專利名稱：雙曲線軌跡定向切線恒速焊接機(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，特別涉及一種雙曲線軌跡定向切線恒速焊接機(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，大量存在各種具有雙曲線弧形的設(shè)備。在設(shè)備的生產(chǎn)過程中，需要將工件沿雙曲線弧軌跡焊接起來。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，且焊接方向與雙曲線形軌跡在該點(diǎn)的切線方向一致，該切線必須為水平線，焊接速度保持恒定。目前，雙曲線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，提供一種雙曲線軌跡定向切線恒速焊接機(jī)器人裝置，該裝置可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)工件雙曲線軌跡焊縫的焊接，采用該裝置進(jìn)行焊接時(shí)，焊槍始終處于雙曲線軌跡焊縫上在焊接點(diǎn)處的法線，焊接方向?yàn)殡p曲線軌跡的切線方向，且該切線始終朝向預(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)明提供的一種雙曲線軌跡定向切線恒速焊接機(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；所述機(jī)械臂包括依次串聯(lián)起來的X軸平移組件和Y軸平移組件；待焊工件的焊縫中心線為雙曲線軌跡；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；所述控制器通過控制線路分別與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；工件上具有雙曲線軌跡的焊縫；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€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€s ;設(shè)所述關(guān)節(jié)軸的中心線為直線u ;直線q、直線s和直線u三者兩兩垂直；設(shè)直線q與直線s構(gòu)成平面Q1，設(shè)工件上焊縫中心線的雙曲線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q平行，X。軸的正方向?yàn)殡x開雙曲線軌跡的方向，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1C}的縱軸y。與直線S平行，y。軸的正方向?yàn)殡x開雙曲線軌跡的方向，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；
·
建立雙曲線坐標(biāo)系{A}，所述雙曲線坐標(biāo)系{A}的原點(diǎn)為雙曲線軌跡的中心Oa，雙曲線坐標(biāo)系{A}的縱軸yA與雙曲線對(duì)稱軸重合，雙曲線坐標(biāo)系{A}的橫軸xA過雙曲線坐標(biāo)系{A}的原點(diǎn)與縱軸垂直且和雙曲線在同一平面內(nèi)，所述雙曲線坐標(biāo)系{A}與帶雙曲線軌跡焊縫的工件固接；點(diǎn)0。在雙曲線坐標(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 ;雙曲線上任意
一點(diǎn)坐標(biāo)(XA，Ya)均滿足雙曲線在雙曲線坐標(biāo)系中的軌跡方程= 其中a>0
b Γ
為一常數(shù)，b>0為一常數(shù)；設(shè)所述雙曲線坐標(biāo)系的χΑ軸與χ。軸的夾角為θ，0< Θ <90° ;所述焊槍的中心線與^軸平行，焊槍的中心線與雙曲線軌跡的交點(diǎn)為焊點(diǎn)P ;所述焊點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系{C}中的坐標(biāo)為(XdYc);設(shè)焊槍的末端點(diǎn)T在世界坐標(biāo)系{C}中的坐標(biāo)為(XTC, Yxc) ; β為焊點(diǎn)P與關(guān)節(jié)軸中心O。的連線與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足下列關(guān)系
(a2 --6;)sin^ , , . Xc - r.......................................................................— dx cos Θ + av sm Θ,
4-a2 tm2 θ + b2‘) - —sj-a2 tan2 0-\-/r Cos^-Jv sin θ-d^ cosXtc=XcjYTC=YC+La，
nYc^夕=arctaii(~^~)-.
—Vw·」(M + ^X2c + sin β)2 + (N - ^X1C + Yc cos β)2，V1=M ω，V2=N ω，
其中，
權(quán)利要求
1.一種雙曲線軌跡定向切線恒速焊接機(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為雙曲線軌跡； 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；所述控制器通過控制線路分別與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；工件上具有雙曲線軌跡的焊縫；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€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€s ;設(shè)所述關(guān)節(jié)軸的中心線為直線u ;直線q、直線s和直線u三者兩兩垂直；設(shè)直線q與直線s構(gòu)成平面Q1,設(shè)工件上焊縫中心線的雙曲線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X。與直線q平行，X。軸的正方向?yàn)殡x開雙曲線軌跡的方向，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s平行，y。軸的正方向?yàn)殡x開雙曲線軌跡的方向，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；建立雙曲線坐標(biāo)系{A}，所述雙曲線坐標(biāo)系{A}的原點(diǎn)為雙曲線軌跡的中心Oa，雙曲線坐標(biāo)系{A}的縱軸yA與雙曲線對(duì)稱軸重合，雙曲線坐標(biāo)系{A}的橫軸xA過雙曲線坐標(biāo)系{A}的原點(diǎn)與縱軸垂直且和雙曲線在同一平面內(nèi)，所述雙曲線坐標(biāo)系{A}與帶雙曲線軌跡焊縫的工件固接；點(diǎn)Oc在雙曲線坐標(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 ;拋物線上任意一點(diǎn)坐標(biāo)(XA，Ya)均滿足拋物線在拋物線坐標(biāo)系中的軌跡方程為I/ =-2/^；,ρ>0為一常數(shù)；雙曲線上任意一點(diǎn)坐標(biāo)(XA，Ya)均滿足雙曲線在雙曲線坐標(biāo)系中的軌跡方程#-4 = 1, b- crYA〈0,其中a>0為一常數(shù)，b>0為一常數(shù)；設(shè)所述雙曲線坐標(biāo)系的xA軸與X。軸的夾角為Θ，Θ <90;所述焊槍的中心線與y。軸平行，焊槍的中心線與雙曲線軌跡的交點(diǎn)為焊點(diǎn)P;所述焊點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系{C}中的坐標(biāo)為(H);設(shè)焊槍的末端點(diǎn)T在世界坐標(biāo)系{C}中的坐標(biāo)為(XTO，YT。)；β為焊點(diǎn)P與關(guān)節(jié)軸中心O。的連線與X。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1C}而言； 控制器通過控制工件和焊槍滿足下列關(guān)系
2.如權(quán)利要求I所述的雙曲線軌跡定向切線恒速焊接機(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所述的雙曲線軌跡定向切線恒速焊接機(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所述的雙曲線軌跡定向切線恒速焊接機(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所述的雙曲線軌跡定向切線恒速焊接機(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
雙曲線軌跡定向切線恒速焊接機(jī)器人裝置，屬于焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括由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；帶有雙曲線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)工件雙曲線軌跡焊縫高質(zhì)量焊接功能；進(jìn)行焊接時(shí)，焊槍始終處于雙曲線軌跡焊縫焊接點(diǎn)處的法線上，焊接方向?yàn)殡p曲線軌跡的切線方向，且該切線始終朝向預(yù)先設(shè)定某個(gè)固定方向上，焊接速度保持恒定，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)B23K9/133GK102886592SQ201210375070
公開日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, 孫振國, 劉洪冰, 邵家鑫 申請(qǐng)人:清華大學(xué)