本發(fā)明涉及一種機電一體化產(chǎn)品，確切講，涉及一種電弧焊自動焊接設(shè)備。

背景技術(shù)：

目前，對管道環(huán)焊縫進行自動焊接的設(shè)備，主要有《焊接手冊第一卷焊接方法和設(shè)備》所述的“全位置自動焊機”，和《微型計算機在焊接中的應(yīng)用》文所述的“固定管道全自動tig焊機”。其結(jié)構(gòu)由焊接機頭、行走環(huán)行導軌、控制系統(tǒng)組成。對焊槍位置的控制采用焊槍位置信號、邏輯控制模板、焊槍回轉(zhuǎn)模板、送絲控制模板、弧壓控制模板、磁控電弧擺動模板、機械電弧擺動模板等實現(xiàn)。控制系統(tǒng)包括微型計算機和控制柜，微型計算機由主機、鍵盤、顯示器、輸入設(shè)備、輸入輸出接口等組成；控制柜由輸入輸出接口電路、功率驅(qū)動電路和焊槍位置控制的各種模板組成。自動焊接軟件是根據(jù)焊接工藝，預先編程并存儲在軟盤或硬盤上。焊接時，在微型計算機系統(tǒng)軟件的支持下，從軟盤或硬盤上調(diào)入計算機內(nèi)存執(zhí)行。微型計算機輸出的控制信號通過輸出接口輸送到控制柜，經(jīng)功率放大后驅(qū)動各執(zhí)行元件，進行自動焊接。

除此之外，還有《焊接手冊第一卷焊接方法和設(shè)備》、《工業(yè)機器人》、《機器人控制技術(shù)》文中所述的“弧焊機器人”，其結(jié)構(gòu)由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)組成。其中機械系統(tǒng)包括機身、關(guān)節(jié)型手臂、焊接工具。為了把示教的運動軌跡轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)關(guān)節(jié)軸的數(shù)據(jù)，在機身、關(guān)節(jié)型手臂的各關(guān)節(jié)軸設(shè)置了檢測元件，檢測的數(shù)據(jù)存入主控微型計算機。

控制系統(tǒng)的微型計算機分為兩部分，一部分是主控微型計算機，另一部分是從微型計算機或單片微型計算機。

驅(qū)動系統(tǒng)一般為液壓驅(qū)動或電動驅(qū)動，控制部分常以動力站的形式單獨放置。

對弧焊機器人的編程，都是在微型計算機系統(tǒng)軟件的支持下進行。具體有幾種方式：示教編程、離線編程、機器人語言編程。示教編程是目前使用最普遍地方法，這種方法編制程序是在機器人現(xiàn)場進行，操作人員可以手扶機器人按給定運動軌跡運動，或操作示教盒的按鈕驅(qū)動機器人按給定運動軌跡運動，將各定運動軌跡轉(zhuǎn)化為機器人各關(guān)節(jié)軸的角度信息，記錄進主控微型計算機的內(nèi)存儲器；復現(xiàn)運動時，主控微型計算機從內(nèi)存讀出相應(yīng)信息，采用插補算法和機器人逆向運動學算法，將運動軌跡中間點的位置和姿態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)關(guān)節(jié)軸應(yīng)旋轉(zhuǎn)的角度信息，并向從微型計算機或單片微型計算機發(fā)出控制命令，驅(qū)動各關(guān)節(jié)軸，在一定精度范圍內(nèi)復現(xiàn)示教運動。在示教和復現(xiàn)階段，都必須利用主控微型計算機。

上述的自動焊接設(shè)備，其機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)都是單獨自成一體，尤其是基于微型計算機的控制系統(tǒng)，除控制柜外，微型計算機一般都由主機、鍵盤、顯示器、輸入設(shè)備、輸入輸出接口組成。這樣的結(jié)構(gòu)和編程方式以及復現(xiàn)運動的方法，導致了自動焊接設(shè)備不僅系統(tǒng)復雜，價格昂貴，而且體積大、重量重，不便于攜帶，不便于在焊接生產(chǎn)現(xiàn)場頻繁移動。焊接方式均采用鎢極氣體保護電弧焊，不僅焊接生產(chǎn)效率較低，而且焊接時，需要氬氣、氦氣、或這些氣體的混合氣作為焊接時的保護氣體，購買氣體，運輸氣瓶，導致焊接生產(chǎn)成本上升；作為導電電極和填充金屬的焊絲，以盤卷的形式供自動焊接使用，氣瓶、焊絲也不便于在焊接生產(chǎn)現(xiàn)場頻繁移動。采用上述現(xiàn)有技術(shù)的自動焊接設(shè)備，適用于在固定的焊接生產(chǎn)現(xiàn)場使用，或在流水作業(yè)生產(chǎn)線上固定工位作業(yè)。

在電力、石油、化工企業(yè)管道系統(tǒng)安裝焊接中，焊接生產(chǎn)方式是：在一個管道焊縫焊接完后，移動焊接設(shè)備到下一個管道焊縫處再進行焊接，焊接設(shè)備需要在焊接現(xiàn)生產(chǎn)場頻繁移動。由于焊接生產(chǎn)現(xiàn)場多數(shù)是遠離城市的平原、沙漠、丘陵等地區(qū)，采用上述現(xiàn)有技術(shù)的自動焊接設(shè)備，進行管道焊縫自動焊接，受到下述幾個方面的限制：

1.不便于攜帶自動焊接設(shè)備、和在焊接生產(chǎn)現(xiàn)場頻繁移動自動焊接設(shè)備；

2.不可能或不便于灌裝氬氣，不便于攜帶氬氣氣瓶；

3.新增購買氬氣、往返運輸費，增加了焊接生產(chǎn)的成本；

4.焊接生產(chǎn)效率較低，延長了管道系統(tǒng)安裝工程的建設(shè)周期。

上述原因，限制了采用上述現(xiàn)有技術(shù)的自動焊接設(shè)備，在電力、石油、化工企業(yè)管道系統(tǒng)安裝焊接中的使用。所以，幾十年來，在管道焊接生產(chǎn)中，都是采用手工電弧焊焊接。采用手工電弧焊焊接，不僅焊接生產(chǎn)條件差，工人勞動強度大，且焊接質(zhì)量波動大，易受工人技術(shù)狀況、心理情緒的影響。隨著微型計算機、單片微型計算機、機器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在管道焊接生產(chǎn)中，實施自動焊接技術(shù)已具備了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對采用現(xiàn)有技術(shù)的自動焊接設(shè)備，在電力、石油、化工企業(yè)管道系統(tǒng)安裝焊接中存在的不足，和實施自動焊接的需要，提供一種便于攜帶、便于在焊接生產(chǎn)現(xiàn)場頻繁移動的關(guān)節(jié)型弧焊機器人，其主要目的是：在管道焊接生產(chǎn)中實現(xiàn)自動焊接，提高焊接生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，降低焊接生產(chǎn)成本。

本發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的：首先由關(guān)節(jié)型手臂、機身、行走機構(gòu)、機器人控制器、控制電源組成關(guān)節(jié)型機器人。其中，關(guān)節(jié)型手臂、行走機構(gòu)、機器人控制器為模塊結(jié)構(gòu)?？筛鶕?jù)焊接方式、焊接管道的直徑、焊縫焊接的層數(shù)，選擇各規(guī)格的模塊部件裝配。具體結(jié)構(gòu)是：行走機構(gòu)直接安裝在生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場或生產(chǎn)作業(yè)對象上；行走機構(gòu)上安裝機身，機身上安裝關(guān)節(jié)型手臂，關(guān)節(jié)型手臂的肩部上安裝機器人控制器，以上三件組合為一體；控制電源單獨為一體，安裝在行走機構(gòu)上，通過電纜和機器人控制器連接。關(guān)節(jié)型機器人分為三個分體，分體重量輕、便于攜帶，裝配后，結(jié)構(gòu)緊湊，便于在生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場頻繁移動。再以關(guān)節(jié)型機器人為基體，在關(guān)節(jié)型手臂上安裝焊接工具，機身位置安裝自動上料斗，構(gòu)成專用的關(guān)節(jié)型弧焊機器人。在焊接方式的選擇上，按照技術(shù)經(jīng)濟的觀點，可采用以藥皮焊條焊接整個焊道；或以鎢極氬弧焊焊接底層，藥皮焊條焊接中層和蓋面的焊接方式。焊接生產(chǎn)作業(yè)時，將關(guān)節(jié)型弧焊機器人安裝在焊接管道上，啟動關(guān)節(jié)型弧焊機器人，在機器人控制器固化的控制軟件控制下，關(guān)節(jié)型弧焊機器人實現(xiàn)行走，和模仿人手與手臂的焊接動作，配合弧焊電源，或鎢極氬弧焊電源，進行自動焊接。一個焊道焊接完畢或鎢極氬弧焊焊接底層完畢，移動關(guān)節(jié)型弧焊機器人到下一個焊縫進行自動焊接，以類似流水生產(chǎn)作業(yè)的方式進行管道焊縫自動焊接。

下面對每一個部件作簡要的說明：

焊接工具有兩種類型：焊鉗和焊炬。

關(guān)節(jié)型手臂由肩部、大臂、小臂、手腕組成，肩部、大臂、小臂、手腕為模塊結(jié)構(gòu)。肩部與大臂之間由肩關(guān)節(jié)軸鉸鏈聯(lián)結(jié)，大臂與小臂之間由肘關(guān)節(jié)軸鉸鏈聯(lián)結(jié)，小臂與手腕之間由腕關(guān)節(jié)軸鉸鏈聯(lián)結(jié)。手腕上可安裝焊鉗或焊炬和送絲器。具有三個功能：可操作安裝的焊鉗鉗指開、閉；操作安裝的焊鉗或焊炬作微小轉(zhuǎn)動；操作安裝的焊鉗或送絲器作微小往復運動。

自動上料斗內(nèi)放置藥皮焊條或焊絲，在自動焊接中，配合關(guān)節(jié)型手臂送出藥皮焊條或焊絲。待藥皮焊條或焊絲使用完后，可快速換裝。行走機構(gòu)的導軌安裝在焊接的管道上，行走機構(gòu)安裝在導軌里。行走機構(gòu)被限位在導軌里行走，保證了關(guān)節(jié)型弧焊機器人的位置在運動中不發(fā)生偏移。

關(guān)節(jié)型手臂的肩部安裝機器人控制器，控制電源放置在行走機構(gòu)上，通過電纜和機器人控制器連接。機器人控制器包括單片機系統(tǒng)和輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動電路?？刂品桨甘腔趩纹瑱C的全軟件開環(huán)控制系統(tǒng)，這種全軟件的控制方案，縮小了機器人控制器的體積。

控制電源由兩組蓄電池組成。

自動焊接過程中，焊接運動軌跡始終跟蹤焊縫是實現(xiàn)自動焊接的關(guān)鍵，在本技術(shù)方案中是這樣實現(xiàn)跟蹤焊縫的：行走機構(gòu)直接安裝在焊接管道上，行走機構(gòu)上安裝自動上料斗，自動上料斗上安裝關(guān)節(jié)型手臂，關(guān)節(jié)型手臂上安裝焊接工具。裝配時作簡單調(diào)整，間接使焊接工具的運動軌跡對準焊道。以機械裝配精度，保證了焊接工具在靜止時的準確定位。自動焊接時，機器人控制器連續(xù)控制關(guān)節(jié)型手臂的各個關(guān)節(jié)軸，使各關(guān)節(jié)軸同時作受控旋轉(zhuǎn)，相互協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動，保證焊接工具在運動中始終跟蹤焊縫。

采用上述技術(shù)方案的關(guān)節(jié)型弧焊機器人，分體重量輕、便于攜帶，裝配后，結(jié)構(gòu)緊湊，便于在焊接生產(chǎn)現(xiàn)場頻繁移動；可根據(jù)焊接方式、焊接管道的直徑、焊縫焊接的層數(shù)改變關(guān)節(jié)型弧焊機器人的組成，使焊接生產(chǎn)具有柔性；自動焊接中使用藥皮焊條，或主要使用藥皮焊條和焊絲，提高了焊接生產(chǎn)效率，降低了焊接生產(chǎn)成本；使管道焊接生產(chǎn)以類似流水生產(chǎn)作業(yè)的方式進行，實現(xiàn)管道焊接生產(chǎn)自動化，有利于改善焊接生產(chǎn)勞動條件，把工人從繁重的勞動中解脫出來，降低工人的勞動強度；有利于提高焊接生產(chǎn)質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，降低焊接生產(chǎn)質(zhì)量對工人技術(shù)的依賴性；以開發(fā)單片微型計算機的硬件和技術(shù)，離線編程開發(fā)關(guān)節(jié)型弧焊機器人的焊接軟件，以固化在機器人控制器內(nèi)的控制軟件，控制關(guān)節(jié)型弧焊機器人進行自動焊接，降低了關(guān)節(jié)型弧焊機器人的價格。使這一具有較高科技含量的項目能在工廠企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用和推廣。

附圖說明

圖1是關(guān)節(jié)型機器人的主視圖。

圖2是采用本發(fā)明關(guān)節(jié)型弧焊機器人的主視圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1所示關(guān)節(jié)型機器人為模塊化結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機器人，由關(guān)節(jié)型手臂3、機身4、行走機構(gòu)5、機器人控制器6、控制電源7五個部件組成。其中關(guān)節(jié)型手臂3、行走機構(gòu)5、機器人控制器6為模塊結(jié)構(gòu)，可根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)的方式，選擇各規(guī)格的模塊裝配。具體結(jié)構(gòu)是：行走機構(gòu)直接安裝在生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場或生產(chǎn)作業(yè)對象上；行走機構(gòu)上安裝機身，機身上安裝關(guān)節(jié)型手臂，關(guān)節(jié)型手臂的肩部上安裝機器人控制器，以上三件組合為一體；控制電源單獨為一體，安裝在行走機構(gòu)的上，通過電纜和機器人控制器連接。關(guān)節(jié)型機器人分為三個分體，分體重量輕、便于攜帶，裝配后，結(jié)構(gòu)緊湊、便于頻繁移動。

圖1所示的關(guān)節(jié)型手臂3由肩部10、大臂20、小臂30、手腕40組成。肩部10和大臂20之間由肩關(guān)節(jié)軸鉸鏈，大臂20與小臂30之間由肘關(guān)節(jié)軸鉸鏈，小臂30與手腕40之間由腕關(guān)節(jié)軸鉸鏈。肩部10、大臂20、小臂30、手腕40為模塊結(jié)構(gòu)，可根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)的需要，選擇各規(guī)格模塊方便地換裝。

圖1所示的手腕40由手腕步進電機、傳動螺桿、傳動螺母、連接片、導向環(huán)、動環(huán)、止環(huán)、導環(huán)、手腕直流電機、齒輪、齒條、箱體組成。傳動螺母的外圓周上，對稱地加工了兩個平面，每一個平面上加工了兩個鉸鏈孔。在與該平面垂直的外圓周位置上，對稱地加工了兩個導向鍵槽。動環(huán)的內(nèi)圓周上對稱地加工了兩個導向鍵槽。傳動螺母旋入傳動螺桿，套裝在動環(huán)里，通過滑動鍵滑動連接，動環(huán)又套裝在導向環(huán)里，導環(huán)套裝在止環(huán)里，導向環(huán)和止環(huán)同軸裝配在箱體上。手腕40的導環(huán)上安裝末端操作器，具有一個動作、兩個自由度：由手腕步進電機通過與傳動螺桿聯(lián)接，經(jīng)傳動螺母，和與傳動螺母鉸鏈的連接片聯(lián)接，操作連接片作往復運動；手腕步進電機通過與傳動螺桿聯(lián)接，在傳動螺桿與傳動螺母旋緊的狀態(tài)下，由導向環(huán)、動環(huán)支承傳動螺母并導向、止環(huán)支承導環(huán)并導向，操作導環(huán)作微小旋轉(zhuǎn)；手腕直流電機與齒輪聯(lián)接，手腕步進電機和齒條聯(lián)接，齒輪與齒條嚙合，經(jīng)齒條傳動使手腕步進電機在導向環(huán)里作微小往復運動，帶動導環(huán)也同樣作微小往復運動。

圖1所述的肩部10由箱板、支承柱、螺釘、防護罩裝配成，肩部也是肩部減速器的箱體，防護罩裝在箱體的四周。內(nèi)裝肩部步進電機、肩部減速器、肩部光電藕合檢測器。肩部步進電機與肩部減速器嚙合，肩部減速器的輸出軸即是肩關(guān)節(jié)軸。齒輪軸處安裝向心球軸承，向心球軸承支承肩關(guān)節(jié)軸。減速齒輪采用雙列齒輪、螺釘緊固的消嚙合間隙方法。末級減速齒輪旁安裝肩部光電藕合檢測器，配合齒輪上的兩毫米小孔，檢測肩關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動角度。

圖1所示的大臂20由箱板、支承柱、螺釘、防護罩裝配成，大臂也是大臂減速器的箱體，防護罩裝在箱體的四周。內(nèi)裝大臂步進電機、大臂減速器、大臂光電藕合檢測器。大臂步進電機與大臂減速器嚙合，大臂減速器的輸出軸即是肘關(guān)節(jié)軸。齒輪軸處安裝向心球軸承，向心球軸承支承肘關(guān)節(jié)軸。減速齒輪采用雙列齒輪、螺釘緊固的消嚙合間隙方法。末級減速齒輪旁安裝大臂光電藕合檢測器，配合齒輪上的兩毫米小孔，檢測肘關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動角度。

圖1所示的小臂30由箱板、支承柱、螺釘、防護罩裝配成，小臂也是小臂減速器的箱體，防護罩裝在箱體的四周。內(nèi)裝小臂步進電機、小臂減速器、小臂光電藕合檢測器。小臂步進電機與小臂減速器嚙合，小臂減速器的輸出軸即是腕關(guān)節(jié)軸。齒輪軸處安裝向心球軸承，向心球軸承支承腕關(guān)節(jié)軸。減速齒輪采用雙列齒輪、螺釘緊固的消嚙合間隙方法。末級減速齒輪旁安裝小臂光電藕合檢測器，配合齒輪上的兩毫米小孔，檢測腕關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動角度。

圖1所示的機身4為圓柱形，可在其位置安裝自動上料斗。

圖1所示的行走機構(gòu)5由兩只主動磁性輪子、兩只輔助輪子、車架、行走直流電機、行走減速器、導軌組成。在實施例中，導軌呈圓環(huán)形。兩只主動磁性輪子，分別安裝在車架的兩端，主動磁性輪子為圓柱性，沿縱軸線的中部呈v形。輔助輪子內(nèi)裝滾動軸承和主動磁性輪子同軸安裝。行走直流電機安裝在車架的中部，其縱軸線和主動磁性輪子平行。行走減速器安裝在兩只主動磁輪的一端，并和主動磁性輪子垂直，兩端的輸出軸分別和主動磁性輪子聯(lián)結(jié)。行走直流電機與行走減速器的中間輸入軸聯(lián)結(jié)，同向驅(qū)動主動磁性輪子。車架安裝在導軌里，導軌在中分面處分為兩部分，采用螺栓聯(lián)接，中分面處的橫斷面形狀是一邊未完全封住的口字形，與未完全封住邊相對的邊的形狀呈凸v字形。輔助輪剛好卡入未完全封住的口字形，就限定了車架的運動。生產(chǎn)作業(yè)時，行走直流電機經(jīng)行走減速器，驅(qū)動主動磁性輪子轉(zhuǎn)動，使車架在導軌里行走。行走機構(gòu)5被限位在導軌里運動，保證了關(guān)節(jié)型機器人1相對于生產(chǎn)作業(yè)對象的位置，在運動中不發(fā)生偏移。行走機構(gòu)5為模塊結(jié)構(gòu)，有多種規(guī)格，可根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)方式選擇。

圖1所示的機器人控制器6由單片機系統(tǒng)、輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動電路組成。實施例中，單片機系統(tǒng)的單片機芯片選用8031，輸入輸出接口芯片選用8255，地址鎖存器選用74ls373，地址譯碼器選用74ls138，程序存貯器選用2764。輸入接口電路四組，以一組為例，光電藕合隔離選用4n25、top12，輸入插口選用單列三腳插座。輸出功率驅(qū)動電路十三組，以一組為例，光電隔離選用兩只4n25，集成驅(qū)動選用74ls06、74ls07，功率放大管選用四只tip126，時基選用ne555，開關(guān)控制管選用tip127，輸出插口選用單列五腳插座。為了縮小機器人控制器的體積，只設(shè)置兩只指示燈，一只接入單片機系統(tǒng)；一只接入輸出功率驅(qū)動。只設(shè)置啟動、停止按鈕控制機器人控制器。將單片機系統(tǒng)，四組光電檢測器的輸入接口電路，以及兩組雙列二十腳插座制作在主電路板上以。兩組直流電機，和兩組開關(guān)控制、以及九組步進電機的輸出功率驅(qū)動電路，都分別單獨制作單元電路板。為使單元電路板具有可換性，方便維修。兩組直流電機和兩組開關(guān)控制輸出功率驅(qū)動電路板，都按步進電機功率驅(qū)動電路板制作。兩組直流電機和兩組開關(guān)控制電路板，裝配在主電路板上，九組步進電機電路板裝配在輔電路板上。兩電路板以上下重疊的形式放置，兩電路板之間通過兩組雙列二十腳插座，并行電纜插頭連接。另一個實施例中，兩組直流電機、兩組開關(guān)控制、九組步進電機的電路板，分別裝配在各執(zhí)行元件處。機器人控制器6為模塊結(jié)構(gòu)，可根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)的需要，增減輸出功率驅(qū)動電路，組成各個模塊。

機器人控制器硬件的制作如《mcs-51/96系列單片微型計算機及其應(yīng)用》、《單片機原理及制作》、《單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實踐》、《微型計算機控制基礎(chǔ)》文中所述。在選定單片機芯片、輸入輸出接口芯片、地址鎖存器、地址譯碼器、程序存貯器后，地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線、片選信號可按規(guī)定連接，其具體方法，本專業(yè)的技術(shù)人員對此已相當熟悉，不再贅述。僅對輸入輸出接口8255的地址分配，和輸出功率驅(qū)動單元電路板作說明。8255的每一路輸入、輸出端口均經(jīng)光電藕合隔離與外圍電路連接。8255的pa0、pa1口接撥料步進電機，pa2、pa3口接送料步進電機，pa4、pa5口接鉗指直流電機，pa6、pa71接行走直流電機。pb0、pb1口接肩部步進電機，pb2、pb3口接大臂步進電機，pb4、pb5口接小臂步進電機，pb6、pb7口接鉗指步進電機。pc0口接入肩部步進電機，和鉗指步進電機的驅(qū)動電源回路，作開關(guān)控制；pc1口接入大臂步進電機，小臂步進電機的驅(qū)動電源回路，作開關(guān)控制；pc2口開關(guān)控制接入推料電磁鐵或焊炬開關(guān)，pc4口接入肩部光電藕合檢測器，pc5口接入大臂光電藕合檢測器，pc6口接入小臂光電藕合檢測器分別檢測各關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動角度，pc7口接入弧壓光電藕合檢測器檢測弧壓，8255的pc3口開關(guān)控制預留弧焊電源控制。在另一個實施例中，單片機的p1.0、p1.1口接肩部步進電機，p1.2、p1.3口接大臂步進電機，p1.4、p1.5口接小臂步進電機。單片機的p1.6、p1.7口和p3口的部分端口留作進一步開發(fā)用。輸出功率驅(qū)動單元電路板，都具有相同的結(jié)構(gòu)。以控制肩部步進電機為例：8255的pb0口輸出的信號接光電藕合4n25，經(jīng)隔離后的信號接集成驅(qū)動74l806的一個單元，和74ls07的一個單元。pb1口輸出的信號接另一只光電藕合4n25，經(jīng)隔離后的信號接集成驅(qū)動74ls06的另一個單元，和74ls07的另一個單元。四個單元的輸出信號分別推動四只功率放大管tip126，放大后的電流直接驅(qū)動肩部步進電機轉(zhuǎn)動。pc0口輸出的信號接光電藕合4n25，經(jīng)隔離后的信號接時基ne555，ne555的輸出接集成驅(qū)動74ls06的一個單元，其輸出信號推動開關(guān)控制管tip127，控制肩部步進電機接入高電壓?？刂浦绷麟姍C時，將輸出功率驅(qū)動單元電路板中的74ls06換為74ls07即可。兩組開關(guān)控制可選輸出功率驅(qū)動單元電路板中的兩路即可。

控制電源7包括一組6v蓄電池，一組18v蓄電池。

在pc微型計算機上，根據(jù)關(guān)節(jié)型手臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)和生產(chǎn)作業(yè)工藝的要求，編寫程序動態(tài)仿真關(guān)節(jié)型手臂運動，計算關(guān)節(jié)型手臂各個關(guān)節(jié)軸的角度運動數(shù)據(jù)。依照仿真和計算的數(shù)據(jù)，編寫控制程序。交叉匯編控制程序，匯編后的控制程序，通過pc微型計算機的通訊接口輸入到單片機開發(fā)器，單片機開發(fā)器連接輸入接口與輸出功率驅(qū)動電路進行實際調(diào)試，調(diào)試正確的控制程序，固化在機器人控制器內(nèi)，完成關(guān)節(jié)型機器人控制軟件的開發(fā)。關(guān)節(jié)型手臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)改變和生產(chǎn)作業(yè)工藝作改進后，可修改控制程序，經(jīng)匯編、調(diào)試正確后，重新固化在機器人控制器內(nèi)，完成關(guān)節(jié)型機器人控制軟件的再次開發(fā)。生產(chǎn)作業(yè)時，由機器人控制器固化的控制軟件控制，實現(xiàn)關(guān)節(jié)型機器人行走和模仿人手與手臂的動作，進行生產(chǎn)作業(yè)。

圖2是采用本發(fā)明關(guān)節(jié)型弧焊機器人的主視圖。

在管道與管道對接焊接中，焊道軌跡是垂直于管道軸線的圓環(huán)形。關(guān)節(jié)型機器人的行走機構(gòu)5安裝在焊接管道上，關(guān)節(jié)型機器人沿導軌圍繞管道旋轉(zhuǎn)，形成圓環(huán)形焊道軌跡。以關(guān)節(jié)型機器人為基體，在關(guān)節(jié)型手臂3上安裝焊鉗2，機身位置安裝自動上料斗4，組成使用藥皮焊條作為導電電極和填充金屬的關(guān)節(jié)型弧焊機器人。具體結(jié)構(gòu)是：行走機構(gòu)5的導軌，直接安裝在焊接管道上自成一體；行走機構(gòu)5的車架上安裝自動上料斗4，自動上料斗4上安裝關(guān)節(jié)型手臂3，關(guān)節(jié)型手臂3上安裝焊鉗2，關(guān)節(jié)型手臂3的肩部10上安裝機器人控制器6，以上四件組合為一體；控制電源7單獨為一體，安裝在行走機構(gòu)5的車架上，通過電纜和機器人控制器6連接。關(guān)節(jié)型弧焊機器人分為三個分體，分體重量輕、便于攜帶，裝配后，結(jié)構(gòu)緊湊、便于在焊接生產(chǎn)現(xiàn)場頻繁移動。裝配時需作簡單的調(diào)整：導軌的中心離焊縫中心距離的調(diào)整，其調(diào)整數(shù)值為一常數(shù)，相對距離誤差不大于五毫米；自動上料斗4安裝在車架上的位置，可通過微調(diào)裝置調(diào)整。由于關(guān)節(jié)型手臂3在焊接前的復位自檢中，大臂20、小臂30、焊鉗2之間的相對位置，分別復位成預定角度，焊鉗2離肩關(guān)節(jié)軸的距離是一個常數(shù)。因此，上述調(diào)整實質(zhì)上是簡單的數(shù)值調(diào)整。通過調(diào)整，間接使焊鉗2的運動軌跡對準焊縫。

圖2所示的焊鉗2由焊鉗架、鉗指組成。鉗指加工成鉗形，鉗指的前部有一v形槽口，中部有一鉸鏈孔，后部有一鉸鏈孔。加工時，兩鉸鏈孔之間的距離是中部鉸鏈孔與v形槽口之間距離的兩倍。焊鉗2可方便地安裝在手腕的導環(huán)上，由手腕步進電機通過與傳動螺桿聯(lián)接，經(jīng)傳動螺母，和與傳動螺母鉸鏈的連接片聯(lián)接，連接片另一端和鉗指鉸鏈，操作鉗指開、閉；在鉗指夾緊藥皮焊條的狀況下，傳動螺桿與傳動螺母成靜配合，由導向環(huán)、動環(huán)支承傳動螺母并導向、止環(huán)支承導環(huán)并導向，操作焊鉗2作微小旋轉(zhuǎn)；手腕步進電機和齒條聯(lián)接，手腕直流電機與齒輪聯(lián)接，齒輪與齒條嚙合，經(jīng)齒條傳動使手腕步進電機在導向環(huán)里作微小往復運動，帶動焊鉗2也同樣作微小往復運動。

圖2所示的自動上料斗4內(nèi)部有一個可作往復運動的圓形料倉。圓形料倉內(nèi)有由轉(zhuǎn)動軸，和在轉(zhuǎn)動軸的一端固定安裝的撥料盤，另一端固定安裝的撥料盤組成的裝持架，傳動軸的一端是花鍵軸。撥料盤的圓周上間隔一定距離均勻開有圓弧孔放置藥皮焊條，轉(zhuǎn)動軸、撥型手臂引燃電弧、關(guān)節(jié)型手臂自動焊接、關(guān)節(jié)型手臂收弧、關(guān)節(jié)型手臂熄弧、關(guān)節(jié)型手臂取條回位工序作順序控制；在各個工序中，對執(zhí)行元件作小信號輸出控制，作步進電機的加、減速、換相、相序分配、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；直流電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；推料電磁鐵通電、斷電控制。機器人控制器還具有另一種功能：輸入信號經(jīng)輸入接口電路輸入單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)輸出的控制信號，經(jīng)輸出功率驅(qū)動電路直接驅(qū)動步進電機；或經(jīng)輸出功率驅(qū)動與調(diào)速電路直接驅(qū)動直流電機；或經(jīng)輸出功率驅(qū)動電路直接控制推料電磁鐵。使焊鉗、關(guān)節(jié)型手臂、自動上料斗、行走機構(gòu)、相互配合，按給定焊接程序動作，進行自動焊接。

關(guān)節(jié)型弧焊機器人的編程方式，沒有沿用主、從微型計算機控制示教弧焊機器人的編程方式。而是采用如《工業(yè)機器人》、《機器人控制技術(shù)》、《微型計算機控制基礎(chǔ)》文中所述原理，在pc微型計算機上，根據(jù)關(guān)節(jié)型手臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)和給定的焊接運動軌跡，建立數(shù)學模型。編寫程序動態(tài)仿真關(guān)節(jié)型手臂運動，計算關(guān)節(jié)型手臂各個關(guān)節(jié)軸的角度運動數(shù)據(jù)。依照仿真和計算的數(shù)據(jù)，和焊接管道焊縫的工藝要求，編寫焊接控制程序，其程序如下：

1、機器人控制器上電復位、初始化；

2、關(guān)節(jié)型手臂向取藥皮焊條位置自檢復位，準確停止在取藥皮焊條位置，設(shè)置軟件檢測；

3、撥料步進電機撥動撥料盤，將藥皮焊條對準圓形料倉出料口；

4、推料電磁鐵動作，將藥皮焊條推出圓形料斗，使其外露20毫米；

5、鉗指步進電機正向轉(zhuǎn)動，操作鉗指張開；

6、送料步進電機正向轉(zhuǎn)動，將圓形料倉送到手指處，藥皮焊條進入手指內(nèi)；

7、鉗指步進電機反向轉(zhuǎn)動，操作鉗指閉合，夾緊藥皮焊條；

8、送料步進電機反向轉(zhuǎn)動，圓形料倉回到原位置，藥皮焊條從圓形料倉中抽出；

9、關(guān)節(jié)型手臂各關(guān)節(jié)軸作回位轉(zhuǎn)動，將藥皮焊條就位在垂直位，等待焊接；

10、關(guān)節(jié)型手臂各關(guān)節(jié)軸按焊接程序作焊接轉(zhuǎn)動，藥皮焊條勻速下降，準備引??；

11、關(guān)節(jié)型手臂的鉗指，作微小劃擦擺動，引燃電弧；

12、關(guān)節(jié)型手臂各關(guān)節(jié)軸同時作受控轉(zhuǎn)動，保持藥皮焊條勻速下降，且始終跟蹤焊道中心，同時鉗指直流電機操作鉗指作微小往復運動；

13、行走直流電機正向轉(zhuǎn)動，行走機構(gòu)在導軌里行走，實現(xiàn)電弧移動；

14、檢測弧壓，判斷后作微小補償；

15、關(guān)節(jié)型手臂各關(guān)節(jié)軸作回位轉(zhuǎn)動，藥皮焊條離開焊道，自動熄滅電弧，完成一根藥皮焊條的焊接；

16、行走直流電機停止轉(zhuǎn)動，行走機構(gòu)停止行走；

17、關(guān)節(jié)型手臂回位至取藥皮焊條位置，等待抽取藥皮焊條，設(shè)置軟件檢測。

18、完成一根藥皮焊條的焊接，即完成一次工作循環(huán)。連續(xù)重復上述循環(huán)，使自動焊接連續(xù)進行。

在pc微型計算機上，交叉匯編焊接控制程序，匯編后的焊接控制程序，通過pc微型計料盤為一體。圓形料倉的一端安裝撥料減速器，撥料減速器的末級減速齒輪中心加工有花鍵槽。撥料減速器的箱體上安裝撥料步進電機，推料電磁鐵及推料桿，撥料步進電機與撥料減速器聯(lián)結(jié)。沿圓形料倉的軸線方向有送料步進電機，送料減速器。送料步進電機與送料減速器聯(lián)結(jié)，安裝在行走機構(gòu)上。圓形料倉上安裝有齒條，和送料減速器的末級齒輪嚙合。圓形料倉另一端的端蓋以鉸鏈形式和圓形料倉聯(lián)結(jié)。撥料減速器的末級齒輪軸處和轉(zhuǎn)動軸之間，以花鍵滑動相連，便于換裝。焊接前，裝持架上可預先裝滿藥皮焊條或焊絲，放入圓形料倉內(nèi)。焊接中，待藥皮焊條或焊絲抽取完后，可快速換裝裝持架。自動上料斗4為模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，有多種規(guī)格，裝持架上分別裝存直徑25毫米、3.2毫米、4.0毫米的藥皮焊條或焊絲，以適應(yīng)不同的焊接方式和焊縫層焊接的需要。

撥料減速器由箱板、支承柱、螺釘、減速齒輪組裝配成，箱板為圓形。齒輪軸處安裝向心球軸承，減速齒輪采用雙列齒輪、螺釘緊固的消嚙合間隙方法。

送料減速器由箱板、支承柱、螺釘、減速齒輪組裝配成，箱體為矩形。齒輪軸處安裝向心球軸承。減速齒輪采用雙列齒輪、螺釘緊固的消嚙合間隙方法。

在取藥皮焊條工序：焊接前，裝持架預先裝滿藥皮焊條，放入圓形料倉。肩部10內(nèi)安裝的肩部步進電機經(jīng)肩部減速器，驅(qū)動肩關(guān)節(jié)軸；大臂20內(nèi)安裝的大臂步進電機經(jīng)大臂減速器，驅(qū)動肘關(guān)節(jié)軸；小臂30內(nèi)安裝的小臂步進電機經(jīng)小臂減速器，驅(qū)動腕關(guān)節(jié)軸，均按各自預定的角度值轉(zhuǎn)動，使關(guān)節(jié)型手臂3的肩部10與大臂20之間、大臂20與小臂30之間、小臂30與焊鉗2之間的相互位置，分別復位成預定角度，使鉗指準確停止在取藥皮焊條位置。隨即，手腕步進電機正向轉(zhuǎn)動經(jīng)傳動螺桿、螺母、連接片傳動，操作鉗指張開。撥料步進電機經(jīng)撥料減速器，帶動轉(zhuǎn)動軸、撥料盤轉(zhuǎn)動，使藥皮焊條對準圓形料倉的出料口。推料電磁鐵及推料桿動作，從圓形料倉內(nèi)推出藥皮焊條使其外露二十毫米。送料步進電機經(jīng)送料減速器的末級齒輪，帶動圓形料倉向關(guān)節(jié)型手臂3方向運動，藥皮焊條被送至關(guān)節(jié)型手臂3上的鉗指內(nèi)。手腕步進電機反向轉(zhuǎn)動經(jīng)傳動螺桿、螺母、連接片傳動，操作鉗指閉合，夾緊藥皮焊條。送料步進電機反向轉(zhuǎn)動經(jīng)送料齒輪減速器的末級齒輪，帶動圓形料倉向復位方向運動，藥皮焊條被抽出圓形料倉。

在焊接工序：肩部10內(nèi)安裝的肩部步進電機經(jīng)肩部減速器，驅(qū)動肩關(guān)節(jié)軸；大臂20內(nèi)安裝的大臂步進電機經(jīng)大臂減速器，驅(qū)動肘關(guān)節(jié)軸；小臂30內(nèi)安裝的小臂步進電機經(jīng)小臂減速器，驅(qū)動腕關(guān)節(jié)軸，均按各自預定的旋動角度相互配合，協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動。使關(guān)節(jié)型手臂3在運動中，肩部10與大臂20之間、大臂20與小臂30之間、小臂30與焊鉗2之間的相互位置分別保持預定的角度，保證鉗指夾持的藥皮焊條跟蹤焊縫；此時，根據(jù)焊接工藝，手腕步進電機操作鉗指作微小旋轉(zhuǎn)；手腕直流電機操作鉗指作微小往復運動；以上所述的三個運動合成了自動焊接所需要的焊接動作。

控制方案是基于單片機的全軟件開環(huán)控制系統(tǒng)。由固化的關(guān)節(jié)型弧焊機器人控制軟件控制，機器人控制器具有兩種功能：作可編程控制器對自動焊接過程作順序控制，依次對關(guān)節(jié)型手臂自檢回位、自動上料斗送料、關(guān)節(jié)型手臂抽取藥皮焊條、關(guān)節(jié)型手臂焊前回位、關(guān)節(jié)算機的通訊接口輸入到單片機開發(fā)器，單片機開發(fā)器連接輸入接口與輸出功率驅(qū)動電路進行實際調(diào)試，調(diào)試正確的焊接控制程序，固化在機器人控制器內(nèi)，完成關(guān)節(jié)型弧焊機器人控制軟件的開發(fā)。關(guān)節(jié)型手臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)改變和焊接工藝作改進后，可修改焊接控制程序，經(jīng)匯編、調(diào)試正確后，重新固化在機器人控制器內(nèi)，完成關(guān)節(jié)型弧焊機器人控制軟件的再次開發(fā)。

自動焊接時，由機器人控制器固化的焊接軟件控制，依次按關(guān)節(jié)型手臂自檢回位、自動上料斗送料、關(guān)節(jié)型手臂抽取藥皮焊條、關(guān)節(jié)型手臂焊前回位、關(guān)節(jié)型手臂引燃電弧、行走機構(gòu)運動和關(guān)節(jié)型手臂連續(xù)焊接、關(guān)節(jié)型手臂收弧、關(guān)節(jié)型手臂熄弧、關(guān)節(jié)型手臂取條回位工序順序進行，配合弧焊電源，進行自動焊接。自動焊接中，使用藥皮焊條，不需要二氧化碳或氬氣作保護氣體，在實現(xiàn)自動焊接的同時，降低了焊接生產(chǎn)成本。

另一個實施例中，管道與管道對接焊接，由于管道使用中的重要性，按照焊接質(zhì)量標準的要求，管道焊縫采用鎢極氬弧焊焊接焊縫焊底層，藥皮焊條焊接中層和蓋面的焊接方式，以降低焊接生產(chǎn)成本。以關(guān)節(jié)型弧焊機器人為基體，將關(guān)節(jié)型手臂3上安裝的焊鉗2換裝為焊炬2，增加一只關(guān)節(jié)型手臂8，關(guān)節(jié)型手臂8上安裝送絲器9，組成采用鎢極氬弧焊焊接的關(guān)節(jié)型弧焊機器人。

焊炬2由槍體、密封環(huán)、陶瓷噴嘴組成。鎢電極裝入焊炬2，由電極軋頭軋緊。

送絲器9由送料步進電機、減速齒輪、送絲滾輪、導嘴組成。送料步進電機經(jīng)減速齒輪帶動送絲滾輪送絲，經(jīng)導嘴引至焊道。

在取焊絲工序：撥料步進電機帶動裝持架轉(zhuǎn)動，送出焊絲引至送絲器9。自動上料斗4內(nèi)的裝持架上預先裝上焊絲，放入圓形料倉內(nèi)。焊接中，待焊絲抽取完后，可快速換裝。

在焊接工序：由固化的關(guān)節(jié)型弧焊機器人控制軟件控制，關(guān)節(jié)型手臂3上的焊炬2，關(guān)節(jié)型手臂8上的送絲器9都到達焊縫。根據(jù)焊接工藝，關(guān)節(jié)型手臂3上安裝的焊炬2，由手腕步進電機通過與傳動螺桿聯(lián)接，經(jīng)傳動螺母，和與傳動螺母鉸鏈的連接片聯(lián)接，連接片另一端和導環(huán)鉸鏈連接，在傳動螺桿和傳動螺母旋緊狀況下，由導向環(huán)、動環(huán)支承傳動螺母并導向、止環(huán)支承導環(huán)并導向，操作焊炬2作微小旋轉(zhuǎn)；關(guān)節(jié)型手臂8上安裝的送絲器9，由手腕步進電機和齒條聯(lián)接，手腕直流電機與齒輪聯(lián)接，齒輪與齒條嚙合，經(jīng)齒條傳動使手腕步進電機在導向環(huán)里作微小往復運動，帶動送絲器9也同樣作微小往復運動。以上所述兩種運動，合成了鎢極氬弧焊焊接所需要的焊接動作。

根據(jù)鎢極氬弧焊自動焊接管道焊縫的工藝要求，在pc微型計算機上編寫焊接控制程序，其程序如下：

1、機器人控制器上電復位、初始化；

2、關(guān)節(jié)型手臂自檢復位，設(shè)置軟件檢測；

3、撥料步進電機撥動撥料盤，送出焊絲；

4、關(guān)節(jié)型手臂各關(guān)節(jié)軸作焊接轉(zhuǎn)動，關(guān)節(jié)型手臂上的送絲器到達焊道；

5、關(guān)節(jié)型手臂各關(guān)節(jié)軸作焊接轉(zhuǎn)動，關(guān)節(jié)型手臂上的焊炬到達焊道，準備引弧；

6、焊炬開關(guān)閉合，送氬氣、引燃電?。?/p>

7、行走直流電機正向轉(zhuǎn)動，行走機構(gòu)行走，實現(xiàn)電弧移動；

8、手腕直流電機轉(zhuǎn)動，焊絲作為微小送絲擺動；

9、檢測弧壓，判斷后作微小補償；

10、焊炬開關(guān)關(guān)閉，停止送氬氣、熄滅電??；

11、行走直流電機停止轉(zhuǎn)動，行走機構(gòu)停止行走；

調(diào)試正確的焊接控制程序，固化在機器人控制器內(nèi)。自動焊接時，由固化的控制軟件控制，依次按關(guān)節(jié)型手臂自檢回位、自動上料斗送料、關(guān)節(jié)型手臂焊前到位、關(guān)節(jié)型手臂引燃電弧、行走機構(gòu)運動和關(guān)節(jié)型手臂連續(xù)焊接、關(guān)節(jié)型手臂收弧、關(guān)節(jié)型手臂熄弧工序順序進行，配合氬弧焊電源，進行自動焊接。自動焊接中，使用焊絲，氬氣作為焊接保護氣體。其它有關(guān)部件已作了詳述，在此不在贅述。

電弧焊中，伴隨電弧發(fā)出的弧光、熱、聲、等現(xiàn)象，焊接生產(chǎn)條件是相當惡劣的。在本發(fā)明中，抗干擾技術(shù)采取了以下措施：

將機器人控制器放入屏蔽盒，屏蔽盒良好接地；

采用光電隔離，兩組蓄電池分別供電，一組電壓為6v的蓄電池供單片機系統(tǒng)，一組電壓為18v的蓄電池供輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動電路，將單片機系統(tǒng)和輸入接口電路、輸出功率驅(qū)動電路從電路上分隔開。

以上所述的僅是采用本發(fā)明原理，實現(xiàn)管道焊接生產(chǎn)自動化的優(yōu)化實施例。應(yīng)當指出，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干變型和改進，以至開發(fā)出其它的機電一體化產(chǎn)品，也應(yīng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。