專利名稱：一種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機器人焊接技術領域，具體來說是ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統。
背景技術：
雙面雙弧焊接エ藝是針對大型厚壁エ件采用對稱坡ロ雙面同時施焊，相對于傳統的大厚板非對稱坡ロ，無需進行先焊面后熱、后焊面氣刨前預熱、碳弧氣刨、打磨、磁粉檢驗等多道中間施工エ序，大大減輕了工人的勞動強度，顯著提高焊接生產效率，縮短了施工周期，降低了生產成本。
如專利申請?zhí)枮镃N200410082758. O,申請日為2004-11_8，名稱為“雙面雙弧焊焊接方法”的發(fā)明專利，其技術方案為將待焊接的エ件連接部位制作成雙面焊接坡ロ ；焊接前，對制成的雙面焊接坡ロ及其兩側表面進行打磨，井清洗坡ロ及其兩側表面；首先以兩臺焊機的兩個焊槍引出的兩個獨立電弧，分別在雙面焊接坡ロ進行雙面雙弧對稱打底焊接；打底焊接后再以兩個獨立電弧分別在雙面焊接坡ロ進行雙面雙弧填充焊接。上述專利兩臺焊機的兩個焊槍引出兩個獨立的電弧，分別在雙面焊接坡ロ進行雙面雙弧打底和填充焊接。再如專利申請?zhí)枮镃N200910039788. 6，申請日為2009_5_26，名稱為“立式雙面雙
弧等離子對稱焊接方法”的發(fā)明專利，其技術方案為將エ件沿焊縫方向豎直放置，在エ件正反兩面兩側分別水平設置變極性等離子弧焊焊槍，和熔化極惰性氣體保護焊焊槍或非熔化極惰性氣體保護焊焊槍。上述專利給出了一種立式雙面雙弧等離子對稱焊接方法，雙面焊槍采用等離子和熔化極或非熔化極的焊接方法進行焊接，結合等離子弧和熔化極或非熔化極電弧的特點實現雙面焊接過程。上述兩種專利只給出了雙面雙弧的焊接方法。要實現雙面雙弧的焊接，靠人工手持焊槍很難保證焊接質量和焊接效率，同時增加了工人的焊接勞動強度。為提高生產效率和產品質量穩(wěn)定性，改善工人勞動環(huán)境，降低勞動強度。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エ業(yè)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。目前常用于自動化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。清華大學開發(fā)了履帶式磁吸附自主移動式焊接機器人，履帶式吸附移動機構吸附可靠性好，但其轉向性能受限，造成機器人系統全位置作業(yè)運動靈活性不足，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，其移動機構運動靈活性好，但是吸附能力差。本發(fā)明提出ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統，結合雙面雙弧焊接エ藝，給出自主移動式機器人本體、系統組成及系統控制。綜上所述，現有的機器人或者是運動靈活性較好而負載能力差，或者是負載能力強而運動靈活性差，未能較好地解決機器人移動和吸附的矛盾，綜合性能不好。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術在移動性和吸附能力兩方面綜合性能的不足，設計ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統。為實現上述目的，本發(fā)明的技術方案如下
ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統，包括機器人本體、控制系統和焊接系統，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，所述爬行機構為三輪結構，三輪均為驅動輪，采用冗余控制轉向方式實現在導磁壁面上的轉向；操作機構安裝在爬行機構上；
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；所述傳感系統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；
焊接系統包括焊槍、焊接電源、送絲機、保護氣、遙操作手控盒；
機器人本體、控制系統和焊接系統三者通過線纜連接；
所述機器人本體為2臺，機器人本體控制箱為2套，傳感系統為2套，焊槍為2個；上述兩套設備對稱設置，所述2臺機器人本體分別吸附在待焊接エ件兩側。兩套焊接系統的設置并不是簡單的將各自獨立的焊接系統進行疊加，而是需要在控制箱內對兩套焊機系統進行相應設置，使得兩套系統能夠配合完成焊接工作，而不是各自簡單的獨立工作并，但是上述控制箱內部做出的設置是則本領域技術人員所知曉的。所述驅動轉向一體化磁輪裝置的具體結構為后輪底盤為軛鐵與環(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，直流電機后接ニ級減速器帶動車輪，所述ニ級減速器的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；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；
所述永磁間隙吸附裝置環(huán)繞后輪，并且安裝在底盤上，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，永磁間隙吸附裝置包括12塊沿厚度方向充磁的釹鐵硼永磁體，每個后輪各布置6塊永磁體，相鄰永磁體的電極相異，N極和S極交錯排列構成磁路。操作機構包括十字滑塊和擺動器組成水平和垂直兩個方向的兩個自由度采用絲杠導軌，擺動器為步進電機搭配蝸輪蝸桿減速器；
所述的操作機構具體包括十字滑塊橫軸、十字滑塊縱軸、連接臂、焊縫跟蹤傳感器連接件和擺動器連接件，十字滑塊橫軸與十字滑塊縱軸是分別包括步進電機與精密滾珠絲杠導軌，焊縫跟蹤傳感器安裝在連接件的前端，擺動器連接件安裝在連接臂的端部，擺動機構安裝在擺動器連接件上，擺動機構前端夾持焊槍，焊槍夾持及姿態(tài)調整機構。進ー步的，所述底盤為低碳鋼，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。
機器人控制系統采用宏觀遙控微觀自主的控制方式，即操作者利用遙控手操盒控制2臺機器人分別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，最后由自主識別跟蹤焊縫實現焊縫坡ロ中心點位置跟蹤。機器人控制系統采用PCC或者其他エ業(yè)PC作為主控系統，單臺激光跟蹤傳感系統采集的坡ロ中心點偏差信號控制機器人本體和操作機構運動，2臺機器人之間的配合由機器人主控制系統協調控制；焊接系統的控制包含起弧收弧等開關量控制、エ藝參數設置。所述打底焊時2臺機器人實施非對稱焊接，填充焊時2臺機器人對稱焊接。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，前輪模塊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ー側，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。本發(fā)明的優(yōu)點在于
I、本發(fā)明所述爬行裝置采用接觸式磁輪吸附(即驅動轉向一體化磁輪)和非接觸式間隙吸附(即包括永磁間隙吸附裝置)的復合方式，三輪結構，所有車輪均為驅動輪，采用冗余控制轉向方式，依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉向實現在導磁壁面上的轉向，通過前輪轉向角度的精確控制提高了爬壁機器人轉向精度，運動靈活性好，可繞車體中心轉向，最小轉向半徑為0，機器人可在導磁壁面可靠吸附并實現自主靈活移動。2、轉向機構引入冗余控制方式，依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉向實現在導磁壁面上的轉向，通過前輪轉向角度的精確控制提高了爬壁機器人轉向精度。3、本發(fā)明同時采用了磁輪和永磁間隙吸附裝置，前輪采用磁輪，在保證吸附力的同時提高了結構的緊湊性，同時環(huán)繞后輪在底盤上安裝了永磁間隙吸附裝置，保證爬壁機器人具有強負載能力。4、本發(fā)明所述的雙面雙弧焊接機器人系統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式移動方式，機器人可在大型鋼結構厚板表面全位置自主靈活移動、可靠吸附并實施雙面雙弧焊接作業(yè)，系統綜合性能好。5、本發(fā)明所述的雙面雙弧焊接自主移動式機器人系統采用“宏觀遙控，微觀自主”的控制方式，完成焊接起始位置的尋找及調整，可自主識別坡ロ中心點，具備焊接參數遠程設置及在線調節(jié)功能，具備宏觀エ件環(huán)境監(jiān)控及微觀熔池監(jiān)控能力。6、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カ矩。7、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。8、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。9、側傾限制塊通過機械限位實現限制側傾角度的功能。10、所述轉向結構和車輪滾動都設置有獨立的驅動機構。11、兩個自主移動式機器人與兩把焊槍相互結合的優(yōu)點在于兩套焊接機器人系統能在自主移動的同時實現雙面雙弧焊接，保證了焊接質量、減少了焊接變形、降低接頭應力。


圖I本發(fā)明提出的雙面雙弧焊接自主移動式機器人系統結構圖。圖2本發(fā)明提出的雙面雙弧焊接自主移動式機器人系統的爬行機構。圖3本發(fā)明提出的雙面雙弧焊接自主移動式機器人系統的操作機構。圖4本發(fā)明提出的雙面雙弧焊接自主移動式機器人控制系統圖。圖5為本發(fā)明提出的雙面雙弧焊接自主移動式機器人系統的爬行機構后輪模塊部分。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11機器人本體，12爬行機構，13操作機構，14焊槍，15激光跟蹤傳感器，16熔池監(jiān)控傳感器，17環(huán)境監(jiān)控傳感器；
21前輪模塊，22車架，23電機驅動控制器，24后輪模塊；
31十字滑塊橫軸、32十字滑塊縱軸、33連接臂、34焊縫跟蹤傳感器連接件、35擺動器連接件，36擺動機構，38焊縫跟蹤傳感器。39前輪模塊永磁體，40軛鐵。51永磁體，52底盤，53車輪，54渦輪蝸桿減速器，55行星齒輪減速器，56電機；57同步帶，58減速器，59轉向基礎板，60 .20齒直齒錐齒輪；
61轉向軸，62. 60齒圓柱齒輪，63. 19齒圓柱齒輪，64錐齒輪軸，65. 40齒直齒錐齒輪。
具體實施例方式ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統，包括機器人本體、控制系統和焊接系統，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，所述爬行機構為三輪結構，三輪均為驅動輪，采用冗余控制轉向方式實現在導磁壁面上的轉向；操作機構安裝在爬行機構上；
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；所述傳感系統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；
焊接系統包括焊槍、焊接電源、送絲機、保護氣、遙操作手控盒；
機器人本體、控制系統和焊接系統三者通過線纜連接；
所述機器人本體為2臺，機器人本體控制箱為2套，傳感系統為2套，焊槍為2個；上述兩套設備對稱設置，所述2臺機器人本體分別吸附在待焊接エ件兩側。所述驅動轉向一體化磁輪裝置的具體結構為后輪底盤為軛鐵與環(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，直流電機后接ニ級減速器帶動車輪，所述ニ級減速器的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；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；
所述永磁間隙吸附裝置環(huán)繞后輪，并且安裝在底盤上，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，永磁間隙吸附裝置包括12塊沿厚度方向充磁的釹鐵硼永磁體，每個后輪各布置6塊永磁體，相鄰永磁體的電極相異，N極和S極交錯排列構成磁路。操作機構包括十字滑塊和擺動器組成水平和垂直兩個方向的兩個自由度采用絲杠導軌，擺動器為步進電機搭配蝸輪蝸桿減速器；
所述的操作機構具體包括十字滑塊橫軸、十字滑塊縱軸、連接臂、焊縫跟蹤傳感器連接件和擺動器連接件，十字滑塊橫軸與十字滑塊縱軸是分別包括步進電機與精密滾珠絲杠導軌，焊縫跟蹤傳感器安裝在連接件的前端，擺動器連接件安裝在連接臂的端部，擺動機構安裝在擺動器連接件上，擺動機構前端夾持焊槍，焊槍夾持及姿態(tài)調整機構。進ー步的，所述底盤為低碳鋼，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。機器人控制系統采用宏觀遙控微觀自主的控制方式，即操作者利用遙控手操盒控制2臺機器人分別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，最后由自主識別跟蹤焊縫實現焊縫坡ロ中心點位置跟蹤。機器人控制系統采用PCC或者其他エ業(yè)PC作為主控系統，單臺激光跟蹤傳感系統采集的坡ロ中心點偏差信號控制機器人本體和操作機構運動，2臺機器人之間的配合由機器人主控制系統協調控制；焊接系統的控制包含起弧收弧等開關量控制、エ藝參數設置。機器人系統從空間上可分為行走在大型鋼結構件表面上的“機上部分”和安裝于待作業(yè)表面之外的“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。機器人系統機下部分包括控制主機、遙控操作、焊接電源、送絲機、保護氣、焊接冷卻系統。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、水管、氣管和信號線。操作機構末端帶有焊槍擺動器，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(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、遙控操作盒、焊接電源、送絲機、保護氣、焊接冷卻系統。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，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。 下面結合附圖進ー步詳細描述本發(fā)明。如圖I所示，雙面雙弧自主移動式焊接機器人系統在焊接エ件的兩側分別有對稱擺放的機器人本體爬行機構和機器人本體爬行機構。兩臺機器人機構完全相同，機器人操作機構上安裝有焊槍、激光跟蹤傳感器和熔池監(jiān)控傳感器，機器人本體上裝有環(huán)境監(jiān)控傳感器。傳感系統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。2臺自主移動式焊接機器人分別吸附在エ件兩側，根據激光傳感實時進行焊縫坡ロ跟蹤，進行雙面雙弧焊接。打底焊時，2臺機器人實施非對稱焊接，前面機器人焊接時對后面機器人實施預熱，后面機器人對前面機器人實施后熱；填充焊時2臺機器人對稱焊接，避免焊接時的金屬氧化、造渣等問題。如圖2所示，機器人本體包括爬行機構和操作機構。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。如圖5所示，電機后接ニ級減速器帶動車輪，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3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。
圖4所示為機器人控制系統結構?？刂葡到y采用PCC或其他エ業(yè)PC作為主控系統，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；具備遠程焊接參數設置及在線調整功能；具采用多自由度云臺實現宏觀焊接環(huán)境的監(jiān)控，采用熔池監(jiān)控傳感器實現微觀焊接熔池的監(jiān)控；具備手操盒遠程控制機器人系統功能。監(jiān)控計算機通過以太網①②的連接設置編程計算機控制器的參數，并且接受視頻服務器的視頻數據?？删幊逃嬎銠C控制器通過CAN總線③與手操盒、驅動器進行連接。驅動器控制著爬行執(zhí)行機構、操作執(zhí)行機構可編程計算機控制器通過RS485總線④進行焊機適配器的設置，通過RS232總線⑨和IO⑦讀取激光跟著傳感器和位置開關的狀態(tài)信息。視頻服務器通過視頻接ロ⑧⑩接受環(huán)境監(jiān)控云臺、環(huán)境監(jiān)控攝像機、熔池監(jiān)控攝像機的視頻信息。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。
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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，前輪模塊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ー側，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。本申請中的焊槍為本領域技術人員公知能夠實現雙面雙弧焊接的 焊槍。
權利要求
1.ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統，包括機器人本體(I)、控制系統和焊接系統，其特征在干 機器人本體(I)包括爬行機構(12)和操作機構(13):所述爬行機構(12)包括采用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊(21)、采用永磁間隙吸附裝置的后輪模塊(24)、連接前后輪的車架(22 )和安裝在車架(22 )上的電機驅動控制器(23 )，所述爬行機構(12 )為三輪結構，三輪均為驅動輪，采用冗余控制轉向方式實現在導磁壁面上的轉向；操作機構(13)安裝在爬行機構(12)上； 控制系統包括傳感系統、機器人本體(I)控制箱和機器人主控系統；所述傳感系統包括激光跟蹤傳感器(15)、環(huán)境監(jiān)控傳感器(17)和熔池監(jiān)控傳感器(16); 焊接系統包括焊槍(14)、焊接電源、送絲機、保護氣、遙操作手控盒； 機器人本體(I)、控制系統和焊接系統三者通過線纜連接；· 所述機器人本體(I)為2臺，機器人本體(I)控制箱為2套，傳感系統為2套，焊槍(14)為2個；上述兩套設備對稱設置，所述2臺機器人本體(I)分別吸附在待焊接エ件兩側。
2.根據權利要求I所述的ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統，其特征在于所述驅動轉向一體化磁輪裝置的具體結構為后輪底盤(52)為軛鐵(40)與環(huán)繞車輪(53)安裝在后輪底盤(52)上的永磁體(51) —起構成磁路的一部分，直流電機(56)后接ニ級減速器(58)帶動車輪(53)，所述ニ級減速器(58)的第一級為行星齒輪減速器(55)，第二級為渦輪蝸桿減速器(54 )，渦輪蝸桿減速器(54 )通過螺釘連接安裝在后輪底盤(52 )上；直流無刷電機(56)及行星齒輪減速器(55)經過20齒直齒錐齒輪(60)和40齒直齒錐齒輪(65)傳動帶動錐齒輪軸(64 )旋轉，錐齒輪軸(64 )再通過19齒圓柱齒輪(63 )和60齒圓柱齒輪(62 )傳動帶動轉向軸(61)旋轉，轉向軸(61)與轉向基礎板(59 )通過螺釘聯接固定。
3.根據權利要求2所述的ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統，其特征在于所述永磁間隙吸附裝置環(huán)繞后輪，并且安裝在底盤(52)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(52)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，永磁間隙吸附裝置包括12塊沿厚度方向充磁的釹鐵硼永磁體(51)，每個后輪各布置6塊永磁體(51),相鄰永磁體(51)的電極相異，N極和S極交錯排列構成磁路。
4.根據權利要求3所述的ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統，其特征在于操作機構(13)包括十字滑塊和擺動器組成水平和垂直兩個方向的兩個自由度采用絲杠導軌，擺動器為步進電機搭配蝸輪蝸桿減速器(58)； 所述的操作機構(13)具體包括十字滑塊橫軸(31)、十字滑塊縱軸(32)、連接臂(33)、焊縫跟蹤傳感器(38)連接件(34)和擺動器連接件(35)，十字滑塊橫軸(31)與十字滑塊縱軸(32)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(38)安裝在連接件的前端，擺動器連接件(35)安裝在連接臂(33)的端部，擺動機構(36)安裝在擺動器連接件(35)上，擺動機構(36)前端夾持焊槍(14)，焊槍(14)夾持及姿態(tài)調整機構。
5.根據權利要求4所述的ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統，其特征在于進ー步的，所述底盤(52)為低碳鋼，作為軛鐵(40)與環(huán)繞車輪(53)安裝在后輪底盤(52)上的永磁體(51) —起構成磁路。
6.根據權利要求5所述的ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統，其特征在于機器人控制系統采用宏觀遙控微觀自主的控制方式，即操作者利用遙控手操盒控制2臺機器人分別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，最后由自主識別跟蹤焊縫實現焊縫坡ロ中心點位置跟蹤； 機器人控制系統采用PCC或者其他エ業(yè)PC作為主控系統，單臺激光跟蹤傳感系統采集的坡ロ中心點偏差信號控制機器人本體(I)和操作機構(13)運動，2臺機器人之間的配合由機器人主控制系統協調控制；焊接系統的控制包含起弧收弧等開關量控制、エ藝參數設置。
7.根據權利要求6所述的ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統，其特征在于所述打底焊時2臺機器人實施非對稱焊接，填充焊時2臺機器人對稱焊接。
8.根據權利要求1-7任意一項所述的ー種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統，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(61)支承在圓錐滾子軸承上，轉向軸(61)與60齒直齒齒輪連接，角度傳感器輸入軸與轉向軸(61)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(56 )與轉向電機安裝板連接，20齒直齒錐齒輪(60 )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(65)連接安裝在錐齒輪軸(64)上，錐齒輪軸(64)由安裝在轉臺上支撐板的第一深溝球軸承支承，錐齒輪軸(64)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(61)的下端與轉向基板連接，車輪(53)左側安裝板、車輪(53)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(56)與驅動電機安裝板連接，小同步帶(57)輪軸與驅動減速電機(56)的輸出軸固接，小同步帶(57)輪通過平鍵聯接安裝在小同步帶(57)輪軸上，前輪模塊(21)永磁體(51)和車輪軛鐵(40)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ニ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(57 )輪通過平鍵聯接安裝在車輪軸的另ー側，大同步帶(57)輪和小同步帶(57)輪之間由同步帶(57)聯接，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(56)與車輪軸之間通過同步帶(57)傳動，轉向驅動機構還包括轉向軸(61)，轉向軸(61)下部安裝有車輪驅動機構及滾輪，所述轉向軸(61)線與車輪軸線垂直正交。
全文摘要
本發(fā)明屬于機器人焊接技術領域，具體來說是一種自主移動式雙面雙弧焊接機器人系統,包括機器人本體、控制系統和焊接系統，機器人本體、控制系統和焊接系統三者通過線纜連接；所述機器人本體為2臺，機器人本體控制箱為2套，傳感系統為2套，焊槍為2個；上述兩套設備對稱設置，所述2臺機器人本體分別吸附在待焊接工件兩側。本發(fā)明的優(yōu)點在于爬行裝置采用接觸式磁輪吸附和非接觸式間隙吸附的復合方式，三輪結構，所有車輪均為驅動輪，采用冗余控制轉向方式，依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉向實現在導磁壁面上的轉向，通過前輪轉向角度的精確控制提高了爬壁機器人轉向精度，運動靈活性好，可繞車體中心轉向，最小轉向半徑為0，機器人可在導磁壁面可靠吸附并實現自主靈活移動。
文檔編號B23K9/12GK102672315SQ20121018512
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權日2012年6月7日
發(fā)明者凌樂, 吳建東, 姜周, 張帆, 徐立強, 李永龍, 桂仲成, 盛仲曦, 范傳康, 董娜 申請人:中國東方電氣集團有限公司