CN102672315A - 一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人焊接技术领域，具体来说是一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统,包括机器人本体、控制系统和焊接系统，机器人本体、控制系统和焊接系统三者通过线缆连接；所述机器人本体为2台，机器人本体控制箱为2套，传感系统为2套，焊枪为2个；上述两套设备对称设置，所述2台机器人本体分别吸附在待焊接工件两侧。本发明的优点在于爬行装置采用接触式磁轮吸附和非接触式间隙吸附的复合方式，三轮结构，所有车轮均为驱动轮，采用冗余控制转向方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向，通过前轮转向角度的精确控制提高了爬壁机器人转向精度，运动灵活性好，可绕车体中心转向，最小转向半径为0，机器人可在导磁壁面可靠吸附并实现自主灵活移动。

Description

一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统

技术领域

本发明属于机器人焊接技术领域，具体来说是一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统。

背景技术

双面双弧焊接工艺是针对大型厚壁工件采用对称坡口双面同时施焊，相对于传统的大厚板非对称坡口，无需进行先焊面后热、后焊面气刨前预热、碳弧气刨、打磨、磁粉检验等多道中间施工工序，大大减轻了工人的劳动强度，显著提高焊接生产效率，缩短了施工周期，降低了生产成本。

如专利申请号为CN200410082758.0，申请日为2004-11-8，名称为“双面双弧焊焊接方法”的发明专利，其技术方案为：将待焊接的工件连接部位制作成双面焊接坡口；焊接前，对制成的双面焊接坡口及其两侧表面进行打磨，并清洗坡口及其两侧表面；首先以两台焊机的两个焊枪引出的两个独立电弧，分别在双面焊接坡口进行双面双弧对称打底焊接；打底焊接后再以两个独立电弧分别在双面焊接坡口进行双面双弧填充焊接。上述专利两台焊机的两个焊枪引出两个独立的电弧，分别在双面焊接坡口进行双面双弧打底和填充焊接。

再如专利申请号为CN200910039788.6，申请日为2009-5-26，名称为“立式双面双弧等离子对称焊接方法”的发明专利，其技术方案为：将工件沿焊缝方向竖直放置，在工件正反两面两侧分别水平设置变极性等离子弧焊焊枪，和熔化极惰性气体保护焊焊枪或非熔化极惰性气体保护焊焊枪。上述专利给出了一种立式双面双弧等离子对称焊接方法，双面焊枪采用等离子和熔化极或非熔化极的焊接方法进行焊接，结合等离子弧和熔化极或非熔化极电弧的特点实现双面焊接过程。

上述两种专利只给出了双面双弧的焊接方法。要实现双面双弧的焊接，靠人工手持焊枪很难保证焊接质量和焊接效率，同时增加了工人的焊接劳动强度。

为提高生产效率和产品质量稳定性，改善工人劳动环境，降低劳动强度。焊接机器人系统一般由焊接承载机构、焊接系统、控制系统组成。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；焊接系统由焊接电源、焊枪、保护气、送丝机构等组成；控制系统负责承载机构的运动、跟踪、焊接质量控制等。目前常用于自动化焊接的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。清华大学开发了履带式磁吸附自主移动式焊接机器人，履带式吸附移动机构吸附可靠性好，但其转向性能受限，造成机器人系统全位置作业运动灵活性不足，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，其移动机构运动灵活性好，但是吸附能力差。本发明提出一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统，结合双面双弧焊接工艺，给出自主移动式机器人本体、系统组成及系统控制。

综上所述，现有的机器人或者是运动灵活性较好而负载能力差，或者是负载能力强而运动灵活性差，未能较好地解决机器人移动和吸附的矛盾，综合性能不好。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术在移动性和吸附能力两方面综合性能的不足，设计一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统，包括机器人本体、控制系统和焊接系统，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，所述爬行机构为三轮结构，三轮均为驱动轮，采用冗余控制转向方式实现在导磁壁面上的转向；操作机构安装在爬行机构上；

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；所述传感系统包括激光跟踪传感器、环境监控传感器和熔池监控传感器；

焊接系统包括焊枪、焊接电源、送丝机、保护气、遥操作手控盒；

机器人本体、控制系统和焊接系统三者通过线缆连接；

所述机器人本体为2台，机器人本体控制箱为2套，传感系统为2套，焊枪为2个；上述两套设备对称设置，所述2台机器人本体分别吸附在待焊接工件两侧。

两套焊接系统的设置并不是简单的将各自独立的焊接系统进行叠加，而是需要在控制箱内对两套焊机系统进行相应设置，使得两套系统能够配合完成焊接工作，而不是各自简单的独立工作并，但是上述控制箱内部做出的设置是则本领域技术人员所知晓的。

所述驱动转向一体化磁轮装置的具体结构为：后轮底盘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，直流电机后接二级减速器带动车轮，所述二级减速器的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；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；

所述永磁间隙吸附装置环绕后轮，并且安装在底盘上，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，永磁间隙吸附装置包括12块沿厚度方向充磁的钕铁硼永磁体，每个后轮各布置6块永磁体，相邻永磁体的电极相异，N极和S极交错排列构成磁路。

操作机构包括十字滑块和摆动器组成水平和垂直两个方向的两个自由度采用丝杠导轨，摆动器为步进电机搭配蜗轮蜗杆减速器；

所述的操作机构具体包括十字滑块横轴、十字滑块纵轴、连接臂、焊缝跟踪传感器连接件和摆动器连接件，十字滑块横轴与十字滑块纵轴是分别包括步进电机与精密滚珠丝杠导轨，焊缝跟踪传感器安装在连接件的前端，摆动器连接件安装在连接臂的端部，摆动机构安装在摆动器连接件上，摆动机构前端夹持焊枪，焊枪夹持及姿态调整机构。

进一步的，所述底盘为低碳钢，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。

机器人控制系统采用宏观遥控微观自主的控制方式，即操作者利用遥控手操盒控制2台机器人分别运动到起弧位置附近，再由机器人传感控制系统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。机器人控制系统采用PCC或者其他工业PC作为主控系统，单台激光跟踪传感系统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，2台机器人之间的配合由机器人主控制系统协调控制；焊接系统的控制包含起弧收弧等开关量控制、工艺参数设置。

所述打底焊时2台机器人实施非对称焊接，填充焊时2台机器人对称焊接。

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，前轮模块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、本发明所述爬行装置采用接触式磁轮吸附（即驱动转向一体化磁轮）和非接触式间隙吸附（即包括永磁间隙吸附装置）的复合方式，三轮结构，所有车轮均为驱动轮，采用冗余控制转向方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向，通过前轮转向角度的精确控制提高了爬壁机器人转向精度，运动灵活性好，可绕车体中心转向，最小转向半径为0，机器人可在导磁壁面可靠吸附并实现自主灵活移动。

2、转向机构引入冗余控制方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向，通过前轮转向角度的精确控制提高了爬壁机器人转向精度。

3、本发明同时采用了磁轮和永磁间隙吸附装置，前轮采用磁轮，在保证吸附力的同时提高了结构的紧凑性，同时环绕后轮在底盘上安装了永磁间隙吸附装置，保证爬壁机器人具有强负载能力。 

4、本发明所述的双面双弧焊接机器人系统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式移动方式，机器人可在大型钢结构厚板表面全位置自主灵活移动、可靠吸附并实施双面双弧焊接作业，系统综合性能好。

5、本发明所述的双面双弧焊接自主移动式机器人系统采用“宏观遥控，微观自主”的控制方式，完成焊接起始位置的寻找及调整，可自主识别坡口中心点，具备焊接参数远程设置及在线调节功能，具备宏观工件环境监控及微观熔池监控能力。

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、两个自主移动式机器人与两把焊枪相互结合的优点在于两套焊接机器人系统能在自主移动的同时实现双面双弧焊接，保证了焊接质量、减少了焊接变形、降低接头应力。

附图说明

图1 本发明提出的双面双弧焊接自主移动式机器人系统结构图。

图2 本发明提出的双面双弧焊接自主移动式机器人系统的爬行机构。

图3 本发明提出的双面双弧焊接自主移动式机器人系统的操作机构。

图4 本发明提出的双面双弧焊接自主移动式机器人控制系统图。

图5为本发明提出的双面双弧焊接自主移动式机器人系统的爬行机构后轮模块部分。

图6为永磁间隙吸附装置结构示意图。

图7为驱动转向一体化磁轮结构示意图。

图8为前轮过转向轴和锥齿轮轴的剖视图。

图9为磁轮剖视图。

附图中11机器人本体，12爬行机构，13操作机构，14焊枪，15激光跟踪传感器，16熔池监控传感器，17环境监控传感器；

21前轮模块，22车架，23电机驱动控制器，24后轮模块；

31十字滑块横轴、32十字滑块纵轴、33连接臂、34焊缝跟踪传感器连接件、35摆动器连接件，36摆动机构， 38焊缝跟踪传感器。

39前轮模块永磁体，40轭铁。

51永磁体，52底盘，53车轮，54涡轮蜗杆减速器，55行星齿轮减速器，56电机；57同步带，58减速器，59转向基础板，60 .20齿直齿锥齿轮；

61转向轴，62.60齿圆柱齿轮，63.19齿圆柱齿轮，64锥齿轮轴，65.40齿直齿锥齿轮。

具体实施方式

一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统，包括机器人本体、控制系统和焊接系统，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，所述爬行机构为三轮结构，三轮均为驱动轮，采用冗余控制转向方式实现在导磁壁面上的转向；操作机构安装在爬行机构上；

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；所述传感系统包括激光跟踪传感器、环境监控传感器和熔池监控传感器；

焊接系统包括焊枪、焊接电源、送丝机、保护气、遥操作手控盒；

机器人本体、控制系统和焊接系统三者通过线缆连接；

所述机器人本体为2台，机器人本体控制箱为2套，传感系统为2套，焊枪为2个；上述两套设备对称设置，所述2台机器人本体分别吸附在待焊接工件两侧。

所述驱动转向一体化磁轮装置的具体结构为：后轮底盘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，直流电机后接二级减速器带动车轮，所述二级减速器的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；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；

所述永磁间隙吸附装置环绕后轮，并且安装在底盘上，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，永磁间隙吸附装置包括12块沿厚度方向充磁的钕铁硼永磁体，每个后轮各布置6块永磁体，相邻永磁体的电极相异，N极和S极交错排列构成磁路。

操作机构包括十字滑块和摆动器组成水平和垂直两个方向的两个自由度采用丝杠导轨，摆动器为步进电机搭配蜗轮蜗杆减速器；

所述的操作机构具体包括十字滑块横轴、十字滑块纵轴、连接臂、焊缝跟踪传感器连接件和摆动器连接件，十字滑块横轴与十字滑块纵轴是分别包括步进电机与精密滚珠丝杠导轨，焊缝跟踪传感器安装在连接件的前端，摆动器连接件安装在连接臂的端部，摆动机构安装在摆动器连接件上，摆动机构前端夹持焊枪，焊枪夹持及姿态调整机构。

进一步的，所述底盘为低碳钢，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。

机器人控制系统采用宏观遥控微观自主的控制方式，即操作者利用遥控手操盒控制2台机器人分别运动到起弧位置附近，再由机器人传感控制系统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。机器人控制系统采用PCC或者其他工业PC作为主控系统，单台激光跟踪传感系统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，2台机器人之间的配合由机器人主控制系统协调控制；焊接系统的控制包含起弧收弧等开关量控制、工艺参数设置。

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。机器人系统机下部分包括控制主机、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、水管、气管和信号线。操作机构末端带有焊枪摆动器，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、传感系统（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：包括机器人主控系统、遥控操作盒、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。

下面结合附图进一步详细描述本发明。

如图1所示，双面双弧自主移动式焊接机器人系统在焊接工件的两侧分别有对称摆放的机器人本体爬行机构和机器人本体爬行机构。两台机器人机构完全相同，机器人操作机构上安装有焊枪、激光跟踪传感器和熔池监控传感器，机器人本体上装有环境监控传感器。传感系统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。2台自主移动式焊接机器人分别吸附在工件两侧，根据激光传感实时进行焊缝坡口跟踪，进行双面双弧焊接。打底焊时，2台机器人实施非对称焊接，前面机器人焊接时对后面机器人实施预热，后面机器人对前面机器人实施后热；填充焊时2台机器人对称焊接，避免焊接时的金属氧化、造渣等问题。

如图2所示，机器人本体包括爬行机构和操作机构。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。如图5所示，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3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4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，采用熔池监控传感器实现微观焊接熔池的监控；具备手操盒远程控制机器人系统功能。

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。视频服务器通过视频接口⑧⑩接受环境监控云台、环境监控摄像机、熔池监控摄像机的视频信息。

永磁间隙吸附装置如图6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7是前轮的三维模型图，图8是前轮过转向轴和锥齿轮轴的剖视图，图9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，前轮模块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。

本申请中的焊枪为本领域技术人员公知能够实现双面双弧焊接的焊枪。

Claims (8)

1.一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统，包括机器人本体（1）、控制系统和焊接系统，其特征在于：

机器人本体（1）包括爬行机构（12）和操作机构（13）：所述爬行机构（12）包括采用驱动转向一体化磁轮的前轮模块（21）、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块（24）、连接前后轮的车架（22）和安装在车架（22）上的电机驱动控制器（23），所述爬行机构（12）为三轮结构，三轮均为驱动轮，采用冗余控制转向方式实现在导磁壁面上的转向；操作机构（13）安装在爬行机构（12）上；

控制系统包括传感系统、机器人本体（1）控制箱和机器人主控系统；所述传感系统包括激光跟踪传感器（15）、环境监控传感器（17）和熔池监控传感器（16）；

焊接系统包括焊枪（14）、焊接电源、送丝机、保护气、遥操作手控盒；

机器人本体（1）、控制系统和焊接系统三者通过线缆连接；

所述机器人本体（1）为2台，机器人本体（1）控制箱为2套，传感系统为2套，焊枪（14）为2个；上述两套设备对称设置，所述2台机器人本体（1）分别吸附在待焊接工件两侧。

2.根据权利要求1所述的一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统，其特征在于：所述驱动转向一体化磁轮装置的具体结构为：后轮底盘（52）为轭铁（40）与环绕车轮（53）安装在后轮底盘（52）上的永磁体（51）一起构成磁路的一部分，直流电机（56）后接二级减速器（58）带动车轮（53），所述二级减速器（58）的第一级为行星齿轮减速器（55），第二级为涡轮蜗杆减速器（54），涡轮蜗杆减速器（54）通过螺钉连接安装在后轮底盘（52）上；直流无刷电机（56）及行星齿轮减速器（55）经过20齿直齿锥齿轮（60）和40齿直齿锥齿轮（65）传动带动锥齿轮轴（64）旋转，锥齿轮轴（64）再通过19齿圆柱齿轮（63）和60齿圆柱齿轮（62）传动带动转向轴（61）旋转，转向轴（61）与转向基础板（59）通过螺钉联接固定。

3.根据权利要求2所述的一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统，其特征在于：所述永磁间隙吸附装置环绕后轮，并且安装在底盘（52）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（52）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，永磁间隙吸附装置包括12块沿厚度方向充磁的钕铁硼永磁体（51），每个后轮各布置6块永磁体（51），相邻永磁体（51）的电极相异，N极和S极交错排列构成磁路。

4.根据权利要求3所述的一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统，其特征在于：操作机构（13）包括十字滑块和摆动器组成水平和垂直两个方向的两个自由度采用丝杠导轨，摆动器为步进电机搭配蜗轮蜗杆减速器（58）；

所述的操作机构（13）具体包括十字滑块横轴（31）、十字滑块纵轴（32）、连接臂（33）、焊缝跟踪传感器（38）连接件（34）和摆动器连接件（35），十字滑块横轴（31）与十字滑块纵轴（32）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（38）安装在连接件的前端，摆动器连接件（35）安装在连接臂（33）的端部，摆动机构（36）安装在摆动器连接件（35）上，摆动机构（36）前端夹持焊枪（14），焊枪（14）夹持及姿态调整机构。

5.根据权利要求4所述的一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统，其特征在于：进一步的，所述底盘（52）为低碳钢，作为轭铁（40）与环绕车轮（53）安装在后轮底盘（52）上的永磁体（51）一起构成磁路。

6.根据权利要求5所述的一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统，其特征在于：机器人控制系统采用宏观遥控微观自主的控制方式，即操作者利用遥控手操盒控制2台机器人分别运动到起弧位置附近，再由机器人传感控制系统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；

机器人控制系统采用PCC或者其他工业PC作为主控系统，单台激光跟踪传感系统采集的坡口中心点偏差信号控制机器人本体（1）和操作机构（13）运动，2台机器人之间的配合由机器人主控制系统协调控制；焊接系统的控制包含起弧收弧等开关量控制、工艺参数设置。

7.根据权利要求6所述的一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统，其特征在于：所述打底焊时2台机器人实施非对称焊接，填充焊时2台机器人对称焊接。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种自主移动式双面双弧焊接机器人系统，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（61）支承在圆锥滚子轴承上，转向轴（61）与60齿直齿齿轮连接，角度传感器输入轴与转向轴（61）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（56）与转向电机安装板连接，20齿直齿锥齿轮（60）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（65）连接安装在锥齿轮轴（64）上，锥齿轮轴（64）由安装在转台上支撑板的第一深沟球轴承支承，锥齿轮轴（64）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（61）的下端与转向基板连接，车轮（53）左侧安装板、车轮（53）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（56）与驱动电机安装板连接，小同步带（57）轮轴与驱动减速电机（56）的输出轴固接，小同步带（57）轮通过平键联接安装在小同步带（57）轮轴上，前轮模块（21）永磁体（51）和车轮轭铁（40）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（57）轮通过平键联接安装在车轮轴的另一侧，大同步带（57）轮和小同步带（57）轮之间由同步带（57）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（56）与车轮轴之间通过同步带（57）传动，转向驱动机构还包括转向轴（61），转向轴（61）下部安装有车轮驱动机构及滚轮，所述转向轴（61）线与车轮轴线垂直正交。

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