【正文】 較強(qiáng)的驅(qū)動力，雙履帶為小車左、右配置，從動鏈輪的芯輪軸置于可前后和上下移動的調(diào)節(jié)滑塊和彈性 懸架上，前輪既起轉(zhuǎn)向作用又具有驅(qū)動功能，小車牽引力得到增強(qiáng)，能滿足在小車負(fù)載較大時對牽引力的需求，轉(zhuǎn)向精度高 。依靠永磁磁鋼、扼鐵與被焊工件間形成強(qiáng)磁路所構(gòu)成的吸附磁路吸附在所需焊接的鋼構(gòu)件上。小車由控制電路發(fā)出信號控制交 (直 )流伺服電機(jī)和轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 5 從而完成焊縫軌跡自動跟蹤，交 (直 )流伺服電機(jī)調(diào)速方便，反應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)無級變速，能保證小車精確位置移動。 焊接機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)的任務(wù)是攜帶焊接裝置，移動到工件壁面上所需到達(dá)的任意位置。該機(jī)器人具備 6 個自由度，包括焊炬的 X、 Y、 Z 三個方向平動及 轉(zhuǎn)動姿態(tài)的調(diào)整。 爬行機(jī)構(gòu) 移動方式 目前移動機(jī)器人采用的移動機(jī)構(gòu)類型主要有輪式、步行式和履帶式三種。輪式具有移動平穩(wěn)、機(jī)動性高和便于操作等優(yōu)點(diǎn)，但是其著地面積小、壁面適應(yīng)性差；步行式能夠在凹凸不平的地面上行走，可跨越臺階，具有良好的機(jī)動性，但存在運(yùn)動間歇大、穩(wěn)定性差等問題 [20]。這兩種移動機(jī)構(gòu)都無法很好地滿足焊接的實(shí)際要求。履帶式能夠在凹凸不平的地面上行走，穩(wěn)定性好，且能夠爬越較大斜坡，適合焊接現(xiàn)場需要。綜合以上考慮，本論文所設(shè)計機(jī)器人采用履帶式移動機(jī)構(gòu)，由兩個電機(jī)分別帶動兩個無 軌道履帶運(yùn)動。 傳動方式 根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要，綜合考慮性能成本等方面的原因，本論文選用了鏈傳動作為履帶前后輪傳動方式。鏈傳動主要用在要求工作可靠，且兩軸相距較遠(yuǎn)。與帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的平均傳動比，傳動效率高。整個行走機(jī)構(gòu)安裝在車體兩側(cè)，由主動鏈輪、行走輪、鏈條、可控永磁裝置及鏈條張緊機(jī)構(gòu)組成?？梢栽谲圀w內(nèi)部的一端安裝動力部分，其輸出分別帶動車體兩側(cè)行走機(jī)構(gòu)的主動鏈輪和行走輪，在車體內(nèi)部的另一端安置行走輪軸，其兩端安裝鏈輪和行走輪。鏈輪帶動兩根封閉式的鏈條滾動，在 兩根鏈條之間的空隙處安裝可控永磁鐵裝置，可控永磁鐵裝置隨鏈條運(yùn)動。在車體兩側(cè)的側(cè)板 下端裝有磁懸浮構(gòu)件，以增加吸附力。將車體放在導(dǎo)磁性材料的工件上，車體就可以吸附在上面，啟動電機(jī)，車體即可在工件上爬行 [2021]。 吸附方式 由于焊接機(jī)器人要求在壁面、球面、管道等曲面上爬行，所以運(yùn)動機(jī)構(gòu)必須具有較強(qiáng)的壁面適應(yīng)能力和承載能力。目前爬壁機(jī)器人的吸附方式有三種：真空吸附、磁吸附和推力吸附。由于焊接工件表面為導(dǎo)磁性材料，且凹凸不平，為了提高吸附力，所以本課題選用磁吸附法作為機(jī)器人吸附方式。 驅(qū)動方式 本機(jī)器人系統(tǒng)是采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動的雙履帶結(jié)構(gòu)。可采用兩臺交流伺服電機(jī)分別內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 6 作為兩履帶輪的驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動單元包括帶有減速齒輪的交流電機(jī)、伺服放大器以及用作速度反饋的旋轉(zhuǎn)光碼盤，它們提供轉(zhuǎn)動時所需要的轉(zhuǎn)速和力矩?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)兩履帶輪的轉(zhuǎn)速來控制車體的運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)動角速度，使機(jī)器人能夠按照所要求方向和速度移動，完成前進(jìn)、后退、按曲率半徑回轉(zhuǎn)及原地轉(zhuǎn)向等動作。 十字滑塊 在焊接中，要求焊接機(jī)器人的焊炬必須精確地沿焊縫以恒定的焊接速度運(yùn)動，而僅憑履帶式移動機(jī)器人本體則難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時、準(zhǔn)確地運(yùn)動軌跡 控制，因而不能采用焊炬與輪式機(jī)器人本體相固接的機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)。為此，必須設(shè)計一種合理的機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)，能夠在機(jī)器人本體運(yùn)動的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對焊炬位置的精確控制。我們采用了在移動機(jī)器人本體上加裝快速反應(yīng)十字滑塊，焊炬與十字滑塊固接的方法，讓焊接機(jī)器人本體在一定的誤差范圍內(nèi)粗略跟蹤焊縫，十字滑塊實(shí)時準(zhǔn)確的跟蹤焊縫。 由于全位置焊接的焊縫成形控制比較困難，不是所有的焊接方法都可以采用的，一般只有焊 接能量輸入較小的和熔滴以短路方式過渡的焊接方法才可以使用。本機(jī)器人系統(tǒng)采用CO2 氣體保護(hù)焊技術(shù)，焊接系統(tǒng) 包括焊接電源，送絲機(jī)構(gòu)，保護(hù)氣體及焊炬保護(hù)器。[23] 傳感器結(jié)構(gòu)如圖 所示，這里傳感器部分可以代表多個不同類型的傳感器。信息處理部分包括信息加工、多傳感器信息融合、傳感信息與機(jī)器人信息的結(jié)合。圖中虛線框內(nèi)部分表示傳感系統(tǒng)內(nèi)容。 圖 22 傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 7 圖像傳感系統(tǒng) 本系統(tǒng)選用激光圖像傳感器來檢測焊炬與焊縫中心位置的偏差。激光焊縫跟蹤方法是一種以激光為主動光源的焊縫跟蹤方法。 [2425] 本文針對移動式焊 接機(jī)器人設(shè)計了以 PLC（可編程程序控制器）為核心的智能焊縫跟蹤控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有實(shí)時跟蹤 圖 23 爬行式智能焊接機(jī)器人系統(tǒng) 本章設(shè)計了焊接機(jī)器人的整體方案及系統(tǒng)各部分的硬件結(jié)構(gòu) ,，并對焊接小車部分做了部分說明。整個焊接機(jī)器人系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、焊接系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)四個部分組成，本章各節(jié)分別對各部分的功能要求和方案選取進(jìn)行了分析。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 8 第 3 章 焊接機(jī)器人焊接小車的組成與功能 本文研究的焊接機(jī)器人為爬行式全位置焊機(jī)器人，其主要組成部分為運(yùn)動機(jī)構(gòu)、焊接系統(tǒng) 、檢測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)， 該章 研究重點(diǎn)在于機(jī)器人形體和焊接小車的設(shè)計，接下來就對該部分進(jìn)行說明。 小車整體設(shè)計思路 要求設(shè)計一種焊接小車，對焊接過程進(jìn)行實(shí)時跟蹤，同時保證焊接質(zhì)量。對于焊接小車的選用有多種，爬行式全位置焊機(jī)器人輪式移動小車具有轉(zhuǎn)向精度高、同步性好的優(yōu)點(diǎn)，但因其只產(chǎn)生滾動摩擦力，牽引能力和負(fù)重能力均較弱 。而全履帶式小車在轉(zhuǎn)向時是依靠兩側(cè)履帶運(yùn)動速度差來實(shí)現(xiàn)的，但由于磁吸附式履帶對工件工作面具有較強(qiáng)的吸附作用，所以要完全依靠履帶的速度差來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向就比較勉強(qiáng)，對鏈輪、鏈條及磁鋼均有不利的影響。 而爬行式全位置焊機(jī)器人半履帶小車，前驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪和履帶與工件工作面之間既有靜摩擦力、滑動摩擦力又有滾動摩擦力的生成，從而使小車具有較強(qiáng)的牽引能力和負(fù)重能力，小車轉(zhuǎn)向方便靈活，適合在平整和不甚平整的工件工作面上工作。所以我們選用爬行式全位置焊機(jī)器人半履帶小車。 圖 31 履帶式爬行機(jī)構(gòu) 小車組成 該焊接小車是由行走機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)、焊槍擺動、焊槍高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成的。下面重點(diǎn)介紹各機(jī)構(gòu)的工作原理及設(shè)計要點(diǎn)。 行走機(jī)構(gòu) 本論文設(shè)計小車采用履帶式移動方式，在小車后車身上安裝兩個交 (直 )流伺 服電內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 9 機(jī)，小車的后驅(qū)動依靠兩個后交 (直 )流伺服電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動兩根履帶，具有較強(qiáng)的驅(qū)動力，雙履帶為小車左、右配置，從動鏈輪的芯輪軸置于可前后和上下移動的調(diào)節(jié)滑塊和彈性懸架上，在小車體的前端兩側(cè)安裝有前驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪，前交 (直 )流伺服電機(jī)、前減速器和轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)均安裝在小車體的電機(jī)座上。前輪既起轉(zhuǎn)向作用又具有驅(qū)動功能，小車牽引力得到增強(qiáng)，能滿足在小車負(fù)載較大時對牽引力的需求，轉(zhuǎn)向精度高 【 1】 。 該履帶式爬行焊接機(jī)器人爬行機(jī)構(gòu)如圖 所示。 1車 體 2電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu) 3主動鏈輪 4行走輪 5行走輪軸 6傳動鏈 條 7鏈條之間的空隙 8可控永磁鐵裝置 9鏈條張緊機(jī)構(gòu) 10調(diào)節(jié)塊 11調(diào)節(jié)螺桿 12固定塊 13轉(zhuǎn)動螺母 14萬向節(jié) 15車體側(cè)板 16磁懸浮構(gòu)件 17構(gòu)件主體 18圓柱形永久磁鐵 19通孔 20磁性材料 21非磁性材料 22通孔23鏈輪 圖 32 兩輪獨(dú)立驅(qū)動的雙履帶永磁吸附爬行機(jī)構(gòu)示意圖 十字滑塊 在焊接中，要求焊接機(jī)器人的焊炬必須精確地沿焊縫以恒定的焊接速度運(yùn)動，而僅憑履帶式移動機(jī)器人本體則難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時、準(zhǔn)確地運(yùn)動軌跡控制，因而不能采用焊炬與輪式機(jī)器人本體相固接的機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)。為此， 必須設(shè)計一種合理的機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)，能夠在機(jī)器人本體運(yùn)動的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對焊炬位置的精確控制。我們采用了在移動機(jī)器人本體上加裝快速反應(yīng)十字滑塊，焊炬與十字滑塊固接的方法，讓焊接機(jī)器人本體在一定的誤差范圍內(nèi)粗略跟蹤焊縫，十字滑塊實(shí)時準(zhǔn)確的跟蹤焊縫。 由于滑塊的運(yùn)動范圍比較窄，必須使十字滑塊和爬行機(jī)構(gòu)有效配合起來才能完成對焊縫的精確跟蹤，十字滑塊分豎直和水平兩個移動方向，在水平方向移動的十字滑塊導(dǎo)軌上安裝有 4 個接觸式開關(guān)，把橫向位置分 5