出焊接轨迹，控制系统根据组对间隙大小变化不断调整焊接工艺参数，并通过拟合出的焊接轨迹控制六轴机械臂A和六轴机械臂B同时完成两个变位装置上的工件焊接；
S7：焊接完成后，抓取装置将焊接完成后的短直管法兰工件抓取到成品工件输送装置上。
9.根据权利要求8所述的一种智能化短直管法兰焊接方法，其特征在于，所述S6中结构光传感器将激光线成角度投射到短直管的外圆周面和法兰的上端面，获取法兰上端面水平方向激光线断点到短直管外圆周面垂直方向激光线的距离，将获取信息上传至控制系统，控制系统将获取信息与焊接工艺数据库匹配，确定焊接工艺参数。
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