專(zhuān)利名稱(chēng)：拋物線(xiàn)軌跡定向切線(xiàn)恒速焊接機(jī)器人裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種拋物線(xiàn)軌跡定向切線(xiàn)恒速焊接機(jī)器人裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
在航天、航空、船舶和石油化工等領(lǐng)域，大量存在各種具有拋物線(xiàn)弧形的設(shè)備。在設(shè)備的生產(chǎn)過(guò)程中，需要將工件沿拋物線(xiàn)弧軌跡焊接起來(lái)。為了獲得高質(zhì)量的焊縫，工件焊接時(shí)需要同時(shí)達(dá)到如下多個(gè)目標(biāo)焊接時(shí)焊槍要求始終處于平焊位置，焊槍始終豎直向下，且焊接方向與拋物線(xiàn)形軌跡在該點(diǎn)的切線(xiàn)方向一致，該切線(xiàn)必須為水平線(xiàn)，焊接速度保持恒定。目前，拋物線(xiàn)軌跡的焊接多采用人工焊接方式，少數(shù)也有采用6軸垂直關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行焊接。前者對(duì)工人的技術(shù)水平要求高且工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接效率低，焊接質(zhì)量不易保證；后者設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)和維護(hù)成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)已有技術(shù)的不足之處，提供一種拋物線(xiàn)軌跡定向切線(xiàn)恒速焊接機(jī)器人裝置，該裝置可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)工件拋物線(xiàn)軌跡焊縫的焊接，采用該裝置進(jìn)行焊接時(shí)，焊槍始終處于拋物線(xiàn)軌跡焊縫上在焊接點(diǎn)處的法線(xiàn)，焊接方向?yàn)閽佄锞€(xiàn)軌跡的切線(xiàn)方向，且該切線(xiàn)始終朝向預(yù)先設(shè)定某個(gè)固定方向上以保證獲得優(yōu)化的焊接質(zhì)量，焊接速度保持恒定，焊接質(zhì)量高，效率高，裝置的制造、維修和使用成本低。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的一種拋物線(xiàn)軌跡定向切線(xiàn)恒速焊接機(jī)器人裝置，其特征在于包括機(jī)械臂、Z軸轉(zhuǎn)臺(tái)、控制器、焊接電源和焊槍?zhuān)凰鰴C(jī)械臂包括依次串聯(lián)起來(lái)的X軸平移組件和Y軸平移組件；待焊工件的焊縫中心線(xiàn)為拋物線(xiàn)軌跡；所述X軸平移組件包括第一基座、X軸電機(jī)、X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和第一滑塊；所述第一基座與底座固接，所述X軸電機(jī)與第一基座固接，所述X軸電機(jī)的輸出軸與X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入端相連，所述X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端與第一滑塊相連，所述第一滑塊滑動(dòng)鑲嵌在第一基座上；所述Y軸平移組件包括第二基座、Y軸電機(jī)、Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和第二滑塊；所述第二基座與第一滑塊固接；所述Y軸電機(jī)與第二基座固接，所述Y軸電機(jī)的輸出軸與Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入端相連，所述Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端與第二滑塊相連，所述第二滑塊滑動(dòng)鑲嵌在
第二基座上；所述Z軸轉(zhuǎn)臺(tái)包括第三基座、Z軸電機(jī)、Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)軸和工件安裝臺(tái)；所述第三基座與底座固接；所述Z軸電機(jī)與第三基座固接，所述Z軸電機(jī)的輸出軸與Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入端相連，所述Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端與關(guān)節(jié)軸相連，所述關(guān)節(jié)軸活動(dòng)套設(shè)在第三基座中，所述工件安裝臺(tái)固定套接在關(guān)節(jié)軸上；所述焊槍安裝在第二滑塊上；所述控制器通過(guò)控制線(xiàn)路分別與X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)和Z軸電機(jī)相連，控制X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)和Z軸電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)；所述控制器與焊接電源相連；需要焊接的工件固定安裝在工件安裝臺(tái)上；工件上具有拋物線(xiàn)軌跡的焊縫；設(shè)所述第一滑塊相對(duì)于第一基座的滑動(dòng)方向?yàn)橹本€(xiàn)q ;設(shè)所述第二滑塊相對(duì)于第二基座的滑動(dòng)方向?yàn)橹本€(xiàn)s ;設(shè)所述關(guān)節(jié)軸的中心線(xiàn)為直線(xiàn)u ;直線(xiàn)q、直線(xiàn)s和直線(xiàn)u三者兩兩垂直；設(shè)直線(xiàn)q與直線(xiàn)s構(gòu)成平面Q1，設(shè)工件上焊縫中心線(xiàn)的拋物線(xiàn)軌跡所在平面為平面Q2，平面Q1與平面Q2重合； 控制器控制X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)和Z軸電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)；建立世界坐標(biāo)系{C}，所述世界坐標(biāo)系{C}的原點(diǎn)為關(guān)節(jié)軸的中心0。，世界坐標(biāo)系{C}的橫軸X。與直線(xiàn)q平行，X。軸的正方向?yàn)殡x開(kāi)拋物線(xiàn)軌跡的方向，也是第一滑塊相對(duì)于第一基座滑動(dòng)的正方向，世界坐標(biāo)系{C}的縱軸y。與直線(xiàn)S平行，y。軸的正方向?yàn)殡x開(kāi)拋物線(xiàn)軌跡的方向，也是第二滑塊相對(duì)于第二基座滑動(dòng)的正方向，該世界坐標(biāo)系{C}與第三基座固接；建立拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}，所述拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}的原點(diǎn)為拋物線(xiàn)軌跡的頂點(diǎn)Oa，拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}的縱軸yA與拋物線(xiàn)對(duì)稱(chēng)軸重合，拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}的橫軸xA過(guò)拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}的原點(diǎn)與縱軸垂直且和拋物線(xiàn)在同一平面內(nèi)，所述拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}與帶拋物線(xiàn)軌跡焊縫的工件固接；點(diǎn)Oc在拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}中的坐標(biāo)值為(dx，dy)，(dx, dy)為已知常量；設(shè)焊接速度為預(yù)設(shè)值Vw，設(shè)工件繞關(guān)節(jié)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω ;拋物線(xiàn)上任意一點(diǎn)坐標(biāo)(XA，Ya)均滿(mǎn)足拋物線(xiàn)在拋物線(xiàn)坐標(biāo)系中的軌跡方程ΧΑ2=-2ρΥΑ，ρ>0為一常數(shù)；設(shè)所述拋物線(xiàn)坐標(biāo)系的xA軸與xc軸的夾角為θ，0 < Θ <90° ;所述焊槍的中心線(xiàn)與y。軸平行，焊槍的中心線(xiàn)與拋物線(xiàn)軌跡的交點(diǎn)為焊點(diǎn)P;所述焊點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系1C}中的坐標(biāo)為(Xe，Y。)；設(shè)焊槍的末端點(diǎn)T在世界坐標(biāo)系{C}中的坐標(biāo)為(XTe，YT。)；β為焊點(diǎn)P與關(guān)節(jié)軸中心O。的連線(xiàn)與xc軸所夾的銳角；所述焊槍的末端點(diǎn)T與焊點(diǎn)P的距離為預(yù)設(shè)值La ;焊槍的末端點(diǎn)T和焊點(diǎn)P沿X。軸的速度相等，均為V1，相對(duì)世界坐標(biāo)系{C}而言；焊槍的末端點(diǎn)T和焊點(diǎn)P沿y。軸的速度相等，均為V2，相對(duì)世界坐標(biāo)系{C}而言；控制器控制工件和焊槍滿(mǎn)足下列關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種拋物線(xiàn)軌跡定向切線(xiàn)恒速焊接機(jī)器人裝置，其特征在于包括機(jī)械臂、Z軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)、控制器(4)、焊接電源(5)和焊槍(6);所述機(jī)械臂包括依次串聯(lián)起來(lái)的X軸平移組件(I)和Y軸平移組件(2);待焊工件的焊縫中心線(xiàn)為拋物線(xiàn)軌跡； 所述X軸平移組件包括第一基座(11)、X軸電機(jī)(12)、X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(13)和第一滑塊(14);所述第一基座與底座(8)固接，所述X軸電機(jī)與第一基座固接，所述X軸電機(jī)的輸出軸與X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入端相連，所述X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端與第一滑塊相連，所述第一滑塊滑動(dòng)鑲嵌在第一基座上； 所述Y軸平移組件包括第二基座(21)、Y軸電機(jī)(22)、Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(23)和第二滑塊(24);所述第二基座與第一滑塊固接；所述Y軸電機(jī)與第二基座固接，所述Y軸電機(jī)的輸出軸與Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入端相連，所述Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端與第二滑塊相連，所述第二滑塊滑動(dòng)鑲嵌在第二基座上； 所述Z軸轉(zhuǎn)臺(tái)包括第三基座(31)、Z軸電機(jī)(32 )、Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(35 )、關(guān)節(jié)軸(33 )和工件安裝臺(tái)(34);所述第三基座與底座(8)固接；所述Z軸電機(jī)與第三基座固接，所述Z軸電機(jī)的輸出軸與Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入端相連，所述Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端與關(guān)節(jié)軸相連，所述關(guān)節(jié)軸活動(dòng)套設(shè)在第三基座中，所述工件安裝臺(tái)固定套接在關(guān)節(jié)軸上； 所述焊槍固定安裝在第二滑塊上；所述控制器通過(guò)控制線(xiàn)路分別與X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)和Z軸電機(jī)相連，控制X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)和Z軸電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)；所述控制器與焊接電源相連；需要焊接的工件固定安裝在工件安裝臺(tái)上；工件上具有拋物線(xiàn)軌跡的焊縫；設(shè)所述第一滑塊相對(duì)于第一基座的滑動(dòng)方向?yàn)橹本€(xiàn)q ;設(shè)所述第二滑塊相對(duì)于第二基座的滑動(dòng)方向?yàn)橹本€(xiàn)s ;設(shè)所述關(guān)節(jié)軸的中心線(xiàn)為直線(xiàn)u ;直線(xiàn)q、直線(xiàn)s和直線(xiàn)u三者兩兩垂直；設(shè)直線(xiàn)q與直線(xiàn)s構(gòu)成平面Q1,設(shè)工件上焊縫中心線(xiàn)的拋物線(xiàn)軌跡所在平面為平面Q2,平面Q1與平面Q2重合； 建立世界坐標(biāo)系{C}，所述世界坐標(biāo)系{C}的原點(diǎn)為關(guān)節(jié)軸的中心O。，世界坐標(biāo)系{C}的橫軸Xc與直線(xiàn)q平行，Xc軸的正方向?yàn)殡x開(kāi)拋物線(xiàn)軌跡的方向，也是第一滑塊相對(duì)于第一基座滑動(dòng)的正方向，世界坐標(biāo)系{C}的縱軸y。與直線(xiàn)S平行，y。軸的正方向?yàn)殡x開(kāi)拋物線(xiàn)軌跡的方向，也是第二滑塊相對(duì)于第二基座滑動(dòng)的正方向，該世界坐標(biāo)系{C}與第三基座固接；建立拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}，所述拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}的原點(diǎn)為拋物線(xiàn)軌跡的頂點(diǎn)Oa，拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}的縱軸yA與拋物線(xiàn)對(duì)稱(chēng)軸重合，拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}的橫軸xA過(guò)拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}的原點(diǎn)與縱軸垂直且和拋物線(xiàn)在同一平面內(nèi)，所述拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}與帶拋物線(xiàn)軌跡焊縫的工件固接；點(diǎn)Oc在拋物線(xiàn)坐標(biāo)系{A}中的坐標(biāo)值為(dx，dy)，(dx，dy)為已知常量；設(shè)焊接速度為預(yù)設(shè)值，設(shè)工件繞關(guān)節(jié)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω ;拋物線(xiàn)上任意一點(diǎn)坐標(biāo)(XA，Ya)均滿(mǎn)足拋物線(xiàn)在拋物線(xiàn)坐標(biāo)系中的軌跡方程Χ/=-2ρΥΑ，ρ>0為一常數(shù)；設(shè)所述拋物線(xiàn)坐標(biāo)系的xA軸與X。軸的夾角為θ，0 < Θ <90° ;所述焊槍的中心線(xiàn)與Ic軸平行，焊槍的中心線(xiàn)與拋物線(xiàn)軌跡的交點(diǎn)為焊點(diǎn)P;所述焊點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系1C}中的坐標(biāo)為(Xe, Yc);設(shè)焊槍的末端點(diǎn)T在世界坐標(biāo)系{C}中的坐標(biāo)為(XtdYtc) ；β為焊點(diǎn)P與關(guān)節(jié)軸中心O。的連線(xiàn)與xc軸所夾的銳角；所述焊槍的末端點(diǎn)T與焊點(diǎn)P的距離為預(yù)設(shè)值La;焊槍的末端點(diǎn)T和焊點(diǎn)P沿X。軸的速度相等，均為V1，相對(duì)世界坐標(biāo)系{C}而言；焊槍的末端點(diǎn)T和焊點(diǎn)P沿y。軸的速度相等，均為V2，相對(duì)世界坐標(biāo)系{C}而言； 控制器通過(guò)控制工件和焊槍滿(mǎn)足下列關(guān)系
2.如權(quán)利要求I所述的拋物線(xiàn)軌跡定向切線(xiàn)恒速焊接機(jī)器人裝置，其特征在于所述X軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求I所述的拋物線(xiàn)軌跡定向切線(xiàn)恒速焊接機(jī)器人裝置，其特征在于所述Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求I所述的拋物線(xiàn)軌跡定向切線(xiàn)恒速焊接機(jī)器人裝置，其特征在于所述Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(35)為減速機(jī)。
5.如權(quán)利要求I所述的拋物線(xiàn)軌跡定向切線(xiàn)恒速焊接機(jī)器人裝置，其特征在于還包括送絲機(jī)(9 )，控制器與送絲機(jī)相連，送絲機(jī)與焊槍相連。
全文摘要
拋物線(xiàn)軌跡定向切線(xiàn)恒速焊接機(jī)器人裝置，屬于焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括X軸平移組件和Y軸平移組件形成的機(jī)械臂、Z軸轉(zhuǎn)臺(tái)、控制器、焊接電源和焊槍等；帶有拋物線(xiàn)軌跡焊縫的工件隨工件安裝臺(tái)受控轉(zhuǎn)動(dòng)，焊槍隨X軸、Y軸平移組件受控移動(dòng)。本發(fā)明采用獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的三自由度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件拋物線(xiàn)軌跡焊縫高質(zhì)量焊接功能；進(jìn)行焊接時(shí)，焊槍始終處于拋物線(xiàn)軌跡焊縫焊接點(diǎn)處的法線(xiàn)上，焊接方向?yàn)閽佄锞€(xiàn)軌跡的切線(xiàn)方向，且該切線(xiàn)始終朝向預(yù)先設(shè)定某個(gè)固定方向上，焊接速度保持恒定，焊接質(zhì)量高，效率高，且制造、維修和使用成本低；由于在焊接中的每一點(diǎn)，焊槍與工件上的焊縫焊點(diǎn)均始終保持一種相對(duì)位置和姿態(tài)，因此可以達(dá)到優(yōu)化的焊接效果。
文檔編號(hào)B23K9/133GK102886591SQ20121037017
公開(kāi)日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者都東, 潘際鑾, 王力, 張文增, 陳強(qiáng), 劉洪冰, 鄒怡蓉 申請(qǐng)人:清華大學(xué)