CN102672311B - 一种气电立焊自主移动式机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人焊接技术领域，具体来说是用于大型钢结构气电立焊的一种气电立焊自主移动式机器人系统，包括机器人本体、控制系统和气电立焊系统，机器人本体包括爬行机构和操作机构，控制系统包括传感系统、机器人本体控制箱和机器人主控系统；气电立焊焊接系统包括气电立焊焊枪、焊接电源、送丝机、保护气和焊接冷却系统；本发明的优点在于采用“宏观遥控、微观自主”的控制方式，可通过激光跟踪传感器自主识别跟踪焊缝，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；具备宏观微观焊接监控功能，实现了智能化焊接。

Description

一种气电立焊自主移动式机器人系统

技术领域

本发明属于机器人焊接技术领域，具体来说是用于大型钢结构气电立焊的一种气电立焊自主移动式机器人系统。

背景技术

大型钢结构的焊接以立焊和横焊为主。对于大型钢结构立焊位置的焊接，由于部件本身结构、重量影响不适合旋转或转动，手工焊接劳动强度大、危险性高且焊接质量无法保证，迫切需要实现焊接自动化。

目前常用的大型钢结构立焊自动化设备是轨道式机器人焊接系统，该系统由机器人运行轨道、机器人及焊接系统组成，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。大型设备属于单件小批量产品，多数焊缝是非标结构，焊缝整体结构形式复杂，因此，这种轨道式结构的应用受到限制。

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、焊接机器人系统及焊接设定方法”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系统采用轨道式排布, 无法实现焊缝自动跟踪识别及自主移动功能,而且该焊接系统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系统”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系统采用轨道式机器人焊接系统，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，机器人吸附可靠性低。所以现有的自主移动式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

为了克服现有的气电立焊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气电立焊自主移动式机器人系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种气电立焊自主移动式机器人系统，包括机器人本体、控制系统和气电立焊系统，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，摆动机构前端夹持气电立焊焊枪，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；

控制系统包括传感系统、机器人本体控制箱和机器人主控系统；

气电立焊焊接系统包括气电立焊焊枪、焊接电源、送丝机、保护气和焊接冷却系统；

气电立焊焊枪、气电立焊焊接电源以及气电立焊焊接系统之间的连接关系与其他焊接系统的焊枪、焊接电源以及焊接系统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、控制系统和气电立焊焊接系统三者通过线缆连接。

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；或两个后车轮作为驱动轮，前轮采用万向滚动轮，采用后轮差动方式实现在导磁壁面上的转向和直行。

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连接件的前端，焊枪连接件安装在连接臂的端部，操作机构末端带有气电立焊焊枪夹持及姿态调整机构。

所述传感系统包括激光跟踪传感器、环境监控传感器，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和气电立焊焊枪，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系统通过电缆相连，焊接电源、送丝机、保护气与机上部分的气电立焊焊枪通过线缆相连。 

所述的机器人控制系统的工作方式为：机器人先由人工遥控至焊接作业起始点位置附近，再由机器人自主识别跟踪焊缝实施焊接；机器人控制系统采用PCC或工业PC作为主控系统，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；宏观焊接环境监控功能；采用手持式控制器实现机器人系统的远程遥控。

所述的机器人本体上设置有多自由度云台，实现宏观焊接环境的监控，所述云台属于传感系统。

所述的手持式控制器，包括硬件部分和软件部分，整体框架包括基于ARM Cotex-M3架构的中央处理模块、控制指令输入模块以及基于LCD液晶屏的显示模块，所述中央处理模块由中央处理器以及包含CAN总线通讯模块在内的外围接口模块组成，其中，所述中央处理器是一块32位的ARM单片机，中央处理器通过外围接口接收由指令输入模块传回的控制指令，经过分析和处理后再通过外围接口发送控制信号给爬行式机器人的主控制器，所述CAN总线通信模块连接中央控制模块与被控对象，控制命令通过这个模块传送到爬行式焊接机器人的主控制器；所述指令输入模块包括按钮开关及电位器旋钮，它们与中央控制模块通过GPIO和AD模数传感器相连接；所述LCD显示屏与中央控制模块的并行数字IO接口相连接，实时显示当前控制对象、状态及参数信息；软件部分包括嵌入式μCOS-II控制系统、硬件驱动程序以及在控制系统上运行的应用程序。

所述气电立焊自主移动式机器人系统在进行气电立焊作业时，机器人运动速度范围为40-400mm/min，操作机构进行焊枪焊缝坡口对中的微调，通过电弧传感控制爬行机构的运动速度以实现弧长控制、保证焊接质量，通过操作机构纵向的摆动保证焊缝填充。

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、本发明所述的气电立焊自主移动式机器人系统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，系统综合性能好。

2、本发明采用“宏观遥控、微观自主”的控制方式，可通过激光跟踪传感器自主识别跟踪焊缝，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；具备宏观微观焊接监控功能，实现了智能化焊接。

3、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。

4、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。

5、手持式控制器采用ARM-CotexM3处理器性价比高，外围接口丰富。搭配专用移植裁剪的μCOS-II操作系统，稳定可靠，具备良好的可扩展性。采用多任务方式编写程序，并行执行互不干扰，代码逻辑清晰，架构合理美观，有效规避竞争冒险。以CAN总线作为通讯接口 速度快效率高不易出错。

6、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。

7、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。

8、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。

9、侧倾限制块通过机械限位实现限制侧倾角度的功能。

10、所述转向结构和车轮滚动都设置有独立的驱动机构。

11、自主移动式机器人与 气电立焊焊枪结合的优点是能自主移动的同时实现可不开坡口焊接厚板，生产率高、成本低。与窄间隙焊的主要区别在于焊缝一次成形，而不是多道多层焊；与电渣焊的主要区别在于熔化金属的热量是电弧热而不是熔渣的电阻热。 

附图说明

图1 为气电立焊自主移动式机器人系统结构图。

图2 为本发明的气电立焊自主移动式机器人系统的机器人本体图。

图3为本发明提出的气电立焊自主移动式机器人系统的爬行机构结构示意图。

图4为本发明提出的气电立焊自主移动式机器人系统的爬行机构后轮模块示意图

图5为本发明提出的气电立焊自主移动式机器人系统的爬行机构的另一种形式结构示意图。

图6为本发明提出的气电立焊自主移动式机器人系统的操作机构结构示意图。

图7 为本发明提出的气电立焊自主移动式机器人控制系统硬件结构图。

图8 本发明提出气电立焊自主移动式机器人控制系统手操式远程控制器结构示意图。

图9为永磁间隙吸附装置结构示意图。

图10为驱动转向一体化磁轮结构示意图。

图11为前轮过转向轴和锥齿轮轴的剖视图。

图12为磁轮剖视图。

附图中1操作机构，3气电立焊焊枪，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，12气电立焊焊接电源，13保护气，14焊接冷却系统，15机器人主控系统，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；

51十字滑块横轴、52十字滑块纵轴、53连接臂、54焊缝跟踪传感器连接件、55焊缝跟踪传感器，56焊枪，57焊枪连接件。

具体实施方式

一种气电立焊自主移动式机器人系统包括机器人本体、控制系统和气电立焊系统，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，摆动机构前端夹持气电立焊焊枪，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；控制系统包括传感系统、机器人本体控制箱和机器人主控系统；气电立焊焊接系统包括气电立焊焊枪、焊接电源、送丝机、保护气和焊接冷却系统；机器人本体、控制系统和气电立焊焊接系统三者通过线缆连接。

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；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；或两个后车轮作为驱动轮，前轮采用万向滚动轮，采用后轮差动方式实现在导磁壁面上的转向和直行。

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连接件的前端，焊枪连接件安装在连接臂的端部，操作机构末端带有气电立焊焊枪夹持及姿态调整机构。

传感系统包括激光跟踪传感器、环境监控传感器，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和气电立焊焊枪，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系统通过电缆相连，焊接电源、送丝机、保护气与机上部分的气电立焊焊枪通过线缆相连。 

机器人控制系统的工作方式为：机器人先由人工遥控至焊接作业起始点位置附近，再由机器人自主识别跟踪焊缝实施焊接；机器人控制系统采用PCC或工业PC作为主控系统，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；宏观焊接环境监控功能；采用手持式控制器实现机器人系统的远程遥控。

机器人本体上设置有多自由度云台，实现宏观焊接环境的监控，所述云台属于传感系统。

手持式控制器，包括硬件部分和软件部分，整体框架包括基于ARM Cotex-M3架构的中央处理模块、控制指令输入模块以及基于LCD液晶屏的显示模块，所述中央处理模块由中央处理器以及包含CAN总线通讯模块在内的外围接口模块组成，其中，所述中央处理器是一块32位的ARM单片机，中央处理器通过外围接口接收由指令输入模块传回的控制指令，经过分析和处理后再通过外围接口发送控制信号给爬行式机器人的主控制器，所述CAN总线通信模块连接中央控制模块与被控对象，控制命令通过这个模块传送到爬行式焊接机器人的主控制器；所述指令输入模块包括按钮开关及电位器旋钮，它们与中央控制模块通过GPIO和AD模数传感器相连接；所述LCD显示屏与中央控制模块的并行数字IO接口相连接，实时显示当前控制对象、状态及参数信息；软件部分包括嵌入式μCOS-II控制系统、硬件驱动程序以及在控制系统上运行的应用程序。

气电立焊自主移动式机器人系统在进行气电立焊作业时，机器人运动速度范围为40-400mm/min，操作机构进行焊枪焊缝坡口对中的微调，通过电弧传感控制爬行机构的运动速度以实现弧长控制、保证焊接质量，通过操作机构纵向的摆动保证焊缝填充。

以下结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，由机器人本体、控制系统和气电立焊系统组成：机器人本体包括爬行机构和操作机构，控制系统包括传感系统、机器人本体控制箱和机器人主控系统，气电焊接系统包括焊接电源、送丝机、保护气和循环水冷却系统。

机器人系统从空间上可分为行走在大型钢结构件表面上的“机上部分”和安装于待作业表面之外的“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、传感系统、焊枪，传感系统主要由激光跟踪传感器、环境监控传感器组成。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和焊枪，机器人本体控制箱安装在爬行机构上。机器人系统机下部分包括机器人主控系统、遥控操作、焊接电源、送丝机、保护气、焊接冷却系统。机上部分的机器人本体控制箱与机下部分的机器人主控系统通过电缆相连，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、水管、气管和信号线。操作机构末端带有气电立焊焊枪夹持及姿态调整机构，即焊枪摆动器。 

机器人系统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、传感系统、焊枪，传感系统主要由激光跟踪传感器、环境监控传感器组成。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和焊枪，机器人本体控制箱安装在爬行机构上。

机器人系统机下部分包括机器人主控系统、遥控操作、焊接电源、送丝机、保护气、循环水冷却系统。机上部分的机器人本体控制箱与机下部分的机器人主控系统通过电缆相连，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、水管、气管和信号线。操作机构末端带有气电立焊焊枪夹持及姿态调整机构。

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，机器人本体的一种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，机器人本体的另一种爬行机构由三部分构成，包括采用万向滚动磁轮的前轮模块1、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块3和连接前后轮的车架2。如图2所示，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。

摆动机构主要包括步进电机、蜗轮蜗杆减速器、焊枪夹持机构。蜗轮蜗杆减速器由步进电机驱动，步进电机输出扭矩，减速器输出扭矩不小于10Nm。蜗轮蜗杆减速器输出的转动保证焊枪可以以任何角度的偏角为中心进行摆动，摆动幅度与频率可以通过控制步进电机轻松调整，经过蜗轮蜗杆减速器减速，调节精度可达0.03°,轻松满足摆动焊接的工艺要求。焊枪夹持机构上设有一个可手动调节角度的圆柱关节，圆柱关节轴心采用绝缘材料包覆，防止所夹持的焊枪上可能带有的强电传导至机器人本体，同时焊枪的俯仰姿态也可根据焊接工艺要求通过圆柱关节进行手动调整。

如图6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、焊枪连接件组成。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。焊枪连接件安装在连接臂的端部，连接件的高度可以手动调节。

图7所示为机器人控制系统结构。控制系统采用PCC或其他工业PC作为主控系统，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，采用手持式控制器实现机器人系统的远程遥控。

图7的工作原理：监控计算机通过以太网①②的连接设置编程计算机控制器的参数，并且接受视频服务器的视频数据。可编程计算机控制器通过CAN总线③与手操盒、驱动器进行连接。驱动器控制着爬行执行机构、操作执行机构.可编程计算机控制器通过RS485总线④进行焊机适配器的设置，通过RS232总线⑨和IO⑦读取激光跟着传感器和位置开关的状态信息。视频服务器3通过视频接口⑧⑩接受环境监控云台、环境监控摄像机、监控摄像机的视频信息。

图8所示为机器人手持式控制器，整体框架包括基于ARM Cotex-M3架构的中央控制模块、指令输入模块和基于LCD的显示模块。本发明硬件部分主要包括中央控制器电路、外围接口电路（数字IO接口、数字IO接口、AD模数转换、CAN总线通讯模块）、LCD显示模块、按钮开关以及电位器旋钮。中央处理器通过外围接口获取由按钮开关及电位器旋钮发送回来的数字信号和模拟信号，进过处理后通过外围接口将部分数据发送到LCD显示模块，同时将控制指令封装成命令形式通过外围接口发送给下层的爬行式焊接机器人中央控制器。

永磁间隙吸附装置如图9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10是前轮的三维模型图，图11是前轮过转向轴和锥齿轮轴的剖视图，图12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11。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。

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。

气电立焊系统包含数字化焊接电源、送丝机、保护气、循环水冷却系统、气电焊枪、焊缝成型滑块。机器人主控系统通过RS485或Devicenet等其他工业现场总线与焊接电源进行通讯，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。

气电立焊焊枪采用1.2和1.6两种焊丝，对18-22mm的工件，焊接时机器人爬行机构运动速度为70mm/min，操作机构进行焊枪焊缝坡口对中的微调，电压区间36-40V，电流区间340-380A，保护气流量25-35L。使用时，开启冷送丝使干伸长达35mm，并压紧焊枪，垂直焊接时与工件表面呈5-15°，调整焊枪对中，并调整高度使导电嘴顶端与铜滑块间为20-30mm，焊丝落点为板厚中心略偏正面（坡口重心）。通过电弧传感控制爬行机构的运动速度以实现弧长控制、保证焊接质量，通过操作机构纵向的摆动保证焊缝填充。

本系统的工作流程为：首先进行焊接前的准备。检查各系统的布置与连接，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、送丝速度及爬行机构前进速度的设置。

最后，通过手操盒启动焊接。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，并且机器人同时在工件上移动。

本申请中的气电立焊焊枪是指现有技术领域中可用于气电立焊焊接方法的焊枪的统称。

Claims (7)

1.一种气电立焊自主移动式机器人系统，包括机器人本体、控制系统和气电立焊系统，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，摆动机构前端夹持气电立焊焊枪（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，摆动机构采用步进电机搭配蜗轮蜗杆减速器（28）；

控制系统包括传感系统、机器人本体控制箱（8）和机器人主控系统（15）；

气电立焊焊接系统包括气电立焊焊枪（3）、气电立焊焊接电源（12）、送丝机（11）、保护气（13）和焊接冷却系统（14）；

机器人本体、控制系统和气电立焊焊接系统三者通过线缆（9）连接；

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；

前轮模块（17）为驱动转向一体化磁轮，包括永磁体和车轮（23），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（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，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；或两个后车轮（23）作为驱动轮，前轮采用万向滚动轮，采用后轮差动方式实现在导磁壁面上的转向和直行；

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（26）安装板与转台上支撑板连接，转向减速电机（26）与转向电机（26）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（26）安装板与转向基板连接，驱动减速电机（26）与驱动电机（26）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（36）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。

2.根据权利要求1所述的一种气电立焊自主移动式机器人系统，其特征在于：所述的操作机构（1）包括十字滑块横轴（51）、十字滑块纵轴（52）、连接臂（53）、焊缝跟踪传感器（55）、焊缝跟踪传感器连接件（54）、焊枪连接件（57），十字滑块横轴（51）与十字滑块纵轴（52）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（55）安装在连接件的前端，焊枪连接件（57）安装在连接臂（53）的端部，操作机构（1）末端带有气电立焊焊枪（3）夹持及姿态调整机构。

3.根据权利要求2所述的一种气电立焊自主移动式机器人系统，其特征在于：所述传感系统包括激光跟踪传感器（4）、环境监控传感器，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）和气电立焊焊枪（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（8）与机器人主控系统（15）通过电缆相连，焊接电源、送丝机（11）、保护气（13）与机上部分的气电立焊焊枪（3）通过线缆（9）相连。

4.根据权利要求3所述的一种气电立焊自主移动式机器人系统，其特征在于：所述的机器人控制系统的工作方式为：机器人先由人工遥控至焊接作业起始点位置附近，再由机器人自主识别跟踪焊缝（5）实施焊接；机器人控制系统采用PCC或工业PC作为主控系统，各功能板块为模块化设计，利用激光跟踪传感器（4）的反馈控制机器人本体爬行机构（6）和操作机构（1）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；宏观焊接环境监控功能；采用手持式控制器实现机器人系统的远程遥控。

5.根据权利要求4所述的一种气电立焊自主移动式机器人系统，其特征在于：所述的机器人本体上设置有多自由度云台（7），实现宏观焊接环境的监控，所述云台属于传感系统。

6.根据权利要求5所述的一种气电立焊自主移动式机器人系统，其特征在于：所述的手持式控制器，包括硬件部分和软件部分，整体框架包括基于ARM Cotex-M3架构的中央处理模块、控制指令输入模块以及基于LCD液晶屏的显示模块，所述中央处理模块由中央处理器以及包含CAN总线通讯模块在内的外围接口模块组成，其中，所述中央处理器是一块32位的ARM单片机，中央处理器通过外围接口接收由指令输入模块传回的控制指令，经过分析和处理后再通过外围接口发送控制信号给爬行式机器人的主控制器，所述CAN总线通信模块连接中央控制模块与被控对象，控制命令通过这个模块传送到爬行式焊接机器人的主控制器；所述指令输入模块包括按钮开关及电位器旋钮，它们与中央控制模块通过GPIO和AD模数传感器相连接；所述LCD显示屏与中央控制模块的并行数字IO接口相连接，实时显示当前控制对象、状态及参数信息；软件部分包括嵌入式μCOS-II控制系统、硬件驱动程序以及在控制系统上运行的应用程序。

7.根据权利要求6所述的一种气电立焊自主移动式机器人系统，其特征在于：所述气电立焊自主移动式机器人系统在进行气电立焊作业时，机器人运动速度范围为40-400mm/min，操作机构（1）进行焊枪（56）焊缝（5）坡口对中的微调，通过电弧传感控制爬行机构（6）的运动速度以实现弧长控制、保证焊接质量，通过操作机构（1）纵向的摆动保证焊缝（5）填充。