一种基于埋弧焊接的机器人工作站的制作方法

本实用新型涉及一种机器人工作站，尤其涉及一种基于埋弧焊接的机器人工作站。

背景技术：

埋弧焊是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。埋弧焊固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。

当焊接大型工件时，通常会用到机器人工作站，目前用于埋弧焊接的机器人工作站应用较少，基本为关节机器人倒挂的型式。由于埋弧机头较重，这种型式的关节机器人要选择末端承载大的型号，机器人成本较高，再加上机器人倒挂需要重载悬臂架或龙门架，使得机器人工作站整体庞大，配置复杂，姿态调整不直观，操作不便，成本较高，且行走易出现晃动，焊接精度难以保证。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种基于埋弧焊接的机器人工作站，在简化了机器人工作站的结构的同时提高了机器人工作站的焊接精度，减小了机器人工作站的体积，简化操作过程，降低了成本，解决了现有技术中存在的问题。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于埋弧焊接的机器人工作站，包括龙门式的支撑平台、焊接装置、激光跟踪装置和控制器；该支撑平台沿第一方向水平运动，该支撑平台一侧滑动设有支撑架，该支撑架沿第二方向水平滑动，该第一方向与第二方向相互垂直；该支撑架上沿竖直方向滑动设有滑杆，该滑杆底部沿第一旋转方向安装第一旋转机构，该第一旋转机构中的第一旋转轴竖直设置，该第一旋转机构底部沿第二旋转方向转动安装有第二旋转机构，该第二旋转机构中的第二旋转轴平行于第一方向设置，该焊接装置安装在第二旋转轴上，该激光跟踪装置设置在该焊接装置上，该激光跟踪装置采集焊接工件的图像信息，并根据该图像信息确定该焊接工件的待焊接位置的坐标，以及将该待焊接位置的坐标发送给该控制器，该控制器根据该焊接位置坐标控制焊接装置在第一方向、第二方向、竖直方向、第一旋转方向和第二旋转方向上的运动。

优选的，该激光跟踪装置包括激光传感器和上位机，该激光传感器与上位机相连；该激光传感器随焊接装置的运动而获取焊接工件的图像信息，并将该焊接工件的图像信息，传送给上位机；该上位机根据该焊接工件的图像进行图像处理，以得到该焊接工件的焊接位置，以及计算得到该焊接位置的坐标，并将该坐标传送给控制器。

优选的，该第一旋转机构包括第一固定座和转动的第一旋转轴，该第一固定座固定安装在滑杆底部，该第一旋转轴竖直活动设置在第一固定座内。

优选的，该第二旋转机构包括固定在第一旋转轴底部的第二旋转座，该第二旋转座内转动设有第二旋转轴，该第二旋转轴沿第一方向水平设置，该焊接装置设置在第二旋转轴上。

优选的，该焊接装置包括固定在第二旋转轴上的安置台，该安置台上安装有焊枪、焊剂输送嘴和焊剂回收嘴，该焊枪与送丝机构相连，该焊剂输送嘴和焊剂回收嘴通过送料管与焊剂回收输送一体机相连；该安置台上还安装有激光传感器。

优选的，该送丝机构包括设置在支撑架上的焊丝盘和送丝机，该焊丝盘内的焊丝通过送丝机连入焊枪内。

优选的，该安置台上设有调节焊剂回收嘴方向的微调十字拖板，该微调十字拖板包括固定在安置台上的第一调节板，第一调节板内安装有第一丝杠，第一调节板外侧滑动设有第一滑座，该第一滑座与第一丝杠上的螺母固连；该第一滑座上固定安装有第二调节板，该第二调节板内安装有第二丝杠，第二调节板外侧滑动设有第二滑座，该第二滑座与第二丝杠上的螺母固连；该焊剂回收嘴固定在第二滑座上。

优选的，该第一调节板与第二调节板之间相互垂直，该第二调节板与焊剂回收嘴平行设置。

优选的，该支撑平台下方沿第一方向平行设有两条导轨，该支撑平台两端分别滑动设置在两条导轨上。

优选的，该支撑平台通过传动机构与第一伺服电机相连，该支撑架通过传动机构与第二伺服电机相连，该滑杆通过传动机构与第三伺服电机相连，该第一旋转轴通过传动机构与第四伺服电机相连，该第二旋转轴通过传动机构与第五伺服电机相连，该第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机和第五伺服电机均与控制器相连。

本实用新型实施例提供的一种基于埋弧焊接的机器人工作站，操作简单，成本低，体积小，设计合理，机械强度高。直角坐标式的机器人工作站设计，有效避免了机器人行走过程中发生晃动的情况，提高了机器人工作站的焊接精度；第二旋转轴的设计，增强了埋弧机头的灵活度，实现半球面范围内无盲点焊接；激光跟踪装置，可实现同一位置的多次或多层焊接，提高焊接质量。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种基于埋弧焊接的机器人工作站示意图；

图2为图1中a处的局部放大图；

图3为图1中b处的局部放大图；

图4为本实用新型实施例提供的焊接装置使用状态图。

图中，01、支撑平台，02、焊接装置，021、安置台，022、焊枪，023、焊剂输送嘴，024、焊剂回收嘴，025、送料管，026、焊剂回收输送一体机，027、焊丝盘，028、送丝机，03、激光跟踪装置，031、激光传感器，032、上位机，04、控制器，05、第一方向，06、第二方向，07、竖直方向，08、第一旋转方向，09、第二旋转方向，10、支撑架，11、滑杆，12、第一旋转机构，121、第一固定座，122、第一旋转轴，13、第二旋转机构，131、第二旋转座，132、第二旋转轴，14、微调十字拖板，141、第一调节板，142、第一丝杠，143、第一滑座，144、第二调节板，145、第二丝杠，146、第二滑座，15、导轨，16、工件。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本实用新型进行详细阐述。

如图1-3所示，该工作站包括龙门式的支撑平台01、焊接装置02、激光跟踪装置03和控制器04。

龙门式的支撑平台01设计，有效降低了操作平台的整体高度，易于更换焊丝和焊剂，维护方便，维护成本低。

该支撑平台01沿第一方向05水平运动，该支撑平台01下方沿第一方向05平行设有两条导轨15，该支撑平台01两端分别滑动设置在两条导轨15上。

该支撑平台01一侧滑动设有支撑架10，该支撑架10沿第二方向06水平滑动，该支撑架10上沿竖直方向07滑动设有滑杆11，该滑杆11底部沿第一旋转方向08转动安装第一旋转机构12，该第一旋转机构12底部沿第二旋转方向09转动安装有第二旋转机构13，该焊接装置02安装在第二旋转机构13上，该控制器04控制焊接装置02在第一方向05、第二方向06、竖直方向07、第一旋转方向08和第二旋转方向09上的运动。

第一旋转机构12和第二旋转机构13的设置，在保证焊接装置02灵活性的基础上，焊接装置02较现有的关节机器人，有效提高了焊接装置02的机械强度。且现有的关节机器人埋弧焊接工作站需要8-9个轴，本申请中焊接只有三个直线轴，两个旋转轴，即沿第一方向05、第二方向06或竖直方向07的直线轴和沿第一旋转方向08和第二旋转方向09的旋转轴，就可以满足埋弧焊接要求，有效简化了结构，节省制造成本，更减少了使用过程中的耗能。

该第一方向05与第二方向06相互垂直。

图2为图1中a处的局部放大图。

该第一旋转机构12包括第一固定座121和转动的第一旋转轴122，该第一固定座121固定安装在滑杆11底部，该第一旋转轴122竖直活动设置在第一固定座121内。

该第二旋转机构13包括固定在第一旋转轴122底部的第二旋转座131，该第二旋转座131内转动设有第二旋转轴132，该第二旋转轴132沿第一方向05水平设置，该焊接装置02设置在第二旋转轴132上。

该第一旋转轴122竖直设置，第二旋转轴132平行于第一方向05设置。

当第一旋转轴122和第二旋转轴132转动时，焊接装置02即可根据需要调整姿态，使焊枪022和焊剂输送嘴023对准焊接位置，精准焊接。

该支撑平台01通过传动机构与第一伺服电机相连，该支撑架10通过传动机构与第二伺服电机相连，该滑杆11通过传动机构与第三伺服电机相连，该第一旋转轴122通过传动机构与第四伺服电机相连，该第二旋转轴132通过传动机构与第五伺服电机相连，该第一伺服电机、第二伺服电机相连、第三伺服电机、第四伺服电机和第五伺服电机均与控制器04相连。

第一伺服电机带动支撑平台01沿第一方向05直线运动，第二伺服电机带动支撑架10及支撑架10上的滑杆11沿第二方向06直线运动，第三伺服电机带动滑杆11及第一旋转机构12、第二旋转机构13和焊接装置02沿竖直方向07直线运动，第四伺服电机带动第一旋转机构12、第二旋转机构13和焊接装置02在水平方向上转动，第五伺服电机带动第二旋转轴132和焊接装置02在竖直方向07上转动。

沿第一方向05、第二方向06和竖直方向07的直线轴以及沿第一旋转方向08和第二旋转方向09的旋转轴分别与各自相连的伺服电机连接，使得三个方向直线轴和两个方向旋转轴之间串联关系少，累积误差小。

该焊接装置02包括固定在第二旋转轴132上的安置台021，该安置台021上安装有焊枪022、焊剂输送嘴023和焊剂回收嘴024，该焊枪022与送丝机028构相连，该焊剂输送嘴023和焊剂回收嘴024通过送料管025与焊剂回收输送一体机026相连；该安置台021上还安装有激光传感器031。

与焊剂回收输送一体机026相连的焊剂输送嘴023和焊剂回收嘴024，用于输出和回收焊剂，焊剂回收嘴024回收未被融化的焊剂，以使焊剂得到二次利用，有效节省成本。

图3为图1中b处的局部放大图。

该送丝机028构包括设置在支撑架10上的焊丝盘027和送丝机028，该焊丝盘027内的焊丝通过送丝机028连入焊枪022内。

如图2所示，该安置台021上设有调节焊剂回收嘴024方向的微调十字拖板14，该微调十字拖板14包括固定在安置台021上的第一调节板141，第一调节板141内安装有第一丝杠142，第一调节板141外侧滑动设有第一滑座143，该第一滑座143与第一丝杠142上的螺母固连；该第一滑座143上固定安装有第二调节板144，该第二调节板144内安装有第二丝杠145，第二调节板144外侧滑动设有第二滑座146，该第二滑座146与第二丝杠145上的螺母固连；该焊剂回收嘴024固定在第二滑座146上。

该第一调节板141与第二调节板144之间相互垂直，该第二调节板144与焊剂回收嘴024平行设置。

由于焊缝形状的不同，可回收的焊剂相对焊缝的位置也会不同，本实用新型实施例提供的微调十字拖板14，可实现对焊剂回收嘴024的微调，使焊剂回收嘴024对准待回收的焊剂位置，提高焊剂的回收率，有效节省成本。例如，当大部分可回收的焊剂位于焊缝右侧时，我们可以旋动第一丝杠142，使第一滑座143及焊剂回收嘴024一起向右运动，直至到达可回收焊剂的正上方，当大部分可回收的焊剂位于焊缝左侧时，我们可以反方向旋动第一丝杠142，使第一滑座143及焊剂回收嘴024一起向左运动，直至到达可回收焊剂的正上方；同理，若可回收回收的焊剂较少，我们可以旋动第二丝杠145，使焊剂回收嘴024向下运动。

该激光跟踪装置03用于跟踪焊接位置，采集焊接工件的图像信息，并根据该图像信息确定该焊接工件的待焊接位置的坐标，以及将该待焊接位置的坐标发送给该控制器，该控制器根据该焊接位置坐标控制焊接装置在第一方向、第二方向、竖直方向、第一旋转方向和第二旋转方向上的运动。

该激光跟踪装置包括激光传感器031和上位机032，该激光传感器031与上位机032相连；该激光传感器031设置在该焊接装置02上，该激光传感器031随焊接装置02的运动而获取焊接工件16的图像信息，并将该焊接工件16的图像信息，传送给上位机032；该上位机032根据该焊接工件16的图像进行图像处理，以得到该焊接工件16的焊接位置，以及该焊接位置的坐标，并将该坐标传送给控制器04。

在一种实现方式中，上位机032接收来自激光传感器031的焊接工件的图像，通过图像处理软件识别出该图像中的焊接位置，并得到焊接位置坐标。例如，将图像读入到matlab中，matlab将图片信息转换成坐标信息，之后上位机将两个图像中相同的坐标信息提取出来，得到待焊接位置的坐标。

现有的机器人工作站一般以夹角或边缘为跟踪特征，只能跟踪第一层焊缝，第一层焊缝把跟踪特征覆盖之后，现有的跟踪装置就无法再次跟踪焊缝，无法焊接第二层、第三层……。本实用新型实施例提供了一种基于埋弧焊接的机器人工作站，该机器人工作站的激光跟踪装置03在焊接第二层或更多层时，不再以夹角或边缘为跟踪特征，而是以两个面为特征，通过图像处理软件识别出图像中的焊缝位置，实现多层焊接。具体使用时，首先由工人将工件16置于焊接装置02下方的工作台上。启动第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机和第五伺服电机，五个伺服电机带动焊接装置02在五个自由度内运动，设置在焊枪022上的激光传感器031也随焊接装置02的运动而运动。在进行第一层焊缝的焊接时，激光跟踪装置03还是以焊缝的缝隙为跟踪特征，对工件16进行焊接，机器人工作站对工件16进行第一层焊接的过程中，激光传感器031上的激光会辐射到工件16上相交的两个面上，采集工件16上两个面的图像信息，机器人工作站对工件16完成第一层焊接后，激光传感器031也收集到完整的图像信息。

激光传感器031将工件16的两个面的图像信息传送给上位机032，上位机032对该图像信息进行图像处理，主要是利用matlab软件，将图像读入到matlab软件中，选择两个图像的中心位置作为搜索的起始点。例如坐标系采用的是matlab的坐标系，原点坐标(0,0)位于任一图像的左上角，x轴是水平向右的，y轴是水平前的，因此，坐标(i,j)代表的坐标位置是位于图像的第i行第j列。

matlab将图片信息转换成坐标信息，之后上位机将两个图像中相同的坐标信息提取出来，得到待焊接位置的坐标。当对工件16的焊缝进行第二层焊接时，尽管焊缝的缝隙特征已经被覆盖了，我依然可以对工件16进行第二层焊缝的焊接，具体过程包括上位机032将焊接位置坐标信息传送给控制器04。控制器04根据上位机032确定的焊缝坐标信息，控制五个伺服电机的运行。首先确定埋弧焊接的类型是平焊还是角焊，如图4所示，当设置在第二旋转轴13上的焊枪022处于竖直状态时，可以实现平焊；当第五伺服电机控制第二旋转轴13转动一定角度，例如15度或45度时，焊枪022也就随之倾斜15度或45度，实现焊接倾斜15度或45度的角焊；；其次，确定焊缝在支撑平台01下方的延伸方向，是沿第一方向05延伸还是沿与第一方向05呈一定夹角的方向延伸，这里夹角的角度与第一旋转轴122旋转的角度相同，例如，当焊缝沿第一方向05延伸时，安置台021的初始状态是平行于第一方向05的，此时第一旋转轴122不需要转动，第一伺服电机驱动支撑平台01沿导轨15方向运动；当焊缝沿与第一方向05呈90度夹角的方向延伸时，安置台021随第一旋转轴122旋转90度，第二伺服电机驱动支撑架10沿垂直于导轨15的方向运动；当焊缝沿与第一方向呈45度夹角的方向延伸时，安置台021随第一旋转轴122旋转45度，第一伺服电机和第二伺服电机同步驱动支撑架10沿与第一方向05呈45度夹角的方向运动；当焊缝沿与第一方向05呈其他角度的方向延伸时，工作过程与45度夹角的方向相同，只是第一伺服电机和第二伺服电机的转动速率不同；最后，关于竖直方向07的运动，对于埋弧焊接来说，一般工件16焊接的都是平面，在焊接过程中，滑杆不需要上下运动，但当进行工件16有坡度的焊接时，滑杆11在焊接过程中也会随第一伺服电机和/或第二伺服电机的启动而启动，进行焊接工作。

上述具体实施方式不能作为对本实用新型实用新型保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本实用新型实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本实用新型的保护范围内。

本实用新型未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。