CN209319074U - 一种五轴专用全位置焊接机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种五轴专用全位置焊接机器人，包括底座部件，固定在底座部件上的竖臂部件，竖臂部件上安装滑座部件，竖臂部件与滑座部件组成竖直方向移动轴副；滑座部件上安装水平臂一部件，滑座部件与水平臂一部件组成第一级水平回转轴副；水平臂一部件上安装水平臂二部件，水平臂一部件与水平臂二部件组成第二级水平回转轴副；水平臂二部件上安装C形臂部件，水平臂二部件与C形臂部件组成第三级水平回转轴副；C形臂部件腕轴组件上安装协同回转臂，腕轴组件铅垂回转并与第三级水平回转轴副垂直且汇交于一点。解决了水平臂杆回转轴副铅垂载荷产生的倾覆弯矩卸荷的问题，实现机器人臂杆的大尺寸、高精度、高刚性水平回转轴副运动。

Description

一种五轴专用全位置焊接机器人

技术领域

本实用新型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全位置焊接机器人。

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。实现智能化、多功能化、柔性自动化生产。机器人焊接应用有着广泛的市场，管道焊接涉及石油、化工、燃气、电力、工业制品、船舶、海工、核电、市政、医药、食品、水处理等诸多领域。目前固定口全位置机器人焊接应用还是空白。工业生产中主要采用的方式主要是半开口轨道齿圈装配到管子工件上，焊接小车安装在轨道齿圈绕工件回转焊接，小直径管子焊接采用手持全位置焊接专机方式，无轨道磁力小车方式无显著应用。规格品种受管径限制，不仅造成设备制造成本的增加，生产工效也受到很大的制约。

传统六轴关节工业机器人的空间机构方式，无法适用固定口全位置机器人焊接应用。机器人臂杆能够绕工件回转，有较大的空间可达性，有较高的位姿设计精度，实现离线编程工作条件上的绝对位置操作应用,降低机器人集成应用成本，把工业机器人应用管道焊接生产应用中，是研究人员急需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种五轴专用全位置焊接机器人。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种五轴专用全位置焊接机器人，包括底座部件，固定在底座部件上的竖臂部件，竖臂部件上安装滑座部件，竖臂部件与滑座部件组成竖直方向移动轴副；滑座部件上安装水平臂一部件，滑座部件与水平臂一部件组成第一级水平回转轴副；

水平臂一部件上安装水平臂二部件，水平臂一部件与水平臂二部件组成第二级水平回转轴副；水平臂二部件上安装C形臂部件，水平臂二部件与C形臂部件组成第三级水平回转轴副；C形臂部件腕轴组件上安装协同回转臂，协同回转臂的工具轴线垂直于腕轴，腕轴组件铅垂回转并与第三级水平回转轴副垂直且汇交于一点；

协同回转臂由第五伺服电机、谐波减速器、驱动伞齿轮、臂座、交叉滚子轴承、从动伞齿轮、传动轴、焊枪固定座、激光检测装置、焊枪部件组成，第五伺服电机安装在谐波减速器上，谐波减速器安装在臂座上，传动轴安装在谐波减速器输出端，驱动伞齿轮与从动伞齿轮啮合且安装在传动轴上，交叉滚子轴承内外环分别安装在安装在C形臂部件及臂座上，从动伞齿轮啮合固定安装在C形臂部件上，焊枪固定座安装在传动轴输出端，激光检测装置、焊枪部件均安装在焊枪固定座上。

进一步，竖臂部件采用箱形柱结构，竖臂部件内设有第四伺服电机、轴承座组件、滚珠丝杠，第四伺服电机连接滚珠丝杠，轴承座组件套设在滚珠丝杠上；

竖臂部件导轨联接面安装有两组直线导轨及滑块；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，所述滑座部件固定联接第一RV减速器，第一RV减速器输入端安装第一伺服电机，第一RV减速器输出法兰面上安装有第一空心传动轴并支承在滑座部件上的第一轴承部件上，输出动力，第一空心传动轴轴端与水平臂一部件固定安装，组成第一级水平回转轴副。

进一步，水平臂一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有第二空心传动轴并支承在水平臂一部件上的第二轴承部件上，输出动力，第二空心传动轴轴端与水平臂二部件固定安装，组成第二级水平回转轴副。

进一步，水平臂二部件伸出端固定安装第三RV减速器，第三RV减速器输入端连接第三伺服电机，第三RV减速器输出法兰面上安装有第三空心传动轴并支承在水平臂二部件上的第三轴承部件上，输出动力，第三空心传动轴轴端与C 形臂部件固定安装，组成第三级水平回转轴副。

进一步，驱动伞齿轮与从动伞齿轮传动比为1:2，当焊枪绕工件回转360度全位置焊接时，C形臂部件实现绕工件180度偏转的避障运动，焊枪铅垂时，与第三级水平回转轴副同轴。

进一步，所述底座部件上设有机器人控制器。

进一步，所述第一级水平回转轴副，第二级水平回转轴副以及第三级水平回转轴副均采用水平回转轴副通用性结构，水平回转轴副通用性结构的伺服电机安装在RV减速器上，RV减速器与固定臂杆的轴套部分的法兰面固定联接，输出轴联接在RV减速器的输出法兰上，输出轴另一端安装轴承，轴承外圈与固定臂杆的轴套配合，调整盖压紧轴承侧隙，形成RV减速器交叉滚子轴承与外部球轴承三角支承方式，回转臂杆安装在输出轴上。回转臂杆及前端铅垂载荷产生的倾覆弯矩负载卸荷到固定臂杆的轴套面上，实现机器人臂杆的大尺寸、高精度、高刚性水平回转轴副运动。输出轴上采用中空形式，方便机器人伺服电机线缆通过、固定并实现关节线缆缠绕。

本实用新型的有益效果为：本实用新型给出的机器人构造，从机器人空间机构学研究的角度分析，相当于具备冗余避障运动的6轴机器人，专用于全位置焊接，C形臂部件与协同回转臂定转角比例协同运动演化而成的五轴全位置专用焊接工业机器人，C形臂部件不再作为独立轴单独规划臂杆姿态。该五轴全位置专用焊接工业机器人C形臂部件干涉空间小，尤其适用于管道有空间限制的应用场合，可以用于管道固定口，也可用于椭圆管、方管等异形管焊接；

解决了水平臂杆回转轴副铅垂载荷产生的倾覆弯矩卸荷的问题，实现机器人臂杆的大尺寸、高精度、高刚性水平回转轴副运动。进而通过竖臂部件采用箱形柱结构，用以保证业机器人的系统刚性。滚珠丝杠结合直线导轨的方式，实现竖直方向移动轴副高刚性、高精度、大尺寸传动问题。

实现了机器人构造的空间结构优化，在机器人位置可达性方面，机器人应用空间大，且臂杆姿态不随空间位置的变化影响机器人应用空间效用；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；在机器人应用方面，发现了机器人运动特征中的冗余特性，增加了机器人臂杆的避障运动的功能特性，采用C形臂杆结构方式，实现臂杆绕工件回转的全位置焊接应用。在机器人运动学和动力学算法优化和应用功能优化方面也有明显的方法优势。从而得以实现本实用新型申请机器人产品结构优势特征。

机器人臂杆与传统6关节机器人相比工作范围更大，能够在较小的占地面建造较大的工作空间，机器人臂杆能够绕工件全位置回转焊接，对现有固定口全位置焊接方式有颠覆性创新，用途广泛，具有很高的社会经济效益。结构特征上，利用冗余C形臂杆绕工件回转，可以向下兼容各种规格的管道焊接，实现设备的通用性。末端关节轴姿态角直观性强，方便操作，有较强的适用性，这是现有工业机器人无法做到的。

附图说明

图1是本实用新型提供的五轴全位置专用焊接工业机器人的立体结构图；

图2是图1所示五轴全位置专用焊接工业机器人的结构剖视图；

图3是图1所示五轴全位置专用焊接工业机器人协同回转臂的局部结构视图；

图4是图2所示五轴全位置专用焊接工业机器人水平回转轴副通用结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种五轴全位置专用焊接工业机器人，包括底座部件1，固定在底座部件1上的机器人控制器101和竖臂部件2；滑座部件3安装在竖臂部件2上，组成竖直方向移动轴副；水平臂一部件4安装在滑座部件3 上，组成第一级水平回转轴副；水平臂二部件5安装在水平臂一部件4上，组成第二级水平回转轴副；C形臂部件6安装在水平臂二部件5上，组成第三级水平回转轴副；协同回转臂7安装在C形臂部件6腕轴组件上。机器人伺服电机线缆通过各机构部件内部型腔联接到机器人控制器101上。

如图2所示，竖臂部件2采用箱形柱结构，用以保证业机器人的系统刚性；主要零部件包括装配在一起的第四伺服电机208、轴承座组件207、滚珠丝杠202，整体安装在竖臂部件2上；滚珠丝杠202下端与轴承托座201配合，安装在竖臂部件2的对应联接面上；竖臂部件2导轨联接面安装有两组直线导轨205及滑块206；升降螺母座203、螺母204与滚珠丝杠202配合，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。机器人伺服电机线缆可以穿过螺母座203，至竖臂部件2。

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输出法兰面上安装有第一空心传动轴 303，与第一轴承部件304的轴承内孔配合，第一轴承部件304安装在支承在水平臂二部件5上，输出动力，第一空心传动轴303轴端与水平臂一部件4固定安装，组成第一级水平回转轴副。机器人伺服电机线缆可以穿过第一空心传动轴303，至滑座部件3。

水平臂一部件4伸出端固定安装第二RV减速器403，以及安装在第二RV减速器403输入端上的第二伺服电机404；第二RV减速器403输出法兰面上安装有第二空心传动轴402，与第二轴承部件401的轴承内孔配合，第二轴承部件 401安装在支承在水平臂二部件5上，输出动力，第二空心传动轴402轴端与水平臂二部件5固定安装，组成第二级水平回转轴副。机器人伺服电机线缆可以穿过第二空心传动轴402，至水平臂一部件4。

水平臂二部件5伸出端固定安装第三RV减速器501，以及安装在第三RV减速器501输入端上的第三伺服电机502；第三RV减速器501输出法兰面上安装有第三空心传动轴503，与第三轴承部件504的轴承内孔配合，第三轴承部件 504安装在支承在水平臂二部件5上，输出动力，第三空心传动轴503轴端与C 形臂部件6固定安装，组成第三级水平回转轴副。

如图3所示，协同回转臂7由第五伺服电机701、谐波减速器702、驱动伞齿轮703、臂座704、交叉滚子轴承705、从动伞齿轮706、传动轴707、焊枪固定座708、激光检测装置709、焊枪部件710组成，第五伺服电机701安装在谐波减速器702上，谐波减速器702安装在臂座704上，传动轴707安装在谐波减速器702输出端，驱动伞齿轮703与从动伞齿轮706啮合且安装在传动轴 707上，交叉滚子轴承705内外环分别安装在安装在C形臂部件6及臂座704上，从动伞齿轮706啮合固定安装在C形臂部件6上，焊枪固定座708安装在传动轴707输出端，激光检测装置709、焊枪部件710均安装在焊枪固定座708上。驱动伞齿轮703与从动伞齿轮706传动比为1:2，也就是当焊枪绕工件回转360 度全位置焊接时，C形臂部件6实现绕工件180度偏转的避障运动，焊枪铅垂时，与第三级水平回转轴副同轴。

进一步的说明，机器人RV关节减速器用于水平回转关节传动，减速器驱动转矩垂直于重力负载方向，末端输出法兰要承受较大的臂杆重力倾覆负载和机器人末端工具的倾覆转矩负载，大大超出的减速器正常的选型范围，刚性、精度均难以保证。图4给出了本实用新型水平回转轴副通用性结构特征，具体为：第一级水平回转轴副，第二级水平回转轴副以及第三级水平回转轴副均采用水平回转轴副通用性结构，水平回转轴副通用性结构的伺服电机A01安装在RV减速器A02上，RV减速器A02与固定臂杆A03的轴套部分的法兰面固定联接，输出轴A04联接在RV减速器A0。2的输出法兰上，输出轴A04另一端安装轴承A05，轴承A05外圈与固定臂杆A03的轴套配合，调整盖A06压紧轴承侧隙，形成RV 减速器交叉滚子轴承与外部球轴承三角支承方式，回转臂杆A07安装在输出轴 A04上。回转臂杆A07及前端铅垂载荷产生的倾覆弯矩负载卸荷到固定臂杆A03 的轴套面上，实现机器人臂杆的大尺寸、高精度、高刚性水平回转轴副运动。输出轴A04上采用中空形式，方便机器人伺服电机线缆通过、固定并实现关节线缆缠绕。

本实用新型给出的机器人构造，从机器人空间机构学研究的角度分析，相当于具备冗余避障运动的6轴机器人，专用于全位置焊接，C形臂部件与协同回转臂定转角比例协同运动演化而成的五轴全位置专用焊接工业机器人，C形臂部件不再作为独立轴单独规划臂杆姿态。该五轴全位置专用焊接工业机器人C形臂部件干涉空间小，尤其适用于管道有空间限制的应用场合，可以用于管道固定口，也可用于椭圆管、方管等异形管焊接；

解决了水平臂杆回转轴副铅垂载荷产生的倾覆弯矩卸荷的问题，实现机器人臂杆的大尺寸、高精度、高刚性水平回转轴副运动。进而通过竖臂部件采用箱形柱结构，用以保证业机器人的系统刚性。滚珠丝杠结合直线导轨的方式，实现竖直方向移动轴副高刚性、高精度、大尺寸传动问题。

实现了机器人构造的空间结构优化，在机器人位置可达性方面，机器人应用空间大，且臂杆姿态不随空间位置的变化影响机器人应用空间效用；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；在机器人应用方面，发现了机器人运动特征中的冗余特性，增加了机器人臂杆的避障运动的功能特性，采用C形臂杆结构方式，实现臂杆绕工件回转的全位置焊接应用。在机器人运动学和动力学算法优化和应用功能优化方面也有明显的方法优势。从而得以实现本实用新型申请机器人产品结构优势特征

机器人臂杆与传统6关节机器人相比工作范围更大，能够在较小的占地面建造较大的工作空间，机器人臂杆能够绕工件全位置回转焊接，对现有固定口全位置焊接方式有颠覆性创新，用途广泛，具有很高的社会经济效益。结构特征上，利用冗余C形臂杆绕工件回转，可以向下兼容各种规格的管道焊接，实现设备的通用性。末端关节轴姿态角直观性强，方便操作，有较强的适用性，这是现有工业机器人无法做到的。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型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实用新型的范围内。本实用新型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)

1.一种五轴专用全位置焊接机器人，包括底座部件(1)，固定在底座部件(1)上的竖臂部件(2)，竖臂部件(2)上安装滑座部件(3)，竖臂部件(2)与滑座部件(3)组成竖直方向移动轴副；滑座部件(3)上安装水平臂一部件(4)，滑座部件(3)与水平臂一部件(4)组成第一级水平回转轴副；

水平臂一部件(4)上安装水平臂二部件(5)，水平臂一部件(4)与水平臂二部件(5)组成第二级水平回转轴副；水平臂二部件(5)上安装C形臂部件(6)，水平臂二部件(5)与C形臂部件(6)组成第三级水平回转轴副；C形臂部件(6)腕轴组件上安装协同回转臂(7)，协同回转臂(7)的工具轴线垂直于腕轴，腕轴组件铅垂回转并与第三级水平回转轴副垂直且汇交于一点；

其特征在于，协同回转臂(7)由第五伺服电机(701)、谐波减速器(702)、驱动伞齿轮(703)、臂座(704)、交叉滚子轴承(705)、从动伞齿轮(706)、传动轴(707)、焊枪固定座(708)、激光检测装置(709)、焊枪部件(710)组成，第五伺服电机(701)安装在谐波减速器(702)上，谐波减速器(702)安装在臂座(704)上，传动轴(707)安装在谐波减速器(702)输出端，驱动伞齿轮(703)与从动伞齿轮(706)啮合且安装在传动轴(707)上，交叉滚子轴承(705)内外环分别安装在安装在C形臂部件(6)及臂座(704)上，从动伞齿轮(706)啮合固定安装在C形臂部件(6)上，焊枪固定座(708)安装在传动轴(707)输出端，激光检测装置(709)、焊枪部件(710)均安装在焊枪固定座(708)上。

2.根据权利要求1所述的一种五轴专用全位置焊接机器人，其特征在于，竖臂部件(2)采用箱形柱结构，竖臂部件(2)内设有第四伺服电机(208)、轴承座组件(207)、滚珠丝杠(202)，第四伺服电机(208)连接滚珠丝杠(202)，轴承座组件(207)套设在滚珠丝杠(202)上；

竖臂部件(2)导轨联接面安装有两组直线导轨(205)及滑块(206)；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全位置焊接机器人，其特征在于，所述滑座部件(3)固定联接第一RV减速器(302)，第一RV减速器(302)输入端安装第一伺服电机(301)，第一RV减速器(302)输出法兰面上安装有第一空心传动轴(303)并支承在滑座部件(3)上的第一轴承部件(304)上，输出动力，第一空心传动轴(303)轴端与水平臂一部件(4)固定安装，组成第一级水平回转轴副。

4.根据权利要求3所述的一种五轴专用全位置焊接机器人，其特征在于，水平臂一部件(4)伸出端固定安装第二RV减速器(403)，第二RV减速器(403)输入端连接第二伺服电机(404)；第二RV减速器(403)输出法兰面上安装有第二空心传动轴(402)并支承在水平臂一部件(4)上的第二轴承部件(401)上，输出动力，第二空心传动轴(402)轴端与水平臂二部件(5)固定安装，组成第二级水平回转轴副。

5.根据权利要求4所述的一种五轴专用全位置焊接机器人，其特征在于，水平臂二部件(5)伸出端固定安装第三RV减速器(501)，第三RV减速器(501)输入端连接第三伺服电机(502)，第三RV减速器(501)输出法兰面上安装有第三空心传动轴(503)并支承在水平臂二部件(5)上的第三轴承部件(504)上，输出动力，第三空心传动轴(503)轴端与C形臂部件(6)固定安装，组成第三级水平回转轴副。

6.根据权利要求1所述的一种五轴专用全位置焊接机器人，其特征在于，驱动伞齿轮(703)与从动伞齿轮(706)传动比为1:2，当焊枪绕工件回转360 度全位置焊接时，C形臂部件(6)实现绕工件180度偏转的避障运动，焊枪铅垂时，与第三级水平回转轴副同轴。

7.根据权利要求1所述的一种五轴专用全位置焊接机器人，其特征在于，所述底座部件(1)上设有机器人控制器(101)。

8.根据权利要求1所述的一种五轴专用全位置焊接机器人，其特征在于，所述第一级水平回转轴副，第二级水平回转轴副以及第三级水平回转轴副均采用水平回转轴副通用性结构，水平回转轴副通用性结构的伺服电机(A01)安装在RV减速器(A02)上，RV减速器(A02)与固定臂杆(A03)的轴套部分的法兰面固定联接，输出轴(A04)联接在RV减速器(A02)的输出法兰上，输出轴(A04)另一端安装轴承(A05)，轴承(A05)外圈与固定臂杆(A03)的轴套配合，调整盖(A06)压紧轴承侧隙，形成RV减速器交叉滚子轴承与外部球轴承三角支承方式，回转臂杆(A07)安装在输出轴(A04)上，回转臂杆(A07)及前端铅垂载荷产生的倾覆弯矩负载卸荷到固定臂杆(A03)的轴套面上。