CN113370235A - 一种焊缝余高自动铣削装置、路径生成方法及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊缝余高自动铣削装置、路径生成方法及使用方法，包括机器人，所述机器人的腕部连接有铣削路径拾取模块和铣削模块，所述的铣削路径拾取模块包括示教顶针和多个位移传感器，每个位移传感器均设有滑动测杆，所述滑动测杆的端部均设有滚轮。本发明以焊缝两侧附近的母材表面为参考生成焊缝余高自动铣削路径来实现对焊缝余高的自动铣削，使焊缝处加工后的表面和焊缝附近的母材表面保持一致，在不误伤母材的情况下达到精确去除焊缝余高的目的，尤其适合焊接变形较大，接头有错边或焊缝两边母材变形不一致等苛刻情况下焊缝余高的精确高效去除。

Description

一种焊缝余高自动铣削装置、路径生成方法及使用方法

技术领域

本发明涉及一种自动铣削装置、路径生成方法及使用方法，尤其涉及一种焊缝余高自动铣削装置、路径生成方法及使用方法。

背景技术

焊后去除焊缝余高，不仅使焊缝外观与母材保持一致，并且消除了焊接接头产生局部应力的根源，同时也避免了焊缝余高中可能存在的焊接缺陷导致焊接接头过早失效的问题。因此，很多焊接结构焊后需要去除焊缝余高，目前多采用手工打磨的方法去除焊缝余高，手工打磨效率低，特别是对于高硬度的材料，打磨效率更低，同时打磨工人劳动强度大、打磨过程产生的大量粉尘和高分贝噪声严重危害着工人健康。近年来发展了焊缝余高自动化打磨技术及设备，大大改善了打磨工作环境。但自动化打磨也是采用磨削加工去除焊缝余高，避免不了打磨过程产生的大量粉尘和高分贝噪声，并且铝合金、钛合金等活性高的金属不宜采用磨削方法去除余高。采用加工效率很高的铣削加工方法去除焊缝余高，则不会产生粉尘，声音也非常小，同时适合各种金属的加工，但目前焊缝余高去除的主流方法仍然是磨削加工方法，一个重要的原因在于焊缝常常是不一致的，并且不一致的程度大，铣削加工去除金属的速度快且焊缝不一致对铣削力没有明显影响，造成焊缝余高铣削过程难以通过力传感器准确快速传感，导致铣削加工焊缝余高时容易造成对母材的误伤。造成焊缝不一致的原因主要有焊前的装配误差、焊接变形、焊接工艺参数波动等。装配错边导致焊缝两边母材高度不一致或拘束、材质等不同导致焊缝两边母材焊接变形不一致的严苛条件下，通过铣削加工自动去除焊缝余高变得更加困难，即使采用先进的激光传感器也难以避免严苛条件下铣削加工对母材的误伤。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种焊缝余高自动铣削装置、路径生成方法及使用方法，把自动铣削方法高质量的应用到焊缝余高去除加工中，既大大提高焊缝余高的加工效率，又完全避免对被加工工件的误伤。

技术方案：本发明包括机器人，所述机器人的腕部连接有铣削路径拾取模块和铣削模块，所述的铣削路径拾取模块包括示教顶针和多个位移传感器，每个位移传感器均设有滑动测杆，所述滑动测杆的端部均设有滚轮。

所述的铣削路径拾取模块包括两个位移传感器，两个位移传感器分别对应的第一滑动测杆和第二滑动测杆初始伸出部分的轴线中点的连线中点为机器人第一工具中心，所述示教顶针的针尖与机器人第一工具中心对应。

所述的位移传感器与铣削路径拾取模块控制器连接，铣削路径拾取模块控制器与机器人控制器通讯。

所述的滑动测杆初始伸出部分的长度均相同。

所述的铣削模块包括周铣刀，所述周铣刀轴线的中点为机器人第二工具中心。

所述的机器人、铣削路径拾取模块和铣削模块均与机器人控制器连接。

一种焊缝余高自动铣削路径生成方法，包含以下步骤：

第一步、示教，具体包括：

1)示教前，在标准工件上划线作为示教路线，示教路线对应拟铣削焊缝中心线的位置；

2)示教过程中，示教顶针针尖沿着示教路线进行示教，第一滑动测杆和第二滑动测杆对称分置在示教路线的两侧，第一滑动测杆和第二滑动测杆端部的滚轮与标准工件表面保持滚动连接；

3)示教后，得到机器人示教轨迹，第一位移传感器在每个示教点采集的位移大小为TFD[i](i＝1，2，3，…，n)，第二位移传感器在每个示教点采集的位移大小为TSD[i](i＝1，2，3，…，n)；

第二步、生成焊缝余高自动铣削路径，第一滑动测杆和第二滑动测杆对称分置在被加工工件上的拟铣削焊缝的两侧，第一滑动测杆和第二滑动测杆端部的滚轮与被加工工件表面保持滚动连接，以拟铣削焊缝两端之间的任意位置作为起点，铣削路径拾取模块随机器人第一工具中心按机器人示教轨迹向拟铣削焊缝的一个方向运动，达到尽头后，铣削路径拾取模块回到起点，再随机器人第一工具中心按机器人示教轨迹向拟铣削焊缝的另一个方向运动，到达尽头后停止，机器人第一工具中心每达到一个示教点时，第一位移传感器和第二位移传感器均采集位移数据，第一位移传感器采集的位移大小为AFD[i](i＝1，2，3，…，n)，第二位移传感器采集的位移大小为ASD[i](i＝1，2，3，…，n),令D[i]＝Max(AFD[i]-TFD[i],ASD[i]-TSD[i])(i＝1，2，3，…，n)，设周铣刀的半径为R，用D[i]和R修正机器人示教轨迹，即可生成焊缝余高自动铣削路径。

所述的拟铣削焊缝在铣削前均生成焊缝余高自动铣削路径。

所述的第一滑动测杆及第二滑动测杆与被加工工件表面的滚动连接点距离拟铣削焊缝的对应边缘1mm-20mm。

一种焊缝余高自动铣削装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)在铣削路径拾取模块上安装示教顶针；

(2)定位夹紧标准工件；

(3)示教

(4)卸下示教顶针和标准工件；

(5)定位夹紧被加工工件；

(6)生成焊缝余高自动铣削路径；

(7)按焊缝余高自动铣削路径对焊缝进行铣削；

(8)卸下被加工工件，重复步骤(5)～(7)，自动铣削下一个被加工工件的焊缝余高。

有益效果：本发明具有以下优点：

(1)本发明采用接触式位移传感器实现传感，传感精度高、生成焊缝余高铣削路径的算法简单，并且成本低。

(2)本发明没有通过直接检测焊缝余高形状或尺寸来实现自动铣削，而是以焊缝两侧附近的母材表面为参考生成自动铣削路径来实现自动铣削，在不误伤母材的情况下达到精确去除焊缝余高的目的，尤其适合焊接变形较大，接头有错边或焊缝两边母材变形不一致等苛刻情况下焊缝余高的精确去除；

(3)本发明由于解决了焊缝余高铣削加工时容易造成母材误伤的难题，使自动铣削方法得以高质量应用于焊缝余高去除加工中，效率相对自动磨削方法大幅提高，并且适应各种金属焊缝余高去除加工，同时不会产生粉尘，噪音也非常小。

附图说明

图1是本发明自动铣削装置的结构示意图；

图2为本发明铣削路径拾取模块结构示意图；

图3为本发明采用铣削路径拾取模块对机器人进行示教的示意图；

图4为本发明采用铣削路径拾取模块生成焊缝余高自动铣削路径的示意图；

图5为本发明采用铣削模块对拟铣削焊缝进行铣削的示意图；

图6为本发明拟铣削焊缝的截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括机器人1、机器人控制器2、铣削路径拾取模块3、铣削模块4，铣削路径拾取模块3和铣削模块4均安装在机器人腕部5上，机器人控制器2控制机器人1、铣削路径拾取模块3和铣削模块4。

如图2所示，铣削路径拾取模块3包含第一位移传感器6、第二位移传感器7、铣削路径拾取模块控制器8和示教顶针9，铣削路径拾取模块控制器8控制第一位移传感器6和第二位移传感器7实现数据采集和处理并与机器人控制器2通讯。第一位移传感器6和第二位移传感器7完全相同，两者平行对称安装在铣削路径拾取模块3中，两者之间的距离可以调节，第一位移传感器6包含第一滑动测杆10，第二位移传感器7包含第二滑动测杆11，第一滑动测杆初始伸出部分12和第二滑动测杆初始伸出部分13的长度相同，第一滑动测杆初始伸出部分的轴线中点14和第二滑动测杆初始伸出部分的轴线中点15的连线中点定义为机器人第一工具中心16，示教顶针9的针尖对应机器人第一工具中心16，示教顶针9可拆卸，第一滑动测杆10和第二滑动测杆11的端部均设有滚轮17。

如图5所示，铣削模块4包括周铣刀18和伺服电动机19，伺服电动机19驱动周铣刀18做铣削运动。周铣刀18轴线的中点定义为机器人第二工具中心20。

本发明考虑到焊缝余高去除的实质是为了使焊缝处变得和母材一样，因此，可以不用考虑焊缝余高的形状或尺寸，只要以焊缝附近的母材表面为参考规划出加工路径，使加工去除焊缝余高后的焊缝表面和焊缝附近的母材表面保持一致即可。采用本发明的焊缝余高自动铣削装置铣削去除拟铣削焊缝的余高时，关键在于按上述思路生成焊缝余高自动铣削路径。生成焊缝余高自动铣削路径需要两步，第一步，示教，对于同一种被加工工件，首先要进行1次且只进行1次示教；第二步，生成焊缝余高自动铣削路径，每条拟铣削焊缝23在铣削前均需先生成焊缝余高自动铣削路径。

具体实例1：

材质为16Mn，形状为板状，尺寸规格为长1m、宽0.5m、厚10mm的被加工工件21由两块尺寸规格均为长1m、宽0.25m、厚10mm的母材22拼焊而成，拟铣削焊缝23为直线状焊缝，长1m。如图6所示，被加工工件21上需要去除焊缝余高的表面为拟铣削面24。拟铣削焊缝位于拟铣削面的熔宽25的宽度为13-15mm，拟铣削焊缝位于拟铣削面的余高26的高度为4-6mm，该余高焊后需要去除。

首先对机器人1进行示教，如图3所示，示教前需在铣削路径拾取模块3上安装示教顶针9，并准备一块标准工件27，标准工件27采用一块同样规格的母材22，即长1m、宽0.25m、厚10mm的钢板。把标准工件27放置在操作台28上，并通过夹具29安装定位，在标准工件27表面沿长度方向划线作为示教路线30，示教路线30对应拟铣削焊缝23的中心线位置。拟铣削焊缝23的中心线指理想态的拟铣削焊缝23与被加工工件21的拟铣削面24相交得到的相交面的中心线，而理想态的拟铣削焊缝23指熔宽一致的拟铣削焊缝23。机器人1驱动铣削路径拾取模块3到达示教路线30的正上方，示教过程中，示教顶针9的针尖沿着示教路线30进行示教，第一滑动测杆10和第二滑动测杆11对称分置在示教路线30的两侧，且第一滑动测杆10和第二滑动测杆11端部的滚轮17与标准工件27的表面保持滚动连接，通过调节旋钮31调节使第一滑动测杆10和第二滑动测杆11与标准工件27的表面的滚动连接点均离示教路线5-20mm。示教后得到机器人示教轨迹，第一位移传感器6在每个示教点采集的位移大小TFD[i](i＝1，2，3，…，n)，第二位移传感器7在每个示教点采集的位移大小TSD[i](i＝1，2，3，…，n)。示教完成后，松开夹具29，卸下标准工件27和示教顶针9。

对于本实例，无论被加工工件21的数量有多少，对机器人1进行上述的示教只需要进行一次。示教完成后，即可为每条拟铣削焊缝23在铣削前生成焊缝余高自动铣削路径。

如图4所示，把被加工工件21放在操作台28上，其中被加工工件21的拟铣削面24朝上，并通过夹具29安装定位。机器人1驱动铣削路径拾取模块3到达拟铣削焊缝23的正上方，使第一滑动测杆10和第二滑动测杆11对称分置在拟铣削焊缝23的两侧，第一滑动测杆10和第二滑动测杆11端部的滚轮17与拟铣削面24保持滚动连接，通过调节旋钮31调节使第一滑动测杆10和第二滑动测杆11与拟铣削面24的滚动连接点距离各自对应的拟铣削焊缝23边缘1mm-20mm。以拟铣削焊缝23两端之间的任意一点作为起点，铣削路径拾取模块3随机器人第一工具中心16按机器人示教轨迹向拟铣削焊缝23的一个方向运动，达到尽头后，铣削路径拾取模块3回到起点再向拟铣削焊缝23的另一个方向运动，到达尽头后停止。铣削路径拾取模块3运动过程中，机器人第一工具中心16每达到一个示教点时，第一位移传感器6和第二位移传感器7均采集位移数据，第一位移传感器6采集的位移大小为AFD[i](i＝1，2，3，…，n)，第二位移传感器7采集的位移大小为ASD[i](i＝1，2，3，…，n),令D[i]＝Max(AFD[i]-TFD[i],ASD[i]-TSD[i])(i＝1，2，3，…，n)，周铣刀18的半径为R，用D[i]和R修正机器人示教轨迹，则可生成焊缝余高自动铣削路径。

生成焊缝余高自动铣削路径后，即可对拟铣削焊缝23进行铣削。如图5所示，机器人1驱动铣削模块4到达拟铣削焊缝23的正上方，启动铣削模块4，伺服电动机19驱动周铣刀18做铣削运动，以拟铣削焊缝23的一端为起点，铣削模块4随机器人第二工具中心20按焊缝余高自动铣削路径运动，到达拟铣削焊缝23的另一端后，拟铣削焊缝23的铣削过程完成，拟铣削焊缝23的余高得以精确去除。

松夹被加工工件21，安装与铣削下一个被加工工件21。无论加工多少被加工工件21，只需要对机器人示教一次，非常省时。铣削前对每条拟铣削焊缝23均生成各自的焊缝余高自动铣削路径，具有很高的铣削精度，避免了对被加工工件21的误伤。

上述焊缝余高自动铣削路径生成过程中，铣削路径拾取模块3的数据采集点由机器人控制器2确定并发指令给铣削路径拾取模块控制器8，铣削路径拾取模块控制器8则直接控制第一位移传感器6和第二位移传感器7的数据采集与处理，并把处理后的数据发送给机器人控制器2，机器人控制器2依据机器人示教轨迹、铣削路径拾取模块控制器8发送过来的数据D[i]以及周铣刀18的直径R生成焊缝余高自动铣削路径，并根据焊缝余高自动铣削路径控制机器人1驱动铣削模块4做相应的铣削运动。铣削模块4中的伺服电动机19也直接由机器人控制器2控制。

具体实例2：

材质为Q235，形状为半管状，尺寸规格为长10m，半径0.25m、厚12mm的被加工工件由两块长均为5m、半径均为0.25m、厚均为12mm的半管状母材拼焊而成，拟铣削焊缝为半环形焊缝，长0.785m。被加工工件的凹面为拟铣削面。拟铣削焊缝位于拟铣削面的熔宽的宽度为15-17mm，拟铣削焊缝位于拟铣削面的余高的高度为5-7mm，该余高在焊后需要去除。

本实例中：(1)标准工件采用一块同样规格的母材，即一块长为5m、半径为0.25m、厚为12mm的半管状母材，(2)需要用到专门的工装夹具定位夹紧标准工件及被加工工件。除了上面的两处地方不一样外，其它地方均和具体实例1所采用的方法相同。

具体实例3：

材质为6061铝合金，形状为波浪状，尺寸规格为长1m，宽0.8m、厚6mm的被加工工件由两块长均为1m、宽均为0.4m、厚均为6mm的波浪状母材沿长度方向拼焊而成，拟铣削焊缝为波浪形焊缝，直线化后长1.5m。被加工工件上焊缝余高需要去除的表面为拟铣削面。拟铣削焊缝位于拟铣削面的熔宽的宽度为10-13mm，拟铣削焊缝位于拟铣削面的余高的高度为3-4mm，该余高在焊后需要去除。

本实例中：(1)标准工件采用一块同样规格的母材，即一块长1m，宽0.4m、厚6mm的波浪状母材，(2)需要用到专门的工装夹具定位夹紧标准工件及被加工工件。除了上面的两处地方不一样外，其它地方均和具体实例1所采用的方法相同。

采用本发明的自动铣削装置与方法去除焊缝余高，避免了焊缝余高铣削加工时容易造成母材误伤的难题，使自动铣削方法得以高质量应用于焊缝余高去除加工中，效率相对自动磨削方法大幅提高，并且适应各种金属焊缝余高去除加工，同时不会产生粉尘，噪音也非常小。

Claims (10)

1.一种焊缝余高自动铣削装置，其特征在于，包括机器人(1)，所述机器人(1)的腕部连接有铣削路径拾取模块(3)和铣削模块(4)，所述的铣削路径拾取模块(3)包括示教顶针(9)和多个位移传感器，每个位移传感器均设有滑动测杆，所述滑动测杆的端部均设有滚轮(17)。

2.根据权利要求1所述的一种焊缝余高自动铣削装置，其特征在于，所述的铣削路径拾取模块(3)包括两个位移传感器，两个位移传感器分别对应的第一滑动测杆(10)和第二滑动测杆(11)初始伸出部分的轴线中点的连线中点为机器人第一工具中心(16)，所述示教顶针(9)的针尖与机器人第一工具中心(16)对应。

3.根据权利要求1或2所述的一种焊缝余高自动铣削装置，其特征在于，所述的位移传感器与铣削路径拾取模块控制器(8)连接，铣削路径拾取模块控制器(8)与机器人控制器(2)通讯。

4.根据权利要求1所述的一种焊缝余高自动铣削装置，其特征在于，所述的滑动测杆初始伸出部分的长度均相同。

5.根据权利要求1所述的一种焊缝余高自动铣削装置，其特征在于，所述的铣削模块(4)包括周铣刀，所述周铣刀轴线的中点为机器人第二工具中心(20)。

6.根据权利要求1所述的一种焊缝余高自动铣削装置，其特征在于，所述的机器人(1)、铣削路径拾取模块(3)和铣削模块(4)均与机器人控制器(2)连接。

7.一种焊缝余高自动铣削路径生成方法，其特征在于，包含以下步骤：

第一步、示教，具体包括：

1)示教前，在标准工件上划线作为示教路线，示教路线对应拟铣削焊缝中心线的位置；

2)示教过程中，示教顶针针尖沿着示教路线进行示教，第一滑动测杆和第二滑动测杆对称分置在示教路线的两侧，第一滑动测杆和第二滑动测杆端部的滚轮与标准工件表面保持滚动连接；

3)示教后，得到机器人示教轨迹，第一位移传感器在每个示教点采集的位移大小为TFD[i](i＝1，2，3，…，n)，第二位移传感器在每个示教点采集的位移大小为TSD[i](i＝1，2，3，…，n)；

第二步、生成焊缝余高自动铣削路径，第一滑动测杆和第二滑动测杆对称分置在被加工工件上的拟铣削焊缝的两侧，第一滑动测杆和第二滑动测杆端部的滚轮与被加工工件表面保持滚动连接，以拟铣削焊缝两端之间的任意位置作为起点，铣削路径拾取模块随机器人第一工具中心按机器人示教轨迹向拟铣削焊缝的一个方向运动，达到尽头后，铣削路径拾取模块回到起点，再随机器人第一工具中心按机器人示教轨迹向拟铣削焊缝的另一个方向运动，到达尽头后停止，机器人第一工具中心每达到一个示教点时，第一位移传感器和第二位移传感器均采集位移数据，第一位移传感器采集的位移大小为AFD[i](i＝1，2，3，…，n)，第二位移传感器采集的位移大小为ASD[i](i＝1，2，3，…，n),令D[i]＝Max(AFD[i]-TFD[i],ASD[i]-TSD[i])(i＝1，2，3，…，n)，设周铣刀的半径为R，用D[i]和R修正机器人示教轨迹，即可生成焊缝余高自动铣削路径。

8.根据权利要求7所述的一种焊缝余高自动铣削路径生成方法，其特征在于，所述的拟铣削焊缝在铣削前均生成焊缝余高自动铣削路径。

9.根据权利要求7所述的一种焊缝余高自动铣削路径生成方法，其特征在于，所述的第一滑动测杆及第二滑动测杆与被加工工件表面的滚动连接点距离拟铣削焊缝的对应边缘1mm-20mm。

10.一种焊缝余高自动铣削装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在铣削路径拾取模块上安装示教顶针；

(2)定位夹紧标准工件；

(3)示教

(4)卸下示教顶针和标准工件；

(5)定位夹紧被加工工件；

(6)生成焊缝余高自动铣削路径；

(7)按焊缝余高自动铣削路径对焊缝进行铣削；

(8)卸下被加工工件，重复步骤(5)～(7)，自动铣削下一个被加工工件的焊缝余高。

Images