专利名称：一种关节型弧焊机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机电一体化产品，确切讲，涉及一种电弧焊自动焊接设备。该机不仅可以作为移动式自动焊接机头使用，而且在电力、石油、化工企业管道系统安装工程焊接中，有着实质性的使用价值。
目前，在工厂企业的焊接生产中，对工件环焊缝的自动焊接，都采用焊枪固定，工件旋转的自动焊接方式和自动焊接设备。但在电力、石油、化工企业管道系统安装焊接中，由于管道无法旋转，只能采用焊枪围绕管道旋转的方式进行自动焊接。很显然，采用现有的焊枪固定，工件旋转的自动焊接方式和自动焊接设备，不能对管道环焊缝进行自动焊接。
对管道焊缝进行自动焊接的设备，主要有《焊接手册第一卷焊接方法和设备》所述的“全位置自动焊机”，和《微型计算机在焊接中的应用》文所述的“固定管道全自动TIG焊机”。其结构由焊接机头、行走环行导轨、控制系统组成。对焊枪位置的控制采用焊枪位置信号、逻辑控制模板、焊枪回转模板、送丝控制模板、弧压控制模板、磁控电弧摆动模板、机械电弧摆动模板等实现。控制系统包括微型计算机和控制柜，微型计算机由主机、键盘、显示器、输入设备、输入输出接口等组成；控制柜由输入输出接口电路、功率驱动电路和焊枪位置控制的各种模板组成。自动焊接软件是根据焊接工艺，预先编程并存储在软盘或硬盘上。焊接时，在微型计算机系统软件的支持下，从软盘或硬盘上调入计算机内存执行。微型计算机输出的控制信号通过输出接口输送到控制柜，经功率放大后驱动各执行元件，进行自动焊接。
除此之外，还有《焊接手册第一卷焊接方法和设备》、《工业机器人》、《机器人控制技术》文中所述的“弧焊机器人”，其结构由机械系统、控制系统、驱动系统组成。其中机械系统包括机身、关节型手臂、焊接工具。为了把示教的运动轨迹转变为对应关节轴的数据，在机身、关节型手臂的各关节轴设置了检测元件，检测的数据存入主控微型计算机。
控制系统的微型计算机分为两部分，一部分是主控微型计算机，另一部分是从微型计算机或单片微型计算机。
驱动系统一般为液压驱动或电动驱动，控制部分常以动力站的形式单独放置。
对弧焊机器人的编程，都是在微型计算机系统软件的支持下进行。具体有几种方式示教编程、离线编程、机器人语言编程。示教编程是目前使用最普遍的方法，这种方法编制程序是在机器人现场进行，操作人员可以手扶机器人按给定运动轨迹运动，或操作示教盒的按钮驱动机器人按给定运动轨迹运动，将各定运动轨迹转化为机器人各关节轴的角度信息，记录进主控微型计算机的内存储器；复现运动时，主控微型计算机从内存读出相应信息，采用插补算法和机器人逆向运动学算法，将运动轨迹中间点的位置和姿态，转变为对应关节轴应旋转的角度信息，并向从微型计算机或单片微型计算机发出控制命令，驱动各关节轴，在一定精度范围内复现示教运动。在示教和复现阶段，都必须利用主控微型计算机。
上述的自动焊接设备，其机械系统、控制系统、驱动系统都是单独自成一体，尤其是基于微型计算机的控制系统，除控制柜外，微型计算机一般都由主机、键盘、显示器、输入设备、输入输出接口组成。这样的结构和编程方式以及复现运动的方法，导致了自动焊接设备不仅系统复杂，价格昂贵，而且体积大、重量重，不便于携带，不便于在焊接生产现场频繁移动。焊接方式均采用钨极气体保护电弧焊，不仅焊接生产效率较低，而且焊接时，需要氩气、氦气、或这些气体的混合气作为焊接时的保护气体，购买气体，运输气瓶，导致焊接生产成本上升；作为导电电极和填充金属的焊丝，以盘卷的形式供自动焊接使用，气瓶、焊丝也不便于在焊接生产现场频繁移动。采用上述现有技术的自动焊接设备，适用于在固定的焊接生产现场使用，或在流水作业生产线上固定工位作业。
在电力、石油、化工企业管道系统安装焊接中，焊接生产方式是在一个管道焊缝焊接完后，移动焊接设备到下一个管道焊缝处再进行焊接，焊接设备需要在焊接现生产场频繁移动。由于焊接生产现场多数是远离城市的平原、沙漠、丘陵等地区，采用上述现有技术的自动焊接设备，进行管道焊缝自动焊接，受到下述几个方面的限制1.不便于携带自动焊接设备、和在焊接生产现场频繁移动自动焊接设备；2.不可能或不便于灌装氩气，不便于携带氩气气瓶；3.新增购买氩气、往返运输费，增加了焊接生产的成本；4.焊接生产效率较低，延长了管道系统安装工程的建设周期。
上述原因，限制了采用上述现有技术的自动焊接设备，在电力、石油、化工企业管道系统安装焊接中的使用。所以，几十年来，在管道焊接生产中，都是采用手工电弧焊焊接。采用手工电弧焊焊接，不仅焊接生产条件差，工人劳动强度大，且焊接质量波动大，易受工人技术状况、心理情绪的影响。随着微型计算机、单片微型计算机、机器人技术的发展和应用，在管道焊接生产中，实施自动焊接技术已具备了必要的技术基础。
本发明是针对采用现有技术的自动焊接设备，在电力、石油、化工企业管道系统安装焊接中存在的不足，和实施自动焊接的需要，提供一种便于携带、便于在焊接生产现场频繁移动的关节型弧焊机器人，其主要目的是在管道焊接生产中实现自动焊接，提高焊接生产效率，降低焊接生产成本。
本发明的另一个目的是提供一种开发关节型弧焊机器人焊接控制软件的离线编程方式。
本发明的另一个目的是采用性价比高的部件和元件，降低关节型弧焊机器人的价格，使这一具有较高科技含量的项目能在工厂企业得到广泛的应用和推广。
本发明的上述目的是这样实现的首先由关节型手臂、机身、行走机构、机器人控制器、控制电源组成关节型机器人。其中，关节型手臂、行走机构、机器人控制器为模块结构。可根据焊接方式、焊接管道的直径、焊缝焊接的层数，选择各规格的模块部件装配。具体结构是行走机构直接安装在生产作业现场，或生产作业对象上自成一体；行走机构上安装机身，机身上安装关节型手臂，关节型手臂的肩部上安装机器人控制器，以上三件组合为一体；控制电源单独为一体，安装在行走机构上，通过电缆和机器人控制器连接。关节型机器人分为三个分体，分体重量轻、便于携带，装配后，结构紧凑，便于在生产作业现场频繁移动。再以关节型机器人为基体，在关节型手臂上安装焊接工具，机身位置安装自动上料斗，构成专用的关节型弧焊机器人。在焊接方式的选择上，按照技术经济的观点，可采用以药皮焊条焊接整个焊道；或以钨极氩弧焊焊接底层，药皮焊条焊接中层和盖面的焊接方式。焊接生产作业时，将关节型弧焊机器人安装在焊接管道上，启动关节型弧焊机器人，在机器人控制器固化的控制软件控制下，关节型弧焊机器人实现行走，和模仿人手与手臂的焊接动作，配合弧焊电源，或钨极氩弧焊电源，进行自动焊接。一个焊道焊接完毕或钨极氩弧焊焊接底层完毕，移动关节型弧焊机器人到下一个焊缝进行自动焊接，以类似流水生产作业的方式进行管道焊缝自动焊接。
采用上述的关节型弧焊机器人对管道焊缝进行自动焊接，是基于下述的技术基础。关节型弧焊机器人是一种机电一体化产品，对焊接工具的空间运动轨迹的控制，是实现自动焊接的关键。焊接工具在空间运动，是关节型手臂各关节轴联合转动的结果，每个关节轴的旋转都影响焊接工具在空间的位置和姿态。只有采用计算机控制系统，连续控制关节型手臂的各个关节轴，使各关节轴同时作受控旋转的方法，才能使关节型手臂实现模仿人手与手臂的焊接动作，和按给定的轨迹运动。
如《工业机器人》、《微型计算机控制基础》文中所述，步进电机是一种能将数字输人脉冲转换为旋转运动的电磁执行元件，它本身所特有的高精度、无漂移、无累计误差等优点，使它成为目前电机一体化产品中，唯一能使用开环控制技术的伺服和执行元件。目前，高精度开环步进电机驱动技术已十分成熟，而单片机用于步进电机控制，采用开环控制系统，其重复位置精度已达0.1毫米，足以满足自动焊接的需要，且具有结构简单、工作可靠、成本低廉的优点。基于这样的原因，关节型弧焊机器人采用步进电机驱动关节型手臂的各个关节轴1.对关节型弧焊机器人各关节轴的控制采用开环控制技术，简化了关节型手臂的机械结构，缩小了关节型弧焊机器人的体积、减轻了关节型弧焊机器人的重量。
2.对关节型弧焊机器人的控制，没有沿用主、从微型计算机控制示教弧焊机器人的方式。采用PC微型计算机作为主控微型计算机开发控制软件，将开发的控制软件固化在机器人控制器内。以固化的控制软件控制关节型弧焊机器人进行自动焊接，不需要PC微型计算机作控制。这种控制方式，从根本上简化了关节型弧焊机器人的微型计算机控制系统，缩小了微型计算机控制系统的体积，减轻了微型计算机控制系统的重量。
3.开发控制软件、计算数据在上位PC微型计算机上，利用了PC微型计算机速度快，人机界面好的特点；实时控制采用单片微型计算机，利用了单片微型计算机体积小、控制功能强、抗干扰能力强的特点，两机互为补充，充分发挥了两机的优势。
4.采用单片机控制的，基于单片机的全软件开环控制技术，进一步缩小了机器人控制器的体积、减轻了机器人控制器的重量。
5.自动焊接中使用药皮焊条，或主要使用药皮焊条和焊丝，提高了焊接生产效率，降低了焊接生产成本。
6.采用PC微型计算机，以开发单片微型计算机的硬件和技术，离线编程开发关节型弧焊机器人的控制软件。
上述技术是本技术方案得以实现而采用的关键技术。
采用上述技术，降低了关节型弧焊机器人的价格。下面对每一个部件作简要的说明
焊接工具有两种类型焊钳和焊炬。
关节型手臂由肩部、大臂、小臂、手腕组成，肩部、大臂、小臂、手腕为模块结构。肩部与大臂之间由肩关节轴铰链联结，大臂与小臂之间由肘关节轴铰链联结，小臂与手腕之间由腕关节轴铰链联结。手腕上可安装焊钳或焊炬和送丝器，具有三个功能可操作安装的焊钳钳指开、闭；操作安装的焊钳或焊炬作微小转动；操作安装的焊钳或送丝器作微小往复运动。
自动上料斗内放置药皮焊条或焊丝，在自动焊接中，配合关节型手臂送出药皮焊条或焊丝。待药皮焊条或焊丝使用完后，可快速换装。
行走机构的导轨安装在焊接的管道上，行走机构安装在导轨里。行走机构被限位在导轨里行走，保证了关节型弧焊机器人的位置在运动中不发生偏移。
关节型手臂的肩部安装机器人控制器，控制电源放置在行走机构上，通过电缆和机器人控制器连接。机器人控制器包括单片机系统和输入接口电路、输出功率驱动电路。控制方案是基于单片机的全软件开环控制系统，这种全软件的控制方案，缩小了机器人控制器的体积。
控制电源由两组蓄电池组成。
自动焊接过程中，焊接运动轨迹始终跟踪焊缝是实现自动焊接的关键，在本技术方案中是这样实现跟踪焊缝的行走机构直接安装在焊接管道上，行走机构上安装自动上料斗，自动上料斗上安装关节型手臂，关节型手臂上安装焊接工具。装配时作简单调整，间接使焊接工具的运动轨迹对准焊道。以机械装配精度，保证了焊接工具在静止时的准确定位。自动焊接时，机器人控制器连续控制关节型手臂的各个关节轴，使各关节轴同时作受控旋转，相互协调转动，保证焊接工具在运动中始终跟踪焊缝。
采用上述技术方案的关节型弧焊机器人，分体重量轻、便于携带，装配后，结构紧凑，便于在焊接生产现场频繁移动；可根据焊接方式、焊接管道的直径、焊缝焊接的层数改变关节型弧焊机器人的组成，使焊接生产具有柔性；自动焊接中使用药皮焊条，或主要使用药皮焊条和焊丝，提高了焊接生产效率，降低了焊接生产成本；使管道焊接生产以类似流水生产作业的方式进行，实现管道焊接生产自动化，有利于改善焊接生产劳动条件，把工人从繁重的劳动中解脱出来，降低工人的劳动强度；有利于提高焊接生产质量，提高劳动生产率，降低焊接生产质量对工人技术的依赖性；以开发单片微型计算机的硬件和技术，离线编程开发关节型弧焊机器人的焊接软件，以固化在机器人控制器内的控制软件，控制关节型弧焊机器人进行自动焊接，降低了关节型弧焊机器人的价格。使这一具有较高科技含量的项目能在工厂企业得到广泛的应用和推广。
以下结合附图对本发明的实施例进行具体描述，其中
图1是关节型机器人的主视图。
图1所示关节型机器人为模块化结构关节型机器人，由关节型手臂3、机身4、行走机构5、机器人控制器6、控制电源7五个部件组成。其中关节型手臂3、行走机构5、机器人控制器6为模块结构，可根据生产作业的方式，选择各规格的模块装配。具体结构是行走机构直接安装在生产作业现场，或生产作业对象上自成一体；行走机构上安装机身，机身上安装关节型手臂，关节型手臂的肩部上安装机器人控制器，以上三件组合为一体；控制电源单独为一体，安装在行走机构的上，通过电缆和机器人控制器连接。关节型机器人分为三个分体，分体重量轻、便于携带，装配后，结构紧凑、便于频繁移动。
图1所示的关节型手臂3由肩部10、大臂20、小臂30、手腕40组成。肩部10和大臂20之间由肩关节轴铰链，大臂20与小臂30之间由肘关节轴铰链，小臂30与手腕40之间由腕关节轴铰链。肩部10、大臂20、小臂30、手腕40为模块结构，可根据生产作业的需要，选择各规格模块方便地换装。
图1所示的手腕40由手腕步进电机、传动螺杆、传动螺母、连接片、导向环、动环、止环、导环、手腕直流电机、齿轮、齿条、箱体组成。传动螺母的外圆周上，对称地加工了两个平面，每一个平面上加工了两个铰链孔。在与该平面垂直的外圆周位置上，对称地加工了两个导向键槽。动环的内圆周上对称地加工了两个导向键槽。传动螺母旋入传动螺杆，套装在动环里，通过滑动键滑动连接，动环又套装在导向环里，导环套装在止环里，导向环和止环同轴装配在箱体上。手腕40的导环上安装末端操作器，具有一个动作、两个自由度由手腕步进电机通过与传动螺杆联接，经传动螺母，和与传动螺母铰链的连接片联接，操作连接片作往复运动；手腕步进电机通过与传动螺杆联接，在传动螺杆与传动螺母旋紧的状态下，由导向环、动环支承传动螺母并导向、止环支承导环并导向，操作导环作微小旋转；手腕直流电机与齿轮联接，手腕步进电机和齿条联接，齿轮与齿条啮合，经齿条传动使手腕步进电机在导向环里作微小往复运动，带动导环也同样作微小往复运动。
图1所述的肩部10由箱板、支承柱、螺钉、防护罩装配成，肩部也是肩部减速器的箱体，防护罩装在箱体的四周。内装肩部步进电机、肩部减速器、肩部光电藕合检测器。肩部步进电机与肩部减速器啮合，肩部减速器的输出轴即是肩关节轴。齿轮轴处安装向心球轴承，向心球轴承支承肩关节轴。减速齿轮采用双列齿轮、螺钉紧固的消啮合间隙方法。末级减速齿轮旁安装肩部光电藕合检测器，配合齿轮上的两毫米小孔，检测肩关节轴的转动角度。
图1所示的大臂20由箱板、支承柱、螺钉、防护罩装配成，大臂也是大臂减速器的箱体，防护罩装在箱体的四周。内装大臂步进电机、大臂减速器、大臂光电藕合检测器。大臂步进电机与大臂减速器啮合，大臂减速器的输出轴即是肘关节轴。齿轮轴处安装向心球轴承，向心球轴承支承肘关节轴。减速齿轮采用双列齿轮、螺钉紧固的消啮合间隙方法。末级减速齿轮旁安装大臂光电藕合检测器，配合齿轮上的两毫米小孔，检测肘关节轴的转动角度。
图1所示的小臂30由箱板、支承柱、螺钉、防护罩装配成，小臂也是小臂减速器的箱体，防护罩装在箱体的四周。内装小臂步进电机、小臂减速器、小臂光电藕合检测器。小臂步进电机与小臂减速器啮合，小臂减速器的输出轴即是腕关节轴。齿轮轴处安装向心球轴承，向心球轴承支承腕关节轴。减速齿轮采用双列齿轮、螺钉紧固的消啮合间隙方法。末级减速齿轮旁安装小臂光电藕合检测器，配合齿轮上的两毫米小孔，检测腕关节轴的转动角度。
图1所示的机身4为圆柱形，可在其位置安装自动上料斗。
图1所示的行走机构5由两只主动磁轮、两只辅助轮、车架、行走直流电机、行走减速器、导轨组成。在实施例中，导轨呈圆环形。两只主动磁轮、分别安装在车架的两端，主动磁轮为圆柱性，沿纵轴线的中部呈V形。辅助轮内装滚动轴承和主动磁轮同轴安装。行走直流电机安装在车架的中部，其纵轴线和主动磁轮平行。行走减速器安装在两只主动磁轮的一端，并和主动磁轮垂直，两端的输出轴分别和主动磁轮联结。行走直流电机与行走减速器的中间输入轴联结，同向驱动主动磁轮。车架安装在导轨里，导轨在中分面处分为两部分，采用螺栓联接，中分面处的横断面形状是一边未完全封住的口字形，与未完全封住边相对的边的形状呈凸V字形。辅助轮刚好卡入未完全封住的口字形，就限定了车架的运动。生产作业时，行走直流电机经行走减速器，驱动主动磁轮转动，使车架在导轨里行走。行走机构5被限位在导轨里运动，保证了关节型机器人1相对于生产作业对象的位置，在运动中不发生偏移。行走机构5为模块结构，有多种规格，可根据生产作业方式选择。
图1所示的机器人控制器6由单片机系统。输入接口电路、输出功率驱动电路组成。实施例中，单片机系统的单片机芯片选用8031 ，输入输出接口芯片选用8255，地址锁存器选用74LS373，地址译码器选用74LS138，程序存贮器选用2764。输入接口电路四组，以一组为例，光电藕合隔离选用4N25、TOP12，输入插口选用单列三脚插座。输出功率驱动电路十三组，以一组为例，光电隔离选用两只4N25，集成驱动选用74LS06、74LS07，功率放大管选用四只TIP126，时基选用NE555，开关控制管选用TIP127，输出插口选用单列五脚插座。为了缩小机器人控制器的体积，只设置两只指示灯，一只接入单片机系统；一只接入输出功率驱动。只设置启动、停止按钮控制机器人控制器。将单片机系统，四组光电检测器的输入接口电路，以及两组双列二十脚插座制作在主电路板上以。两组直流电机，和两组开关控制、以及九组步进电机的输出功率驱动电路，都分别单独制作单元电路板。为使单元电路板具有可换性，方便维修。两组直流电机和两组开关控制输出功率驱动电路板，都按步进电机功率驱动电路板制作。两组直流电机和两组开关控制电路板，装配在主电路板上，九组步进电机电路板装配在辅电路板上。两电路板以上下重叠的形式放置，两电路板之间通过两组双列二十脚插座，并行电缆插头连接。另一个实施例中，两组直流电机、两组开关控制、九组步进电机的电路板，分别装配在各执行元件处。机器人控制器6为模块结构，可根据生产作业的需要，增减输出功率驱动电路，组成各个模块。
机器人控制器硬件的制作如《MCS-51/96系列单片微型计算机及其应用》、《单片机原理及制作》、《单片机应用系统设计与实践》、《微型计算机控制基础》文中所述。在选定单片机芯片、输入输出接口芯片、地址锁存器、地址译码器、程序存贮器后，地址总线、数据总线、控制总线、片选信号可按规定连接，其具体方法，本专业的技术人员对此已相当熟悉，不再赘述。仅对输入输出接口8255的地址分配，和输出功率驱动单元电路板作说明。8255的每一路输入、输出端口均经光电藕合隔离与外围电路连接。8255的PA0、PA1口接拨料步进电机，PA2、PA3口接送料步进电机，PA4、PA5口接钳指直流电机，PA6、PA71接行走直流电机。PB0、PB1口接肩部步进电机，PB2、PB3口接大臂步进电机，PB4、PB5口接小臂步进电机，PB6、PB7口接钳指步进电机。PC0口接入肩部步进电机，和钳指步进电机的驱动电源回路，作开关控制；PC1口接入大臂步进电机，小臂步进电机的驱动电源回路，作开关控制；PC2口开关控制接入推料电磁铁或焊炬开关，PC4口接入肩部光电藕合检测器，PC5口接入大臂光电藕合检测器，PC6口接入小臂光电藕合检测器分别检测各关节轴的转动角度，PC7口接入弧压光电藕合检测器检测弧压，8255的PC3口开关控制预留弧焊电源控制。在另一个实施例中，单片机的P1.0、P1.1口接肩部步进电机，P1.2、P1.3口接大臂步进电机，P1.4、P1.5口接小臂步进电机。单片机的P1.6、P1.7口和P3口的部分端口留作进一步开发用。输出功率驱动单元电路板，都具有相同的结构。以控制肩部步进电机为例8255的PB0口输出的信号接光电藕合4N25，经隔离后的信号接集成驱动74LS06的一个单元，和74LS07的一个单元。PB1口输出的信号接另一只光电藕合4N25，经隔离后的信号接集成驱动74LS06的另一个单元，和74LS07的另一个单元。四个单元的输出信号分别推动四只功率放大管TIP126，放大后的电流直接驱动肩部步进电机转动。PC0口输出的信号接光电藕合4N25，经隔离后的信号接时基NE555，NE555的输出接集成驱动74LS06的一个单元，其输出信号推动开关控制管TIP127，控制步进电机接入高电压。控制直流电机时，将输出功率驱动单元电路板中的74LS06换为74LS07即可。两组开关控制可选输出功率驱动单元电路板中的两路即可。
控制电源7包括一组6V蓄电池，一组18V蓄电池。
在PC微型计算机上，根据关节型手臂的结构参数和生产作业工艺的要求，编写程序动态仿真关节型手臂运动，计算关节型手臂各个关节轴的角度运动数据。依照仿真和计算的数据，编写控制程序。交叉汇编控制程序，汇编后的控制程序，通过PC微型计算机的通讯接口输入到单片机开发器，单片机开发器连接输入接口与输出功率驱动电路进行实际调试，调试正确的控制程序，固化在机器人控制器内，完成关节型机器人控制软件的开发。关节型手臂的结构参数改变和生产作业工艺作改进后，可修改控制程序，经汇编、调试正确后，重新固化在机器人控制器内，完成关节型机器人控制软件的再次开发。生产作业时，由机器人控制器固化的控制软件控制，实现关节型机器人行走和模仿人手与手臂的动作，进行生产作业。
图2是采用本发明关节型弧焊机器人的主视图。
在管道与管道对接焊接中，焊道轨迹是垂直于管道轴线的圆环形。关节型机器人的行走机构5安装在焊接管道上，关节型机器人沿导轨围绕管道旋转，形成圆环形焊道轨迹。以关节型机器人为基体，在关节型手臂3上安装焊钳2，机身位置安装自动上料斗4，组成使用药皮焊条作为导电电极和填充金属的关节型弧焊机器人。具体结构是行走机构5的导轨，直接安装在焊接管道上自成一体；行走机构5的车架上安装自动上料斗4，自动上料斗4上安装关节型手臂3，关节型手臂3上安装焊钳2，关节型手臂3的肩部10上安装机器人控制器6，以上四件组合为一体；控制电源7单独为一体，安装在行走机构5的车架上，通过电缆和机器人控制器6连接。关节型弧焊机器人分为三个分体，分体重量轻、便于携带，装配后，结构紧凑、便于在焊接生产现场频繁移动。装配时需作简单的调整导轨的中心离焊缝中心距离的调整，其调整数值为一常数，相对距离误差不大于五毫米；自动上料斗4安装在车架上的位置，可通过微调装置调整。由于关节型手臂3在焊接前的复位自检中，大臂20、小臂30、焊钳2之间的相对位置，分别复位成预定角度，焊钳2离肩关节轴的距离是一个常数。因此，上述调整实质上是简单的数值调整。通过调整，间接使焊钳2的运动轨迹对准焊缝。
图2所示的焊钳2由焊钳架、钳指组成。钳指加工成钳形，钳指的前部有一V形槽口，中部有一铰链孔，后部有一铰链孔。加工时，两铰链孔之间的距离是中部铰链孔与V形槽口之间距离的两倍。焊钳2可方便地安装在手腕的导环上，由手腕步进电机通过与传动螺杆联接，经传动螺母，和与传动螺母铰链的连接片联接，连接片另一端和钳指铰链，操作钳指开、闭；在钳指夹紧药皮焊条的状况下，传动螺杆与传动螺母成静配合，由导向环、动环支承传动螺母并导向、止环支承导环并导向，操作焊钳2作微小旋转；手腕步进电机和齿条联接，手腕直流电机与齿轮联接，齿轮与齿条啮合，经齿条传动使手腕步进电机在导向环里作微小往复运动，带动焊钳2也同样作微小往复运动。
图2所示的自动上料斗4内部有一个可作往复运动的圆形料仓。圆形料仓内有由转动轴，和在转动轴的一端固定安装的拨料盘，另一端固定安装的拨料盘组成的装持架，传动轴的一端是花键轴。拨料盘的圆周上间隔一定距离均匀开有圆弧孔放置药皮焊条，转动轴、拨料盘为一体。圆形料仓的一端安装拨料减速器，拨料减速器的末级减速齿轮中心加工有花键槽。拨料减速器的箱体上安装拨料步进电机，推料电磁铁及推料杆，拨料步进电机与拨料减速器联结。沿圆形料仓的轴线方向有送料步进电机，送料减速器。送料步进电机与送料减速器联结，安装在行走机构上。圆形料仓上安装有齿条，和送料减速器的末级齿轮啮合。圆形料仓另一端的端盖以铰链形式和圆形料仓联结。拨料减速器的末级齿轮轴处和转动轴之间，以花键滑动相连，便于换装。焊接前，装持架上可预先装满药皮焊条或焊丝，放入圆形料仓内。焊接中，待药皮焊条或焊丝抽取完后，可快速换装装持架。自动上料斗4为模块化结构设计，有多种规格，装持架上分别装存直径2.5毫米、3.2毫米、4.0毫米的药皮焊条或焊丝，以适应不同的焊接方式和焊缝层焊接的需要。
拨料减速器由箱板、支承柱、螺钉、减速齿轮组装配成，箱板为圆形。齿轮轴处安装向心球轴承，减速齿轮采用双列齿轮、螺钉紧固的消啮合间隙方法。
送料减速器由箱板、支承柱、螺钉、减速齿轮组装配成，箱体为矩形。齿轮轴处安装向心球轴承。减速齿轮采用双列齿轮、螺钉紧固的消啮合间隙方法。
在取药皮焊条工序焊接前，装持架预先装满药皮焊条，放入圆形料仓。肩部10内安装的肩部步进电机经肩部减速器，驱动肩关节轴；大臂20内安装的大臂步进电机经大臂减速器，驱动肘关节轴；小臂30内安装的小臂步进电机经小臂减速器，驱动腕关节轴，均按各自预定的角度值转动，使关节型手臂3的肩部10与大臂20之间、大臂20与小臂30之间、小臂30与焊钳2之间的相互位置，分别复位成预定角度，使钳指准确停止在取药皮焊条位置。随即，手腕步进电机正向转动经传动螺杆、螺母、连接片传动，操作钳指张开。拨料步进电机经拨料减速器，带动转动轴、拨料盘转动，使药皮焊条对准圆形料仓的出料口。推料电磁铁及推料杆动作，从圆形料仓内推出药皮焊条使其外露二十毫米。送料步进电机经送料减速器的末级齿轮，带动圆形料仓向关节型手臂3方向运动，药皮焊条被送至关节型手臂3上的钳指内。手腕步进电机反向转动经传动螺杆、螺母、连接片传动，操作钳指闭合，夹紧药皮焊条。送料步进电机反向转动经送料齿轮减速器的末级齿轮，带动圆形料仓向复位方向运动，药皮焊条被抽出圆形料仓。
在焊接工序肩部10内安装的肩部步进电机经肩部减速器，驱动肩关节轴；大臂20内安装的大臂步进电机经大臂减速器，驱动肘关节轴；小臂30内安装的小臂步进电机经小臂减速器，驱动腕关节轴，均按各自预定的旋动角度相互配合，协调转动。使关节型手臂3在运动中，肩部10与大臂20之间、大臂20与小臂30之间、小臂30与焊钳2之间的相互位置分别保持预定的角度，保证钳指夹持的药皮焊条跟踪焊缝；此时，根据焊接工艺，手腕步进电机操作钳指作微小旋转；手腕直流电机操作钳指作微小往复运动；以上所述的三个运动合成了自动焊接所需要的焊接动作。
控制方案是基于单片机的全软件开环控制系统。由固化的关节型弧焊机器人控制软件控制，机器人控制器具有两种功能作可编程控制器对自动焊接过程作顺序控制，依次对关节型手臂自检回位、自动上料斗送料、关节型手臂抽取药皮焊条、关节型手臂焊前回位、关节型手臂引燃电弧、关节型手臂自动焊接、关节型手臂收弧、关节型手臂熄弧、关节型手臂取条回位工序作顺序控制；在各个工序中，对执行元件作小信号输出控制，作步进电机的加、减速、换相、相序分配、正转、反转控制；直流电机正转、反转控制；推料电磁铁通电、断电控制。机器人控制器还具有另一种功能输入信号经输入接口电路输入单片机系统，单片机系统输出的控制信号，经输出功率驱动电路直接驱动步进电机；或经输出功率驱动与调速电路直接驱动直流电机；或经输出功率驱动电路直接控制推料电磁铁。使焊钳、关节型手臂、自动上料斗、行走机构、相互配合，按给定焊接程序动作，进行自动焊接。
关节型弧焊机器人的编程方式，没有沿用主、从微型计算机控制示教弧焊机器人的编程方式。而是采用如《工业机器人》、《机器人控制技术》、《微型计算机控制基础》文中所述原理，在PC微型计算机上，根据关节型手臂的结构参数和给定的焊接运动轨迹，建立数学模型。编写程序动态仿真关节型手臂运动，计算关节型手臂各个关节轴的角度运动数据。依照仿真和计算的数据，和焊接管道焊缝的工艺要求，编写焊接控制程序，其程序如下1.机器人控制器上电复位、初始化；2.关节型手臂向取药皮焊条位置自检复位，准确停止在取药皮焊条位置，设置软件检测；3.拨料步进电机拨动拨料盘，将药皮焊条对准圆形料仓出料口；4.推料电磁铁动作，将药皮焊条推出圆形料斗，使其外露20毫米；5.钳指步进电机正向转动，操作钳指张开；6.送料步进电机正向转动，将圆形料仓送到手指处，药皮焊条进入手指内；7.钳指步进电机反向转动，操作钳指闭合，夹紧药皮焊条；8.送料步进电机反向转动，圆形料仓回到原位置，药皮焊条从圆形料仓中抽出；9.关节型手臂各关节轴作回位转动，将药皮焊条就位在垂直位，等待焊接；10.关节型手臂各关节轴按焊接程序作焊接转动，药皮焊条匀速下降，准备引弧；11.关节型手臂的钳指，作微小划擦摆动，引燃电弧；12.关节型手臂各关节轴同时作受控转动，保持药皮焊条匀速下降，且始终跟踪焊道中心，同时钳指直流电机操作钳指作微小往复运动；13.行走直流电机正向转动，行走机构在导轨里行走，实现电弧移动；14.检测弧压，判断后作微小补偿；15.关节型手臂各关节轴作回位转动，药皮焊条离开焊道，自动熄灭电弧，完成一根药皮焊条的焊接；
16.行走直流电机停止转动，行走机构停止行走；17.关节型手臂回位至取药皮焊条位置，等待抽取药皮焊条，设置软件检测。
18.完成一根药皮焊条的焊接，即完成一次工作循环。连续重复上述循环，使自动焊接连续进行。
在PC微型计算机上，交叉汇编焊接控制程序，汇编后的焊接控制程序，通过PC微型计算机的通讯接口输入到单片机开发器，单片机开发器连接输入接口与输出功率驱动电路进行实际调试，调试正确的焊接控制程序，固化在机器人控制器内，完成关节型弧焊机器人控制软件的开发。关节型手臂的结构参数改变和焊接工艺作改进后，可修改焊接控制程序，经汇编、调试正确后，重新固化在机器人控制器内，完成关节型弧焊机器人控制软件的再次开发。
自动焊接时，由机器人控制器固化的焊接软件控制，依次按关节型手臂自检回位、自动上料斗送料、关节型手臂抽取药皮焊条、关节型手臂焊前回位、关节型手臂引燃电弧、行走机构运动和关节型手臂连续焊接、关节型手臂收弧、关节型手臂熄弧、关节型手臂取条回位工序顺序进行，配合弧焊电源，进行自动焊接。自动焊接中，使用药皮焊条，不需要二氧化碳或氩气作保护气体，在实现自动焊接的同时，降低了焊接生产成本。
另一个实施例中，管道与管道对接焊接，由于管道使用中的重要性，按照焊接质量标准的要求，管道焊缝采用钨极氩弧焊焊接焊缝焊底层，药皮焊条焊接中层和盖面的焊接方式，以降低焊接生产成本。以关节型弧焊机器人为基体，将关节型手臂3上安装的焊钳2换装为焊炬2，增加一只关节型手臂8，关节型手臂8上安装送丝器9，组成采用钨极氩弧焊焊接的关节型弧焊机器人。
焊炬2由枪体、密封环、陶瓷喷嘴组成。钨电极装入焊炬2，由电极轧头轧紧。
送丝器9由送料步进电机、减速齿轮、送丝滚轮、导嘴组成。送料步进电机经减速齿轮带动送丝滚轮送丝，经导嘴引至焊道。
在取焊丝工序拨料步进电机带动装持架转动，送出焊丝引至送丝器9。自动上料斗4内的装持架上预先装上焊丝，放入圆形料仓内。焊接中，待焊丝抽取完后，可快速换装。
在焊接工序由固化的关节型弧焊机器人控制软件控制，关节型手臂3上的焊炬2，关节型手臂8上的送丝器9都到达焊缝。根据焊接工艺，关节型手臂3上安装的焊炬2，由手腕步进电机通过与传动螺杆联接，经传动螺母，和与传动螺母铰链的连接片联接，连接片另一端和导环铰链连接，在传动螺杆和传动螺母旋紧状况下，由导向环、动环支承传动螺母并导向、止环支承导环并导向，操作焊炬2作微小旋转；关节型手臂8上安装的送丝器9，由手腕步进电机和齿条联接，手腕直流电机与齿轮联接，齿轮与齿条啮合，经齿条传动使手腕步进电机在导向环里作微小往复运动，带动送丝器9也同样作微小往复运动。以上所述两种运动，合成了钨极氩弧焊焊接所需要的焊接动作。
根据钨极氩弧焊自动焊接管道焊缝的工艺要求，在PC微型计算机上编写焊接控制程序，其程序如下1.机器人控制器上电复位、初始化；2.关节型手臂自检复位，设置软件检测；3.拨料步进电机拨动拨料盘，送出焊丝；
4.关节型手臂各关节轴作焊接转动，关节型手臂上的送丝器到达焊道；5.关节型手臂各关节轴作焊接转动，关节型手臂上的焊炬到达焊道，准备引弧；6.焊炬开关闭合，送氩气、引燃电弧；7.行走直流电机正向转动，行走机构行走，实现电弧移动；8.手腕直流电机转动，焊丝作为微小送丝摆动；9.检测弧压，判断后作微小补偿；10.焊炬开关关闭，停止送氩气、熄灭电弧；11.行走直流电机停止转动，行走机构停止行走；调试正确的焊接控制程序，固化在机器人控制器内。自动焊接时，由固化的控制软件控制，依次按关节型手臂自检回位、自动上料斗送料、关节型手臂焊前到位、关节型手臂引燃电弧、行走机构运动和关节型手臂连续焊接、关节型手臂收弧、关节型手臂熄弧工序顺序进行，配合氩弧焊电源，进行自动焊接。自动焊接中，使用焊丝，氩气作为焊接保护气体。其它有关部件已作了详述，在此不在赘述。
电弧焊中，伴随电弧发出的弧光、热、声、等现象，焊接生产条件是相当恶劣的。在本发明中，抗干扰技术采取了以下措施将机器人控制器放入屏蔽盒，屏蔽盒良好接地；采用光电隔离，两组蓄电池分别供电，一组电压为6V的蓄电池供单片机系统，一组电压为18V的蓄电池供输入接口电路、输出功率驱动电路，将单片机系统和输入接口电路、输出功率驱动电路从电路上分隔开；控制软件设置“陷阱”。
以上所述的仅是采用本发明原理，实现管道焊接生产自动化的优化实施例。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，以至开发出其它的机电一体化产品，也应视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种关节型机器人，所述的关节型机器人包括关节型手臂、机身，其特征是具有行走机构、控制电源、机器人控制器、固化了机器人控制软件；关节型手臂、行走机构、机器人控制器分别为模块结构，可根据生产作业的需要，改变关节型机器人的组成；在关节型手臂安装专用末端操作器，开发专用控制软件，可完成专门的生产作业；具体结构是行走机构安装在生产作业现场，或生产作业对象上为一体，行走机构上安装机身，机身上安装关节型手臂，关节型手臂的肩部安装机器人控制器，以上三件组合为一体，控制电源单独为一体安装在行走机构上，整机分为三个分体，分体重量轻、便于携机；机器人控制器的中央处理器采用单片机，控制系统为基于单片机的全软件开环控制系统，以微型计算机为主控计算机，离线编程开发关节型机器人控制软件，固化在机器人控制器内；在机器人控制器固化的机器人控制软件控制下，关节型手臂、行走机构相互配合，协调动作，实现行走、和模仿人手与手臂的动作，进行生产作业。
2.根据权利要求1所述的关节型机器人，其特征是关节型手臂由肩部、大臂、小臂、手腕组成，具体结构是肩部和大臂之间由肩关节轴铰链，大臂与小臂之间由肘关节轴铰链，小臂与手腕之间由腕关节轴铰链，在机器人控制器固化的控制软件控制下，肩部的步进电机驱动肩关节轴、大臂的步进电机驱动肘关节轴、小臂的步进电机驱动腕关节轴，按各关节轴给定的旋转角度相互配合、协调转动，实现模仿人手和手臂的动作，和按给定的运动轨迹运动。
3.根据权利要求1或2所述的关节型机器人，其特征是肩部、大臂、小臂为模块结构，具有相同的机械结构，由箱板、支承柱、螺钉、防护罩装配成，各本体也是各自的减速器箱体，肩部、大臂、小臂均为箱体形状，其横断面为矩形，防护罩安装在箱体的四周，均内装步进电机、减速器、光电藕合检测器，步进电机和减速器联结，减速器的输出轴即是关节轴，各减速器的输出轴依次是肩关节轴、肘关节轴、腕关节轴，减速器采用了消啮合间隙方法，在减速器的齿轮上，有直径为两毫米的孔。
4.根据权利要求1或2所述的关节型机器人，其特征是手腕由手腕步进电机、传动螺杆、传动螺母、连接片、导向环、动环、导环、止环、手腕直流电机、齿轮、齿条、箱体组成；在传动螺母的外圆周上，对称地加工了两个平面，在每一个平面上加工了两个铰链孔，在与该平面垂直的另一对称外圆周上加下有导向键槽，动环的内圆周上对称加工有导向键槽，传动螺母旋入传动螺杆，套装在动环里，通过滑动键滑动连接，动环又套装在导向环里，导环套装在止环里，导向环和止环同轴装配在箱体上，导环上可安装专用的焊接工具；具有一个运动、两个自由度手腕步进电机经传动螺杆，传动螺母和与传动螺母铰链的连接片联接导环，操作导环作往复运动；在传动螺杆与传动螺旋紧状态下，由导向环、动环支承传动螺母并导向、止环支承导环并导向，手腕步进电机操作导环作微小转动；手腕直流电机与齿轮联接，齿轮与齿条啮合，经齿条与手腕步进电机连接，手腕直流电机操作导环作微小往复运动。
5.根据权利要求1所述的关节型机器人，其特征是行走机构由主动磁轮、车架、行走直流电机、行走减速器、辅助轮、导轨组成；导轨在中分面处分为两部分，螺栓连接，中分面处的横断面形状是一边未完全封住的口字形，与未完全封住边相对的边的形状呈凸V字形；车架安装在导轨里，两支主动磁轮平行安装在车架的两端，辅助轮和主动磁轮同轴安装，行走减速器装在两只主动磁轮的一端，并和主动磁轮垂直，两端的输出轴和主动磁轮分别联结，行走直流电机安装在车架的中部，其纵轴线和主动磁轮平行，与行走减速器中部的输入齿轮联结，同向驱动主动磁轮，行走直流电机驱动车架限位在导轨里运动，保证了关节型机器人的位置在运动中不发生偏移。
6.根据权利要求1所述的关节型机器人，其特征是机器人控制器由单片机系统、输入接口电路、输出功率驱动电路组成，固化了控制软件；由固化的控制软件控制，具有两种功能作可编程控制器对生产作业过程作顺序控制，在各个工序中，对各执行元件作小信号输出控制；还具有另一种功能输入信号经输入接口电路输入单片机系统，单片机系统输出的控制信号，经输出功率驱动电路直接驱动各执行元件；单片机系统和四组光电藕合检测器的输入接口电路制作在主电路板上，两组直流电机，和两组开关控制，以及九组步进电机的输出功率驱动电路，分别单独制作单元模块电路板，可根据生产作业的需要装配、安装。
7.根据权利要求1所述的关节型机器人，其特征是控制电源包括一组电压为6V的蓄电池，和一组电压为18V的蓄电池，两组蓄电池在电路上没有连接，电压为6V的蓄电池通过一条电缆和单片机系统连接，电压为18V的蓄电池通过另一条电缆和输入接口与输出功率驱动电路连接，将单片机系统和输入接口与输出功率驱动电路在电路上分离开。
8.一种关节型弧焊机器人，所述的关节型弧焊机器人包括焊接工具、自动上料斗，其特征是以如权利要求1所述的关节型机器人为基体，在关节型机器人的关节型手臂上安装焊接工具、机身位置安装自动上料斗组成；可在手腕安装专用的焊接工具，开发专用焊接软件，以不同的焊接方式进行自动焊接；主要使用药皮焊条和焊丝作为导电电极和填充金属；具体结构是行走机构安装在焊接管道上为一体，行走机构上安装自动上料斗，自动上料斗上安装关节型手臂，关节型手臂的肩部安装机器人控制器，以上组合为一体，控制电源单独为一体安装在行走机构上，整机分为三个分体，分体重量轻、便于携带，装配后，结构紧凑，便于在焊接生产现场频繁移动；以微型计算机为主控计算机的，离线编程开发焊接控制软件，固化在机器人控制器内，在机器人控制器固化软件的控制下，焊接工具、关节型手臂、自动上料斗、行走机构相互配合，协调动作，实现行走、和模仿人手与手臂的焊接动作，配合弧焊电源，进行自动焊接。
9.根据权利要求8所述的关节型弧焊机器人，其特征是自动上料斗由圆形料仓、拨料减速器、拨料步进电机、推料电磁铁、推料杆、送料步进电机、送料减速器、齿条组成；圆形料仓的一端安装拨料减速器，在拨料减速器的箱体上安装拨料步进电机、推料电磁铁及推料杆，拨料步进电机与拨料减速器联结，拨料减速器的末级减速齿轮中心加工的花键槽，与装持架的转动轴滑动联结，圆形料仓的另一端的端盖以铰链的形式和圆形料仓连接，沿圆形料仓的轴线上有送料步进电机、送料减速器，送料步进电机与送料减速器联结安装在行走机构上，圆形料仓上安装的传动齿条，与送料减速器的末级减速齿轮啮合；拨料步进电机驱动装持架转动，送出焊丝或使药皮焊条对准圆形料仓的出料口，推料电磁铁及推料杆动作，从圆形料仓内推出药皮焊条使其外露，送料步进电机止向转动驱动圆形料仓向关节型手臂方向运动，送药皮焊条至钳指内，待钳指夹持住药皮焊条后，送料步进电机反向转动，带动圆形料仓向复位方向运动，药皮焊条被关节型手臂从圆形料仓中抽取。
10.一种开发关节型弧焊机器人控制软件的编程方式，其特征是具有以下特点A.在PC微型计算机上，根据关节型手臂的结构参数和给定的焊接运动轨迹，建立数学模型；B.在PC微型计算机上，编写程序动态仿真关节型手臂的运动，计算关节型手臂各个关节轴的角度运动数据；C.在PC微型计算机上，依照仿真和计算的数据，和焊接管道焊缝的工艺要求，编写焊接控制程序；D.在PC微型计算机上，交叉汇编焊接控制程序；E.在PC微型计算机上，通过通讯接口，将汇编后的控制程序，输入到单片机开发器；F.单片机开发器连接输入接口与输出功率驱动电路，实际调试焊接控制程序；G.在PC微型计算机上，将调试正确的焊接控制程序，固化在机器人控制器内。
全文摘要
本发明涉及一种关节型弧焊机器人,采用单片微型计算机开环控制技术控制,配合弧焊电源,实现变工位自动焊接和管道焊缝自动焊接。由焊接工具、关节型手臂、自动上料斗、行走机构、机器人控制器及控制电源组成。以固化在机器人控制器内的焊接控制软件,控制焊接工具、关节型手臂、自动上料斗、行走机构、相互配合,协调运动,进行自动焊接。
文档编号B23K9/00GK1270869SQ9911511
公开日2000年10月25日 申请日期1999年9月2日 优先权日1999年9月2日
发明者陈炯 申请人:陈炯