一种装配式钢管束组合结构体系的焊接机的制作方法

1.本发明涉及土木工程施工设备技术领域，具体而言，涉及一种装配式钢管束组合结构体系的焊接机。


背景技术：

2.装配式钢管束组合结构体系是一种新型的钢结构与混凝土结构复合而成的组合结构体系。具有轻质高强、防火抗震和低碳绿色等一系列优点。因此，该新型结构体系在全国范围内尤其是山地丘陵地区工业民用建筑领域引起了广泛的关注和应用。
3.在当前施工技术水平条件下，装配式钢管束组合结构体系中的钢管束剪力墙片间的竖向对接和箱型钢柱与其纵向的对接主要采用全熔透焊缝形式的焊条电弧焊焊接形式，普遍存在焊接作业自动化程度低，焊接位置可达性差和高空危险作业等问题，此外，上述作业过程中均需两名焊工实施对称焊接，现场多种影响因素的干扰下，对称焊接操作难度高，同步性难以保证，因此，焊接质量往往缺乏稳定性。
4.有鉴于此，申请人在研究了现有的技术后特提出本技术。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种装配式钢管束组合结构体系的焊接机，旨在改善上述问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种装配式钢管束组合结构体系的焊接机，其包含第一支撑组件、第二支撑组件、第一驱动组件、第三支撑组件、第二驱动组件、焊接组件和控制组件。
7.第一支撑组件用以可拆卸的配置于外部物体；
8.第二支撑组件以能够沿着第一方向移动的方式配置于所述第一支撑组件；
9.第一驱动组件配置于所述第二支撑组件，用以驱动所述第二支撑组件沿所述第一方向滑动；
10.第三支撑组件以能够沿着第二方向移动的方式配置于所述第二支撑组件；
11.第二驱动组件配置于所述第三支撑组件，用以驱动所述第三支撑组件沿所述第二方向滑动；
12.焊接组件配置于所述第三支撑组件，用以焊接装配式钢管束组合；所述焊接组件包括配置于所述第三支撑组件的直线电机、配置于所述直线电机输出端的伺服电机，以及配置于所述伺服电机输出端的电控焊枪和位姿传感器；
13.控制组件配置于所述第三支撑组件且电连接于所述第一驱动组件、所述第二驱动组件、所述直线电机、所述伺服电机、所述电控焊枪，以及所述位姿传感器；
14.所述直线电机能够驱动所述伺服电机沿着第三方向移动；所述伺服电机能够驱动所述电控焊枪和所述位姿传感器转动；在所述第一支撑组件配置于装配式钢管束组合的表面时，所述第一方向和所述第二方向平行于装配式钢管束组合的表面，所述第三方向垂直于装配式钢管束组合的表面。
15.在一个可选的实施例中，所述第一支撑组件包括沿着第一方向设置的至少两根导向杆、用以连接所述导向杆的横梁、配置于所述导向杆或所述横梁的至少三个顶杆式高度可调支座,以及配置于所述顶杆式高度可调支座输出端的永磁式吸盘；
16.所述永磁式吸盘用以吸附于装配式钢管束组合；所述顶杆式高度可调支座沿着所述第三方向设置，且能够调节所述永磁式吸盘和所述导向杆之间的距离。
17.在一个可选的实施例中，所述第二支撑组件包括沿着第二方向设置的轨道和配置于所述轨道的导向管；所述导向管用以套置于所述导向杆，以使所述轨道能够沿着第一方向移动；所述轨道设置于所述导向杆靠近装配式钢管束组合的一侧。
18.在一个可选的实施例中，所述第一方向垂直于所述第二方向；
19.所述横梁为杆状结构；所述导向杆的轴向和所述横梁的轴向垂直；
20.所述横梁和所述导向杆之间通过紧固件可拆卸的连接。
21.在一个可选的实施例中，所述第一驱动组件包括沿着所述第一方向配置于所述横梁的齿条、配置于所述轨道的步进电机，以及配置于所述步进电机的输出端的主动齿轮；所述主动齿轮用以和所述齿条配合，以在所述电机的驱动下带动所述轨道沿着第一方向移动；
22.所述第一支撑组件包括平行设置的两根所述横梁；所述齿条的两端分别通过紧固件可拆卸的配置于所述横梁；
23.所述步进电机通过电机支座配置于所述轨道；所述电机支座通过螺栓固定于所述轨道的中间位置。
24.在一个可选的实施例中，所述永磁式吸盘设置有拨杆开关；所述顶杆式高度可调支座包括第一顶杆和套置于所述第一顶杆的第二顶杆；所述第一顶杆和所述第二顶杆之间通过定位插销来调整位置，以改变所述顶杆式高度可调支座的长度；
25.所述顶杆式高度可调支座可拆卸的配置于所述导向杆的端部。
26.在一个可选的实施例中，所述第三支撑组件包括用以安装所述焊接组件的平台；所述第三支撑组件配置于所述轨道靠近装配式钢管束组合的一侧；
27.所述第二驱动组件包括配置于所述平台靠近所述轨道一侧的自锁悬架、橡胶轮和弹性件，以及配置于所述平台远离所述轨道一侧的驱动电机；所述自锁悬架为两个悬臂中间铰接形成的x形铰接结构；所述橡胶轮的数量为4个，分别通过悬臂滚轴配置于所述悬臂的端部靠近所述轨道的一侧；悬臂的两端分别位于所述轨道的两侧，以在弹性件的作用下驱使4个所述橡胶轮夹持于所述轨道；所述驱动电机的输出端穿过所述平台，以驱动一个所述橡胶轮转动。
28.在一个可选的实施例中，所述橡胶轮轮面中线处设置有矩形凹槽；所述轨道的两侧设置有用以嵌入所述矩形凹槽的限位凸缘。
29.在一个可选的实施例中，所述导向杆的数量为两根；两根所述导向杆平行设置；
30.所述驱动电机的输出端设置有传动轮，所述传动轮摩擦连接于一个所述橡胶轮；
31.所述悬臂为矩形截面钢梁；所述弹性件为复位拉簧。
32.在一个可选的实施例中，所述焊接组件还包括配置于所述伺服电机端部，用以调整所述电控焊枪和所述位姿传感器角度的转动关节；
33.所述焊接组件还包括配置于所述平台的被动双目深度相机；
34.所述控制组件电连接于所述转动关节和所述被动双目深度相机节。
35.通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：
36.本发明的焊接机通过第一支撑组件、第二支撑组件和第三支撑组件之间组成的所述轨道移动系统，实现了平面运动方向的全覆盖。并通过述双自由度的焊接组件实现焊接系统进行安装面外法向运动和焊枪作业过程中的位姿调整，从而使得所述智能焊接机在所述结构体系焊接作业中具备了全空间可达性。
37.本发明的附加方面和技术优势将在下文中的描述中部分给出或变得明显，或通过本发明的实践加以进一步阐述。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
39.图1是焊接机配置在装配式钢管束组合上的结构示意图。
40.图2是第一支撑组件的结构示意图。
41.图3是第二支撑组件和第三支撑组件的结构示意图
42.图4是第三支撑组件和焊接组件的结构示意图。
43.图中标记：1-轨道、2-导向杆、3-横梁、4-永磁式吸盘、5-顶杆式高度可调支座、6-齿条、7-主动齿轮、8-导向管、9-第三支撑组件、10-步进电机、11-螺栓、12-自锁悬架、13-复位拉簧、14-驱动电机、15-传动轮、16-橡胶轮、17-矩形凹槽、18-平台、19-限位凸缘、20-拨杆开关、21-定位插销、22-被动双目深度相机、23-控制组件、24-直线电机、25-伺服电机、26-电控焊枪、27-位姿传感器、a-钢管束剪力墙片、b-箱型钢柱、c-纵向接缝、d-横向接缝。
具体实施方式
44.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
45.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
46.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
47.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
48.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
49.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
50.由图1至图4所示，本发明实施例提供了一种装配式钢管束组合结构体系的焊接机，其包含第一支撑组件、第二支撑组件、第一驱动组件、第三支撑组件9、第二驱动组件、焊接组件和控制组件23。
51.第一支撑组件用以可拆卸的配置于外部物体。第二支撑组件以能够沿着第一方向移动的方式配置于第一支撑组件。第一驱动组件配置于第二支撑组件，用以驱动第二支撑组件沿第一方向滑动。第三支撑组件9以能够沿着第二方向移动的方式配置于第二支撑组件。第二驱动组件配置于第三支撑组件9，用以驱动第三支撑组件9沿第二方向滑动。
52.焊接组件配置于第三支撑组件9，用以焊接装配式钢管束组合。焊接组件包括配置于第三支撑组件9的直线电机24、配置于直线电机24输出端的伺服电机25，以及配置于伺服电机25输出端的电控焊枪26和位姿传感器27。控制组件23配置于第三支撑组件9且电连接于第一驱动组件、第二驱动组件、直线电机24、伺服电机25、电控焊枪26，以及位姿传感器27。
53.直线电机24能够驱动伺服电机25沿着第三方向移动。伺服电机25能够驱动电控焊枪26和位姿传感器27转动。在第一支撑组件配置于装配式钢管束组合的表面时，第一方向和第二方向平行于装配式钢管束组合的表面，第三方向垂直于装配式钢管束组合的表面。
54.如图1所示，需要说明的是，装配式钢管束组合包括钢管束剪力墙片a和箱型钢柱b。在装配中，需要进行焊接的地方有钢管束剪力墙片a与箱型钢柱b之间的纵向接缝c和钢管束剪力墙片a之间的横向接缝d。
55.本发明的焊接机通过第一支撑组件、第二支撑组件、第三支撑组件9、第一驱动组件和第二驱动组件组成轨道1移动系统，实现了平面运动方向的全面覆盖。并且，通过直线电机24和伺服电机25组成了双自由度的焊接组件，实现了焊接机在安装面外法向运动和焊枪作业过程中的位姿调整，从而使得智能焊接机在结构体系焊接作业中具备了全空间可达性，以使焊接机能够对装配式钢管束组合的任意位置进行全熔透对称焊接，具有很好的实际意义。
56.如图1和图2所示，在上述实施例的基础上，本发明一可选实施例中，第一支撑组件包括沿着第一方向设置的至少两根导向杆2、用以连接导向杆2的横梁3、配置于导向杆2或横梁3的至少三个顶杆式高度可调支座5,以及配置于顶杆式高度可调支座5输出端的永磁式吸盘4。永磁式吸盘4用以吸附于装配式钢管束组合。顶杆式高度可调支座5沿着第三方向设置，且能够调节永磁式吸盘4和导向杆2之间的距离。
57.具体的，第一支撑组件包括平行竖向设置的两根导向杆2、平行横向设置的两根横梁3。导向杆2和横梁3可以根据实际的装配式钢管束组合选取合适的长度，使得焊接机能够适应不同尺寸的装配式钢管束组合。因此，导向杆2和横梁3之间通过紧固件可拆卸的连接。
58.如图2所示，在本实施例中，两横梁3的端部配置在两导向杆2的中间。即导向杆2的端部自横梁3向外延伸。并且，在导向杆2的端部均配置有顶杆式高度可调支座5。
59.可以理解的是，在其它实施例中，可以将导向杆2的端部可拆卸的配置在横梁3的中部。而将顶杆式高度可调支座5配置在横梁3的端部，同样能够形成一四边形的支架结构。本发明对导向杆2、横梁3、顶杆式高度可调支座5之间的位置关系不做具体限定，只要其能够固定在装配式钢管束组合上，且为第二支撑组件提供支撑和第一方向上的导向即可。
60.如图2所示，在上述实施例的基础上，本发明一可选实施例中，永磁式吸盘4设置有拨杆开关20。通过拨杆开关20能够切换永磁式吸盘4的元件的方向，从而在吸附和脱离之间进行切换。以快速的配置于装配式钢管束组合
61.在本实施例中，顶杆式高度可调支座5包括第一顶杆和套置于第一顶杆的第二顶杆。第一顶杆和第二顶杆之间通过定位插销21来调整位置，以改变顶杆式高度可调支座5的长度。在其它实施例中，可以采用螺杆式伸缩结构，或者螺栓11插销等其它结构来实现伸缩功能。本发明对顶杆式高度可调支座5的具体结构不做限定，只要其能够调节自身的长度，从而调整第一支撑结构和装配式钢管束组合的法相高度，以适配不同的工作环境即可。
62.永磁式吸盘4和顶杆式高度可调支座5使得第一支撑组件具备了在个空间主方向上的自由度。实现可移动轨道1在安装过程中的高度、宽度和前后方向的自由调整，显著降低了现场安装过程中的几何对中难度，提高了施工便利性。
63.如图3所示，在上述实施例的基础上，本发明一可选实施例中，第二支撑组件包括沿着第二方向设置的轨道1和配置于轨道1的导向管8。导向管8用以套置于导向杆2，以使轨道1能够沿着第一方向移动。轨道1设置于导向杆2靠近装配式钢管束组合的一侧。具体的，导向管8套置于导向杆2上，从而能够在导向杆2上滑动。第一支撑组件通过顶杆式高度可调支座5和永磁式吸盘4平行的配置在装配式钢管束组合上。可滑动的轨道1配置于所述导向管8上靠近装配式钢管束组合的一侧，以为第三支撑组件9提供支撑。
64.优选的，所述轨道1为矩形断面钢制轨道1。横梁3为杆状结构。导向杆2的轴向和横梁3的轴向垂直。并且，第一方向垂直于第二方向。将第一方向和第二方向垂直设置，以构成一直角坐标系统，以便于控制组件23，能够更快速的定位到焊接位置的坐标。
65.如图1至图3所示，在上述实施例的基础上，本发明一可选实施例中，第一驱动组件包括沿着第一方向配置于横梁3的齿条6、配置于轨道1的步进电机10，以及配置于步进电机10的输出端的主动齿轮7。主动齿轮7用以和齿条6配合，以在电机的驱动下带动轨道1沿着第一方向移动。第一支撑组件包括平行设置的两根横梁3。齿条6的两端分别通过紧固件可拆卸的配置于横梁3。步进电机10通过电机支座配置于轨道1。电机支座通过螺栓11固定于
轨道1的中间位置。
66.在本实施例中，齿条6为单边齿条6结构，两端通过螺栓11连接至所述支撑结构的上下横梁3的跨中位置，为可移动轨道1提供运动导向和锚定作用。另一方面，该构件也作为所述支撑结构的结构件，参与承担、传递所述支撑结构的工作荷载。
67.具体的，步进电机10通过电机支座和螺栓11固定于轨道1的背面跨中位置。其中，主动齿轮7固结于步进电机10转子端部，且其轴线位于轨道1的中点。主动齿轮7在步进电机10的驱动下，通过和齿条6的啮合，将步进电机10的转动力矩转化为可移动轨道1沿导向杆2的直线运动，从而实现可移动轨道1在不同焊线间的跳转。
68.如图1和图2所示，在上述实施例的基础上，本发明一可选实施例中，第三支撑组件9包括用以安装焊接组件的平台18。第三支撑组件9配置于轨道1靠近装配式钢管束组合的一侧。
69.第二驱动组件包括配置于平台18靠近轨道1一侧的自锁悬架12、橡胶轮16和弹性件，以及配置于平台18远离轨道1一侧的驱动电机14。自锁悬架12为两个悬臂中间铰接形成的x形铰接结构。橡胶轮16的数量为4个，分别通过悬臂滚轴配置于悬臂的端部靠近轨道1的一侧。悬臂的两端分别位于轨道1的两侧，以在弹性件的作用下驱使4个橡胶轮16夹持于轨道1。驱动电机14的输出端穿过平台18，以驱动一个橡胶轮16转动。
70.优选的，橡胶轮16轮面中线处设置有矩形凹槽17。轨道1的两侧设置有用以嵌入矩形凹槽17的限位凸缘19。驱动电机14的输出端设置有传动轮15，传动轮15摩擦连接于一个橡胶轮16。悬臂为矩形截面钢梁。弹性件为复位拉簧13。
71.具体的，第二驱动组件配置于第三支撑组件9。两根悬臂均可转动的配置于平台18，且两根悬臂在中部位置铰接，以形成x形铰接结构。自锁悬架12为两根矩形截面钢梁通过中间铰支形成的x形机构，其各自半臂通过复位拉簧13进行连接。
72.自锁悬架12四个端点处通过悬臂滚轴各自连接一个轮面中线处带矩形断面开槽的实心橡胶轮16组成运动轮系。其中，下侧单轮为驱动轮，其余三轮为从动轮。
73.驱动电机14通过螺栓11固定于平台18背面，传动轮15固定连接于驱动电机14转子端部，并与驱动轮摩擦连接。
74.第一支撑组件和第二支撑组件安装完成后，第三支撑组件9和第二驱动组件即可从轨道1端部入轨。运动轮系在自锁紧悬架所属的复位拉簧13的作用下，自动紧密压实在轨道1的开行面上，轨道1上的限位凸缘19嵌合于运动轮系表面凹槽内，以提供运动导向并防止运动小车脱轨。
75.如图1和图2所示，在上述实施例的基础上，本发明一可选实施例中，焊接组件还包括配置于伺服电机25端部，用以调整电控焊枪26和位姿传感器27角度的转动关节。焊接组件还包括配置于平台18的被动双目深度相机22。控制组件23电连接于转动关节和被动双目深度相机22节。其中，所述被动双目深度相机22为双目视觉传感器。
76.控制组件23为基于linux内核的嵌入式硬件平台18，硬件平台18通过通用i/o通信接口分别连接步进电机10、驱动电机14、被动双目深度相机22、直线电机24、伺服电机25、电控焊枪26、位姿传感器27和转动关节。
77.具体的，焊接组件包含了由直线电机24构成的平动关节和伺服电机25构成的扭转关节。相应地，在第二支撑组件和第三支撑组件9所具有的空间自由度的基础上，固定于伺
服电机25输出端的电控焊枪26具有四空间自由度(三个空间平动自由度和一个扭转自由度)，能够满足焊枪空间任意位姿的调整需求，并且通过转动关节能够更加准确的调整电控焊枪26的焊接角度。
78.此外，在本发明的控制组件23中，存储有计算机程序。所述控制组件23能够执行所述计算机程序，并控制第一驱动组件、第二驱动组件和焊接组件以实现如下步骤：
79.s1、获取双目深度相机所拍摄的图片，并通过接缝识别模型识别焊接特征参数；其中，所述焊接特征参数包括焊缝位置和焊接坡口等。
80.s2、获取位姿传感器27反馈的实时电控焊枪26的空间位姿。
81.s3、根据所述焊接特征参数和所述空间位姿，闭环调整所述电控焊枪26的焊接位姿。
82.s4、根据所述第一驱动组件和所述第二驱动组件反馈的位置信息，驱动所述第三支撑组件9移动，以实现焊接轨迹调整和焊线间的跳转，从而装配式钢管束组合进行焊接。
83.更具体地，基于深度学习的结构(a、b)接缝识别模型是事先训练好的深度学习模型，该模型可以自动分析处理被动双目深度相机22扫略开行过程中实时采集的视频文件，并识别出其中含有结构接缝的帧，通过帧的绝对时间匹配基于mems芯片的位姿传感器27所记录的同一时刻处的位置，从而完成结构接缝(焊缝)的定位和焊接作业，应该指出的是该匹配过程同样可以通过惯性传感器等其他方式完成。
84.具体的，所述接缝识别模型基于以下流程训练完成：
85.s1、从施工现场收集超过500张的所述结构(a、b)接缝的现场照片。
86.s2、人工标记所述照片内的结构接缝位置形成学习样本库并按4:1的比例随机抽取样本将其分为训练样本库和测试样本库。
87.s3、基于深度学习框架构建卷积神经网络模型，基于所述训练样本库进行训练，并在所述测试样本库中测试其识别精度。
88.s4、基于所述识别精度，优化所述卷积神经网络模型的架构及超参数集并不断重复该步骤，直至所述卷积神经网络模型在泛化能力和识别精度间取得较好的平衡。
89.现场施工中，待钢管束剪力墙片aa以及箱型钢柱bb吊装到位后，将第一支撑组件、第二支撑组件组成的支撑结构吊装至合适位置并通过永磁式吸盘4吸附于结构体系表面，调整顶杆式高度可调支座5至合适位置后即完成支撑结构的整体安装作业。
90.更具体地，支撑结构整体安装前，根据结构体系中构件(a、b)间接缝长度，选定合适的导向杆2和横梁3之规格并通过紧固件将其两两平行组装完成。在此过程中，将轨道1背面之导向管8套入导向杆2并将齿条6通过螺栓11固定于横梁3中间部位即完成支撑结构自身的组装作业。
91.本发明所述的基于深度学习的装配式钢管束组合结构体系空间智能焊接机，在现场一次性拼装，并在所述构件(a、b)接缝两侧对称布置，即可实现装配式钢管束组合结构体系中钢管束剪力墙之间的竖向连接以及钢管束剪力墙与箱型钢柱b之间的纵向连接过程中构件接缝的全熔透对称焊接。
92.以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。