一种适用于盾构机刀盘顶面焊缝的自动焊接方法及设备

本发明涉及特种装备现场自动焊接加工，尤其涉及一种适用于盾构机刀盘顶面焊缝的自动焊接方法及设备。

背景技术：

1、盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机，盾构施工法是掘进机在掘进的同时构建隧道的支撑性管片，它区别于敞开式施工法。盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进、边对土壤进行挖掘，是指与盾构直径相仿的全断面旋转切削刀盘机械切削式开挖方式。

2、现在采用盾构施工法加工隧道直径都比较大，尺寸从十米到十几米不等，其刀盘的尺寸直径也达到十几米，厚度达到2～3米左右，圆盘形结构，由钢板焊接而成，其顶部安装有不同数量的切削刀具。刀盘在工厂内组焊后，与盾构机组装成整体，进行整车试验，完成后再启运到施工现场，由于刀盘尺寸大，无法在公路上运输，需将刀盘整体切割成若干个部件，运到施工现场后再进行组焊成整体。刀盘部件运输到施工现场，人工组装定位，人工焊接，需要多位有经验的技术工人连续焊接，工人劳动强度大，效率低，质量一致性难以保证，影响工期造成损失较大。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种适用于盾构机刀盘顶面焊缝的自动焊接方法及设备，刀盘切割成若干部件后，刀盘顶面所需焊接的焊缝分布在刀盘圆心周边一个圆环内。盾构机的刀盘顶面自动焊接设备是由一个可沿中心旋转的旋转臂、可伸缩的摆动臂组成，在伸缩臂的前端安装机器人，设备把机器人传送所需焊接的焊缝附近，机器人机械臂前端装有立体相机，可自动寻址，找到所需焊接的焊缝，焊枪对焊缝进行自动焊接；焊完一段焊缝后，设备伸缩臂、旋转臂根据规划路径进行移动，把机器人送到另一个位置，对另一段焊缝进行自动焊接，这样可以减轻工人劳动强度、提高效率、减少刀盘组装焊接时间，节省盾构施工工期。

2、为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

3、一种适用于盾构机刀盘顶面焊缝的自动焊接方法，其特征在于：自动焊接设备的底座安装在刀盘顶面中心位置，活动支撑进行辅助支撑，底座上安装回转支撑，回转支撑上连接的摆动臂和伸长臂带动前端的机器人寻找焊缝位置，机器人的机械臂上装有焊枪，对所需焊接的焊缝进行焊接。

4、进一步的，包括如下步骤：

5、步骤1：把自动焊接设备的主体部分安装在刀盘顶面的中心位置并固定；

6、步骤2：摆动臂组件摆动、伸长臂组件伸缩，把安装在伸长臂组件前端上的机器人送到所需焊接焊缝的合适位置；

7、步骤3：伸长臂前端的折叠辅助支撑组件展开，支撑到刀盘顶面合适位置，避开刀具安装位置，减少机器人工作时伸长臂振动；

8、步骤4：通过机器人前端安装的立体相机把焊缝位置、焊缝大小信息传送给焊接数据库进行比对，软件规划后焊接工艺，控制机器人对焊缝进行自动焊接；

9、步骤5：焊接完成一段焊缝后，松开折叠辅助支撑组件，摆动臂摆动、伸长臂伸缩，把机器人送到另一焊缝位置；

10、步骤6：重复上述步骤3-5，直至所有焊缝焊接完毕。

11、一种适用于盾构机刀盘顶面焊缝的自动焊接设备，其特征在于：应用于上述任一项所述的适用于盾构机刀盘顶面焊缝的自动焊接方法，包括底座组件、摆动臂组件、伸长臂组件、立体相机、机器人、焊枪，所述底座组件固定连接在所述到刀盘顶面上，所述摆动臂组件转动连接在所述底座组件上端，摆动臂组件能够围绕所述底座组件中心转动，所述伸长臂组件滑动连接在所述摆动臂组件上端，伸长臂组件能够沿摆动臂组件轴向滑动，所述机器人和立体相机设置在所述伸长臂组件的前段，所述焊枪连接在所述机器人上。

12、进一步的，所述底座组件包括过渡板、支撑座、底座，所述过渡板焊接在刀盘顶面上，所述支撑座与过渡板螺栓连接，所述底座螺栓连接在所述支撑座上端，所述摆动臂组件转动连接在所述底座中心上。

13、进一步的，所述底座的两侧设置有两组活动支撑架组件，每组所述活动支撑架组件包括安装座、摆臂、连接板、支撑脚，所述安装座有两个，固定连接在所述底座上，所述摆臂通过第一销轴转动连接在所述安装座上，摆臂的另一端通过第二销轴转动连接所述连接板，连接板和摆臂构成平行四边形结构，所述支撑脚螺纹连接在连接板上，支撑脚上设置有调节手柄能够调节支撑脚高度，支撑脚的下端支撑在所述刀盘顶面上。

14、进一步的，所述摆动臂组件包括回转支撑、摆动臂、电机安装板、第一伺服电机、第一减速器，所述回转支撑的外圈固定连接在所述底座上，所述摆动臂固定连接在回转支撑的内圈上，所述第一伺服电机通过所述电机安装板固定连接在摆动臂上，所述第一伺服电机的输出轴通过所述第一减速器连接有第一小齿轮，所述回转支撑的外圈外沿设置有与所述第一小齿轮相互啮合的齿轮，第一伺服电机能够带动第一小齿轮沿回转支撑外圈上的齿轮进行公转，实现摆动臂沿回转支撑中心旋转。

15、进一步的，所述伸长臂组件包括伸长臂、导轨、滑块、第二伺服电机、第二减速器、第二小齿轮、齿条，所述导轨、齿条平行固定连接在所述摆动臂组件上表面，所述滑块通过安装板固定连接在所述伸长臂的下表面，所述导轨和滑块滑动连接，所述第二伺服电机固定连接在所述安装板上，第二伺服电机的输出轴通过所述第二减速器连接所述第二小齿轮，第二小齿轮和齿条相互啮合连接，第二伺服电机能够控制第二小齿轮沿齿条啮合滚动，带动伸长臂在沿导轨平移，实现伸长臂的伸缩。

16、进一步的，所述摆动臂的前端安装有第一限位块，所述摆动臂的后端安装有第二限位块。

17、进一步的，还包括折叠辅助支撑组件，所述折叠辅助支撑组件包括第一支座、第二支座、第三伺服电机、第四伺服电机、第一摆动轴、第二摆动轴、第一摆动板、第二摆动板、电动缸、支撑杆，所述第一支座固定连接所述伸长臂组件侧面，所述第三伺服电机连接在第一支座上，所述第一摆动轴通过所述第三减速器连接第三伺服电机的输出轴，所述第一摆动板的一端固定连接第一摆动轴，另一端固定连接所述第二支座，所述第四伺服电机连接在第二支座上，所述第二摆动轴通过所述第四减速器连接第四伺服电机的输出轴，所述第二摆动板的一端固定连接第二摆动轴，另一端固定连接所述电动缸，所述支撑杆连接在电动缸的输出端上。

18、进一步的，所述机器人通过安装板固定连接在所述伸长臂组件前段，所述安装板为平板或直角板。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、1、本发明是一种用于盾构机的刀盘顶面部位焊缝进行自动焊接，在自动焊接设备上安装立体相机，对焊缝进行自动拍摄，并建立三维模型，通过前期设立的焊接数据库与焊接模型进行比对，规划与确定焊接路径和焊接参数；焊枪安装在小型机器人的机械臂上，而机器人安装在自动焊接设备上，通过控制机器人的六个自由度机械臂，对一段焊缝进行自动焊接；焊接完成后，焊接设备的摆动臂和伸长臂自动旋转和伸缩，把机器人送到另一段焊缝位置，再进行自动焊接，这样可以减轻工人劳动强度、提高效率、减少刀盘组装焊接时间，节省盾构施工工期。

21、2、本发明自动焊接设备，其结构由底座、摆动臂、伸长臂构成，底座通过二个支撑座和过渡板与盾构机的刀盘顶面相连，过渡板焊接在盾构机的刀盘顶面，支撑座用螺栓与过渡板连接，焊接完成后，拆除螺栓就可以移除设备；底座上安装有二个活动支撑架，使设备工作时更加稳固；底座上安装有回转支撑，而回转支撑上安装摆动臂，由伺服电机驱动回转支撑旋转，控制摆动臂摆动(旋转)；而摆动臂上安装有滑动导轨，而滑动导轨的滑块上安装有伸长臂，由伺服电机通过齿轮齿条控制伸长臂的伸缩，而机器人和立体相机安装在伸长臂前端；通过控制摆动臂的摆动和伸长臂的伸缩，可以把机械人送到盾构机的刀盘所需焊接的焊缝位置。

22、3、本发明的自动焊接设备的伸长臂前端上安装有折叠辅助支撑臂，折叠辅助支撑臂有二个摆臂组成，每一个摆臂安装在伸长臂前端，第二个摆臂安装在第一个摆臂前端，而第二摆臂前端安装电动缸，通过伺服电机控制二个摆臂的转动，可使电动缸移动到合适支撑位置，避开刀盘顶面安装的刀具和空隙，电动缸推杆伸出，支撑在刀盘顶面，作用力可以稳定伸长臂，减小因机器人焊接工作时所产生的振动。

23、4、盾构机的刀盘尺寸、重量过大，无法整体从工厂运输到施工现场，需要在工厂内按一定规则进行分解、运输，到施工现场由人工进行焊接，焊接工期和质量要求严格，对焊接技术要求高，人工焊接难以得到保证，严重时会影响施工工期，造成损失；采用自动焊接设备进行焊接，可以连续焊接，焊接质量一致性较好，所需工期可以得到保证，提高效率，降低劳动强度。