CN112207400A - 一种五轴专用焊接机器人 - Google Patents

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CN112207400A CN202010971574.9A CN202010971574A CN112207400A CN 112207400 A CN112207400 A CN 112207400A CN 202010971574 A CN202010971574 A CN 202010971574A CN 112207400 A CN112207400 A CN 112207400A
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杨学兵
赵健涛
王建博
张会奇
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Abstract

本发明涉及一种五轴专用焊接机器人，包括底座部件、立柱部件、滑座部件、第一臂杆部件、第二臂杆部件、第一关节传动部件、第二关节传动部件、无限回转焊接机头部件以及焊枪部件，滑座部件和立柱部件组成竖直方向移动轴副；第一臂杆部件和滑座部件组成第一级水平回转轴副；第二臂杆部件安装在第一臂杆部件上，第二臂杆部件和第一臂杆部件组成第二级水平回转轴副；第一关节传动部件驱动无限回转焊接机头部件水平回转，组成第三级水平回转轴副；第二关节传动部件驱动无限回转焊接机头部件的摆角装置垂直回转，形成铅垂回转轴副。该机器人位置精度高、系统刚度好，工作范围更大，能够实现各种接管形式和尺寸大小的空间连续封闭轨迹的焊接应用。

Description

一种五轴专用焊接机器人
技术领域
本发明涉及大中型特种工业机器人设备技术领域，尤其是一种五轴专用焊接机器人。
背景技术
工业机器人能够替代人力完成各种复杂工况条件和高危有害环境下的长时间、高强度重复劳动，高度自动化工作。焊接制造作为机械制造中的第三大加工方法，钢铁产量的％要用焊接方法制造成产品。在电站锅炉、压力容器、核电设施、化工设备制造、海洋工程等行业，各种封闭环缝的接头焊接、用于接管与筒体或椭圆形封头间的马鞍形焊缝的焊接，专用焊接机器人有着广泛的市场。
以马鞍形接管焊接为例，对于承压部件焊接，大多采用埋弧焊接工艺，工件规格多，批量小，焊接量大，焊接装置需要无限回转，且能够规划运动轨迹和调整焊枪姿态。传统六轴关节工业机器人，在空间连续封闭轨迹的应用有一定限制。更多情况下，六轴关节工业机器人系统是需要增加外部坐标行走轴来扩展机器人应用范围。对于马鞍形接管埋弧工艺连续回转焊接，几乎没有应用的可能性。
因此，如何实现工业机器人在应用中既可以实现空间连续封闭轨迹的应用，又有较大的空间可达性，适用于多种工艺需要。同时又能结合焊接专机的特点，实现无限回转埋弧焊接等应用下的路径规划和焊枪姿态规划，多层多道焊接，具有较高的系统柔性和通用性，降低机器人系统的集成应用成本，是研究人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种五轴专用焊接机器人。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种五轴专用焊接机器人，包括底座部件、立柱部件、滑座部件、第一臂杆部件、第二臂杆部件、第一关节传动部件、第二关节传动部件、无限回转焊接机头部件以及焊枪部件，所述立柱部件固定在底座部件上，滑座部件安装在立柱部件上，滑座部件和立柱部件组成竖直方向移动轴副；
所述第一臂杆部件安装在滑座部件上，第一臂杆部件和滑座部件组成第一级水平回转轴副；
所述第二臂杆部件安装在第一臂杆部件上，第二臂杆部件和第一臂杆部件组成第二级水平回转轴副；
第一关节传动部件、第二关节传动部件安装在第二臂杆部件上，无限回转焊接机头部件与第二臂杆部件回转支承联接，焊枪部件安装在无限回转焊接机头部件的摆角装置上，第一关节传动部件驱动无限回转焊接机头部件水平回转，组成第三级水平回转轴副；
第二关节传动部件驱动无限回转焊接机头部件的摆角装置垂直回转，形成铅垂回转轴副。
进一步，所述立柱部件和滑座部件之间设有竖直移动控制机构，竖直移动控制机构包括下轴承座、滚珠丝杠、升降螺母座、螺母、两组直线导轨、滑块、轴承座组件、减速器以及伺服电机；
其中，伺服电机、减速器、轴承座组件、滚珠丝杠整体安装在立柱部件上，滚珠丝杠下部安装在下轴承座上；
两组直线导轨及滑块安装在立柱部件导轨联接面；升降螺母座、螺母与滚珠丝杠配合并与滑块一起安装在滑座部件对应的联接面上，形成沿直线导轨移动的竖直方向移动轴副。
进一步，所述立柱部件下部安装有铰支座组件，铰支座组件与底座部件固定联接，机器人臂杆折叠时，立柱部件适于放平联接。
进一步，所述第一臂杆部件和滑座部件之间设有第一伺服电机、第一RV减速器、第一空心传动轴、第一轴承部件、辅助支承部件；
其中，滑座部件与第一RV减速器固定联接，第一伺服电机安装在第一RV减速器输入端，第一RV减速器输出法兰面上安装第一空心传动轴，与第一轴承部件的轴承内孔配合，第一轴承部件支承在滑座部件上，第一空心传动轴轴端与第一臂杆部件固定安装，组成第一级水平回转轴副，第一空心传动轴与安装在滑座部件上的辅助支承部件回转联接，提高重载回转刚度。
进一步，所述第一臂杆部件和第二臂杆部件之间设有第二伺服电机、第二RV减速器、第二空心传动轴、第二轴承部件；
其中，第一臂杆部件伸出端固定安装第二RV减速器，第二RV减速器输入端连接第二伺服电机；第二RV减速器输出法兰面上安装第二空心传动轴，第二空心传动轴与第二轴承部件的轴承内孔配合，第二轴承部件支承在第一臂杆部件上，第二空心传动轴轴端与第二臂杆部件固定安装，组成第二级水平回转轴副，前端臂杆伺服电机线缆穿过第二空心传动轴至第一臂杆部件。
进一步，所述无限回转焊接机头部件与第二臂杆部件回转支承联接，由支座、伺服电机、谐波减速器、驱动齿轮组成的第一关节传动部件固定安装在第二臂杆部件前端对应的联接面上，伺服电机线缆穿过第二臂杆部件，第一臂杆部件，第一关节传动部件驱动无限回转焊接机头部件水平回转，组成第三级水平回转轴副；第二关节传动部件驱动无限回转焊接机头部件的摆角装置垂直回转，形成铅垂回转轴副。
进一步，所述无限回转焊接机头部件包括送丝装置、空心内轴、强电集流滑环部件、绝缘安装板、弱电集流环、第一齿轮、支承杆、外轴部件、第二齿轮、下回转体、摆角装置、线缆组件、第三齿轮、第一齿条、固定滑座、移动滑板、第二齿条、第四齿轮、焊枪固定座；
送丝装置固定安装在空心内轴上端，随空心内轴一同回转，强电集流滑环部件固定安装在绝缘安装板上，随空心内轴一同回转，集流取电，弱电集流环固定安装在绝缘安装板上，为送丝装置供电，第一齿轮固定安装在空心内轴上，与第一关节传动部件的驱动齿轮啮合，带动空心内轴回转，支承杆分别联接绝缘安装板及第二臂杆部件。
进一步，带有内外回转轴承支承的外轴部件安装在第二臂杆部件前端轴孔上，同时支承空心内轴回转，第二齿轮安装在外轴部件上，与第二关节传动部件驱动齿轮啮合，传递动力；
下回转体安装在空心内轴上，随空心内轴一同回转，摆角装置采用平行四连杆结构，避开被焊接管运动干涉空间，摆角装置固定安装在下回转体上，线缆组件穿过空心内轴内孔与焊枪部件联接；
第三齿轮固定安装在外轴部件上，与第一齿条啮合传动，第一齿条固定安装在移动滑板上，移动滑板与固定滑座直线导轨联接；
固定滑座固定安装在下回转体上，移动滑板另一端安装第二齿条，实现运动的空间变换；
第二齿条与第四齿轮啮合传动，第四齿轮固定安装在摆角装置曲柄杆上，将运动传递到焊枪固定座上，焊枪部件安装在焊枪固定座上，带动实现枪角摆动。
本发明的有益效果为：该机器人位置精度高、系统刚度好，实现了机器人构造方式的专用焊接应用，工作范围更大，能够实现各种接管形式和尺寸大小的空间连续封闭轨迹的焊接应用。实现了工业机器人埋弧焊接工艺条件下的无限回转焊接应用，又可以兼容其它焊接工艺方法。可以广泛的应用于电站锅炉、压力容器、核电设施、化工设备制造、海洋工程等行业，各种封闭环缝的接头焊接、用于接管与筒体或椭圆形封头间的马鞍形焊缝的焊接生产。同时具有通用化的其它应用价值；
实现了机器人构造方式的专用焊接应用，能够在较小的占地面建造较大的工作空间，能够实现各种接管形式和尺寸大小的空间连续封闭轨迹的焊接应用。在机器人腕部工具姿态可达性方面，末端工具实现三维空间任意姿态可达，无姿态应用死角。能够各种接管形式和尺寸大小的空间连续封闭轨迹的焊接应用。实现了工业机器人埋弧焊接工艺条件下的无限回转焊接应用，又可以兼容其它焊接工艺方法。除了产品的方式创新外，在回转集流传动的结构与联接，差动传动、运动空间变换、典型机构应用等多方面均有创新性和专业性。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的截面示意图；
图3为本发明无限回转焊接机头部件的结构示意图；
图4为本发明无限回转焊接机头部件的侧面示意图。
具体实施方式
如图1至图4所示，一种五轴专用焊接机器人，包括底座部件1、立柱部件2、滑座部件3、第一臂杆部件4、第二臂杆部件5、第一关节传动部件6、第二关节传动部件7、无限回转焊接机头部件8以及焊枪部件9，其特征在于，所述立柱部件2固定在底座部件1上，滑座部件3安装在立柱部件2上，滑座部件3和立柱部件2组成竖直方向移动轴副；
所述第一臂杆部件4安装在滑座部件3上，第一臂杆部件4和滑座部件3组成第一级水平回转轴副；
所述第二臂杆部件5安装在第一臂杆部件4上，第二臂杆部件5和第一臂杆部件4组成第二级水平回转轴副；
第一关节传动部件6、第二关节传动部件7安装在第二臂杆部件5上，无限回转焊接机头部件8与第二臂杆部件5回转支承联接，焊枪部件9安装在无限回转焊接机头部件8的摆角装置上，第一关节传动部件6驱动无限回转焊接机头部件8水平回转，组成第三级水平回转轴副；
第二关节传动部件7驱动无限回转焊接机头部件8的摆角装置垂直回转，形成铅垂回转轴副。
所述立柱部件2和滑座部件3之间设有竖直移动控制机构，竖直移动控制机构包括下轴承座201、滚珠丝杠202、升降螺母座203、螺母204、两组直线导轨205、滑块206、轴承座组件207、减速器208以及伺服电机209；
其中，伺服电机209、减速器208、轴承座组件207、滚珠丝杠202整体安装在立柱部件2上，滚珠丝杠202下部安装在下轴承座201上；
两组直线导轨205及滑块206安装在立柱部件2导轨联接面；升降螺母座203、螺母204与滚珠丝杠202配合并与滑块206一起安装在滑座部件3对应的联接面上，形成沿直线导轨205移动的竖直方向移动轴副。
进一步，所述立柱部件2下部安装有铰支座组件210，铰支座组件210与底座部件1固定联接，机器人臂杆折叠时，立柱部件2适于放平联接。
所述第一臂杆部件4和滑座部件3之间设有第一伺服电机301、第一RV减速器302、第一空心传动轴303、第一轴承部件304、辅助支承部件305；
其中，滑座部件3与第一RV减速器302固定联接，第一伺服电机301安装在第一RV减速器302输入端，第一RV减速器302输出法兰面上安装第一空心传动轴303，与第一轴承部件304的轴承内孔配合，第一轴承部件304支承在滑座部件3上，第一空心传动轴303轴端与第一臂杆部件4固定安装，组成第一级水平回转轴副，第一空心传动轴303与安装在滑座部件3上的辅助支承部件305回转联接，提高重载回转刚度。
所述第一臂杆部件4和第二臂杆部件5之间设有第二伺服电机401、第二RV减速器402、第二空心传动轴403、第二轴承部件404；
其中，第一臂杆部件4伸出端固定安装第二RV减速器402，第二RV减速器402输入端连接第二伺服电机401；第二RV减速器402输出法兰面上安装第二空心传动轴403，第二空心传动轴403与第二轴承部件404的轴承内孔配合，第二轴承部件404支承在第一臂杆部件4上，第二空心传动轴403轴端与第二臂杆部件5固定安装，组成第二级水平回转轴副，前端臂杆伺服电机线缆穿过第二空心传动轴403至第一臂杆部件4。
进一步，所述无限回转焊接机头部件8与第二臂杆部件5回转支承联接，由支座、伺服电机、谐波减速器、驱动齿轮组成的第一关节传动部件6固定安装在第二臂杆部件5前端对应的联接面上，伺服电机线缆穿过第二臂杆部件5，第一臂杆部件4，第一关节传动部件6驱动无限回转焊接机头部件8水平回转，组成第三级水平回转轴副；第二关节传动部件7驱动无限回转焊接机头部件8的摆角装置垂直回转，形成铅垂回转轴副。
所述无限回转焊接机头部件8包括送丝装置801、空心内轴802、强电集流滑环部件803、绝缘安装板804、弱电集流环805、第一齿轮806、支承杆807、外轴部件808、第二齿轮809、下回转体810、摆角装置811、线缆组件812、第三齿轮813、第一齿条814、固定滑座815、移动滑板816、第二齿条817、第四齿轮818、焊枪固定座819；
送丝装置801固定安装在空心内轴802上端，随空心内轴802一同回转，强电集流滑环部件803固定安装在绝缘安装板804上，随空心内轴802一同回转，集流取电，弱电集流环805固定安装在绝缘安装板804上，为送丝装置801供电，第一齿轮806固定安装在空心内轴802上，与第一关节传动部件6的驱动齿轮啮合，带动空心内轴802回转，支承杆807分别联接绝缘安装板804及第二臂杆部件5。
另外，带有内外回转轴承支承的外轴部件808安装在第二臂杆部件5前端轴孔上，同时支承空心内轴802回转，第二齿轮809安装在外轴部件808上，与第二关节传动部件7驱动齿轮啮合，传递动力；
下回转体810安装在空心内轴802上，随空心内轴802一同回转，摆角装置811采用平行四连杆结构，避开被焊接管运动干涉空间，摆角装置811固定安装在下回转体810上，线缆组件812穿过空心内轴802内孔与焊枪部件9联接；
第三齿轮813固定安装在外轴部件808上，与第一齿条814啮合传动，第一齿条814固定安装在移动滑板816上，移动滑板816与固定滑座815直线导轨联接；
固定滑座815固定安装在下回转体810上，移动滑板816另一端安装第二齿条817，实现运动的空间变换；
第二齿条817与第四齿轮818啮合传动，第四齿轮818固定安装在摆角装置811曲柄杆上，将运动传递到焊枪固定座819上，焊枪部件9安装在焊枪固定座819上，带动实现枪角摆动。
该机器人位置精度高、系统刚度好，实现了机器人构造方式的专用焊接应用，工作范围更大，能够实现各种接管形式和尺寸大小的空间连续封闭轨迹的焊接应用。实现了工业机器人埋弧焊接工艺条件下的无限回转焊接应用，又可以兼容其它焊接工艺方法。可以广泛的应用于电站锅炉、压力容器、核电设施、化工设备制造、海洋工程等行业，各种封闭环缝的接头焊接、用于接管与筒体或椭圆形封头间的马鞍形焊缝的焊接生产。同时具有通用化的其它应用价值；
实现了机器人构造方式的专用焊接应用，能够在较小的占地面建造较大的工作空间，能够实现各种接管形式和尺寸大小的空间连续封闭轨迹的焊接应用。在机器人腕部工具姿态可达性方面，末端工具实现三维空间任意姿态可达，无姿态应用死角。能够各种接管形式和尺寸大小的空间连续封闭轨迹的焊接应用。实现了工业机器人埋弧焊接工艺条件下的无限回转焊接应用，又可以兼容其它焊接工艺方法。除了产品的方式创新外，在回转集流传动的结构与联接，差动传动、运动空间变换、典型机构应用等多方面均有创新性和专业性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种五轴专用焊接机器人，包括底座部件(1)、立柱部件(2)、滑座部件(3)、第一臂杆部件(4)、第二臂杆部件(5)、第一关节传动部件(6)、第二关节传动部件(7)、无限回转焊接机头部件(8)以及焊枪部件(9)，其特征在于，所述立柱部件(2)固定在底座部件(1)上，滑座部件(3)安装在立柱部件(2)上，滑座部件(3)和立柱部件(2)组成竖直方向移动轴副；
所述第一臂杆部件(4)安装在滑座部件(3)上，第一臂杆部件(4)和滑座部件(3)组成第一级水平回转轴副；
所述第二臂杆部件(5)安装在第一臂杆部件(4)上，第二臂杆部件(5)和第一臂杆部件(4)组成第二级水平回转轴副；
第一关节传动部件(6)、第二关节传动部件(7)安装在第二臂杆部件(5)上，无限回转焊接机头部件(8)与第二臂杆部件(5)回转支承联接，焊枪部件(9)安装在无限回转焊接机头部件(8)的摆角装置上，第一关节传动部件(6)驱动无限回转焊接机头部件8水平回转，组成第三级水平回转轴副；
第二关节传动部件(7)驱动无限回转焊接机头部件(8)的摆角装置垂直回转，形成铅垂回转轴副。
2.根据权利要求1所述的一种五轴专用焊接机器人，其特征在于，所述立柱部件(2)和滑座部件(3)之间设有竖直移动控制机构，竖直移动控制机构包括下轴承座(201)、滚珠丝杠(202)、升降螺母座(203)、螺母(204)、两组直线导轨(205)、滑块(206)、轴承座组件(207)、减速器(208)以及伺服电机(209)；
其中，伺服电机(209)、减速器(208)、轴承座组件(207)、滚珠丝杠(202)整体安装在立柱部件(2)上，滚珠丝杠(202)下部安装在下轴承座(201)上；
两组直线导轨(205)及滑块(206)安装在立柱部件(2)导轨联接面；升降螺母座(203)、螺母(204)与滚珠丝杠(202)配合并与滑块(206)一起安装在滑座部件(3)对应的联接面上，形成沿直线导轨(205)移动的竖直方向移动轴副。
3.根据权利要求2所述的一种五轴专用焊接机器人，其特征在于，所述立柱部件(2)下部安装有铰支座组件(210)，铰支座组件(210)与底座部件(1)固定联接，机器人臂杆折叠时，立柱部件(2)适于放平联接。
4.根据权利要求2所述的一种五轴专用焊接机器人，其特征在于，所述第一臂杆部件(4)和滑座部件(3)之间设有第一伺服电机(301)、第一RV减速器(302)、第一空心传动轴(303)、第一轴承部件(304)、辅助支承部件(305)；
其中，滑座部件(3)与第一RV减速器(302)固定联接，第一伺服电机(301)安装在第一RV减速器(302)输入端，第一RV减速器(302)输出法兰面上安装第一空心传动轴(303)，与第一轴承部件(304)的轴承内孔配合，第一轴承部件(304)支承在滑座部件(3)上，第一空心传动轴(303)轴端与第一臂杆部件(4)固定安装，组成第一级水平回转轴副，第一空心传动轴(303)与安装在滑座部件(3)上的辅助支承部件(305)回转联接，提高重载回转刚度。
5.根据权利要求4所述的一种五轴专用焊接机器人，其特征在于，所述第一臂杆部件(4)和第二臂杆部件(5)之间设有第二伺服电机(401)、第二RV减速器(402)、第二空心传动轴(403)、第二轴承部件(404)；
其中，第一臂杆部件(4)伸出端固定安装第二RV减速器(402)，第二RV减速器(402)输入端连接第二伺服电机(401)；第二RV减速器(402)输出法兰面上安装第二空心传动轴(403)，第二空心传动轴(403)与第二轴承部件(404)的轴承内孔配合，第二轴承部件(404)支承在第一臂杆部件(4)上，第二空心传动轴(403)轴端与第二臂杆部件(5)固定安装，组成第二级水平回转轴副，前端臂杆伺服电机线缆穿过第二空心传动轴(403)至第一臂杆部件(4)。
6.根据权利要求5所述的一种五轴专用焊接机器人，其特征在于，所述无限回转焊接机头部件(8)与第二臂杆部件(5)回转支承联接，由支座、伺服电机、谐波减速器、驱动齿轮组成的第一关节传动部件(6)固定安装在第二臂杆部件(5)前端对应的联接面上，伺服电机线缆穿过第二臂杆部件(5)，第一臂杆部件(4)，第一关节传动部件(6)驱动无限回转焊接机头部件(8)水平回转，组成第三级水平回转轴副；第二关节传动部件(7)驱动无限回转焊接机头部件(8)的摆角装置垂直回转，形成铅垂回转轴副。
7.根据权利要求6所述的一种五轴专用焊接机器人，其特征在于，所述无限回转焊接机头部件(8)包括送丝装置(801)、空心内轴(802)、强电集流滑环部件(803)、绝缘安装板(804)、弱电集流环(805)、第一齿轮(806)、支承杆(807)、外轴部件(808)、第二齿轮(809)、下回转体(810)、摆角装置(811)、线缆组件(812)、第三齿轮(813)、第一齿条(814)、固定滑座(815)、移动滑板(816)、第二齿条(817)、第四齿轮(818)、焊枪固定座(819)；
送丝装置(801)固定安装在空心内轴(802)上端，随空心内轴(802)一同回转，强电集流滑环部件(803)固定安装在绝缘安装板(804)上，随空心内轴(802)一同回转，集流取电，弱电集流环(805)固定安装在绝缘安装板(804)上，为送丝装置(801)供电，第一齿轮(806)固定安装在空心内轴(802)上，与第一关节传动部件(6)的驱动齿轮啮合，带动空心内轴(802)回转，支承杆(807)分别联接绝缘安装板(804)及第二臂杆部件(5)。
8.根据权利要求7所述的一种五轴专用焊接机器人，其特征在于，带有内外回转轴承支承的外轴部件(808)安装在第二臂杆部件(5)前端轴孔上，同时支承空心内轴(802)回转，第二齿轮(809)安装在外轴部件(808)上，与第二关节传动部件(7)驱动齿轮啮合，传递动力；
下回转体(810)安装在空心内轴(802)上，随空心内轴(802)一同回转，摆角装置(811)采用平行四连杆结构，避开被焊接管运动干涉空间，摆角装置(811)固定安装在下回转体(810)上，线缆组件(812)穿过空心内轴(802)内孔与焊枪部件(9)联接；
第三齿轮(813)固定安装在外轴部件(808)上，与第一齿条(814)啮合传动，第一齿条(814)固定安装在移动滑板(816)上，移动滑板(816)与固定滑座(815)直线导轨联接；
固定滑座(815)固定安装在下回转体(810)上，移动滑板(816)另一端安装第二齿条(817)，实现运动的空间变换；
第二齿条(817)与第四齿轮(818)啮合传动，第四齿轮(818)固定安装在摆角装置(811)曲柄杆上，将运动传递到焊枪固定座(819)上，焊枪部件(9)安装在焊枪固定座(819)上，带动实现枪角摆动。
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