一种吸盘式焊接增材机器人的制作方法

1.本发明属于智能化机械设备技术领域，具体涉及一种吸盘式焊接增材机器人。


背景技术：

2.目前国内外的焊接机器人可以归为两大类，一是采用直角坐标复合机构携带焊枪实现三至四自由度的焊接作业；二是采用多自由度机械臂携带焊枪实现三至四自由度的焊接作业。但现有焊接机器人组件部分结构固定，无法进行结构变换，不能满足狭小空间或复杂环境中的焊接需求。在对管道、特种车辆构件内部、箱体内部、轮船内部等内部空间狭小处进行焊接作业时，无法实现机器人焊接，需要人工作业。并且很多焊缝需要多种姿势焊接，例如平-侧-仰，焊接难度大。当管道、特种车辆构件、箱体、轮船等狭小内部空间出现损坏，必须进行修复。机器人进入狭窄空间运动位置受限，内部可达性差，必须要人工进入狭窄空间进行修复，操作非常困难。
3.当管道、特种车辆构件、箱体、轮船等内部空间出现损坏，需要修复时，必须要人工进入狭窄空间进行修复。由于狭小箱体内空间仄蔽，人员持焊枪也难以达到修复区域。并且修复的位置不同，需要人员进行仰焊、侧焊、立焊等高难度操作，人员操作环境非常恶劣，难以保证焊接工作高效进行。同时，增材修复时在狭小空间中弥漫大量粉尘，容易造成操作人员呼吸困难，危险性大。
4.因此，目前亟待开发一种吸盘式焊接增材机器人，能够完成狭小空间内的焊接增材工作。


技术实现要素：

5.本发明采用的技术方案如下：
6.第一方面，本发明提供一种吸盘式焊接增材机器人，包括吸盘动力装置、增材焊接装置和控制系统；所述增材焊接装置固定于吸盘移动装置上方；
7.所述吸盘动力装置包括移动轮4、吸盘6、支架9、第一关节舵机11、第二关节舵机12、第三关节舵机13和伸缩杆14；所述吸盘动力装置对称设置有支架9，所述支架9上对称地设置有机械臂；所述机械臂的第一关节舵机11首端连接于支架9侧方，第一关节舵机11末端通过支撑板连接第二关节舵机12的首端，第二关节舵机12的末端通过支撑板连接第三关节舵机13，第三关节舵机13末端设有伸缩杆14，伸缩杆14末端连接有吸盘6；位于支架9最外侧的两个机械臂上所述第二关节舵机12与第三关节舵机13之间的支撑板内侧设置有移动轮4；
8.所述吸盘6包括吸盘头6-1、开启杆6-2、定位板6-3、负压流道6-4、密封球6-5、弹簧6-6和定位环6-7；所述吸盘头6-1为喇叭盘状，吸盘头6-1后设有半径前小后大的负压流道6-4，负压流道6-4小半径通道内设有开启杆6-2，开启杆6-2固定于定位板6-3上，所述开启杆6-2通过控制系统进行旋转完成开闭，所述密封球6-5位于负压流道6-4的大半径通道内，所述密封球6-5后设有弹簧6-6，弹簧6-6与定位环6-7相接；当开启杆6-2关闭时，密封球6-5
嵌于负压流道6-4大、小半径变化处，封闭负压流道6-4；当开启杆6-2开启时，开启杆6-2旋转后顶出密封球6-5使得负压流道6-4开启；所述负压流道6-4与真空发生器连接；
9.所述增材焊接装置包括焊枪线缆1、焊枪2、增材焊枪基座3、焊丝盘及送丝机构5、支撑板7和万向轮10；所述支架9位于支撑板7两侧；所述万向轮10、焊丝盘及送丝机构5固定于支撑板7上；所述增材焊枪基座3固定于万向轮10上，所述增材焊枪基座3设有不少于两段的操作臂，所述操作臂之间通过在垂直方向旋转的旋转轴连接，焊枪2连接于最后一段操作臂的旋转轴上；通过旋转轴垂直移动和万向轮10的水平旋转移动配合完成焊枪2在各方向上的位置移动；焊枪线缆1一端与焊枪2连接，另一端与焊丝盘及送丝机构5连接，为焊枪2供应丝材；
10.所述支撑板7下方设置有真空发生器，连接至吸盘6的负压流道6-4；所述控制系统对真空发生器、吸盘动力装置和增材焊接装置进行控制。
11.优选地，所述每组支架9上设有三个机械臂，包括机械前臂15、机械中臂16和机械后臂17，机械前臂15和机械后臂17上设有移动轮4。
12.优选地，所述支撑板7上设有电源装置8；所述电源装置8为电池、油箱和发电机、电线电缆接口中的任意一种；所述电池为锂电池、酸电池或者铅电池；所述油箱与发电机连接，通过燃油供电发电。
13.优选地，所述增材焊接装置的增材的能量方式包括氩弧、二氧化碳弧、pmig、等离子弧、激光、电子束。
14.进一步地，使用氩弧、二氧化碳弧、mig、等离子弧作为热源时，支撑板7上装载焊机电源；使用激光为热源时，支撑板7装载激光器、水冷机。
15.优选地，所述焊枪2为mig、tig、cmt或单丝、双丝等离子焊枪。
16.优选地，所述增材焊接装置的送材方式包括送丝、送粉；所述送丝方式包括同轴送丝、旁轴送丝，所述送粉方式包括同轴送粉、旁轴送粉；以送丝方式工作时，丝材直径为0.1mm-5mm，送丝速率不大于30m/min；以送粉工作时，送粉直径为5-1000μm，送粉效率不大于10kg/h。
17.优选地，所述增材的材料包括金属和非金属；所述金属材料包括纯铁、铁基合金、纯铝、铝合金、铜基合金、纯镁、镁合金、钴基合金、镍基合金、钨基合金；所述非金属材料包括尼龙、树脂、陶瓷。
18.优选地，所述机器人上布置有各方向的摄像头，用于对空间上多角度的形貌进行实时观察，配合所述增材焊接装置存放工艺数据程序及机器人控制系统完成增材制造。
19.优选地，所述机器人的尺寸为10mm
×
10mm
×
10mm至30m
×
30m
×
30m之间。
20.第二方面，本发明提供一种第一方面所述的吸盘式焊接增材机器人的使用方法，所述吸盘式焊接增材机器人设有平面移动、上墙移动模式；
21.所述吸盘6工作过程包括：控制系统控制吸盘6的开启杆6-2打开，密封球6-5按压弹簧6-6，使真空流道6-4打开，控制系统控制真空发生器对吸盘6真空抽吸，吸盘头6-1内发生真空，使得机械臂紧紧吸附在表面上；吸附后，开启杆6-2关闭，密封球6-5在弹簧6-6作用下被顶在负压流道6-4大、小半径变化处，吸盘6内处于负压密封状态，控制系统控制真空发生器关闭；需吸盘分离时，控制系统控制吸盘6的开启杆6-2打开，空气进入后吸盘6从表面脱离；
22.吸盘式焊接增材机器人平面移动时，机械臂的第三关节舵机13向上弯折，使得位于支架9最外侧的两个机械臂上所述第二关节舵机12与第三关节舵机13之间的支撑板内侧的移动轮4接触地面，控制系统控制移动轮4进行快速移动；
23.吸盘式焊接增材机器人上墙移动时，分为上墙阶段与墙壁移动阶段；
24.上墙阶段时，控制系统先将两机械前臂按压在墙面，真空发生器对吸盘6真空抽吸，使得前机械臂紧紧吸附在墙面上，并使得吸盘6内处于负压密封状态；紧固后各关节舵机运作，使后续机械臂依次按压吸附在墙面上；当只有最后一对机械臂未紧固在墙面上时，机器人已经有足够的吸附力稳定在墙面上了，此时最后一对机械臂从地面抬起，运动至墙面上，完成上墙动作；
25.墙壁移动时，使用所有机械臂进行移动，为保持机器人稳定性，需要逐个移动每条机械臂，使得最多不多于一条机械臂处于非吸附状态，各机械臂依次按照控制系统操作运动，实现墙面上的行进动作。
26.增材焊接时，通过万向轮10旋转和增材焊枪基座3操作臂将焊枪2送至增材起始坐标位置，控制系统按照增材焊接程序设置完成操作。
27.本发明取得的有益效果：本发明提供的吸盘式增材机器人，可以爬行进入狭小空间，对制定的位置进行焊接及修补，特别适用于管道、特种车辆构件内部、箱体内部、轮船内部等多种狭小空间的工作，避免人员进入操作不易的困难以及操作风险。
附图说明
28.图1是本发明的吸盘式焊接增材机器人总体结构示意图。
29.图2是本发明的吸盘式焊接增材机器人的吸盘结构剖面示意图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明确，结合以下实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当说明的是，本发明并不限于以下实施例。
31.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
32.实施例1
33.如图1～2所示，一种吸盘式焊接增材机器人，包括吸盘动力装置、增材焊接装置和控制系统；所述增材焊接装置固定于吸盘移动装置上方；
34.所述吸盘动力装置包括移动轮4、吸盘6、支架9、第一关节舵机11、第二关节舵机12、第三关节舵机13和伸缩杆14；所述吸盘动力装置对称设置有支架9，所述支架9上对称地设置有三个机械臂，包括机械前臂15、机械中臂16和机械后臂17；所述机械臂的第一关节舵机11首端连接于支架9侧方，第一关节舵机11末端通过支撑板连接第二关节舵机12的首端，第二关节舵机12的末端通过支撑板连接第三关节舵机13，第三关节舵机13末端设有伸缩杆14，伸缩杆14末端连接有吸盘6；所述每组支架9上，机械前臂15和机械后臂17上第二关节舵机12与第三关节舵机13之间的支撑板内侧设置有移动轮4；
35.所述吸盘6包括吸盘头6-1、开启杆6-2、定位板6-3、负压流道6-4、密封球6-5、弹簧
6-6和定位环6-7；所述吸盘头6-1为喇叭盘状，吸盘头6-1后设有半径前小后大的负压流道6-4，负压流道6-4小半径通道内设有开启杆6-2，开启杆6-2固定于定位板6-3上，所述开启杆6-2通过控制系统进行旋转完成开闭，所述密封球6-5位于负压流道6-4的大半径通道内，所述密封球6-5后设有弹簧6-6，弹簧6-6与定位环6-7相接；当开启杆6-2关闭时，密封球6-5嵌于负压流道6-4大、小半径变化处，封闭负压流道6-4；当开启杆6-2开启时，开启杆6-2旋转后顶出密封球6-5使得负压流道6-4开启；所述负压流道6-4与真空发生器连接；
36.所述增材焊接装置包括焊枪线缆1、焊枪2、增材焊枪基座3、焊丝盘及送丝机构5、支撑板7、电源装置8和万向轮10；所述支架9位于支撑板7两侧；所述万向轮10、焊丝盘及送丝机构5固定于支撑板7上；所述增材焊枪基座3固定于万向轮10上，所述增材焊枪基座3设有不少于两段的操作臂，所述操作臂之间通过在垂直方向旋转的旋转轴连接，焊枪2连接于最后一段操作臂的旋转轴上；通过旋转轴垂直移动和万向轮10的水平旋转移动配合完成焊枪2在各方向上的位置移动；焊枪线缆1一端与焊枪2连接，另一端与焊丝盘及送丝机构5连接，为焊枪2供应丝材；
37.所述支撑板7下方设置有真空发生器，连接至吸盘6的负压流道6-4；所述控制系统对真空发生器、吸盘动力装置和机械臂增材焊接装置进行控制。
38.控制系统可以控制每个机械臂的第一关节舵机11、第二关节舵机12、第三关节舵机13和伸缩杆14，使其可在空间中自由运动。真空发生器与控制系统可以控制吸盘的真空度，使得每条机械臂可以吸附墙面也可以离开墙面。
39.具体工作时：
40.上墙阶段：控制系统先将两机械前臂按压在墙面，真空发生器对吸盘6真空抽吸，前机械臂吸盘6的开启杆6-2打开，密封球6-5按压弹簧6-6，使真空流道6-4打开，吸盘6内发生真空，使得前机械臂紧紧吸附在墙面上，吸附后开启杆6-2关闭，密封球6-5在弹簧6-6作用下被顶在密封口，吸盘内处于负压密封状态。紧固后各关节舵机运作，使中机械臂按压在墙面上，此时中机械臂吸盘6工作使得中机械臂紧紧吸附在墙面上。当四条机械臂紧固在墙面上时，机器人已经有足够的吸附力稳定在墙面上了，此时后机械臂从地面抬起，运动至墙面上，同时打开开启杆6-2，使后机械臂吸盘6吸附在墙面上，完成上墙动作。
41.行进阶段：在水平行进阶段时，机械前臂15、机械中臂16和机械后臂17的第三关节舵机13向上弯折，使得机械前臂15和机械后臂17的移动轮4接触地面进行快速移动；
42.墙壁移动时，使用六条机械臂进行移动。为保持机器人稳定性，需要逐个移动每条机械臂，保证五条机械臂处于吸附状态。抬起机械臂时开启杆6-2打开，密封球6-5按压弹簧6-6，真空流道6-4打开，空气进入吸盘6内使吸盘6解除负压状态。机械臂抬起，运动到指定坐标后按压在墙面上，真空发生器工作，再次将吸盘6紧紧吸附在墙面上，各机械臂依次运动，实现墙面上的行进动作。
43.吸盘式机器人具备翻跃大角度平滑障碍及多角度壁面行进能力，可以实现仰焊等较大难度增材作业。行进至增材位置后按照增材模型进行增材作业，如在交叉面作业，可将部分机械臂弯曲收起，以避免与工件的干涉。通过万向轮10旋转机械操作臂将焊枪2送至增材起始坐标位置。增材开始后，焊丝经焊丝盘及送丝机构和焊枪线缆送至焊枪头，实现同步送丝。

技术特征：
1.一种吸盘式焊接增材机器人，其特征在于，包括吸盘动力装置、增材焊接装置和控制系统；所述增材焊接装置固定于吸盘移动装置上方；所述吸盘动力装置包括移动轮(4)、吸盘(6)、支架(9)、第一关节舵机(11)、第二关节舵机(12)、第三关节舵机(13)和伸缩杆(14)；所述吸盘动力装置对称设置有支架(9)，所述支架(9)上对称地设置有机械臂；所述机械臂的第一关节舵机(11)首端连接于支架(9)侧方，第一关节舵机(11)末端通过支撑板连接第二关节舵机(12)的首端，第二关节舵机(12)的末端通过支撑板连接第三关节舵机(13)，第三关节舵机(13)末端设有伸缩杆(14)，伸缩杆(14)末端连接有吸盘(6)；位于支架(9)最外侧的两个机械臂上所述第二关节舵机(12)与第三关节舵机(13)之间的支撑板内侧设置有移动轮(4)；所述吸盘(6)包括吸盘头(6-1)、开启杆(6-2)、定位板(6-3)、负压流道(6-4)、密封球(6-5)、弹簧(6-6)和定位环(6-7)；所述吸盘头(6-1)为喇叭盘状，吸盘头(6-1)后设有半径前小后大的负压流道(6-4)，负压流道(6-4)小半径通道内设有开启杆(6-2)，开启杆(6-2)固定于定位板(6-3)上，所述开启杆(6-2)通过控制系统进行旋转完成开闭，所述密封球(6-5)位于负压流道(6-4)的大半径通道内，所述密封球(6-5)后设有弹簧(6-6)，弹簧(6-6)与定位环(6-7)相接；当开启杆(6-2)关闭时，密封球(6-5)嵌于负压流道(6-4)大、小半径变化处，封闭负压流道(6-4)；当开启杆(6-2)开启时，开启杆(6-2)旋转后顶出密封球(6-5)使得负压流道(6-4)开启；所述负压流道(6-4)与真空发生器连接；所述增材焊接装置包括焊枪线缆(1)、焊枪(2)、增材焊枪基座(3)、焊丝盘及送丝机构(5)、支撑板(7)和万向轮(10)；所述支架(9)位于支撑板(7)两侧；所述万向轮(10)、焊丝盘及送丝机构(5)固定于支撑板(7)上；所述增材焊枪基座(3)固定于万向轮(10)上，所述增材焊枪基座(3)设有不少于两段的操作臂，所述操作臂之间通过在垂直方向旋转的旋转轴连接，焊枪(2)连接于最后一段操作臂的旋转轴上；通过旋转轴垂直移动和万向轮(10)的水平旋转移动配合完成焊枪(2)在各方向上的位置移动；焊枪线缆(1)一端与焊枪(2)连接，另一端与焊丝盘及送丝机构(5)连接，为焊枪(2)供应丝材；所述支撑板(7)下方设置有真空发生器，连接至吸盘(6)的负压流道(6-4)；所述控制系统对真空发生器、吸盘动力装置和增材焊接装置进行控制。2.根据权利要求1所述的吸盘式焊接增材机器人，其特征在于，所述每组支架(9)上设有三个机械臂，包括机械前臂(15)、机械中臂(16)和机械后臂(17)，机械前臂(15)和机械后臂(17)上设有移动轮(4)。3.根据权利要求1所述的吸盘式焊接增材机器人，其特征在于，所述支撑板(7)上设有电源装置(8)；所述电源装置(8)为电池、油箱和发电机、电线电缆接口中的任意一种；所述电池为锂电池、酸电池或者铅电池；所述油箱与发电机连接，通过燃油供电发电。4.根据权利要求1所述的吸盘式焊接增材机器人，其特征在于，所述增材焊接装置的增材的能量方式包括氩弧、二氧化碳弧、pmig、等离子弧、激光、电子束。5.根据权利要求4所述的吸盘式焊接增材机器人，其特征在于，使用氩弧、二氧化碳弧、mig、等离子弧作为热源时，支撑板(7)上装载焊机电源；使用激光为热源时，支撑板(7)装载激光器、水冷机；所述焊枪(2)为mig、tig、cmt或单丝、双丝等离子焊枪。6.根据权利要求1所述的吸盘式焊接增材机器人，其特征在于，所述增材焊接装置的送材方式包括送丝、送粉；所述送丝方式包括同轴送丝、旁轴送丝，所述送粉方式包括同轴送
粉、旁轴送粉；以送丝方式工作时，丝材直径为0.1mm-5mm，送丝速率不大于30m/min；以送粉工作时，送粉直径为5-1000μm，送粉效率不大于10kg/h。7.根据权利要求1所述的吸盘式焊接增材机器人，其特征在于，所述增材的材料包括金属和非金属；所述金属材料包括纯铁、铁基合金、纯铝、铝合金、铜基合金、纯镁、镁合金、钴基合金、镍基合金、钨基合金；所述非金属材料包括尼龙、树脂、陶瓷。8.根据权利要求1所述的吸盘式焊接增材机器人，其特征在于，所述机器人上布置有各方向的摄像头，用于对空间上多角度的形貌进行实时观察，配合所述增材焊接装置存放工艺数据程序及机器人控制系统完成增材制造。9.根据权利要求1所述的吸盘式焊接增材机器人，其特征在于，所述机器人的尺寸为10mm
×
10mm
×
10mm至30m
×
30m
×
30m之间。10.一种权利要求1～9任意一项所述的吸盘式焊接增材机器人的使用方法，其特征在于，所述吸盘式焊接增材机器人设有平面移动、上墙移动模式；所述吸盘(6)工作过程包括：控制系统控制吸盘(6)的开启杆(6-2)打开，密封球(6-5)按压弹簧(6-6)，使真空流道(6-4)打开，控制系统控制真空发生器对吸盘(6)真空抽吸，吸盘头(6-1)内发生真空，使得机械臂紧紧吸附在表面上；吸附后，开启杆(6-2)关闭，密封球(6-5)在弹簧(6-6)作用下被顶在负压流道(6-4)大、小半径变化处，吸盘(6)内处于负压密封状态，控制系统控制真空发生器关闭；需吸盘分离时，控制系统控制吸盘(6)的开启杆(6-2)打开，空气进入后吸盘(6)从表面脱离；吸盘式焊接增材机器人平面移动时，机械臂的第三关节舵机(13)向上弯折，使得位于支架(9)最外侧的两个机械臂上所述第二关节舵机(12)与第三关节舵机(13)之间的支撑板内侧的移动轮(4)接触地面，控制系统控制移动轮(4)进行快速移动；吸盘式焊接增材机器人上墙移动模式下，分为上墙阶段与墙壁移动阶段；上墙阶段时，控制系统先将两机械前臂按压在墙面，真空发生器对吸盘(6)真空抽吸，使得前机械臂紧紧吸附在墙面上，并使得吸盘(6)内处于负压密封状态；紧固后各关节舵机运作，使后续机械臂依次按压吸附在墙面上；当只有最后一对机械臂未紧固在墙面上时，机器人已经有足够的吸附力稳定在墙面上了，此时最后一对机械臂从地面抬起，运动至墙面上，完成上墙动作；墙壁移动时，使用所有机械臂进行移动，为保持机器人稳定性，需要逐个移动每条机械臂，使得最多不多于一条机械臂处于非吸附状态，各机械臂依次按照控制系统操作运动，实现墙面上的行进动作；增材焊接时，通过万向轮(10)旋转和增材焊枪基座(3)操作臂将焊枪(2)送至增材起始坐标位置，控制系统按照增材焊接程序设置完成操作。

技术总结
本发明属于智能化机械设备技术领域，具体涉及一种吸盘式焊接增材机器人。包括吸盘动力装置、增材焊接装置和控制系统；所述增材焊接装置固定于吸盘移动装置上方；所述吸盘动力装置包括移动轮、吸盘、支架、第一关节舵机、第二关节舵机、第三关节舵机和伸缩杆；所述吸盘包括吸盘头、开启杆、定位板、负压流道、密封球、弹簧和定位环；所述增材焊接装置包括焊枪线缆、焊枪、增材焊枪基座、焊丝盘及送丝机构、支撑板和万向轮。本发明提供的吸盘式增材机器人，可以爬行进入狭小空间，对制定的位置进行焊接及修补，特别适用于管道、特种车辆构件内部、箱体内部、轮船内部等多种狭小空间的工作，避免人员进入操作不易的困难以及操作风险。员进入操作不易的困难以及操作风险。员进入操作不易的困难以及操作风险。


技术研发人员：刘捷 王卓 赵富 崔健伟 张鹏 聂新宇 张磊
受保护的技术使用者：内蒙古第一机械集团股份有限公司
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/10/15