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马鞍型焊缝焊接机器人的发展概况

时间：2017-10-31 来源：机器人在线阅读：9866

马鞍型焊缝焊接机器人的发展概况

在实际工程焊接过程中，管管插接形成的马鞍型焊缝焊接是常见的焊缝形式，其焊缝形状复杂、焊接工艺和焊接质量要求高，早期国内对该类马鞍型焊缝的焊接大多采用手工焊接和手工控制机械操作臂的半自动化焊接，这种焊接方式焊接质量难以保持，劳动周期长，生产效率低下，制造周期长;而且压力容器筒壁较厚，在焊接前需要对筒体焊接部位进行预热，预热温度往往达到150摄氏度甚至更高，工人在这种高温相对密闭的工作环境下对身体造成很大的伤害。

近年来，国内许多专家学者对管管插接和球管插接等产生的马鞍型焊缝焊接机器人及其相关的焊接自动化设备进行了一些研究并且取得了一些成果。山东工业大学张忠厚研制了能够实现薄壁接管焊接的环形相贯线焊缝自动焊接机器人，如图1.10所示，其原理是利用盘形凸轮和空间凸轮来控制焊枪，使得其能够实现空间焊缝的上下和左右两个方向的焊接。该机器人设计原理新颖，通过改变凸轮的尺寸和形状可以实现不同大小的锅炉封头和接管的相贯线的焊接，通过计算机建立起凸轮的尺寸和形状计算公式得出不同筒体直径范围并编写控制程序。

该焊机采用单级直接传动控制工件和焊枪的两个方向的运动，传动平稳，结构简单，传动误差小。通过凸轮机构、焊枪送进机构、焊枪轨迹选择机构和工件回转机构的协调工作使得焊枪在三维空间连续运动，实现了相贯线3600范围内焊缝的连续焊接。然而对于不同形状和大小的管管相接焊缝焊接，需要制作和更换不同的凸轮，对于大壁厚的筒体和接管的焊接需进行多层道数焊接，此时需要制作专用凸轮工作难度大，对于曲率变化比较大的焊缝焊接很难实现匀速焊接，限制了该系统的通用性。

北京航空航天大学周锋等研制了一种相贯线焊接机器人，如图1.11该机器人的机构示意图，前3轴的作用为调节焊枪的位置，4, 5两轴的作用为调节焊枪姿态，在第五轴顶端安装焊枪。

4, 5两轴采用两个空间一定位置安放的圆弧导轨来保证焊枪位置，焊枪的端点位于小圆弧轨道的圆心处，并且还处在大圆弧轨道的圆心法线上，通过该结构使得在调节两臂过程中无论怎么调节大小臂，焊枪的端点都始终处在大圆弧轨道的圆心法线和小圆弧轨道的圆心交接处。在操作过程中，确定焊枪端点的位置只要通过调节前三轴的参数既可以实现，并且调节焊枪姿态和调节焊枪端点的位置互不影响。在焊接过程中，腰部电动旋转台以一定的转速旋转，带动除四爪夹具和腰部筒体外的机器人其他部分绕筒体的中心轴线进行旋转。该机器人由于结构设计新颖，使得在焊接过程中调节焊枪姿态不会影响其位置，两个参数互不影响，腰部旋转机构旋转一周即可完成相贯线的焊接，在焊接过程中为了保证焊枪始终处在最佳焊接姿态，需要实时调整大小臂。

北京工业大学任福深等针对管道插接焊缝焊接的特殊焊接工艺，设计制造了一种新型的5自由度焊接机器人。如图1.12所示，该机器人主要由送丝机构、2自由度位移机构、自定心手腕机构、腰部旋转台机构和锚固卡紧机构构成。由于机器人各机构以中心轴线呈对称分布，降低了运动的不平稳性。由于送丝机构安装在旋转机构上，能够随腰部旋转机构一起转动，机器人在焊接过程中避免了因为旋转而带来的缠绕问题。如图1.13所示，根据反球型手腕工作原理对机器人手腕进行，设计出了一种新型的反球型手腕，该定心手腕机构组合应用两个平行四边形机构实现了自定心功能。

北京石油化工学院焦向东研制了一种应用于球型容器焊接中的爬行焊接机器人，该机器人拥有视觉跟踪系统，并带有焊枪摆动机构。中石油天然气管道科学研究院的闰政等研制了应用于管道对接焊接的焊接机器人，该机器人具有调节工作角和行走角的机构。北京石油化工学院邹勇研制了一款新型的焊接机器人，该机器人设计有新型焊枪摆动机构，并且采用无导轨、永磁轮吸附机构，设计新颖构思巧妙。北京石油化工学院曹莹瑜研制了增强行走稳定性的柔性导轨机构。

国外，也有许多学者对该类管管或球管插接等产生的马鞍型焊缝焊接机器人及其相关的焊接自动化设备进行了一些研究并且取得了一些成果。日本庆应大学学者Suga等研制了一款管道焊接自动移动机器人，如图1.14所示，该机器人可以根据CCD摄取的图象信息并沿着管道移动，能够在焊接前自动寻找并识别焊缝，并使机器人沿管道方向移动至到达正确的焊接位置，该机器人由于采用了传感器使得大大提高了焊接精度。

德黑兰机械工程学院研制的管道焊接机器人，如图1.15所示，该机器人由于采用并联式机器人结构，使其机构紧凑，体积更小，具有很高的实用性。

芬兰学者Huapeng Wu,Heikki Handroos等人研制了一种针对真空瓶焊接的水压机器人，如图1.16所示，该机器人具有五个自由度，利用水的压力在真空容器内部实现圆周焊接，并且能够实现焊枪姿态与位置的控制。