[发明专利]环缝焊接机器人装置

说明书

技术领域

本发明属于智能焊接机器人，具体涉及一种机器人对大型球冠面工件与管件进行焊接的装置。

背景技术

焊接机器人一般由多个关节组成操作手臂或其它形式运动机构，机构末端夹持焊枪等焊接辅助装置，在焊接操作空间内完成工件焊接所要求的焊缝轨迹运动，它是一种能够完成较为复杂工件的自动化焊接装置。但对于具有特殊质量要求以及工件更为复杂的焊接工程，现有机器人的结构设计仍然不能满足当前某些工程的需要。例如，核反应堆压力容进出口接管与主管道之间的连接，其坡口形式为J型，且与球面相冠，要求焊接后变形小。由于焊接空间和焊接变形的特殊要求，需要采用六自由度的机械手臂，以完成特定条件下的焊接。

2009年公开了由中科院申请的“一种大型工件焊接机器人装置”发明专利[公开号：CN101456182]，这种装置采用视觉方法感知焊接工件定位信息和焊缝信息，通过执行机构实现大范围高精度跟踪焊接。而当焊接机器人需要间断性焊接以及对焊接空间和轨迹有特殊要求的情况下，该种焊接机器人无法达到要求。中国石油化工集团与哈尔滨工程大学研制的接管焊接机器人采用悬挂式四自由度结构[杜宏旺等，接管焊接机器人运动学及轨迹修正. 焊接学报, 2009, (07):45-48]，这种焊接机器人属于专用焊接机器人，能满足特定情况下的管状件焊接要求。但是当焊接部件尺寸较大、焊缝分布分散或者连续焊接时，机器人则需要安装在大型空间平台上，需要结合视觉技术检测跟踪，完成特定情况下的焊接。唐山开元机器人系统有限公司与日本日立公司共同开发了核电压力容器J型坡口自动焊接机[李汉宏，核电压力容器J型坡口自动焊接.电焊机, 2010, (02):84-87]，虽能够完成特定要求的焊接，但其所采用的半周焊接方式由于温差难于控制，熔池堆积物成分复杂，导致焊缝成型不均匀，影响焊接质量。

因此上述公开的焊接技术尚无法满足管件与球面相冠，并且焊接后变形较小的焊接装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种对球冠面工件与管件进行焊接的机器人装置。

以下参照附图对本发明的原理和技术方案进行说明。环缝焊接机器人具有十个运动轴，一个宏观旋转运动轴，两个宏观平移运动轴，四个微动平移运动轴和三个微动旋转运动轴。装置包括机架、机头、焊接辅助装置及控制系统等。其中机架包括：固定底座、立柱、横梁。机头包括：滑套、十字滑台、滑环系统、六个自由度运动的轴系和焊枪。焊接辅助装置包括：焊接电源和焊丝。控制系统包括：焊接控制系统、视觉控制系统和运动控制系统。机器人由机架提供大范围运动，移动机器人本体到焊接位置，由机头十字滑台机构对微观运动精度进行补偿，实现六自由度环缝焊接。

机架部分的结构原理为：立柱绕底座旋转，横梁与立柱以滑块结构构成T形机架，横梁沿立柱上下移动，滑套作为机头部分与机架部分的连接件。机架是一个宏观平动机构，其运动方向满足柱坐标系R、Z轴及转角Ф。即立柱绕Z轴沿Ф角转动，横梁沿立柱（Z轴）上下平移，滑套沿横梁（R轴）水平方向平移（如图1）。滑套下方设有十字滑台和滑环系统。其中十字滑台由带有滑道的上下两块滑板组成，两块滑板间可相互垂直移动，用于补偿焊枪短距离位移。十字滑台的下方按顺序同轴装有滑环系统，滑环包括流体滑环和导线滑环。流体滑环用来装配流体（液或气）管线；导线滑环用来装配线束。因为在焊接时为了防止焊缝氧化，需要传输惰性气体至焊枪周围，保证焊缝质量；同时为了使焊接后焊缝熔池能迅速冷却，需要采用液体（水）冷却。同时为了完成机器人大范围的转移，并相对减少绕线，需要将线路整理好装在机器人本体内，遇到360度旋转时，导线可以自如随动。所以设置了滑环系统。

滑环系统下方安装具有六个自由度运动的轴系和焊具。六自由度运动系统包括：绕中心Z轴的圆周运动轴；沿垂直方向的运动轴；沿径向方向的运动轴；径向方向的摆动轴；切向方向的摆动轴以及依切向方向摆动的直线运动轴。这六个轴系的结构方式为：垂直方向运动轴嵌套在圆周运动轴外侧，垂直方向运动轴可沿圆周运动轴上下移动。垂直方向运动轴凸台下方组装径向方向运动轴。径向方向摆动轴的一端与径向方向运动轴转轴连接；径向方向摆动轴的另一端与切向方向摆动轴的轴臂转轴连接。切向方向摆动轴的轴臂前端中心装有切向方向摆动的直线运动轴，焊具装于切向方向摆动的直线运动轴顶端。垂直方向的运动轴、径向方向的运动轴、切向方向摆动的运动轴均做直线平移运动，三个轴均为导轨滑块结构，由减速电机驱动丝杠带动滑块平移。即将轴臂固连于滑块上，由电机带动丝杠旋转，丝杠带动导轨上的轴臂做平移运动。将丝杠的回转运动转化为轴臂的直线运动，并达到控制精度要求。