CN113199175B - 爬行焊接机器人辅助焊接装置、控制方法及其焊接方法 - Google Patents

爬行焊接机器人辅助焊接装置、控制方法及其焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及爬行焊接机器人辅助焊接装置、控制方法及其焊接方法。焊接装置，包括曲臂式升降机构总成控制作业操作间灵活的移动到大型构件任意作业位置表面及周边，作业操作间内设置有爬行焊接机器人、以及整机的电控设备、周边设备；曲臂式升降机构总成由设置在运载工具上的组合组合总控操作台、曲臂升降机构组成；曲臂升降机构采用三节液压折叠式工作臂刚性连接末端作业操作间；曲臂升降机构由组合总控操作台上通过第一枢轴枢接的焊接操作臂、焊接操作臂一端的端部通过第二枢轴枢接的第一曲臂组成；各曲臂由气缸驱动。

Description

爬行焊接机器人辅助焊接装置、控制方法及其焊接方法
技术领域
本发明属于智能焊接机器人技术领域，特别涉及一种用于全位置爬行焊接机器人辅助焊接装置、控制方法及其焊接方法。本发明是专门针对大型构件(如能源化工储罐、船舶、海工平台制造中)大型曲面现场实现快速部署实施作业的特种工程作业装备，***集成具有路径规划、焊缝自动视觉识别、跟踪、控制功能的全位置爬行焊接机器人设备和可越障碍、大范围灵活移动的曲臂式升降装置。
背景技术
船舶海工、石化装备其特征是“重、大、结构复杂”，很多制造环节还是手工作业，有时还必须在现场作业，这其中又以焊接作业最为典型，此类部件是实现制造自动化的瓶颈。以石化典型设备大型球罐、大型圆柱储罐为例，目前完成此类焊接工作主要依赖于两种方式：一是搭架配合手工焊接；二是铺设焊接轨道，采用焊接小车进行焊接。第一种方式焊接工作效率低，焊缝一致性差，焊接质量不高，焊工劳动强度极高，工人高空作业安全性较低并且人工成本很高；第二种方式针对某些特定的焊缝，一定程度上能够比较有效地提高焊接效率和焊接质量，代替焊工，让焊工解放出来，但是也需要事先进行大量地铺设轨道、装吊焊接专机等等一系列焊接辅助性工作，大量的制造时间耗费在焊接辅助工作上，并且焊缝的针对性较强，适用面受限。因此，针对石化装备制造焊接中的上述这些问题，迫切需要一种能够广泛应用于上述大型结构件制造中大多数接缝焊接工作的智能无轨全位置移动焊接机器人，在无需铺设轨道或搭建脚手架，仅需少量人工协助的情况下，能自主导航识别焊缝和路径规划，完成球罐、圆柱储罐外表面中的横、纵接缝的焊接工作。
为提升制造水平、提高生产效率与质量，迫切要求实现大型结构件焊接等作业的自动化。但是，传统的工业机器人或专用自动化装备由于在移动灵活性和柔性(智能)等方面受局限，很难在这种场合应用，故迫切需要新的解决方案。解决这一问题的思路之一是采用比工件更大的自动化***，但这种自动化***的成本很高且适用的产品种类有限，因此，此类大型自动化***竞争力较弱。爬行机器人可在工件表面全位置移动并能适应不同种类的工件，在作业灵活性和柔性等方面具备很大的优势且成本相对较低，因此其在能源石化大型钢结构件的焊接(包括打磨)、喷涂、无损检等作业中具有广阔的应用前景。
另一方面，能源化工设备往往都是重要的基础设施，一般均需要定期检修。以大型发电设备检修为例，这些设施的检修或者需要撘脚手架、或者需要把检修对象拆下来在车间内进行检修，这造成检修周期长。如果能够免除搭、拆脚手架或者拆卸安装检修对象的工序，能在现场完成检修，这可以减小非必须的辅助工序时间(拆卸、安装、调试等)，会产生巨大的济效益。另外，在某些场合下，由于环境的限制(如放射性的场所)，工人进行检修作业存在巨大的安全隐患。而由各式各样的爬壁机器人进行上述检修作业，不仅可以缩短检修周期、提高检修作业效率，也可以提升作业质量和保障作业安全。因此，从上述角度来说，爬行机器人在此类检修作业中应用前景广阔。
综上所述，爬行机器人在能源转化涉及的海洋石油平台、船舶、储罐以及大型发电设备等设施的制造(或建造)以及在役检修维护方面具有很大的市场潜力。目前国际国内市场上少数企业及一些高校研究所在这方面上也已经取得了一定的突破，产品已经从实验室走出来，特别是在能源管道、发电设备特定产品上有一定数量的检测爬行(爬壁)机器人产品在应用，但这些产品在能源储罐、船舶、海工等大型结构件焊接与打磨、喷涂方面的应用才开始起步，而且面临众多挑战。相对于这些行业实际需求来说，现有产品种类和功能还比较单一，应用推广的普及程度也远远不够，主要原因是这些作业场合仍存在诸多现实问题：如爬行机器人自身负载问题(目前负重比行业比较好样机大概能做到1:2，想增加负载意味着自身重量需要增大，这样必然导致爬行机器人本身平台尺寸大而笨重，布置实施不灵活，也会在实际使用场景中受空间限制)；爬行机器人如何与作业区域表面快速过渡及部署问题；爬行机器人作业配套周边设备及材料放置问题(如控制器，焊接用焊接电源、送丝机、焊丝盘&焊丝桶；喷涂用输供漆***；检测用配套仪器仪表等)；爬行机器人越障及跨区域作业问题；设备异常怎么及时处理问题等等。
发明内容
本发明的目的是提供一种是为了克服现有的爬行机器人负载不足、搭载设备空间有限，难以批量产业化应用和实施效率低下等一系列问题，解决了爬行焊接机器人现场快速部署、机器人负载有限、作业范围受限等问题，但爬行焊接机器人安全绳缆布置问题暂未确定，考虑优先设置成与作业操作间连接，其次考虑与施工工件连接，用于全位置爬行焊接机器人辅助焊接装置与焊接方法。针对能源化工储罐、船舶、海工平台制造(建造)中的大型构件焊接制造，提供了一种大型曲面爬行焊接作业机器人现场快速部署实施作业的特种工程作业装置和焊接方法。该装置主要含曲臂式升降机构总成和末端作业操作间两大模块，末端作业操作间集成了具有路径规划、焊缝自动视觉识别、跟踪、控制功能的全位置爬行机器人，以及爬行焊接机器人控制器、焊接电源、送丝机、保护气罐、焊丝桶等。曲臂式升降机构总成可将带爬行焊接机器人的作业操作间(操作间)灵活的移动到大型构件任意作业位置表面及周边，爬行机器人通过作业操作间一侧的活动连接桥爬到开始作业位置后，活动连接桥收回，末端作业操作间可以根据爬行机器人工作运动路线跟随移动或者间隙式移动，整个末端作业操作间在组合总控操作台的操控下，可越障碍和大范围灵活移动，能够结合全位置爬行机器人实现大型构件复杂表面灵活焊接、喷涂、打磨、探伤等作业。末端作业操作间设备与组合总控操作台通过以太网连接，在组合总控操作台能够通过远程视频图像轻松确认操作间要达到的位置和高度，并通过视觉跟踪传感器等技术，对焊接过程中的焊缝轨迹、焊缝容貌和焊后质量进行实时监控和调整参数，以完成焊接等操作所要求的精准运动轨迹，提高爬行机器人焊接效率和焊接质量。本发明通过一体机的液压电气集成***，将搭载全位置爬行机器人及控制器、焊接电源、送丝机、保护混合气罐等辅助设备的作业操作间升降到任意作业位置附近，可实现爬行机器人边作业辅助设备跟随行走的***装置。
本发明的第一技术解决方案是所述用于全位置爬行焊接机器人辅助焊接装置，其特殊之处在于，包括360°回转液压式曲臂式升降机构总成控制作业操作间灵活的移动到大型构件任意作业位置表面及周边，作业操作间内设置的爬行焊接机器人、以及整机的电控设备、周边设备。
作为优选：所述曲臂式升降机构总成由设置在运载工具上的组合总控操作台、曲臂升降机构组成；所述曲臂升降机构采用三节液压折叠式工作臂刚性连接末端作业操作间；所述曲臂升降机构由组合总控操作台上通过第一枢轴枢接的焊接操作臂、焊接操作臂一端的端部通过第二枢轴枢接的第一曲臂组成；所述各曲臂由气缸驱动。
作为优选：所述作业操作间与第二曲臂采用刚性连接，在作业操作间外侧设有由活动连接桥，所述活动连接桥承载承担爬行焊接机器人与工件之间的平稳过渡，所述活动连接桥通过一组铰链和一对液压缸***连接，保证爬行焊接机器人与工件表面过渡所需要的角度、活动连接桥正下方的第二曲臂上安装摄像机、所述作业操作间上设有焊接机器人用周边设备，所述周边设备供电和通讯通过专用电缆从升降机构连接至下面底盘上的中继盒和组合组合总控操作台；所述周边设备包括焊接电源、送丝机&焊丝桶、保护混合气、爬行机器人控制器及线缆卷扬机构。
作为优选：所述爬行焊接机器人由永磁式四轮驱动的移动平台、移动平台上承载的六自由度焊接机械臂、焊接机械臂固设的支承架、支承架通过第三枢轴枢接第二曲臂、第二曲臂的另端通过第四枢轴枢接的第三曲臂、第三曲臂另端通过第五枢轴枢接的第一连接臂、第一连接臂通过第六枢轴枢接的第二连接臂、第二连接臂固设的焊枪、第二连接臂的端部固设的焊缝***、熔池监测相机组成；所述焊接用焊缝***安装在第二连接臂末端轴上，焊缝***中心线与所述第二连接臂末端轴上的焊枪中心线位于空间同一水平面上，相对位移固定不变；焊缝***对焊缝起止点自动寻位，实时将焊缝三维轨迹数据及焊缝宽度数据传输给爬行焊接机器人控制器，爬行机器人控制器对焊接电源构成的焊机***、焊缝***、爬行机器人控制***进行协同控制、作业任务路径规划、焊枪姿态生成、实时纠偏。
作为优选：所述电控设备包括组合总控操作台、爬行机器人***控制器、移动行走曲臂升降平台控制器，所述爬行机器人***控制器通过EtherCat、GigE和CANopen分别与爬行机器人控制器、焊缝***控制器、焊机***控制器实现控制信号传输与运行数据反馈；所述爬行机器人控制器通过EtherCat与爬行机器人小车及各关节伺服实现控制信号传输与运行数据反馈，所述焊缝***控制器通过GigE与焊缝检测视觉传感器实现控制信号传输与运行数据反馈；所述移动行走曲臂升降平台控制器，通过CANopen、RS485串口与移动行走机构控制器、曲臂升降机构控制器、作业操作间控制器互联，实现平台小车移动行走自锁、曲臂旋转、曲臂升降、作业操作间开合、作业操作间跟随爬行机器人间隙运动；所述移动行走机构控制器通过WIFI/5G、CANopen与监控摄像头及作业间开合油缸实现控制信号传输与运行数据反馈；所述曲臂升降机构控制器通过CANopen与曲臂转动及曲臂升降油缸、支腿油缸实现控制信号传输与运行数据反馈；所述移动行走控制器通过CANopen与移动行走机构、驱动机构实现控制信号传输与运行数据反馈。
作为优选：所述爬行焊接机器人、移动行走装置、底盘、曲臂升降机构、作业操作间电连接；所述爬行作业机器人用于同时跟踪熔池和焊后焊道质量检测，所需熔池监测摄像头和焊道检测设备安装在爬行机器人末端机械臂上且与所述爬行机器人控制器电连接，并通过以太网通讯将所采集图像和检测数据传输至底盘上主控操作台显示屏显示拍摄图像和分析数据；跟随运动是通过无线遥控终端或底盘上的组合组合总控操作台，根据爬行机器人行走距离和方向结合作业操作间监控摄像头进行控制。
本发明的第二技术解决方案是所述用于全位置爬行焊接机器人的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
⑴标定示教轨迹，输入焊枪与测量偏差；；
⑵发送焊枪测量偏差给传感器；
⑶打开激光器，发送标定任务号；
⑷执行标定示教轨迹；
⑸发送TCP用户坐标给传感器；
⑹判断是否完成示教轨迹？否，则返回步骤⑷，是，则进入一下步骤；
⑺关闭激光器，标定完成。
本发明的第三技术解决方案是所述用于全位置爬行焊接机器人焊接控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
⑴寻位示教；焊接示教；
⑵输入焊缝类型任务号；
⑶打开激光器，发送标定任务号；
⑷执行标定示教轨迹；
⑸判断是否稳定找到焊缝：否，则返回步骤⑷，是，则进入一下步骤；
⑹关闭激光器，退回到焊缝起点；
⑺打开激光器，执行焊接示教并根据传感器补偿；
⑻判断是否结束：否，则返回步骤⑺；是，则进入一下步骤；
⑼关闭激光器，焊接完成。
本发明的第四技术解决方案是所述用于全位置爬行焊接机器人焊接控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
⑴焊接机器人移动至工件表面路径规划点起始位置，执行扫描轨迹示教；
⑵输入焊缝类型任务号；
⑶打开激光器，执行扫描示教；
⑷发送TCP用户坐标给传感器；
⑸判断是否完成示教轨迹？否，则返回步骤⑷，是，则进入一下步骤；
⑹请求焊接轨迹点；
⑺执行焊接轨迹；
⑻判断焊接轨迹是否结束，否，则返回步骤⑺，是，则进入一下步骤；；
⑼关闭激光器；
⑽焊接完成。
本发明的第五技术解决方案是所述用于全位置全位置爬行焊接机器人的焊接方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
⑴通过组合组合总控操作台和监控显示器及无线遥控终端，快速将作业操作间移动到工件起始作业位置附近，并通过末端监控摄像机和作业间开合油缸的控制活动连接桥到位；
⑵爬行作业机器人按照规划的无碰路径开始爬行作业，线缆卷扬机构自动放线，末端作业操作间根据作业情况需要，跟随爬行焊接机器人运动或者间隙式移动；
⑶焊缝跟踪传感器对焊缝起止点自动寻位，实时将焊缝三维轨迹数据及焊缝宽度数据传输给爬行焊接机器人控制器，爬行机器人控制器对焊接电源构成的焊机***、焊缝***、爬行机器人控制***进行协同控制、作业任务路径规划、焊枪姿态生成、实时纠偏；
⑷爬行机器人***控制器与爬行机器人本体控制器、焊缝***控制器、焊机***控制器分别采取EtherCat、GigE和CANopen实现控制信号传输与运行数据反馈；移动行走曲臂升降平台控制器通过CANopen、RS485串口与移动行走机构控制器、曲臂升降机构控制器、末端作业操作间控制器互联，实现平台小车移动行走自锁、曲臂旋转、曲臂升降、作业操作间开合、作业操作间跟随爬行机器人间隙运动；
⑸此时如***出现异常有声光报警、或者根据任务需要跨越较大障碍物或者移动较大距离作业时***自动中断焊接作业，爬行机器人按设置路径返回末端作业操作间，作业人员操作无线遥控终端将末端作业操作间快速移动到新的作业位置或中断作业位置重新开始作业。
与现有技术相比，本发明的有益效果:
⑴本发明提出的辅助焊接装置与焊接方法，一举解决了现有的爬行机器人负载不足、无法搭载周边设备、作业现场部署实施效率低下等影响产品批量产业化应用的系列难题。爬行机器人可以设计的小巧而专一，从而降低爬行机器人制造成本，现场布置实施快捷而灵活，缩短了爬行机器人至作业区域表面的时间，用较低的成本解决了爬行机器人作业配套周边设备及材料的安全放置问题，以及爬行机器人越障及跨区域作业、设备异常快速处理问题等。实现了爬行机器人及周边设备一体化作业、一体化运输等。
⑵本发明的辅助焊接装置占地空间更小，成本更低，操作方便。采用新型的全液压自行式专用底盘，曲臂升降机构和末端作业操作间采用了机电液一体化、可靠性设计和计算机辅助设计等技术，是一种全液压驱动、自行式专用底盘，突破了以往国内高空作业升降平台车只能采用汽车或起重机底盘改装设计的限制。装置非常适合在储罐、船舶、海工平台建造现场有限空间内快速部署和移动作业，曲臂升降机构可360度旋转，采用折臂式工作臂，可跨越障碍物工作，相比市场上垂直式的升降平台，该装置作业的范围更大且空间不受限制。
⑶本发明的辅助焊接装置与焊接方法具备多功能、多用途，作业稳定性好。通过曲臂升降机构和大臂末端作业操作间，可以快速将爬行机器人举升到工件起始工作位置表面，末端作业操作间内爬行机器人控制器及周边设备同时为扩展作业装置以及各种工作装置的快速切换提供了接口，可实现爬行机器人的焊接、喷涂、打磨、检测等多种作业功能。作业操作间可根据爬行机器人移动轨迹做跟随运动，同时承载了大量的周边设备，减轻了爬行机器人工作负载，大大提高了爬行机器人作业效率和降低了***成本。底盘结构突破了传统的设计理论和方法，通过优化上车平台总体布局与载荷分布，减少了重心偏移。采用独特的大角度后仰式铰点结构，合理设置多种配重模块，有效地平衡了工作力矩。采用H型变截面复合箱梁刚性车架和高负荷实心橡胶轮胎，增加了底盘整体刚度，保证了整机行驶、作业过程的稳定性。
⑷该装置***作业高度最高可达18米，末端作业操作间额定载荷设计200～400kg，曲臂可绕底盘360度回转，各工作臂、作业操作间两处均可操调整所需位置及姿态。本发明作业结构简单，操作方便，安全可靠，是安全性和工作效率最优化的爬行作业辅助设备。随车装配四个液压支腿，支腿型式为H型，以保证整车在操作时的稳定性和安全性。
⑸整个装置标准配置柴油机动力，总线智能控制，比例控制，应急泵，喇叭，工作计时表，倾斜报警，曲臂360度非连续旋转，自动调平平台，电路故障代码显示，平台液压摆动，发动机重启保护，发动机电热塞预热装置，旋转频闪灯，4*2驱动，平台称重限制功能、平台工作灯，脚踏开关。可选配置包括：直流、交流、交直流、柴电两用、驾驶室等。
⑹本发明作业结构简单，操作方便，安全可靠，是安全性和工作效率最优化的爬行作业辅助设备。本发明的***结构紧凑，转向灵活，其底盘的宽度可保证设备进入狭窄的通道及拥挤的工作区域，能够结合全位置爬行机器人实现大型构件复杂表面灵活焊接、喷涂、打磨、探伤等作业。
附图说明
图1是本发明用于全位置爬行焊接机器人辅助焊接装置的结构示意图；
图2是本发明爬行焊接机器人的结构示意图；
图3是本发明***的协同控制原理框图；
图4是本发明***中焊接机器人标定的控制流程图；
图5是本发明第一实施例的全位置爬行焊接机器人焊接控制流程图；
图6是本发明第二实施例的全位置爬行焊接机器人焊接控制流程图；
图7是本发明焊缝跟踪传感器与爬行焊接机器人的控制通讯流程图。
主要组件符号说明：
曲臂升降机构1 组合总控操作台11 曲臂升降机构12 焊接操作臂121
第一枢轴1211 第一曲臂122 第二枢轴1221 监控显示器13
无线遥控终端14 作业操作间2 活动连接桥21 液压缸22
摄像机23 周边设备24 焊接电源241 送丝机&焊丝桶242
保护混合气243 机器人控制器244 线缆卷扬机构245 焊接机器人3
移动平台31 焊接机械臂32 支承架33 第三枢轴341
第四枢轴342 第五枢轴343 第二曲臂351 第三曲臂352
第一连接臂36 焊枪37 焊缝***38 第二连接臂39
电控设备4 ***控制器41 升降平台控制器42 焊缝跟踪控制器43
焊机***控制器44 焊缝视觉传感器45 行走机构控制器46 升降机构控制器47
操作间控制器48 移动行走机构5 液压支腿51 回转底盘6
具体实施方式
本发明下面将结合附图作进一步详述：
请参阅图1、图2所示，用于全位置爬行焊接机器人辅助焊接装置，包括360°回转液压式曲臂升降机构总成1、由曲臂式升降机构总成1控制移动的作业操作间2、作业操作间2内设爬行焊接机器人3、以及整机的电控设备4组成。
请参阅图1所示，所述曲臂式升降机构总成1由设置在运载工具上的组合总控操作台11、曲臂升降机构12组成；所述曲臂升降机构采用三节液压折叠式工作臂，末端作业操作间与三节臂刚性连接；所述曲臂升降机构12由组合总控操作台11上通过第一枢轴1211枢接的焊接操作臂121、焊接操作臂121一端的端部通过第二枢轴1221枢接的第一曲臂122组成；所述各曲臂由气缸驱动，将带爬行焊接机器人3的作业操作间2灵活的移动到大型构件任意作业位置表面及周边。
请参阅图2所示，所述爬行焊接机器人3由移动平台31、移动平台31上承载的永磁式四轮驱动的六自由度焊接机械臂32、焊接机械臂32固设的支承架33、支承架33通过第三枢轴341枢接第二曲臂351、第二曲臂351的另端通过第四枢轴342枢接的第三曲臂352、第三曲臂352另端通过第五枢轴343枢接的第一连接臂36、第一连接臂36通过第六枢轴(图中未示)枢接的第二连接臂39、第二连接臂39固设的焊枪37、第二连接臂39的端部固设的焊缝***38、熔池监测相机(图中未示)组成；所述焊接用焊缝***38安装在第二连接臂39末端轴上，焊缝***38中心线与所述第二连接臂39末端轴上的焊枪37中心线位于空间同一水平面上，相对位移固定不变；焊缝***38对焊缝起止点自动寻位，实时将焊缝三维轨迹数据及焊缝宽度数据传输给爬行焊接机器人控制器244，爬行机器人控制器244对焊接电源241构成的焊机***、焊缝***38、爬行机器人控制***进行协同控制、作业任务路径规划、焊枪姿态生成、实时纠偏。
所述作业操作间2与第二曲臂123采用刚性连接，在作业操作间2外侧设有由活动连接桥21，所述活动连接桥21承载承担爬行焊接机器人3与工件之间的平稳过渡，所述活动连接桥21通过一组铰链和一对液压缸22***连接，保证爬行焊接机器人3与工件表面过渡所需要的角度，活动连接桥21正下方的第二曲臂123上安装摄像机23、所述作业操作间2上设有焊接机器人用周边设备24，所述周边设备24包括焊接电源241、送丝机&焊丝桶242、保护混合气243、爬行机器人控制器244及线缆卷扬机构245，所述周边设备24供电和通讯通过专用电缆从升降机构连接至下面底盘上的中继盒和组合总控操作台11。所述作业操作间2集成了具有路径规划、焊缝自动视觉识别、跟踪、控制功能的全位置爬行机器人3，以及爬行焊接机器人的周边设备24。曲臂式升降机构总成1可将带爬行焊接机器人3的作业操作间2灵活的移动到大型构件任意作业位置表面及周边，爬行机器人3通过作业操作间2一侧的活动连接桥21爬到开始作业位置后，活动连接桥21收回，所述作业操作间2可根据爬行机器人3工作运动路线跟随移动或者间隙式移动，整个所述作业操作间2在组合总控操作台11的操控下，可越障碍和大范围灵活移动，能够结合全位置爬行机器人3实现大型构件复杂表面灵活焊接、喷涂、打磨、探伤等作业。所述作业操作间2设备与组合总控操作台11通过以太网连接，在组合总控操作台11能够通过远程视频图像轻松确认操作间2要达到的位置和高度，并通过视觉跟踪传感器等技术，对焊接过程中的焊缝轨迹、焊缝容貌和焊后质量进行实时监控和调整参数，以完成焊接等操作所要求的精准运动轨迹，提高爬行机器人3焊接效率和焊接质量。
用于全位置爬行焊接机器人辅助焊接装置，其包括可移动操作的移动平台、360°回转液压式曲臂升降机构1、组合总控操作台11、末端作业操作间2、全位置爬行焊接机器人3、爬行机器人控制器244、焊接电源241及送丝机242、焊丝桶242和保护混合气243、遥控操作盒等部件组成。
爬行机器人辅助装置的焊接方法：
适用于能源化工储罐、船舶、海工平台制造中的大型构件曲面爬行焊接作业现场快速部署实施的特种工程作业装置和焊接方法，包括移动行走机构5和回转底盘6，该行走装置5包括行走机构以及驱动该行走机构行走的驱动机构，该行走装置和底盘利用江铃、东方小霸王汽车底盘，还包括液压曲臂升降机构1和末端作业工作间2，液压曲臂升降机构1采用折叠式工作臂122、123、124(二节臂、三节臂)，末端作业工作间2采用半开放式，在一侧设计有可开合活动连接桥21，活动连接桥21通过铰链和一对液压缸22保证爬行作业机器人3与大型曲面过渡爬行所需要的角度。用于为全位置爬行焊接机器人3作业的周边设备如焊接电源241及送丝机、焊丝桶242、保护混合气243及爬行机器人控制器244、线缆卷扬机构245等固定在末端作业工作间2内，所述周边设备24供电和通讯通过专用电缆连接至下面底盘6和底盘上的组合总控操作台11。
用于控制所述的行走装置5、曲臂升降机构12和组合总控操作台11设置在汽车底盘上，底盘上安装有柴油机动力***和可外接交流电的电源***，底盘上设置有电源转化和稳压装置，可为组合总控操作台11提供所需交流、直流电源，组合总控操作台11与曲臂升降机构12末端的作业操作间2有380V和220V两路供电电缆和一路以太网通讯电缆。
请参阅图7所示，所述电控设备4包括组合总控操作台11、爬行机器人***控制器41、移动行走曲臂升降平台控制器42，所述爬行机器人***控制器41通过EtherCat、GigE和CANopen分别与爬行机器人控制器244、焊缝***控制器43、焊机***控制器44实现控制信号传输与运行数据反馈；所述爬行机器人控制器244通过EtherCat与爬行机器人小车32及各关节伺服实现控制信号传输与运行数据反馈，所述焊缝***控制器43通过GigE与焊缝检测视觉传感器45实现控制信号传输与运行数据反馈；所述移动行走曲臂升降平台控制器42，通过CANopen、RS485串口与移动行走控制器46、曲臂升降机构控制器47、作业操作间控制器48互联，实现平台小车移动行走自锁、曲臂旋转、曲臂升降、作业操作间开合、作业操作间2跟随爬行机器人3间隙运动；所述移动行走控制器46通过WIFI/5G、CANopen与监控摄像机23及作业间开合油缸22实现控制信号传输与运行数据反馈；所述曲臂升降机构控制器47通过CANopen与曲臂转动及曲臂升降油缸、支腿油缸实现控制信号传输与运行数据反馈；所述移动行走控制器46通过CANopen与移动行走机构5、驱动机构实现控制信号传输与运行数据反馈。
所述爬行机器人控制器244将爬行机器人***、焊机***(含焊接电源及送丝机、焊丝桶、保护混合气)、焊缝***等进行协同集成控制，采用RT-Linux作为智能协同控制的实时操作***平台。基于各子***的硬件特性，下面分别采取EtherCat、GigE和CANopen等分别实现上位机与爬行机器人3、焊缝***126和焊机的控制信号传输与运行数据反馈，无线WIFI技术用于对现场作业情况的远程视频监控。所述连接爬行焊接机器人3的电缆、气管通过作业操作间2上的线缆卷扬机构245进行收放，所述遥控操作盒与底盘上组合总控操作台11电连接，组合总控操作台11设置有常用集中操作按钮和人机交互界面及监控界面，取代到爬行机器人控制器244上直接操作。异常故障需要停机检测维修或者需要更换焊丝桶242、焊枪时爬行机器人3停止作业，按规划路径返回组合总控操作台11自动清枪或归位，曲臂升降平台收回，人工登上作业操作间进行检修和更换材料及部件。
该爬行作业机器人3还可用于同时跟踪熔池和焊后焊道质量检测，所需熔池监测摄像头和焊道检测设备安装在爬行机器人末端机械臂上且与所述爬行机器人控制器244电连接，并通过以太网通讯将所采集图像和检测数据传输至底盘6上组合总控操作台11显示屏显示拍摄图像和分析数据。
所述曲臂升降机构12的末端作业操作间2还安装有摄像机23，用于组合总控操作台11作业人员观察作业操作间2与工件表面距离以及工件接触表面形貌，便于组合总控操作台11作业人员对活动连接桥21进行角度调节和观察爬行机器人3至工件表面往返过渡过程。
所述曲臂升降机构1的液压***装有不让主臂油缸油管爆裂的阀，液压支腿51装有不让液压支腿51油缸回缩的液压锁紧装置。且液压***装有平台过载自动保护装置，从而保护大臂末端作业操作间内周边设备正常工作或特殊情况下作业人员的安全，曲臂升降机构1各节工作臂122、123、124均装有限位装置。
该装置***作业高度最高可达18米，末端作业操作间2额定载荷设计200～400kg，曲臂可绕底盘360度回转，各工作臂、作业操作间2两处均可操作调整所需位置及姿态。随车装配四个液压支腿51，支腿型式为H型，以保证整车在操作时的稳定性和安全性。
整个装置标准配置柴油机动力，总线智能控制，比例控制，应急泵，喇叭，工作计时表，倾斜报警，曲臂360度非连续旋转，自动调平平台，电路故障代码显示，平台液压摆动，发动机重启保护，发动机电热塞预热装置，旋转频闪灯，4*2驱动，平台称重限制功能、平台工作灯，脚踏开关。可选配置包括：直流、交流、交直流、柴电两用、驾驶室等。
请参阅图4所示，用于全位置爬行焊接机器人标定的控制方法，包括以下步骤：
⑴标定示教轨迹，输入焊枪与测量；
⑵发送焊枪与测量偏差给传感器；
⑶打开激光器，发送标定任务号；
⑷执行标定示教轨迹；
⑸发送TCP用户坐标给传感器；
⑹判断是否完成示教轨迹？否，则返回步骤⑷，是，则进入一下步骤；
⑺关闭激光器，标定完成。
请参阅图5所示，用于全位置爬行焊接机器人焊接控制方法，包括以下步骤：
⑴寻位示教；焊接示教；
⑵输入焊缝类型任务号；
⑶打开激光器，发送标定任务号；
⑷执行标定示教轨迹；
⑸判断是否稳定找到焊缝：否，则返回步骤⑷，是，则进入一下步骤；
⑹关闭激光器，退回到焊缝起点；
⑺打开激光器，执行焊接示教并根据传感器补偿；
⑻判断是否结束：否，则返回步骤⑺；是，则进入一下步骤；
⑼关闭激光器，焊接完成。
请参阅图6所示，用于全位置爬行焊接机器人标定的控制方法，包括以下步骤：
⑴扫描轨迹示教；
⑵输入焊缝类型任务号；
⑶打开激光器，执行扫描示教；
⑷发送TCP用户坐标给传感器；
⑸判断是否完成示教轨迹？否，则返回步骤⑷，是，则进入一下步骤；
⑹关闭激光器；
⑺请求焊接轨迹点；
⑻执行焊接轨迹；
⑼判断焊接轨迹是否结束，否，则返回步骤⑺，是，则进入一下步骤；
⑽焊接完成。
请参阅图3至图7所示，用于全位置爬行焊接机器人标定的焊接方法，包括以下步骤：
⑴通过组合总控操作台11和监控显示器13及无线遥控终端14，快速将作业操作间2移动到工件起始作业位置附近，并通过末端监控摄像机23和作业间2开合油缸的控制活动连接桥21到位；
⑵爬行作业机器人3按照规划的无碰路径开始爬行作业，线缆卷扬机构245构自动放线，末端作业操作间2根据作业情况需要，跟随爬行焊接机器人3运动或者间隙式移动；
⑶传感器对焊缝起止点自动寻位，实时将焊缝三维轨迹数据及焊缝宽度数据传输给爬行焊接机器人控制器244，爬行机器人控制器244对焊接电源构成的焊机***、焊缝***126、爬行机器人控制器244进行协同控制、作业任务路径规划、焊枪姿态生成、实时纠偏；
⑷爬行机器人***控制器与爬行机器人本体控制器244、焊缝***控制器43、焊机***控制器44分别采取EtherCat、GigE和CANopen实现控制信号传输与运行数据反馈；移动行走曲臂升降平台控制器42通过CANopen、RS485串口与移动行走机构控制器46、曲臂升降机构控制器47、末端作业操作间控制器48互联，实现平台小车移动行走自锁、曲臂旋转、曲臂升降、作业操作间2开合、作业操作间2跟随爬行机器人间隙运动；
⑸此时如***出现异常有声光报警、或者根据任务需要跨越较大障碍物或者移动较大距离作业时***自动中断焊接作业，爬行机器人3按设置路径返回末端作业操作间，作业人员操作无线遥控终端将末端作业操作间2快速移动到新的作业位置或中断作业位置重新开始作业。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种用于全位置爬行焊接机器人辅助焊接装置，包括360°回转液压式曲臂升降机构总成控制作业操作间灵活移动到大型构件任意作业位置表面及周边，
作业操作间内设置的爬行焊接机器人、以及整机的电控设备、周边设备；
其特征在于，
所述电控设备包括组合总控操作台、爬行机器人***控制器、移动行走曲臂升降平台控制器，
所述爬行机器人***控制器通过EtherCat、GigE和CANopen分别与爬行机器人控制器、焊缝***控制器、焊机***控制器实现控制信号传输与运行数据反馈；
所述爬行机器人控制器通过EtherCat与爬行机器人小车及各关节伺服实现控制信号传输与运行数据反馈，所述焊缝***控制器通过GigE与焊缝检测视觉传感器实现控制信号传输与运行数据反馈；
所述移动行走曲臂升降平台控制器，通过CANopen、RS485串口与移动行走机构控制器、曲臂升降机构控制器、作业操作间控制器互联，实现平台小车移动行走自锁、曲臂旋转、曲臂升降、作业操作间开合、作业操作间跟随爬行机器人间隙运动；
所述移动行走机构控制器通过WIFI/5G、CANopen与监控摄像头及作业间开合油缸实现控制信号传输与运行数据反馈；
所述曲臂升降机构控制器通过CANopen与曲臂转动及曲臂升降油缸、支腿油缸实现控制信号传输与运行数据反馈；
所述移动行走机构控制器通过CANopen与移动行走机构、驱动机构实现控制信号传输与运行数据反馈。
2.根据权利要求1所述用于全位置爬行焊接机器人辅助焊接装置，其特征在于，所述360°回转液压式曲臂升降机构总成由设置在运载工具上的组合总控操作台、曲臂升降机构组成；所述曲臂升降机构采用三节液压折叠式工作臂刚性连接末端作业操作间；所述曲臂升降机构由组合总控操作台上通过第一枢轴枢接的焊接操作臂、焊接操作臂一端的端部通过第二枢轴枢接的第一曲臂组成；所述焊接操作臂与所述第一曲臂由气缸驱动。
3.根据权利要求1所述用于全位置爬行焊接机器人辅助焊接装置，其特征在于，所述作业操作间与第二曲臂采用刚性连接，在作业操作间外侧设有活动连接桥，所述活动连接桥承载承担爬行焊接机器人与工件之间的平稳过渡，所述活动连接桥通过一组铰链和一对液压缸***连接，保证爬行焊接机器人与工件表面过渡所需要的角度，活动连接桥正下方的第二曲臂上安装摄像机、所述作业操作间上设有焊接机器人用周边设备，所述周边设备包括焊接电源、送丝机&焊丝桶、保护混合气、爬行机器人控制器及线缆卷扬机构，所述周边设备供电和通讯通过专用电缆从升降机构连接至下面底盘上的中继盒和组合总控操作台。
4.根据权利要求3所述用于全位置爬行焊接机器人辅助焊接装置，其特征在于，所述爬行焊接机器人由永磁式四轮驱动的移动平台、移动平台上承载的六自由度焊接机械臂、焊接机械臂固设的支承架、支承架通过第三枢轴枢接第二曲臂、第二曲臂的另端通过第四枢轴枢接的第三曲臂、第三曲臂另端通过第五枢轴枢接的第一连接臂、第一连接臂通过第六枢轴枢接的第二连接臂、第二连接臂固设的焊枪、第二连接臂的端部固设的焊缝***、熔池监测相机组成；所述焊接用焊缝***安装在第二连接臂末端轴上，焊缝***中心线与所述第二连接臂末端轴上的焊枪中心线位于空间同一水平面上，相对位移固定不变；焊缝***对焊缝起止点自动寻位，实时将焊缝三维轨迹数据及焊缝宽度数据传输给爬行焊接机器人控制器，爬行机器人控制器对焊接电源构成的焊机***、焊缝***、爬行机器人***进行协同控制、作业任务路径规划、焊枪姿态生成、实时纠偏。
5.根据权利要求1所述用于全位置爬行焊接机器人辅助焊接装置，其特征在于，所述爬行焊接机器人、移动行走装置、底盘、曲臂升降机构、作业操作间电连接；所述爬行焊接机器人用于同时跟踪熔池和焊后焊道质量检测，所需熔池监测摄像头和焊道检测设备安装在爬行机器人末端机械臂上且与所述爬行机器人控制器电连接，并通过以太网通讯将所采集图像和检测数据传输至底盘上主控操作台显示屏显示拍摄图像和分析数据；跟随运动是通过无线遥控终端或底盘上的组合总控操作台，根据爬行机器人行走距离和方向结合作业操作间监控摄像头进行控制。
6.一种用于全位置爬行焊接机器人的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
⑴通过组合总控操作台和监控显示器及无线遥控终端，快速将作业操作间移动到工件起始作业位置附近，并通过末端监控摄像机和作业间开合油缸的控制活动连接桥到位；
⑵爬行作业机器人按照规划的无碰路径开始爬行作业，线缆卷扬机构自动放线，末端作业操作间根据作业情况需要，跟随爬行焊接机器人运动或者间隙式移动；
⑶焊缝跟踪传感器对焊缝起止点自动寻位，实时将焊缝三维轨迹数据及焊缝宽度数据传输给爬行焊接机器人控制器，爬行机器人控制器对焊接电源构成的焊机***、焊缝***、爬行机器人***进行协同控制、作业任务路径规划、焊枪姿态生成、实时纠偏；
⑷爬行机器人***控制器与爬行机器人本体控制器、焊缝***控制器、焊机***控制器分别采取EtherCat、GigE和CANopen实现控制信号传输与运行数据反馈；移动行走曲臂升降平台控制器通过CANopen、RS485串口与移动行走机构控制器、曲臂升降机构控制器、末端作业操作间控制器互联，实现平台小车移动行走自锁、曲臂旋转、曲臂升降、作业操作间开合、作业操作间跟随爬行机器人间隙运动；
⑸此时如爬行机器人***或焊机***出现异常有声光报警、或者根据任务需要跨越较大障碍物或者移动较大距离作业时爬行机器人***或焊机***自动中断焊接作业，爬行机器人按设置路径返回末端作业操作间，作业人员操作无线遥控终端将末端作业操作间快速移动到新的作业位置或中断作业位置重新开始作业。
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