CN102689100A - 一种用于等离子mig复合焊接的自主移动式机器人*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人焊接技术领域，具体来说是一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***,包括机器人本体、控制***和等离子MIG复合焊接***，机器人本体包括爬行机构和操作机构，所述控制***包括传感***、机器人本体控制箱和机器人主控***；所述等离子MIG复合焊接***包括数字化MIG焊接电源、等离子电源、送丝机、保护气、等离子焊枪和MIG焊枪。本发明的优点在于等离子MIG复合焊接机器人能够适应大型钢结构的全位置焊缝形式，采用吸附式爬行机构，运动灵活，采用激光焊缝跟踪传感器，具备宏观环境监控及熔池监控***，在大厚板全位置焊接时能够满足摆动要求、控制要求及运动要求。
Description
技术领域
本发明属于机器人焊接技术领域，具体来说是一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***。
背景技术
MIG焊是指熔化极惰性气体保护电弧焊，这种焊接方法是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源，由焊炬嘴喷出的气体来保护电弧进行焊接的熔化极气体保护电弧焊通常用的保护气体有氩气，氦气，二氧化碳气或这些的混合气体。以氩气或氦气为保护气时称为熔化极惰性气体保护电弧焊（在国际上称为MIG焊）；熔化极气体保护电弧焊的主要优点是可以方便的进行各种位置的焊接，同时也具有焊接速度较快，熔敷率较高的优点。
对于大型结构的焊接，等离子MIG复合焊接能够提高焊接效率和焊接质量，但是由于等离子MIG焊枪复合后的重量和体积不再适合焊工手工操作，需要开发用于等离子MIG焊接的机器人***。等离子MIG焊接适合于大型结构厚板焊接，能一次性焊透25mm，应用于多层多道焊接时也能减少焊接布道。对于大型结构，部件本身结构、重量影响不适合旋转或转动，现有专用自动化焊接小车大多需要铺设轨道，轨道柔性范围有限，铺设工序繁琐；另一方面，大型构件的等离子MIG焊接自动化无法应用固定式机械手。
焊接机器人***一般由焊接承载机构、焊接***、控制***组成。承载机构又分为固定式工业机械手、轨道式小车、自主移动式机构；焊接***由焊接电源、焊枪、保护气、送丝机构等组成；控制***负责承载机构的运动、跟踪、焊接质量控制等。目前常用于大型钢结构焊接的是轨道式机器人焊接***，该***由机器人运行轨道、机器人及焊接***组成，使用时需要预先进行轨道铺设，仅适用于能够铺设轨道的直焊缝，并且轨道的柔性在一定范围内，无法适应焊缝形式的变换。
如专利申请号为201010180754.1，申请日为2010年5月14日，名称为“焊接设定装置、焊接机器人***及焊接设定方法”的发明专利，其主要技术方案为：一种同时多层堆焊设定装置，具备：层叠图案确定部，其基于各输入数据和层叠图案数据基值，确定与对象的接头对应的焊道的层叠图案；单独运转用焊道确定部，其在对象的两个接头的层叠图案中，表示对焊道进行组合时的熔敷金属量的剖面面积的差值超过预定的阈值时，将剖面面积大的一方的焊道作为单独运转用焊道排除之后，确定同时焊接的组合；焊接诸条件确定部，其确定包含与基于输入焊接条件算出的焊丝送给速度相对应的电流值及接缝形成位置的每个焊道焊接条件；动作程序生成部，其生成基于确定的焊接条件的机器人动作程序，并设定在机器人控制装置内。上述专利的焊接机器人***采用轨道式排布, 无法实现焊缝自动跟踪识别及自主移动功能,而且该焊接***适合流水线形式的焊接并不适合对大型钢结构件实行自主焊接，焊缝类型区别较大。
又如专利申请号为201019063009.6，申请日为2010年2月5日，名称为“一种用于注塑机机架的焊接机器人工作站***”的发明专利，包括焊接机器人、焊接装置、机器人移动滑台、焊枪冷却装置、智能寻位跟踪装置和机器人控制箱，焊接机器人安装在机器人移动滑台上；焊接装置分别与焊接机器人和焊枪冷却装置连接；机器人控制箱分别与焊接机器人、机器人移动滑台、焊接装置和智能寻位跟踪装置相连，用于控制焊接机器人的移动和焊接，上述专利的焊接机器人***采用轨道式机器人焊接***，无法实现机器人本体自动跟踪焊缝自由移动并完成焊接而且该机器人针对注塑机机架焊接，焊缝类型范围很有限。
清华大学开发了履带式磁吸附自主移动焊接机器人，履带式吸附移动机构吸附可靠性好但转向性能差，造成机器人运动灵活性差、作业位置调整困难。北京石油化工学院开发了磁轮式自主移动焊接机器人，磁轮式吸附移动机构运动灵活性好但吸附能力差，对于等离子MIG大重型焊枪无法应用。所以现有的等离子MIG焊接机器人存在运动灵活性和吸附能力不能兼具的问题。
发明内容
为了克服现有的用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人存在运动灵活性和吸附能力不能兼具的问题，现在特别提出能满足大型钢结构立焊、兼具灵活性和吸附能力、高效高质量智能焊接的一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***，包括机器人本体、控制***和等离子MIG复合焊接***，其特征在于：
机器人本体包括爬行机构和操作机构：所述爬行机构包括采用驱动转向一体化磁轮的前轮模块、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块、连接前后轮的车架和安装在车架上的电机驱动控制器；所述的操作机构包括十字滑块和摆动机构，摆动机构前端夹持等离子MIG复合焊枪，水平和垂直两个方向的自由度由两个丝杠导轨组合单元组合而成的十字滑块实现，摆动机构采用步进电机搭配蜗轮蜗杆减速器；
所述控制***包括传感***、机器人本体控制箱和机器人主控***；
所述等离子MIG复合焊接***包括数字化MIG焊接电源、等离子电源、送丝机、保护气、等离子焊枪和MIG焊枪；
MIG焊枪、等离子焊枪、MIG焊接电源、等离子电源以及等离子MIG复合焊接***之间的连接关系与其他焊接***的焊枪、焊接电源以及焊接***的连接关系存在明显不同，但是上述不同之处以及具体如何连接是则本领域技术人员所知晓的。
机器人本体、控制***和等离子MIG复合焊接***三者通过线缆连接。
所述前轮模块和后轮模块分别安装在车架两端，在后轮模块处设置有后轮底盘，后轮底盘上设置有永磁体；
前轮模块为驱动转向一体化磁轮，包括永磁体和车轮，前轮的永磁体采用沿厚度方向磁化的环形永磁体；后轮模块采用永磁间隙吸附方式，包括永磁间隙吸附装置和车轮，永磁间隙吸附装置包括环绕车轮安装在后轮底盘上的永磁体，永磁间隙吸附装置环绕后轮安装在底盘上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间是非接触的，通过调节底盘和导磁壁面之间的距离设定永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙；
所述爬行机构采用三轮结构，各车轮均为驱动轮，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向角实现在导磁壁面上的转向和直线运动。
所述的操作机构包括十字滑块横轴、十字滑块纵轴、连接臂、焊缝跟踪传感器连接件、焊枪连接件，十字滑块横轴与十字滑块纵轴是分别由步进电机与精密滚珠丝杠导轨组成，焊缝跟踪传感器安装在焊缝跟踪连接件的前端，焊枪连接件安装在连接臂的端部。
所述传感***包括激光跟踪传感器、环境监控传感器和熔池监控传感器，操作机构及环境监控传感器安装在爬行机构上，操作机构末端安装激光跟踪传感器、熔池监控传感器和等离子MIG复合焊枪，机器人本体控制箱安装在爬行机构上，机器人本体控制箱与机器人主控***通过电缆相连，焊接电源、送丝机、保护气与等离子MIG复合焊枪通过线缆相连。
所述的机器人控制***的工作方式为：操作者利用遥控手操盒控制机器人运动到起弧位置附近，再由机器人传感控制***完成起始点位置的调整，最后由自主识别跟踪焊缝实现焊缝坡口中心点位置跟踪，机器人控制***采用PCC或者其他工业PC作为主控***，激光跟踪传感***采集的坡口中心点偏差信号控制机器人本体和操作机构运动；等离子MIG复合焊接***的控制包含开关量控制、工艺参数设置、等离子弧和MIG弧起弧收弧协调控制。
所述的机器人控制***采用多自由度云台实现宏观焊接环境的监控，完成焊前起始点宏观操作；采用熔池监控传感器实现微观等离子枪和MIG枪的姿态调整，焊接过程的熔池监控，云台属于传感***。
等离子枪与MIG枪沿焊缝坡口方向排布，等离子枪在焊接运行方向的前方，MIG枪在等离子枪后方，等离子MIG复合焊枪是将等离子枪头和MIG枪头集成在一把焊枪上，等离子MIG复合焊接机器人控制***利用X20DI9371输入模块、X20DO9322输出模块与等离子焊接电源、MIG焊接电源进行连接；MIG焊接电源外部接口为一个继电器，当继电器闭合后，MIG焊接电源开始焊接，继电器断开后，MIG焊接电源停止焊接；焊接过程中，按照既定的逻辑时序来进行控制，其特征在于起弧过程中，先启动等离子焊机，间隔2S后，再启动MIG焊接电源，并且开启机器人进给运动；收弧过程中，将等离子焊接电源、MIG焊接电源、机器人同时关闭。
所述的等离子MIG复合焊接***，机器人***控制主机通过RS485与MIG焊接电源进行通讯，通过主机控制界面完成焊接参数设置及焊接参数在线调整，焊接启动及停止。
所述驱动转向一体化磁轮具体结构为：侧倾转轴一端安装在车体固定框架上，另一端转台下支撑板连接，转台上支撑板、转台支撑立柱和转台下支撑板连接，转台盖板与转台上支撑板连接，圆锥滚子轴承安装在两个支撑板上，转向轴支承在圆锥滚子轴承上，转向轴与60齿直齿齿轮连接，角度传感器输入轴与转向轴固接，角度传感器支撑杆与转台上支撑板连接，角度传感器与角度传感器支撑杆连接，转向电机安装板与转台上支撑板连接，转向减速电机与转向电机安装板连接，20齿直齿锥齿轮固接在转向减速电机输出轴上，与之相啮合的40齿直齿锥齿轮连接安装在锥齿轮轴上，锥齿轮轴由安装在转台上支撑板的第一深沟球轴承支承，锥齿轮轴的另一侧与19齿直齿齿轮通过平键联接，19齿直齿齿轮与60齿直齿齿轮啮合，转向轴的下端与转向基板连接，车轮左侧安装板、车轮右侧安装板、驱动电机安装板与转向基板连接，驱动减速电机与驱动电机安装板连接，小同步带轮轴与驱动减速电机的输出轴固接，小同步带轮通过平键联接安装在小同步带轮轴上，车轮永磁体和车轮轭铁通过平键联接安装在车轮轴上，车轮轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承支承在车轮左侧安装板和车轮右侧安装板之间，大同步带轮通过平键联接安装在车轮轴的另一侧，大同步带轮和小同步带轮之间由同步带联接，张紧辊轮与张紧辊轮支撑杆之间通过螺钉连接，张紧辊轮支撑杆通过螺钉安装在车轮左侧安装板上，驱动减速电机与车轮轴之间通过同步带传动，转向驱动机构还包括转向轴，转向轴下部安装有车轮驱动机构及滚轮，所述转向轴线与车轮轴线垂直正交。
本发明的优点在于：
1、本发明爬行机构采用接触式磁轮吸附和非接触式间隙吸附的复合方式以及三轮全驱动或差动驱动轮式移动方式，机器人可在作业对象表面全位置自主灵活移动、可靠吸附并实施立焊作业，***综合性能好。
2、本发明采用“宏观遥控、微观自主”的控制方式，可自主识别跟踪焊缝，具备远程焊接参数设置及在线调整功能；采用多自由度云台实现工件环境监控，完成焊前起始点宏观操作；采用熔池监控传感器实现微观等离子枪和MIG枪的姿态调整，焊接过程的熔池监控。具备宏观焊接环境监控功能，实现了智能化焊接。
3、等离子MIG复合焊接机器人能够适应大型钢结构的全位置焊缝形式，采用吸附式爬行机构，运动灵活，采用激光焊缝跟踪传感器，具备宏观环境监控及熔池监控***，在大厚板全位置焊接时能够满足摆动要求、控制要求及运动要求。
4、 等离子和MIG复合焊接的方法是同一种焊枪带有两种焊接工艺的复合功能，能方便的实现两种焊接方式。
5、本发明所述的操作和摆动机构适用于爬行式焊接机器人，由操作机构的十字滑块提供Y轴和Z轴两个自由度，由摆动机构为前段夹持的焊枪提供一个绕X轴的旋转自由度实现摆动功能。十字滑块采用高精度滚珠丝杠导轨配合步进电机组合而成，定位精度可以达到0.02mm，以保证焊枪跟踪焊缝的工艺精度要求。摆动机构由蜗轮蜗杆搭配步进电机为焊枪提供旋转自由度，输出扭矩不小于10Nm，可以使焊枪以任意旋角为中心实现摆动焊接。
6、本发明所述的操作机构的连接臂臂展可手动调节，最大臂展可达450mm。焊缝跟踪传感器的夹持机构夹持位置可以手动调节，X轴可调范围120mm，Y轴最大可调范围350mm，Z轴可调范围100mm，较大的可调空间范围保证多种焊接工艺下焊缝跟踪传感器位置可以适应焊枪的各种姿态需求。
7、驱动减速电机与车轮轴之间通过同步带传动，通过调节传动中心距可以获得较大的安装空间，安装较大功率的驱动减速电机从而提高驱动力矩。
8、设置了独立的转向自由度且使转向轴线与车轮轴线垂直正交，可以实现车轮的独立转向，提高爬壁机器人运动灵活性。
9、设置了被动的侧倾自由度且通过侧倾限制块限制侧倾转角在正负10度以内，使爬壁机器人具有了较好的曲面适应能力。
10、侧倾限制块通过机械限位实现限制侧倾角度的功能。
11、所述转向结构和车轮滚动都设置有独立的驱动机构。
12、自主移动式机器人与等离子MIG焊枪结合的优点在于整个焊接机器人***能在自主移动的同时实现等离子MIG焊接，并且焊接速度快，是传统MIG/MAG焊的2-3倍；与常规MIG/MAG相比，熔深更大；因焊接热输入较低，热影响区较窄，不易造成零部件变形；焊接飞溅显著减少；焊接质量优良；等离子电源与传统MIG电源有机组合，统一协调控制，使等离子-MIG复合热源焊接技术成为传统MIG/MAG的升级改造。
附图说明
图1 为本发明结构图。
图2 为本发明的机器人本体图。
图3为本发明爬行机构结构示意图。
图4为本发明爬行机构后轮模块示意图。
图5为本发明操作机构示意图。
图6 为本发明的时序图。
图7为永磁间隙吸附装置结构示意图。
图8为驱动转向一体化磁轮结构示意图。
图9为前轮过转向轴和锥齿轮轴的剖视图。
图10为磁轮剖视图。
附图中1操作机构，2熔池监控传感器，3等离子MIG复合焊枪，4激光跟踪传感器,5焊缝，6爬行机构，7多自由度云台，8机器人本体控制箱，9线缆，10焊接对象，11送丝机，12MIG焊接电源，13保护气，14等离子焊接电源，15机器人主控***，16遥控操作盒；
17前轮模块，18车架，19电机驱动控制器，20后轮模块；
21永磁体，22底盘，23车轮，24涡轮蜗杆减速器，25行星齿轮减速器，26电机；
27同步带，28减速器，29转向基础板，30 .20齿直齿锥齿轮；
31转向轴，32.60齿圆柱齿轮，33.19齿圆柱齿轮，34锥齿轮轴，35.40齿直齿锥齿轮。
36前轮模块永磁体，37轭铁。
41十字滑块横轴、42十字滑块纵轴、43连接臂、44焊缝跟踪传感器连接件、45摆动器连接件，46摆动机构，47焊枪，48焊缝跟踪传感器。
具体实施方式
一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***包括机器人本体、控制***和等离子MIG复合焊接***，机器人本体包括爬行机构和操作机构：所述爬行机构包括采用驱动转向一体化磁轮的前轮模块、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块、连接前后轮的车架和安装在车架上的电机驱动控制器；所述的操作机构包括十字滑块和摆动机构，摆动机构前端夹持等离子MIG复合焊枪，水平和垂直两个方向的自由度由两个丝杠导轨组合单元组合而成的十字滑块实现，摆动机构采用步进电机搭配蜗轮蜗杆减速器；控制***包括传感***、机器人本体控制箱和机器人主控***；等离子MIG复合焊接***包括数字化MIG焊接电源、等离子电源、送丝机、保护气、等离子MIG复合焊枪；机器人本体、控制***和等离子MIG复合焊接***三者通过线缆连接。
前轮模块和后轮模块分别安装在车架两端，在后轮模块处设置有后轮底盘，后轮底盘上设置有永磁体；前轮模块为驱动转向一体化磁轮，包括永磁体和车轮，前轮的永磁体采用沿厚度方向磁化的环形永磁体；后轮模块采用永磁间隙吸附方式，包括永磁间隙吸附装置和车轮，永磁间隙吸附装置包括环绕车轮安装在后轮底盘上的永磁体，永磁间隙吸附装置环绕后轮安装在底盘上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间是非接触的，通过调节底盘和导磁壁面之间的距离设定永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙；爬行机构采用三轮结构，各车轮均为驱动轮，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向角实现在导磁壁面上的转向和直线运动。
操作机构包括十字滑块横轴、十字滑块纵轴、连接臂、焊缝跟踪传感器连接件、焊枪连接件，十字滑块横轴与十字滑块纵轴是分别由步进电机与精密滚珠丝杠导轨组成，焊缝跟踪传感器安装在焊缝跟踪连接件的前端，焊枪连接件57安装在连接臂的端部。
传感***包括激光跟踪传感器、环境监控传感器和熔池监控传感器，操作机构及环境监控传感器安装在爬行机构上，操作机构末端安装激光跟踪传感器、熔池监控传感器和等离子MIG复合焊枪，机器人本体控制箱安装在爬行机构上，机器人本体控制箱与机器人主控***通过电缆相连，焊接电源、送丝机、保护气与等离子MIG复合焊枪通过线缆相连。
机器人控制***的工作方式为：操作者利用遥控手操盒控制机器人运动到起弧位置附近，再由机器人传感控制***完成起始点位置的调整，最后由自主识别跟踪焊缝实现焊缝坡口中心点位置跟踪，机器人控制***采用PCC或者其他工业PC作为主控***，激光跟踪传感***采集的坡口中心点偏差信号控制机器人本体和操作机构运动；等离子MIG复合焊接***的控制包含开关量控制、工艺参数设置、等离子弧和MIG弧起弧收弧协调控制。
机器人控制***采用多自由度云台实现宏观焊接环境的监控，完成焊前起始点宏观操作；采用熔池监控传感器实现微观等离子枪和MIG枪的姿态调整，焊接过程的熔池监控，云台属于传感***。
等离子枪与MIG枪沿焊缝坡口方向排布，等离子枪在焊接运行方向的前方，MIG枪在等离子枪后方，等离子MIG复合焊枪是将等离子枪头和MIG枪头集成在一把焊枪上，等离子MIG复合焊接机器人控制***利用X20DI9371输入模块、X20DO9322输出模块与等离子焊接电源、MIG焊接电源进行连接；MIG焊接电源外部接口为一个继电器，当继电器闭合后，MIG焊接电源开始焊接，继电器断开后，MIG焊接电源停止焊接；焊接过程中，按照既定的逻辑时序来进行控制，其特征在于起弧过程中，先启动等离子焊机，间隔2S后，再启动MIG焊接电源，并且开启机器人进给运动；收弧过程中，将等离子焊接电源、MIG焊接电源、机器人同时关闭。
等离子MIG复合焊接***，机器人***控制主机通过RS485与MIG焊接电源进行通讯，通过主机控制界面完成焊接参数设置及焊接参数在线调整，焊接启动及停止。
如图1所示，等离子MIG复合焊接自主移动式机器人***由机器人本体、控制***、等离子MIG复合焊接***组成。机器人本体包括操作机构和爬行机构，控制***包括传感***（多自由度云台、激光跟踪传感器和熔池监控传感器、机器人本体控制箱和机器人主控***，等离子MIG复合焊接***包括等离子电源、MIG焊接电源、送丝机、保护气。
机器人***从空间上可分为行走在作业工件上的“机上部分”和安装于作业工件之外的“机下部分”。机上部分包括机器人本体（操作机构、爬行机构）、机器人本体控制箱、传感***、焊枪，传感***主要由激光跟踪传感器、环境监控传感器和熔池监控传感器组成。操作机构及环境监控传感器安装在爬行机构上，操作机构末端安装激光跟踪传感器、熔池监控传感器和焊枪，机器人本体控制箱安装在爬行机构上。机器人***机下部分包括控制主机、遥控操作、焊接电源、送丝机、保护气。机上部分的机器人控制箱与机下部分的控制主机通过电缆相连，焊接电源、送丝机、保护气与机上部分的焊枪通过线缆相连。线缆包含电管、气管和信号线。操作机构末端带有焊枪摆动器，等离子MIG复合焊枪夹持及姿态调整机构。
机上部分：包括机器人本体（操作机构、爬行机构）、机器人本体控制箱、传感***（多自由度云台、激光跟踪传感器和熔池监控传感器）、焊枪。操作机构及多自由度云台安装在爬行机构上，操作机构末端安装激光跟踪传感器、熔池监控传感器、焊枪，机器人本体控制箱安装在爬行机构上。其中爬行机构和安装在爬行机构上的操作机构合称为机器人本体。
机下部分：包括机器人主控***、遥控操作盒、MIG焊接电源、等离子焊接电源、送丝机、保护气。机上部分的机器人本体控制箱与机下部分的机器人主控***通过电缆相连，MIG焊接电源、等离子焊接电源、送丝机、保护气与机上部分的焊枪通过线缆相连。线缆包含电管、水管、气管和信号线。
如图2所示，机器人本体包括爬行机构和操作机构。
如图3和图4所示，爬行机构包括采用驱动转向一体化磁轮的前轮模块、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块、连接前后轮的车架和安装在车架上的电机驱动控制器。其中，后轮底盘采用低碳钢（如Q235）制造，除作为支撑后轮结构的功能外，还作为轭铁与环绕车轮安装在后轮底盘上的永磁体一起构成磁路的一部分。电机后接二级减速器带动车轮，第一级为行星齿轮减速器，第二级为涡轮蜗杆减速器，涡轮蜗杆减速器通过螺钉连接安装在后轮底盘上。磁轮由1块永磁体和2块轭铁构成。所述永磁体采用沿厚度方向磁化的环形永磁体,永磁体可采用高性能永磁材料如NdFeB等制造，轭铁采用低碳钢（如Q235等）制造。
如图5所示，操作机构主要由十字滑块横轴、十字滑块纵轴、连接臂、焊缝跟踪传感器连接件、摆动器连接件组成。十字滑块横轴与十字滑块纵轴是分别由步进电机与精密滚珠丝杠导轨组成。横轴通过支架安装在移动平台上，纵轴安装在横轴滑块上。横轴提供Y轴自由度，工作范围90mm；纵轴提供Z轴自由度，工作范围75mm。十字滑块单轴定位精度0.02mm。连接臂通过夹块安装在纵轴滑块上，连接臂最大臂展450mm，并可通过调节夹块夹持位置进行手动调节。焊缝跟踪传感器连接件夹持在连接臂上，手动调节连接件的夹持位置可以为焊缝跟踪传感器提供350mm的位置范围。焊缝跟踪传感器安装在连接件的前端，工作时向焊缝发射激光束并扫描焊缝，指导十字滑块与移动平台的动作。摆动器连接件安装在连接臂的端部，连接件的高度可以手动调节，为摆动机构提供Z轴向80mm的调整范围。摆动机构安装在连接件上，前端夹持焊枪。
图6所示为机器人控制***时序图。控制***采用PCC或其他工业PC作为主控***，各功能板块为模块化设计。利用激光跟踪传感器的反馈控制机器人本体爬行机构和操作机构的运动；利用开关量控制焊接启动、停止等动作；具备远程焊接参数设置及在线调整功能；具采用多自由度云台实现宏观焊接环境的监控，采用熔池监控传感器实现微观焊接熔池的监控；；运行时，先启动等离子焊接电源，间隔2S后，再启动MIG焊接电源，并且开启机器人进给运动；收弧过程中，将等离子焊接电源、MIG焊接电源、机器人***同时关闭。
等离子枪与MIG枪沿焊缝坡口方向排布，等离子枪在焊接运行方向的前方，MIG枪在等离子枪后方，等离子MIG复合焊接机器人控制***利用X20DI9371输入模块、X20DO9322输出模块与等离子焊接电源、MIG焊接电源进行连接；MIG焊接电源外部接口为一个继电器，当继电器闭合后，MIG焊接电源开始焊接，继电器断开后，MIG焊接电源停止焊接。焊接过程中，按照既定的逻辑时序来进行控制，其特征在于起弧过程中，先启动等离子焊机，间隔2S后，再启动MIG焊接电源，并且开启机器人进给运动；收弧过程中，将等离子焊接电源、MIG焊接电源、机器人同时关闭，控制时序如图5所示。
永磁间隙吸附装置如图7所示，由12块厚度方向充磁的钕铁硼永磁体组成，每个后轮各布置6块永磁体， N极和S极交错排列构成磁路，环绕后轮安装在底盘上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间是非接触的，通过调节底盘和导磁壁面之间的距离设定所述永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙。
图8是前轮的三维模型图，图9是前轮过转向轴和锥齿轮轴的剖视图，图10是过前轮车轮轴的剖视图。其中，直流无刷电机及行星齿轮减速器经过20齿直齿锥齿轮和40齿直齿锥齿轮传动带动锥齿轮轴旋转，锥齿轮轴再通过19齿圆柱齿轮和60齿圆柱齿轮传动带动转向轴旋转，转向轴与转向基础板通过螺钉联接固定。前轮驱动电机及减速器采用直流有刷电机和行星齿轮减速器，通过同步带传动带动前轮。前轮为磁轮，结构见图9。磁轮由1块前轮模块永磁体和2块轭铁构成。所述永磁体采用沿厚度方向磁化的环形永磁体,永磁体可采用高性能永磁材料如NdFeB等制造，轭铁采用低碳钢（如Q235等）制造。
驱动转向一体化磁轮的一种实施方式为，侧倾转轴一端由安装在车体固定框架上的滑动轴承支承，另一端与转台下支撑板通过螺纹联接固接，转台上支撑板、转台支撑立柱和转台下支撑板通过螺钉连接，转台盖板与转台上支撑板通过螺钉连接，两个圆锥滚子轴承面对面安装在两个支撑板上，转向轴支承在这两个圆锥滚子轴承上，转向轴与60齿直齿齿轮通过平键连接，角度传感器输入轴与转向轴固接，角度传感器支撑杆与转台上支撑板通过螺钉连接，角度传感器与角度传感器支撑杆通过螺钉连接，转向电机安装板与转台上支撑板通过螺钉连接，转向减速电机与转向电机安装板通过螺钉连接，20齿直齿锥齿轮固接在转向减速电机输出轴上，与之相啮合的40齿直齿锥齿轮通过平键联接安装在锥齿轮轴上，锥齿轮轴由安装在转台上支撑板的第一深沟球轴承支承，锥齿轮轴的另一侧与19齿直齿齿轮通过平键联接，19齿直齿齿轮与60齿直齿齿轮啮合，转向轴的下端与转向基板通过螺钉连接，车轮左侧安装板、车轮右侧安装板、驱动电机安装板与转向基板通过螺钉连接，驱动减速电机与驱动电机安装板通过螺钉连接，小同步带轮轴与驱动减速电机的输出轴固接，小同步带轮通过平键联接安装在小同步带轮轴上，车轮永磁体和车轮轭铁通过平键联接安装在车轮轴上，车轮轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承支承在车轮左侧安装板和车轮右侧安装板之间，大同步带轮通过平键联接安装在车轮轴的另一侧，大同步带轮和小同步带轮之间由同步带联接，张紧辊轮与张紧辊轮支撑杆之间通过螺钉连接，张紧辊轮支撑杆通过螺钉安装在车轮左侧安装板上。磁轮包括前轮模块永磁体和车轮轭铁。
本发明所述的等离子MIG复合焊接***，由数字化MIG焊接电源、等离子电源、送丝机、保护气、等离子MIG复合焊枪组成。机器人***控制主机通过RS485与MIG焊接电源进行通讯，通过主机控制界面完成焊接参数设置及焊接参数在线调整，焊接启动及停止。
首先进行焊接前的准备。检查各***的布置与连接，特别是将机器人本体吸附在工件上，车体前后方向平行于焊缝并保证焊枪基本对准焊缝。通过监控计算机对各执行机构、传感器等进行检查。
其次，进行初始化状态的人工设置。通过调节焊枪夹持及姿态调整机构手动调整焊枪高度及焊枪姿态至合适的状态。利用监控计算机，对环境监控摄像机的视频信息进行焊缝位置、状态的观察，通过手操盒移动爬行机构和十字滑块，进行人工的对中。然后，进行焊接参数的设置，在监控计算机或手操盒上进行焊接电压、焊接电流、送丝速度、摆动器摆动动作及爬行机构前进速度的设置。
最后，通过手操盒启动焊接，通过熔池监控摄像机进行熔池的监控。在焊接过程中，激光跟踪传感器实时反馈焊缝扫描信息并以此指导爬行机构微调前进方向、指导操作机构微调两个轴向的运动，以此保证焊枪在焊接时始终准确地沿焊缝轨迹进给。焊接完成后，通过手操盒结束焊接程序。
导磁壁面是指工件面，工件是指焊接对象，并且同时在工件上移动。
本申请所述的等离子MIG符合焊枪为本领域技术人员知晓的、可用于等离子MIG复合焊接***的焊枪，不同于其他类型的焊枪。
Claims (9)
1.一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***，包括机器人本体、控制***和等离子MIG复合焊接***，其特征在于：
机器人本体包括爬行机构（6）和操作机构（1）：所述爬行机构（6）包括采用驱动转向一体化磁轮的前轮模块（17）、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块（20）、连接前后轮的车架（18）和安装在车架（18）上的电机驱动控制器（19）；所述的操作机构（1）包括十字滑块和摆动机构（46），摆动机构（46）前端夹持等离子MIG复合焊枪（3），水平和垂直两个方向的自由度由两个丝杠导轨组合单元组合而成的十字滑块实现，摆动机构（46）采用步进电机搭配蜗轮蜗杆减速器（28）；
控制***包括传感***、机器人本体控制箱（8）和机器人主控***（15）；
所述等离子MIG复合焊接***包括数字化MIG焊接电源（3）、等离子电源（12）、送丝机（11）、保护气（13）、等离子焊枪和MIG焊枪（14）；
机器人本体、控制***和等离子MIG复合焊接***三者通过线缆（9）连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***，其特征在于：所述前轮模块（17）和后轮模块（20）分别安装在车架（18）两端，在后轮模块（20）处设置有后轮底盘（22），后轮底盘（22）上设置有永磁体（21）；
前轮模块（17）为驱动转向一体化磁轮，包括永磁体（21）和车轮（23），前轮的永磁体（21）采用沿厚度方向磁化的环形永磁体（21）；后轮模块（20）采用永磁间隙吸附方式，包括永磁间隙吸附装置和车轮（23），永磁间隙吸附装置包括环绕车轮（23）安装在后轮底盘（22）上的永磁体（21），永磁间隙吸附装置环绕后轮安装在底盘（22）上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间是非接触的，通过调节底盘（22）和导磁壁面之间的距离设定永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙；
所述爬行机构（6）采用三轮结构，各车轮（23）均为驱动轮，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向角实现在导磁壁面上的转向和直线运动。
3.根据权利要求2所述的一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***，其特征在于：所述的操作机构（1）包括十字滑块横轴（41）、十字滑块纵轴（42）、连接臂（43）、焊缝跟踪传感器（48）连接件（44）和摆动器连接件（45），十字滑块横轴（41）与十字滑块纵轴（42）是分别包括步进电机与精密滚珠丝杠导轨，焊缝跟踪传感器（48）安装在连接件的前端，摆动器连接件（45）安装在连接臂（43）的端部，摆动机构（46）安装在摆动器连接件（45）上，摆动机构（46）前端夹持等离子MIG复合焊枪（3），等离子MIG复合焊焊枪（3）夹持及姿态调整机构。
4.根据权利要求3所述的一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***，其特征在于：所述传感***包括激光跟踪传感器（4）、环境监控传感器和熔池监控传感器（2），操作机构（1）及环境监控传感器安装在爬行机构（6）上，操作机构（1）末端安装激光跟踪传感器（4）、熔池监控传感器（2）和等离子MIG复合焊枪（3），机器人本体控制箱（8）安装在爬行机构（6）上，机器人本体控制箱与机器人主控***通过电缆相连，焊接电源（12）、送丝机（11）、保护气（13）与等离子MIG复合焊枪（3）通过线缆（9）相连。
5.根据权利要求4所述的一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***，其特征在于：所述的机器人控制***的工作方式为：操作者利用遥控手操盒控制机器人运动到起弧位置附近，再由机器人传感控制***完成起始点位置的调整，最后由自主识别跟踪焊缝实现焊缝坡口中心点位置跟踪，机器人控制***采用PCC或者其他工业PC作为主控***，激光跟踪传感***采集的坡口中心点偏差信号控制机器人本体和操作机构运动；等离子MIG复合焊接***的控制包含开关量控制、工艺参数设置、等离子弧和MIG弧起弧收弧协调控制。
6.根据权利要求4所述的一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***，其特征在于：所述的机器人控制***采用多自由度云台（7）实现宏观焊接环境的监控，完成焊前起始点宏观操作；采用熔池监控传感器（2）实现微观等离子枪和MIG枪的姿态调整，焊接过程的熔池监控，云台属于传感***。
7.根据权利要求5所述的一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***，其特征在于：等离子枪与MIG枪沿焊缝坡口方向排布，等离子枪在焊接运行方向的前方，MIG枪在等离子枪后方，等离子MIG复合焊枪是将等离子枪头和MIG枪头集成在一把焊枪上，等离子MIG复合焊接机器人控制***利用X20DI9371输入模块、X20DO9322输出模块与等离子焊接电源、MIG焊接电源进行连接；MIG焊接电源外部接口为一个继电器，当继电器闭合后，MIG焊接电源开始焊接，继电器断开后，MIG焊接电源停止焊接；焊接过程中，按照既定的逻辑时序来进行控制，其特征在于起弧过程中，先启动等离子焊机，间隔2S后，再启动MIG焊接电源，并且开启机器人进给运动；收弧过程中，将等离子焊接电源、MIG焊接电源、机器人同时关闭。
8.根据权利要求6所述的一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***，其特征在于：所述的等离子MIG复合焊接***，机器人***控制主机通过RS485与MIG焊接电源进行通讯，通过主机控制界面完成焊接参数设置及焊接参数在线调整，焊接启动及停止。
9.根据权利要求2所述的一种用于等离子MIG复合焊接的自主移动式机器人***，其特征在于：所述驱动转向一体化磁轮具体结构为：侧倾转轴一端安装在车体固定框架上，另一端转台下支撑板连接，转台上支撑板、转台支撑立柱和转台下支撑板连接，转台盖板与转台上支撑板连接，圆锥滚子轴承安装在两个支撑板上，转向轴（31）支承在圆锥滚子轴承上，转向轴（31）与60齿直齿齿轮连接，角度传感器输入轴与转向轴（31）固接，角度传感器支撑杆与转台上支撑板连接，角度传感器与角度传感器支撑杆连接，转向电机安装板与转台上支撑板连接，转向减速电机（26）与转向电机安装板连接，20齿直齿锥齿轮（30）固接在转向减速电机（26）输出轴上，与之相啮合的40齿直齿锥齿轮（35）连接安装在锥齿轮轴（34）上，锥齿轮轴（34）由安装在转台上支撑板的第一深沟球轴承支承，锥齿轮轴（34）的另一侧与19齿直齿齿轮通过平键联接，19齿直齿齿轮与60齿直齿齿轮啮合，转向轴（31）的下端与转向基板连接，车轮左侧安装板、车轮右侧安装板、驱动电机安装板与转向基板连接，驱动减速电机（26）与驱动电机安装板连接，小同步带（27）轮轴与驱动减速电机（26）的输出轴固接，小同步带（27）轮通过平键联接安装在小同步带（27）轮轴上，前轮模块永磁体（21）和车轮轭铁（37）通过平键联接安装在车轮轴上，车轮轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承支承在车轮左侧安装板和车轮右侧安装板之间，大同步带（27）轮通过平键联接安装在车轮轴的另一侧，大同步带（27）轮和小同步带（27）轮之间由同步带（27）联接，张紧辊轮与张紧辊轮支撑杆之间通过螺钉连接，张紧辊轮支撑杆通过螺钉安装在车轮左侧安装板上，驱动减速电机（26）与车轮轴之间通过同步带（27）传动，转向驱动机构还包括转向轴（31），转向轴（31）下部安装有车轮驱动机构及滚轮，所述转向轴（31）线与车轮轴线垂直正交。
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| CN102689100B (zh) | 2014-07-09 |
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