專利名稱：一種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲tig焊機器人系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器人焊接技術領域，具體來說是ー種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統。
背景技術：
TIG是指用純鎢或活化鎢(釷鎢、鈰鎢、鋯鎢、鑭鎢)作為不熔化電極的惰性氣體保護電弧焊，對于精密設備的焊接，抖動熱絲TIG焊接能夠提高焊接效率和焊接質量，但是大型精密設備的結構不再適合焊エ手工操作，需要開發用于自主移動式的焊接的機器人系統。抖動熱絲TIG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，鋪設エ序繁瑣；另一方面，大型構件的抖動熱絲TIG焊接自動化無法應用固定式機械手。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。目前常用于大型精密結構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。如專利申請號為201010180754. 1，申請日為2010年5月14日，名稱為“焊接設定裝置、焊接機器人系統及焊接設定方法”的發明專利，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，其基于各輸入數據和層疊圖案數據基值，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采用軌道式排布，無法實現焊縫自動跟蹤識別及自主移動功能，而且該焊接系統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，焊縫類型區別較大。又如專利申請號為201019063009. 6，申請日為2010年2月5日，名稱為“ー種用
于注塑機機架的焊接機器人工作站系統”的發明專利，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采用軌道式機器人焊接系統，無法實現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、作業位置調整困難。北京石油化工學院開發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，機器人吸附可靠性低。所以現有的自主移動式焊接機器人存在運動靈活性和吸附能力不能兼具的問題。

發明內容
為了克服現有的抖動熱絲TIG機器人存在運動靈活性和吸附能力不能兼具的問題，現在特別提出能滿足大型精密設備焊接、兼具靈活性和吸附能力、高效高質量智能焊接的一種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統。為實現上述目的，本發明的技術方案如下
一種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統，包括機器人本體、控制系統和抖動熱絲TIG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；所述的操作機構包括十字滑塊和擺動機構，擺動機構前端夾持抖動熱絲TIG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，擺動機構采用步進電機搭配蝸輪蝸桿減速器；
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；
抖動熱絲TIG焊接系統包括抖動熱絲TIG焊槍、抖動熱絲TIG焊接電源、送絲機、保護氣和焊接冷卻系統；
抖動熱絲TIG焊槍、抖動熱絲TIG焊接電源以及抖動熱絲TIG焊接系統之間的連接關系與其他焊接系統的焊槍、焊接電源以及焊接系統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、控制系統和抖動熱絲TIG焊接系統三者通過線纜連接。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繞車輪安裝在后輪底盤上的永磁體，永磁間隙吸附裝置環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在導磁壁面上的轉向和直線運動。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，擺動機構前端夾持抖動熱絲TIG焊槍，抖動熱絲TIG焊槍夾持及姿態調整機構。所述傳感系統包括激光跟蹤傳感器、環境監控傳感器和熔池監控傳感器，操作機構及環境監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、熔池監控傳感器和抖動熱絲TIG焊槍，機器人本體控制箱安裝在爬行機構上，機器人控制箱與主控系統通過電纜相連；所述焊接系統抖動熱絲TIG焊接電源、送絲機、保護氣與機上部分的焊槍通過線纜相連。所述的機器人控制系統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或者エ業PC作為主控系統，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；抖動熱絲TIG焊接系統的控制包含開關量控制、エ藝參數設置。所述的機器人控制系統采用多自由度云臺實現宏觀焊接環境的監控，完成焊前起 始點宏觀操作；采用熔池監控傳感器實現微觀抖動熱絲TIG焊槍的姿態調整，焊接過程的熔池監控。所述機器人系統控制主機通過Device net與焊接電源進行通訊，通過主機控制界面完成焊接參數設置及焊接參數在線調整，控制焊接啟動和停止。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。本發明的優點在于
I、本發明爬行機構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表面全位置自主靈活移動、可靠吸附并實施抖動熱絲TIG全位置焊接作業，系統綜合性能好。2、本發明采用“宏觀遙控、微觀自主”的控制方式，可自主識別跟蹤焊縫，具備遠程焊接參數設置及在線調整功能；采用多自由度云臺實現エ件環境監控，完成焊前起始點宏觀操作；采用熔池監控傳感器實現抖動熱絲TIG槍的姿態調整，焊接過程的熔池監控。具備宏觀焊接環境監控功能，實現了智能化焊接。3、抖動熱絲TIG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，具備宏觀環境監控及熔池監控系統，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、本發明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抖動熱絲TIG焊槍提供ー個繞X軸的旋轉自由度實現擺動功能。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エ藝精度要求。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擺動焊接。 5、本發明所述的操作機構的連接臂臂展可手動調節，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，X軸可調范圍120mm，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エ藝下焊縫跟蹤傳感器位置可以適應抖動熱絲TIG焊槍的各種姿態需求。6、驅動減速電機與車輪軸之間通過同步帶傳動，通過調節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、自主移動式機器人與抖動熱絲TIG焊槍結合的優點在于整個焊接機器人系統能在自主移動的同時實現抖動熱絲TIG焊接，在普通的TIG焊的基礎上對焊絲進行預熱，提高熱輸入量，增加熔化速度，從而提高了焊接速度。與TIG焊相比，抖動熱絲TIG焊槍明顯提高了焊接速度，適合于焊接中等厚度的焊接結構，同時又具有TIG焊高質量焊縫的特點，由于抖動熱絲TIG焊的送絲速度獨立于焊接電流，因此能夠更好地控制焊縫成形，對于開坡ロ的焊縫，其側壁融合性比MIG焊好。


圖I為本發明結構圖。圖2為本發明機器人本體圖。圖3為本發明爬行機構結構示意圖。圖4為本發明爬行機構后輪模塊示意圖。圖5為本發明操作機構示意圖。圖6為本發明的系統結構圖。圖7為永磁間隙吸附裝置結構示意圖。圖8為驅動轉向一體化磁輪結構示意圖。
圖9為前輪過轉向軸和錐齒輪軸的剖視圖。圖10為磁輪剖視圖。附圖中I操作機構，2熔池監控傳感器，3抖動熱絲TIG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，12抖動熱絲TIG焊接電源，13保護氣，14焊接冷卻系統，15機器人主控系統，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。
具體實施例方式—種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統，包括機器人本體、控制系統和抖動熱絲TIG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；所述的操作機構包括十字滑塊和擺動機構，擺動機構前端夾持抖動熱絲TIG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，擺動機構采用步進電機搭配蝸輪蝸桿減速器；
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；
抖動熱絲TIG焊接系統包括抖動熱絲TIG焊槍、抖動熱絲TIG焊接電源、送絲機、保護氣和焊接冷卻系統；
機器人本體、控制系統和抖動熱絲TIG焊接系統三者通過線纜連接。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繞車輪安裝在后輪底盤上的永磁體，永磁間隙吸附裝置環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在導磁壁面上的轉向和直線運動。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，擺動機構前端夾持抖動熱絲TIG焊槍，抖動熱絲TIG焊槍夾持及姿態調整機構。所述傳感系統包括激光跟蹤傳感器、環境監控傳感器和熔池監控傳感器，操作機構及環境監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、熔池監控傳感器和抖動熱絲TIG焊槍，機器人本體控制箱安裝在爬行機構上，機器人控制箱與主控系統通過電纜相連；所述焊接系統抖動熱絲TIG焊接電源、送絲機、保護氣與機上部分的焊槍通過線纜相連。所述的機器人控制系統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或者エ業PC作為主控系統，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；抖動熱絲TIG焊接系統的控制包含開關量控制、エ藝參數設置。所述的機器人控制系統采用多自由度云臺實現宏觀焊接環境的監控，完成焊前起 始點宏觀操作；采用熔池監控傳感器實現微觀抖動熱絲TIG焊槍的姿態調整，焊接過程的熔池監控。所述機器人系統控制主機通過Device net與焊接電源進行通訊，通過主機控制界面完成焊接參數設置及焊接參數在線調整，控制焊接啟動和停止。以下結合附圖對本發明做進ー步說明。如圖I所示，抖動熱絲TIG焊接自主移動式機器人系統由機器人本體、控制系統、抖動熱絲TIG焊接系統組成。機器人本體包括操作機構和爬行機構，控制系統包括傳感系統(多自由度云臺、激光跟蹤傳感器和熔池監控傳感器)、機器人本體控制箱和機器人主控系統，抖動熱絲TIG焊接系統包括焊接冷卻系統、抖動熱絲TIG焊接電源、送絲機、保護氣。機器人系統從空間上可分為行走在作業エ件上的“機上部分”和安裝于作業エ件之外的“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、焊槍，傳感系統主要由激光跟蹤傳感器、環境監控傳感器和熔池監控傳感器組成。操作機構及環境監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。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，抖動熱絲TIG焊槍夾持及姿態調整機構。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、抖動熱絲TIG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通過電纜相連，抖動熱絲TIG焊接電源、焊接冷卻系統、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及圖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，并可通過調節夾塊夾持位置進行手動調節。焊縫跟蹤傳感器連接件夾持在連接臂上，手動調節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，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6所示為機器人控制系統時序圖。控制系統采用PCC或其他エ業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境的監控，采用熔池監控傳感器實現微觀焊接熔池的監控；；運行吋，先啟動等離子焊接電源，間隔2S后，再啟動抖動熱絲TIG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、抖動熱絲TIG焊接電源、機器人系統同時關閉。控制系統采用PCC或其他エ業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境的監控，采用熔池監控傳感器實現微觀焊接熔池的監控；具備手操盒遠程控制機器人系統功能。監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。可編程計算機控制器通過CAN總線③與手操盒、驅動器進行連接。驅動器控制著爬行執行機構、操作執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信息。視頻服務器通過視頻接ロ⑧⑩接受環境監控云臺、環境監控攝像機、熔池監控攝像機的視頻信息。抖動熱絲焊接電源通過Devicenet同控制系統進行連接，利用特有的抖動裝置和熱絲送絲機進行焊接。監控計算機采用PC104エ控機實現，其中有2個以太網接ロ 一個用于和可編程計算機控制器進行連接、ー個用于和視頻服務器進行連接。環境監控攝像機采用SONY云臺監控攝像機，可以對エ件的外形，機器人周圍環境進行監控。作業現場監控攝像機配備了特質的濾光片完成焊接過程中，熔池的監控。機器人的爬行機構驅動系統采用了兩個MAXON直流電機，操作結構為十字滑塊，驅動電機選用步進電機。電機驅動器采用ELMO驅動器。機器人定位傳感器采用激光焊縫跟蹤傳感器，進行焊縫位置信息的確定。作業適配器為焊接電源適配器，通過適配器可以控制焊接的電流、電壓、啟動、停止。限位開關安裝在十子滑塊上，完成限位功能。進行焊接時，激光焊縫跟蹤傳感器將焊縫位置信息實時傳遞給可編程計算機控制器，可編程計算機控制器先進行信號濾波，根據位置偏差，十字滑塊會進行精確的跟蹤。并且可編程計算機控制器利用濾波后的位置信息進行機器人爬行機構的位置估計，根據位置 偏差，爬行機構進行粗略的跟蹤。永磁間隙吸附裝置如圖7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8是前輪的三維模型圖，圖9是前輪過轉向軸和錐齒輪軸的剖視圖，圖10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10。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。可編程計算機控制器，簡稱PCC(programmable computer controller),是一種新一代可編程計算機控制器。Devicenet 是 90 年代中期發展起來的一種基于 CAN (Controller Area Network)技術的開放型、符合全球エ業標準的低成本、高性能的通信網絡，最初由美國Rockwell公 司開發應用。Devicenet現已成為國際標準IEC62026-3《低壓開關設備和控制設備控制器設備接ロ》，并已被列為歐洲標準，也是實際上的亞洲和美洲的設備網標準。本申請中的抖動熱絲TIG焊槍是指現有技術中能實現抖動熱絲TIG焊接方法的焊槍均可。
權利要求
1.一種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統，包括機器人本體、控制系統和抖動熱絲TIG焊接系統，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 )前端夾持抖動熱絲TIG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，擺動機構(46)采用步進電機搭配蝸輪蝸桿減速器(28); 控制系統包括傳感系統、機器人本體控制箱(8)和機器人主控系統(15)； 抖動熱絲TIG焊接系統包括抖動熱絲TIG焊槍(3)、抖動熱絲TIG焊接電源(12)、送絲機(11)、保護氣(13)和焊接冷卻系統(14)； 機器人本體、控制系統和抖動熱絲TIG焊接系統三者通過線纜(9)連接。
2.根據權利要求I所述的ー種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統，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在導磁壁面上的轉向和直線運動。
3.根據權利要求2所述的ー種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統，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)前端夾持抖動熱絲TIG焊槍(3)，抖動熱絲TIG焊槍(3)夾持及姿態調整機構。
4.根據權利要求3所述的ー種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統，其特征在于所述傳感系統包括激光跟蹤傳感器(4)、環境監控傳感器和熔池監控傳感器(2)，操作機構(I)及環境監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)、熔池監控傳感器(2)和抖動熱絲TIG焊槍(3)，機器人本體控制箱(8)安裝在爬行機構(6)上，機器人控制箱與主控系統通過電纜相連；所述焊接系統抖動熱絲TIG焊接電源(12)、送絲機(11 )、保護氣(13)與機上部分的焊槍通過線纜(9)相連。
5.根據權利要求4所述的ー種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統，其特征在于所述的機器人控制系統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或者エ業PC作為主控系統，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；抖動熱絲TIG焊接系統的控制包含開關量控制、エ藝參數設置。
6.根據權利要求4所述的ー種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統，其特征在于所述的機器人控制系統采用多自由度云臺(7)實現宏觀焊接環境的監控，完成焊前起始點宏觀操作；采用熔池監控傳感器(2)實現微觀抖動熱絲TIG焊槍(3)的姿態調整，焊接過程的熔池監控。
7.根據權利要求6所述的ー種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統，其特征在于所述機器人系統控制主機通過Device net與焊接電源進行通訊，通過主機控制界面完成焊接參數設置及焊接參數在線調整，控制焊接啟動和停止。
8.根據權利要求2所述的ー種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統，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(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。
全文摘要
本發明屬于機器人焊接技術領域，具體來說是一種用于大型精密設備焊接的自主移動式抖動熱絲TIG焊機器人系統，包括機器人本體、控制系統和抖動熱絲TIG焊接系統，機器人本體包括爬行機構和操作機構；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；抖動熱絲TIG焊接系統包括抖動熱絲TIG焊槍、抖動熱絲TIG焊接電源、送絲機、保護氣和焊接冷卻系統。本發明的優點在于爬行機構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表面全位置自主靈活移動、可靠吸附并實施抖動熱絲TIG全位置焊接作業，系統綜合性能好。
文檔編號B23K9/167GK102689085SQ201210185599
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月7日 優先權日2012年6月7日
發明者吳建東, 姜周, 張帆, 李永龍, 桂仲成, 盛仲曦, 肖唐杰, 范傳康, 董娜, 賀驥 申請人:中國東方電氣集團有限公司