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预应力圆柱管桩端板法兰盘焊接机械手设计方案

基于当前管桩端板焊接中存在的问题,我公司为常熟某公司的管桩端板设计了一套高效智能的焊接系统,该系统由总成、上料、焊接系统、控制系统、焊缝视觉跟踪系统,该系统能实现不同型号工件焊接的自动切换,从上料到焊接完成全过程的高度自动化以及准确检测焊缝位置和宽度的智能化焊接设备。

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设计背景

管桩端板是预应力水泥管道的主要零件,需求量巨大。管桩端板制造大多采用连续轧制、卷曲螺旋成型、切割分片的高效方式生产,切口的接任伤非常繁重。此外由于型号众多,焊接过程还要面临端板质量较大,焊缝宽度不均匀、形状不规则、位置不固定等问题。

 

目前管桩端板加工企业在焊接时,大多采用人工进行焊接,很难同时满足端板的批量及质量加工要求,因此采用机器人替代人工焊接是一个非常合同的选择。机器人焊接端板考虑工厂的现有工况约束条件,需要对机器人的型号、数量、焊接工序等进行前期规划与设计,我们采用5台工业机器人:两台焊接机器人、两台供料机器人、一台上料机器人组成,外围配机器人控制柜、PLC控制柜、焊接电源、供气系统、清枪剪丝装置、触摸屏、机器人视觉系统、传感器、安全防护装置(安全门、栅栏)


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端板焊接机器人工作流程:供料机器人一次夹两个端板,焊接机器人同时焊接,为了提高焊接效率、充分利用机器人的资源,采用两个供料机器人轮流供料,搬运机器人手腕部位安装焊缝检测传感器,可准确识别端板毛坯料的焊缝位置,由于机器人范围有限,所以先由上料机器人将端板毛坯料搬运至中转工位,同时实现焊缝定位。然后供料机器人从中转工位,同时实现焊缝定位,然后供料机器人从中转工位夹取端板毛坯,通过机器人视觉系统识别焊缝位置和尺寸。如果焊缝不大于3mm,则由供料机器人夹取至焊接工位配合焊接机器人完成任务。如果焊缝大于3mm,则不满足焊接要求,被视为废料,由供料机器人夹到废料区。

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1、上料及焊接系统设计

端板毛坯由毛坯料架对其外圆进行定位,毛坯焊缝位置摆放时无要求,料架为可活动式,与底座分离(料架底座在工位上固定,)针对不同毛坯件采用不同型号的料架,不同料架底部结构件尺寸相同,当工件装满料架后,通过天车或者叉车放到料架固定底座上,毛坯料架采用六点定位原理进行定位,最后通过气缸等装置将毛坯架锁死,避免工作过程中发生位移。料架固定台有工件种类识别装置,识别来料为何种规格工件,控制系统会自动切换成与此工件相关程序。

2、上料及焊接系统设计

端板毛坯由料架对其外圆进行定位,毛坯焊缝位置摆放时无要求,料架为可活动式,与底座分离,底座在工位上固定。针对不同毛坯件采用不同型号料架,料架底部结构尺寸相同,当工件装满料架后,通过叉车放到料架固定底座,毛坯料架采用六点定位原理进行定位,最后通过气 缸等装置将毛坯料架锁死,避免工作过程中发生位移。料架固定台有工件种类和识别装置,识别来料为何种规格工件,控制系统会自动切换成与此工件相关的程序


供料机器人和上料机器人夹具采用电永磁铁,电永磁铁仅在充磁和退磁的一瞬间通电,能够迅速地夹紧和松开端板毛坯。电永磁铁通电后产生很强的吸附力,上料和搬运端板时能牢牢固定住工件。夹紧和松开后电永磁铁无电源输入,全可靠性高。与磁铁夹具相比,能节省大量电能,不会因为突然停和线路损坏丢失磁力。上料机器人手臂前端装有距离传感器,当夹具与工件接触时,机器人手臂停止运动,夹具工作。

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焊接系统采用双丝焊接方法,用双丝焊接取代单丝焊是提高焊接速度和效率并降低成本的有效方法。焊接电源选用祝尼斯,焊枪选用水冷双丝焊枪,焊丝分2路单独工作,并且使用同一个喷嘴,形成不同的熔池。焊枪配备防碰撞传感器、把持器和高压喷射式清枪系统。

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3、电气控制设计

电气控制系统由西门子作为控制中枢,通过现场总线与五个机器人控制柜通信。机器人焊接系统组成部分复杂,电气元件繁多。从系统可靠性和实用性方面考虑,主要部件采用现场总线通信,通信总线采用安全可靠、传输速度高、使用成本低、数据传输安全可靠的线类,非常适合于现场级分布式I/O设备与PLC之间的信号交互。主站这之间用令牌方式 通信,主站与从站之间用主从轮询方式通信。采用现场总线通信方式,可节省大量I/0连接线缆,降低控制成本,提高数据传输的准确性和可靠性,通过双向通信对现场设备进行远程调式、诊断和管理。

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4、焊缝视觉检测系统设计

焊缝视觉检测系统是机器人焊接系统的核心技术,是获得良好焊接效果的关键,由于管桩端板切口位置及走向不确定、宽度不均匀,所以必须用机器视觉的方法检测切口位置及宽度。管桩端板切口形状大体呈矩形,所以只需要用机器人视觉方法确定矩形的位置和走向即可,CCD传感器被固定在中转工位两侧,可不受焊接弧光的影响,确保得到高质量的焊缝图像。

  该系统的原理是利用CCD图像传感器,在辅助光源的照射下,通过图像采集卡获取管桩端板的切口图像信息,然后经过图像预处理和特征提取,得到焊缝图像特征点,编写控制算法求出焊缝图像特片点与机器人关节变量之间的转换关系,最后,焊接机器人控制系统根据得到的转换关系改变焊枪的位姿和移运轨迹。


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设计的管桩端板机器人焊接系统能够实现端板毛坯从上料、供料、焊接的高度自动化。机器视觉焊缝检测系统解决了因焊缝宽度不均匀、走向不确定而影响焊接效果问题,使得整个机器人焊接系统更加智能化。双工位供料的设计,保证了管桩端板连续、高效地焊接。同时多种安全防护、报警、监控装置能够确保焊接系统持续、安全、高效地运行。


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