一種用於等離子mig複合焊接的自主移動式機器人系統的製作方法

2023-06-01 08:02:01 2

專利名稱：一種用於等離子mig複合焊接的自主移動式機器人系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於機器人焊接技術領域，具體來說是一種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統。
背景技術：
MIG焊是指熔化極惰性氣體保護電弧焊，這種焊接方法是利用連續送進的焊絲與工件之間燃燒的電弧作熱源，由焊炬嘴噴出的氣體來保護電弧進行焊接的熔化極氣體保護電弧焊通常用的保護氣體有氬氣，氦氣，二氧化碳氣或這些的混合氣體。以氬氣或氦氣為保護氣時稱為熔化極惰性氣體保護電弧焊(在國際上稱為MIG焊)；熔化極氣體保護電弧焊的主要優點是可以方便的進行各種位置的焊接，同時也具有焊接速度較快，熔敷率較高的優點。對於大型結構的焊接，等離子MIG複合焊接能夠提高焊接效率和焊接質量，但是·由於等離子MIG焊槍複合後的重量和體積不再適合焊工手工操作，需要開發用於等離子MIG焊接的機器人系統。等離子MIG焊接適合於大型結構厚板焊接，能一次性焊透25mm，應用於多層多道焊接時也能減少焊接布道。對於大型結構，部件本身結構、重量影響不適合旋轉或轉動，現有專用自動化焊接小車大多需要鋪設軌道，軌道柔性範圍有限，鋪設工序繁瑣；另一方面，大型構件的等離子MIG焊接自動化無法應用固定式機械手。焊接機器人系統一般由焊接承載機構、焊接系統、控制系統組成。承載機構又分為固定式工業機械手、軌道式小車、自主移動式機構；焊接系統由焊接電源、焊槍、保護氣、送絲機構等組成；控制系統負責承載機構的運動、跟蹤、焊接質量控制等。目前常用於大型鋼結構焊接的是軌道式機器人焊接系統，該系統由機器人運行軌道、機器人及焊接系統組成，使用時需要預先進行軌道鋪設，僅適用於能夠鋪設軌道的直焊縫，並且軌道的柔性在一定範圍內，無法適應焊縫形式的變換。如專利申請號為201010180754. 1，申請日為2010年5月14日，名稱為「焊接設定裝置、焊接機器人系統及焊接設定方法」的發明專利，其主要技術方案為一種同時多層堆焊設定裝置，具備層疊圖案確定部，其基於各輸入數據和層疊圖案數據基值，確定與對象的接頭對應的焊道的層疊圖案；單獨運轉用焊道確定部，其在對象的兩個接頭的層疊圖案中，表示對焊道進行組合時的熔敷金屬量的剖面面積的差值超過預定的閾值時，將剖面面積大的一方的焊道作為單獨運轉用焊道排除之後，確定同時焊接的組合；焊接諸條件確定部，其確定包含與基於輸入焊接條件算出的焊絲送給速度相對應的電流值及接縫形成位置的每個焊道焊接條件；動作程序生成部，其生成基於確定的焊接條件的機器人動作程序，並設定在機器人控制裝置內。上述專利的焊接機器人系統採用軌道式排布，無法實現焊縫自動跟蹤識別及自主移動功能，而且該焊接系統適合流水線形式的焊接並不適合對大型鋼結構件實行自主焊接，焊縫類型區別較大。又如專利申請號為201019063009. 6，申請日為2010年2月5日，名稱為「一種用
於注塑機機架的焊接機器人工作站系統」的發明專利，包括焊接機器人、焊接裝置、機器人移動滑臺、焊槍冷卻裝置、智能尋位跟蹤裝置和機器人控制箱，焊接機器人安裝在機器人移動滑臺上；焊接裝置分別與焊接機器人和焊槍冷卻裝置連接；機器人控制箱分別與焊接機器人、機器人移動滑臺、焊接裝置和智能尋位跟蹤裝置相連，用於控制焊接機器人的移動和焊接，上述專利的焊接機器人系統採用軌道式機器人焊接系統，無法實現機器人本體自動跟蹤焊縫自由移動並完成焊接而且該機器人針對注塑機機架焊接，焊縫類型範圍很有限。清華大學開發了履帶式磁吸附自主移動焊接機器人，履帶式吸附移動機構吸附可靠性好但轉向性能差，造成機器人運動靈活性差、作業位置調整困難。北京石油化工學院開發了磁輪式自主移動焊接機器人，磁輪式吸附移動機構運動靈活性好但吸附能力差，對於等離子MIG大重型焊槍無法應用。所以現有的等離子MIG焊接機器人存在運動靈活性和吸附能力不能兼具的問題。

實用新型內容為了克服現有的用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人存在運動靈活性和吸附能力不能兼具的問題，現在特別提出能滿足大型鋼結構立焊、兼具靈活性和吸附能力、高效高質量智能焊接的一種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統。 為實現上述目的，本實用新型的技術方案如下一種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統，包括機器人本體、控制系統和等離子MIG複合焊接系統，其特徵在於機器人本體包括爬行機構和操作機構所述爬行機構包括採用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊、採用永磁間隙吸附裝置的後輪模塊、連接前後輪的車架和安裝在車架上的電機驅動控制器；所述的操作機構包括十字滑塊和擺動機構，擺動機構前端夾持等離子MIG複合焊槍，水平和垂直兩個方向的自由度由兩個絲槓導軌組合單元組合而成的十字滑塊實現，擺動機構採用步進電機搭配蝸輪蝸杆減速器；所述控制系統包括傳感系統、機器人本體控制箱和機器人主控系統；所述等離子MIG複合焊接系統包括數位化MIG焊接電源、等離子電源、送絲機、保護氣、等離子焊槍和MIG焊槍；MIG焊槍、等離子焊槍、MIG焊接電源、等離子電源以及等離子MIG複合焊接系統之間的連接關係與其他焊接系統的焊槍、焊接電源以及焊接系統的連接關係存在明顯不同，但是上述不同之處以及具體如何連接是則本領域技術人員所知曉的。機器人本體、控制系統和等離子MIG複合焊接系統三者通過線纜連接。所述前輪模塊和後輪模塊分別安裝在車架兩端，在後輪模塊處設置有後輪底盤，後輪底盤上設置有永磁體；前輪模塊為驅動轉向一體化磁輪，包括永磁體和車輪，前輪的永磁體採用沿厚度方向磁化的環形永磁體；後輪模塊採用永磁間隙吸附方式，包括永磁間隙吸附裝置和車輪，永磁間隙吸附裝置包括環繞車輪安裝在後輪底盤上的永磁體，永磁間隙吸附裝置環繞後輪安裝在底盤上，所述永磁間隙吸附裝置和導磁壁面間是非接觸的，通過調節底盤和導磁壁面之間的距離設定永磁吸附裝置和導磁壁面間的氣隙；所述爬行機構採用三輪結構，各車輪均為驅動輪，依靠兩後輪的差速及前輪的受控轉向角實現在導磁壁面上的轉向和直線運動。[0019]所述的操作機構包括十字滑塊橫軸、十字滑塊縱軸、連接臂、焊縫跟蹤傳感器連接件、焊槍連接件，十字滑塊橫軸與十字滑塊縱軸是分別由步進電機與精密滾珠絲槓導軌組成，焊縫跟蹤傳感器安裝在焊縫跟蹤連接件的前端，焊槍連接件安裝在連接臂的端部。所述傳感系統包括雷射跟蹤傳感器、環境監控傳感器和熔池監控傳感器，操作機構及環境監控傳感器安裝在爬行機構上，操作機構末端安裝雷射跟蹤傳感器、熔池監控傳感器和等離子MIG複合焊槍，機器人本體控制箱安裝在爬行機構上，機器人本體控制箱與機器人主控系統通過電纜相連，焊接電源、送絲機、保護氣與等離子MIG複合焊槍通過線纜相連。所述的機器人控制系統的工作方式為操作者利用遙控手操盒控制機器人運動到起弧位置附近，再由機器人傳感控制系統完成起始點位置的調整，最後由自主識別跟蹤焊縫實現焊縫坡口中心點位置跟蹤，機器人控制系統採用PCC或者其他工業PC作為主控系統，雷射跟蹤傳感系統採集的坡口中心點偏差信號控制機器人本體和操作機構運動；等離 子MIG複合焊接系統的控制包含開關量控制、工藝參數設置、等離子弧和MIG弧起弧收弧協調控制。所述的機器人控制系統採用多自由度雲臺實現宏觀焊接環境的監控，完成焊前起始點宏觀操作；採用熔池監控傳感器實現微觀等離子槍和MIG槍的姿態調整，焊接過程的熔池監控，雲臺屬於傳感系統。等離子槍與MIG槍沿焊縫坡口方向排布，等離子槍在焊接運行方向的前方，MIG槍在等離子槍後方，等離子MIG複合焊槍是將等離子槍頭和MIG槍頭集成在一把焊槍上，等離子MIG複合焊接機器人控制系統利用X20DI9371輸入模塊、X20D09322輸出模塊與等離子焊接電源、MIG焊接電源進行連接；MIG焊接電源外部接口為一個繼電器，當繼電器閉合後，MIG焊接電源開始焊接，繼電器斷開後，MIG焊接電源停止焊接；焊接過程中，按照既定的邏輯時序來進行控制，其特徵在於起弧過程中，先啟動等離子焊機，間隔2S後，再啟動MIG焊接電源，並且開啟機器人進給運動；收弧過程中，將等離子焊接電源、MIG焊接電源、機器人同時關閉。所述的等離子MIG複合焊接系統，機器人系統控制主機通過RS485與MIG焊接電源進行通訊，通過主機控制界面完成焊接參數設置及焊接參數在線調整，焊接啟動及停止。所述驅動轉向一體化磁輪具體結構為側傾轉軸一端安裝在車體固定框架上，另一端轉臺下支撐板連接，轉臺上支撐板、轉臺支撐立柱和轉臺下支撐板連接，轉臺蓋板與轉臺上支撐板連接，圓錐滾子軸承安裝在兩個支撐板上，轉向軸支承在圓錐滾子軸承上，轉向軸與60齒直齒齒輪連接，角度傳感器輸入軸與轉向軸固接，角度傳感器支撐杆與轉臺上支撐板連接，角度傳感器與角度傳感器支撐杆連接，轉向電機安裝板與轉臺上支撐板連接，轉向減速電機與轉向電機安裝板連接，20齒直齒錐齒輪固接在轉向減速電機輸出軸上，與之相嚙合的40齒直齒錐齒輪連接安裝在錐齒輪軸上，錐齒輪軸由安裝在轉臺上支撐板的第一深溝球軸承支承，錐齒輪軸的另一側與19齒直齒齒輪通過平鍵聯接，19齒直齒齒輪與60齒直齒齒輪嚙合，轉向軸的下端與轉向基板連接，車輪左側安裝板、車輪右側安裝板、驅動電機安裝板與轉向基板連接，驅動減速電機與驅動電機安裝板連接，小同步帶輪軸與驅動減速電機的輸出軸固接，小同步帶輪通過平鍵聯接安裝在小同步帶輪軸上，車輪永磁體和車輪軛鐵通過平鍵聯接安裝在車輪軸上，車輪軸通過第一深溝球軸承和第二深溝球軸承支承在車輪左側安裝板和車輪右側安裝板之間，大同步帶輪通過平鍵聯接安裝在車輪軸的另一側，大同步帶輪和小同步帶輪之間由同步帶聯接，張緊輥輪與張緊輥輪支撐杆之間通過螺釘連接，張緊輥輪支撐杆通過螺釘安裝在車輪左側安裝板上，驅動減速電機與車輪軸之間通過同步帶傳動，轉向驅動機構還包括轉向軸，轉向軸下部安裝有車輪驅動機構及滾輪，所述轉向軸線與車輪軸線垂直正交。本實用新型的優點在於I、本實用新型爬行機構採用接觸式磁輪吸附和非接觸式間隙吸附的複合方式以及三輪全驅動或差動驅動輪式移動方式，機器人可在作業對象表面全位置自主靈活移動、可靠吸附並實施立焊作業，系統綜合性能好。2、本實用新型採用「宏觀遙控、微觀自主」的控制方式，可自主識別跟蹤焊縫，具備遠程焊接參數設置及在線調整功能；採用多自由度雲臺實現工件環境監控，完成焊前起始點宏觀操作；採用熔池監控傳感器實現微觀等離子槍和MIG槍的姿態調整，焊接過程的熔 池監控。具備宏觀焊接環境監控功能，實現了智能化焊接。3、等離子MIG複合焊接機器人能夠適應大型鋼結構的全位置焊縫形式，採用吸附式爬行機構，運動靈活，採用雷射焊縫跟蹤傳感器，具備宏觀環境監控及熔池監控系統，在大厚板全位置焊接時能夠滿足擺動要求、控制要求及運動要求。4、等離子和MIG複合焊接的方法是同一種焊槍帶有兩種焊接工藝的複合功能，能方便的實現兩種焊接方式。5、本實用新型所述的操作和擺動機構適用於爬行式焊接機器人，由操作機構的十字滑塊提供Y軸和Z軸兩個自由度，由擺動機構為前段夾持的焊槍提供一個繞X軸的旋轉自由度實現擺動功能。十字滑塊採用高精度滾珠絲槓導軌配合步進電機組合而成，定位精度可以達到O. 02mm,以保證焊槍跟蹤焊縫的工藝精度要求。擺動機構由蝸輪蝸杆搭配步進電機為焊槍提供旋轉自由度，輸出扭矩不小於10Nm，可以使焊槍以任意旋角為中心實現擺動焊接。6、本實用新型所述的操作機構的連接臂臂展可手動調節，最大臂展可達450mm。焊縫跟蹤傳感器的夾持機構夾持位置可以手動調節，X軸可調範圍120_，Y軸最大可調範圍350mm, Z軸可調範圍100mm，較大的可調空間範圍保證多種焊接工藝下焊縫跟蹤傳感器位置可以適應焊槍的各種姿態需求。7、驅動減速電機與車輪軸之間通過同步帶傳動，通過調節傳動中心距可以獲得較大的安裝空間，安裝較大功率的驅動減速電機從而提高驅動力矩。8、設置了獨立的轉向自由度且使轉向軸線與車輪軸線垂直正交，可以實現車輪的獨立轉向，提高爬壁機器人運動靈活性。9、設置了被動的側傾自由度且通過側傾限制塊限制側傾轉角在正負10度以內，使爬壁機器人具有了較好的曲面適應能力。10、側傾限制塊通過機械限位實現限制側傾角度的功能。11、所述轉向結構和車輪滾動都設置有獨立的驅動機構。12、自主移動式機器人與等離子MIG焊槍結合的優點在於整個焊接機器人系統能在自主移動的同時實現等離子MIG焊接，並且焊接速度快，是傳統MIG/MAG焊的2_3倍；與常規MIG/MAG相比，熔深更大；因焊接熱輸入較低，熱影響區較窄，不易造成零部件變形；焊接飛濺顯著減少；焊接質量優良；等離子電源與傳統MIG電源有機組合，統一協調控制，使等離子-MIG複合熱源焊接技術成為傳統MIG/MAG的升級改造。

圖I為本實用新型結構圖。圖2為本實用新型的機器人本體圖。圖3為本實用新型爬行機構結 構示意圖。圖4為本實用新型爬行機構後輪模塊示意圖。圖5為本實用新型操作機構示意圖。圖6為永磁間隙吸附裝置結構示意圖。圖7為驅動轉向一體化磁輪結構示意圖。圖8為前輪過轉向軸和錐齒輪軸的剖視圖。圖9為磁輪剖視圖。附圖中I操作機構，2熔池監控傳感器，3等離子MIG複合焊槍，4雷射跟蹤傳感器，5焊縫，6爬行機構，7多自由度雲臺，8機器人本體控制箱，9線纜，10焊接對象，11送絲機，12MIG焊接電源，13保護氣，14等離子焊接電源，15機器人主控系統，16遙控操作盒；17前輪模塊，18車架，19電機驅動控制器，20後輪模塊；21永磁體，22底盤，23車輪，24渦輪蝸杆減速器，25行星齒輪減速器，26電機；27同步帶，28減速器，29轉向基礎板，30 . 20齒直齒錐齒輪；31轉向軸，32. 60齒圓柱齒輪，33. 19齒圓柱齒輪，34錐齒輪軸，35. 40齒直齒錐齒輪。36前輪模塊永磁體，37軛鐵。41十字滑塊橫軸、42十字滑塊縱軸、43連接臂、44焊縫跟蹤傳感器連接件、45擺動器連接件，46擺動機構，47焊槍，48焊縫跟蹤傳感器。
具體實施方式
一種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統包括機器人本體、控制系統和等離子MIG複合焊接系統，機器人本體包括爬行機構和操作機構所述爬行機構包括採用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊、採用永磁間隙吸附裝置的後輪模塊、連接前後輪的車架和安裝在車架上的電機驅動控制器；所述的操作機構包括十字滑塊和擺動機構，擺動機構前端夾持等離子MIG複合焊槍，水平和垂直兩個方向的自由度由兩個絲槓導軌組合單元組合而成的十字滑塊實現，擺動機構採用步進電機搭配蝸輪蝸杆減速器；控制系統包括傳感系統、機器人本體控制箱和機器人主控系統；等離子MIG複合焊接系統包括數位化MIG焊接電源、等離子電源、送絲機、保護氣、等離子MIG複合焊槍；機器人本體、控制系統和等離子MIG複合焊接系統三者通過線纜連接。前輪模塊和後輪模塊分別安裝在車架兩端,在後輪模塊處設置有後輪底盤,後輪底盤上設置有永磁體；前輪模塊為驅動轉向一體化磁輪，包括永磁體和車輪，前輪的永磁體採用沿厚度方向磁化的環形永磁體；後輪模塊採用永磁間隙吸附方式，包括永磁間隙吸附裝置和車輪，永磁間隙吸附裝置包括環繞車輪安裝在後輪底盤上的永磁體，永磁間隙吸附裝置環繞後輪安裝在底盤上，所述永磁間隙吸附裝置和導磁壁面間是非接觸的，通過調節底盤和導磁壁面之間的距離設定永磁吸附裝置和導磁壁面間的氣隙；爬行機構採用三輪結構，各車輪均為驅動輪，依靠兩後輪的差速及前輪的受控轉向角實現在導磁壁面上的轉向和直線運動。操作機構包括十字滑塊橫軸、十字滑塊縱軸、連接臂、焊縫跟蹤傳感器連接件、焊槍連接件，十字滑塊橫軸與十字滑塊縱軸是分別由步進電機與精密滾珠絲槓導軌組成，焊縫跟蹤傳感器安裝在焊縫跟蹤連接件的前端，焊槍連接件57安裝在連接臂的端部。傳感系統包括雷射跟蹤傳感器、環境監控傳感器和熔池監控傳感器，操作機構及環境監控傳感器安裝在爬行機構上，操作機構末端安裝雷射跟蹤傳感器、熔池監控傳感器和等離子MIG複合焊槍，機器人本體控制箱安裝在爬行機構上，機器人本體控制箱與機器人主控系統通過電纜相連，焊接電源、送絲機、保護氣與等離子MIG複合焊槍通過線纜相連。機器人控制系統的工作方式為操作者利用遙控手操盒控制機器人運動到起弧位置附近，再由機器人傳感控制系統完成起始點位置的調整，最後由自主識別跟蹤焊縫實現焊縫坡口中心點位置跟蹤，機器人控制系統採用PCC或者其他工業PC作為主控系統，雷射跟蹤傳感系統採集的坡口中心點偏差信號控制機器人本體和操作機構運動；等離子MIG複合焊接系統的控制包含開關量控制、工藝參數設置、等離子弧和MIG弧起弧收弧協調控制。機器人控制系統採用多自由度雲臺實現宏觀焊接環境的監控，完成焊前起始點宏觀操作；採用熔池監控傳感器實現微觀等離子槍和MIG槍的姿態調整，焊接過程的熔池監控，雲臺屬於傳感系統。 等離子槍與MIG槍沿焊縫坡口方向排布，等離子槍在焊接運行方向的前方，MIG槍在等離子槍後方，等離子MIG複合焊槍是將等離子槍頭和MIG槍頭集成在一把焊槍上，等離子MIG複合焊接機器人控制系統利用X20DI9371輸入模塊、X20D09322輸出模塊與等離子焊接電源、MIG焊接電源進行連接；MIG焊接電源外部接口為一個繼電器，當繼電器閉合後，MIG焊接電源開始焊接，繼電器斷開後，MIG焊接電源停止焊接；焊接過程中，按照既定的邏輯時序來進行控制，其特徵在於起弧過程中，先啟動等離子焊機，間隔2S後，再啟動MIG焊接電源，並且開啟機器人進給運動；收弧過程中，將等離子焊接電源、MIG焊接電源、機器人同時關閉。等離子MIG複合焊接系統，機器人系統控制主機通過RS485與MIG焊接電源進行通訊，通過主機控制界面完成焊接參數設置及焊接參數在線調整，焊接啟動及停止。如圖I所示，等離子MIG複合焊接自主移動式機器人系統由機器人本體、控制系統、等離子MIG複合焊接系統組成。機器人本體包括操作機構和爬行機構，控制系統包括傳感系統(多自由度雲臺、雷射跟蹤傳感器和熔池監控傳感器、機器人本體控制箱和機器人主控系統，等離子MIG複合焊接系統包括等離子電源、MIG焊接電源、送絲機、保護氣。機器人系統從空間上可分為行走在作業工件上的「機上部分」和安裝於作業工件之外的「機下部分」。機上部分包括機器人本體(操作機構、爬行機構)、機器人本體控制箱、傳感系統、焊槍，傳感系統主要由雷射跟蹤傳感器、環境監控傳感器和熔池監控傳感器組成。操作機構及環境監控傳感器安裝在爬行機構上，操作機構末端安裝雷射跟蹤傳感器、熔池監控傳感器和焊槍，機器人本體控制箱安裝在爬行機構上。機器人系統機下部分包括控制主機、遙控操作、焊接電源、送絲機、保護氣。機上部分的機器人控制箱與機下部分的控制主機通過電纜相連，焊接電源、送絲機、保護氣與機上部分的焊槍通過線纜相連。線纜包含電管、氣管和信號線。操作機構末端帶有焊槍擺動器，等離子MIG複合焊槍夾持及姿態調整機構。機上部分包括機器人本體(操作機構、爬行機構)、機器人本體控制箱、傳感系統(多自由度雲臺、雷射跟蹤傳感器和熔池監控傳感器)、焊槍。操作機構及多自由度雲臺安裝在爬行機構上，操作機構末端安裝雷射跟蹤傳感器、熔池監控傳感器、焊槍，機器人本體控制箱安裝在爬行機構上。其中爬行機構和安裝在爬行機構上的操作機構合稱為機器人本體。機下部分包括機器人主控系統、遙控操作盒、MIG焊接電源、等離子焊接電源、送絲機、保護氣。機上部分的機器人本體控制箱與機下部分的機器人主控系統通過電纜相連，MIG焊接電源、等離子焊接電源、送絲機、保護氣與機上部分的焊槍通過線纜相連。線纜包含電管、水管、氣管和信號線。如圖2所示，機器人本體包括爬行機構和操作機構。如圖3和圖4所示，爬行機構包括採用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊、採用永磁間隙吸附裝置的後輪模塊、連接前後輪的車架和安裝在車架上的電機驅動控制器。其中，後輪底盤採用低碳鋼(如Q235)製造，除作為支撐後輪結構的功能外，還作為軛鐵與環繞車輪安裝在後輪底盤上的永磁體一起構成磁路的一部分。電機後接二級減速器帶動車輪，第一級為行星齒輪減速器，第二級為渦輪蝸杆減速器，渦輪蝸杆減速器通過螺釘連接安裝在後輪底盤上。磁輪由I塊永磁體和2塊軛鐵構成。所述永磁體採用沿厚度方向磁化的環形永磁體，永磁體可採用高性能永磁材料如NdFeB等製造,軛鐵採用低碳鋼(如Q235等)製造。如圖5所示，操作機構主要由十字滑塊橫軸、十字滑塊縱軸、連接臂、焊縫跟蹤傳感器連接件、擺動器連接件組成。十字滑塊橫軸與十字滑塊縱軸是分別由步進電機與精密滾珠絲槓導軌組成。橫軸通過支架安裝在移動平臺上，縱軸安裝在橫軸滑塊上。橫軸提供Y軸自由度，工作範圍90mm ;縱軸提供Z軸自由度，工作範圍75mm。十字滑塊單軸定位精度O. 02mm。連接臂通過夾塊安裝在縱軸滑塊上，連接臂最大臂展450mm，並可通過調節夾塊夾持位置進行手動調節。焊縫跟蹤傳感器連接件夾持在連接臂上，手動調節連接件的夾持位置可以為焊縫跟蹤傳感器提供350_的位置範圍。焊縫跟蹤傳感器安裝在連接件的前端，工作時向焊縫發射雷射束並掃描焊縫，指導十字滑塊與移動平臺的動作。擺動器連接件安裝在連接臂的端部，連接件的高度可以手動調節，為擺動機構提供Z軸向80_的調整範圍。擺動機構安裝在連接件上，前端夾持焊槍。機器人控制系統時序控制系統採用PCC或其他工業PC作為主控系統，各功能板塊為模塊化設計。利用雷射跟蹤傳感器的反饋控制機器人本體爬行機構和操作機構的運動；利用開關量控制焊接啟動、停止等動作；具備遠程焊接參數設置及在線調整功能；具採用多自由度雲臺實現宏觀焊接環境的監控，採用熔池監控傳感器實現微觀焊接熔池的監控；；運行時，先啟動等離子焊接電源，間隔2S後，再啟動MIG焊接電源，並且開啟機器人進給運動；收弧過程中，將等離子焊接電源、MIG焊接電源、機器人系統同時關閉。等離子槍與MIG槍沿焊縫坡口方向排布，等離子槍在焊接運行方向的前方，MIG槍在等離子槍後方，等離子MIG複合焊接機器人控制系統利用X20DI9371輸入模塊、X20D09322輸出模塊與等離子焊接電源、MIG焊接電源進行連接；MIG焊接電源外部接口為一個繼電器，當繼電器閉合後，MIG焊接電源開始焊接，繼電器斷開後，MIG焊接電源停止焊接。焊接過程中，按照既定的邏輯時序來進行控制，其特徵在於起弧過程中，先啟動等離子焊機，間隔2S後，再啟動MIG焊接電源，並且開啟機器人進給運動；收弧過程中，將等離子焊接電源、MIG焊接電源、機器人同時關閉，控制時序如圖5所示。永磁間隙吸附裝置如圖6所示，由12塊厚度方向充磁的釹鐵硼永磁體組成，每個後輪各布置6塊永磁體，N極和S極交錯排列構成磁路，環繞後輪安裝在底盤上，所述永磁間隙吸附裝置和導磁壁面間是非接觸的，通過調節底盤和導磁壁面之間的距離設定所述永磁吸附裝置和導磁壁面間的氣隙。圖7是前輪的三維模型圖，圖8是前輪過轉向軸和錐齒輪軸的剖視圖，圖9是過前輪車輪軸的剖視圖。其中，直流無刷電機及行星齒輪減速器經過20齒直齒錐齒輪和40齒直齒錐齒輪傳動帶動錐齒輪軸旋轉，錐齒輪軸再通過19齒圓柱齒輪和60齒圓柱齒輪傳動帶動轉向軸旋轉，轉向軸與轉向基礎板通過螺釘聯接固定。前輪驅動電機及減速器採用直流有刷電機和行星齒輪減速器，通過同步帶傳動帶動前輪。前輪為磁輪，結構見圖9。磁輪 由I塊前輪模塊永磁體和2塊軛鐵構成。所述永磁體採用沿厚度方向磁化的環形永磁體，永磁體可採用高性能永磁材料如NdFeB等製造,軛鐵採用低碳鋼(如Q235等)製造。驅動轉向一體化磁輪的一種實施方式為，側傾轉軸一端由安裝在車體固定框架上的滑動軸承支承，另一端與轉臺下支撐板通過螺紋聯接固接，轉臺上支撐板、轉臺支撐立柱和轉臺下支撐板通過螺釘連接，轉臺蓋板與轉臺上支撐板通過螺釘連接，兩個圓錐滾子軸承面對面安裝在兩個支撐板上，轉向軸支承在這兩個圓錐滾子軸承上，轉向軸與60齒直齒齒輪通過平鍵連接，角度傳感器輸入軸與轉向軸固接，角度傳感器支撐杆與轉臺上支撐板通過螺釘連接，角度傳感器與角度傳感器支撐杆通過螺釘連接，轉向電機安裝板與轉臺上支撐板通過螺釘連接，轉向減速電機與轉向電機安裝板通過螺釘連接，20齒直齒錐齒輪固接在轉向減速電機輸出軸上，與之相嚙合的40齒直齒錐齒輪通過平鍵聯接安裝在錐齒輪軸上，錐齒輪軸由安裝在轉臺上支撐板的第一深溝球軸承支承，錐齒輪軸的另一側與19齒直齒齒輪通過平鍵聯接，19齒直齒齒輪與60齒直齒齒輪嚙合,轉向軸的下端與轉向基板通過螺釘連接，車輪左側安裝板、車輪右側安裝板、驅動電機安裝板與轉向基板通過螺釘連接，驅動減速電機與驅動電機安裝板通過螺釘連接，小同步帶輪軸與驅動減速電機的輸出軸固接，小同步帶輪通過平鍵聯接安裝在小同步帶輪軸上，車輪永磁體和車輪軛鐵通過平鍵聯接安裝在車輪軸上，車輪軸通過第一深溝球軸承和第二深溝球軸承支承在車輪左側安裝板和車輪右側安裝板之間，大同步帶輪通過平鍵聯接安裝在車輪軸的另一側，大同步帶輪和小同步帶輪之間由同步帶聯接，張緊輥輪與張緊輥輪支撐杆之間通過螺釘連接，張緊輥輪支撐杆通過螺釘安裝在車輪左側安裝板上。磁輪包括前輪模塊永磁體和車輪軛鐵。本實用新型所述的等離子MIG複合焊接系統，由數位化MIG焊接電源、等離子電源、送絲機、保護氣、等離子MIG複合焊槍組成。機器人系統控制主機通過RS485與MIG焊接電源進行通訊，通過主機控制界面完成焊接參數設置及焊接參數在線調整，焊接啟動及停止。首先進行焊接前的準備。檢查各系統的布置與連接，特別是將機器人本體吸附在工件上，車體前後方向平行於焊縫並保證焊槍基本對準焊縫。通過監控計算機對各執行機構、傳感器等進行檢查。其次，進行初始化狀態的人工設置。通過調節焊槍夾持及姿態調整機構手動調整焊槍高度及焊槍姿態至合適的狀態。利用監控計算機，對環境監控攝像機的視頻信息進行焊縫位置、狀態的觀察，通過手操盒移動爬行機構和十字滑塊，進行人工的對中。然後，進行焊接參數的設置，在監控計算機或手操盒上進行焊接電壓、焊接電流、送絲速度、擺動器擺動動作及爬行機構前進速度的設置。最後，通過手操盒啟動焊接，通過熔池監控攝像機進行熔池的監控。在焊接過程中，雷射跟蹤傳感器實時反饋焊縫掃描信息並以此指導爬行機構微調前進方向、指導操作機構微調兩個軸向的運動，以此保證焊槍在焊接時始終準確地沿焊縫軌跡進給。焊接完成後，通過手操盒結束焊接程序。導磁壁面是指工件面，工件是指焊接對象，並且同時在工件上移動。本申請所述的等離子MIG符合焊槍為本領域技術人員知曉的、可用於等離子MIG 複合焊接系統的焊槍，不同於其他類型的焊槍。
權利要求1.一種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統，包括機器人本體、控制系統和等離子MIG複合焊接系統，其特徵在於 機器人本體包括爬行機構(6)和操作機構(I):所述爬行機構(6)包括採用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊(17)、採用永磁間隙吸附裝置的後輪模塊(20)、連接前後輪的車架(18)和安裝在車架(18)上的電機驅動控制器(19);所述的操作機構(I)包括十字滑塊和擺動機構(46 )，擺動機構(46 )前端夾持等離子MIG複合焊槍(3 )，水平和垂直兩個方向的自由度由兩個絲槓導軌組合單元組合而成的十字滑塊實現，擺動機構(46)採用步進電機搭配蝸輪蝸杆減速器(28); 控制系統包括傳感系統、機器人本體控制箱(8)和機器人主控系統(15)； 所述等離子MIG複合焊接系統包括數位化MIG焊接電源(3)、等離子電源(12)、送絲機(11)、保護氣(13)、等離子焊槍和MIG焊槍(14)； 機器人本體、控制系統和等離子MIG複合焊接系統三者通過線纜(9)連接。
2.根據權利要求I所述的一種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統，其特徵在於所述前輪模塊(17)和後輪模塊(20)分別安裝在車架(18)兩端，在後輪模塊(20)處設置有後輪底盤(22),後輪底盤(22)上設置有永磁體(21)； 前輪模塊(17)為驅動轉向一體化磁輪，包括永磁體(21)和車輪(23)，前輪的永磁體(21)採用沿厚度方向磁化的環形永磁體(21);後輪模塊(20)採用永磁間隙吸附方式，包括永磁間隙吸附裝置和車輪(23)，永磁間隙吸附裝置包括環繞車輪(23)安裝在後輪底盤(22)上的永磁體(21)，永磁間隙吸附裝置環繞後輪安裝在底盤(22)上，所述永磁間隙吸附裝置和導磁壁面間是非接觸的，通過調節底盤(22)和導磁壁面之間的距離設定永磁吸附裝置和導磁壁面間的氣隙； 所述爬行機構(6)採用三輪結構，各車輪(23)均為驅動輪，依靠兩後輪的差速及前輪的受控轉向角實現在導磁壁面上的轉向和直線運動。
3.根據權利要求2所述的一種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統，其特徵在於所述的操作機構(I)包括十字滑塊橫軸(41)、十字滑塊縱軸(42)、連接臂(43)、焊縫跟蹤傳感器(48 )連接件(44 )和擺動器連接件(45 )，十字滑塊橫軸(41)與十字滑塊縱軸(42)是分別包括步進電機與精密滾珠絲槓導軌，焊縫跟蹤傳感器(48)安裝在連接件的前端，擺動器連接件(45)安裝在連接臂(43)的端部，擺動機構(46)安裝在擺動器連接件(45 )上，擺動機構(46 )前端夾持等離子MIG複合焊槍(3 )，等離子MIG複合焊焊槍(3 )夾持及姿態調整機構。
4.根據權利要求3所述的一種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統，其特徵在於所述傳感系統包括雷射跟蹤傳感器(4)、環境監控傳感器和熔池監控傳感器(2)，操作機構(I)及環境監控傳感器安裝在爬行機構(6)上，操作機構(I)末端安裝雷射跟蹤傳感器(4)、熔池監控傳感器(2)和等離子MIG複合焊槍(3)，機器人本體控制箱(8)安裝在爬行機構(6)上，機器人本體控制箱與機器人主控系統通過電纜相連，焊接電源(12)、送絲機(11)、保護氣(13)與等離子MIG複合焊槍(3)通過線纜(9)相連。
5.根據權利要求4所述的一種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統，其特徵在於所述的機器人控制系統採用多自由度雲臺(7)實現宏觀焊接環境的監控，完成焊前起始點宏觀操作；採用熔池監控傳感器(2)實現微觀等離子槍和MIG槍的姿態調整，焊接過程的熔池監控，雲臺屬於傳感系統。
6.根據權利要求5所述的ー種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統，其特徵在於等離子槍與MIG槍沿焊縫坡ロ方向排布，等離子槍在焊接運行方向的前方，MIG槍在等離子槍後方，等離子MIG複合焊槍是將等離子槍頭和MIG槍頭集成在一把焊槍上，等離子MIG複合焊接機器人控制系統利用X20DI9371輸入模塊、X20D09322輸出模塊與等離子焊接電源、MIG焊接電源進行連接；MIG焊接電源外部接ロ為ー個繼電器，當繼電器閉合後，MIG焊接電源開始焊接，繼電器斷開後，MIG焊接電源停止焊接；焊接過程中，按照既定的邏輯時序來進行控制，其特徵在於起弧過程中，先啟動等離子焊機，間隔2S後，再啟動MIG焊接電源，並且開啟機器人進給運動；收弧過程中，將等離子焊接電源、MIG焊接電源、機器人同時關閉。
7.根據權利要求6所述的ー種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統，其特徵在於所述的等離子MIG複合焊接系統，機器人系統控制主機通過RS485與MIG焊接電源進行通訊，通過主機控制界面完成焊接參數設置及焊接參數在線調整，焊接啟動及停止。
8.根據權利要求2所述的ー種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統，其特徵在於所述驅動轉向一體化磁輪具體結構為側傾轉軸一端安裝在車體固定框架上，另一端轉臺下支撐板連接，轉臺上支撐板、轉臺支撐立柱和轉臺下支撐板連接，轉臺蓋板與轉臺上支撐板連接，圓錐滾子軸承安裝在兩個支撐板上，轉向軸(31)支承在圓錐滾子軸承上，轉向軸(31)與60齒直齒齒輪連接，角度傳感器輸入軸與轉向軸(31)固接，角度傳感器支撐杆與轉臺上支撐板連接，角度傳感器與角度傳感器支撐杆連接，轉向電機安裝板與轉臺上支撐板連接，轉向減速電機(26)與轉向電機安裝板連接，20齒直齒錐齒輪(30)固接在轉向減速電機(26)輸出軸上，與之相嚙合的40齒直齒錐齒輪(35)連接安裝在錐齒輪軸(34)上，錐齒輪軸(34)由安裝在轉臺上支撐板的第一深溝球軸承支承，錐齒輪軸(34)的另ー側與19齒直齒齒輪通過平鍵聯接，19齒直齒齒輪與60齒直齒齒輪嚙合，轉向軸(31)的下端與轉向基板連接，車輪左側安裝板、車輪右側安裝板、驅動電機安裝板與轉向基板連接，驅動減速電機(26 )與驅動電機安裝板連接，小同步帶(27 )輪軸與驅動減速電機(26 )的輸出軸固接，小同步帶(27)輪通過平鍵聯接安裝在小同步帶(27)輪軸上，前輪模塊永磁體(21)和車輪軛鐵(37)通過平鍵聯接安裝在車輪軸上，車輪軸通過第一深溝球軸承和第二深溝球軸承支承在車輪左側安裝板和車輪右側安裝板之間，大同步帶(27)輪通過平鍵聯接安裝在車輪軸的另ー側，大同步帶(27)輪和小同步帶(27)輪之間由同步帶(27)聯接，張緊輥輪與張緊輥輪支撐杆之間通過螺釘連接，張緊輥輪支撐杆通過螺釘安裝在車輪左側安裝板上，驅動減速電機(26)與車輪軸之間通過同步帶(27)傳動，轉向驅動機構還包括轉向軸(31)，轉向軸(31)下部安裝有車輪驅動機構及滾輪，所述轉向軸(31)線與車輪軸線垂直正交。
專利摘要本實用新型屬於機器人焊接技術領域，具體來說是一種用於等離子MIG複合焊接的自主移動式機器人系統，包括機器人本體、控制系統和等離子MIG複合焊接系統，機器人本體包括爬行機構和操作機構，所述控制系統包括傳感系統、機器人本體控制箱和機器人主控系統；所述等離子MIG複合焊接系統包括數位化MIG焊接電源、等離子電源、送絲機、保護氣、等離子焊槍和MIG焊槍。本實用新型的優點在於等離子MIG複合焊接機器人能夠適應大型鋼結構的全位置焊縫形式，採用吸附式爬行機構，運動靈活，採用雷射焊縫跟蹤傳感器，具備宏觀環境監控及熔池監控系統，在全位置焊接時能夠滿足擺動要求、控制要求及運動要求。
文檔編號B23K37/02GK202622192SQ20122026553
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月7日 優先權日2012年6月7日
發明者桂仲成, 李永龍, 董娜, 陳博翁, 肖唐傑, 賀驥, 姜周, 徐立強, 張帆, 吳建東 申請人:中國東方電氣集團有限公司