CN103480948A - 一种用于狭窄空间焊接的自主移动机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于狭窄空间焊接的自主移动机器人，包括机器人本体，旋转扫描焊炬和控制系统；机器人本体包括移动机器人底盘，十字滑块调节装置，焊炬连接装置，焊接线缆固定装置；旋转扫描焊炬在焊接过程中，使焊枪匀速旋转并为控制器产生采样触发信号；控制系统根据霍尔电流传感器采集的电流信号实现焊接过程中焊缝偏差识别，自主完成焊接工作；机器人底盘与十字滑块调节装置运动控制；焊接线缆固定装置使焊接电缆管线可靠的固定于机器人本体上。本发明焊接机器人可在准平面工件上灵活移动，外形尺寸小，特别适合于狭窄空间的自动焊接。

Description

一种用于狭窄空间焊接的自主移动机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体地涉及一种用于狭窄空间焊接的自主移动机器人。

背景技术

    随着对焊接的质量和焊接效率的要求越来越高，人工焊接成本提高，使得焊接机器人的需求和使用也越来越广泛。

由于狭窄空间的焊接，如船舱、集装箱内部的焊接，具有作业空间狭小，焊接工人作业时身体不能自由伸展，工作条件十分恶劣，另外，这些结构大多顶部密封，光线比较昏暗，焊接时的烟尘难以排出，对焊接工人的身体伤害很大，甚至导致死亡等特点。

对于现有的工业机器人来说，其手臂长度一般为1.5-2.0m，由于其底座不能移动，所以不能焊接大尺寸的工件。对于龙门式焊接机器人来说，虽然焊接尺寸较大，但也仅限于车间的空间范围内。而上述结构一般尺寸很大，多数要在车间外进行焊接。此外，目前工业中应用的焊接机器人需要用编程或示教方式进行工作，对于这种体型庞大，需要在工地和现场进行焊接的工件难以适应。虽然国内外也开发了很多移动式焊接机器人，用以解决大型工件的施工现场自动焊接问题，但这些机器人都是针对大型开阔区域的焊接作业，系统复杂，使用和移动不方便，难以适应狭窄空间的焊接自动化要求。

发明内容

本发明的目的是针对狭窄空间焊接要求，提供一种狭窄空间下V形坡口和角焊缝的自主移动焊接机器人。

本发明所述用于狭窄空间焊接的自主移动机器人包括：机器人本体、旋转扫描焊炬和控制系统；

机器人本体包括机器人底盘、焊炬调节装置、焊接线缆固定装置、电机罩、机体盖、提手和防尘罩；控制系统包括传感器、控制器和触摸屏；旋转扫描焊炬通过螺栓安装于焊炬调节装置上，在焊接过程中，焊枪匀速旋转通过光码盘产生脉冲信号，为控制器提供采样触发信号；

所述机器人底盘包括驱动装置、导向轮、永磁间隙吸附装置和安装上述装置的机体；机器人底盘采用三轮差速驱动结构形式，两驱动轮与导向轮构成机器人本体运动平面，利用两后驱动轮差速实现机器人本体的移动和转向；驱动装置包括一驱动轴、两步进电机、两减速器、两对传动齿轮、两驱动轮和两驱动轴支座组成，驱动轮上安装绝缘橡胶轮胎，增加与焊接工件表面的摩擦系数，同时使机器人本体与焊接工件绝缘；导向轮包括万向球和绝缘套，采用螺栓安装于机体前部，与两驱动轮构成机器人移动平面，且通过绝缘套与机体绝缘，万向球包括导向轮本体，钢珠，压盖，弹性档圈，钢球；永磁间隙吸附装置包括磁铁调节手柄、磁铁凸轮轴、磁铁凸轮轴套、磁铁传动板、磁座、永磁铁、磁座轴承座、磁座轴，永磁铁通过磁铁传动板固定安装在磁座中，磁座通过磁座轴承座与支承底盘相连接，且可以绕磁座轴转动，磁铁调节手柄与磁铁凸轮轴相连接，永磁间隙吸附装置安装于导向轮和驱动轴之间，吸附装置与导磁工作之间的吸附力通过转动磁铁调节手柄来调节其两者之间气隙实现；

所述焊炬调节装置包括十字滑块和焊炬连接装置；十字滑块由水平滑块和垂直滑块组成，水平滑块由一个滚珠丝杆导轨和步进电机组成，垂直滑块由一可手动调节的螺杆组成，且通过连接板安装于机体上；焊炬连接装置结构包括：焊炬连接座，垫片，焊炬连接轴，调节手柄，焊炬连接板和螺母；焊炬连接板通过螺栓安装于水平滑块上；焊炬与焊炬连接座采用螺栓连接，焊炬连接座通过焊炬连接轴安装于连接板上，且通过一螺母拧紧；焊炬连接轴一端与调节手柄相连；

所述焊接线缆固定装置包括固定座、线缆座、线缆座轴、线缆座盖、夹紧螺栓、夹紧螺母；固定座通过螺栓固定于焊接机器人机体上，固定座与线缆座通过连接螺栓与连接螺母连接，且可相对转动；线缆座与线缆座盖通过线缆座轴相连；焊接线缆安装于线缆座与线缆座盖之间，并通过夹紧螺栓和夹紧螺母固定夹紧；

所述传感系统包括霍尔电流传感器、避障传感器和防跌落传感器；霍尔电流传感器固定于焊接电缆上，用于检测焊接过程中的电流信号；避障传感器采用超声传感器，安装于机体前部；防跌落传感器采用光电传感器，安装于机体四周；

所述控制器包括主控制器和电机驱动器，且安装于移动平台上；主控制器包括工业控制计算机，数据采集卡和运动控制卡；传感器、主控制器和电机驱动器通过电缆相连；

本发明所述用于狭窄空间焊接的自主移动机器人的工作方式：先由人工操作触摸屏至焊接起始位置，根据工件的焊接工艺要求，使用垂直滑块调节手轮调节焊接干伸长，焊炬连接装置调整焊炬摆角，设置焊缝类型号即V形或角焊缝，焊接速度，焊接电流和电压等参数，起弧焊接，工业控制计算机设定控制周期，旋转扫描焊炬中焊枪匀速旋转产生脉冲信号，为数据采集卡提供采样触发信号，工业控制计算机根据霍尔电流传感器采集电流值实现焊缝偏差识别，计算控制各驱动电机的控制量，输入至运动控制卡转换成控制驱动电机的方向和脉冲信号，然后电机驱动器控制机器人底盘及焊炬调节装置各电机的运动，从而控制焊枪移动并施焊，实现焊接过程中的自主移动和自动焊接；

移动焊接机器人底盘机构移动和转向通过控制两独立的驱动电机转速来实现，当两驱动电机转速相同是，机器人沿直线运动；如需转向，可控制两驱动电机转速不同来实现；

当避障装置检测到前方有障碍物时，超声传感器发信号给机器人控制器，然后控制器通过控制两驱动电机差速来转向避障；当防跌落装置检测到前方无工件平面时，传感器发信号给机器人控制器，然后控制器通过控制两驱动电机使机器人底盘停止运动；

永磁间隙吸附装置可实现吸附力可调节，移动机器人底盘机构正常工作时，磁铁凸轮轴的凸轮的基圆与磁铁传动板接触，此时磁吸附装置与导磁工件距离最小，磁吸附力最大，增加机器人驱动能力和稳定性；当转动磁铁调节手柄一定角度，磁铁凸轮轴的凸轮向上顶起磁铁传动板，使磁座绕磁座轴转动，从而使永磁铁与导磁工件的距离增大，从而使磁吸附力减小；当操作人员需要搬运机器人时，可使磁铁调节手柄转动90度的角度，此时永磁铁与导磁工件的距离最大，磁吸附力最小；

焊接线缆安装于线缆座与线缆座盖之间，由夹紧螺栓和夹紧螺母固定夹紧；焊接机器人在移动过程时，由于线缆座与固定座绕连接螺栓可相对转动，使焊接线缆处于相对较大的弯曲半径，减小送丝阻力；

焊炬连接装置在焊接机器人开始时，如需调节焊炬摆角，反向拧松调节手柄，此时，焊接连接座可绕焊炬连接板相对转动，调整到所需角度后，正向拧紧调节手柄，从而使焊接连接座与焊炬连接板固定。

本发明的有益效果：

采用两轮差速驱动，可实现原地360度转向和移动，有效减少了工作空间的死角，控制简单。

采用永磁间隙吸附装置，附着力大，提高驱动力和稳定性；同时，由于吸附力可调节，使机器人在搬运过程中安全、省力。

采用超声传感器检测机体前方障碍物，具有避障能力。

由于机体四周安装了光电传感器，可检测机器人所处环境，防止机器人跌落损坏。

焊炬摆角可通过调节手柄任意调整，无需使焊炬与机器人本体分离。

采用电弧传感器实现焊接过程中焊缝识别，跟踪精度可达±0.5mm。

机器人外形尺寸小，重量轻，可在狭窄空间工作环境下灵活运动。

机器人控制系统集成到机器人本体上，使用更方便。

附图说明

图1为本发明用于狭窄空间焊接的自主移动机器人结构示意图；

图中：1、旋转扫描焊炬 11、机器人底盘机构 12、超声传感器 13、机体罩 14、磁力调节手柄 15、驱动轮胎 16、电机罩 17、机体盖 18、提手 19、垂直滑块调节手轮 20、触摸屏 21、防尘罩 22、焊炬调节装置 23、焊接线缆固定装置 24、霍尔电流传感器 25、焊接线缆；

图2为本发明用于狭窄空间焊接的自主移动机器人内部结构示意图；

图中：102、光电传感器 106、控制箱 111、机体  221、焊炬连接装置 222、水平滑块 224、垂直滑块 

图3为本发明用于狭窄空间焊接的自主移动机器人系统的机器人底盘结构示意图；

图中：112、驱动装置 113、可调永磁间隙吸附装置 114、光电传感器 115、导向轮；

图4为驱动装置结构示意图；

图中：51、步进电机 52、电机连接块 53、减速器 54、螺钉 55、驱动轴支座 56、主动齿轮 57、被动齿轮 58、连接套 59、驱动轴 60、主动齿轮固定垫片 61、驱动轮；

图5为可调永磁间隙吸附装置结构示意图；

图中：61、磁座轴 62、磁座轴承座 63、磁座 64、磁铁凸轮轴 65、磁铁凸轮轴套 66、磁铁传动板 67、永磁铁；

图6为导向轮剖视图；

图中：701、导向轮本体 702、压盖 703、弹性档圈 704、万向球；

图7 为焊接线缆固定装置；

图中：81、固定座 82、连接螺栓 83、连接螺母 84、线缆座轴 85、线缆座盖 86、夹紧螺栓 87、夹紧螺母 88、连接轴 89、线缆座；

图8为焊炬连接装置的结构示意图；

图中：91、焊炬连接座 92、垫片 93、焊炬连接轴 94、调节手柄 95、焊炬连接板 ；

图9为本发明用于狭窄空间焊接的自主移动机器人控制系统硬件结构示意图。

具体实施方式

结合附图说明如下：本发明所述用于狭窄空间焊接的自主移动机器人包括：机器人本体，旋转扫描焊炬和控制系统；所述机器人本体包括机器人底盘，焊炬调节装置，焊接线缆固定装置，电机罩，机体盖，提手和防尘罩；所述控制系统包括传感器，控制器和触摸屏；所述旋转扫描焊炬通过螺栓安装于焊炬调节装置上，在焊接过程中，焊枪匀速旋转通过光码盘产生脉冲信号，为控制器提供采样触发信号。

所述机器人底盘包括驱动装置，导向轮，可调永磁间隙吸附装置和安装上述装置的机体；所述机器人底盘采用三轮差速驱动结构形式，两驱动轮与导向轮构成机器人本体运动平面；利用两后驱动轮差速实现机器人本体的移动和转向；所述驱动装置包括一驱动轴、两步进电机、两减速器、两对传动齿轮、两驱动轮和两驱动轴支座组成；所述驱动轮上安装绝缘橡胶轮胎，增加与焊接工件表面的摩擦系数，同时使机器人本体与焊接工件绝缘；所述的导向轮包括万向球和绝缘套，采用螺栓安装于机体前部，与两驱动轮构成机器人移动平面，且通过绝缘套与机体绝缘；所述的万向球包括导向轮本体，钢珠，压盖，弹性档圈，钢球。所述永磁间隙吸附装置包括磁铁调节手柄、磁铁凸轮轴、磁铁凸轮轴套、磁铁传动板、磁座、永磁铁、磁座轴承座、磁座轴，永磁铁通过磁铁传动板固定安装在磁座中，磁座通过磁座轴承座与支承底盘相连接，且可以绕磁座轴转动，磁铁调节手柄与磁铁凸轮轴相连接；所述永磁间隙吸附装置安装于导向轮和驱动轴之间，吸附装置与导磁工作之间的吸附力通过转动磁铁调节手柄来调节其两者之间气隙实现。

所述焊炬调节装置包括十字滑块和焊炬连接装置；十字滑块由水平滑块和垂直滑块组成，水平滑块由一个滚珠丝杆导轨和步进电机组成，垂直滑块由一可手动调节的螺杆组成，且通过连接板安装于机体上；所述焊炬连接装置结构包括：焊炬连接座，垫片，焊炬连接轴，调节手柄，焊炬连接板和螺母；焊炬连接板通过螺栓安装于水平滑块上；焊炬与焊炬连接座采用螺栓连接，焊炬连接座通过焊炬连接轴安装于连接板上，且通过一螺母拧紧；焊炬连接轴一端与调节手柄相连。

所述用于焊接线缆固定装置包括固定座、线缆座、线缆座轴、线缆座盖、夹紧螺栓、夹紧螺母；所述的固定座通过螺栓固定于焊接机器人机体上；所述固定座与线缆座通过连接螺栓与连接螺母连接，且可相对转动；所述的线缆座与线缆座盖通过线缆座轴相连；焊接线缆安装于线缆座与线缆座盖之间，并通过夹紧螺栓和夹紧螺母固定夹紧。

所述传感系统包括霍尔电流传感器、避障传感器和防跌落传感器；所述霍尔电流传感器固定于焊接电缆上，用于检测焊接过程中的电流信号；所述避障传感器采用超声传感器，安装于机体前部；所述防跌落传感器采用光电传感器，安装于机体四周；

所述控制器包括主控制器和电机驱动器，且安装于移动平台上；所述主控制器包括工业控制计算机，数据采集卡和运动控制卡；所述传感器、主控制器和电机驱动器通过电缆相连。

本发明所述用于狭窄空间焊接的自主移动机器人的工作方式：先由人工操作触摸屏至焊接起始位置，根据工件的焊接工艺要求，使用垂直滑块调节手轮调节焊接干伸长，焊炬连接装置调整焊炬摆角，设置焊缝类型号（V形或角焊缝），焊接速度，焊接电流和电压等参数，起弧焊接，工业控制计算机设定控制周期，旋转扫描焊炬中焊枪匀速旋转产生脉冲信号，为数据采集卡提供采样触发信号，工业控制计算机根据霍尔电流传感器采集电流值实现焊缝偏差识别，计算控制各驱动电机的控制量，输入至运动控制卡转换成控制驱动电机的方向和脉冲信号，然后电机驱动器控制机器人底盘及焊炬调节装置各电机的运动，从而控制焊枪移动并施焊，实现焊接过程中的自主移动和自动焊接。

所述移动焊接机器人底盘机构移动和转向通过控制两独立的驱动电机转速来实现，当两驱动电机转速相同是，机器人沿直线运动；如需转向，可控制两驱动电机转速不同来实现。

当所述避障装置检测到前方有障碍物时，超声传感器发信号给机器人控制器，然后控制器通过控制两驱动电机差速来转向避障。当所述防跌落装置检测到前方无工件平面时，传感器发信号给机器人控制器，然后控制器通过控制两驱动电机使机器人底盘停止运动。

所述永磁间隙吸附装置可实现吸附力可调节，具体工作原理是：移动机器人底盘机构正常工作时，磁铁凸轮轴的凸轮的基圆与磁铁传动板接触，此时磁吸附装置与导磁工件距离最小，磁吸附力最大，增加机器人驱动能力和稳定性；当转动磁铁调节手柄一定角度，磁铁凸轮轴的凸轮向上顶起磁铁传动板，使磁座绕磁座轴转动，从而使永磁铁与导磁工件的距离增大，从而使磁吸附力减小。当操作人员需要搬运机器人时，可使磁铁调节手柄转动90度的角度，此时永磁铁与导磁工件的距离最大，磁吸附力最小。

焊接线缆安装于线缆座与线缆座盖之间，由夹紧螺栓和夹紧螺母固定夹紧；焊接机器人在移动过程时，由于线缆座与固定座绕连接螺栓可相对转动，使焊接线缆处于相对较大的弯曲半径，减小送丝阻力。

所述焊炬连接装置在焊接机器人开始时，如需调节焊炬摆角，反向拧松调节手柄，此时，焊接连接座可绕焊炬连接板相对转动，调整到所需角度后，正向拧紧调节手柄，从而使焊接连接座与焊炬连接板固定。

Claims (5)

1.一种用于狭窄空间焊接的自主移动机器人，其特征在于：所述机器人包括机器人本体、旋转扫描焊炬和控制系统；

机器人本体包括机器人底盘、焊炬调节装置、焊接线缆固定装置、电机罩、机体盖、提手和防尘罩；控制系统包括传感器、控制器和触摸屏；旋转扫描焊炬通过螺栓安装于焊炬调节装置上，在焊接过程中，焊枪匀速旋转通过光码盘产生脉冲信号，为控制器提供采样触发信号；

所述机器人底盘包括驱动装置、导向轮、永磁间隙吸附装置和安装上述装置的机体；机器人底盘采用三轮差速驱动结构形式，两驱动轮与导向轮构成机器人本体运动平面，利用两个驱动轮差速实现机器人本体的移动和转向；驱动装置包括一驱动轴、两步进电机、两减速器、两对传动齿轮、两驱动轮和两驱动轴支座组成，驱动轮上安装绝缘橡胶轮胎，增加与焊接工件表面的摩擦系数，同时使机器人本体与焊接工件绝缘；导向轮包括万向球和绝缘套，采用螺栓安装于机体前部，与两驱动轮构成机器人移动平面，且通过绝缘套与机体绝缘，万向球包括导向轮本体，钢珠，压盖，弹性档圈，钢球；永磁间隙吸附装置包括磁铁调节手柄、磁铁凸轮轴、磁铁凸轮轴套、磁铁传动板、磁座、永磁铁、磁座轴承座、磁座轴，永磁铁通过磁铁传动板固定安装在磁座中，磁座通过磁座轴承座与支承底盘相连接，且可以绕磁座轴转动，磁铁调节手柄与磁铁凸轮轴相连接，永磁间隙吸附装置安装于导向轮和驱动轴之间，吸附装置与导磁工件之间的吸附力通过转动磁铁调节手柄来调节其两者之间气隙实现。

2.根据权利要求1所述的一种用于狭窄空间焊接的自主移动机器人，其特征在于：所述焊炬调节装置包括十字滑块和焊炬连接装置；十字滑块由水平滑块和垂直滑块组成，水平滑块由一个滚珠丝杆导轨和步进电机组成，垂直滑块由一可手动调节的螺杆组成，且通过连接板安装于机体上；焊炬连接装置结构包括：焊炬连接座、垫片、焊炬连接轴、调节手柄、焊炬连接板和螺母；焊炬连接板通过螺栓安装于水平滑块上；焊炬与焊炬连接座采用螺栓连接，焊炬连接座通过焊炬连接轴安装于连接板上，且通过一螺母拧紧；焊炬连接轴一端与调节手柄相连。

3.根据权利要求1所述的一种用于狭窄空间焊接的自主移动机器人，其特征在于：所述焊接线缆固定装置包括固定座、线缆座、线缆座轴、线缆座盖、夹紧螺栓、夹紧螺母；固定座通过螺栓固定于焊接机器人机体上，固定座与线缆座通过连接螺栓与连接螺母连接，且可相对转动；线缆座与线缆座盖通过线缆座轴相连；焊接线缆安装于线缆座与线缆座盖之间，并通过夹紧螺栓和夹紧螺母固定夹紧。

4.根据权利要求1所述的一种用于狭窄空间焊接的自主移动机器人，其特征在于：所述传感系统包括霍尔电流传感器、避障传感器和防跌落传感器；霍尔电流传感器固定于焊接电缆上，用于检测焊接过程中的电流信号；避障传感器采用超声传感器，安装于机体前部；防跌落传感器采用光电传感器，安装于机体四周。

5.根据权利要求1所述的一种用于狭窄空间焊接的自主移动机器人，其特征在于：所述控制器包括主控制器和电机驱动器，且安装于移动平台上；主控制器包括工业控制计算机，数据采集卡和运动控制卡；传感器、主控制器和电机驱动器通过电缆相连。

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