CN118023834A - 一种管道机器人自动焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管道机器人自动焊接装置及方法，包括机器人及搭配在机器人上的焊接设备，在机器人侧方设置有管式工件装配机构，管式工件装配机构用于在焊接过程中控制被焊工件的环形焊缝按照预设速度顺时针旋转，机器人用于调整焊接设备的焊枪在指定位置处于立焊姿势；管道预制方法采用了前述机器人自动焊接装置。本发明不仅提高了工艺管道工程的预制管道焊接效率，而且大幅简化了焊接准备工序和焊后检测、处理工序，还能够显著降低工艺管道预制过程中全流程操作难度和施工成本。

Description

一种管道机器人自动焊接装置及方法

技术领域

本发明属于机器人焊接技术领域，具体涉及一种管道机器人自动焊接装置及方法。

背景技术

现有文献CN113510411B公开了一种管道机器人焊接系统，可移动平台设在第一轨道上，设有：上料框；滑台，设在上料框一侧；搬运机器人，搬运机器人上设置有：图像采集装置；手爪；焊接机器人，焊接机器人上设置有：焊枪；第二导轨上设有：第一变位机，可沿第二导轨移动；第二变位机，设置在第二导轨一侧；第一变位机和第二变位机上分别设置有三爪卡盘；控制器，分别连接可移动平台、搬运机器人、焊接机器人、第一变位机和第二变位机，用于控制可移动平台移动，搬运机器人搬运支管，焊接机器人进行焊接和控制第一、二变位机转动。该方案虽然能够实现管道系统中支管和主管的焊接，但其只能用于标准化/智能化车间进行焊接。

在工艺管道工程（如化工工程、油气工程、天然气工程）领域，通常具有大量的管道需要施工，很多工艺管道工程的焊缝数量多达数万个焊缝达因，其中能够预制的焊缝占比可达40%甚至更高。然而，受限于施工现场的设施和技术限制，目前很少有在施工现场开展机器人焊接的自动焊接装置，即使有一些自动焊接装置也只能采用非常复杂的装置对单个工件进行焊接操作，不仅存在焊接效率低下（甚至不如人工效率高）的问题，而且存在焊接准备工序复杂的弊端。更关键的是，除了焊接工序之外，工艺管道预制过程中还有管道管件前处理、对接，焊后检测、封口、后处理等事项，按照传统的管道预制模式，对于公称直径不小于DN250的管道，每道工序都存在费时费力、操作困难、施工成本较高的问题，以DN250mm*14mm（壁厚）*12m（长）的管段+弯头为例，管道管件前处理、焊后检测、封口、后处理均需要起重器械配合1~2名施工人员才能完成，且仅是焊后RT检测就需耗时两小时（曝光约三分钟/张，共6张片子，其余耗时为探伤准备时间）。因此，有必要针对这些技术问题提供一种效率更高、操作更简单、施工成本更低的技术方案。

发明内容

至少为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种管道机器人自动焊接装置及方法。

本发明采用了如下技术方案。

一种管道机器人自动焊接装置，包括机器人及搭配在机器人上的焊接设备，在机器人附近设置有管式工件装配机构，管式工件装配机构用于调节被焊工件处于目标位置，并在焊接过程中控制被焊工件的环形焊缝按照预设速度顺时针旋转；机器人用于调整焊接设备的焊枪在指定位置处于立焊姿势，并始终控制焊枪的轴线与竖直面之间的夹角为（45±3）°。

进一步地，所述的管式工件装配机构包括能够转动的立柱，立柱安装在旋转底座上，在立柱上设置有横向夹持部，横向夹持部用于夹紧被焊工件的端部；在立柱外围设置有第一V形支撑部，第一V形支撑部的高度可调，第一V形支撑部用于支撑被焊工件的悬空部位（对于被焊工件而言，除了被横向夹持部夹持的位置都称之为悬空部位），第一V形支撑部安装在径向轨道上，第一V形支撑部能够顺着径向轨道移动并固定在合适位置，第一V形支撑部位于被焊工件重心外侧；在径向轨道外侧设置有环形轨道，环形轨道与立柱同轴布置，环形轨道上设置有高度可调的若干个第二V形支撑部，第二V形支撑部能够顺着环形轨道移动到位后被固定，第二V形支撑部用于支撑被焊工件。

为了能够更顺利地实施焊接，所述的第一V形支撑部内侧采用滚式结构，滚式结构的滚动体轴线与径向轨道平行。

作为优选方案，所述的立柱上间隔设置有多个横向夹持部，同一高度方向的所有横向夹持部围绕立柱均匀布置。

为了能够更方便地进行全流程（包括管道管件前处理、对接，焊后检测、封口、后处理）操作，所述的被焊工件是由直管段和弯头经点焊或者打底焊后而连接在一起的工件，横向夹持部用于夹紧被焊工件且远离弯头的直管段端部，V形支撑部用于支撑被焊工件的直管段，V形支撑部用于支撑被焊工件的直管段，被焊工件的环形焊缝和弯头始终悬空。

进一步地，在第二V形支撑部的支撑架附近设置有能够移动的操作平台，操作平台能够用于放置焊缝探伤设备。

进一步地，旋转底座、横向夹持部、V形支撑部、机器人、焊接设备的驱动机构分别连接控制系统，控制系统的处理器执行程序时至少能够实现以下功能/步骤：

控制旋转底座的驱动机构运行，使立柱旋转、停止；

控制横向夹持部的驱动机构运行，使横向夹持部按要求夹紧、脱离被焊工件，使被焊工件的环形焊缝按照预设速度顺时针旋转；

控制第一V形支撑部的驱动机构运行，使第一V形支撑部升降、横向移动至第一目标支撑位置；

控制机器人的工作端位姿调整，使工作端的焊枪在指定位置处于立焊姿势，并始终控制焊枪的轴线与竖直面之间的夹角为（45±3）；

控制焊接设备按照预设焊接工艺参数实施自动化焊接；

控制第二V形支撑部的驱动机构运行，使第二V形支撑部升降、环向移动至第二目标支撑位置，控制第二V形支撑部和立柱同步转动。

一种管道预制方法，采用前述管道机器人自动焊接装置，步骤包括：

步骤1，将待预制的直管段安装在管式工件装配机构上，使直管段其中一端被横向夹持部夹紧，并调节第一V形支撑部至第一目标支撑位置将直管段支撑柱，此时，直管段初始水平状态；

步骤2，将待预制的弯头与直管段对接，并实施点焊或者打底焊；

步骤3，调整机器人的工作端位姿，使工作端的焊枪在指定位置处于立焊姿势，并始终控制焊枪的轴线与竖直面之间的夹角为（45±3）；

步骤4，控制横向夹持部的驱动机构运行，使被焊工件的环形焊缝焊接起始位置对准焊枪；

步骤5，控制横向夹持部的驱动机构运行，使被焊工件按照预设速度顺时针旋转，同时控制焊接设备按照预设焊接工艺参数实施焊接；

步骤6，当一套被焊工件焊接结束后，先控制第二V形支撑部的驱动机构运行，使第二V形支撑部升降、环向移动至第二目标支撑位置，然后控制第一V形支撑部复位，然后控制立柱和第二V形支撑部同步旋转目标角度后停止；

然后按照前述步骤1-6对下一套被焊工件实施焊接。

作为优选方案，环形焊缝焊接起始位置位于环形焊缝的正侧方。

进一步地，还包括步骤7：

步骤71，在焊缝检测时间段，将焊缝探伤设备放置在操作平台上；

步骤72，控制旋转底座和第二V形支撑部的驱动机构运行，使立柱和第二V形支撑部同步旋转到位后停止，此时被焊工件的环形焊缝刚好位于焊缝探伤设备正上方或正侧方，然后进行焊缝探伤检测；

步骤73，参照步骤72，对下一被焊工件的环形焊缝进行探伤检测。

为了进一步降低焊缝探伤检测难度，焊缝探伤检测的流程为：

步骤721：先在环形焊缝的第一待检测区域贴片，然后开启焊缝探伤设备进行RT检测；

步骤722：第一待检测区域检测结束后控制横向夹持部的驱动机构运行，使环形焊缝转动特定角度（特定角度由本领域技术人员根据焊缝规格和焊缝探伤的规范要求确定，例如：当某条环形焊缝需要RT曝光6张片时，对应的特定角度为60°），此时的第一待检测区域正对焊缝探伤设备的光源；

步骤723：参照步骤721对环形焊缝的下一待检测区域进行检测，直到环形焊缝的所有区域检测完成时结束。

有益效果：本发明不仅提高了工艺管道工程的预制管道焊接效率，而且大幅简化了焊接准备工序和焊后检测、处理工序，还能够显著降低工艺管道预制过程中全流程操作难度和施工成本，尤其适用于公称直径为DN200~DN500的施工现场的工艺管道预制。相比于传统的在管道下方垫枕木的施工方式，以一根DN250mm*14mm（壁厚）*12m（长）的管段+弯头为例（对应一道DN250的环形焊缝），管道管件前处理（开坡口+打磨）耗时能够从约25分钟降至约15分钟，焊后RT检测耗时能够从约60分钟降至约25分钟，焊后封口处理能够从约需3分钟降至1分钟，焊后处理（热处理）准备工作能够从约需10分钟降至2分钟，且管道管件前处理、焊后RT检测、焊后封口处理、焊后处理均只需要一名相应的操作人员即可顺利、轻松完成，相应的总体施工成本降幅约40%。

附图说明

图1为实施例中管道机器人自动焊接装置示意图；

图2为实施例中管道机器人自动焊接装置的立柱示意图；

图3为实施例中管道机器人自动焊接装置的横向夹持部示意图；

图4为实施例中管道机器人自动焊接装置的第一V形支撑部示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

结合图1至图4所示，一种管道机器人自动焊接装置，包括机器人7及搭配在机器人7上的焊接设备，在机器人7附近设置有管式工件装配机构，管式工件装配机构用于调节被焊工件处于目标位置，并在焊接过程中控制被焊工件的环形焊缝按照预设速度顺时针旋转；机器人7用于调整焊接设备的焊枪在指定位置处于立焊姿势，并始终控制焊枪的轴线与竖直面之间的夹角为（45±3）°。本发明中，机器人7、焊接设备、横向夹持部2、驱动机构（驱动机构的动力系统采用伺服电机）、焊缝探伤设备为现有技术，本实施例不做赘述，实现V形支撑部的高度可调可以利用常用的丝杠升降机构，也可以利用蜗轮蜗杆升降机构，实现V形支撑部顺着轨道移动的主体结构也为现有技术（如可移动的车体结构）。

本实施例中，管式工件装配机构包括能够转动的立柱1，立柱1安装在旋转底座上，在立柱1上设置有横向夹持部2，横向夹持部2用于夹紧被焊工件的端部；在立柱1外围设置有第一V形支撑部4，第一V形支撑部4的高度可调，第一V形支撑部4用于支撑被焊工件的悬空部位，第一V形支撑部4安装在径向轨道3上，第一V形支撑部4能够顺着径向轨道3移动并固定在合适位置，径向轨道3的延长线与立柱1轴线垂直且相交，第一V形支撑部4位于被焊工件重心外侧；在径向轨道3外侧设置有环形轨道5，环形轨道5与立柱1同轴布置，环形轨道5上设置有高度可调的若干个第二V形支撑部6，第二V形支撑部6能够顺着环形轨道5移动到位后被固定，第二V形支撑部6用于支撑被焊工件。其中，第一V形支撑部4内侧采用滚式结构，滚式结构的滚动体轴线与径向轨道3平行，滚动体采用轴承或者辊轮；在任意一个第二V形支撑部6的支撑架附近设置有能够移动的操作平台，操作平台能够用于放置焊缝探伤设备。

本实施例中，立柱1上间隔设置有多个横向夹持部2，同一高度方向的所有（八个）横向夹持部2围绕立柱1均匀布置。

本实施例中，被焊工件是由直管段和弯头经点焊/打底焊后而连接在一起的工件（被焊工件重心则为直管段和弯头整体的重心），横向夹持部2用于夹紧被焊工件且远离弯头的直管段端部，V形支撑部用于支撑被焊工件的直管段，V形支撑部用于支撑被焊工件的直管段，被焊工件的环形焊缝和弯头始终悬空，在图1中，其中一个被焊工件的环形焊缝如编号8所示。

本实施例中，旋转底座、横向夹持部2、第一V形支撑部4、机器人、焊接设备的驱动机构分别连接控制系统，控制系统的处理器执行程序时至少能够实现以下功能/步骤：

控制旋转底座的驱动机构运行，使立柱1旋转、停止；

控制横向夹持部2的驱动机构运行，使横向夹持部2按要求夹紧、脱离被焊工件，使被焊工件的环形焊缝按照预设速度顺时针旋转；

控制第一V形支撑部4的驱动机构运行，使第一V形支撑部4升降、横向移动至第一目标支撑位置；

控制机器人的工作端位姿调整，使工作端的焊枪在指定位置处于立焊姿势，并始终控制焊枪的轴线与竖直面之间的夹角为（45±3）°；

控制焊接设备按照预设焊接工艺参数实施自动化焊接；

控制第二V形支撑部6的驱动机构运行，使第二V形支撑部6升降、环向移动至第二目标支撑位置，控制第二V形支撑部6和立柱1同步转动。

一种（工艺管道）管道预制方法，采用本实施例中的管道机器人自动焊接装置，步骤包括：

步骤1，将待预制的直管段安装在管式工件装配机构上，使直管段其中一端被横向夹持部2夹紧，并调节第一V形支撑部4至第一目标支撑位置将直管段支撑柱，此时，直管段初始水平状态；

步骤2，采用半自动坡口机在直管段的悬空端开设焊接坡口并打磨，并对弯头的坡口面打磨，然后将待预制的弯头与直管段对接，并实施点焊或者打底焊；

步骤3，调整机器人的工作端位姿，使工作端的焊枪在指定位置处于立焊姿势，并始终控制焊枪的轴线与竖直面之间的夹角为（45±3）°；

步骤4，控制横向夹持部2的驱动机构运行，使被焊工件的环形焊缝焊接起始位置对准焊枪，环形焊缝焊接起始位置位于环形焊缝的正侧方；

步骤5，控制横向夹持部2的驱动机构运行，使被焊工件按照预设速度顺时针旋转，同时控制焊接设备按照预设焊接工艺参数实施焊接；

步骤6，当一套被焊工件焊接结束后，先控制第二V形支撑部6的驱动机构运行，使第二V形支撑部6升降、环向移动至第二目标支撑位置，然后控制第一V形支撑部4复位，然后控制立柱1和第二V形支撑部6同步旋转目标角度后停止；

然后按照前述步骤1-6对下一套被焊工件实施焊接；

步骤7：

步骤71，在焊缝检测时间段，将焊缝探伤设备放置在操作平台上；

步骤72，控制旋转底座和第二V形支撑部6的驱动机构运行，使立柱1和第二V形支撑部6同步旋转到位后停止，此时被焊工件的环形焊缝刚好位于焊缝探伤设备正上方或正侧方，然后进行焊缝探伤检测；

本步骤更具体地包括：

步骤721包，先在环形焊缝的第一待检测区域贴片，然后开启焊缝探伤设备进行RT检测；

步骤722：第一待检测区域检测结束后控制横向夹持部的驱动机构运行，使环形焊缝转动特定角度，此时的第一待检测区域正对焊缝探伤设备的光源；

步骤723：第一待检测区域检测结束后，参照步骤721对环形焊缝的下一待检测区域进行检测，直到环形焊缝的所有区域检测完成时结束；

步骤73，参照步骤72，对下一被焊工件的环形焊缝进行探伤检测；

步骤8：当环形焊缝探伤合格后，按照热处理规范要求进行焊后热处理（如有要求）采用塑料袋或者布片将管口封住，以防止杂物（如砂粒、漂浮物）进入预制好的管道内腔。

采用实施例中的方案，相比于传统的在管道下方垫枕木的施工方式，以一根DN250mm*14mm（壁厚）*12m（长）的管段+弯头为例（对应一道DN250的环形焊缝），管道管件前处理（主要包括步骤1和2中的开坡口+打磨）耗时能够从约25分钟降至约15分钟，焊后RT检测（步骤7）耗时能够从约60分钟降至约25分钟，焊后封口处理能够从约需3分钟降至1分钟，焊后处理（热处理）准备工作能够从约需10分钟降至2分钟，且管道管件前处理、焊后RT检测、焊后封口处理、焊后处理均只需要一名相应的操作人员即可顺利、轻松完成，相应的总体施工成本降幅约40%。

本方案不仅提高了工艺管道工程的预制管道焊接效率，而且大幅简化了焊接准备工序和焊后检测、处理工序，还能够显著降低工艺管道预制过程中全流程操作难度和施工成本，尤其适用于公称直径为DN200~DN500的施工现场的工艺管道或撬块式设备的工艺管道预制。

Claims (10)

1.一种管道机器人自动焊接装置，包括机器人（7）及搭配在机器人（7）上的焊接设备，其特征在于：在机器人（7）附近设置有管式工件装配机构，管式工件装配机构用于调节被焊工件处于目标位置，并在焊接过程中控制被焊工件的环形焊缝按照预设速度顺时针旋转；机器人用于调整焊接设备的焊枪在指定位置处于立焊姿势，并始终控制焊枪的轴线与竖直面之间的夹角为（45±3）°。

2.根据权利要求1所述的管道机器人自动焊接装置，其特征在于：所述的管式工件装配机构包括能够转动的立柱（1），立柱（1）安装在旋转底座上，在立柱（1）上设置有横向夹持部（2），横向夹持部（2）用于夹紧被焊工件的端部；在立柱（1）外围设置有第一V形支撑部（4），第一V形支撑部（4）的高度可调，第一V形支撑部（4）用于支撑被焊工件的悬空部位，第一V形支撑部（4）安装在径向轨道（3）上，第一V形支撑部（4）能够顺着径向轨道（3）移动并固定在合适位置，径向轨道（3）的延长线与立柱（1）轴线垂直且相交，第一V形支撑部（4）位于被焊工件重心外侧；在径向轨道（3）外侧设置有环形轨道（5），环形轨道（5）与立柱（1）同轴布置，环形轨道（5）上设置有高度可调的若干个第二V形支撑部（6），第二V形支撑部（6）能够顺着环形轨道（5）移动到位后被固定，第二V形支撑部（6）用于支撑被焊工件。

3.根据权利要求2所述的管道机器人自动焊接装置，其特征在于：所述的第一V形支撑部（4）内侧采用滚式结构，滚式结构的滚动体轴线与径向轨道（3）平行。

4.根据权利要求2所述的管道机器人自动焊接装置，其特征在于：所述的立柱（1）上间隔设置有多个横向夹持部（2），同一高度方向的所有横向夹持部（2）围绕立柱（1）均匀布置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的管道机器人自动焊接装置，其特征在于：所述的被焊工件是由直管段和弯头经点焊或者打底焊后而连接在一起的工件，横向夹持部（2）用于夹紧被焊工件且远离弯头的直管段端部，V形支撑部用于支撑被焊工件的直管段，被焊工件的环形焊缝和弯头始终悬空。

6.根据权利要求5所述的管道机器人自动焊接装置，其特征在于：在第二V形支撑部（6）的支撑架附近设置有能够移动的操作平台，操作平台用于放置焊缝探伤设备。

7.根据权利要求6所述的管道机器人自动焊接装置，其特征在于，旋转底座、横向夹持部（2）、V形支撑部、机器人、焊接设备的驱动机构分别连接控制系统，控制系统的处理器执行程序时至少能够实现以下功能/步骤：

控制旋转底座的驱动机构运行，使立柱（1）旋转、停止；

控制横向夹持部（2）的驱动机构运行，使横向夹持部（2）按要求夹紧、脱离被焊工件，使被焊工件的环形焊缝按照预设速度顺时针旋转；

控制第一V形支撑部（4）的驱动机构运行，使第一V形支撑部（4）升降、横向移动至第一目标支撑位置；

控制机器人的工作端位姿调整，使工作端的焊枪在指定位置处于立焊姿势，并始终控制焊枪的轴线与竖直面之间的夹角为（45±3）°；

控制焊接设备按照预设焊接工艺参数实施自动化焊接；

控制第二V形支撑部（6）的驱动机构运行，使第二V形支撑部（6）升降、环向移动至第二目标支撑位置，控制第二V形支撑部（6）和立柱（1）同步转动。

8.一种管道预制方法，采用权利要求1-7任一项所述的管道机器人自动焊接装置，其特征在于，步骤包括：

步骤1，将待预制的直管段安装在管式工件装配机构上，使直管段其中一端被横向夹持部（2）夹紧，并调节第一V形支撑部（4）至第一目标支撑位置将直管段支撑柱，此时，直管段初始水平状态；

步骤2，将待预制的弯头与直管段对接，并实施点焊或者打底焊；

步骤3，调整机器人的工作端位姿，使工作端的焊枪在指定位置处于立焊姿势，并始终控制焊枪的轴线与竖直面之间的夹角为（45±3）°；

步骤4，控制横向夹持部（2）的驱动机构运行，使被焊工件的环形焊缝焊接起始位置对准焊枪；

步骤5，控制横向夹持部（2）的驱动机构运行，使被焊工件按照预设速度顺时针旋转，同时控制焊接设备按照预设焊接工艺参数实施焊接；

步骤6，当一套被焊工件焊接结束后，先控制第二V形支撑部（6）的驱动机构运行，使第二V形支撑部（6）升降、环向移动至第二目标支撑位置，然后控制第一V形支撑部（4）复位，然后控制立柱（1）和第二V形支撑部（6）同步旋转目标角度后停止，然后按照前述步骤对下一套被焊工件实施焊接。

9.根据权利要求8所述的管道预制方法，其特征在于：环形焊缝焊接起始位置位于环形焊缝的正侧方。

10.根据权利要求8所述的管道预制方法，其特征在于，还包括步骤7：

步骤71，在焊缝检测时间段，将焊缝探伤设备放置在操作平台上；

步骤72，控制旋转底座和第二V形支撑部（6）的驱动机构运行，使立柱（1）和第二V形支撑部（6）同步旋转到位后停止，此时被焊工件的环形焊缝刚好位于焊缝探伤设备正上方或正侧方，然后进行焊缝探伤检测；

步骤73，参照步骤72，对下一被焊工件的环形焊缝进行探伤检测。