专利名称：环缝焊接机器人装置的制作方法
技术领域：
本发明属于智能焊接机器人，具体涉及一种机器人对大型球冠面工件与管件进行 焊接的装置。
背景技术：
焊接机器人一般由多个关节组成操作手臂或其它形式运动机构，机构末端夹持焊 枪等焊接辅助装置，在焊接操作空间内完成工件焊接所要求的焊缝轨迹运动，它是一种能 够完成较为复杂工件的自动化焊接装置。但对于具有特殊质量要求以及工件更为复杂的焊 接工程，现有机器人的结构设计仍然不能满足当前某些工程的需要。例如，核反应堆压力容 进出口接管与主管道之间的连接，其坡口形式为J型，且与球面相冠，要求焊接后变形小。 由于焊接空间和焊接变形的特殊要求，需要采用六自由度的机械手臂，以完成特定条件下 的焊接。2009年公开了由中科院申请的“一种大型工件焊接机器人装置”发明专利[公开 号CN101456182]，这种装置采用视觉方法感知焊接工件定位信息和焊缝信息，通过执行机 构实现大范围高精度跟踪焊接。而当焊接机器人需要间断性焊接以及对焊接空间和轨迹有 特殊要求的情况下，该种焊接机器人无法达到要求。中国石油化工集团与哈尔滨工程大学 研制的接管焊接机器人采用悬挂式四自由度结构[杜宏旺等，接管焊接机器人运动学及轨 迹修正.焊接学报，2009，(07):45-48]，这种焊接机器人属于专用焊接机器人，能满足特 定情况下的管状件焊接要求。但是当焊接部件尺寸较大、焊缝分布分散或者连续焊接时，机 器人则需要安装在大型空间平台上，需要结合视觉技术检测跟踪，完成特定情况下的焊接。 唐山开元机器人系统有限公司与日本日立公司共同开发了核电压力容器J型坡口自动焊 接机[李汉宏，核电压力容器J型坡口自动焊接.电焊机，2010，(02): 84-87]，虽能够完 成特定要求的焊接，但其所采用的半周焊接方式由于温差难于控制，熔池堆积物成分复杂， 导致焊缝成型不均勻，影响焊接质量。因此上述公开的焊接技术尚无法满足管件与球面相冠，并且焊接后变形较小的焊 接装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种对球冠面工件与管件进行焊接的机器人装置。以下参照附图对本发明的原理和技术方案进行说明。环缝焊接机器人具有十个运 动轴，一个宏观旋转运动轴，两个宏观平移运动轴，四个微动平移运动轴和三个微动旋转运 动轴。装置包括机架、机头、焊接辅助装置及控制系统等。其中机架包括固定底座、立柱、 横梁。机头包括滑套、十字滑台、滑环系统、六个自由度运动的轴系和焊枪。焊接辅助装置 包括焊接电源和焊丝。控制系统包括焊接控制系统、视觉控制系统和运动控制系统。机 器人由机架提供大范围运动，移动机器人本体到焊接位置，由机头十字滑台机构对微观运 动精度进行补偿，实现六自由度环缝焊接。
机架部分的结构原理为立柱绕底座旋转，横梁与立柱以滑块结构构成T形机架， 横梁沿立柱上下移动，滑套作为机头部分与机架部分的连接件。机架是一个宏观平动机构， 其运动方向满足柱坐标系R、Z轴及转角Φ。即立柱绕Z轴沿Φ角转动，横梁沿立柱(Ζ轴) 上下平移，滑套沿横梁(R轴)水平方向平移(如图1)。滑套下方设有十字滑台和滑环系统。 其中十字滑台由带有滑道的上下两块滑板组成，两块滑板间可相互垂直移动，用于补偿焊 枪短距离位移。十字滑台的下方按顺序同轴装有滑环系统，滑环包括流体滑环和导线滑环。 流体滑环用来装配流体(液或气)管线；导线滑环用来装配线束。因为在焊接时为了防止焊 缝氧化，需要传输惰性气体至焊枪周围，保证焊缝质量；同时为了使焊接后焊缝熔池能迅速 冷却，需要采用液体(水)冷却。同时为了完成机器人大范围的转移，并相对减少绕线，需要 将线路整理好装在机器人本体内，遇到360度旋转时，导线可以自如随动。所以设置了滑环 系统。滑环系统下方安装具有六个自由度运动的轴系和焊具。六自由度运动系统包括 绕中心Z轴的圆周运动轴；沿垂直方向的运动轴；沿径向方向的运动轴；径向方向的摆动 轴；切向方向的摆动轴以及依切向方向摆动的直线运动轴。这六个轴系的结构方式为垂 直方向运动轴嵌套在圆周运动轴外侧，垂直方向运动轴可沿圆周运动轴上下移动。垂直方 向运动轴凸台下方组装径向方向运动轴。径向方向摆动轴的一端与径向方向运动轴转轴连 接；径向方向摆动轴的另一端与切向方向摆动轴的轴臂转轴连接。切向方向摆动轴的轴臂 前端中心装有切向方向摆动的直线运动轴，焊具装于切向方向摆动的直线运动轴顶端。垂 直方向的运动轴、径向方向的运动轴、切向方向摆动的运动轴均做直线平移运动，三个轴均 为导轨滑块结构，由减速电机驱动丝杠带动滑块平移。即将轴臂固连于滑块上，由电机带动 丝杠旋转，丝杠带动导轨上的轴臂做平移运动。将丝杠的回转运动转化为轴臂的直线运动， 并达到控制精度要求。圆周运动轴是一个空心轴并设有外导轨，供垂直方向运动轴移动。圆周运动轴上 端设有丝盘架，将整卷的焊丝装在丝盘架上，焊丝经切向方向摆动的直线运动轴连接至焊 具。环缝焊接机器人装置，通过一个宏观旋转运动轴(绕底座旋转运动轴)、两个宏观 平移运动轴(沿立柱运动轴和沿横梁运动轴)、五个微动平移运动轴(十字滑台两方向平移 运动轴和六自由度运动中的直线平移运动)和三个旋转运动轴(六自由度运动中的旋转运 动)组合使用，具有11个机动度和6个自由度。在切向方向摆动轴轴臂前端通过支架对称装有两个摄像机和一个激光发生器，作 为环缝焊接机器人装置的视觉传感器。两台摄像机中，左侧一台配合激光发生器做激光结 构光视觉传感器；另一摄像机配合焊具(枪)做焊接熔池视觉传感器，实时对焊接过程进行 视觉检测(如图2)。控制计算机通过对焊接过程视觉信息的处理和特征的提取，实现对焊缝 的实时视觉测量和监控功能。六个轴的运动均由伺服电机驱动，并通过旋转编码器反馈关节角度和移动距离， 各个关节驱动电机与控制计算机连接，关节控制量由控制计算机通过运动控制卡给定控制 伐口图3)。本发明的有益效果是，可以适应特殊空间和特定焊接工艺要求的焊接操作，提供 具有视觉功能的能够进行自主焊接操作的智能焊接机器人。
与现有的焊接机器人相比具有一下特点(1)适应大型工件平台的焊接操作，便于实现大范围、高精度的运动控制；(2)消除了管座与管座之间焊接时发生的干涉，在狭小的空间内完成特定轨迹焊接；(3)精确控制焊接速度和焊接精度，控制了焊接热变形。
图1为本发明机械原理与结构的立体效果示意简图； 图2为本发明视觉测量和监控传感器结构示意图； 图3为本发明控制逻辑系统框图。
具体实施例方式以下结合附图并通过实施例对本发明的结构原理做进一步的说明。环缝焊接智能 机器人装置由固定底座1、立柱2、横梁3构成机架。立柱2绕底座1旋转，横梁3与立柱2 以滑块结构构成T形机架，横梁3沿立柱2上下移动。滑套4亦以滑块结构套入横梁3，滑 套可沿横梁水平滑移。滑套4下方设有十字滑台5，十字滑台的下方按顺序同轴装有流体 滑环7、导线滑环8和圆周运动轴9。垂直方向运动轴10嵌套在圆周运动轴9外侧，垂直方 向运动轴10可沿圆周运动轴9的外导轨上下移动。垂直方向运动轴10凸台下方组装径向 方向运动轴11。径向方向摆动轴12的一端与径向方向运动轴11转轴连接；径向方向摆动 轴12的另一端与切向方向摆动轴13的轴臂转轴连接。切向方向摆动轴13的轴臂前端中 心装有切向方向摆动的直线运动轴14，焊具15装于切向方向摆动的直线运动轴14顶端(如 图1)。切向方向摆动轴13轴臂前端通过支架对称装有两个摄像机17-1、17-2和一个激光 发生器18 (如图2)。十字滑台5由带有滑道的上下两块滑板组成，两块滑板间可相互垂直 移动圆周运动轴9上端设有丝盘架16。垂直方向的运动轴10、径向方向的运动轴11和切 向方向摆动的运动轴14，三个轴为导轨滑块结构，由减速电机驱动丝杠带动滑块平移，使三 轴均做直线平移运动。圆周运动轴9采用带传动减速，达到360°连续旋转要求。径向方向 摆动轴12和切向方向摆动轴13由伺服电机驱动，采用行星减速器减速传递转矩，在其行程 内达到旋转精度要求。本实施例对核反应堆压力容器管座与压力容器封头进行焊接。机器人焊枪沿压力 容器的管座19与封头20之间的焊缝坡口做特定的轨迹运动。(图1)封头中的圆孔是为放 置管座而事先加工好的。每焊接一个管座后，机器人本体移动至下一个焊接工位。对于每一个焊接工位，运动轴系各轴行程如下宏观运动机构绕立柱2旋转的运动轴行程150° ；沿立柱2平移的运动轴行程 7500mm ；沿横梁3平移的运动轴行程5000mm。十字滑台机构与横梁3平行的平移的运动轴行程300mm ；与横梁3垂直的平移 的运动轴行程300mm。六自由度运动系统垂直方向运动轴10、径向方向运动轴11以及切向方向摆动的直线运动轴14小范围高 精度运动。垂直方向运动轴10行程500 mm ；径向方向运动轴11行程330mm ；切向方向摆 动的直线运动轴14行程10mm。圆周运动轴9、径向方向摆动轴12和切向方向摆动轴13的旋转运动。圆周运动轴9行程360° ；径向方向摆动轴12行程120° ；切向方向摆动轴13行程30°。焊丝与焊接电源正极连接，焊接电源负极与待焊工件连接。机器人焊接工件的尺 寸范围为径向=5米，垂直方向=7米。对此类有特殊要求的焊接，需通过视觉传感技术，对焊接过程中的工件焊缝和焊 接环境进行监控，以完成焊接所要求的运动轨迹。激光发生器产生结构光平面，照射到焊接 工件焊缝表面，形成焊缝激光条纹。结构光视觉传感器采集焊缝图像，经视屏采集卡进行转 换，并由主控计算机进行图像处理和特征提取，从而获得焊缝位置、形状等信息，引导焊接 机器人沿焊缝进行跟踪焊接。焊接熔池视觉传感器提取焊接熔池形状、振动频率等特性，监 控焊接质量。控制系统原理框图如图3所示。控制系统组件以主控计算机为中心，由运动控制 卡、视频卡、模拟输入输出板卡等组成，控制焊接、视觉和运动三个系统。由外部输入设备 给出预设的焊枪行走轨迹，运动控制卡根据这些轨迹信息调整各关节的运动控制量。根据 给定的关节控制量，同时将测量到的关节电机实际位置作为反馈，输出模拟的速度信号。伺 服驱动器根据运动控制卡给定的速度信号进行焊接控制。由视频控制系统实时监控焊接过 程，并通过提取焊缝位置和形状，将这些信息传给运动控制卡，运动控制卡不断修正各关节 的运动控制量，从而调整各关节轴的运动。
权利要求
1.环缝焊接机器人装置，具有固定底座、立柱、横梁、滑块、十字滑台、流体滑环、导电滑 环、运动轴、摆动轴、丝盘架以及摄像机，其特征是由固定底座(1)、立柱(2)、横梁(3)构成机架，立柱(2)绕底座(1)旋转，横 梁(3)与立柱(2)以滑块结构构成T形架，横梁(3)沿立柱(2)上下移动，滑套(4)亦以滑 块结构套入横梁(3)，滑套可沿横梁水平滑移，滑套(4)下方设有十字滑台(5)，十字滑台 (5)的下方按顺序同轴装有流体滑环(7)、导线滑环(8)和圆周运动轴(9)，垂直方向运动轴 (10)嵌套在圆周运动轴(9)外侧，垂直方向运动轴(10)可沿圆周运动轴(9)的外导轨上 下移动，垂直方向运动轴(10)凸台下方组装径向方向运动轴(11)，径向方向摆动轴(12)的 一端与径向方向运动轴(11)转轴连接，径向方向摆动轴(12)的另一端与切向方向摆动轴 (13)的轴臂转轴连接，切向方向摆动轴(13)的轴臂前端中心装有切向方向摆动的直线运 动轴(14)，焊具(15)装于切向方向摆动的直线运动轴(14)顶端。
2.按照权利要求1所述的环缝焊接机器人装置，其特征是在所述切向方向摆动轴(13) 轴臂前端通过支架对称装有两个摄像机(17-1 17-2)和一个激光发生器(18)。
3.按照权利要求1所述的环缝焊接机器人装置，其特征是所述十字滑台(5)由带有滑 道的上下两块滑板组成，两块滑板间可相互垂直移动。
4.按照权利要求1所述的环缝焊接机器人装置，其特征是所述垂直方向的运动轴 (10)、径向方向的运动轴(11)、切向方向摆动的运动轴(14)均做直线平移运动，所述三个 轴为导轨滑块结构，由减速电机驱动丝杠带动滑块平移。
5.按照权利要求1所述的环缝焊接机器人装置，其特征是所述圆周运动轴(9)上端设 有丝盘架(16)。
全文摘要
本发明公开了一种对大型球冠面工件与管件进行环缝焊接的机器人装置。机器人本体包括机头和机架，机头由十字滑台机构，六自由度运动系统，滑环系统和焊枪组成；机架由固定底座、立柱、横梁和滑块构成。机器人由机架提供大范围运动，移动机器人本体到焊接位置，由机头十字滑台机构对微观运动精度进行补偿，实现六自由度环缝焊接。通过视觉传感技术对焊接过程进行监控，一台摄像机配合激光发生器做激光结构光视觉传感器；另一摄像机配合焊枪做焊接熔池视觉传感器，对焊接过程进行实时视觉检测。本发明特别适应大型球冠面工件与管件焊接精确定位的运动要求，可在狭小的空间内完成特定轨迹焊接，并可控制焊接热变形。
文档编号B23K37/00GK102049638SQ20101023730
公开日2011年5月11日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者张智涛, 杨瑞军, 洪鹰 申请人:天津大学