CN203679499U - 水下焊接机器人多功能焊接*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种水下焊接机器人多功能焊接***，该***包括弧焊机器人接口、数字化弧焊逆变电源、潜水送丝机、机器人专用焊炬、微型排水罩、压缩气体装置和保护气体装置；弧焊机器人接口、数字化弧焊逆变电源、潜水送丝机和机器人专用焊炬依次连接；一端与机器人相连的弧焊机器人接口与潜水送丝机相互连接，并分别与压缩气体装置和保护气体装置连接；机器人专用焊炬安装于机器人上，并与微型排水罩连接，其一端与电弧负载一相连；压缩气体装置与微型排水罩连接，保护气体装置与潜水送丝机连接。本实用新型的焊接***在焊接过程能够自动适应水下焊接电弧的特性，建立稳定的焊接电源-水下电弧***，实现高质量的水下机器人焊接。

Description

水下焊接机器人多功能焊接***

技术领域

本实用新型涉及焊接工艺及设备技术，更具体地说，涉及一种水下焊接机器人多功能焊接***。

背景技术

随着国民经济的高速发展、能源战略的迫切需求，海洋工程不断地向深海推进。水下焊接作为海洋工程领域的重要技术，正受到越来越多的关注。从海上油气平台的安装建造到海底管线的铺设维修，从海上打捞营救工作到大型船舰的应急修理，随处可见水下焊接的身影。水下焊接机器人的研究，推动了水下焊接行业的发展，相比较于以前的人工水下焊接，水下焊接机器人的焊接效率更高，焊接工程质量更可靠，焊接成本更低廉，是海底工程发展的基础。

由于水下环境的复杂性和不确定性，目前还没有焊接机器人从事完全的水下焊接活动。影响水下焊缝质量的因素很多，但焊接时电弧是否稳定燃烧是基本要求。与通常的焊接电弧相比，水环境下的电弧由于水压力及其他因素的影响，其燃烧的稳定性很差。从机理上分析，要使水下电弧燃烧稳定，就必须有相应的电源与之匹配，能够建立稳定的电源-电弧***。从国内外相关应用及研究报道来看，水下焊接通常直接使用陆上通用型焊接***，或者在通用型焊接***的基础上进行结构微调。也就是说，水下焊接工艺的调整只能依赖于现有通用焊接***的性能，即只能是工艺去适应电源，还无法做到电源去适应水下焊接工艺。因此，现有的电源-电弧***很难针对水下电弧的特殊性对工艺做出最有效的调控，用陆上焊接电源进行水下焊接，要电弧燃烧稳定并获得良好的焊接效果是非常困难的。逆变焊机具有节能、省材、动态性能好等诸多优点，非常有利于实现精密化控制，将它与先进的数字控制技术相结合，能够从根本上提高焊接***的性能指标，控制更灵活，扩展性好。在硬件资源得到合理配置的情况下，只需根据不同应用需求，更换相应的控制策略或者修改相应的控制软件就可获得预期效果。这为研发适应于水下焊接电弧特性的专用焊接***奠定了基础。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种水下焊接机器人多功能焊接***，在焊接过程能够自动适应水下焊接电弧的特性，建立稳定的焊接电源-水下电弧***，实现高质量的水下机器人焊接。

为了达到上述目的，本实用新型通过下述技术方案予以实现：一种水下焊接机器人多功能焊接***，其特征在于：包括弧焊机器人接口、数字化弧焊逆变电源、潜水送丝机、机器人专用焊炬、微型排水罩、压缩气体装置和保护气体装置；所述弧焊机器人接口、数字化弧焊逆变电源、潜水送丝机和机器人专用焊炬依次连接；所述弧焊机器人接口还分别与机器人、潜水送丝机、压缩气体装置和保护气体装置连接；所述机器人专用焊炬安装于机器人上，并还与微型排水罩、电弧负载一相连；所述压缩气体装置与微型排水罩连接，保护气体装置与潜水送丝机连接。

在上述方案中，本实用新型焊接***的机器人专用焊炬安装在焊接机器人的本体上；而弧焊机器人接口通过CAN总线直接与机器人相连；机器人专用焊炬为焊接机器人的通用型焊炬，微型排水罩直接安装于机器人专用焊炬的端部；压缩气体装置采用空气压缩机***，直接与微型排水罩相连，为微型排水罩提供压缩空气，将焊接电弧区的水排出；机器人专用焊炬直接与潜水送丝机相连，焊丝经过机器人专用焊炬送给到焊接区域；保护气体装置为富氩或者纯氩气体供给装置，直接与潜水送丝机相连，并经机器人专用焊炬送入焊接电弧区域，实现可靠保护。

所述数字化弧焊逆变电源包括主电路一和与主电路一相互连接的控制电路一；所述主电路一由整流滤波电路、逆变桥、中频变压器和快速整流滤波电路依次连接组成；所述整流滤波电路与三相交流输入电源电连接，快速整流滤波电路与电弧负载二连接。

所述主电路一的逆变桥采用工作于硬开关换流模式，或者采用工作于软开关模式的全桥高频逆变拓扑结构。

所述控制电路一包括与三相交流输入电源电连接并用于给控制电路一提供电能的供电模块、最小***以及分别与最小***连接的动作检测模块、过热检测模块、过压欠压检测模块、高频驱动模块、峰值电流检测模块、电流反馈电路、数字面板、CAN接口电路和继电器模块；其中，所述过压欠压检测模块与三相交流输入电源电连接。

所述高频驱动模块与主电路一的逆变桥连接，峰值电流检测模块与主电路一的中频变压器连接，电流反馈电路与主电路一的快速整流滤波电路连接；所述控制电路一的最小***设置有逐脉冲限流保护和直接关断保护两种保护模式。

所述弧焊机器人接口包括用于提供电能的供电模块、ARM控制器以及分别与ARM控制器连接的反馈模块、继电器模块、通讯扩展模块、设置有数字控制器的信息交互模块和模拟输出模块；其中，所述通讯扩展模块通过CAN总线与控制电路一的CAN接口电路连接；所述弧焊机器人接口分别与压缩气体装置和保护气体装置连接是指：所述继电器模块分别与压缩气体装置和保护气体装置连接，用于控制压缩气体装置和保护气体装置的启动和关停；所述反馈模块分别与压缩气体装置和保护气体装置连接，用于采集压缩气体装置和保护气体装置的信息。本实用新型弧焊机器人接口中的信息交互模块采用了“STM32F407ZGT6+RA8875+TFT-LCD+旋转编码器+按键”的复合型可视化***结构。

所述潜水送丝机设置有密封罩，并由送丝驱动电路、送丝电机、压紧轮和焊丝盘连接组成；所述送丝驱动电路、送丝电机、压紧轮和焊丝盘均安装在密封罩内；所述机器人专用焊炬的一端固定在潜水送丝机的密封罩上；所述保护气体装置与潜水送丝机的密封罩相连。本实用新型的潜水送丝机具备匀速送丝、变速送丝以及脉冲送丝等三种送丝模式。

所述送丝驱动电路包括主电路二和与主电路二连接的控制电路二；所述控制电路二由MCU控制器和***电路连接构成；所述主电路二包括依次连接的整流滤波电路、BUCK稳压电路、换相电路和斩波电路；所述斩波电路一端与送丝电机连接，送丝电机通过与MCU控制器的ADC端口连接，将电压反馈到控制电路二；所述MCU控制器的PWM端口通过IR2110驱动器一与主电路二的斩波电路连接，以实现对电机的调速；所述MCU控制器的TIMER端口通过IR2110驱动器二与主电路二的换相电路连接，以实现电机正反转控制；所述MCU控制器的CAN端口通过CAN总线分别与弧焊机器人接口的通讯扩展模块和数字化弧焊逆变电源的CAN接口电路连接。

所述弧焊机器人接口中的ARM微控制器和信息交互模块的数字控制器、数字化弧焊逆变电源控制电路中的最小***和数字面板以及潜水送丝机的MCU控制器均由型号为STM32F405RGT6的微处理器、电源电路、复位电路、晶振电路、JTAG接口、miniUSB芯片以及***电路连接构成。本实用新型的微处理器均采用ST公司主频高达168MHz的Cortex-M4内核STM32F405RGT6最小***。

为了更好地实现本实用新型，所述微型排水罩为收敛形收缩喷管结构。本实用新型的微型排水罩采用型号为304不锈钢材质的收敛形局部排水罩，该排水罩能够满足全位置局部干法焊接工艺对焊接区域排水的需求。

本实用新型为水下焊接机器人多功能焊接***，弧焊机器人接口接收机器人发送的参数以及工作指令。焊接时，弧焊机器人接口首先开通压缩气体装置，为微型排水罩通入压缩空气，将机器人专用焊炬前端焊丝干伸长区域的水排走；然后启动保护气体装置，送入潜水送丝机，同时为数字化弧焊逆变电源和潜水送丝机供电，弧焊机器人接口通过CAN总线将预设的焊接电流、电压等参数发送给数字化弧焊逆变电源，将送丝速度参数和送丝模式指令发送给潜水送丝机。当弧焊机器人发送焊接命令时，保护气体经潜水送丝机和机器人专用焊炬送入到焊丝前端区域，数字化弧焊逆变电源的空载电压也施加到焊丝上，采用高空载慢送丝方式引燃电弧；引弧成功后进入正常焊接阶段。弧焊机器人接口接收到机器人发送的焊接结束指令之后，通过总线控制弧焊电源进入收弧控制阶段，电流逐步衰减至熄弧，保护气体装置会滞后送气，保护焊缝区域；焊接结束之后根据机器人发送的指令关闭水下焊接***。在整个焊接过程，弧焊机器人接口接收机器人发送的***启动、电压调整、电流调整、送气、送丝、引弧、关闭***等指令，并分别控制压缩气体装置和保护气体装置的动作，经过总线通信将指令发送给数字化弧焊逆变电源和潜水送丝机；另一方面，还要实时接收数字化弧焊逆变电源发送的过压欠压、过热等故障信息以及引弧成功的状态信息，还要实时接收潜水送丝机发送的无焊丝、气压不足等故障信息，同时还要实现粘丝、灭弧、触导电嘴等故障的检测。此外，弧焊机器人接口还需要将相应的故障信息发送给机器人，还需要在本地显示各种故障和***的实际状态信息。潜水送丝机接收弧焊机器人接口发送的送丝指令对送丝速度进行实时闭环控制，并会实时检测焊丝盘缺丝（无焊丝）、气压不足等故障，并将该信息通过CAN总线传递给弧焊机器人接口。数字化弧焊逆变电源通过CAN总线接收弧焊机器人接口发送的启动、关停、电压调整、电流调整等控制信号，同时也实时检测过压、欠压、过热等故障信息，并将该信息通过CAN总线传递给弧焊机器人接口。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点与有益效果：

1、本实用新型的水下焊接机器人多功能焊接***实现了机器人水下焊接***的全数字控制，该***结构更为灵活，操作直观，维修便利，具有更好的可扩展性和可移植性。

2、本实用新型的水下焊接机器人多功能焊接***采用全数字弧焊机器人接口，不仅实现了各种状态参数调节的数字处理，而且实现了故障的数字诊断、处理和实时显示。

3、本实用新型的水下焊接机器人多功能焊接***采用了收敛型的微型排水罩，可直接安装于焊炬端部，对水下焊接现场环境的适应性好，能实现优质的水下局部干法焊接。

4、本实用新型的水下焊接机器人多功能焊接***设计了水下专用的数字化弧焊逆变电源，拥有独特的电源-水下电弧***数字调节能力，能够建立稳定的水下焊接电弧，得到优质的焊接质量。

5、本实用新型的水下焊接机器人多功能焊接***采用了带闭环反馈的全数字潜水送丝机，不仅能够实现稳定的等速送丝、变速送丝，而且能够根据水下焊接电弧特点，实现脉动送丝。

附图说明

图1是本实用新型水下焊接机器人多功能焊接***的组成结构框图；

图2是本实用新型水下焊接机器人多功能焊接***的数字化弧焊逆变电源结构框图；

图3是本实用新型水下焊接机器人多功能焊接***的数字化弧焊逆变电源主电路原理图；

图4（a）是本实用新型水下焊接机器人多功能焊接***的弧焊机器人接口信息流示意图；

图4（b）是本实用新型水下焊接机器人多功能焊接***的弧焊机器人接口原理示意图；

图4（c）是本实用新型水下焊接机器人多功能焊接***的弧焊机器人接口中信息交互模块内部的结构框图；

图5是本实用新型水下焊接机器人多功能焊接***的弧焊机器人接口的ARM微控制器原理图；

图6是本实用新型水下焊接机器人多功能焊接***的潜水送丝机***框图；

图7是本实用新型水下焊接机器人多功能焊接***的微型排水罩结构图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细的描述。

实施例

如图1所示，本实用新型的水下焊接机器人多功能焊接***包括弧焊机器人接口100、数字化弧焊逆变电源200、潜水送丝机300、机器人专用焊炬400、微型排水罩500、压缩气体装置600和保护气体装置700；其中，弧焊机器人接口100、数字化弧焊逆变电源200、潜水送丝机300和机器人专用焊炬400依次连接。一端通过CAN总线与机器人相连的弧焊机器人接口100与潜水送丝机300相互连接，并分别与压缩气体装置600和保护气体装置700连接；机器人专用焊炬400安装于机器人上，并与微型排水罩500连接，其一端与电弧负载一相连；压缩气体装置600与微型排水罩500连接，保护气体装置700与潜水送丝机300连接。

如图2所示，本实用新型水下焊接机器人多功能焊接***的数字化弧焊逆变电源包括主电路一2100和与主电路一2100相互连接的控制电路一2200；其中，主电路一2100由整流滤波电路2101、逆变桥2102、中频变压器2103和快速整流滤波电路2106依次连接组成；整流滤波电路2101与三相交流输入电源电连接，快速整流滤波电路2104与电弧负载二2106连接。控制电路一2200包括与三相交流输入电源电连接并用于给控制电路一提供电能的供电模块2201、最小***2205以及分别与最小***2205连接的动作检测模块2202、过热检测模块2203、过压欠压检测模块2204、高频驱动模块2206、峰值电流检测模块2207、电流反馈电路2208、数字面板2210、CAN接口电路2211和继电器模块2212；其中，最小***2205以ST公司主频高达168MHz的Cortex-M4系列芯片STM32F405RGT6为核心，其由型号为STM32F405RGT6的微处理器、电源电路、复位电路、晶振电路、JTAG接口、miniUSB芯片以及***电路连接构成。

最小***2205内设置了高、低两个门槛值，当该反馈值的大小超过低门槛值而没有达到高门槛值时，最小***2205将在半个逆变周期内缩小PWM驱动信号的占空比，将输出电流降低到安全值，实现对逆变桥2102的功率管进行逐脉冲限流保护；如果此时电流持续增加，一旦反馈值超过高的门槛值，则最小***2205直接关闭PWM输出，保证逆变桥2102功率管的工作安全。高频驱动模块2206一端与最小***2205的PWM端口连接，另一端与主电路一2100的逆变桥2102连接。当电源工作于硬开关模式时，最小***2205的PWM端口直接产生两路推挽型数字PWM信号，而当电源工作于软开关模式时，PWM端口直接产生四路移相PWM信号。峰值电流检测模块2207一端与最小***2205的ADC端口连接，另一端与主电路一2100的中频变压器2103连接，以实时检测中频变压器2103的原边电流，经过快速精密整流和补偿之后输入最小***2205的ADC端口进行模数转换。过压欠压检测模块2204一端直接与最小***2205的GPIO端口相连，另一端与三相交流输入电源电连接，当三相交流输入的电压偏低或者过高时，过压欠压检测模块2204的输出电平就会发生改变，最小***2205据此判断欠过压故障。动作检测模块2202、过热检测模块2203和继电器模块2212均与最小***2205的GPIO端口相连。数字面板2210直接与最小***2205的UART端口相连，为简化设计，数字面板2210与弧焊机器人接口100的信息交互模块1006采用相同的结构，如图4（c）所示，只是运行的软件不同。CAN接口电路2211直接与最小***2205的CAN端口相连。电流反馈电路2208一端与主电路一2100的快速整流滤波电路2104连接，以采样主电路2100的输出电流和电压值；另一端直接与最小***2205的ADC端口相连，最小***2205将采样值经过模数转换之后与数字面板2210或者弧焊机器人接口100从CAN接口电路2211发送过来的电流电压给定值比较，并将偏差按照一定的数字调节规律进行运算处理，控制PWM端口输出相应占空比的数字PWM信号，从而对主电路一2100的输出实现精确的闭环控制。

主电路一2100的逆变桥2102采用工作于硬开关换流模式，或者采用工作于软开关模式的全桥高频逆变拓扑结构。如图3所示，本实用新型数字化逆变弧焊电源的主电路一采用全桥高频逆变拓扑结构，三相交流输入电源连接整流滤波电路2101的整流桥D1-D6，然后进入滤波环节L1、C1-C2，R1-R2和D7-D8，变为较平滑的直流电；然后流入逆变桥2102，经过由S1-S44个功率开关管构成的逆变桥，通过功率开关管的高频开通和关断，将直流电转换为高频方波交流电；其中，D9-D12分别为S1-S4的反并联二极管，而R3C3、R4C4、R5C5、R6C6分别为功率管S1-S4的吸收电路。当采用硬开关换流模式时，吸收电路的电阻均不为零；当工作于软开关模式时，R3-R6为零电阻；然后，方波电流流入中频变压器2103进行降压；经过降压之后的低压高频交流方波进入由D15-D16和L2等构成的快速整流滤波电路2104，变成平滑的低压直流电。

如图4（b）所示，本实用新型的弧焊机器人接口包括与三相交流电源电连接并为整个弧焊机器人接口提供所需的电能的供电模块1005、ARM控制器1001以及分别与ARM控制器1001连接的反馈模块1002、继电器模块1003、通讯扩展模块1004、设置有数字控制器的信息交互模块1006和模拟输出模块1007。其中，ARM控制器1001以ST公司主频高达168MHz的Cortex-M4系列芯片STM32F405RGT6为核心，其由型号为STM32F405RGT6的微处理器、电源电路、复位电路、晶振电路、JTAG接口、miniUSB芯片以及***电路连接构成，具体组成如图5所示。反馈模块1002分别与压缩气体装置和保护气体装置连接，分别采样压缩空气的气体流量和压力、保护气体的流量和压力等信息，并将该信息进行信号调理之后输入ARM控制器1001的ADC端口。继电器模块1003直接与ARM控制器1001的可编程GPIO端口相连，具备多路继电器节点输出，其输出分别与压缩气体装置和保护气体装置连接，可以控制压缩气体装置和保护气体装置的启动/关停。通讯扩展模块1004直接与ARM控制器1001的CAN端口相连，主要由支持CAN2.0B协议的独立控制器SJA1000及其***电路构成，并通过CAN总线与数字化弧焊逆变电源中控制电路一的CAN接口电路连接。信息交互模块1006直接与ARM控制器1001的UART端口相连，实现参数调整、状态信息显示、故障报警等功能。模拟输出模块1007采用HCNR201线性光耦隔离模块，对STM32F405RGT6两路12位DAC产生的0-3.3v的模拟电压进行隔离和放大。

所述如图4（c）所示，本实用新型的弧焊机器人接口的信息交互模块采用了可视化***解决方案。主控芯片采用融合了ARM+DSP双芯功能的M4内核ARM微处理器STM32F407ZGT6，通过FSMC端口扩展配置了16M显存，通过SPI端口扩展了64Mbit的闪存，通过USB OTG端口扩展了USB存储，旋转编码器直接与TIMER端口相连，按键直接与GPIO端口相连，LED状态指示灯直接与GPIO端口相连。以RTOS为实时内核，具有数据处理速度快，调节精确灵活，***扩展便利等优势。预留了UART串口，与ARM控制器1001的UART通信。参数显示采用四线电阻式7寸TFT-LCD-AT070TN92，LCD驱动芯片RA8875直接与，背光芯片为CAT4139，按键和旋转编码器来显示和设置参数。

如图4（a）所示，本实用新型的弧焊机器人接口100主要完成各种指令、状态、工艺参数以及故障信息的处理和传递。弧焊机器人接口100与机器人、数字化弧焊逆变电源200、潜水送丝机300、压缩气体装置600和保护气体装置700的接口信息流如下：

弧焊机器人接口100从机器人接收的指令有：启动/关停、电流调节、电压调节、引弧；弧焊机器人接口100向机器人发送的信息有：启动/关停应答、实际电流值、实际电压值、引弧成功、实际送丝速度、压缩气体流量和气压、保护气体流量和气压、故障信息（过压、欠压、过热、粘丝、灭弧、无焊丝、电弧不稳、导电嘴触碰）；这些信息均通过CAN总线通信完成。

弧焊机器人接口100从数字化弧焊逆变电源200接收的信号有：欠压、过压、过热、引弧成功、粘丝、灭弧、电弧不稳、导电嘴触碰、实际电流值、实际电压值；弧焊机器人接口100发送给数字化弧焊逆变电源200的信号有：启动/关停、引弧、电流调节、电压调节；这些信息均通过CAN总线通信完成。

弧焊机器人接口100从潜水送丝机300接收的信号有：实际送丝速度、无焊丝；弧焊机器人接口发送给潜水送丝机的信号有：启动/关停、送丝速度；

弧焊机器人接口100发送给压缩气体装置600的信号有：启动/关停、流量、气压；弧焊机器人接口100从压缩气体装置600接收的信号有：流量、气压；

弧焊机器人接口100发送给保护气体装置700的信号有：启动/关停、流量、气压；弧焊机器人接口100从保护气体装置700接收的信号有：流量、气压。

因此，弧焊机器人接口100与机器人、数字化弧焊逆变电源200和潜水送丝机300之间所有的信息交互（包括启动/关停、工艺参数、故障信息、引弧成功与否等状态信息）均通过基于CAN总线的数字化通信方式来实现；而与压缩气体装置600和保护气体装置700之间的启动/关停信号通过继电器模块的控制来实现，流量、气压则是通过反馈模块采样后经弧焊机器人接口100的ARM控制器。

本实用新型的潜水送丝机设置有密封罩，并由送丝驱动电路、送丝电机、压紧轮和焊丝盘连接组成；而送丝驱动电路、送丝电机、压紧轮和焊丝盘均安装在密封罩内；机器人专用焊炬的一端固定在潜水送丝机的密封罩上；保护气体装置与潜水送丝机的密封罩相连。如图6所示，送丝驱动电路包括主电路二和与主电路二连接的控制电路二；其中，控制电路二由MCU控制器和***电路连接构成。主电路二包括依次连接的整流滤波电路、BUCK稳压电路、换相电路和斩波电路；其中，斩波电路一端与送丝电机连接，送丝电机通过与MCU控制器的ADC端口连接，将电压反馈到控制电路二；MCU控制器的PWM端口通过IR2110驱动器一与主电路二的斩波电路连接，以实现对电机的调速；MCU控制器的TIMER端口通过IR2110驱动器二与主电路二的换相电路连接，以实现电机正反转控制。MCU控制器的CAN端口通过CAN总线分别与弧焊机器人接口的通讯扩展模块和数字化弧焊逆变电源的CAN接口电路连接。本实用新型的送丝电机采用了无刷直流电机。控制电路二采用STM32F405RGT6作为主控芯片，通过CAN总线接收弧焊机器人接口发送的送丝速度设定值，并实时采样电机端的实际工作电压，经过比较运算之后控制PWM端口输出两路互补的带死区延时的PWM信号，经IR2110驱动器放大后驱动斩波电路，实现对电机的转速以及转向的调节；通过MCU控制器的TIMER端口输出低频的PWM信号，经IR2110驱动器二放大后驱动换相电路，实现电机的正反转控制，通过换相控制和斩波控制，可以实现匀速送丝、变速送丝以及脉冲送丝等三种送丝模式。

如图5所示，为简化设计，提高***开发效率，本实用新型的弧焊机器人接口中的ARM微控制器和信息交互模块的数字控制器、数字化弧焊逆变电源控制电路中的最小***和数字面板以及潜水送丝机的MCU控制器均采用ST公司主频高达168MHz的Cortex-M4内核STM32F405RGT6最小***，该最小***由型号为STM32F405RGT6的微处理器、由AMS1117、C14-17、R6、D1等构成的电源电路、由S1、C1、R7等构成的复位电路、由Y1、C2-3、R1构成的晶振电路、由R5-8、JTAG芯片构成的JTAG接口、miniUSB芯片以及***电路连接构成。STM32F405RGT6内置DSP功能模块，为基于Cortex-M4内核的SOC级芯片，有多达1MB片上FLASH，192Kb SRAM，12位转换速率达2.4MSPS的ADC，具有两路12位DAC，可以产生0-3.3v的模拟电压，预留了UART、RS485和CAN接口。STM32F405RGT6是弧焊机器人接口、数字化逆变弧焊电源和潜水送丝机的数字化核心，其内部分别固化有基于FreeRTOS实时内核的弧焊机器人接口软件、数字化弧焊逆变电源控制软件和潜水送丝机控制软件。

如图7所示，本实用新型的微型排水罩采用了收敛形收缩喷管结构。在喷管上部有4个直径为8mm的进气管，由压缩气体装置产生的压缩空气由此4个进气管输入，收缩管底部的管径为24mm，这样可以确保压缩气体输入气体通路的截面积大于收缩管底部的截面积，从而确保低于声速的气流在截面积逐渐缩小的管道内不断加速，在焊接点周围形成一个高挺度的高压气幕，将焊接区域的水排开，这样就可以使焊接电弧在气相区中燃烧，实现可靠的局部干法焊接，提高焊缝质量。微型排水罩的材质为型号是304的不锈钢，尺寸参数如图，其中，收缩喷管内壁面的曲线可由维氏公式计算得到；整个排水罩体积非常小巧，可以适合水下全位置焊缝的焊接。

本实用新型水下焊接机器人多功能焊接***的上述实施例具有以下特点：

1、全数字化：本实施例首次构建了基于SOC级Cortex-M4内核、融合了ARM+DSP双芯功能的ARM微处理器和FreeRTOS实时内核的水下焊接机器人多功能焊接***的全数字控制平台，实现了弧焊机器人接口、弧焊逆变电源、潜水送丝机等的全数字化，控制精确、操作便利，扩展灵活；

2、高灵活性：本实施例充分利用了全数字控制***的优势，能够实现各种故障诊断、状态显示、参数设置等的数字化传输、可视化操作和实时监控；

3、宽适应性：本实用新型的弧焊逆变电源通过数字化控制能够实现多种特性输出，调节快速准确，同时潜水送丝机能够实现精确的匀速、变速和脉动等送丝方式，此外，微型排水罩体积小巧，能够有效的排干焊接区域的水，能在水下全位置焊接区域建立微型气相区，这三者相结合，就能够建立稳定的电源-水下电弧***，实现优质水下焊接；

4、高效化：本实施例采用了全桥高频逆变技术，传递功率强，能量转换效率高，功率管承受的电压较低，主回路时间小，动态性能好，高效、节能、省材。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下焊接机器人多功能焊接***，其特征在于：包括弧焊机器人接口、数字化弧焊逆变电源、潜水送丝机、机器人专用焊炬、微型排水罩、压缩气体装置和保护气体装置；所述弧焊机器人接口、数字化弧焊逆变电源、潜水送丝机和机器人专用焊炬依次连接；所述弧焊机器人接口还分别与机器人、潜水送丝机、压缩气体装置和保护气体装置连接；所述机器人专用焊炬安装于机器人上，并还与微型排水罩、电弧负载一相连；所述压缩气体装置与微型排水罩连接，保护气体装置与潜水送丝机连接。

2.根据权利要求1所述的水下焊接机器人多功能焊接***，其特征在于：所述数字化弧焊逆变电源包括主电路一和与主电路一相互连接的控制电路一；所述主电路一由整流滤波电路、逆变桥、中频变压器和快速整流滤波电路依次连接组成；所述整流滤波电路与三相交流输入电源电连接，快速整流滤波电路与电弧负载二连接。

3.根据权利要求2所述的水下焊接机器人多功能焊接***，其特征在于：所述主电路一的逆变桥采用工作于硬开关换流模式，或者采用工作于软开关模式的全桥高频逆变拓扑结构。

4.根据权利要求2所述的水下焊接机器人多功能焊接***，其特征在于：所述控制电路一包括与三相交流输入电源电连接并用于给控制电路一提供电能的供电模块、最小***以及分别与最小***连接的动作检测模块、过热检测模块、过压欠压检测模块、高频驱动模块、峰值电流检测模块、电流反馈电路、数字面板、CAN接口电路和继电器模块；其中，所述过压欠压检测模块与三相交流输入电源电连接。

5.根据权利要求4所述的水下焊接机器人多功能焊接***，其特征在于：所述高频驱动模块与主电路一的逆变桥连接，峰值电流检测模块与主电路一的中频变压器连接，电流反馈电路与主电路一的快速整流滤波电路连接；所述控制电路一的最小***设置有逐脉冲限流保护和直接关断保护两种保护模式。

6.根据权利要求4所述的水下焊接机器人多功能焊接***，其特征在于：所述弧焊机器人接口包括用于提供电能的供电模块、ARM控制器以及分别与ARM控制器连接的反馈模块、继电器模块、通讯扩展模块、设置有数字控制器的信息交互模块和模拟输出模块；其中，所述通讯扩展模块通过CAN总线与控制电路一的CAN接口电路连接；所述弧焊机器人接口分别与压缩气体装置和保护气体装置连接是指：所述继电器模块分别与压缩气体装置和保护气体装置连接，用于控制压缩气体装置和保护气体装置的启动和关停；所述反馈模块分别与压缩气体装置和保护气体装置连接，用于采集压缩气体装置和保护气体装置的信息。

7.根据权利要求6所述的水下焊接机器人多功能焊接***，其特征在于：所述潜水送丝机设置有密封罩，并由送丝驱动电路、送丝电机、压紧轮和焊丝盘连接组成；所述送丝驱动电路、送丝电机、压紧轮和焊丝盘均安装在密封罩内；所述机器人专用焊炬的一端固定在潜水送丝机的密封罩上；所述保护气体装置与潜水送丝机的密封罩相连。

8.根据权利要求7所述的水下焊接机器人多功能焊接***，其特征在于：所述送丝驱动电路包括主电路二和与主电路二连接的控制电路二；所述控制电路二由MCU控制器和***电路连接构成；所述主电路二包括依次连接的整流滤波电路、BUCK稳压电路、换相电路和斩波电路；所述斩波电路一端与送丝电机连接，送丝电机通过与MCU控制器的ADC端口连接，将电压反馈到控制电路二；所述MCU控制器的PWM端口通过IR2110驱动器一与主电路二的斩波电路连接，以实现对电机的调速；所述MCU控制器的TIMER端口通过IR2110驱动器二与主电路二的换相电路连接，以实现电机正反转控制；所述MCU控制器的CAN端口通过CAN总线分别与弧焊机器人接口的通讯扩展模块和数字化弧焊逆变电源的CAN接口电路连接。

9.根据权利要求8所述的水下焊接机器人多功能焊接***，其特征在于：所述弧焊机器人接口中的ARM微控制器和信息交互模块的数字控制器、数字化弧焊逆变电源控制电路中的最小***和数字面板以及潜水送丝机的MCU控制器均由型号为STM32F405RGT6的微处理器、电源电路、复位电路、晶振电路、JTAG接口、miniUSB芯片以及***电路连接构成。

10.根据权利要求1所述的水下焊接机器人多功能焊接***，其特征在于：所述微型排水罩为收敛形收缩喷管结构。

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