机械钢结构的柔性堆叠增材制造装置及制造方法制造方法及图纸

机械钢结构的柔性堆叠增材制造装置及制造方法，该制造装置包括切割组件、机械抓取传送组件、焊接机器人、变位工作台及控制柜。切割组件切割机械钢结构的型材件和板材件，机械抓取传送组件确定待抓取的型材件和板材的位置，并对其进行抓取，变换位姿并以确定的姿态传送至变位工作台，焊接机器人对型材件和板材件进行点焊和全焊缝焊接。在控制柜的控制下将切割好的型材件和板材件依次抓取、变换位姿和送料自下而上堆叠完成整个钢结构的构建，并对机械钢结构进行点焊、全焊缝焊接以及后处理成型。本发明专利技术生产高度柔性，适应性广，自动化程度高，能够有效节省人力成本，且大大提高焊接生产效率，具有良好的应用前景。

Manufacturing device and method of flexible stacking additive for mechanical steel structure

【技术实现步骤摘要】
机械钢结构的柔性堆叠增材制造装置及制造方法
本专利技术涉及机械钢结构制造和增材制造
，特别是一种机械钢结构的柔性堆叠增材制造装置及制造方法。
技术介绍
目前，建筑和机械装备等行业对钢结构的需求规模非常庞大，焊接是构建钢结构的主要连接方法。与螺栓等其他连接方式相比，焊接不削弱截面强度，对结构形状没有限制，而且气密性和水密性好。但现有钢结构的焊接制造仍面临一些现实问题。首先，焊接的工作环境通常比较恶劣，焊接时存在焊接烟尘、弧光、金属飞溅等污染,不利于操作人员的身体健康；其次，焊工人力成本随经济社会发展不断上涨，依赖手工焊接的钢结构制造业必将面临难以控制成本的发展窘境；再者，钢结构焊接制造的自动化水平还比较低。目前市场上已有的自动化焊接系统主要针对的是汽车、压力容器等大批量重复生产的产品和零件，如：汽车车身自动化焊接系统、管道铺设自动焊接系统等，没有能够用于制造各种形状钢结构的高度柔性的自动化焊接制造系统。因而，随着产品设计趋向于个性化和定制化，市场上对于复杂钢结构的需求趋于旺盛，亟需一种高度柔性化、自动化和智能化的钢结构自动化焊接制造系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种机械钢结构的柔性堆叠增材制造装置及制造方法，通过自动控制型材件和板材件的切割、抓取传送、点焊、堆叠和全缝焊，以自下而上堆叠的方式，实现高度自动化、高度柔性的钢结构堆叠增材制造，提高焊接效率，节省焊接成本。本专利技术的技术方案是：机械钢结构的柔性堆叠增材制造装置，包括切割组件、机械抓取传送组件、焊接机器人、变位工作台及控制柜。所述机械抓取传送组件包括第一支架组件、第二支架组件、龙门架、抓取手臂构件及CCD位置扫描器。第一支架组件上设有第一轨道，第一轨道的两端分别设有第一轴向丝杠座及第二轴向丝杠座，第二轴向丝杠座上设有轴向电机，轴向丝杠的两端分别安装在第一轴向丝杠座及第二轴向丝杠座的轴孔内，轴向丝杠的一端与轴向电机的动力输出轴连接。第二支架组件上设有第二轨道，第二轨道的两端分别设有光杆座，光杆的两端分别安装在光杆座的轴孔内。龙门架的横梁两端分别设有横向丝杠座及横向电机，横向丝杠的一端安装在横向丝杠座的轴孔内，横向丝杠的另一端与横向电机的动力输出轴连接，横向移动滑块安装在横向丝杠上，横向丝杠旋转带动横向移动滑块横向移动，竖向移动装置安装在横向移动滑块上，竖向移动装置中的竖向丝杠与横向移动滑块上丝杠螺母配合，竖向移动装置中的竖向电机带动竖向丝杠旋转。抓取手臂构件包括电机组件、转动轴组件和夹爪体组件。电机组件包括相对设置的旋转电机和转动电机、设置于旋转电机和转动电机之间的齿轮传动轴、设置于齿轮传动轴末端的锥齿轮A、电机支承外壳、齿轮轴支撑架、第一连接轴套和锥齿轮外壳；旋转电机和转动电机均固定连接于电机支承外壳内侧且与齿轮轴支撑架连接，齿轮传动轴通过轴承固定于齿轮轴支撑架上，第一连接轴套通过轴承固定于齿轮传动轴下端，锥齿轮外壳固定连接于第一连接轴套上；旋转电机和转动电机的输出轴上均固定有齿轮，齿轮传动轴上端固定有齿轮，齿轮传动轴下端的第一连接轴套外侧固定有齿轮，旋转电机输出轴上的齿轮与齿轮传动轴上端的齿轮啮合，转动电机输出轴上的齿轮与齿轮传动轴下端第一连接轴套外侧的齿轮啮合。转动轴组件包括转动杆、设置于转动杆两端的法兰盘、设置于转动杆上与锥齿轮A啮合的锥齿轮B和设置于转动杆上位于锥齿轮B两侧的第二连接轴套。夹爪体组件包括两个结构相同的夹爪体，夹爪体包括夹爪气缸、齿条、夹紧齿轮、夹紧连杆、固定轴、夹爪块和夹爪体支承外壳；齿条与夹爪气缸的伸缩杆末端连接，两个夹紧齿轮分别设置在齿条的两侧并与齿条啮合，夹紧齿轮的齿轮轴分别固定于夹爪体支承外壳上；夹紧连杆的数量为四根，齿条一侧夹紧齿轮的齿轮轴与其中一根夹紧连杆的一端固定连接，该夹紧连杆的另一端与另一根夹紧连杆的一端连接并均与夹爪块连接，另一根夹紧连杆的另一端通过固定轴固定于夹爪体支承外壳上；齿条另一侧的结构与该侧相同。电机组件的锥齿轮外壳通过第二连接轴套与转动轴组件的转动杆活动连接，夹爪体组件的两个夹爪体分别与转动轴组件的法兰盘固定连接。龙门架通过底部滑块坐落在第一支架组件的第一轨道及第二支架组件的第二轨道上，轴向丝杠与龙门架上的丝杠螺母配合，光杆与龙门架上的光杆轴套配合；抓取手臂构件的电机支承外壳通过其顶部的法兰盘与龙门架上的竖向移动装置连接；CCD位置扫描器安装在竖向移动装置底部的CCD位置扫描器安装板上且CCD位置扫描器伸出电机组件之外，用于对切割组件切割的型材件或板材件的位置信息进行扫描。所述焊接机器人的焊枪上设有CCD焊缝扫描器，CCD焊缝扫描器用于对抓取到变位工作台上堆叠成形的机械钢结构的焊缝信息进行扫描。切割组件布置在第一支架组件及第二支架组件之间，变位工作台布置在切割组件的末端，第一支架组件及变位工作台处在龙门架的轴向工作行程范围内；控制柜安装在变位工作台上。所述切割组件、焊接机器人、变位工作台、轴向电机、横向电机、竖向电机、旋转电机、转动电机、夹爪气缸、CCD位置扫描器和CCD焊缝扫描器均与控制柜电连接。本专利技术进一步的技术方案是：所述切割组件为等离子数控切割机或激光数控切割机，所述切割组件用于在钢板或型材中切割出机械钢结构所需要的型材件或板材件。本专利技术再进一步的技术方案是：所述焊枪上设有防撞传感器，防撞传感器与控制柜电连接，防撞传感器用于避免焊接机器人在焊接过程中碰撞到钢结构。应用于前述机械钢结构的柔性堆叠增材制造装置的制造方法，包括如下步骤，A，程序代码的准备：利用面向增材制造的CAD软件建立钢结构的三维模型，利用分解规划软件依据三维模型将钢结构拆解成型材件和板材件，确定各个型材件和板材件的尺寸、组合序列、焊接顺序和点焊位置，以及规划型材件或板材件在变位工作台上的放置姿态和焊接机器人的焊接姿态，并生成控制代码发送至控制柜。所述型材件包括工字钢、槽钢、钢管、角钢；所述板材件是指厚度在1～20mm厚的钢板。焊接前，在变位机工作台上固定一块钢铁基板，整个机械钢结构的焊接在钢铁基板完成。B，型材件和板材件的切割：切割组件根据机械钢结构型材件和板材件的尺寸和组合序列，切割出对应尺寸的第一型材件或板材件。C，型材件和板材件的抓取和传送：抓取手臂构件在控制柜的控制下移动至第一型材件或板材件上方；然后CCD位置扫描器扫描第一型材件或板材件的位置并将位置信息发送至控制柜，控制柜根据位置信息控制夹爪体组件的状态使得夹爪块夹取第一型材件或板材件；夹取了第一型材件或板材件的夹爪体组件进行旋转和/或转动以变换位姿，再将变换位姿后的第一型材件或板材件送至钢铁基板上的待焊接位置。D，型材件和板材件的点焊：焊接机器人的焊枪对待焊接位置的型材件或板材件进行点焊，将第一型材件或板材件与变位机工作台上的钢铁基板进行固定连接。E，型材件和板材件逐层堆叠成形：根据机械钢结构各个型材件和板材件的组合序列，重复步骤B-D，依次将剩余其他型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.机械钢结构的柔性堆叠增材制造装置，包括切割组件、机械抓取传送组件、焊接机器人、变位工作台及控制柜；/n其特征是：所述机械抓取传送组件包括第一支架组件、第二支架组件、龙门架、抓取手臂构件及CCD位置扫描器；/n第一支架组件上设有第一轨道，第一轨道的两端分别设有第一轴向丝杠座及第二轴向丝杠座，第二轴向丝杠座上设有轴向电机，轴向丝杠的两端分别安装在第一轴向丝杠座及第二轴向丝杠座的轴孔内，轴向丝杠的一端与轴向电机的动力输出轴连接；/n第二支架组件上设有第二轨道，第二轨道的两端分别设有光杆座，光杆的两端分别安装在光杆座的轴孔内；/n龙门架的横梁两端分别设有横向丝杠座及横向电机，横向丝杠的一端安装在横向丝杠座的轴孔内，横向丝杠的另一端与横向电机的动力输出轴连接，横向移动滑块安装在横向丝杠上，横向丝杠旋转带动横向移动滑块横向移动，竖向移动装置安装在横向移动滑块上，竖向移动装置中的竖向丝杠与横向移动滑块上丝杠螺母配合，竖向移动装置中的竖向电机带动竖向丝杠旋转；/n抓取手臂构件包括电机组件、转动轴组件和夹爪体组件；电机组件包括相对设置的旋转电机和转动电机、设置于旋转电机和转动电机之间的齿轮传动轴、设置于齿轮传动轴末端的锥齿轮A、电机支承外壳、齿轮轴支撑架、第一连接轴套和锥齿轮外壳；旋转电机和转动电机均固定连接于电机支承外壳内侧且与齿轮轴支撑架连接，齿轮传动轴通过轴承固定于齿轮轴支撑架上，第一连接轴套通过轴承固定于齿轮传动轴下端，锥齿轮外壳固定连接于第一连接轴套上；旋转电机和转动电机的输出轴上均固定有齿轮，齿轮传动轴上端固定有齿轮，齿轮传动轴下端的第一连接轴套外侧固定有齿轮，旋转电机输出轴上的齿轮与齿轮传动轴上端的齿轮啮合，转动电机输出轴上的齿轮与齿轮传动轴下端第一连接轴套外侧的齿轮啮合；/n转动轴组件包括转动杆、设置于转动杆两端的法兰盘、设置于转动杆上与锥齿轮A啮合的锥齿轮B和设置于转动杆上位于锥齿轮B两侧的第二连接轴套；/n夹爪体组件包括两个结构相同的夹爪体，夹爪体包括夹爪气缸、齿条、夹紧齿轮、夹紧连杆、固定轴、夹爪块和夹爪体支承外壳；齿条与夹爪气缸的伸缩杆末端连接，两个夹紧齿轮分别设置在齿条的两侧并与齿条啮合，夹紧齿轮的齿轮轴分别固定于夹爪体支承外壳上；夹紧连杆的数量为四根，齿条一侧夹紧齿轮的齿轮轴与其中一根夹紧连杆的一端固定连接，该夹紧连杆的另一端与另一根夹紧连杆的一端连接并均与夹爪块连接，另一根夹紧连杆的另一端通过固定轴固定于夹爪体支承外壳上；齿条另一侧的结构与该侧相同；/n电机组件的锥齿轮外壳通过第二连接轴套与转动轴组件的转动杆活动连接，夹爪体组件的两个夹爪体分别与转动轴组件的法兰盘固定连接；/n龙门架通过底部滑块坐落在第一支架组件的第一轨道及第二支架组件的第二轨道上，轴向丝杠与龙门架上的丝杠螺母配合，光杆与龙门架上的光杆轴套配合；抓取手臂构件的电机支承外壳通过其顶部的法兰盘与龙门架上的竖向移动装置连接；CCD位置扫描器安装在竖向移动装置底部的CCD位置扫描器安装板上且CCD位置扫描器伸出电机组件之外，用于对切割组件切割的型材件或板材件的位置信息进行扫描；/n所述焊接机器人的焊枪上设有CCD焊缝扫描器，CCD焊缝扫描器用于对抓取到变位工作台上堆叠成形的机械钢结构的焊缝信息进行扫描；/n切割组件布置在第一支架组件及第二支架组件之间，变位工作台布置在切割组件的末端，第一支架组件及变位工作台处在龙门架的轴向工作行程范围内；控制柜安装在变位工作台上；/n所述切割组件、焊接机器人、变位工作台、轴向电机、横向电机、竖向电机、旋转电机、转动电机、夹爪气缸、CCD位置扫描器和CCD焊缝扫描器均与控制柜电连接。/n...

【技术特征摘要】
1.机械钢结构的柔性堆叠增材制造装置，包括切割组件、机械抓取传送组件、焊接机器人、变位工作台及控制柜；
其特征是：所述机械抓取传送组件包括第一支架组件、第二支架组件、龙门架、抓取手臂构件及CCD位置扫描器；
第一支架组件上设有第一轨道，第一轨道的两端分别设有第一轴向丝杠座及第二轴向丝杠座，第二轴向丝杠座上设有轴向电机，轴向丝杠的两端分别安装在第一轴向丝杠座及第二轴向丝杠座的轴孔内，轴向丝杠的一端与轴向电机的动力输出轴连接；
第二支架组件上设有第二轨道，第二轨道的两端分别设有光杆座，光杆的两端分别安装在光杆座的轴孔内；
龙门架的横梁两端分别设有横向丝杠座及横向电机，横向丝杠的一端安装在横向丝杠座的轴孔内，横向丝杠的另一端与横向电机的动力输出轴连接，横向移动滑块安装在横向丝杠上，横向丝杠旋转带动横向移动滑块横向移动，竖向移动装置安装在横向移动滑块上，竖向移动装置中的竖向丝杠与横向移动滑块上丝杠螺母配合，竖向移动装置中的竖向电机带动竖向丝杠旋转；
抓取手臂构件包括电机组件、转动轴组件和夹爪体组件；电机组件包括相对设置的旋转电机和转动电机、设置于旋转电机和转动电机之间的齿轮传动轴、设置于齿轮传动轴末端的锥齿轮A、电机支承外壳、齿轮轴支撑架、第一连接轴套和锥齿轮外壳；旋转电机和转动电机均固定连接于电机支承外壳内侧且与齿轮轴支撑架连接，齿轮传动轴通过轴承固定于齿轮轴支撑架上，第一连接轴套通过轴承固定于齿轮传动轴下端，锥齿轮外壳固定连接于第一连接轴套上；旋转电机和转动电机的输出轴上均固定有齿轮，齿轮传动轴上端固定有齿轮，齿轮传动轴下端的第一连接轴套外侧固定有齿轮，旋转电机输出轴上的齿轮与齿轮传动轴上端的齿轮啮合，转动电机输出轴上的齿轮与齿轮传动轴下端第一连接轴套外侧的齿轮啮合；
转动轴组件包括转动杆、设置于转动杆两端的法兰盘、设置于转动杆上与锥齿轮A啮合的锥齿轮B和设置于转动杆上位于锥齿轮B两侧的第二连接轴套；
夹爪体组件包括两个结构相同的夹爪体，夹爪体包括夹爪气缸、齿条、夹紧齿轮、夹紧连杆、固定轴、夹爪块和夹爪体支承外壳；齿条与夹爪气缸的伸缩杆末端连接，两个夹紧齿轮分别设置在齿条的两侧并与齿条啮合，夹紧齿轮的齿轮轴分别固定于夹爪体支承外壳上；夹紧连杆的数量为四根，齿条一侧夹紧齿轮的齿轮轴与其中一根夹紧连杆的一端固定连接，该夹紧连杆的另一端与另一根夹紧连杆的一端连接并均与夹爪块连接，另一根夹紧连杆的另一端通过固定轴固定于夹爪体支承外壳上；齿条另一侧的结构与该侧相同；
电机组件的锥齿轮外壳通过第二连接轴套与转动轴组件的转动杆活动连接，夹爪体组件的两个夹爪体分别与转动轴组件的法兰盘固定连接；
龙门架通过底部滑块坐落在第一支架组件的第一轨道及第二支架组件的第二轨道上，轴向丝杠与龙门架上的丝杠螺母配合，光杆与龙门架上的光杆轴套配合；抓取手臂构件的电机支承外壳通过其顶部的法兰盘与龙门架上的竖向移动装置连接；CCD位置扫描器安装在竖向移动装置底部的CCD位置扫描器安装板上且CCD位置扫描器伸出电机组件之外，用于对切割组件切割的型材件或板材件的位置信息进行扫描；
所述焊接机器人的焊枪上设有CCD焊缝扫描器，CCD焊缝扫描器用于对抓取到变位工作台上堆叠成形的机械钢结构的焊缝信息进行扫...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏兴旺，石细桥，何鹏，白俊昭，兰佳文，刘理想，周祥曼，张海鸥，
申请(专利权)人：南华大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43