專利名稱：橢圓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，特別涉及一種橢圓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，大量存在各種具有橢圓弧形的設(shè)備。在設(shè)備的生產(chǎn)過程中，需要將エ件沿橢圓弧軌跡焊接起來。為了獲得高質(zhì)量的焊縫，エ件焊接時(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，且焊接方向與橢圓形軌跡在該點(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，橢圓軌跡的焊接多采用人エ焊接方式，少數(shù)也有采用6軸垂直關(guān)節(jié)型エ業(yè)機(jī)器人進(jìn)行焊接。前者對エ人的技術(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)明的目的是針對已有技術(shù)的不足之處，提供一種橢圓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)對エ件橢圓軌跡焊縫的焊接，采用該裝置進(jìn)行焊接時(shí)，焊槍始終處于橢圓軌跡焊縫上在焊接點(diǎn)處的法線，焊接方向?yàn)闄E圓軌跡的切線方向，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)明提供的一種橢圓軌跡定向切線恒速焊接機(jī)器人裝置，其特征在干包括機(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；待焊エ件的焊縫中心線為橢圓軌跡；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)軸和エ件安裝臺(tái)；所述第三基座與第一基座固接；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，所述エ件安裝臺(tái)固定套接在關(guān)節(jié)軸上；所述焊槍安裝在第二滑塊上，焊槍與焊接電源相連；所述X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)和Z軸電機(jī)分別與控制器相連；所述控制器與焊接電源相連；需要焊接的エ件固定安裝在エ件安裝臺(tái)上；エ件上具有橢圓軌跡的焊縫；設(shè)所述第一滑塊相對于第一基座的滑動(dòng)方向?yàn)橹本€q ;設(shè)所述第二滑塊相對于第ニ基座的滑動(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)エ件上焊縫中心線的橢圓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開橢圓軌跡的方向，也是第一滑塊相對于第一基座滑動(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開橢圓軌跡的方向，也是第二滑塊相對于第二基座滑動(dòng)的正方向，該世界坐標(biāo)系1C}與第三基座固接；建立橢圓坐標(biāo)系{A},所述橢圓坐標(biāo)系{A}的原點(diǎn)為橢圓軌跡的中心Oa,橢圓坐標(biāo)系{A}的橫軸xA與橢圓長軸重合,橢圓坐標(biāo)系{A}的縱軸yA與橢圓短軸重合,所述橢圓坐標(biāo)系{A}與帶橢圓軌跡焊縫的エ件固接；點(diǎn)Oc在橢圓坐標(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)エ件繞關(guān)節(jié)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為《 ;設(shè)a為所述橢圓軌跡的長軸的一半，b為所述橢圓軌跡的短軸的一半；設(shè)所述橢圓軌跡的長軸與X。軸的夾角為0，0< 0 <90° ;所述焊槍的中心線與y。軸平行，焊槍的中心線與橢圓軌跡的交點(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1C}中的坐標(biāo)為(XT。，Ytc);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，相對世界坐標(biāo)系{C}而言；控制器控制エ件和焊槍滿足下列關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種橢圓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橢圓軌跡； 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);所述第三基座與第一基座固接；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； 所述焊槍固定安裝在第二滑塊上，焊槍與焊接電源相連；所述X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)和Z軸電機(jī)分別與控制器相連；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)；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；工件上具有橢圓軌跡的焊縫；設(shè)所述第一滑塊相對于第一基座的滑動(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橢圓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開橢圓軌跡的方向，也是第一滑塊相對于第一基座滑動(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開橢圓軌跡的方向，也是第二滑塊相對于第二基座滑動(dòng)的正方向，該世界坐標(biāo)系1C}與第三基座固接；建立橢圓坐標(biāo)系{A}，所述橢圓坐標(biāo)系{A}的原點(diǎn)為橢圓軌跡的中心Oa，橢圓坐標(biāo)系{A}的橫軸xA與橢圓長軸重合,橢圓坐標(biāo)系{A}的縱軸yA與橢圓短軸重合,所述橢圓坐標(biāo)系{A}與帶橢圓軌跡焊縫的工件固接；點(diǎn)O。在橢圓坐標(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《 ;設(shè)a為所述橢圓軌跡的長軸的一半，b為所述橢圓軌跡的短軸的一半；設(shè)所述橢圓軌跡的長軸與X。軸的夾角為0，0< 0 <90° ;所述焊槍的中心線與y。軸平行，焊槍的中心線與橢圓軌跡的交點(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。)；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，相對世界坐標(biāo)系1C}而言； 控制器通過控制控制工件和焊槍滿足下列關(guān)系 ^ U/2-/ 2) sin 6 n j a A,, = ,— cos b 十 sin 0.\lcr tan" 0 + b~
2.如權(quán)利要求I所述的橢圓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)采用絲杠螺母傳動(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所述的橢圓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)采用絲杠螺母傳動(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所述的橢圓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所述的橢圓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。
6.一種橢圓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橢圓軌跡； 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)、第二滑塊(24)和平面壓板(8);所述第二基座與第一滑塊固接；所述第二滑塊滑動(dòng)鑲嵌在第二基座上；所述平面壓板與第二滑塊固接；所述平面壓板與工件相接觸，平面壓板的下表面與橢圓軌跡相切；所述平面壓板的下表面為水平面； 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);所述第三基座與第一基座固接；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； 所述焊槍固定安裝在第二滑塊上，焊槍與焊接電源相連；所述X軸電機(jī)和Z軸電機(jī)分別與控制器相連；控制器控制X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；工件上具有橢圓軌跡的焊縫；設(shè)所述第一滑塊相對于第一基座的滑動(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橢圓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開橢圓軌跡的方向，也是第一滑塊相對于第一基座滑動(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開橢圓軌跡的方向，也是第二滑塊相對于第二基座滑動(dòng)的正方向，該世界坐標(biāo)系1C}與第三基座固接；建立橢圓坐標(biāo)系{A}，所述橢圓坐標(biāo)系{A}的原點(diǎn)為橢圓軌跡的中心Oa，橢圓坐標(biāo)系{A}的橫軸xA與橢圓長軸重合,橢圓坐標(biāo)系{A}的縱軸yA與橢圓短軸重合,所述橢圓坐標(biāo)系{A}與帶橢圓軌跡焊縫的工件固接；點(diǎn)O。在橢圓坐標(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《 ;設(shè)a為所述橢圓軌跡的長軸的一半，b為所述橢圓軌跡的短軸的一半；設(shè)所述橢圓軌跡的長軸與X。軸的夾角為0，0< 0 <90° ;所述焊槍的中心線與y。軸平行，焊槍的中心線與橢圓軌跡的交點(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。)；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，相對世界坐標(biāo)系1C}而言； 控制器控制工件和焊槍滿足下列關(guān)系
7.如權(quán)利要求6所述的橢圓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)采用絲杠螺母傳動(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)。
8.如權(quán)利要求6所述的橢圓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)。
9.如權(quán)利要求6所述的橢圓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。
10.如權(quán)利要求6所述的橢圓軌跡定向切線恒速焊接機(jī)器人裝置，其特征在于還包括簧件(81)，所述簧件的兩端分別連接第二滑塊和第二基座，所述簧件采用拉簧、壓簧、扭簧或片簧。
全文摘要
橢圓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，包括由X軸平移組件和Y軸平移組件串聯(lián)形成的機(jī)械臂、Z軸轉(zhuǎn)臺(tái)、控制器、焊接電源和焊槍等；帶有橢圓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)。該裝置采用獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的三自由度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對工件橢圓軌跡焊縫高質(zhì)量焊接功能，采用該裝置進(jìn)行焊接時(shí)，焊槍始終處于橢圓軌跡焊縫上在焊接點(diǎn)處的法線，焊接方向?yàn)闄E圓軌跡的切線方向，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，焊接質(zhì)量高，效率高，裝置的制造、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位置和姿態(tài)，因此可達(dá)到優(yōu)化的焊接效果。
文檔編號(hào)B23K9/133GK102764929SQ20121025668
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者張文增, 張驊, 潘際鑾, 王力, 鄭軍, 都東, 韓贊東 申請人:清華大學(xué)