CN105058382A - 一种新型混联五轴联动智能焊接平台 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种新型混联五轴联动智能焊接平台，包括定平台、串联运动单元、并联运动单元、末端运动单元、视觉单元、工作台；所述串联运动单元滑动安装于所述定平台上，所述并联运动单元安装在串联运动单元的直线电机固定板上，所述末端运动单元通过支链分别与并联运动单元的直线电机的两个动子转动连接，所述视觉单元用于获取焊缝图像数据。本发明构型新颖，结构简单紧凑，模块化程度高，制造、安装简单，姿态调整灵活，自动化程度高，具有五轴联动和焊缝跟踪焊接功能，能够在一次装夹中，完成五面的自动化高精度焊接，特别适用于带有复杂曲面形状、中小型零件焊接作业。

Description

一种新型混联五轴联动智能焊接平台

技术领域

本发明涉及工业焊接技术领域，尤其涉及一种带有机器视觉的新型混联五轴联动智能焊接平台。

背景技术

一个国家焊接技术发展水平的高低是其工业和科学技术现代化发展水平的一个重要标志，焊接在现代工业生产中具有十分重要的作用，几乎所有的产品，从几十万吨级的巨型轮船到不足1克的微型电子元器件，在生产过程中都不同程度地依赖着焊接技术。

目前，国内外焊接设备主要有关节焊接机器人、直角坐标焊接机器人等。关节焊接机器人，由于工作空间大、轨迹灵活而被广泛应用。如专利号为201420360561.8的《一种五轴焊接机器人的机械臂结构》，该机械臂机构为关节式，由转动机身，转动大臂，转动小臂与具有3个自由度的腕关节及末端执行器组成，这种多自由度关节焊接机器人工作空间大，在姿态调整上具有高度的灵活性和柔性，但该关节式焊接机器人冗长的悬臂结构，且都将电机安装在关节处，使得机械手臂显得笨重，存在转动惯量大、刚度差以及累积误差大等不足，机构的负载能力和动态性能较差，难以满足日益高速高精度要求。相对于关节焊接机器人，直角坐标焊接机器人具有结构简单，刚度较大，负载能力较大，重复定位精度较高，成本较低等优点。如专利号为200910310204.4的《自动焊锡机器人》，其主要包括X、Y、Z三个方向的模块，能够实现三自由度的焊接，而工件表面的多样性及复杂性使得该焊接机器人的使用受到一定的限制。多自由度直角坐标焊接机器人，如专利号为201310469417.8的《基于直角坐标系的焊接机器人》，虽然具有X、Y、Z、U、W轴五轴联动的功能，但由于串联机构的某些本身所固有的缺陷，如误差积累效应、控制精度较低、负载驱动能力有限等，从而限制了多自由度串联机构焊接平台的应用范围。

相比于串联机构，并联机构刚度高，控制精度高，易实现高速控制，其不足在于工作范围较小，灵活性和柔性相对较差。而混联机构具有负载能力强、高速高精度、控制解耦、工作空间较大、运动惯量低等优点，弥补了串联和并联机构的缺点，并展示了潜在的广泛应用前景。已有的混联焊接机器人中，如专利号为200910010905.6的《一种双并联叠加多功能机器人》，其并联机构由两个直线电机驱动，各直线电机的动子不能在另外一直线电机的定子上运动，使得直线电机的动子行程变小，从而使得并联机构的工作空间相对较小，以及焊枪安装在运动平台的万向工作头上，虽然万向工作头能够实现三个自由度的运动，但是万向工作头的制造比较困难，万向工作头本身的结构已经很复杂了，再在其上面安装其它执行元件有一定的难度。并且该机器人的工作台为固定工作台，会导致所有的姿态都集中在万向工作头上，由于误差累积效应，机器人在工作时，可能会导致初始化、定位不准确而达不到预期的效果。

此外以上传统的焊接机器人在焊接时，经常由于定位不准确而达不到预期的效果，为了提高焊接机器人的智能化、自动化水平以及焊接精度，具有视觉功能的焊接机器人受到许多学者的关注。已有的配有视觉功能的焊接机器人中，如专利号为200710179406.0的《大型工件焊接智能机器人装置》，该装置使用智能视觉控制技术，提高了焊接质量和效率，但是该装置具有9个串联的运动轴，使得制造，控制更加困难，且串联机构的具有误差积累效应、控制精度较低、负载驱动能力有限等缺陷。所以如何研制出灵活性好、精度高、可靠性高、成本较低、制造安装简单的焊接机器人，成为了许多学者研究的重要问题。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种新型混联五轴联动智能焊接平台。可解决现有技术中焊接负载能力差、精度低、结构复杂、安装调试困难、成本昂贵的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种新型混联五轴联动智能焊接平台，包括定平台、串联运动单元、并联运动单元、末端运动单元、视觉单元、工作台；

所述串联运动单元包括滑动设置于所述定平台上的直线电机固定板；

所述并联运动单元包括安装于所述直线电机固定板下方的双动子直线电机、第一支链、第二支链，所述第一支链头端与所述双动子直线电机的第一动子转动连接，所述第二支链头端与所述双动子直线电机的第二动子转动连接；

所述末端运动单元包括动平台、伺服电机、焊枪，所述动平台与所述第一支链、第二支链末端转动连接，所述伺服电机安装于所述动平台下方，所述焊枪通过焊枪支架安装于所述伺服电机的输出端上，所述视觉单元安装于所述焊枪支架上，获取所述焊枪的焊缝信息；

所述工作台为旋转工作台，置于所述动平台下方。

进一步地，所述定平台包括机架以及分别平行设置于所述机架两侧上的直线导轨，所述直线电机固定板滑动设置在所述直线导轨上。

更进一步地，所述第一支链、第二支链均包括连接板、连杆，所述连接板分别固定设置在所述第一动子、第二动子下方，所述连杆两端分别铰接于所述连接板下方以及所述动平台上方。

更进一步地，所述第一支链、第二支链的连杆的长度均相等，且构成同一支链的连杆相互平行。

更进一步地，所述串联运动单元由直线电机、气缸或旋转电机配合滚珠丝杆副驱动。

更进一步地，所述视觉单元包括激光视觉传感器、图像采集卡和工业控制计算机，所述工业控制计算机通过所述图像采集卡获取所述激光视觉传感器的焊缝图像数据。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明通过一个双动子直线电机驱动平行四边形并联机构能够实现两个自由度的运动，使得该平台构型新颖，结构简单，控制精度高，且并联机构形成基础龙门,提高了整机刚性。在并联运动平台上附加一自由度纵向移动串联结构、在动平台上附加一自由度摆动机构,配以工作台的旋转运动，各轴可相互配合协调运动，姿态调整灵活，能够实现五轴联动功能，且各轴运动机构模块化程度高，安装调试方便。在摆动机构上配有机器视觉，能够感知焊接过程工件位置信息和焊缝成形信息，通过执行机构实现焊枪在空间内的高精度位置调节和旋转姿态调整，能够完成工件5面的高精度焊缝跟踪焊接，自动化程度高，特别适用于带有复杂曲面形状、中小型零件焊接作业。

附图说明

图1是实施例1的整体结构示意图；

图2是实施例2结构示意图；

图3是实施例3结构示意图；

图4是实施例4结构示意图；

图5是实施例5结构示意图；

图6是实施例6结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

参照图1所示的实施例1的整体结构示意图。

本发明实施例的一种新型混联五轴联动智能焊接平台，包括定平台、串联运动单元、并联运动单元、末端运动单元、视觉单元、工作台。

定平台包括机架1和直线导轨2，机架1为框型，由高品质铝合金型材搭建，直线导轨2为一对且平行地安装于机架1上。

串联运动单元包括滑块3、直线电机固定板4，直线电机固定板4两端分别通过滑块3滑动安装于直线导轨2上。串联运动单元的驱动由直线电机直接驱动、气缸或滚珠丝杆副驱动，能够实现该平台的纵向移动，图中未示出，但本实施例在此不为限。

并联运动单元包括双动子直线电机5、第一支链、第二支链，双动子直线电机5固定安装于直线电机固定板4下方，双动子直线电机5主要包括定子51和设置在定子51上的第一动子52、第二动子53，第一动子52通过第一支链与动平台9连接，第二动子53通过第二支链与动平台9连接。

第一支链、第二支链均包括连接板、连杆，连接板6、61分别固定设置在所述第一动子52、第二动子53下方，各支链连杆8长度相等，且各支链连杆数量至少为两条，构成同一支链的连杆相互平行，连杆8两端分别铰接于连接板6、61下方以及动平台9上方。

末端运动单元包括动平台9、伺服电机支架10、伺服电机11、焊枪支架12、焊枪13,伺服电机支架10安装在动平台下方、伺服电机11安装在伺服电机支架10上，焊枪支架12通过减速装置安装在伺服电机11轴上，焊枪13安装在焊枪支架12上，焊枪13在伺服电机11的驱动下能够做摆角运动。

视觉单元能够感知焊接过程工件位置信息和焊缝成形信息，通过执行机构实现焊枪13在空间内的高精度位置调节和旋转姿态调整，能够对工件进行高精度跟踪焊接，提高了焊接质量和效率。视觉单元包括激光视觉传感器13、图像采集卡（图中未示出）和工业控制计算机（图中未示出）。激光视觉传感器14安装在焊枪支架12上，图像采集卡直接安插在工业控制计算机的PCI插槽上。工业控制计算机通过图像采集卡提取焊接过程视觉信息的处理和特征，实现对焊缝的实时视觉测量和监控功能。

工作台14为旋转工作台，增加了该平台的一个自由度。

在本发明中，连杆的头端与连接板的连接位置与其末端在动平台上的连接位置相同，且各支链的连杆可在垂直面上交叉混合配置。

如图2~图6所示实施例2~6对应的连杆末端在动平台9上的交叉混合配置结构示意图，其它结构与实施例1所描述一致，本发明在此不做重复性说明。

本发明实施例的新型混联五轴联动智能焊接平台构型新颖,结构简单紧凑,模块化程度高，制造、安装简单，姿态调整灵活，自动化程度高，使用双动子直线电机可实现动平台在两个自由度上精确地控制，并联机构刚度高，工作范围大，运动惯量低，易于调整控制，使用舵机控制焊枪在另一自由度上精确旋转，并配合另一自由度上的旋转的工作台，形成具有五轴联动和焊缝跟踪焊接功能，能够在一次装夹中，完成5面的自动化高精度焊接，特别适用于带有复杂曲面形状、中小型零件焊接作业。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种新型混联五轴联动智能焊接平台，其特征在于，包括定平台、串联运动单元、并联运动单元、末端运动单元、视觉单元、工作台；

所述串联运动单元包括滑动设置于所述定平台上的直线电机固定板；

所述并联运动单元包括安装于所述直线电机固定板下方的双动子直线电机、第一支链、第二支链，所述第一支链头端与所述双动子直线电机的第一动子转动连接，所述第二支链头端与所述双动子直线电机的第二动子转动连接；

所述末端运动单元包括动平台、伺服电机、焊枪，所述动平台与所述第一支链、第二支链末端转动连接，所述伺服电机安装于所述动平台下方，所述焊枪通过焊枪支架安装于所述伺服电机的输出端上，所述视觉单元安装于所述焊枪支架上，获取所述焊枪的焊缝信息；

所述工作台为旋转工作台，置于所述动平台下方。

2.根据权利要求1所述的新型混联五轴联动智能焊接平台，其特征在于，所述定平台包括机架以及分别平行设置于所述机架两侧上的直线导轨，所述直线电机固定板滑动设置在所述直线导轨上。

3.根据权利要求2所述的新型混联五轴联动智能焊接平台，其特征在于，所述第一支链、第二支链均包括连接板、连杆，所述连接板分别固定设置在所述第一动子、第二动子下方，所述连杆两端分别铰接于所述连接板下方以及所述动平台上方。

4.根据权利要求3所述的新型混联五轴联动智能焊接平台，其特征在于，所述第一支链、第二支链的连杆的长度均相等，且构成同一支链的连杆相互平行。

5.根据权利要求4所述的新型混联五轴联动智能焊接平台，其特征在于，所述串联运动单元由直线电机、气缸或旋转电机配合滚珠丝杆副驱动。

6.根据权利要求1所述的新型混联五轴联动智能焊接平台，其特征在于，所述视觉单元包括激光视觉传感器、图像采集卡和工业控制计算机，所述工业控制计算机通过所述图像采集卡获取所述激光视觉传感器的焊缝图像数据。