CN109702296A - 一种移动式五自由度焊接机器人及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动式五自由度焊接机器人及其设计方法。其中：机器人的轮式移动底盘系统顶部中间位置固定设置有第三丝杠，第三丝杆套接有垂直滑块E，与垂直滑块E活动连接，垂直滑块E中部固定连接有第二丝杆，第二丝杆套接有水平滑块D，与水平滑块D活动连接，水平滑块D中部固定连接有第一丝杆，第一丝杆套接有水平滑块C，与水平滑块C活动连接，水平滑块C一端固定设置有第二超声波传感器，水平滑块C与旋转电弧传感焊枪通过转动关节活动连接。本装置的优点在于：本发明的一种移动式五自由度焊接机器人，可在平面内自由移动，并且具有五个自由度，可实现竖直面内90°折线角焊缝的跟踪焊接，可提高焊接的质量和效率，降低生产成本。

Description

一种移动式五自由度焊接机器人及其设计方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种移动式五自由度焊接机器人及其设计方法。

背景技术

在造船厂和钢结构厂房等行业，存在大量的焊接工作，目前，简单的线性焊缝能利用自动焊接小车实现机器焊接，但竖直面内的90°折线角焊缝仍然采用人工焊接完成，焊接环境非常恶劣，焊接的质量和效率不高，实现企业中竖直面内90°折线角焊缝的自动焊接，有利于提高企业的产能，降低生产成本，提高企业的市场竞争力，可产生重大的经济效益。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明的目的是克服现有技术的不足，本发明提供了一种移动式五自由度焊接机器人及其设计方法，以实现竖直面内90°折线角焊缝的自动焊接，提高焊接的自动化程度，提高焊接的质量和效率，降低生产成本。

(二)技术方案

一种移动式五自由度焊接机器人，包括旋转电弧传感焊枪、水平滑块C、转动关节、第一丝杠、水平滑块D、第二丝杠、垂直滑块E、第三丝杠、左轮、第一超声波传感器、万向轮、右轮、机器人的底盘系统、第二超声波传感器；其中：机器人的底盘系统底部一侧固定设置有左轮，机器人的底盘系统底部一侧固定设置有右轮，机器人的底盘系统底部一侧固定设置有万向轮，机器人的底盘系统底部一侧边缘固定设置有第一超声波传感器，机器人的底盘系统顶部中间位置固定设置有第三丝杠，第三丝杆套接有垂直滑块E与垂直滑块E活动连接，垂直滑块E中部固定连接有第二丝杆，第二丝杆套接有水平滑块D与水平滑块D活动连接，水平滑块D中部固定连接有第一丝杆，第一丝杆套接有水平滑块C与水平滑块C活动连接，水平滑块C一端固定设置有第二超声波传感器，水平滑块C与旋转电弧传感焊枪通过转动关节活动连接。

一种移动式五自由度焊接机器人的设计方法，其中：平焊焊缝与立焊焊缝呈90°夹角。

一种移动式五自由度焊接机器人的设计方法，其中：仰焊焊缝高度高于第一丝杆的最大高度。

一种移动式五自由度焊接机器人及其设计方法，转动关节可带动焊枪绕y2轴方向转动，水平滑块C可带动焊枪沿着x2轴方向在水平面内直线运动，水平滑块D可带动焊枪沿着y2轴方向在水平面内直线运动，垂直滑块E可带动焊枪相对于机器人底盘系统在竖直方向上直线运动，通过万向轮、左轮和右轮，可带动焊枪绕z2轴转动，使设计的焊接机器人具有五个自由度。安装在底盘上的超声波传感器用于检测机器人前端与前方竖直钢板的距离，安装在水平滑块C上的超声波传感器用于检测水平滑块与水平钢板之间的距离，通过转动关节、两个水平滑块、一个垂直滑块、两轮的协调运动，可以实现竖直面内90°折线角焊缝的焊接。

竖直面内90°折线角焊缝跟踪焊接的路径规划和实现，竖直面内90°折线角焊缝跟踪焊接的路径规划共分成四个阶段，焊枪从向上倾斜45°运动成水平状态，焊枪保持水平状态竖直向下运动，再使焊枪从水平状态运动成向下倾斜45°，使焊枪从向后倾斜45°变成不倾斜。

A，焊枪从向上倾斜45°运动成水平状态

使垂直滑块E和水平滑块D不运动，通过水平滑块C缩进和焊枪摆动，使焊丝末端的轨迹为竖直的直线，并且焊接速度v恒定。将这段焊缝平均分成m段小焊缝，为了减少计算量，认为机器人焊每小段焊缝时，水平滑块运动的速度和焊枪摆动的角速度不变，水平滑块缩进的速度v_i和焊枪摆动的角速度w_i满足下式，

v_i＝v tanθ_i (1)

式中：机器人焊第i段小焊缝时，v_i为水平滑块C缩进的速度，v_Bi为焊丝末端绕焊枪转动中心转动的切向线速度，θ_i为焊枪向上倾斜的角度，w_i为焊枪转动的角速度，k表示正在焊第k段小焊缝，其取值范围为1至m，v为焊接速度，l为焊枪转动的半径，Δt₁为机器人焊完每小段焊缝所需要的时间。

利用C++程序运行求出机器人焊每小段焊缝时水平滑块C缩进的速度v_i和焊枪摆动的角速度w_i，从而完成焊枪从向上倾斜45°变成水平状态的路径规划。

B，焊枪保持水平状态竖直向下运动

当焊枪完成了从向上倾斜45°变成水平状态的动作时，控制垂直滑块E竖直向下运动，向下运动的速度为焊接速度。在水平滑块C上安装了一个超声波传感器，用于检测水平滑块C与地面之间的距离，当超声波传感器测到的距离s₂等于焊枪摆动半径l时，焊枪开始进入从水平状态变成向下倾斜45°的阶段。

C，焊枪从水平状态运动成向下倾斜45°

立焊时焊枪从水平状态变成向下倾斜45°，对应Bo段焊缝。将Bo段焊缝平均分成m段小焊缝，认为机器人焊每小段焊缝时，水平滑块C伸出的速度v_n和焊枪摆动的角速度w_n不变，满足下式，

v_n＝v tanθ_n (5)

式中：机器人焊第n段小焊缝时，v_n为水平滑块C伸出的速度，v_Jn为焊丝末端绕焊枪转动中心转动的切向线速度，θ_n为焊枪向下倾斜的角度，w_n为焊枪转动的角速度，h表示机器人正在焊第h段焊缝，其取值范围为1至m，其它物理量的含义与前面的一样。

联立式(5)至式(7)，利用C++编写程序，求出机器人焊每小段焊缝时水平滑块C伸出的速度v_n和焊枪摆动的角速度w_n，从而完成了焊枪从水平状态运动成向下倾斜45°的轨迹规划。

D，焊枪从向后倾斜45°变成不倾斜

平焊时焊枪从向后倾斜45°变成不倾斜，对应BG段焊缝。当机器人完成了立焊焊缝的焊接时，此时焊枪向下倾斜45°，焊接到了竖直面内90°折线角焊缝的交叉点B。由于机器人中心o₁至水平面内90°折线角焊缝的两条直角边的距离都为s₁，所以，机器人中心点o₁至90°折线角焊缝交叉点B的距离为将BG段焊缝平均分成p段小焊缝，机器人焊每小段焊缝时，机器人转动的角速度w_j和水平滑块C缩进的速度v_j不变，满足下式，

v_j＝v cosθ_j (8)

v_Mj＝w_js_j＝v sinθ_j (9)

式中：机器人焊第j段小焊缝时，v_j为水平滑块C缩进的速度，v_Mj为焊丝末端绕机器人中心点o₁转动时的切向线速度，s_j为焊接点至机器人中心点o₁的距离，θ_j为机器人转过的角度与45°之和，w_j为机器人转动的角速度，s₁为机器人中心点至水平面内90°折线焊缝两条直角边的距离，u表示机器人正在焊第u段焊缝，其它物理量的含义与前面相同。

联立式(8)至式(11)，利用C++编写程序，求出机器人焊每小段焊缝时机器人转动的角速度w_j和水平滑块C缩进的速度v_j，从而完成了平焊时，焊枪从向后倾斜45°变成不倾斜的路径规划。

由于实际的焊缝存在弯曲，单纯依靠路径规划的方法，焊缝跟踪的精确度比较低，机器人焊接竖直焊缝时，当焊枪偏离焊缝时，通过采样电流的滤波，偏差识别和模糊控制算法，控制水平滑块C和水平滑块D运动，两者的合速度使焊枪接近焊缝。当机器人跟踪平焊焊缝时，根据焊枪偏离焊缝的情况，通过水平滑块C伸缩来减小偏差，最终完成了没有流水孔时，竖直面内90°折线角焊缝的跟踪。

(三)有益效果

本发明的优点在于：可实现竖直面内90°折线角焊缝的跟踪焊接，可提高焊接的质量和效率，降低生产成本，能提升我国造船水平，有助于提高焊接的自动化水平，能将工人从恶劣的环境中解放出来，能产生重大的社会效益和经济效益。

附图说明

图1为本发明所述一种移动式五自由度焊接机器人及其设计方法。

图2为本发明所述焊枪从向上倾斜45°变成水平。

图3为本发明所述焊枪从水平变成向下倾斜45°。

图4为本发明所述焊枪从向后倾斜45°变成沿着焊接方向无倾斜。

图5为本发明所述竖直面内90°折线角焊缝跟踪的实现。

附图标记：1旋转电弧传感焊枪、2水平滑块C、3转动关节、4第一丝杠、5水平滑块D、6第二丝杠、7垂直滑块E、8第三丝杠、9左轮、10第一超声波传感器、11万向轮、12右轮、13机器人的底盘系统、14第二超声波传感器、15平焊焊缝、16立焊焊缝、17仰焊焊缝。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明所述一种移动式五自由度焊接机器人及其设计方法包括：移动式五自由度焊接机器人的设计，竖直面内90°折线角焊缝跟踪焊接的路径规划和竖直面内90°折线角焊缝跟踪焊接的实现，分别叙述如下，

图1为本发明所述一种移动式五自由度焊接机器人及其设计方法，焊接机器人由旋转电弧传感焊枪1、水平滑块C2、转动关节3、第一丝杠4、水平滑块D5、第二丝杠6、垂直滑块E7、第三丝杠8、左轮9、第一超声波传感器10、万向轮11、右轮12、机器人的底盘系统13、第二超声波传感器14；其特征在于：机器人的底盘系统13底部一侧固定设置有左轮9，机器人的底盘系统13底部一侧固定设置有右轮12，机器人的底盘系统13底部一侧固定设置有万向轮11，机器人的底盘系统13底部一侧边缘固定设置有第一超声波传感器10，机器人的底盘系统13顶部中间位置固定设置有第三丝杠8，第三丝杆8套接有垂直滑块E7与垂直滑块E7活动连接，垂直滑块E7中部固定连接有第二丝杆6，第二丝杆6套接有水平滑块D5与水平滑块D5活动连接，水平滑块D5中部固定连接有第一丝杆4，第一丝杆4套接有水平滑块C2与水平滑块C2活动连接，水平滑块C2一端固定设置有第二超声波传感器14，水平滑块C2与旋转电弧传感焊枪1通过转动关节3活动连接。

竖直面内90°折线角焊缝跟踪焊接的路径规划和实现，竖直面内90°折线角焊缝跟踪焊接的路径规划共分成四个阶段，焊枪从向上倾斜45°运动成水平状态，焊枪保持水平状态竖直向下运动，再使焊枪从水平状态运动成向下倾斜45°，使焊枪1从向后倾斜45°变成不倾斜。

A，焊枪从向上倾斜45°运动成水平状态

图2为本发明所述焊枪从向上倾斜45°变成水平，使垂直滑块E7和水平滑块D5不运动，通过水平滑块C2缩进和焊枪摆动，使焊丝末端的轨迹为竖直的直线，并且焊接速度v恒定。将这阶段需要焊接的焊缝平均分成m段小焊缝，为了减少计算量，认为机器人焊每小段焊缝时，水平滑块运动的速度和焊枪摆动的角速度不变，水平滑块缩进的速度v_i和焊枪摆动的角速度w_i满足下式，

v_i＝v tanθ_i (1)

式中：机器人焊第i段小焊缝时，v_i为水平滑块C2缩进的速度，v_Bi为焊丝末端绕焊枪转动中心转动的切向线速度，θ_i为焊枪向上倾斜的角度，w_i为焊枪转动的角速度，k表示正在焊第k段小焊缝，其取值范围为1至m，v为焊接速度，l为焊枪转动的半径，Δt₁为机器人焊完每小段焊缝所需要的时间。

利用C++编写程序，求出机器人焊每小段焊缝时，水平滑块C2缩进的速度v_i和焊枪摆动的角速度w_i，从而完成焊枪从向上倾斜45°变成水平状态的路径规划。

B，焊枪保持水平状态竖直向下运动

当焊枪完成了从向上倾斜45°变成水平状态的动作时，控制垂直滑块E竖直向下运动，向下运动的速度为焊接速度。在水平滑块C上安装了一个超声波传感器，用于检测水平滑块C2与地面之间的距离，当超声波测到的距离s₂等于焊枪的摆动半径l时，焊枪开始进入从水平状态变成向下倾斜45°的阶段。

C，焊枪从水平状态运动成向下倾斜45°

图3为本发明所述焊枪从水平状态变成向下倾斜45°，立焊时焊枪从水平状态变成向下倾斜45°，对应Bo段焊缝。将Bo段焊缝平均分成m段小焊缝，认为机器人焊每小段焊缝时，水平滑块C2伸出的速度v_n和焊枪摆动的角速度w_n不变，满足下式，

v_n＝v tanθ_n (5)

式中：机器人焊第n段小焊缝时，v_n为水平滑块C2伸出的速度，v_Jn为焊丝末端绕焊枪转动中心转动的切向线速度，θ_n为焊枪向下倾斜的角度，w_n为焊枪转动的角速度，h表示机器人正在焊第h段焊缝，其取值范围为1至m，其它物理量的含义与前面的一样。

联立式(5)至式(7)，利用C++编写程序，求出机器人焊每小段焊缝时，水平滑块C2伸出的速度v_n和焊枪摆动的角速度w_n，从而完成了焊枪从水平状态运动成向下倾斜45°的轨迹规划。

D，焊枪从向后倾斜45°变成不倾斜

图4为本发明所述焊枪从向后倾斜45°变成沿着焊接方向无倾斜，平焊时焊枪从向后倾斜45°变成不倾斜，对应BG段平焊焊缝15。当机器人完成了立焊焊缝16的焊接时，此时焊枪向下倾斜45°，焊接到了竖直面内90°折线角焊缝的交叉点B。由于机器人中心o₁至水平面内90°折线角焊缝的两条直角边的距离都为s₁，所以，机器人中心点o₁至90°折线角焊缝交叉点B的距离为将BG段平焊焊缝15平均分成p段小焊缝，机器人焊每小段焊缝时，机器人转动的角速度w_j和水平滑块C2缩进的速度v_j不变，满足下式，

v_j＝v cosθ_j (8)

v_Mj＝w_js_j＝v sinθ_j (9)

式中：机器人焊第j段小焊缝时，v_j为水平滑块C2缩进的速度，v_Mj为焊丝末端绕机器人中心点o₁转动时的切向线速度，s_j为焊接点至机器人中心点o₁的距离，θ_j为机器人转过的角度与45°之和，w_j为机器人转动的角速度，s₁为机器人中心点至水平面内90°折线焊缝两条直角边的距离，u表示机器人正在焊第u段焊缝，其它物理量的含义与前面相同。

联立式(8)至式(11)，利用C++编写程序，求出机器人焊每小段焊缝时机器人转动的角速度w_j和水平滑块C2缩进的速度v_j，从而完成了平焊时，焊枪1从向后倾斜45°变成不倾斜的路径规划。

图5为本发明所述竖直面内90°折线角焊缝跟踪的实现，仰焊时，机器人的倾角为向上倾斜45°，当焊接至B点，准备跟踪立焊焊缝16，使焊枪从向上倾斜45°变成水平状态，对应BE段焊缝，其长度等于焊接B点时焊枪的旋转半径除以然后使焊枪保持水平状态竖直向下焊接，当超声波传感器测到焊枪与地面的距离等于焊接B点时焊枪旋转半径除以时，焊枪开始完成从水平状态运动成向下倾斜45°的动作。对应图5中的Fo段焊缝，当焊至竖直面内90°折线角焊缝的交叉点时，此时焊枪向下倾斜45°，机器人准备跟踪平焊焊缝15。通过路径规划，使焊枪从向后倾斜45°变成不倾斜，完成oI段平焊焊缝15的焊接，IK段平焊焊缝15通过基于两轮差速运动跟踪。由于实际的焊缝存在弯曲，单纯依靠路径规划的方法，焊缝跟踪的精确度比较低。机器人焊接立焊焊缝16时，当焊枪偏离立焊焊缝16时，通过采样电流的滤波，偏差识别和模糊控制算法，控制水平滑块C2和水平滑块D5运动，两者的合速度使焊枪接近立焊焊缝16。当机器人跟踪平焊焊缝15时，根据焊枪偏离平焊焊缝15的情况，通过水平滑块C2伸缩来减小偏差。最终完成了没有流水孔时，竖直面内90°折线角焊缝的跟踪。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种移动式五自由度焊接机器人，包括旋转电弧传感焊枪(1)、水平滑块C(2)、转动关节(3)、第一丝杠(4)、水平滑块D(5)、第二丝杠(6)、垂直滑块E(7)、第三丝杠(8)、左轮(9)、第一超声波传感器(10)、万向轮(11)、右轮(12)、机器人的底盘系统(13)、第二超声波传感器(14)；其特征在于：机器人的底盘系统(13)底部一侧固定设置有左轮(9)，机器人的底盘系统(13)底部一侧固定设置有右轮(12)，机器人的底盘系统(13)底部一侧固定设置有万向轮(11)，机器人的底盘系统(13)底部一侧边缘固定设置有第一超声波传感器(10)，机器人的底盘系统(13)顶部中间位置固定设置有第三丝杠(8)，第三丝杆(8)套接有垂直滑块E(7)与垂直滑块E(7)活动连接，垂直滑块E(7)中部固定连接有第二丝杆(6)，第二丝杆(6)套接有水平滑块D(5)与水平滑块D(5)活动连接，水平滑块D(5)中部固定连接有第一丝杆(4)，第一丝杆(4)套接有水平滑块C(2)与水平滑块C(2)活动连接，水平滑块C(2)一端固定设置有第二超声波传感器(14)，水平滑块C(2)与旋转电弧传感焊枪(1)通过转动关节(3)活动连接。

2.一种移动式五自由度焊接机器人的设计方法包括竖直面内90°折线角焊缝跟踪焊接的路径规划和实现；其特征在于：

步骤一：焊枪从向上倾斜45°运动成水平状态，焊枪保持水平状态竖直向下运动，再使焊枪从水平状态运动成向下倾斜45°，使焊枪从向后倾斜45°变成沿着焊接方向不倾斜；

步骤二：求出机器人焊每小段焊缝时水平滑块C(2)缩进的速度v_i和焊枪摆动的角速度w_i，从而完成焊枪从向上倾斜45°变成水平状态的路径规划，当焊枪完成了从向上倾斜45°变成水平的动作时，控制垂直滑块E(7)竖直向下运动，向下运动的速度为焊接速度，根据水平滑块C(2)上的第二超声波传感器(14)检测水平滑块C与地面之间的距离，当超声波测到的距离等于焊枪的摆动半径时，焊枪开始进入从水平变成向下倾斜45°的阶段；

步骤三：求出机器人焊每小段焊缝时水平滑块C(2)伸出的速度v_n和焊枪摆动的角速度w_n，从而完成了焊枪从水平状态运动成向下倾斜45°的轨迹规划；

步骤四：求出机器人焊每小段焊缝时机器人转动的角速度w_j和水平滑块C(2)缩进的速度v_j，从而完成了平焊时，焊枪从向后倾斜45°变成沿着焊接方向不倾斜的路径规划；

步骤五：机器人焊接竖直焊缝时，当焊枪偏离焊缝时，通过采样电流的滤波，偏差识别和模糊控制算法，控制水平滑块C(2)和水平滑块D(5)运动，两者的合速度使焊枪接近焊缝，当机器人跟踪平焊焊缝(15)时，根据焊枪偏离焊缝的情况，通过水平滑块C(2)伸缩来减小偏差，最终完成了没有流水孔时，竖直面内90°折线角焊缝的跟踪。

3.根据权利要求2所述的一种移动式五自由度焊接机器人的设计方法，其特征在于：平焊焊缝(15)与立焊焊缝(16)呈90°夹角。

4.根据权利要求2所述的一种移动式五自由度焊接机器人的设计方法，其特征在于：仰焊焊缝(17)高度高于第一丝杆(4)的最大高度。