一种焊接系统的制作方法

本发明涉及焊接加工技术领域，尤其涉及一种焊接系统。

背景技术：

目前，工程机械中关键或大型工件一般均为主机厂自行制造，大都采取焊接结构形式，如推土机主机架、车架等，随着产品转为多品种小批量的定制式生产模式，原大批专用性工艺装备很难满足目前的生产要求，因此针对众多新产品工件只能采取比较单一的简易机械式工艺装备辅助焊接或人工地摊式作业方式，这种作业模式一方面无法实现大型工件焊缝的最优焊接姿态，即无法实现全位置船型焊接要求，进而无法保证工件的焊接质量和控制焊接变形，影响整机的可靠性，同时在焊接过程中通常采取车间行车进行吊装翻转，存在安全隐患；另一方面人员劳动强度大，生产作业率低，无法保证制造周期，不利于精益化生产管理要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种焊接系统，该系统实现了柔性化的作业方式，解决了大型工件无法实现全位置船形焊接及翻转不安全等生产技术问题，同时很好地解决了因人工地摊式焊接导致的工件焊接质量差、变形难以控制等产品质量问题，提高了焊接质量的稳定性，提高了生产效率，同时大大降低了工人劳动强度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种焊接系统，包括：

回转变位系统，包括立柱升降机构，由立柱升降机构驱动并能升降的第一回转机构，由所述第一回转机构驱动转动的变位胎体以及固定在所述变位胎体上且能转动的第二回转机构，所述第二回转机构的转动方向与所述第一回转机构的转动方向互相垂直，待加工工件放置在所述第二回转机构上；

焊接机器人系统，包括支撑机构，与所述支撑机构固定连接的运动控制机构，与所述运动控制机构活动连接的多关节焊接机械手，所述多关节焊接机械手用于焊接加工待加工工件；

控制系统，分别与所述立柱升降机构、第一回转机构、第二回转机构、运动控制机构及多关节焊接机械手电连接。

立柱式双回转变位系统主要实现工件的载重支撑和翻转变位功能，能够根据焊接需求灵活翻转调整待加工工件的姿态从而保持焊缝位置的最佳姿态进行焊接，降低了焊接难度，提升了焊接质量及效率，同时与车间行车吊装翻转工件的方式相比，也能提高作业过程的安全性。与之相互配套的焊接机器人系统通过多关节焊接机械手对调整到最佳焊接姿态的工件进行焊接，实现工件的全位置船型焊接，以此保证焊接质量和变形控制。

进一步的，所述焊接系统还包括装夹定位系统，所述装夹定位系统固定设置于所述第二回转机构上，用于定位并夹紧待加工工件。该系统能够在第二回转机构的驱动作用下旋转，用于对粗略放置的待加工工件进行位置的精确调整及夹紧定位，保证焊缝位置的准确性及工件在焊接过程中的稳固性。

进一步的，所述焊接系统还包括人机辅助操作平台，所述人机辅助操作平台包括固定于地面的侧向移动机构，垂直且滑动设置于所述侧向移动机构上的升降机构，固定设置于所述升降机构上表面且由所述升降机构驱动升降的行走平台，所述升降机构连接于控制系统。该人机辅助操作平台能够根据工作需要，配合焊接机器人系统完成多关节焊接机械手无法施焊的焊接操作，实现对待加工工件加工的人机协同作业，做到工件在线完工，同时方便根据现场实际情况进行人工监控，随时掌控焊接质量。

进一步的，所述焊接系统还包括外围安全装置，所述外围安全装置出入口处设置有连接于控制系统的安全光栅，以此确保作业过程中的人员安全性。

进一步的，所述第一回转机构和所述第二回转机构均能360°旋转。第一回转机构能够带动变位胎体在其所在空间进行全位置的翻转，变位胎体上固定有第二回转机构，第二回转机构能够带动装夹定位系统进行旋转，从而实现装夹于其上的工件的全位置变位翻转，满足不同工件的不同焊缝姿态要求。

进一步的，所述运动控制机构包括安装于所述支撑机构上的x轴移动机构，安装在所述x轴移动机构上且由所述x轴移动机构驱动沿x方向移动的y轴移动机构，安装在所述y轴移动机构上且由所述y轴移动机构驱动沿y方向移动的z轴移动机构，所述多关节焊接机械手安装在z轴移动机构上且由所述z轴移动机构驱动沿z方向移动。支撑机构与x轴移动机构、y轴移动机构及z轴移动机构能够有效地增大作业空间，满足大型工件的焊接范围需求，将多关节焊接机械手安装在z轴移动机构上能够获得最大的运动范围。

进一步的，所述多关节焊接机械手活动连接于所述z轴移动机构下部末端。方便多关节焊接机械手对待加工工件进行焊接操作。

进一步的，所述多关节焊接机械手为六轴机械手。六轴机械手具有很高的自由度，可以完成几乎任何轨迹或角度的工作，且响应时间短，动作迅速自动化生产效率高，加工精度高。

进一步的，所述装夹定位系统采用液压驱动结构、气压驱动结构、蜗轮蜗杆驱动结构或丝杠驱动结构作为装夹驱动，将待加工工件定位夹紧。定位夹紧后的待加工工件在回转变位系统的作用下进行翻转变位及焊接作业。

进一步的，所述人机辅助操作平台上设置有安全距离防护传感器，用于检测所述人机辅助操作平台与所述回转变位系统相应位置间的距离，保障操作人员能够方便的对工件进行焊接作业以及人身安全。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果在于：

本发明提供一种结构紧凑，操作简便，通用性强的自动焊接系统，满足不同规格工件的焊接生产要求，解决了现有技术中大型工件无法实现全方位变位要求进而无法实现全位置船形焊接要求，以及人工地摊式焊接作业方式焊接质量差、变形难以控制等产品质量问题，改变了人力劳动强度大及生产效率低等焊接生产现状，满足了大型工件多品种小批量制造及自动焊接的柔性化生产要求。

附图说明

图1是本发明焊接系统的总体结构图；

图2是本发明焊接系统的回转变位系统结构图；

图3是本发明回转变位系统中立柱升降机构结构图；

图4是本发明焊接系统的装夹定位系统结构图；

图5是本发明夹持有工件的装夹定位系统结构图；

图6是本发明焊接系统的焊接机器人系统结构图；

图7是本发明焊接系统的人机辅助操作平台结构图；

图8是本发明焊接系统的控制系统图。

图中，附图标记对应的零部件名称如下：

1、回转变位系统；2、装夹定位系统；3、焊接机器人系统；4、人机辅助操作平台；5、控制系统；6、外围安全装置；7、待加工工件；

11、立柱升降机构；12、第一回转机构；13、变位胎体；14、第二回转机构14；

111、驱动机构；112、立柱；113、丝母；114、配重块；

21、下定位座；22、侧定位座；23、侧顶紧机构；24、前后顶紧机构；25、上压紧机构；26、液压执行单元；

31、支撑机构；32、x轴移动机构；33、y轴移动机构；34、z轴移动机构；35、多关节焊接机械手；

41、侧向移动机构；42、升降机构；43、行走平台；

51、冷却水循环系统；52、焊接电源及送丝控制器；53、系统集成控制柜；54、焊接机器人系统控制柜；55、变压稳压器。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例提供一种焊接系统，如图1所示，该焊接系统包括回转变位系统1、装夹定位系统2、焊接机器人系统3、人机辅助操作平台4、控制系统5及外围安全装置6，其中：

如图2所示，回转变位系统1包括立柱升降机构11，由立柱升降机构11驱动并能升降的第一回转机构12，由第一回转机构12驱动转动的变位胎体13以及固定在变位胎体13上且能转动的第二回转机构14，第二回转机构14的转动方向与第一回转机构12的转动方向互相垂直，待加工工件7放置在第二回转机构14上，立柱升降机构11、第一回转机构12、第二回转机构14均分别连接于控制系统5。其中，立柱升降机构11结构图如图3所示，包括驱动机构111及传动机构，驱动机构111包括伺服电机，传动机构包括丝杠、丝母113，并配有配重块114，伺服电机的输出轴与传动机构相连接，丝杠上的丝母113与第一回转机构12的箱体装配为一体，箱体中安装有液压马达和减速器，用来驱动第一回转机构12转动，并配备有绝对值编码器，用来实时记录旋转动态。具体的，在本实施例中，传动机构中的丝杠即为立柱112，当回转变位系统1开始工作时，驱动机构111驱动丝母113上下升降，从而实现第一回转机构12的升降，进而控制变位胎体13的升降，在这一过程采取机械限位和电气限位双重保护对其进行上下位置的限定。本实施例中，立柱升降机构11包括两根立柱112及两个丝母113，为保证两个丝母113升降的同步性，采用plc控制系统与其控制的伺服电机编码器进行互通反馈，该伺服电机编码器用来采集速度信号。可以理解的是，上述液压马达还可以采用电机。

具体的，第一回转机构12和第二回转机构14均能360°旋转，旋转速度为2.0rpm，第一回转机构12能够带动变位胎体13在其所在空间进行全方位的翻转，变位胎体13带动固定在其上的第二回转机构14翻转，第二回转机构14能够带动固定在其上的装夹定位系统2旋转，从而实现装夹于其上的工件的全方位变位翻转，满足工件的不同焊缝姿态要求。回转变位系统1主要实现工件的载重支撑和翻转变位功能，能够根据焊接需求灵活翻转调整工件的姿态从而保持焊缝位置的最佳姿态进行焊接，与人工地摊式焊接作业方式相比降低了焊接难度，提升了焊接质量，提高了生产作业效率，进而保证制造周期，同时，由于在焊接过程中不再需要通过车间行车吊装工件进行变位翻转，因此也保障了作业过程的安全性。

本实施例中，在上述第二回转机构14上固定安装有装夹定位系统2，如图4和图5所示，该装夹定位系统2连接于控制系统5且能够在第二回转机构14的驱动作用下旋转，用于对粗略放置于该处的待加工工件7进行位置的精确调整及定位夹紧，进而保证焊缝位置的准确性及工件在焊接过程中的稳固性，具体的，该装夹定位系统2由下定位座21、侧定位座22、侧顶紧机构23、前后顶紧机构24、上压紧机构25组成，其工作过程为：用行车吊装待加工工件7并将其粗略放置在下定位座21上，接着启动侧顶紧机构23将待加工工件7在b方向上调整至与该方向上的侧定位座22紧密贴合，然后启动前后顶紧机构24将待加工工件7在a方向上调整至与该方向上的侧定位座22紧密贴合，至此，待加工工件7放置到位，最后启动上压紧机构25对待加工工件7进行c方向的夹紧定位，其中所述的各方向均在图5中示出,且a方向、b方向与c方向互相垂直。所有定位夹紧机构可以采用液压驱动结构、气压驱动结构、蜗轮蜗杆驱动结构或丝杠驱动结构作为装夹驱动，本实施例优先选用液压驱动装夹结构，主要由液压站、油冷器、电磁阀组和液压执行单元26等构成，待加工工件7装夹到位后，通过控制系统5锁定液压执行单元26，完成对待加工工件7的装夹定位，定位夹紧后的待加工工件7在控制系统5的控制作用下随装夹定位系统2进行全位置的翻转变位及焊接作业，液压驱动具有力矩大、效率高、操作方便等优点，同时具备点动、连续动作和保持锁定等功能，安全可靠。考虑到在翻转变位过程中液压管路不能翻转及相互缠绕干涉，在第一回转机构12和第二回转机构14部分分别设置有多路液压回转接头体(图中未示出)，来避免液压管路翻转缠绕现象的发生。

本实施例中，焊接机器人系统3结构如图6所示，包括支撑机构31，与支撑机构31固定连接的运动控制机构及与运动控制机构活动连接的多关节焊接机械手35，运动控制机构包括安装在支撑机构31上的x轴移动机构32，安装在x轴移动机构32上且由x轴移动机构32驱动沿x方向移动的y轴移动机构33，安装在y轴移动机构33上且由y轴移动机构33驱动沿y方向移动的z轴移动机构34，多关节焊接机械手35安装在z轴移动机构34上且由z轴移动机构34驱动沿z方向移动，用于对待加工工件7进行焊接作业。上述x轴移动机构32、y轴移动机构33及z轴移动机构34均连接于控制系统5，采用交流伺服电机驱动并配有绝对编码器，能够准确记录多关节焊接机械手35的空间位置，执行灵活，且各轴均设有独立的抱闸释放开关，能够保障焊接作业的安全性，同时考虑到多关节焊接机械手35末端轴的工作要求，在其上设有防撞开关。

更进一步的，支撑结构与x轴移动机构、y轴移动机构及z轴移动机构能够有效地增大焊接作业空间，满足大型工件的焊接范围需求，将多关节焊接机械手35安装在z轴移动机构34上能够获得最大的运动范围，而将多关节焊接机械手35设置于z轴移动机构34下部末端，是为了方便多关节焊接机械手35对工件进行焊接作业。其中，支撑机构31可以为龙门式结构，天吊轨道移动式结构或地装移动式结构，本实施例采用龙门式结构，其结构稳定，承受负载大，受力平均，通用性强。本实施例中的多关节焊接机械手35为六轴机械手，六轴机械手具有很高的自由度，可以完成几乎任何轨迹或角度的工作，且响应时间短，动作迅速自动化生产效率高，加工精度高，可以满足不同的焊接需求且提高焊接质量。

本实施例中，人机辅助操作平台4结构如图7所示，包括固定于地面的侧向移动机构41，垂直且滑动设置于侧向移动机构41上的升降机构42，升降机构42可跟随侧向移动机构41靠近或远离回转变位系统1，并可根据工件高度调整位置满足焊接需要，升降机构42上表面固定设置有行走平台43，该行走平台43位于变位胎体13的一侧，根据实际工作需要，操作人员可以在行走平台43上，配合焊接机器人系统3完成多关节焊接机械手35无法完成施焊的焊接作业，实现对待加工工件7加工的人机协同作业，做到工件在线完工，同时也方便根据现场实际情况进行人工监控，随时掌控焊接质量。该人机辅助操作平台4上还设置有安全距离防护传感器，用于检测人机辅助操作平台4与回转变位系统1相应位置间的距离，从而保障操作人员的人身安全。可以理解的是人机辅助操作平台4可以采取电机、液压马达等驱动方式，直线导轨、丝杠或者蜗轮蜗杆等传动方式，本实施例中升降机构42采取液压驱动方式，侧向移动机构41采取电机驱动方式，同时采取坦克链实现行走平台43升降和移动时其上所有附属线路的随动作用，具备点动及连续动作等动作功能。

本实施例中的焊接系统还设置有外围安全装置6，其出入口处设置有连接于控制系统5的安全光栅(图中未示出)，当回转变位系统1或焊接机器人系统3工作时，若有工作人员想要通过外围安全装置6进入其内，则安全光栅检测到有人员进入的信号并将该信号反馈给控制系统5，控制系统5随即控制正在作业的系统立即停止动作，以此确保作业过程中的人员安全性。

本实施例中的控制系统5如图8所示，主要由冷却水循环系统51、焊接电源及送丝控制器52、系统集成控制柜53、焊接机器人系统控制柜54、变压稳压器55构成，其中，冷却水循环系统51连接焊接机器人系统3，用来控制多关节焊接机械手35焊接作业过程中的焊接温度；焊接电源及送丝控制器52连接于焊接机器人系统3，用来实现焊接作业过程中的电弧、气压、送丝、保护气体等焊接工艺参数和生产辅料定额的动态管理；系统集成控制柜53连接于回转变位系统1、焊接机器人系统3、人机辅助操作平台4及外围安全装置6，用来实现焊接作业过程中以上四部分的协同作用，保证焊接过程的顺利高效进行；焊接机器人系统控制柜54连接于焊接机器人系统3，用来控制x轴移动机构、y轴移动机构、z轴移动机构及多关节焊接机械手35的运动；变压稳压器55用来控制多关节焊接机械手35在焊接作业过程中的焊接电压和电流，使其在作业过程中不受车间电压波动的影响。

上述系统均采用windows操作系统或其它平台，实现了焊接电源、焊接机器人系统3、回转变位系统1的全数字化控制，同时实现对多关节焊接机械手35各轴及运动控制机构各轴的工作范围、焊接作业过程中的保护气体、冷却水、电弧、气压、送丝等自动监控功能；结合焊接机器人系统3设置多层焊接专家库，具有实用的接触传感功能(焊丝接触或喷嘴接触)、电弧传感功能，激光及3d影像跟踪功能；同时具备干伸长控制功能，能够实现焊缝起始点寻位功能及坡口幅宽跟踪功能，具有多重保护和自我诊断追溯功能。

下面对本发明的上述焊接系统的工作过程加以说明：

通过车间行车吊装待加工工件7，将其粗略放置在装夹定位系统2上，然后控制系统5控制装夹定位系统2将工件自动定位夹紧，随即关闭外围安全装置6，接着通过控制系统5控制回转变位系统1带着工件进行变位翻转，将焊缝调整到最优的焊接姿态，然后控制焊接机器人系统3实施工件焊缝自动寻位、自动焊接过程，实现焊缝的最佳姿态即船型焊接，同时可通过人机辅助操作平台4实现在线人工补焊，实现整个过程的实时监控。整个作业过程高效简便，通用性强且满足全方位变位要求，焊接质量和变形控制大幅提升，同时大大降低了人力负荷，解决了大型工件的焊接现状并颠覆了新产品小批产品的生产模式，实现了柔性化生产要求。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。