不锈钢管对接氩弧焊接装置及其焊枪位姿控制方法

本发明涉及管道对接焊接装置，特别是不锈钢管对接氩弧焊接装置及其焊枪位姿控制方法。

背景技术：

1、干燥行业大量使用非标不锈钢管，需要针对不同产品设计制造不同规格的不锈钢管，干燥设备制造商一般自制这些不锈钢管，不锈钢板往往经过裁剪、卷制成型后焊接成不锈钢管，因上述制造过程中不可避免的制造误差导致制成的不锈钢管管端存在圆度误差；常常还需要再将上述不锈钢管焊接成更长的不锈钢管，两根不锈钢管对接时，接触线处不可避免产生高度差，对焊缝质量有不利影响；

2、综上，如何实现两钢管在对接时，获得稳定一致的焊缝质量成为了本领域研究人员急需解决的问题。

3、本技术提出的不锈钢管对接氩弧焊接装置及其焊枪位姿控制方法可克服上述影响，可获得更加稳定一致的焊缝质量。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：如何实现两钢管在对接时，获得稳定一致的焊缝质量

2、为解决上述技术问题，本技术提出的不锈钢管对接氩弧焊接装置及其焊枪位姿控制方法可克服上述影响，可获得更加稳定一致的焊缝质量；

3、本发明采取的技术方案为：

4、本发明是不锈钢管对接氩弧焊接装置，包括：底座：主轴机构，其设置在所述底座一侧，其适于夹紧第一钢管，其带动所述第一钢管进行a轴方向的转动；支撑机构，其沿z轴方向升降设置在所述底座另一侧，其适于支撑第二钢管，以及所述第一钢管端部，并将两所述第一钢管、第二钢管同轴设置；顶座，其设置在所述底座上方；第一驱动机构，其连接所述顶座、激光位移传感器，其适于带动所述激光位移传感器进行x轴、z轴方向的直线运动，以及带动所述焊枪进行x轴、z轴方向的直线运动以及b轴方向的转动。

5、其中，绕y轴转动定义为b轴。

6、为了说明主轴机构的具体结构，本发明采用主轴机构包括：电机支架，其固定在所述底座上；电机，其固定在所述电机支架上，其输出端设置有第一带轮；轴承座，其固定在所述电机支架顶部；主轴，其穿过所述轴承座，并与所述左支座、右支座之间通过轴承连接；第二带轮，其固定在所述主轴上，其与所述第一带轮之间通过同步带连接；卡爪，其设置在所述主轴的端部，其适于夹紧所述第一钢管；主轴编码器，其固定在所述主轴上；弹性膜片，其固定在所述轴承座上。

7、为了说明支撑机构的具体结构，本发明采用所述支撑机构包括：第一滑台，其固定在所述底座上；剪式升降台，其底部与所述第一滑台的活动端连接，并适于沿x轴进行直线运动，其顶部设置有顶板；多个滚轮支架，其设置在所述顶板顶部，其中部分所述滚轮支架用于支撑所述第一钢管，其余所述滚轮支架用于支撑所述第二钢管。

8、为了说明第一驱动机构的具体结构，本发明采用第一驱动机构包括：第二滑台，其设置在所述顶座底部；第一l型支架，其与所述第二滑台的活动端连接；第三滑台，其竖直设置在所述第一l型支架的一侧，所述激光位移传感器设置在所述第三滑台的活动端；第二l型支架，其与所述第二滑台的活动端连接；第四滑台，其竖直设置在所述第二l型支架的一侧；第三l型支架，其与所述第四滑台的活动端连接；焊枪电机，其固定在所述第三l型支架上；焊枪瓷嘴，其通过焊枪夹固定在所述焊枪电机的输出轴上。

9、为了说明底座如何与顶座连接，本发明采用所述底座、定座之间通过多个立柱连接。

10、为了说明焊枪夹的具体结构，本发明采用所述焊枪电机的输出轴沿y轴固定在所述第三l型支架上；所述焊枪夹包括：两相对设置的夹片，两者通过螺钉连接，两者之间形成供所述焊枪瓷嘴穿过并夹紧的通孔；钨极，所述焊枪瓷嘴内安装有所述钨极。

11、为了说明不锈钢管对接氩弧焊接装置的焊枪位姿控制方法，包括如下步骤：

12、s1：通过所述主轴编码器，将所述主轴停止在零位；

13、s2：安装工件，将第一钢管的左端为卡盘夹紧，第一钢管的右端支撑在滚轮支架上，剪式升降台上升，将第一钢管调整至水平状态，将第二钢管的支撑在其与滚轮支架上，并使第二钢管的左端与第一钢管的右端接触，形成接触线a

14、s3：手工点焊预连接，对第一钢管与第二钢管接触线的最高点处进行点焊，控制主轴转动90°、180°、270°并在上述位置进行点焊；

15、s4；获取第一钢管与第二钢管在同角度时的高度差δi；

16、当左侧比右侧高，δi<0；当右侧比左侧高，δi>0；

17、令δmax＝max(|δ0|,|δ1|,......,|δi|，......，|δn|)；

18、s5:焊枪位姿计算：

19、控制主轴停止在零位，并使钨极停在接触线a左侧2～5mm处的上方，根据焊接工艺设定钨极与第一钢管的间距δ，此时焊枪zm坐标为zs0；

20、当接触线a左侧高出右侧时(δi<0)，为了使接触线两侧钢管熔化均匀，焊枪夹随焊枪电机12输出轴顺时针转动βi(βi<0)，令并沿zm轴、xm轴分别移动ai、bi，使得钨极11轴线通过p点；几何关系可得：

21、

22、此时焊枪位置坐标：xi＝l1+bi,zi＝zs0+δhi+ai；

23、当接触线a右侧高出左侧时(δi>0)，为了使接触线两侧钢管熔化均匀，焊枪夹随焊枪电机输出轴逆时针转动βi(βi>0)，令并沿zm轴、xm轴分别移动ai、bi，使得钨极11轴线通过p点；几何关系可得：

24、

25、此时焊枪位置坐标：xi＝l1+bi,zi＝zs0+δhi+ai；

26、完成焊接需要控制钢管及焊枪位姿关系为坐标(θi，βi，xi，zi)；

27、式中，s为钨极端部到焊枪瓷嘴转动中心的距离；l1为第一钢管右端到卡爪端面的距离。

28、为了说明s4中如何获取第一钢管与第二钢管在同角度时的高度差δi，本发明采用s4中：

29、s41：对接触线a左侧的第一钢管进行测量，方法如下：

30、(1)：控制主轴停止在零位；

31、(2)：控制第二滑台沿x轴的运动，以及第三滑台沿z轴的运动，使得激光位移传感器发出的激光在第一钢管顶部的光斑距离接触线a左侧2～5mm处，且使得激光位移传感器的测量值hl0约等于激光位移传感器18测量范围的中间值t0，此时激光位移传感器18在zm轴方向的位置为zl0，并记录为(0,hl0,zl0)；

32、(3)：根据第一钢管直径大小，可在圆周方向设立等间隔角度0，θ1，......，θi，......，θn；

33、(4)：控制主轴转动至θ1，得到激光位移传感器18的测量值hl1，如果hl1与t0的差值超过设定阈值δ(δ>0)，则控制第三滑台升降移动，使得:

34、－δ≤t0－hl1≤δ

35、如果：t0－hl1>δ,控制第三滑台17-1每次向上移动δ，直到t0－hl1≤δ为止；

36、如果：t0－hl1<－δ,控制第三滑台17-1每次向下移动δ，直到t0－hl1≥－δ为止；

37、保存当前测量值hl1和激光位移传感器18在zm轴方向的位置为zl1，并记录为(θ1,hl1,zl1)；

38、同理可获得:(θ2,hl2,zl2)，......，(θi,hli,zli)，......，(θn,hln,zln)；

39、综上所述，得到如下测量点：

40、(0,hl0,zl0)，(θ1,hl1,zl1)，......，(θi,hli,zli)，......，(θn,hln,zln)；

41、各点相对于零位，第一钢管zm轴方向增量为：

42、(0,0)，(θ1,zl1-zl0+hl0-hl1)，......，(θi,zli-zl0+hl0-hli)，......，(θn,zln-zl0+hl0-hln)；

43、令

44、s42:对钢管接触线a右侧的第二钢管进行测量，步骤与s4相同，得到如下测量点：

45、(0,hr0,zr0)，(θ1,hr1,zr1)，......，(θi,hli,zli)，......，(θn,hrn,zrn)；

46、s43:计算第一钢管、第二钢管在接触线a附件的zm轴方向高度差为：

47、(0,hl0-hr0+zr0-zl0)，(θ1,hl1-hr1+zr1-zl1)，......，(θn,hln-hrn+zrn-zln)；

48、s44:s43中高度差数据简化为：

49、(0,δ0)，(θ1,δ1)，......，(θi,δi)......，(θ2,δn)；

50、其中：

51、δi＝hri-hli+zli-zri (0≤i≤n)； (2)

52、当左侧比右侧高，δi<0；当右侧比左侧高，δi>0；

53、令δmax＝max(|δ0|,|δ1|,......,|δi|，......，|δn|)。

54、s41(2)中，由于s3中存在焊点，进而影响测量高度的误差，本发明采用s41的(2)中，激光位移传感器发出的激光在第一钢管顶部的光斑距离接触线a左侧2～5mm处，需避开s3中的焊点。

55、在s4中，需要说明的时，激光位移传感器在测量范围的中间值附件处测量最准确，因此需要将激光位移传感器上升或下降至n个δ距离，将最准确的测量范围用于测量钢管的圆度变化。

56、本发明的有益效果：本发明是不锈钢管对接氩弧焊接装置及其焊枪位姿控制方法，焊枪位姿的计算不仅考虑了管端圆度误差，而且考虑了两管接触线a处的高度差，使得两管在接触线处熔化更均匀，可得到更加均匀的焊缝；管端圆度误差测量、两管接触线处的高度差测量及焊枪位姿坐标计算、接触线连续焊接时焊枪的位置控制都是自动完成，效率高且焊接质量稳定。

技术特征：

1.不锈钢管对接氩弧焊接装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的不锈钢管对接氩弧焊接装置，其特征在于，所述主轴机构包括：

3.根据权利要求1所述的不锈钢管对接氩弧焊接装置，其特征在于，所述支撑机构包括：

4.根据权利要求1所述的不锈钢管对接氩弧焊接装置，其特征在于，所述第一驱动机构包括：

5.根据权利要求1所述的不锈钢管对接氩弧焊接装置，其特征在于，所述底座、定座之间通过多个立柱连接。

6.根据权利要求4所述的不锈钢管对接氩弧焊接装置，其特征在于，所述焊枪电机的输出轴沿y轴固定在所述第三l型支架上；

7.一种根据权利要求1-6任意一项所述的不锈钢管对接氩弧焊接装置的焊枪位姿控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的不锈钢管对接氩弧焊接装置的焊枪位姿控制方法，其特征在于，s4中，

9.根据权利要求8所述的不锈钢管对接氩弧焊接装置的焊枪位姿控制方法，其特征在于，s41的(2)中，激光位移传感器发出的激光在第一钢管顶部的光斑距离接触线a左侧2～5mm处，需避开s3中的焊点。

技术总结
本发明是不锈钢管对接氩弧焊接装置及其焊枪位姿控制方法，包括：底座：主轴机构，其设置在底座一侧，其适于夹紧第一钢管，其带动第一钢管进行A轴方向的转动；支撑机构，其沿Z轴方向升降设置在底座另一侧，其适于支撑第二钢管，以及第一钢管端部，并将两第一钢管、第二钢管同轴设置；顶座，其设置在底座上方；第一驱动机构；焊枪位姿的计算不仅考虑了管端圆度误差，而且考虑了两管接触线a处的高度差，使得两管在接触线处熔化更均匀，可得到更加均匀的焊缝；管端圆度误差测量、两管接触线处的高度差测量及焊枪位姿坐标计算、接触线连续焊接时焊枪的位置控制都是自动完成，效率高且焊接质量稳定。

技术研发人员：丁仕燕
受保护的技术使用者：常州工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23