CN113681555A - 一种柔感焊接机器人及其焊缝跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔感焊接机器人及其焊缝跟踪方法，包括机械臂一、机械臂二、柔感关节、伸缩把持器以及焊枪；机械臂二通过柔感关节与机械臂一旋转连接；柔感关节包括柔性功能件一、离合功能件一和旋转编码器；柔性功能件一用于控制机械臂二的旋转与限位；离合功能件一用于控制机械臂二与机械臂一相对运动；旋转编码器测量机械臂二的旋转角度；伸缩把持器安装在机械臂二的末端，伸缩把持器能沿机械臂二轴向伸缩；焊枪安装在伸缩把持器的末端。本发明在原机器人数控功能的基础上，增加柔性及感知，使得机器人所持焊枪能够自动跟踪焊缝。

Description

一种柔感焊接机器人及其焊缝跟踪方法

技术领域

本发明涉及焊接设备技术领域，特别是涉及一种柔感焊接机器人及其焊缝跟踪方法。

背景技术

多轴工业机器人在焊接领域已经大量应用，许多行业从其生产高效和质量稳定的使用中 获益。但造船类大型钢结构等最大焊接应用场景却很难用得起来。这是因为机器人属于数控 设备，工作时所持焊枪按预设程序轨迹运动，而大尺寸钢结构安装误差往往大于焊接允许范 围且无规律，使得机器人焊接常常没有焊到焊缝上，从而不能达到焊接质量要求。所以此类 焊接都是增加焊缝跟踪等措施的。

目前采取的措施主要有激光跟踪、电弧跟踪、照相等方式。但这些方式都有很大的局限 性。例如：增加激光跟踪装置，不但复杂价高，而且在焊接非敞开焊缝时，二端较长一段焊 缝无法跟踪和焊接。电弧跟踪影响因素较多，其摆动焊方式也降低了焊接效率。照相系统复 杂对现场要求高稳定性不够。因此，庞大的大型钢结构焊接生产规模需要一种简便易行的自 动焊缝跟踪方法。

工业机器人----主要指六轴机器人，现有的焊接机器人均采用示教或事先离线编程方式规 划焊枪的运行轨迹，不易适应大型钢结构这种单件生产类型的偏离误差大的焊缝焊接。因此， 大型钢结构类制造产业升级需要大量价廉物美的专用焊接机器人。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种柔感焊接机器人及其 焊缝跟踪方法，该柔感焊接机器人及其焊缝跟踪方法能在原机器人数控功能的基础上，增加 柔性及感知，使得机器人所持焊枪能够自动跟踪焊缝。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种柔感焊接机器人，其特征在于： 包括机械臂一、机械臂二、柔感关节、伸缩把持器以及焊枪；

机械臂二通过数控轴和柔感关节旋转连接于机械臂一，机械臂二末端通过数控轴连接有 转盘；

柔感关节包括柔性功能件一、离合功能件一和旋转编码器；

柔性功能件一用于控制机械臂二的旋转与限位；

离合功能件一用于控制机械臂二与机械臂一相对运动；

旋转编码器测量机械臂二的旋转角度；

伸缩把持器安装在转盘上，伸缩把持器能沿转盘轴向伸缩；

焊枪安装在伸缩把持器的末端。

进一步地，所述伸缩把持器包括柔性功能件二、离合功能件二和电子尺；

柔性功能件二用于控制伸缩把持器的轴向伸缩与限位；

离合功能件二用于控制伸缩把持器与机械臂二的相对运动；

电子尺用于检测伸缩把持器的伸缩位移。

进一步地，所述柔性功能件二为压簧。

进一步地，所述离合功能件一和离合功能件二均为电磁离合器。

进一步地，所述柔性功能件一为扭簧。

进一步地，所述焊枪包括夹持部和焊接部，焊接部末端设有圆角；其中，夹持部与焊接 部之间的夹角为焊枪角θ，θ取值范围为0-30°；焊接部与水平面的夹角为焊接角α，α取值 范围为45±5°。

一种柔感焊接机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1.找焊缝，具体包括以下步骤：

步骤11.柔性功能件预紧，对柔性功能件一施加旋转扭矩M₀，对柔性功能件二施加伸缩 预紧力F₀；此时，焊枪的焊接部与水平面的初始夹角为α₀；柔性关节到焊接部底端的距离为L₀；

步骤12.找焊缝侧壁：机器人带动焊枪横向移动，直至焊枪的焊接部底端触碰到待焊缝侧 壁；机器人继续带动焊枪横向移动，此时，柔性关节逆时针旋转至设定角度，柔性关节及焊 枪的旋转变化量均为Δα，焊接角由α₀变为α，α＝α₀+Δα；

柔性关节转动到设定角度后，焊缝侧壁对焊接部底端水平方向的分力f₁为：

其中，f₁＜F₀

式中，θ为焊枪角；

步骤13.找焊缝底板：机器人带动焊枪竖直向下移动，直至焊枪的焊接部底端触碰到待焊 缝底板；机器人继续带动焊枪竖直向下移动，此时，柔性功能件二轴向收缩，达到设定收缩 量λ后停止竖直向下移动，此时，焊枪底端正对焊缝初始点；柔性关节到焊接部底端距离L 的变化量为x；

步骤2.追踪焊缝：焊枪开始焊接，依靠柔感关节的旋转和伸缩把持器的轴向伸缩，进而 抵消焊枪在焊缝焊接时产生的水平和竖直方向的位移误差。

进一步地，所述步骤11中在对柔性关节进行功能预紧前，先设定柔性关节的变形参数和 伸缩把持器的变形范围，其中柔性关节的变形参数包括扭簧的变形范围α₀～α_max，α_max为扭 簧转动角度最大值，扭簧的扭矩范围为M₀～M_max，M_max为扭矩最大值；伸缩把持器的变形范 围为0～x_max，x_max为伸缩把持器最大伸长量；伸缩把持器的变形力为F₀～F_max，F_max为伸缩 把持器变形力的最大值；柔感部件稳定工作时，焊枪尖与工件焊缝合力P需满足P₀～P_max，P_max为焊枪尖与工件焊缝合力的最大值；在步骤12和步骤13中，焊枪尖与工件焊缝合力P需实 时满足P＜P_max。

进一步地，所述步骤12中，焊枪尖与工件焊缝合力P的计算公式为：

P＝f₁

步骤13中，焊枪尖与工件焊缝合力P采用如下公式计算得出：

f₁＝f′₁+f″₁

f′₁＝F*cos(Δα+θ)

f₂＝F*sin(Δα+θ)

F＝F₀+x*k₂

M＝M₀+x*k₁

式中，f′₁为压簧水平方向的伸缩压力，f″₁为扭簧水平方向的扭力，f₂为压簧竖直方向的伸缩压 力，k₂为压簧弹性系数，k₁为扭簧弹性系数，F为伸缩把持器变形力，M为扭簧扭矩。

进一步地，所述步骤13中，焊枪的焊接部末端还安装有弹性的焊接护套，当焊接部达到 设定收缩量λ后停止竖直向下移动时，焊枪将产生α′的回弹，其中f′₁、f₂和f″₁采用更正后的如 下公式进行计算：

f′₁＝F*cos((Δα-α′)+θ)

f₂＝F*sin((Δα-α′)+θ)

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1、本发明提出了一种贴壁变形感知判断运行的连续循环方式实现找焊缝和焊缝跟踪功能。

2、本发明在原机器人数控功能的基础上，增加柔性及感知，使得机器人所持焊枪能够自 动跟踪焊缝。

3、本发明在焊接非敞开焊缝，尤其是具有较多船舱空间时，能使船舱边角的焊缝均匀焊 接和跟踪，无需二次人工焊接，大幅提高焊接效率。

附图说明

图1是本发明一种柔感焊接机器人的结构示意图。

图2是本发明一种柔感焊接机器人的柔感关节的结构示意图。

图3是本发明一种柔感焊接机器人的把持器的结构示意图。

图4是机器人横向运动靠近墙壁的示意图。

图5是柔性关节转动的示意图。

图6是机器人垂直运动的示意图。

图7是伸缩把持器回缩的示意图。

图8是机器人焊缝跟踪的示意图。

图9是焊枪的受力分析图。

图10是伸缩把持器伸缩力F的胡克模型。

图11是把扭簧扭矩M的胡克模型。

图12是本发明一种柔感焊接机器人装配之后的立体图。

其中有：

10.机械臂一；

20.机械臂二；

21.电磁离合器；22.扭簧；24.旋转编码器；

30.转盘；

40.把持器；

41.电子尺；42.压簧；

50.焊枪。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而 不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、 “第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用 的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1-图3所示，1.一种柔感焊接机器人，其特征在于：包括机械臂一10、机械臂二20、 柔感关节、伸缩把持器40以及焊枪50。

机械臂二20通过数控轴和柔感关节旋转连接于机械臂一10，机械臂二20末端通过数控 轴连接有转盘30。

柔感关节包括柔性功能件一、离合功能件一和旋转编码器24。

柔性功能件一用于控制机械臂二20的旋转与限位。

离合功能件一用于控制机械臂二20与机械臂一10相对运动。

旋转编码器24测量机械臂二20的旋转角度。

伸缩把持器40安装在转盘30上，伸缩把持器40能沿转盘30轴向伸缩。

焊枪50安装在伸缩把持器40的末端。

伸缩把持器40包括柔性功能件二、离合功能件二和电子尺41。

柔性功能件二用于控制伸缩把持器的轴向伸缩与限位。

离合功能件二用于控制伸缩把持器与机械臂二的相对运动。

电子尺41用于检测伸缩把持器的伸缩位移。

柔性功能件二为压簧42。

离合功能件一和离合功能件二均为电磁离合器41。

柔性功能件一为扭簧22。

焊枪50包括夹持部和焊接部，焊接部末端设有圆角；其中，夹持部与焊接部之间的夹角 为焊枪角θ，θ取值范围为0-30°；焊接部与水平面的夹角为焊接角α，α取值范围为45±5°。

实施例一：

本实施例采用焊枪角θ为22°的焊枪，焊枪保护套直径25mm，焊枪保护套外缘倒圆R1， 柔性关节到焊接部底端距离L为450mm，设定柔性关节变形范围40°，力矩1.2～1.8Nm，伸 缩把持器变形范围40mm，力F为8～12N。

一种柔感焊接机器人的焊缝跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1.找焊缝，具体包括以下步骤：

步骤11.在对柔性关节进行功能预紧前，先设定柔性关节的变形参数和伸缩把持器的变形 范围，其中柔性关节的变形参数包括扭簧的变形范围α₀～α_max，α_max为扭簧转动角度最大值， 扭簧的扭矩范围为M₀～M_max(本实施例为1.2～1.8Nm)，M_max为扭矩最大值；伸缩把持器的 变形范围为0～x_max(本实施例为0～20mm)，x_max为伸缩把持器最大伸长量；伸缩把持器的变 形力为F₀～F_max(本实施例为8～12N)，F_max为伸缩把持器变形力的最大值；柔感部件稳定工 作时，焊枪尖与工件焊缝合力P需满足P₀～P_max(本实施例为5～15N)，P_max为焊枪尖与工件 焊缝合力的最大值；在步骤12和步骤13中，焊枪尖与工件焊缝合力P需实时满足P＜P_max。

步骤12.找焊缝侧壁：机器人带动焊枪横向移动，直至焊枪的焊接部底端触碰到待焊缝侧 壁；机器人继续带动焊枪横向移动，此时，柔性关节逆时针旋转至设定角度，柔性关节及焊 枪的旋转变化量均为Δα，优选为23°，焊接角由θ变为α，α＝θ+Δα＝22°+23°＝45°。

柔性关节转动到设定角度后，焊缝侧壁对焊接部底端水平方向的分力f₁为：

f₁＜F₀＝8N，

式中，θ为焊枪角。

步骤13.找焊缝底板：机器人带动焊枪竖直向下移动，直至焊枪的焊接部底端触碰到待焊 缝底板；机器人继续带动焊枪竖直向下移动，此时，柔性功能件二轴向收缩，达到设定收缩 量λ(优选取值0.4mm)后停止竖直向下移动，此时，焊枪底端正对焊缝初始点；柔性关节 到焊接部底端距离L的变化量为x＝20mm，焊接角α＝45°，焊枪的焊接部末端还安装有弹 性的焊接护套，当焊接部达到设定收缩量λ后停止竖直向下移动时，焊枪将产生α′＝1°的 回弹。

A、当焊枪的焊接部安装焊接护套时，焊枪回弹角度α′＝1°，焊枪尖与工件焊缝合力P 采用如下公式计算得出：

k₂＝(F_max—F₀)/λ

F＝F₀+x*k₂＝F₀+x*(F_max—F₀)/λ＝8+20*(12-8)/0.4＝10N

k₁＝(M_max-M₀)/β

M＝M₀+x*k₁＝M₀+x*(M_max-M₀)/β＝1.2+20*(1.8-1.2)/34.78＝1.545Nm

f₂＝F*sin((Δα-α′)+θ)＝10sin66°≈9.135N

f′₁＝F*cos((Δα-α′)+θ)＝10cos66°≈4.067N

f₁＝f′₁+f″₁＝4.067+3.758＝7.83N

P＝12N

P＜15N

式中，f′₁为压簧水平方向的伸缩压力，f″₁为扭簧水平方向的扭力，f₂为压簧竖直方向的伸 缩压力，k₂为压簧弹性系数，k₁为扭簧弹性系数，F为伸缩把持器变形力，M为扭簧扭矩，λ 为压簧工作行程，单位为m，本实施例中λ＝x_max-0，β为扭簧工作行程。

B、当焊枪的焊接部未安装焊接护套时，焊枪无回弹，此时将α′＝0代入上述公式计算焊 枪尖与工件焊缝合力P。

综上所述，本实施例中，柔感关节的变形范围为40°和力矩1.2-1.8Nm，伸缩把持器的 变形范围40mm和力8-12N，是合适的。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发并不限于上述实施方式中的具体细 节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变 换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔感焊接机器人，其特征在于：包括机械臂一(10)、机械臂二(20)、柔感关节、伸缩把持器(40)以及焊枪(50)；

机械臂二(20)通过数控轴和柔感关节旋转连接于机械臂一(10)，机械臂二(20)末端通过数控轴连接有转盘(30)；

柔感关节包括柔性功能件一、离合功能件一和旋转编码器(24)；

柔性功能件一用于控制机械臂二(20)的旋转与限位；

离合功能件一用于控制机械臂二(20)与机械臂一(10)相对运动；

旋转编码器(24)测量机械臂二(20)的旋转角度；

伸缩把持器(40)安装在转盘(30)上，伸缩把持器(40)能沿转盘(30)轴向伸缩；

焊枪(50)安装在伸缩把持器(40)的末端。

2.根据权利要求1所述的一种柔感焊接机器人，其特征在于：所述伸缩把持器(40)包括柔性功能件二、离合功能件二和电子尺(41)；

柔性功能件二用于控制伸缩把持器的轴向伸缩与限位；

离合功能件二用于控制伸缩把持器与机械臂二的相对运动；

电子尺(41)用于检测伸缩把持器的伸缩位移。

3.根据权利要求2所述的一种柔感焊接机器人，其特征在于：所述柔性功能件二为压簧(42)。

4.根据权利要求2所述的一种柔感焊接机器人，其特征在于：所述离合功能件一和离合功能件二均为电磁离合器(41)。

5.根据权利要求1所述的一种柔感焊接机器人，其特征在于：所述柔性功能件一为扭簧(22)。

6.根据权利要求1所述的一种柔感焊接机器人，其特征在于：所述焊枪(50)包括夹持部和焊接部，焊接部末端设有圆角；其中，

夹持部与焊接部之间的夹角为焊枪角θ，θ取值范围为0-30°；

焊接部与水平面的夹角为焊接角α，α取值范围为45±5°。

7.一种柔感焊接机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1.找焊缝，具体包括以下步骤：

步骤11.柔性功能件预紧，对柔性功能件一施加旋转扭矩M₀，对柔性功能件二施加伸缩预紧力F₀；此时，焊枪的焊接部与水平面的初始夹角为α₀；柔性关节到焊接部底端的距离为L₀；

步骤12.找焊缝侧壁：机器人带动焊枪横向移动，直至焊枪的焊接部底端触碰到待焊缝侧壁；机器人继续带动焊枪横向移动，此时，柔性关节逆时针旋转至设定角度，柔性关节及焊枪的旋转变化量均为Δα，焊接角由α₀变为α，α＝α₀+Δα；

柔性关节转动到设定角度后，焊缝侧壁对焊接部底端水平方向的分力f1为：

其中，f₁＜F₀

式中，θ为焊枪角；

步骤13.找焊缝底板：机器人带动焊枪竖直向下移动，直至焊枪的焊接部底端触碰到待焊缝底板；机器人继续带动焊枪竖直向下移动，此时，柔性功能件二轴向收缩，达到设定收缩量λ后停止竖直向下移动，此时，焊枪底端正对焊缝初始点；柔性关节到焊接部底端距离L的变化量为x；

步骤2.追踪焊缝：焊枪开始焊接，依靠柔感关节的旋转和伸缩把持器的轴向伸缩，进而抵消焊枪在焊缝焊接时产生的水平和竖直方向的位移误差。

8.根据权利要求7所述的一种柔感焊接机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤11中在对柔性关节进行功能预紧前，先设定柔性关节的变形参数和伸缩把持器的变形范围，其中柔性关节的变形参数包括扭簧的变形范围α₀～α_max，α_max为扭簧转动角度最大值，扭簧的扭矩范围为M₀～M_max，M_max为扭矩最大值；伸缩把持器的变形范围为0～x_max，x_max为伸缩把持器最大伸长量；伸缩把持器的变形力为F₀～F_max，F_max为伸缩把持器变形力的最大值；柔感部件稳定工作时，焊枪尖与工件焊缝合力P需满足P₀～P_max，P_max为焊枪尖与工件焊缝合力的最大值；在步骤12和步骤13中，焊枪尖与工件焊缝合力P需实时满足P＜P_max。

9.根据权利要求8所述的一种柔感焊接机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤12中，焊枪尖与工件焊缝合力P的计算公式为：

P＝f₁

步骤13中，焊枪尖与工件焊缝合力P采用如下公式计算得出：

f₁＝f′₁+f″₁

f′₁＝F*cos(Δα+θ)

f₂＝F*sin(Δα+θ)

F＝F₀+x*k₂

M＝M₀+x*k₁

式中，f′₁为压簧水平方向的伸缩压力，f″₁为扭簧水平方向的扭力，f2为压簧竖直方向的伸缩压力，k₂为压簧弹性系数，k₁为扭簧弹性系数，F为伸缩把持器变形力，M为扭簧扭矩。

10.根据权利要求7所述的一种柔感焊接机器人的焊缝跟踪方法，其特征在于：所述步骤13中，焊枪的焊接部末端还安装有弹性的焊接护套，当焊接部达到设定收缩量λ后停止竖直向下移动时，焊枪将产生α′的回弹，其中f′₁、f₂和f″₁采用更正后的如下公式进行计算：

f′₁＝F*cos((Δα-α′)+θ)

f₂＝F*sin((Δα-α′)+θ)

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