一种高空钢梁焊接机器人、焊头调节机构及焊接方法与流程

1.本发明涉及焊接技术领域，更具体地说，涉及一种高空钢梁焊接机器人、焊头调节机构及焊接方法。


背景技术：

2.钢梁的焊接是现代机械加工制造业中必不可少的一步，工业机器人在焊接领域已经有了很大的发展。目前普通的工业焊接机器人因为体积偏大，单个工业机器人工作范围有限且价格昂贵等问题，难以广泛的应用在高空执行焊接任务。
3.现有的移动焊接机器人也因为各种问题，无法实现高空横梁的双面焊接。因此，空中钢梁的焊接仍然需要依靠人工操作。而随着焊接工艺的不断改善，人们对于钢梁焊接精度和质量的要求越来越高，同时焊接时的电弧、火花以及烟雾等对人体健康造成伤害，高空钢梁焊接任务繁重且有一定的危险，单纯靠人工越来越难以胜任这一工作。
4.经检索，中国专利申请号2015105185225，专利名称为：桁架支管焊接机器人；该申请案包括箱体、圆周调节机构、轴向调节机构、径向调节机构和焊枪机构，圆周调节机构包括第一电机和旋转轴，旋转轴安装在第一电机上，轴向调节机构包括第二电机和第一螺杆，第二电机可转动地安装在旋转轴上，第一螺杆安装在第二电机上，并且第一螺杆与旋转轴平行，第一螺杆通过螺纹连接有滑块，径向调节机构包括第三电机和第二螺杆，第三电机固定在滑块上，第二螺杆安装在第三电机上，并且第二螺杆与第一螺杆垂直，第二螺杆通过螺纹连接有滑杆，焊枪机构包括第四电机和安装在第四电机上的焊枪，焊枪与滑杆的底端相铰接。该申请案通过电机驱动螺杆的结构设计，实现了焊枪的自动控制，节省了劳动力；但该申请案不适用于空中钢梁的焊接，尤其不适用于空中钢梁的双面焊接。
5.中国专利申请号2019103157375，专利名称为：金属壁面自适应攀爬机器人；该申请案包括车架和设于车架底部的多个车轮，其中至少一个车轮设有驱动装置，车架底部的多个车轮中至少两个车轮成对安装，成对安装的两个车轮之间设有至少一个磁吸附模块，所述磁吸附模块包括上支架、下支架和永磁体，所述上支架相对固定安装在车架底部，所述下支架通过一个旋转自由度的安装在上支架底部，所述永磁体固定安装在下支架的下端，所述永磁体底部高度低于车轮底部高度，所述永磁体包括位于顶部的扁轭铁和固定与扁轭铁底部的多块矩形钕铁硼永磁体阵列。该申请案通过轴向自由度的磁吸附模块提高机器人攀爬的自适应性，但该申请案体积较大，结构也较复杂，将其应用在高空钢梁焊接领域存在成本高、安全系数不高的缺陷。


技术实现要素：

6.1.发明要解决的技术问题
7.针对现有技术的不足，本发明提供了一种高空钢梁焊接机器人、焊头调节机构及焊接方法；本发明可以通过升降台将机器人送至高空钢梁上进行焊接，减少了人力成本，可以实现钢梁上下表面分别焊接，保证了机器人焊接效率，且具备体积小、结构灵巧、安全可
靠等优点。
8.2.技术方案
9.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
10.本发明的一种焊头调节机构，包括第一水平调节组件、第二水平调节组件、第一垂直调节组件、第二垂直调节组件和焊头固定组件，第一水平调节组件调节焊头沿水平x方向移动，第二水平调节组件调节焊头沿水平y方向移动，第一垂直调节组件调节焊头沿竖直z方向移动，第二垂直调节组件调节焊头沿竖直z方向或水平x方向移动，焊头固定组件与第二垂直调节组件连接；所述的第一水平调节组件、第二水平调节组件、第一垂直调节组件、第二垂直调节组件均采用电机驱动丝杆的结构实现焊头移动。
11.更进一步地，所述的第一水平调节组件包括第一丝杆和第一连接件，第一丝杆连接电机，第一丝杆穿过第一连接件，电机驱动第一丝杆，带动第一连接件移动，所述第一连接件连接第二水平调节组件。
12.更进一步地，所述的第二水平调节组件包括第二丝杆和第二连接件，第二丝杆连接电机，第二丝杆穿过第二连接件，电机驱动第二丝杆，带动第二连接件移动；所述第二连接件与第一连接件连接。
13.更进一步地，所述的第一垂直调节组件包括第三丝杆，第三丝杆连接电机，第二连接件的一端设置第三连接件，第三丝杆穿过第三连接件，电机驱动第三丝杆，第三丝杆沿竖直z方向移动。
14.更进一步地，所述的第二垂直调节组件包括第四丝杆和第四连接件，第四丝杆连接电机，第四连接件的一端连接第一垂直调节组件，第四丝杆穿过第四连接件的一端，电机驱动第四丝杆移动。
15.更进一步地，所述的第一垂直调节组件还设置第三安装座，该第三安装座设置于第三丝杆的一端，第三安装座的两侧设置第一旋转轴，第一旋转轴连接第四连接件，第一旋转轴同时连接电机，电机驱动第一旋转轴，进而带动第四连接件旋转。
16.更进一步地，所述的焊头固定组件包括第五连接件，第四丝杆的一端设置第四安装座，第四安装座的两侧设置第二旋转轴，第二旋转轴连接第五连接件，第二旋转轴同时连接电机，电机驱动第二旋转轴，进而带动第五连接件旋转，所述的第五连接件上设置工业相机和焊头。
17.本发明的一种高空钢梁焊接机器人，包括机器人本体和所述的焊头调节机构，机器人本体上设置旋转支撑台，所述的焊头调节机构设置于旋转支撑台上。
18.更进一步地，所述的机器人本体安装四个车轮，该车轮采用永磁轮；所述的机器人本体底部远离焊头调节机构的一端开设有电永磁开口，电永磁设置于电永磁开口中。
19.更进一步地，所述的机器人本体安装四个车轮，车轮包括永磁轮本体，在车轮与机器人本体的连接轴上开设电永磁开口，电永磁设置于电永磁开口中。
20.更进一步地，永磁轮包括磁轮外件、第一磁轭、磁芯、第二磁轭和法兰，磁芯设置于第一磁轭、第二磁轭之间，第一磁轭另一侧设置磁轮外件，第二磁轭另一侧设置法兰，磁轮外件、第一磁轭、磁芯、第二磁轭和法兰通过紧固螺母组装为一体。
21.更进一步地，所述的机器人本体两侧边设置有卡爪，两卡爪的相对侧设置有力传感器。
22.更进一步地，机器人本体的四个车轮上安装有保护罩。
23.更进一步地，所述的机器人本体设置第一焊头调节机构和第二焊头调节机构，第一焊头调节机构设置于机器人移动方向的前端，第二焊头调节机构设置于机器人本体的侧边。
24.本发明的一种高空钢梁焊接方法，利用所述的机器人对高空钢梁进行焊接。
25.更进一步地，通过工业相机识别焊接位置，通过控制器引导机器人移动到焊接位置附近，控制器对第一水平调节组件、第二水平调节组件、第一垂直调节组件、第二垂直调节组件进行控制，使得焊头在钢梁表面进行焊接，一表面焊接完成后，控制器控制第四连接件带动第二垂直调节组件旋转，并控制第五连接件带动焊头旋转，继续在钢梁另一相对面进行焊接。
26.3.有益效果
27.采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
28.(1)本发明的一种焊头调节机构，设置第一水平调节组件、第二水平调节组件、第一垂直调节组件、第二垂直调节组件，通过水平调节组件和垂直调节组件的配合，对焊头进行上下、左右以及旋转的设置，控制末端焊头进行钢梁上、下表面的焊接，能够适应不同厚度的钢梁焊接。
29.(2)本发明的一种高空钢梁焊接机器人，通过永磁和电永磁的搭配使用，实现机器人在钢梁上的可靠固定，采用轻量化的设计，降低机器人平衡的难度，结构简单、灵巧轻便，可以在高空移动自主焊接。
30.(3)本发明的一种高空钢梁焊接机器人，在机器人本体的四个永磁轮外可分别装置一个耐高温保护壳，防止执行焊接任务时飞溅物吸附在轮子上，使轮子的吸附力减弱；同时在机器人本体两侧分别设置一个伸缩夹持机构，夹持机构末端设置力传感器，在执行焊接任务时夹持机构通过力传感器牢固的夹在钢梁，避免焊接过程中高温影响导致吸附力不足。
31.(4)本发明的一种高空钢梁焊接机器人，可在机器人本体移动方向的前端及侧边各设置一个焊头调节机构，在执行焊接任务时，可控制两焊头调节机构在钢梁上下表面相对焊接，也可控制两焊头调节机构在钢梁不同处焊接，提高了工作效率。
附图说明
32.图1为本发明实施例1所述高空钢梁焊接机器人的结构示意图；
33.图2为本发明中旋转支撑组件的结构示意图；
34.图3为本发明中水平调节组件的结构示意图；
35.图4为本发明中垂直调节组件的结构示意图；
36.图5为本发明中焊头固定组件的结构示意图；
37.图6为本发明中车轮的侧视图；
38.图7为本发明中实施例6所述机器人本体的结构示意图；
39.图8为本发明中实施例7所述机器人本体的结构示意图；
40.图9为本发明中实施例8所述高空钢梁焊接机器人的结构示意图；
41.图10为本发明中焊接机器人进行高空钢梁下表面焊接的示意图。
42.示意图中的标号说明：
43.1、机器人本体；2、车轮；21、永磁轮本体；211、磁轮外件；212、第一磁轭；213、磁芯；214、第二磁轭；215、法兰；22、电永磁；23、保护罩；
44.3、旋转支撑台；31、旋转轴承；32、支撑座；321、第一限位孔；322、第二限位孔；323、第三限位孔；
45.4、第一水平调节组件；41、第一丝杆；42、第一安装座；43、第一连接件；
46.5、第二水平调节组件；51、第二丝杆；52、第二安装座；53、第二连接件；54、第三连接件；55、第一限位销；
47.6、第一垂直调节组件；61、第三丝杆；62、第三安装座；63、第一限位架；64、第一旋转轴；
48.7、第二垂直调节组件；71、第四丝杆；72、第四安装座；73、第二限位架；74、第二限位销；75、第四连接件；
49.8、焊头固定组件；81、第五连接件；82、第二旋转轴；83、工业相机；84、焊头；
50.91、卡爪；92、力传感器；
51.i、第一焊头调节机构；ii、第二焊头调节机构。
具体实施方式
52.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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例，都应当属于本发明的保护范围。
53.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明所述水平x方向、水平y方向和竖直z方向，为将机器人放置于水平面上所展示的方向，x方向、y方向、z方向相互垂直。
54.实施例1
55.结合附图，本实施例的一种焊头调节机构，包括第一水平调节组件4、第二水平调节组件5、第一垂直调节组件6、第二垂直调节组件7和焊头固定组件8，第一水平调节组件4连接第二水平调节组件5，第一水平调节组件4调节焊头沿水平x方向移动，第二水平调节组件5调节焊头沿水平y方向移动。第二水平调节组件5连接第一垂直调节组件6，第一垂直调节组件6调节焊头沿竖直z方向移动。第一垂直调节组件6连接第二垂直调节组件7，第二垂直调节组件7本身可以调节焊头沿竖直z方向移动，同时，第二垂直调节组件7可以相对第一垂直调节组件6进行90
°
旋转，如此，第二垂直调节组件7可以调节焊头沿水平x方向移动。焊头固定组件8与第二垂直调节组件7连接，焊头固定组件8也可以调节焊头在一定角度范围内旋转。
56.本实施例的一种焊头调节机构，首先第一水平调节组件4、第二水平调节组件5、第一垂直调节组件6、第二垂直调节组件7均采用经典的电机驱动丝杆的结构实现焊头移动，该结构能够使得焊头移动灵巧且稳定。另一方面，通过水平调节组件和垂直调节组件的配
合，本实施例能够对焊头进行上下、左右以及旋转的设置，控制末端焊头进行钢梁上、下表面的焊接，这在高空钢梁焊接过程中具备的优势是非常明显的，大大提高了机器人焊接效率。
57.实施例2
58.结合图2-图5，本实施例的一种焊头调节机构，具体设计如下：
59.第一水平调节组件4、第二水平调节组件5设置于支撑座32上，支撑座32的3面侧壁上分别开设有第一限位孔321、第二限位孔322、第三限位孔323，其中，第二限位孔322和第三限位孔323相对设置。第一限位孔321、第二限位孔322、第三限位孔323均为腰型孔。
60.所述的第一水平调节组件4包括两根第一丝杆41和第一连接件43，第一丝杆41穿过第一限位孔321，第一限位孔321的另一侧设置电机，电机输出轴通过联轴器连接第一丝杆41，第一限位孔321的另一侧也可设置第一安装座42，第一安装座42用来固定电机。第一丝杆41穿过第一连接件43，电机驱动第一丝杆41，带动第一连接件43移动。
61.所述的第二水平调节组件5包括第二丝杆51和第二连接件53，第二丝杆51分别穿过第二限位孔322、第三限位孔323，第三限位孔323的一侧设置电机，电机输出轴通过联轴器连接第二丝杆51，第三限位孔323的一侧也可设置第二安装座52，第二安装座52用来固定电机。第二丝杆51穿过第二连接件53，所述第二连接件53与第一连接件43连接。电机驱动第一丝杆41，带动第一连接件43移动时，第二丝杆51沿着第二限位孔322、第三限位孔323的长度方向移动。电机驱动第二丝杆51，带动第二连接件53移动时，第一丝杆41沿着第一限位孔321的长度方向移动，如此，即把第一水平调节组件4、第二水平调节组件5有机的组合在了一起。
62.所述的第二连接件53远离第一安装座42的一端，设置第三连接件54，第三连接件54为两个开设有内螺纹的套筒。所述的第一垂直调节组件6包括第三丝杆61和第三安装座62，该第三安装座62设置于第三丝杆61的一端，第三丝杆61依次穿过第三连接件54、第三安装座62，并连接电机，电机驱动第三丝杆61，第三连接件54在竖直z方向保持不动，第三丝杆61沿竖直z方向移动。第三连接件54的两侧设置第一限位销55和第一限位架63，第一限位架63上开设有条形限位孔，第一限位销55插入该条形限位孔中，限制第三丝杆61沿竖直z方向移动的范围。
63.所述的第二垂直调节组件7包括第四丝杆71和第四连接件75，第四丝杆71的一端设置第四安装座72，第四丝杆71依次穿过第四连接件75的一端，以及第四安装座72，并连接电机，电机驱动第四丝杆71移动。第三安装座62的两侧设置第一旋转轴64，第一旋转轴64连接第四连接件75的一端，第一旋转轴64同时连接电机，该电机可设置于第三安装座62中，电机驱动第一旋转轴64，进而带动第四连接件75在90
°
范围内旋转，第四连接件75则可带动整个第二垂直调节组件7旋转。所述的第四连接件75的两侧设置第二限位销74和第二限位架73，第二限位架73上开设有条形限位孔，第二限位销74插入该条形限位孔中，限制第四丝杆71的移动范围。
64.所述的焊头固定组件包括第五连接件81，第四安装座72的两侧设置第二旋转轴82，第二旋转轴82连接第五连接件81，第二旋转轴82同时连接电机，电机可设置在第四安装座72内部，电机驱动第二旋转轴82，进而带动第五连接件81旋转，所述的第五连接件81上设置工业相机83和焊头84。通过工业相机83识别钢梁焊接位置引导焊接机器人运动到焊接处
执行焊接任务。
65.本实施例的一种焊头调节机构，在一表面焊接完成后，控制器控制第四连接件带动第二垂直调节组件旋转，并控制第五连接件带动焊头旋转，既能够继续在钢梁另一相对面进行焊接，实现了高空钢梁上下两面焊，且能够适应不同厚度的钢梁焊接。
66.实施例3
67.结合图1，本实施例的一种高空钢梁焊接机器人，包括机器人本体1和如实施例2所述的焊头调节机构，机器人本体1上设置旋转支撑台3，所述的旋转支撑台3包括旋转轴承31和支撑座32，支撑座32设置于旋转轴承31上，能够在旋转轴承31的带动下旋转，第一水平调节组件4、第二水平调节组件5则设置于支撑座32上，如此，焊头调节机构能够实现360
°
的旋转(实际不局限于旋转360
°
，根据需要设置即可，最大可以实现360
°
旋转)。
68.本实施例的一种高空钢梁焊接机器人，可以通过升降台将机器人送至高空钢梁上进行焊接，减少了人力成本，可以实现钢梁上下表面分别焊接，保证了机器人焊接效率，且具备体积小、结构灵巧、安全可靠等优点。
69.实施例4
70.本实施例的一种高空钢梁焊接机器人，基本同实施例3，其不同之处在于：所述的机器人本体1安装四个车轮2，该车轮2采用永磁轮；永磁轮使用伺服电机驱动，机器人本体内部一侧设置有控制器，内部另一侧设置有电源。永磁轮、伺服电机、工业相机、焊头、电永磁均由所述控制器控制。
71.永磁轮包括磁轮外件211、第一磁轭212、磁芯213、第二磁轭214和法兰215，磁芯213设置于第一磁轭212、第二磁轭214之间，第一磁轭212另一侧设置磁轮外件211，第二磁轭214另一侧设置法兰215，磁轮外件211、第一磁轭212、磁芯213、第二磁轭214和法兰215通过紧固螺母组装为一体，法兰215用于连接驱动电机。
72.本实施例的焊头调节机构设置于机器人移动方向的前端，所述的机器人本体1底部远离焊头调节机构的一端(也即机器人移动方向的后端)开设有电永磁开口，电永磁开口与机器人本体内部设置有磁隔断层，电永磁22设置于电永磁开口中(图中未示出)。电永磁22作为辅助电磁铁，具有通电上磁，断电失磁的特性，安装在机器人移动方向的后端电永磁开口处，一方面增大机器人吸附力，另一方面也能起到一个配重的效果，使机器人前后端受力平衡，不致发生倾倒。
73.本实施例通过永磁和电永磁的搭配使用，实现机器人在钢梁上的可靠固定，采用轻量化的设计，降低了机器人平衡的难度，结构简单、灵巧轻便，可以在高空移动自主焊接。
74.实施例5
75.结合图6，本实施例的一种高空钢梁焊接机器人，基本同实施例3，其不同之处在于：所述的机器人本体1安装四个车轮2，车轮2包括永磁轮本体21，永磁轮本体21结构同实施例4所述车轮2，永磁轮本体21的输出轴上开设有电永磁开口，电永磁22设置于电永磁开口中。对于电永磁22，设置在底盘底部会对内部的电器原件造成一定程度的电磁干扰(虽然设置了磁隔断层，也存在电磁干扰的风险)，故可在机器人本体1与永磁轮本体21连接的输出轴上设置辅助电磁铁，在机器人移动的过程中既可以避免电磁干扰，又实现增大吸附力的效果。
76.实施例6
77.结合图7，本实施例的一种高空钢梁焊接机器人，在所述的机器人本体1两侧边设置有卡爪91，两卡爪91的相对侧设置有力传感器92。卡爪91能够沿水平方向伸出和收缩，力传感器92能够传输检测数据给控制器。通过在机器人本体1两侧分别设置一个伸缩夹持机构，夹持机构末端设置力传感器，在执行焊接任务时夹持机构通过力传感器牢固的夹住钢梁，避免焊接过程中高温影响导致吸附力不足。
78.实施例7
79.结合图8，本实施例的一种高空钢梁焊接机器人，在机器人本体1的四个车轮2上安装有耐高温保护罩23，防止执行焊接任务时飞溅物吸附在轮子上，使轮子的吸附力减弱。
80.实施例8
81.结合图9，本实施例的一种高空钢梁焊接机器人，所述的机器人本体1设置第一焊头调节机构i和第二焊头调节机构ii，第一焊头调节机构i设置于机器人移动方向的前端，第二焊头调节机构ii设置于机器人本体1的侧边。在执行焊接任务时，可控制两焊头调节机构在钢梁上下表面相对焊接，也可控制两焊头调节机构在钢梁不同处焊接，提高了工作效率。
82.同时，在本实施例下，可将机器人前方左侧车轮的电永磁22取下，避免行驶时引起重心不稳。本实施例中一个焊头在焊接钢梁下表面时会引起重心偏移的情况，导致机器人倾倒，增加一个焊头调节机构也可以避免重心偏移，使机器人焊接过程更加稳定、安全。
83.实施例9
84.本实施例的一种高空钢梁焊接方法，利用所述的机器人对高空钢梁进行焊接。使用升降机将机器人送至高空钢梁上，永磁轮与电永磁吸附在钢梁表面，通过工业相机83识别焊接位置，通过控制器引导机器人移动到焊接位置附近，控制器对第一水平调节组件4、第二水平调节组件5、第一垂直调节组件6、第二垂直调节组件7进行控制，使得焊头84在钢梁表面进行焊接，一表面焊接完成后，控制器控制第四连接件75带动第二垂直调节组件7旋转，并控制第五连接件81带动焊头84旋转，继续在钢梁另一相对面进行焊接，焊接机器人进行高空钢梁下表面焊接的示意图参见图10。焊接完成后电永磁接收控制器指令，断电失去磁力，便于将焊接机器人从钢梁上取下。