便携式相贯线焊缝焊接机器人机械系统 【技术领域】
本发明涉及一种焊接设备，具体说涉及一种自动化焊接机器人机械系统。
背景技术
随着焊接技术高速发展，焊接自动化和焊接智能化已成为焊接产业中增长最快的部分，焊接机器人作为焊接自动化的典型代表，越来越受到人们的重视。
相贯线焊缝是锅炉、管道安装行业常见的焊缝形式，目前通常采用手工焊接操作方式，它是该行业唯一难以推广自动焊接工艺的工序。由于手工焊接生产效率低、劳动强度大、焊接质量难以保证。减小人的工作量，保证焊接质量，正是本项目的目的所在。
目前国内外已研制开发了不少全位置焊接机器人，其主要功能体现在以下三个方面：一是将工件固定在变位机上，利用变位机的旋转使焊接处于平焊位置，调整焊枪的姿态实现直线和圆弧轨迹焊接；二是针对管道对接的情况，将焊接设备安装在管道外壁或者内壁上，沿平面环线进行焊接；三是对大型的工件利用激光导引，采用爬行焊接方式进行焊接。然而，在许多如容器的法兰安装、管道的插管焊缝等空间相贯线焊接情况下，采用变位机方式进行焊接是非常困难的，且有时是难以实现的。而目前的焊接机器人对于不规则空间全位置曲线焊接方面都存在着不足，体现在以下两个方面：一是全位置焊接局限于在同一个平面内焊接，无法实现曲面焊接；二是焊接过程中对焊枪姿态的调节能力太少，控制熔池流淌、实现良好焊缝成形的能力差。
【发明内容】
为了解决上述现有焊接机器人对于不规则空间全位置曲线焊接方面都存在着不足，本发明提供一种非落地式结构、小型的和装卡维护方便的焊接机器人，能够灵活调节焊枪姿态，实现不规则空间曲面焊接。
为了实现上述目的，设计一种便携式相贯线焊缝焊接机器人，该机器人利用三爪卡盘作为机座，可以安装在圆管形工件的断面上。机器人的其它部分包括用于移动焊枪的工作部、传送焊料的送料部、以及控制部。其中，工作部由通过螺纹旋接在三爪卡盘中间的筒状的高度调节部、位于高度调节部内部的可使机器人进行360°旋转的转动部、安装在转动部顶部的肩部、安装在肩部上的大臂、安装在大臂一端的可上下转动的肘部、安装在肘部上的小臂、安装在小臂一端的可上下左右转动的腕部、安装在腕部上的焊枪构成；送料部由安装在肩部上的送丝机和丝盘组成。
本发明中的三爪卡盘由圆环状的底面带有多重螺旋线的螺线盘21、爪架22，以及三个爪23组成；其中，爪架为与螺线盘配合的圆环，圆环上设有三个均匀分布的径向滑槽，爪安装在滑槽内；爪的内面设有槽纹，与螺线盘中螺线配合，爪的外面设有凸起的卡台；爪可正装也可反装(爪的槽纹为正装与反装槽纹的交叉)，从而能够从圆管工件的管外卡住工件，也能够从圆管工件的管内卡住工件。
本发明中的工作部由以下部件组成：
1)所述高度调节部由脊椎下轴承外圈架、设有与机座配合的外螺纹的螺桶、脊椎上轴承外圈架组成，其中脊椎下轴承外圈架为螺桶顶面，脊椎上轴承外圈架为螺桶底面；
2)所述转动部由脊椎下轴承内圈架、两只32909型圆锥滚子轴承、脊椎电机套、脊椎电机、脊椎上轴承内圈架、离合外环、离合压环、离合内环、锁骨联接架、双耳形轴架——锁骨组成；其中，
脊椎电机套两头设置有脊椎上轴承内圈架和脊椎下轴承内圈架，脊椎上轴承内圈架和脊椎下轴承内圈架分别固定于两只32909型圆锥滚子轴承的内圈，脊椎电机通过脊椎上轴承内圈架和脊椎下轴承内圈架安置于脊椎电机套之中，两只32909型圆锥滚子轴承的外圈嵌于螺桶之中；
上轴承内圈架上面敷搁有离合内环，离合内环连接环形锁骨联接架，锁骨联接架上固定锁骨；
离合内环外套有设有离合外环，离合内环和离合外环上面敷有离合压环，离合压环可通过螺丝与离合外环和脊椎上轴承内圈架紧固；
脊椎电机的转轴向下，并通过键连接将转轴与脊椎下轴承外圈架固定，由脊椎电机外壳带动转动部；
3)所述肩部包括肩胛骨及安置在肩胛骨中的肩关节运动电机及肩关节传动机构、肘关节运动电机及肘关节传动机构、两个腕关节运动电机及腕关节传动机构；其中，
肩胛骨为方框状框架；
肩关节传动机构包括安装在肩胛骨内的肩运动肩关节轴、可相对肩运动肩关节轴转动地肩运动肩关节横向锥齿轮、安装在肩关节运动电机转轴上的肩运动肩关节纵向锥齿轮，肩运动肩关节横向锥齿轮与肩运动肩关节纵向锥齿轮啮合；肩胛骨通过肩运动肩关节轴安装在锁骨上，并且肩运动肩关节横向锥齿轮与锁骨固定；
肘关节传动机构包括安装在肩胛骨内的肘运动肩关节轴、可相对肘运动肩关节轴转动的肘运动肩关节横向锥齿轮、安装在肘关节运动电机转轴上的肘运动肩关节纵向锥齿轮，肘运动肩关节横向锥齿轮与肘运动肩关节纵向锥齿轮啮合；
腕关节传动机构包括安装在肩胛骨内的腕运动肩关节轴、可相对腕运动肩关节轴转动的两只腕运动肩关节横向锥齿轮、安装在两个腕关节运动电机转轴上的两只腕运动肩关节纵向锥齿轮，两只腕运动肩关节横向锥齿轮分别与两只腕运动肩关节纵向锥齿轮配合，且两只腕运动肩关节横向锥齿轮分别带动两只腕运动肩关节带轮，两只腕运动肩关节带轮亦套装在腕运动肩关节轴上；
肩胛骨上覆盖有肩顶盖。
4)所述大臂为两头开口且一头大一头小的方框，由肱骨右半扇、肱骨左半扇构成，并通过固定于大开口处的肩关节肱骨头安装在肩胛骨上；
5)所述肘部由两只与小臂连接的肘关节尺骨头、肘关节肱骨头左半扇、肘关节肱骨头右半扇、腕运动肘关节带轮、肘关节轴、肘关节肱骨头联杆、肘运动肘关节带轮组成；其中，
肘关节肱骨头左半扇、肘关节肱骨头右半扇设有轴孔，且分别固定于肱骨右半扇、肱骨左半扇端部，并通过棒状的肘关节肱骨头联杆连接在一起；
肘运动肘关节带轮为带有花键功能的空心带轮轴，并安置于肘关节肱骨头左半扇、肘关节肱骨头右半扇的轴孔中，肘运动肘关节带轮的两头与两只肘关节尺骨头连接；
肘运动肘关节带轮内侧和两个肘关节小黄铜套配合，每个肘关节小黄铜套两端和两个腕运动肘关节带轮配合，两个装在同一个肘关节小黄铜套上的腕运动肘关节带轮通过销连接，四个腕运动肘关节带轮穿在肘关节轴上，外侧的两只腕运动肘关节带轮，分别由肩部中的两只腕运动肩关节带轮通过同步带带动，并由内侧的两只腕运动肘关节带轮通过另外两条同步带带动腕部运动。
6)所述小臂为方管状，由两块尺骨组成；
7)所述腕部由差速器机构构成，差速器通过皮带由两只腕运动肘关节带轮带动，当两个腕关节运动电机有不同的速度差时，差速器的输出轴可以由各种方向的运动。差速器可以由两只腕关节尺骨头、横桡骨、两只腕运动腕关节横向锥齿轮、两只腕运动腕关节带轮、腕运动腕关节纵向锥齿轮、纵桡骨组成；其中，两只腕关节尺骨头为带有轴孔的与小臂连接的片状连接体，横桡骨为穿于两只腕关节尺骨头中的轴体，两只腕运动腕关节横向锥齿轮以横桡骨为转轴并相对设置，两只腕运动腕关节带轮分别与两只腕运动腕关节横向锥齿轮同轴并固接，纵桡骨为与横桡骨垂直的转轴并接于横桡骨中部(横桡骨中部设有轴槽)，腕运动腕关节纵向锥齿轮以纵桡骨为转轴同时与两只相对设置的两只腕运动腕关节横向锥齿轮啮合。纵桡骨作为差速器的输出轴，通过两只腕运动腕关节横向锥齿轮的不同速度差实现纵桡骨相对横桡骨和纵桡骨的复合转动，两只腕运动腕关节横向锥齿轮的速度由两条皮带带动两只腕运动腕关节带轮实现，两条皮带通过腕运动肘关节带轮由两个腕关节运动电机驱动。
8)所述焊枪由安装于差速器输出轴的枪柄及可更换枪头组成。
本发明的积极效果：能够完成相贯线焊缝焊接，且焊枪可以灵活变换姿态，并可在任意工作角度停留。而且体积小，整体挪动方便；模块化设计，各部分机构方便装卸和改装，可以适应不同尺寸的工作任务要求。
【附图说明】
图1整体外观示意图；
图2机座装配示意图；
图3工作部装配示意图；
图4高度调节部示意图；
图5转动部示意图；
图6(a)肩部示意图(a)；
图6(b)肩部示意图(b)；
图6(c)肩部示意图(c)；
图6(d)肩部示意图(d)；
图6(e)肩部示意图(e)；
图6(f)肩部示意图(f)；
图7大臂示意图；
图8(a)肘部示意图(a)；
图8(b)肘部示意图(b)；
图9小臂示意图；
图10(a)腕部示意图(a)；
图10(b)腕部示意图(b)；
图11焊枪示意图；
图12送料部示意图；
图13肩关节传动示意图；
图14肘关节传动示意图；
图15腕关节传动示意图。
图中主要包括以下几大部分：管道1，机座2，工作部3，送料部4。
机座2见图2，由螺线盘21，滑槽22，爪23，压环24，螺环25构成。
工作部3见图3，这部分又分为高度调节部31，转动部32，肩部33，大臂34，肘部35，小臂36，腕部37，焊枪38。
高度调节部31见图4，由脊椎电机轴键盖3101、脊椎下轴承外圈架3102、螺桶3103、脊椎上轴承外圈架3104组成。
转动部32见图5，由脊椎下轴承内圈架3201、32909圆锥滚子轴承3202、脊椎电机套3203、脊椎电机3204、脊椎上轴承内圈架3205、离合外环3206、离合压环3207、离合内环3208、锁骨联接架3209、锁骨3210组成。
肩部33见图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)、图6(e)、图6(f)，由肩顶盖3301、大轴头盖3302、肩胛骨3303、腕运动肩关节纵向锥齿轮3304、肩关节小黄铜套3305、腕运动肩关节带轮3306、腕运动肩关节横向锥齿轮3307、肩运动肩关节轴3308、肩运动肩关节横向锥齿轮3309、肩运动肩关节纵向锥齿轮3310、肩关节大黄铜套3311、腕关节运动电机3312、肩关节运动电机3313、肘运动肩关节横向锥齿轮3314、肘关节运动电机3315、肘运动肩关节纵向锥齿轮3316、肩关节长黄铜套3317、肘运动肩关节带轮3318、肘运动肩关节轴3319、腕运动肩关节轴3320组成。
大臂34见图7，由肱骨右半扇3401、肱骨左半扇3402、肩关节肱骨头3403组成。
肘部35见图8(a)、图8(b)，由肘关节尺骨头3501、肘关节肱骨头左半扇3502、肘关节肱骨头右半扇3503、大轴头盖3504、肘关节大黄铜套3505、腕运动肘关节带轮3506、肘关节轴3507、肘关节小黄铜套3508、肘关节肱骨头联杆3509、肘运动肘关节带轮3510、肘关节长黄铜套3511组成。
小臂36见图9，由两块尺骨3601组成。
腕部37见图10(a)、图10(b)，由腕关节尺骨头3701、横桡骨3702、腕运动腕关节横向锥齿轮3703、大轴头盖3704、腕关节黄铜套3705、腕运动腕关节带轮3706、小轴头盖3707、腕运动腕关节纵向锥齿轮3708、纵桡骨3709组成。
焊枪38见图11，是由枪柄3801、枪头3802组成，其中枪头3802的具体结构可根据焊接方法的不同而更换。
送料部4见图12，由直接购买的送丝机41和丝盘42组成。
肩部33到肘部35的传动由大臂宽同步带5完成，见图14。肩部33到腕部37的传动由大臂窄同步带6和小臂同步带7完成，见图15。
【具体实施方式】
下面结合附图1-15对本发明的一个优选实施例进行详细说明：
本发明的机座2中，螺线盘21套在滑槽22上，且可以相对转动。压环24压住螺线盘21防止螺线盘21从滑槽22上脱出。爪23可以在滑槽22滑动，且随着螺线盘21在滑槽22上的转动，爪23可以向里或向外运动，从而夹紧管道1使得机座2和管道1连接到一起。爪23可以根据需要正向和反向安装。滑槽22内侧由螺纹和螺桶3103，利用螺纹可以调节滑槽22在螺桶3103上的位置，实现高度调节。螺桶3103还与螺环25通过螺纹连接，并由螺环25和滑槽22的两组螺纹对顶互锁固定住螺桶3103，使螺桶3103不会自己转动。
螺桶3103内侧两端各装有一个32909圆锥滚子轴承3202，两个轴承采用正装的方式。32909圆锥滚子轴承3202外圈与螺桶3103配合，并由装在两端的脊椎下轴承外圈架3102和脊椎上轴承外圈架3104压紧定位。脊椎下轴承内圈架3201上端安装脊椎电机3204。脊椎电机3204外部套有脊椎电机套3203。脊椎下轴承内圈架3201也和脊椎电机套3203装在一起。而两个32909圆锥滚子轴承3202内圈分别用脊椎下轴承内圈架3201和脊椎电机套3203定位。脊椎上轴承内圈架3205从上部和上部的32909圆锥滚子轴承3202内圈配合并与脊椎电机套3203通过螺钉链接，同时和离合内环3208配合。离合外环3206直接套在离合内环3208外放在脊椎上轴承内圈架3205上。离合压环3207放在离合内环3208和离合外环3206上，通过螺钉和脊椎上轴承内圈架3205链接，从而可以离合压环3207将离合内环3208和离合外环3206压紧或松开。离合内环3208上端装有锁骨联接架3209和锁骨3210，由螺钉将三者固定在一起。
锁骨3210中间穿过肩运动肩关节轴3308，肩运动肩关节横向锥齿轮3309穿在肩运动肩关节轴3308上，且和锁骨3210固定。肩运动肩关节轴3308还装有肩关节小黄铜套3305，两者可以相对运动。肩关节小黄铜套3305外面装有肩胛骨3303。在肩运动肩关节轴3308两端装有大轴头盖3302，防止肩关节小黄铜套3305或肩胛骨3303脱出。
肩胛骨3303后部装有，两个腕关节运动电机3312、一个关节运动电机3313和一个肘关节运动电机3315。在每一个腕关节运动电机3312的轴上，先套上肩关节大黄铜套3311，再套上腕运动肩关节纵向锥齿轮3304，齿轮和轴之间由键链联接。在肘关节运动电机3315的轴上，先套上肩关节大黄铜套3311，再套上肘运动肩关节纵向锥齿轮3316，齿轮和轴之间由键链联接。在肩关节运动电机3313的轴上，先套上肩关节大黄铜套3311，再套上肩运动肩关节纵向锥齿轮3310，齿轮和轴之间由键链联接。
肩胛骨3303上还装有肘运动肩关节轴3319和腕运动肩关节轴3320。在肘运动肩关节轴3319和腕运动肩关节轴3320两端各装有两个大轴头盖3302，防止肘运动肩关节轴3319和腕运动肩关节轴3320脱出。在肘运动肩关节轴3319上还装有肩关节小黄铜套3305、肘运动肩关节横向锥齿轮3314、肘运动肩关节带轮3318、肩关节长黄铜套3317，这些零件均可以和肘运动肩关节轴3319相对运动。肘运动肩关节横向锥齿轮3314和肘运动肩关节带轮3318用销联接，肘运动肩关节横向锥齿轮3314和肘运动肩关节纵向锥齿轮3316啮合。在腕运动肩关节轴3320上还装有三个肩关节小黄铜套3305、两个腕运动肩关节带轮3306和两个腕运动肩关节横向锥齿轮3307，这些零件均可以和腕运动肩关节轴3320相对运动。两个腕运动肩关节横向锥齿轮3307反向放置，中间有一个肩关节小黄铜套3305。两个腕运动肩关节横向锥齿轮3307分别和一个腕运动肩关节纵向锥齿轮3304啮合。两个腕运动肩关节横向锥齿轮3307另一端各与一个腕运动肩关节带轮3306由销联接。在两个腕运动肩关节带轮3306外侧各有一个肩关节小黄铜套3305。
肩胛骨3303开口端和肩关节肱骨头3403链接，肩关节肱骨头3403另一侧装有肱骨左半扇3402和肱骨右半扇3401。在肱骨左半扇3402和肱骨右半扇3401前端分别安装了肘关节肱骨头左半扇3502和肘关节肱骨头右半扇3503。肘关节肱骨头左半扇3502和肘关节肱骨头右半扇3503之间有肘关节肱骨头联杆3509链接。肘关节肱骨头左半扇3502和肘关节肱骨头右半扇3503中各装有肘关节大黄铜套3505。肘关节大黄铜套3505内装有肘运动肘关节带轮3510，两者可以相对转动。
肘关节小黄铜套3505两端各装有一个腕运动肘关节带轮3506，两个腕运动肘关节带轮3506之间用销子链接。两组由这三个零件组成的组件穿在肘关节轴3507，两组组件可以相对运动，两组组件之间有肘关节长黄铜套3511，肘关节长黄铜套3511也穿在肘关节轴3507上。在肘关节轴3507的两端各有一个大轴头盖3504，防止轴上各零件脱出。肘关节轴3507以及轴上的各零件组成的组件穿入肘运动肘关节带轮3510内部，这个组件可以和肘运动肘关节带轮3510相对运动。
在肘运动肘关节带轮3510两端装有肘关节尺骨头3501，肘关节尺骨头3501连接着两块相对放置的尺骨3601。尺骨3601另一端连接着腕关节尺骨头3701。两个腕关节尺骨头3701中各装有腕关节黄铜套3705。两个腕关节黄铜套3705中各装有腕运动腕关节横向锥齿轮3703，两个腕关节黄铜套3705和腕运动腕关节横向锥齿轮3703可以相对运动。两个腕运动腕关节横向锥齿轮3703各装有腕运动腕关节带轮3706，腕运动腕关节横向锥齿轮3703和腕运动腕关节带轮3706固定。在腕运动腕关节横向锥齿轮3703内部穿有横桡骨3702。横桡骨3702两端各装有大轴头盖3704，防止横桡骨3702及其上零件从两侧脱出。在横桡骨3702中部，还装有纵桡骨3709。纵桡骨3709上装有腕运动腕关节纵向锥齿轮3708，腕运动腕关节纵向锥齿轮3708和两个腕运动腕关节横向锥齿轮3703啮合。在纵桡骨3709另一端装有小轴头盖3707，防止腕运动腕关节纵向锥齿轮3708脱出。
腕运动腕关节纵向锥齿轮3708上装有枪柄3801，两者相互固定。枪柄3801另一端装有枪头3802，枪头3802的具体结构可根据焊接方法的不同而更换。
整个机器人在工作时，由机座2和工件固定。调节高度调节部31是机器人达到初始高度。由脊椎电机3204带动转动部32，使机器人完成回转运动。肩部33运动，肩关节运动电机3313带动肩运动肩关节纵向锥齿轮3310，肩运动肩关节纵向锥齿轮3310和固定在锁骨3210上的肩运动肩关节横向锥齿轮3309啮合，实现肩部33的转动。肘部35运动，由肘关节运动电机3315带动肘运动肩关节纵向锥齿轮3316，肘运动肩关节纵向锥齿轮3316和肘运动肩关节横向锥齿轮3314啮合，和肘运动肩关节横向锥齿轮3314销在一起的肘运动肩关节带轮3318通过在大臂34内部的大臂宽同步带5，将运动传到肘部35的肘运动肘关节带轮3510，肘运动肘关节带轮3510和腕关节尺骨头3701相连接，实现肘部35的运动。腕部37运动的传动分成两路，每一路由腕关节运动电机3312带动腕运动肩关节纵向锥齿轮3304，腕运动肩关节纵向锥齿轮3304和腕运动肩关节横向锥齿轮3307啮合，和腕运动肩关节横向锥齿轮3307销在一起的腕运动肩关节带轮3306通过在大臂34内部的大臂窄同步带6，将运动传到肘部35的腕运动肘关节带轮3506，和腕运动肘关节带轮3506销在一起的另一个腕运动肘关节带轮3506，腕运动肘关节带轮3506通过在小臂36内部的小臂同步带7，小臂同步带7从肘运动肘关节带轮3510的开槽中伸出，将运动传到腕部37的腕运动腕关节带轮3706，再传动给和它固定在一起的腕运动腕关节横向锥齿轮3703。两路传动后两个腕运动腕关节横向锥齿轮3703和一个腕运动腕关节纵向锥齿轮3708啮合，完成腕部37的运动，同时也完成了固定在腕运动腕关节纵向锥齿轮3708上的焊枪38的运动。
本发明的主要结构采用关节式模块化设计，各部件可以拆卸、更换大小不同的部件，以适应不同场合焊接的需要，其中，机座中三爪卡盘有大小两种规格，可以适应粗细不同的圆管；肩部33可以从转动部32拆下，并且肩部及其大臂34、小臂36有大小不同的规格，可以适应实际的需要。这样，本发明在实现可以灵活变换焊枪姿态的同时，还可以适应大范围的工作任务要求，并可在任意工作角度停留，完成相贯线焊缝的焊接工作。