專利名稱：一種用于等離子mig復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于機器人焊接技術領域，具體來說是一種用于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)。
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(xù)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(yōu)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(yōu)點。對于大型結構的焊接，等離子MIG復合焊接能夠提高焊接效率和焊接質量，但是·由于等離子MIG焊槍復合后的重量和體積不再適合焊工手工操作，需要開發(fā)用于等離子MIG焊接的機器人系統(tǒng)。等離子MIG焊接適合于大型結構厚板焊接，能一次性焊透25mm，應用于多層多道焊接時也能減少焊接布道。對于大型結構，部件本身結構、重量影響不適合旋轉或轉動，現(xiàn)有專用自動化焊接小車大多需要鋪設軌道，軌道柔性范圍有限，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(tǒng)一般由焊接承載機構、焊接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。承載機構又分為固定式工業(yè)機械手、軌道式小車、自主移動式機構；焊接系統(tǒng)由焊接電源、焊槍、保護氣、送絲機構等組成；控制系統(tǒng)負責承載機構的運動、跟蹤、焊接質量控制等。目前常用于大型鋼結構焊接的是軌道式機器人焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)由機器人運行軌道、機器人及焊接系統(tǒng)組成，使用時需要預先進行軌道鋪設，僅適用于能夠鋪設軌道的直焊縫，并且軌道的柔性在一定范圍內，無法適應焊縫形式的變換。如專利申請?zhí)枮?01010180754. 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(tǒng)及焊接設定方法”的發(fā)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，其基于各輸入數(shù)據(jù)和層疊圖案數(shù)據(jù)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后，確定同時焊接的組合；焊接諸條件確定部，其確定包含與基于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，其生成基于確定的焊接條件的機器人動作程序，并設定在機器人控制裝置內。上述專利的焊接機器人系統(tǒng)采用軌道式排布，無法實現(xiàn)焊縫自動跟蹤識別及自主移動功能，而且該焊接系統(tǒng)適合流水線形式的焊接并不適合對大型鋼結構件實行自主焊接，焊縫類型區(qū)別較大。又如專利申請?zhí)枮?01019063009. 6，申請日為2010年2月5日，名稱為“一種用
于注塑機機架的焊接機器人工作站系統(tǒng)”的發(fā)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，用于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(tǒng)采用軌道式機器人焊接系統(tǒng)，無法實現(xiàn)機器人本體自動跟蹤焊縫自由移動并完成焊接而且該機器人針對注塑機機架焊接，焊縫類型范圍很有限。清華大學開發(fā)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(yè)位置調整困難。北京石油化工學院開發(fā)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，對于等離子MIG大重型焊槍無法應用。所以現(xiàn)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(xiàn)有的用于等離子MIG復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(xiàn)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于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)。 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案如下一種用于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)，包括機器人本體、控制系統(tǒng)和等離子MIG復合焊接系統(tǒng)，其特征在于機器人本體包括爬行機構和操作機構所述爬行機構包括采用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊、采用永磁間隙吸附裝置的后輪模塊、連接前后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復合焊槍，水平和垂直兩個方向的自由度由兩個絲杠導軌組合單元組合而成的十字滑塊實現(xiàn)，擺動機構采用步進電機搭配蝸輪蝸桿減速器；所述控制系統(tǒng)包括傳感系統(tǒng)、機器人本體控制箱和機器人主控系統(tǒng)；所述等離子MIG復合焊接系統(tǒng)包括數(shù)字化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復合焊接系統(tǒng)之間的連接關系與其他焊接系統(tǒng)的焊槍、焊接電源以及焊接系統(tǒng)的連接關系存在明顯不同，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(tǒng)和等離子MIG復合焊接系統(tǒng)三者通過線纜連接。所述前輪模塊和后輪模塊分別安裝在車架兩端，在后輪模塊處設置有后輪底盤，后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，前輪的永磁體采用沿厚度方向磁化的環(huán)形永磁體；后輪模塊采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(huán)繞車輪安裝在后輪底盤上的永磁體，永磁間隙吸附裝置環(huán)繞后輪安裝在底盤上，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(jié)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；所述爬行機構采用三輪結構，各車輪均為驅動輪，依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉向角實現(xiàn)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杠導軌組成，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(tǒng)包括激光跟蹤傳感器、環(huán)境監(jiān)控傳感器和熔池監(jiān)控傳感器，操作機構及環(huán)境監(jiān)控傳感器安裝在爬行機構上，操作機構末端安裝激光跟蹤傳感器、熔池監(jiān)控傳感器和等離子MIG復合焊槍，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(tǒng)通過電纜相連，焊接電源、送絲機、保護氣與等離子MIG復合焊槍通過線纜相連。所述的機器人控制系統(tǒng)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(tǒng)完成起始點位置的調整，最后由自主識別跟蹤焊縫實現(xiàn)焊縫坡口中心點位置跟蹤，機器人控制系統(tǒng)采用PCC或者其他工業(yè)PC作為主控系統(tǒng)，激光跟蹤傳感系統(tǒng)采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復合焊接系統(tǒng)的控制包含開關量控制、工藝參數(shù)設置、等離子弧和MIG弧起弧收弧協(xié)調控制。所述的機器人控制系統(tǒng)采用多自由度云臺實現(xiàn)宏觀焊接環(huán)境的監(jiān)控，完成焊前起始點宏觀操作；采用熔池監(jiān)控傳感器實現(xiàn)微觀等離子槍和MIG槍的姿態(tài)調整，焊接過程的熔池監(jiān)控，云臺屬于傳感系統(tǒng)。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槍在等離子槍后方，等離子MIG復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復合焊接機器人控制系統(tǒng)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，當繼電器閉合后，MIG焊接電源開始焊接，繼電器斷開后，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，其特征在于起弧過程中，先啟動等離子焊機，間隔2S后，再啟動MIG焊接電源，并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復合焊接系統(tǒng)，機器人系統(tǒng)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(shù)設置及焊接參數(shù)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，角度傳感器支撐桿與轉臺上支撐板連接，角度傳感器與角度傳感器支撐桿連接，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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)接，張緊輥輪與張緊輥輪支撐桿之間通過螺釘連接，張緊輥輪支撐桿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(yōu)點在于I、本實用新型爬行機構采用接觸式磁輪吸附和非接觸式間隙吸附的復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(yè)對象表面全位置自主靈活移動、可靠吸附并實施立焊作業(yè)，系統(tǒng)綜合性能好。2、本實用新型采用“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(shù)設置及在線調整功能；采用多自由度云臺實現(xiàn)工件環(huán)境監(jiān)控，完成焊前起始點宏觀操作；采用熔池監(jiān)控傳感器實現(xiàn)微觀等離子槍和MIG槍的姿態(tài)調整，焊接過程的熔 池監(jiān)控。具備宏觀焊接環(huán)境監(jiān)控功能，實現(xiàn)了智能化焊接。3、等離子MIG復合焊接機器人能夠適應大型鋼結構的全位置焊縫形式，采用吸附式爬行機構，運動靈活，采用激光焊縫跟蹤傳感器，具備宏觀環(huán)境監(jiān)控及熔池監(jiān)控系統(tǒng)，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復合焊接的方法是同一種焊槍帶有兩種焊接工藝的復合功能，能方便的實現(xiàn)兩種焊接方式。5、本實用新型所述的操作和擺動機構適用于爬行式焊接機器人，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(xiàn)擺動功能。十字滑塊采用高精度滾珠絲杠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。擺動機構由蝸輪蝸桿搭配步進電機為焊槍提供旋轉自由度，輸出扭矩不小于10Nm，可以使焊槍以任意旋角為中心實現(xiàn)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(jié)，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(jié)，X軸可調范圍120_，Y軸最大可調范圍350mm, Z軸可調范圍100mm，較大的可調空間范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(tài)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(yōu)點在于整個焊接機器人系統(tǒng)能在自主移動的同時實現(xiàn)等離子MIG焊接，并且焊接速度快，是傳統(tǒng)MIG/MAG焊的2_3倍；與常規(guī)MIG/MAG相比，熔深更大；因焊接熱輸入較低，熱影響區(qū)較窄，不易造成零部件變形；焊接飛濺顯著減少；焊接質量優(yōu)良；等離子電源與傳統(tǒng)MIG電源有機組合，統(tǒng)一協(xié)調控制，使等離子-MIG復合熱源焊接技術成為傳統(tǒng)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后輪模塊示意圖。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(jiān)控傳感器，3等離子MIG復合焊槍，4激光跟蹤傳感器，5焊縫，6爬行機構，7多自由度云臺，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(tǒng)，16遙控操作盒；17前輪模塊，18車架，19電機驅動控制器，20后輪模塊；21永磁體，22底盤，23車輪，24渦輪蝸桿減速器，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
一種用于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)包括機器人本體、控制系統(tǒng)和等離子MIG復合焊接系統(tǒng)，機器人本體包括爬行機構和操作機構所述爬行機構包括采用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊、采用永磁間隙吸附裝置的后輪模塊、連接前后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復合焊槍，水平和垂直兩個方向的自由度由兩個絲杠導軌組合單元組合而成的十字滑塊實現(xiàn)，擺動機構采用步進電機搭配蝸輪蝸桿減速器；控制系統(tǒng)包括傳感系統(tǒng)、機器人本體控制箱和機器人主控系統(tǒng)；等離子MIG復合焊接系統(tǒng)包括數(shù)字化MIG焊接電源、等離子電源、送絲機、保護氣、等離子MIG復合焊槍；機器人本體、控制系統(tǒng)和等離子MIG復合焊接系統(tǒng)三者通過線纜連接。前輪模塊和后輪模塊分別安裝在車架兩端,在后輪模塊處設置有后輪底盤,后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，前輪的永磁體采用沿厚度方向磁化的環(huán)形永磁體；后輪模塊采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(huán)繞車輪安裝在后輪底盤上的永磁體，永磁間隙吸附裝置環(huán)繞后輪安裝在底盤上，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(jié)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；爬行機構采用三輪結構，各車輪均為驅動輪，依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉向角實現(xiàn)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杠導軌組成，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(tǒng)包括激光跟蹤傳感器、環(huán)境監(jiān)控傳感器和熔池監(jiān)控傳感器，操作機構及環(huán)境監(jiān)控傳感器安裝在爬行機構上，操作機構末端安裝激光跟蹤傳感器、熔池監(jiān)控傳感器和等離子MIG復合焊槍，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(tǒng)通過電纜相連，焊接電源、送絲機、保護氣與等離子MIG復合焊槍通過線纜相連。機器人控制系統(tǒng)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(tǒng)完成起始點位置的調整，最后由自主識別跟蹤焊縫實現(xiàn)焊縫坡口中心點位置跟蹤，機器人控制系統(tǒng)采用PCC或者其他工業(yè)PC作為主控系統(tǒng)，激光跟蹤傳感系統(tǒng)采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復合焊接系統(tǒng)的控制包含開關量控制、工藝參數(shù)設置、等離子弧和MIG弧起弧收弧協(xié)調控制。機器人控制系統(tǒng)采用多自由度云臺實現(xiàn)宏觀焊接環(huán)境的監(jiān)控，完成焊前起始點宏觀操作；采用熔池監(jiān)控傳感器實現(xiàn)微觀等離子槍和MIG槍的姿態(tài)調整，焊接過程的熔池監(jiān)控，云臺屬于傳感系統(tǒng)。 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槍在等離子槍后方，等離子MIG復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復合焊接機器人控制系統(tǒng)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，當繼電器閉合后，MIG焊接電源開始焊接，繼電器斷開后，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，其特征在于起弧過程中，先啟動等離子焊機，間隔2S后，再啟動MIG焊接電源，并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復合焊接系統(tǒng)，機器人系統(tǒng)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(shù)設置及焊接參數(shù)在線調整，焊接啟動及停止。如圖I所示，等離子MIG復合焊接自主移動式機器人系統(tǒng)由機器人本體、控制系統(tǒng)、等離子MIG復合焊接系統(tǒng)組成。機器人本體包括操作機構和爬行機構，控制系統(tǒng)包括傳感系統(tǒng)(多自由度云臺、激光跟蹤傳感器和熔池監(jiān)控傳感器、機器人本體控制箱和機器人主控系統(tǒng)，等離子MIG復合焊接系統(tǒng)包括等離子電源、MIG焊接電源、送絲機、保護氣。機器人系統(tǒng)從空間上可分為行走在作業(yè)工件上的“機上部分”和安裝于作業(yè)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(tǒng)、焊槍，傳感系統(tǒng)主要由激光跟蹤傳感器、環(huán)境監(jiān)控傳感器和熔池監(jiān)控傳感器組成。操作機構及環(huán)境監(jiān)控傳感器安裝在爬行機構上，操作機構末端安裝激光跟蹤傳感器、熔池監(jiān)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(tǒng)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復合焊槍夾持及姿態(tài)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(tǒng)(多自由度云臺、激光跟蹤傳感器和熔池監(jiān)控傳感器)、焊槍。操作機構及多自由度云臺安裝在爬行機構上，操作機構末端安裝激光跟蹤傳感器、熔池監(jiān)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(tǒng)、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(tǒng)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，爬行機構包括采用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊、采用永磁間隙吸附裝置的后輪模塊、連接前后輪的車架和安裝在車架上的電機驅動控制器。其中，后輪底盤采用低碳鋼(如Q235)制造，除作為支撐后輪結構的功能外，還作為軛鐵與環(huán)繞車輪安裝在后輪底盤上的永磁體一起構成磁路的一部分。電機后接二級減速器帶動車輪，第一級為行星齒輪減速器，第二級為渦輪蝸桿減速器，渦輪蝸桿減速器通過螺釘連接安裝在后輪底盤上。磁輪由I塊永磁體和2塊軛鐵構成。所述永磁體采用沿厚度方向磁化的環(huán)形永磁體，永磁體可采用高性能永磁材料如NdFeB等制造,軛鐵采用低碳鋼(如Q235等)制造。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杠導軌組成。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，工作范圍90mm ;縱軸提供Z軸自由度，工作范圍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，并可通過調節(jié)夾塊夾持位置進行手動調節(jié)。焊縫跟蹤傳感器連接件夾持在連接臂上，手動調節(jié)連接件的夾持位置可以為焊縫跟蹤傳感器提供350_的位置范圍。焊縫跟蹤傳感器安裝在連接件的前端，工作時向焊縫發(fā)射激光束并掃描焊縫，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(jié)，為擺動機構提供Z軸向80_的調整范圍。擺動機構安裝在連接件上，前端夾持焊槍。機器人控制系統(tǒng)時序控制系統(tǒng)采用PCC或其他工業(yè)PC作為主控系統(tǒng)，各功能板塊為模塊化設計。利用激光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(shù)設置及在線調整功能；具采用多自由度云臺實現(xiàn)宏觀焊接環(huán)境的監(jiān)控，采用熔池監(jiān)控傳感器實現(xiàn)微觀焊接熔池的監(jiān)控；；運行時，先啟動等離子焊接電源，間隔2S后，再啟動MIG焊接電源，并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(tǒng)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槍在等離子槍后方，等離子MIG復合焊接機器人控制系統(tǒng)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，當繼電器閉合后，MIG焊接電源開始焊接，繼電器斷開后，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，其特征在于起弧過程中，先啟動等離子焊機，間隔2S后，再啟動MIG焊接電源，并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，每個后輪各布置6塊永磁體，N極和S極交錯排列構成磁路，環(huán)繞后輪安裝在底盤上，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(jié)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(lián)接固定。前輪驅動電機及減速器采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。所述永磁體采用沿厚度方向磁化的環(huán)形永磁體，永磁體可采用高性能永磁材料如NdFeB等制造,軛鐵采用低碳鋼(如Q235等)制造。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(lián)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，角度傳感器支撐桿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桿通過螺釘連接，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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)接，張緊輥輪與張緊輥輪支撐桿之間通過螺釘連接，張緊輥輪支撐桿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復合焊接系統(tǒng)，由數(shù)字化MIG焊接電源、等離子電源、送絲機、保護氣、等離子MIG復合焊槍組成。機器人系統(tǒng)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(shù)設置及焊接參數(shù)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(tǒng)的布置與連接，特別是將機器人本體吸附在工件上，車體前后方向平行于焊縫并保證焊槍基本對準焊縫。通過監(jiān)控計算機對各執(zhí)行機構、傳感器等進行檢查。其次，進行初始化狀態(tài)的人工設置。通過調節(jié)焊槍夾持及姿態(tài)調整機構手動調整焊槍高度及焊槍姿態(tài)至合適的狀態(tài)。利用監(jiān)控計算機，對環(huán)境監(jiān)控攝像機的視頻信息進行焊縫位置、狀態(tài)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。然后，進行焊接參數(shù)的設置，在監(jiān)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。最后，通過手操盒啟動焊接，通過熔池監(jiān)控攝像機進行熔池的監(jiān)控。在焊接過程中，激光跟蹤傳感器實時反饋焊縫掃描信息并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。焊接完成后，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，并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、可用于等離子MIG 復合焊接系統(tǒng)的焊槍，不同于其他類型的焊槍。
權利要求1.一種用于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)，包括機器人本體、控制系統(tǒng)和等離子MIG復合焊接系統(tǒng)，其特征在于 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)包括采用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊(17)、采用永磁間隙吸附裝置的后輪模塊(20)、連接前后輪的車架(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復合焊槍(3 )，水平和垂直兩個方向的自由度由兩個絲杠導軌組合單元組合而成的十字滑塊實現(xiàn)，擺動機構(46)采用步進電機搭配蝸輪蝸桿減速器(28); 控制系統(tǒng)包括傳感系統(tǒng)、機器人本體控制箱(8)和機器人主控系統(tǒng)(15)； 所述等離子MIG復合焊接系統(tǒng)包括數(shù)字化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(tǒng)和等離子MIG復合焊接系統(tǒng)三者通過線纜(9)連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種用于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)，其特征在于所述前輪模塊(17)和后輪模塊(20)分別安裝在車架(18)兩端，在后輪模塊(20)處設置有后輪底盤(22),后輪底盤(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)采用沿厚度方向磁化的環(huán)形永磁體(21);后輪模塊(20)采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(huán)繞車輪(23)安裝在后輪底盤(22)上的永磁體(21)，永磁間隙吸附裝置環(huán)繞后輪安裝在底盤(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(jié)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)采用三輪結構，各車輪(23)均為驅動輪，依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉向角實現(xiàn)在導磁壁面上的轉向和直線運動。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種用于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)，其特征在于所述的操作機構(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杠導軌，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復合焊槍(3 )，等離子MIG復合焊焊槍(3 )夾持及姿態(tài)調整機構。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種用于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)，其特征在于所述傳感系統(tǒng)包括激光跟蹤傳感器(4)、環(huán)境監(jiān)控傳感器和熔池監(jiān)控傳感器(2)，操作機構(I)及環(huán)境監(jiān)控傳感器安裝在爬行機構(6)上，操作機構(I)末端安裝激光跟蹤傳感器(4)、熔池監(jiān)控傳感器(2)和等離子MIG復合焊槍(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(tǒng)通過電纜相連，焊接電源(12)、送絲機(11)、保護氣(13)與等離子MIG復合焊槍(3)通過線纜(9)相連。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種用于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)，其特征在于所述的機器人控制系統(tǒng)采用多自由度云臺(7)實現(xiàn)宏觀焊接環(huán)境的監(jiān)控，完成焊前起始點宏觀操作；采用熔池監(jiān)控傳感器(2)實現(xiàn)微觀等離子槍和MIG槍的姿態(tài)調整，焊接過程的熔池監(jiān)控，云臺屬于傳感系統(tǒng)。
6.根據(jù)權利要求5所述的ー種用于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)，其特征在于等離子槍與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槍在等離子槍后方，等離子MIG復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復合焊接機器人控制系統(tǒng)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，當繼電器閉合后，MIG焊接電源開始焊接，繼電器斷開后，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，其特征在于起弧過程中，先啟動等離子焊機，間隔2S后，再啟動MIG焊接電源，并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(jù)權利要求6所述的ー種用于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)，其特征在于所述的等離子MIG復合焊接系統(tǒng)，機器人系統(tǒng)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(shù)設置及焊接參數(shù)在線調整，焊接啟動及停止。
8.根據(jù)權利要求2所述的ー種用于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)，其特征在于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，角度傳感器支撐桿與轉臺上支撐板連接，角度傳感器與角度傳感器支撐桿連接，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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)接，張緊輥輪與張緊輥輪支撐桿之間通過螺釘連接，張緊輥輪支撐桿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于機器人焊接技術領域，具體來說是一種用于等離子MIG復合焊接的自主移動式機器人系統(tǒng)，包括機器人本體、控制系統(tǒng)和等離子MIG復合焊接系統(tǒng)，機器人本體包括爬行機構和操作機構，所述控制系統(tǒng)包括傳感系統(tǒng)、機器人本體控制箱和機器人主控系統(tǒng)；所述等離子MIG復合焊接系統(tǒng)包括數(shù)字化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(yōu)點在于等離子MIG復合焊接機器人能夠適應大型鋼結構的全位置焊縫形式，采用吸附式爬行機構，運動靈活，采用激光焊縫跟蹤傳感器，具備宏觀環(huán)境監(jiān)控及熔池監(jiān)控系統(tǒng)，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(yōu)先權日2012年6月7日
發(fā)明者桂仲成, 李永龍, 董娜, 陳博翁, 肖唐杰, 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