一种船用低速机气阀焊接机器人工作站的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种船用低速机气阀焊接机器人工作站，包括焊接机器人、焊接电源、电路控制系统及气路控制系统，所述工作站内还设有至少一台变位机及工具切换平台，所述变位机通过电路控制系统及气路控制系统与焊接机器人配合协同运动；所述工具切换平台包括分别设置于焊接机器人的后侧的焊枪工装台及打磨工装台，及固定于焊接机器人的前侧的清枪操作台；所述焊枪工装台、打磨工装台与焊接机器人之间设有免干扰装置。本发明焊接效率高，系统集成度高，自动化程度高，可满足duraspindle气阀盘底和阀面双金属焊接，从而打破低速机气阀依赖进口的现状，实现低速机气阀国产化，能够满足需要开展此项工作的市场需求。
【专利说明】
一种船用低速机气阀焊接机器人工作站
技术领域
[0001]本发明涉及一种焊接机器人工作站，具体的说是一种多工位船用船用低速机气阀焊接机器人工作站，属于焊接加工技术领域。
【背景技术】
[0002]船用低速柴油机进排气门堆焊工艺复杂，传统多采用人工方式进行堆焊操作，劳动强度大，焊接效率低，焊接一致性差，产品质量参差不齐。而气阀更是船用发动机中的关键零件，其质量直接决定了发动机的大修时间和寿命，目前国内外主要有两种低速机气阀，一种是整体Nimonic 80A材料气阀，Nimonic 80A材料强度高，耐高温性能和耐腐蚀性能好，但价格昂贵；另一种是MAN B&W公司研制的duraspindle气阀，这种气阀在盘底和阀面分别使用镍基高温合金Inconel 625和Inconel 718材料焊接，从而实现气阀关键部位的耐高温和耐腐蚀性能要求，这种气阀可延长50%的大修时间，且价格较低，极具优势。目前国内的低速机气阀使用基本依赖进口，尚无力自行生产。国外目前的低速机气阀焊接设备多采用单工位，且自动化程度较低。然而，DuraspindIe气阀需要将盘底和阀面部位焊接两种不同的镍基高温合金，其中需要将盘底整体包覆焊接Inconel 625材料，焊层厚度约12mm;阀面部位需要焊接Inconel 718材料，这就涉及到一个多层多道焊的问题，焊接过程中除电流、电压、焊枪摆宽、摆频、气体流量等参数外，还有一个非常重要的参数:层间温度，多层多道焊接中，层与层之间的温度需要严格控制，它直接影响到焊接的成型质量。在工件一层焊接完后需要等待工件冷却至要求的层间温度一下，这段时间内机器人处于等待状态，焊接效率低;焊接后的焊层表面会有焊渣、飞溅、氧化层等杂质，需要打磨装置清除，而目前多为手动清除，效率低，清理效果差；目前的焊接机器人工作站集成度较低，各个部件处于单独工作，不能联动，自动化程度较低。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题，是克服现有技术的缺点，提供一种结构合理、性能稳定，自动化程度及系统集成度高的船用低速机气阀焊接机器人工作站，能够提高焊接效率及焊接质量。
[0004]为了解决以上技术问题，本发明提供一种船用低速机气阀焊接机器人工作站，包括焊接机器人、焊接电源、电路控制系统及气路控制系统，所述电路控制系统包括机器人控制柜、机器人示教器，所述气路控制系统包括焊接气柜，其特征在于:所述工作站内还设有至少一台变位机及工具切换平台，所述变位机通过电路控制系统及气路控制系统与焊接机器人配合协同运动;所述工具切换平台包括分别设置于焊接机器人的后侧的焊枪工装台及打磨工装台，及固定于焊接机器人的前侧的清枪操作台；所述焊枪工装台、打磨工装台与焊接机器人之间设有免干扰装置；
所述电路控制系统还包括工作站总控制器，所述工作站总控制器包括机柜、安装于机柜内的PLC控制系统、安装于机柜外表面的控制面板;所述工作站总控制器通过ProfibusDP总线与机器人控制柜通讯连接，实现相互信息交互，并通过I/O模块获取传感信息，控制焊接机器人动作；
所述焊接电源通过Device net与机器人控制柜连接以控制焊接系统；
所述机器人控制柜通过电信号与变位机、机器人本体、机器人示教器、工具切换平台通讯连接；
所述气路控制系统还包括压缩空气系统，所述压缩空气系统包括空气压缩机和空气干燥器，通过管路与焊接气柜连接。
[0005]本发明进一步限定的技术方案是:前述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，变位机为L型变位机，包括L臂及固定于底座上的立柱，所述立柱通过第一减速器与L臂相连接，所述L臂包括与立柱同一平面内平行设置的立轴，所述立轴的末端向背离立柱的一侧延伸形成横轴，所述横轴的上表面固定有第二减速器，所述第二减速器的上方固定有气动卡盘;所述第一、第二减速分别机通过安装于立柱及L臂内部的伺服电机驱动控制L臂实现双轴360°旋转。
[0006]进一步的，前述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，变位机至少为一台；当变位机为一台时，与所述机器人相对放置，当变位机为两台时，所述机器人放置于两台变位机之间，当变位机为三台时，所述机器人与变位机在同一平面内互成直角摆放。
[0007]进一步的，前述的，焊接工作台包括通过固定件安装于地面的工装柜，所述工装柜的内部放置有气柜，所述工装柜的上表面设有倒置的U型焊枪定位支架，所述U型焊枪定位支架的上表面一侧安装有上部设有凹槽的焊枪定位座，另一侧固定有焊枪垫块，所述焊枪定位座的凹槽内卡接有焊枪的端部，所述焊枪的另一端固定于焊枪垫块上;所述焊枪的上部设有焊枪转接法兰，所述转接法兰的顶部与遮盖板下方的一端相触接，所述遮盖板的另一端通过旋转机构安装于气缸安装板的上端，所述气缸安装板的下端固定于焊枪定位支架上。
[0008]进一步的，前述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，焊枪为水冷焊枪，所述焊枪的柄部通过固定支架安装有温度监控机构，所述温度监控机构为红外测温装置，所述红外测温装置的测温范围为0~500°C，与工作站总控制系统通讯连接，用于测量工件焊接后的温度;所述温度监控机构的下方安装有防碰撞传感器。
[0009]进一步的，前述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，所述打磨装置工作台包括通过固定件安装于地面的工装柜，所述工装柜所述工装柜的上表面设有倒置的U型定位支架，所述U型定位支架的上表面固定有定位盘，所述定位盘内卡接有浮动打磨装置，所述浮动打磨装置的一侧通过法兰支架固定有打磨连接法兰，所述法兰支架通过侧定位块与侧定位支架固定连接，所述侧定位支架固定于定位支架上。
[0010]进一步的，前述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，焊枪与浮动打磨装置分别通过气动快换器与机器人第六轴法兰盘相连接。
[0011]进一步的，前述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，变位机的L臂下方设有自动升降台，通过安装于内部的高度感应器控制升降。
[0012]进一步的，前述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，清枪操作台包括底座及固定安装于底座上的支架，所述支架上设有清枪机构、剪丝机构及喷防溅液机构;所述清枪机构包括旋转铰刀及电机，所述电机驱动旋转铰刀转动;所述剪丝机构包括剪丝器及驱动剪丝器运动的驱动机构，所述剪丝器的正下方设有托盘;所述喷防溅液机构包括喷头、油壶、栗、防溅液容器、废液容器，所述油壶外置于支架一侧，所述喷头置于所述油壶中，所述栗连接防溅液容器和喷头，所述油壶底部设有废液出口，所述废液出口通过管道连接废液容器。
[0013]进一步的，前述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，平衡架包括固定于地面的高度可调节的平衡架支座，所述平衡架支座的顶端通过轴承与平衡架支架梁的一端固定连接，所述平衡架支架梁与平衡架支座在同一平面相互垂直;所述平衡架支架梁上安装有直线导轨，通过直线导轨悬挂有一组平衡器悬挂板，所述平衡器悬挂板的末端固定有弹簧平衡器93，所述弹簧平衡器通过平衡器悬挂板沿直线导轨往复滑动;所述平衡架支架梁的另一端则设置有用以限位平衡器悬挂板的导轨挡板。
[0014]本发明的有益效果是:本发明的船用低速机气阀焊接机器人工作站，根据不同的需求，在工作站内放置多台变位机，采用多工位焊接，提高了工件的焊接效率;同时，在焊枪上设置的红外测温仪可精确控制焊接层间温度，提高焊接质量;通过设置气动快换器，实现机器人与焊枪及打磨装置的快速切换，自动化程度高;且，所有的设备组件均与工作站总控制器通讯，系统集成度高，可实现焊接工作的一键完成。
[0015]本发明焊接效率高，系统集成度高，自动化程度高，可满足duraspindle气阀盘底和阀面双金属焊接，从而打破低速机气阀依赖进口的现状，实现低速机气阀国产化，能够满足需要开展此项工作的市场需求。
【附图说明】
[0016]图1为本发明结构示意图。
[0017]图2为本发明的侧视图。
[0018]图3为本发明的变位机结构示意图。
[0019]图4为本发明的快换器结构示意图。
[0020]图5为本发明的焊枪工装台结构示意图。
[0021 ]图6为本发明的打磨装置工装台结构示意图。
[0022]图7为本发明的焊枪结构示意图。
[0023]图8为本发明的清枪结构示意图。
[0024]图9为本发明的清枪结构俯视图。
[0025]图10为本发明的平衡架结构示意图。
[0026]图11为本发明的控制系统原理图。
【具体实施方式】
[0027]本实施例提供的一种船用低速机气阀焊接机器人工作站，结构如图1至图6所示，包括焊接机器人、控制系统、双轴L型变位机及工具切换平台。
[0028]其中，焊接机器人设置于工作站的中心位置，变位机可设置多台。当变位机为单台摆放时，与焊接机器人面对面放置;为双台摆放时，则位于焊接机器人的两侧；当为3台时，则与机器人各呈90度摆放，满足多工位焊接。本实施例中变位机选用的数量为双台。
[0029]该双轴L型变位机7包括L臂25及固定于底座上的立柱27，立柱的内部设有第一伺服电机，第一伺服电机与第一减速器26相连接，而立柱则通过第一减速器与L臂相连接。L臂则包括与立柱同一平面内平行设置的立轴，该立轴的末端向背离立柱的一侧延伸形成横轴，而在横轴的内部则设有第二伺服电机，该横轴通过第二伺服电机与其上表面的第二减速器21相连接，在第二减速器的上方固定有气动卡盘22，通过气动卡盘卡接工件，气动卡盘将工件准确定位和可靠夹紧，与PLC通过硬接线通讯，夹紧信号和打开信号由PLC控制
工具切换平台包括焊接工装台15、打磨装置工装台16及清枪操作台9。其中，焊接工装台及打磨装置工装台分别设置于焊接机器人的后侧两端，而清枪操作台则设置于焊接机器人的前方。
[0030]焊接工作台包括通过固定件安装于地面的工装柜47，该工装柜的内部放置有气柜48，而在工装柜的上表面则设有倒U型的焊枪定位支架41，该焊枪定位支架的上表面一侧安装有上部设有凹槽的焊枪定位座42，另一侧固定有焊枪垫块46，在焊枪定位座的凹槽内卡接有焊枪的端部，而焊枪的另一端则固定于焊枪垫块上。同时，在焊枪的上部设有焊枪转接法兰43，转接法兰的顶部与遮盖板45下方的一端相触接，而遮盖板的另一端则通过旋转机构安装于气缸安装板44的上端，气缸安装板的下端则固定于焊枪定位支架上。本实施例中选用的焊枪为水冷焊枪，该焊枪包括焊枪颈部63及焊枪柄部64。其中，焊枪颈部具有向下弯延的喷嘴62，在喷嘴的内部放置有镍基合金的焊丝61。而焊枪的柄部则通过固定支架安装有温度监控机构，本实施例中温度监控机构为红外测温装置65，测温范围为O?500 °C，与工作站总控制系统通讯连接，用于测量工件焊接后的温度。在温度监控机构的下方还安装有防碰撞传感器66。
[0031]打磨装置工作台同样也包括通过固定件安装于地面的工装柜51，在工装柜所述工装柜的上表面也设有倒U型的定位支架56，在定位支架的上表面通过连接件固定有定位盘52，通过定位盘卡接有浮动打磨装置，而浮动打磨装置的一侧通过法兰支架55固定有打磨连接法兰53，同时法兰支架通过侧定位块54与侧定位支架固定连接，而侧定位支架固定于定位支架上。在浮动打磨装置的前端装有钢丝刷头，通过供气系统实现该浮动打磨装置的浮动，使钢丝刷头高速旋转，用于打磨清洁焊接面。
[0032]同时，焊枪及浮动打磨装置分别通过安装于焊接机器人第6轴31末端的气动快换器与各自的连接法兰连接，实现焊枪及打磨装置的快速切换。
[0033]该快换器包括主盘及工具盘，主盘的上端连接有端盖，在端盖内还设置有微动开关，端盖上端设置有用于连接机器人法兰的第一连接件，端盖上端还设置有定位销孔，主盘内设置有活塞，活塞的外周设置有保持架，保持架与主盘一体成型;还设置有与活塞匹配的活塞连接件，活塞连接件的一端位于端盖内，另一端伸入主盘与活塞匹配，工具盘内设置有连接圈，连接圈与工具盘一体成型;并在工具盘与活塞之间设置有定位钢珠，保持架下端设置有与定位钢珠配合的定位孔。
[0034]清枪操作台包括底座及固定安装与底座上的支架。在支架上安装有清枪机构、剪丝机构及喷防溅液机构；该清枪机构包括旋转铰刀85及电机82，通过电机驱动旋转铰刀转动；而剪丝机构包括剪丝器83及驱动剪丝器运动的驱动机构，在剪丝器的正下方设有托盘81;防喷溅液机构包括喷头、油壶、栗、防溅液容器、废液容器，油壶84外置位于支架上，喷头则置于所述油壶中，而栗连接防溅液容器和喷头，同时，在油壶底部还设有废液出口，该废液出口通过管道连接废液容器。
[0035]而在焊接工装台、打磨装置工装台与变位机之间还对称设置有平衡架5，以固定焊枪软管、水管和打磨装置气管、电缆等。该平衡架包括固定于地面的高度可调节的平衡架支座91，而在平衡架支座的顶端通过轴承92与平衡架支架梁94的一端固定连接，该平衡架支架梁与平衡架支座在同一平面相互垂直。平衡架支架梁上安装有直线导轨，通过直线导轨悬挂有一组平衡器悬挂板95，而在平衡器悬挂板的末端则固定有弹簧平衡器93。该弹簧平衡器通过平衡器悬挂板沿直线导轨往复滑动。在平衡架支架梁的另一端则设置有导轨挡板96，用以限位平衡器悬挂板。
[0036]控制系统则包括设置于焊枪工装台后方的焊接气柜1、焊接电源2、机器人控制柜3，及设置于清枪操作台前方的工作站总控制器10。其中，焊接电源通过Device net与机器人控制柜连接以控制焊接系统，而机器人控制柜通过电信号与变位机、机器人本体、机器人示教器、清枪操作台、焊枪工装台及打磨工装台相连接;工作站总控制器设有触摸屏、PLC及相关低压配件，通过Profibus DP总线与机器人控制系统通讯，实现相互信息交互，并通过I/O模块获取传感信息，控制个气缸动作。压缩空气系统包括空气压缩机和空气干燥器，通过气路与焊接气柜连接。
[0037]工作站总控制系统采用PLC为主控制器，与机器人控制器、变位机气动卡盘、焊接电源、打磨装置、清枪装置、红外测温装置、气动快换器灯相通讯，在PLC控制系统内建立工件信息管理系统，再通过机器人示教器将相应工件的机器人焊接轨迹记录在机器人控制器内，通过建立零件和焊接参数等相关数据，焊接前仅需输入产品名称型号等信息即可实现一键式自动化焊接，同时焊接时的各种参数直观的显示在监视屏上，操作员在工作站外部对整个系统进行操作，监控生产进程，安全高效;工件焊接时的焊接参数、工件信息、产品信息等记录在PLC中，可通过USB设备导出，方便追溯产品生产过程。
[0038]机器人工作站的具体动作如下:
具体使用时，先将机器人调到示教模式，通过示教盒对机器人进行编程，确定焊枪运动的姿态与运动轨迹，并示教好取枪、放枪、取打磨装置、打磨程序、放打磨装置等动作程序然后在进行焊接时再将机器人调到自动模式，焊枪即会按照示教模式编好的程序运动焊接。
[0039]选择好需要焊接的工件和所需变位机台位后，通过吊装设备自动上料，机器人工作站的机器人主控制器在收到吊装设备的上料信号后，通过I/O模块控制变位机打开卡盘，并操纵吊装设备移动，并将工件放置到位，点击触摸屏选择相应工作台位进行夹装，操纵吊装设备放下工件，卡盘夹紧，完成工件安装。
[0040]并在工作站总控制器的触摸屏上继续选择对应的工件型号、图号、工号、和焊接程序等参数，在自动运行页面点击相应台位的运行按钮，系统便操纵机器人开始进入自动焊接程序。
[0041]机器人运动取焊枪，运动至I号变位机，焊接I号工件，焊完I层后，进行清枪剪丝工序，然后放下焊枪，取打磨装置，对焊完的I号工件进行打磨，打磨完成后放下打磨装置，取焊枪，运动至2号变位机，焊接2号工件，焊完I层后，进行清枪剪丝工序，然后放下焊枪，取打磨装置，对焊完的2号工件进行打磨，打磨完成后放下打磨装置，取焊枪，如此循环，直至焊完两个工件，清枪，打磨，放枪，焊接结束。由于在焊接中会涉及到多层焊接，需要控制层间温度，通过红外测温系统检测工件的温度，并通过模拟量通讯向机器人主控制器传递传感信息，当工件冷却至要求的温度以下时，机器人自动进行后续焊接。
[0042]操纵吊装设备夹住工件，卡盘松开，并操纵吊装设备取走工件。
[0043]除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
【主权项】
1.一种船用低速机气阀焊接机器人工作站，包括焊接机器人、焊接电源、电路控制系统及气路控制系统，所述电路控制系统包括机器人控制柜、机器人示教器，所述气路控制系统包括焊接气柜，其特征在于:所述工作站内还设有至少一台变位机及工具切换平台，所述变位机通过电路控制系统及气路控制系统与焊接机器人配合协同运动;所述工具切换平台包括分别设置于焊接机器人的后侧的焊枪工装台及打磨工装台，及固定于焊接机器人的前侧的清枪操作台；所述焊枪工装台、打磨工装台与焊接机器人之间设有免干扰装置； 所述电路控制系统还包括工作站总控制器，所述工作站总控制器包括机柜、安装于机柜内的PLC控制系统、安装于机柜外表面的控制面板;所述工作站总控制器通过ProfibusDP总线与机器人控制柜通讯连接，实现相互信息交互，并通过I/O模块获取传感信息，控制焊接机器人动作； 所述焊接电源通过Device net与机器人控制柜连接以控制焊接系统； 所述机器人控制柜通过电信号与变位机、机器人本体、机器人示教器、工具切换平台通讯连接； 所述气路控制系统还包括压缩空气系统，所述压缩空气系统包括空气压缩机和空气干燥器，通过管路与焊接气柜连接。2.根据权利要求1所述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，其特征在于:所述变位机为L型变位机，包括L臂及固定于底座上的立柱，所述立柱通过第一减速器与L臂相连接，所述L臂包括与立柱同一平面内平行设置的立轴，所述立轴的末端向背离立柱的一侧延伸形成横轴，所述横轴的上表面固定有第二减速器，所述第二减速器的上方固定有气动卡盘;所述第一、第二减速分别机通过安装于立柱及L臂内部的伺服电机驱动控制L臂实现双轴360°旋转。3.根据权利要求1所述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，其特征在于:所述变位机至少为一台；当变位机为一台时，与所述机器人相对放置，当变位机为两台时，所述机器人放置于两台变位机之间，当变位机为三台时，所述机器人与变位机在同一平面内互成直角摆放。4.根据权利要求1所述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，其特征在于:所述焊接工作台包括通过固定件安装于地面的工装柜，所述工装柜的内部放置有气柜，所述工装柜的上表面设有倒置的U型焊枪定位支架，所述U型焊枪定位支架的上表面一侧安装有上部设有凹槽的焊枪定位座，另一侧固定有焊枪垫块，所述焊枪定位座的凹槽内卡接有焊枪的端部，所述焊枪的另一端固定于焊枪垫块上;所述焊枪的上部设有焊枪转接法兰，所述转接法兰的顶部与遮盖板下方的一端相触接，所述遮盖板的另一端通过旋转机构安装于气缸安装板的上端，所述气缸安装板的下端固定于焊枪定位支架上。5.根据权利要求或4所述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，其特征在于:所述焊枪为水冷焊枪，所述焊枪的柄部通过固定支架安装有温度监控机构，所述温度监控机构为红外测温装置，所述红外测温装置的测温范围为O?500°C，与工作站总控制系统通讯连接，用于测量工件焊接后的温度;所述温度监控机构的下方安装有防碰撞传感器。6.根据权利要求1所述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，其特征在于:所述打磨装置工作台包括通过固定件安装于地面的工装柜，所述工装柜所述工装柜的上表面设有倒置的U型定位支架，所述U型定位支架的上表面固定有定位盘，所述定位盘内卡接有浮动打磨装置，所述浮动打磨装置的一侧通过法兰支架固定有打磨连接法兰，所述法兰支架通过侧定位块与侧定位支架固定连接，所述侧定位支架固定于定位支架上。7.根据权利要求1所述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，其特征在于:所述焊枪与浮动打磨装置分别通过气动快换器与机器人第六轴法兰盘相连接。8.根据权利要求6所述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，其特征在于:所述变位机的L臂下方设有自动升降台，通过安装于内部的高度感应器控制升降。9.根据权利要求1所述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，其特征在于:所述清枪操作台包括底座及固定安装于底座上的支架，所述支架上设有清枪机构、剪丝机构及喷防溅液机构;所述清枪机构包括旋转铰刀及电机，所述电机驱动旋转铰刀转动;所述剪丝机构包括剪丝器及驱动剪丝器运动的驱动机构，所述剪丝器的正下方设有托盘;所述喷防溅液机构包括喷头、油壶、栗、防溅液容器、废液容器，所述油壶外置于支架一侧，所述喷头置于所述油壶中，所述栗连接防溅液容器和喷头，所述油壶底部设有废液出口，所述废液出口通过管道连接废液容器。10.根据权利要求1所述的船用低速机气阀焊接机器人工作站，其特征在于:所述免干扰装置为支撑软管的平衡架包括固定于地面的高度可调节的平衡架支座，所述平衡架支座的顶端通过轴承与平衡架支架梁的一端固定连接，所述平衡架支架梁与平衡架支座在同一平面相互垂直;所述平衡架支架梁上安装有直线导轨，通过直线导轨悬挂有一组平衡器悬挂板，所述平衡器悬挂板的末端固定有弹簧平衡器，所述弹簧平衡器通过平衡器悬挂板沿直线导轨往复滑动;所述平衡架支架梁的另一端则设置有用以限位平衡器悬挂板的导轨挡板。
【文档编号】B23P23/00GK106041531SQ201610597500
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月26日 公开号201610597500.7, CN 106041531 A, CN 106041531A, CN 201610597500, CN-A-106041531, CN106041531 A, CN106041531A, CN201610597500, CN201610597500.7
【发明人】贾连军, 衷爱东, 刘会纳, 赵大忠, 鲍海波, 胡期翔, 鲁宏, 丁国娣, 陈文彬, 李翔
【申请人】南京国际船舶设备配件有限公司