螺旋钢管管端螺旋焊缝自动修磨机器人制造技术

提供一种螺旋钢管管端螺旋焊缝自动修磨机器人，采用在多自由度机械手执行端安装配备激光轮廓仪的二自由度精磨执行机构，通过简化运动控制的同时提高机械手的打磨精度，克服现有技术下多自由度打磨机械手打磨后的螺旋钢管管端焊道质量无法满足API Spec5L标准和GBT97111—1997标准规定的工艺指标要求；仍需人工二次修磨的技术难题。本发明专利技术不仅可用于螺旋钢管的外焊缝打磨，而且适用于螺旋钢管内焊缝的打磨，且修磨不伤母材；修磨后残余高度最小可小于等于0.1mm，远高于API Spec5L标准和GBT97111—1997标准要求；激光轮廓仪协同特殊检测算法，可实现精度小于0.05mm的高精度扫描检测；为高精度焊缝修磨提供有力技术支持。

【技术实现步骤摘要】
螺旋钢管管端螺旋焊缝自动修磨机器人
本专利技术属作业运输磨削抛光
，具体涉及一种螺旋钢管管端螺旋焊缝自动修磨机器人。
技术介绍
螺旋钢管是以带钢卷板为原材料，采用螺旋焊接工艺卷制而成的的管材。针对螺旋钢管，为了满足螺旋钢管管端下一步钢管对接环焊的焊接质量，APISpec5L标准和GBT97111—1997标准中均明确规定：以打磨508mm直径规格的螺旋钢管管端焊缝为例：首先，应清除螺旋焊管距管端至少150mm长度范围内的焊缝余高，即对螺旋钢管管端轴向的修磨进深长度提出要求；其次、经磨削处理后的焊道不能低于管体母材外圆周面，即焊缝修磨不得伤及母材；再者、磨削处理后焊道超出钢管表面的残余高度应小于0.5mm，以最大限度满足钢管径向应力分布均一化的耐久使用需求。此外，在外观质量要求方面，磨削后焊缝表面还应光滑平整。但是，现有技术下，市场上借助机械手直接携带磨头完成自动磨削的设备普遍存在打磨精度不够，从而导致打磨后焊道余高过高仍需人工二次修磨或伤及焊管母材导致钢管报废，即无法实现前文描述的符合APISpec5L标准和GBT97111—1997标准规定的全自动打磨精度以及技术指标要求。以公开号为CN109483369A公开的一种具有三维视觉的机器人打磨系统及其控制方法，以及公开号为CN109483369A公开的一种具有三维视觉的机器人打磨系统及其控制方法为例：上述两种技术方案均采用气动打磨技术；虽然在柔性输出上具备一定优势；但是受气体的可压缩性影响，气动执行机构内气体容易受外界环境温度的变化而产生波动，导致气动系统的固有频率稳定性差,导致最终打磨线性度输出并不理想。不仅如此，受气动执行机构气缸摩擦力低速运行的严重爬行影响,系统性能并不稳定，因此高精度打磨的可靠性受到制约。因此无法满足不伤母材的高精度平滑打磨后0.5mm高度以内焊道螺旋钢管管端焊缝的高精度且可靠的自动打磨使用需求。此外，公开号为CN109483369A公开的一种具有三维视觉的机器人打磨系统及其控制方法，由于采用多自由度机械手直接携带砂轮打磨，由于机械手运动轨迹规划的精度限制，以及各关节轨迹传感器弹性变形使关节产生额外的转角增量，转角增量产生的位移将通过多自由度机械手每个执行单元的臂长被放大，因此，多自由度机械手直接携带磨头打磨的精度有限，无法完全替代人工打磨所能达到的技术要求。此外，采用砂轮打磨；砂轮与钢管焊缝呈点接触打磨，磨削效率低、砂轮更换成本高、机床功率利用率并不理想。对此，现提出如下改进技术方案
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题：提供一种螺旋钢管管端螺旋焊缝自动修磨机器人，采用在多自由度机械手执行端安装二自由度精磨执行机构，一方面能够简化机械手的运动控制，同时提高机械手执行端的打磨精度；克服现有技术下多自由度打磨机械手打磨后的螺旋钢管管端焊道质量无法满足APISpec5L标准和GBT97111—1997标准规定的工艺指标要求；仍需人工二次修磨的技术难题。本专利技术采用的技术方案：螺旋钢管管端螺旋焊缝自动修磨机器人，具有在多自由度机械手执行末端水平固定安装水平结构并用砂带打磨的二自由度磨削平台；所述二自由度磨削平台具有水平铝合金镂空结构的机架；所述机架内侧安装相对其轴向水平位移的轴向机构；所述轴向机构的轴向水平位移执行端安装法向机构；所述法向机构的法向垂直直线位移执行端固定安装修磨机构并带动修磨机构法向直线垂直位移；所述修磨机构外侧固定安装激光轮廓仪；所述激光轮廓仪随修磨机构相对机架水平轴向或垂直法向直线位移。上述技术方案中，进一步地：为保证精确打磨磨削的精确性、稳定性、可靠性：所述二自由度磨削平台的轴向机构以机架为载体固定安装左极限接近开关、零点接近开关、右极限接近开关；所述法向机构以其具有的前、后竖直安装侧板为载体固定安装上极限接近开关、零点接近开关以及下极限接近开关。上述技术方案中，进一步地：为轻量化、美观化设计二自由度磨削平台的机架：所述机架用铝合金制成；机架包括镂空结构的左、右框架，与左、右框架之间固连的前后水平支撑用的支撑框架，以及封装左、右框架和支撑框架顶部的封盖壳体；其中支撑框架外侧包覆一层铝合金蒙皮；所述机架水平左侧固定安装镂空直角三角形结构的机械手连接座；所述机械手连接座用于将二自由度磨削平台水平安装在机械手的执行末端。上述技术方案中，优选地：为保证打磨精度：所述轴向机构和法向机构9分别由双导轨、双导轨滑块以及丝杆、丝杆滑块组成稳定可靠的旋转与直线位移转换机构。上述技术方案中，进一步地：为可靠、稳定、轻量化、紧凑化、小型化设计二自由度磨削平台的轴向、法向位移机构：所述二自由度磨削平台具有镂空框架结构的机架，所述机架轴向水平架体架体内侧底端通过前后平行的两组水平导轨滑动适配两组水平导轨滑块；两组水平导轨滑块前后轴对称分别固连两个前、后倒L型水平滑块连接板；所述前、后倒L型水平滑块连接板分别固连修磨机构的前、后竖直安装侧板；前、后竖直安装侧板内侧板体竖直平行且对称安装一对垂直滑轨、垂直滑轨分别滑动适配一对垂直导轨滑块，垂直导轨滑块一侧固连垂直丝杆滑块，垂直丝杆滑块旋合适配垂直丝杆；所述垂直丝杆通过与安装侧板固连的垂直丝杆安装座在安装侧板内侧转动支撑安装，且垂直丝杆的动力输入端同轴固连同样以安装侧板为支撑固定安装的Z轴垂直减速电机；由Z轴垂直减速电机驱动垂直位移的垂直丝杆滑块通过L型的转接板固连垂直基板背侧，所述垂直基板正面固定安装修磨机构；其中垂直基板板体背侧安装修磨机构的主动轮打磨电机；所述垂直基板通过Z轴垂直减速电机驱动垂直丝杆滑块带动垂直基板正面固定安装的修磨机构相对前、后竖直安装侧板内侧板体固定安装的垂直滑轨垂直位移；所述前、后竖直安装侧板板体外侧固连水平丝杆滑块；所述水平丝杆滑块旋合适配水平丝杆；所述水平丝杆通过水平丝杆安装座在机架架体内侧水平转动安装，且水平丝杆平行于水平导轨滑块上方水平设置；且水平丝杆的动力输入端同轴固连X轴水平减速电机；所述X轴水平减速电机驱动水平丝杆滑块带动前、后竖直安装侧板以及修磨机构相对两组水平导轨水平轴向位移。上述技术方案中，为紧凑、小型化、稳定、轻量化设计磨削机构，并方便砂带的更换：所述修磨机构具有呈三角形分布的主动轮、打磨轮以及调整轮，且主动轮、打磨轮和调整轮外部包绕涨紧安装砂带；所述打磨轮通过三轴气缸驱动实现打磨轮在Z轴方向的直线涨紧位移调节；所述调整轮通过转动手轮推送调整轮轴一端绕调整轮轴另一端铰点转动防止调整轮上包绕的砂带跑偏；且调整轮的调节机构由手轮、螺栓、螺母、关节轴承、调整轮轴、滚珠轴承Ⅰ、轴承孔用挡圈、圆柱销、调整轮机架、调整轮组成；其中调整轮轴一端与调整轮机架通过圆柱销铰接转动相连，所述调整轮轴另一端与关节轴承输出端相连；关节轴承输入端与螺母、螺栓、手轮组成的丝杆螺母螺旋副相连。上述技术方案中，进一步地：为方便打磨轮的安装以及更换：所述修磨机构具有呈三角形分布的主动轮、打磨轮和调整轮；且主动轮、打磨轮和调整轮外部包绕涨紧安装砂带；所述打磨轮具有倒U型的上安装架；上安装架顶端与垂直朝下安装的三轴气缸执行端固定连接；与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.螺旋钢管管端螺旋焊缝自动修磨机器人，其特征在于：具有在多自由度机械手(1)执行末端水平固定安装水平结构并用砂带打磨的二自由度磨削平台(4)；所述二自由度磨削平台(4)具有水平铝合金镂空结构的机架(41)；所述机架(41)内侧安装相对其轴向水平位移的轴向机构(7)；所述轴向机构(7)的轴向水平位移执行端安装法向机构(9)；所述法向机构(9)的法向垂直直线位移执行端固定安装修磨机构(3)并带动修磨机构(3)法向直线垂直位移；所述修磨机构(3)外侧固定安装激光轮廓仪(5)；所述激光轮廓仪(5)随修磨机构(3)相对机架(41)水平轴向或垂直法向直线位移。/n

【技术特征摘要】
1.螺旋钢管管端螺旋焊缝自动修磨机器人，其特征在于：具有在多自由度机械手(1)执行末端水平固定安装水平结构并用砂带打磨的二自由度磨削平台(4)；所述二自由度磨削平台(4)具有水平铝合金镂空结构的机架(41)；所述机架(41)内侧安装相对其轴向水平位移的轴向机构(7)；所述轴向机构(7)的轴向水平位移执行端安装法向机构(9)；所述法向机构(9)的法向垂直直线位移执行端固定安装修磨机构(3)并带动修磨机构(3)法向直线垂直位移；所述修磨机构(3)外侧固定安装激光轮廓仪(5)；所述激光轮廓仪(5)随修磨机构(3)相对机架(41)水平轴向或垂直法向直线位移。


2.根据权利要求1所述的螺旋钢管管端螺旋焊缝自动修磨机器人，其特征在于：所述二自由度磨削平台(4)的轴向机构(7)以机架(41)为载体固定安装左极限接近开关(71)、零点接近开关(72)、右极限接近开关(73)；所述法向机构(9)以其具有的前、后竖直安装侧板(301)为载体固定安装上极限接近开关(91)、零点接近开关(92)以及下极限接近开关(93)。


3.根据权利要求1所述的螺旋钢管管端螺旋焊缝自动修磨机器人，其特征在于：所述机架(41)用铝合金制成；机架(41)包括镂空结构的左、右框架(411)，与左、右框架(411)之间固连的前后水平支撑用的支撑框架(412)，以及封装左、右框架(411)和支撑框架(412)顶部的封盖壳体(413)；其中支撑框架(412)外侧包覆一层铝合金蒙皮(4131)；所述机架(41)水平左侧固定安装镂空直角三角形结构的机械手连接座(414)；所述机械手连接座(414)用于将二自由度磨削平台(4)水平安装在机械手(1)的执行末端。


4.根据权利要求1所述的螺旋钢管管端螺旋焊缝自动修磨机器人，其特征在于：所述轴向机构(7)和法向机构(9)分别由双导轨、双导轨滑块以及丝杆、丝杆滑块组成稳定可靠的旋转与直线位移转换机构。


5.根据权利要求4所述的螺旋钢管管端螺旋焊缝自动修磨机器人，其特征在于：所述二自由度磨削平台(4)具有镂空框架结构的机架(41)，所述机架(41)轴向水平架体架体内侧底端通过前后平行的两组水平导轨(42)滑动适配两组水平导轨滑块(43)；两组水平导轨滑块(43)前后轴对称分别固连两个前、后倒L型水平滑块连接板(44)；所述前、后倒L型水平滑块连接板(44)分别固连修磨机构(3)的前、后竖直安装侧板(301)；前、后竖直安装侧板(301)内侧板体竖直平行且对称安装一对垂直滑轨(302)、垂直滑轨(302)分别滑动适配一对垂直导轨滑块(303)，垂直导轨滑块(303)一侧固连垂直丝杆滑块(304)，垂直丝杆滑块(304)旋合适配垂直丝杆(305)；所述垂直丝杆(305)通过与安装侧板(301)固连的垂直丝杆安装座(306)在安装侧板(301)内侧转动支撑安装，且垂直丝杆(305)的动力输入端同轴固连同样以安装侧板(301)为支撑固定安装的Z轴垂直减速电机(307)；由Z轴垂直减速电机(307)驱动垂直位移的垂直丝杆滑块(304)通过L型的转接板(308)固连垂直基板(309)背侧，所述垂直基板(309)正面固定安装修磨机构(3)；其中垂直基板(309)板体背侧安装修磨机构(3)的主动轮打磨电机(3101)；所述垂直基...

【专利技术属性】
技术研发人员：原小红，张瑾宇，朱雅光，尹志远，马利，王林军，
申请(专利权)人：宝鸡宇喆工业科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61