一种进行管道焊接作业的工业机器人及其自动控制方法与流程

本发明涉及一种进行管道焊接作业的工业机器人及其自动控制方法，属于工业机器人技术领域。

背景技术：

自从20世纪60年代在美国安装使用第一台工业机器人以来，具有操作功能多样性的工业机器人就倍受关注，成为新的自动化时代的核心技术。在工业企业界，越来越多的厂家采用机器人充当生产过程的重要角色。焊接是一项技术要求高，劳动环境恶劣的工作，在很多情况下人们采用焊接机器人代替人工作业。

焊接机器人是应用最广泛的工业机器人，全世界现役的工业机器人约有一半的工业机器人用于焊接领域，其主要集中在汽车、摩托车、工程机械等行业，特别是汽车行业是焊接机器人的最大用户。焊接机器人突破传统的焊接刚性自动化，开始了一种柔性自动化的新方式，被认为是具有焊接自动化革命性的进步。

cn2652577y公开一种无导轨全位置行走光电实时跟踪管道焊接机器人，主要由爬行机构和自动跟踪装置组成，采用横跨式磁性轮车式的爬行车体，自动跟踪系统有ccd传感器，横向跟踪执行机构，摆动机构，纵向执行机构，焊枪角度调节机构，焊枪，plc控制箱、位置实施测控系统及遥控面板组成，其中焊枪角度调节机构，由小齿轮和角度调节齿轮，驱动电机和导向轮组成，并通过连接板与纵向执行机构相连接。

但是上述的焊接机器人无法对于管道内部进行焊接。而且，对于弯曲的管道，特别是突然有较大角度弯折的管道内部焊接作用，对于目前的焊接机器人来说具有较大的作业难度。

技术实现要素：

本发明的目的是：解决常规的用于管道内部焊接作业的机器人不适合于弯曲管道作业的问题，特别是在管道垂直弯折处的焊接作业；同时本发明的焊接机器人也能够实现在焊接作业的同时消除管道内部生成的焊渣。

本发明第一个方面：

一种进行管道焊接作业的工业机器人，主要是由依次从前至后的焊接段、中间段、除焊渣段所构成，焊接段与中间段之间通过前弯曲段连接，中间段与除焊渣段之间通过后弯曲段连接，前弯曲段与后弯曲段都可以自由弯曲；在焊接段、中间段、除焊渣段上都设置有顶部支撑轮和位于两侧的侧支撑轮，顶部支撑轮和侧支撑轮与各段之间的连接部具有弹性；在焊接段的底部设置有导轨，导轨上设置有移动块，移动块可以在导轨上进行前后运动，在移动块的底部还设置有焊枪，焊枪用于对管道内壁进行焊接；

还包括有：

驱动装置，用于驱动顶部支撑轮和侧支撑轮的转动；

前位移记录单元，用于记录焊接段上的顶部支撑轮和侧支撑轮的运动距离；

后位移记录单元，用于记录中间段上的顶部支撑轮和侧支撑轮的运动距离；

主控制器，用于根据前位移记录单元和后位移记录单元记录的数据来控制移动块在导轨上的运动以及焊枪的工作。

在一个实施例中，所述的工业机器人用于管道内部焊接。

在一个实施例中，当工业机器人运动至管道弯曲处时，主控制器使焊枪停停止工作，焊接段向弯曲处中继续行进，后位移记录单元开始记录中间段上的顶部支撑轮和侧支撑轮的运动距离，当焊接段完全进入弯曲后的管道后，工业机器人停止前进，后位移记录单元将记录的第一运动距离发送至主控制器，主控制器命令移动块向后运动第一运动距离之后，移动块逐步向前运动第一运动距离并同时进行焊接；接下来，主控制器使焊枪停止工作，并使工业机器人继续前进，前位移记录单元开始记录焊接段上的顶部支撑轮和侧支撑轮的运动距离，当中间段完全进入至弯曲后的管道后，工业机器人停止前进，前位移记录单元将记录的第二运动距离发送至主控制器，主控制器命令移动块向后运动第二运动距离之后，移动块逐步向前运动第二运动距离并同时进行焊接；焊接完成后，工业机器人继续向前运行并同时继续焊接。

在一个实施例中，在同一段上的顶部支撑轮与侧支撑轮相互之间在截面上为°排列。

在一个实施例中，除焊渣段用于在工业机器人焊接和行进的过程中同时清除生成的焊渣。

在一个实施例中，除渣段上设置有吸风口以及排风口，吸风口和排风口之间通过除焊渣模块连接，除焊渣模块是通过过滤的方式使焊渣清除。

在一个实施例中，除焊渣模块的结构中包括有：进气道，进气道吸风口连通；还设置有与进气道相连通的吸风管道，吸风管道与排风口连通；

进气道的一侧设置有光源，在光源的照射方向上的进气道另一侧设置有光电转换单元，在光电转换单元表面设有玻璃挡板对镜头进行保护；在与玻璃挡板在同一侧的进气道的上游方向，设置有转轮，转轮的外部设置有弧形的上游导流板，转轮在旋转后可以将空气从上游导流板与转轮之间的空隙向进气道中排出；在光电转换单元的下游方向的进气道的另一侧，设置有气体喷头，其喷射方向朝向进气道，气体喷头与压力储气室连接，且气体喷头上设置有电磁阀，电磁阀用于控制气体喷头的开闭；在玻璃挡板的下游方向的进气道上设置有弧形的下游导流板；上游导流板的气体排出方向朝向着下游导流板的下表面，而气体喷头的气体喷出方向朝向着下游导流板的上表面；在下游导流板的下游侧还设置有切向流道，切向流道用于容纳下游导流板的切向流出的气体；在切向流道中，还设置有粗滤网，切向流道的另一端与转轮和上游导流板之间形成的空隙相连通；在位于切向流道的下游侧的进气道中，还设置有精密滤网，精密滤网的下游侧的进气道通过风机连接于吸风管道；

还包括有中央控制单元，用于分析光电转换单元采集的进入空气中的颗粒大小的情况，当颗粒物的粒径大于阈值时，认定有大颗粒杂物进入气道，此时，中央控制单元发出指令使电磁阀打开，压力储气室中的高压气体从气体喷头中喷出。

粗滤网和精密滤网的下方都与焊渣存储槽连通。

还包括有气体泵，气体泵的进口端与精密滤网的下流侧的进气道连通，气体泵的出口端通过导管与压力储气室连通；在压力储气室中设置压力传感器，压力传感器与中央控制单元连接，当中央控制单元检测到压力储气室中的压力低于第一阈值时，中央控制单元命令气体泵开始工作，使压力储气室中的压力恢复至第二阈值之上；第二阈值大于第一阈值。

粗滤网的材质是金属；精密滤网的材质是聚合物。

本发明的第二个方面：

一种进行管道焊接作业的工业机器人的自动控制方法，包括如下步骤：

i)工业机器人在管道内部进行行进，并通过焊枪对管道内壁表面进行焊接作业；

ii)当工业机器人运动至管道弯曲处时，主控制器使焊枪停停止工作，焊接段向弯曲处中继续行进，后位移记录单元开始记录中间段上的顶部支撑轮和侧支撑轮的运动距离，当焊接段完全进入弯曲后的管道后，工业机器人停止前进，后位移记录单元将记录的第一运动距离发送至主控制器，主控制器命令移动块向后运动第一运动距离之后，移动块逐步向前运动第一运动距离并同时进行焊接；接下来，主控制器使焊枪停止工作，并使工业机器人继续前进，前位移记录单元开始记录焊接段上的顶部支撑轮和侧支撑轮的运动距离，当中间段完全进入至弯曲后的管道后，工业机器人停止前进，前位移记录单元将记录的第二运动距离发送至主控制器，主控制器命令移动块向后运动第二运动距离之后，移动块逐步向前运动第二运动距离并同时进行焊接；焊接完成后，工业机器人继续向前运行并同时继续焊接；

iii)在工业机器人进行行进和焊接的过程中，除渣段吸入带有焊渣的空气，并经过过滤去除。

在一个实施例中，除渣段的控制方法是：

s1，通过风扇从吸风口进行吸风，带有焊渣的空气吸入进气道；

s2，对进气道中吸入的气体采用精密滤网进行过滤，并将滤过气体依次通过吸风管道和排风口排出；

s3，在进气道中通过光源和光电转换单元对吸入的气体进行在线颗粒大小检测，当颗粒物的平均粒径大于阈值时，通过进气道侧向气体喷头的吹风将颗粒物吹离进气道，并通过粗滤网进行滤除大颗粒物，滤后的气体返回进气道；

s4，转轮进行旋转后产生的空气从上游导流板切向流出，切线方向朝向下游导流板的一侧，气体喷头的喷出方向朝向下游导流板的另一侧；

s5，对与气体喷头相连的压力储气室中的气体压力进行监测，当压力过低时，将精密滤网滤过的空气加压注入至压力储气室中，以维持压力储气室中的压力。

本发明的第三个方面：

一种焊接机器人，是由前后两段组成；

前段是焊接段，焊接段上设置有焊枪，用于对管道内部进行焊接；

焊接段上还设置有行走机构，用于使焊接机器人在管道内部进行行走；

后段是除焊渣段，用于在焊接机器人焊接和行进的过程中同时清除生成的焊渣。

这里的除焊渣段可以采用上文所述的结构。

有益效果

本发明提供的工业机器人是由三段结构所组成，各段之间是由可以弯曲的连接段进行连接，可以使其在弯曲的管道内部进行运动，并同时进行焊接。由于在弯道处行进时，通过监测各段时间的位移，并通过调节移动块在导轨上的运动，使得焊枪能够适应弯道处的位置变化，克服了在弯道处焊接不稳定的问题；同时，本发明提供的焊接机器人能够同时在线清除生成的焊渣。

附图说明

图1是本发明提供的焊接机器人的正面视图；

图2是在直管中进行作业时的机器人的结构图；

图3是图2中的下一时刻进入至弯管时进行作业的机器人的结构图；

图4是图3中的下一时刻的作业过程的机器人的结构图；

图5是焊接机器人内部的除焊渣模块的结构图。

其中，1、焊接段；2、中间段；3、除焊渣段；4、顶部支撑轮；5、侧支撑轮；6、导轨；7、移动块；8、焊枪；9、前弯曲段；10、后弯曲段；11、前位移记录单元；12、后位移记录单元；13、吸风口；14、排风口；15、除焊渣模块；16、吸风管道；17、进气道；18、风扇；19、气体喷头；20、压力储气室；21、光电转换单元；22、转轮；23、上游导流板；24、下游导流板；25、粗滤网；26、精密滤网；27、焊渣存储槽；28、玻璃挡板；29、光源；30、切向流道；31、电磁阀；32、导管；33、气体泵。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在权利要求和说明书中使用的序数词例如“第一”、“第二”、“第三”等，用于修饰权利要求项而不是由于本身含有任何优先、在先或一项权利要求的顺序在另一权利要求之前或者执行方法步骤的时间顺序。但是，仅仅作为标签使用以区别例如带有特定名称的权利要求的元素与另外一个带有相同名称的元素（而不是用于顺序性的属于），来区分权利要求的元素。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。应理解的是，当一个元件被提及与另一个元件“连接”时，它可以与其他元件直接相连或者与其他元件间接相连，而它们之间插入有元件。除非有明确相反的说明，否则术语“包括”和“具有”应理解为表述包含所列出的元件，而非排除任意其他元件。本文使用的词语“包括”、“包含”、“具有”或其任何其他变体意欲涵盖非排它性的包括。例如，包括列出要素的工艺、方法、物品或设备不必受限于那些要素，而是可以包括其他没有明确列出或属于这种工艺、方法、物品或设备固有的要素。

本发明在描述结构时，“前部”、“前”、“后部”、“后”在无特别说明时，以焊接段在整个机器人的位置为前，以除焊渣段在整个机器人的位置为后。“上游”、“下游”在无特别说明时，以除焊渣模块中进气口的位置为上游，排风口的位置为下游。

“在同一段”的含义是指在同一个焊接段上、或者在同一个中间段上、或者在同一个焊渣段上。“各段”的含义是指代焊接段、中间段和焊渣段。

实施例1

如图2所示，进行管道焊接作业的工业机器人，主要是由依次从前至后的焊接段1、中间段2、除焊渣段3所构成，焊接段1与中间段2之间通过前弯曲段9连接，中间段2与除焊渣段3之间通过后弯曲段10连接，前弯曲段9与后弯曲段10都可以自由弯曲。

如图1和图2所示，在焊接段1、中间段2、除焊渣段3上都设置有顶部支撑轮4和位于两侧的侧支撑轮5，顶部支撑轮4和位于两侧的侧支撑轮5相互之间在截面上呈120度排列，顶部支撑轮4和侧支撑轮5与焊接段、中间段和焊渣段之间的连接杆上设置有弹簧，使得连接杆具有了弹性。在管道内部，顶部支撑轮4和位于两侧的侧支撑轮5都贴紧于管道的内壁，使得焊接机器人具有稳定的位置，由于连接杆具有弹性，因此可以在弯曲管道中行进时，连接杆也可以随着弯曲管道的结构变化而使焊接机器人进行相应的转弯等行进。还包括有驱动装置，用于驱动顶部支撑轮4和侧支撑轮5的转动。在图2中，阴影线是代表了管壁，可以看出，顶部支撑轮4和侧支撑轮5能够通过具有弹性的连接杆与管壁之间贴紧。

在焊接段1的底部设置有导轨6，导轨6上设置有移动块7，移动块7可以在导轨6上进行前后运动，在移动块7的底部还设置有焊枪8，焊枪8用于对管道内壁进行焊接；如图2中所示，顶部支撑轮4和侧支撑轮5与管壁进行贴紧之后，使得机器人具有稳定的操作面，此时焊枪8可以对底部的管壁进行焊接。

在焊接机器人上，还设置有前位移记录单元11，用于记录焊接段1上的顶部支撑轮4和侧支撑轮5的运动距离；还设置有后位移记录单元12，用于记录中间段2上的顶部支撑轮4和侧支撑轮5的运动距离；还设置有主控制器，用于根据前位移记录单元11和后位移记录单元12记录的数据来控制移动块7在导轨6上的运动以及焊枪8的工作。位移记录单元可以通过与顶部支撑轮4/侧支撑轮5相连接来实现，支撑轮在沿着管壁进行转动时，根据轮子的转动圈数以及轮子的直径，即可计算出行走了多少距离，因此移位记录单元可以采用旋转计数器来实现。

如图3所示，当工业机器人运动至90度的管道弯曲处时，主控制器使焊枪停8停止工作，焊接段1向弯曲处中继续行进，由于在弯曲管道中进行转弯时，焊接段1上的支撑轮不容易都与管壁贴合，会存在位置偏移/工业面不稳定的问题，因此需要停止焊接作业。当焊接段1在转弯的同时，由于前弯曲段9可以弯曲，中间段2不会受到焊接段1转弯的影响，后位移记录单元12开始记录中间段2上的顶部支撑轮4和侧支撑轮5的运动距离，当焊接段1完全进入弯曲后的管道后，工业机器人停止前进，由于焊接段1与中间段2都是位于同一运动线上的，因此，中间段2的行进距离等于焊接段1的行进距离，因此需要将这一空缺的未焊接距离进行补焊。此时，后位移记录单元12将记录的第一运动距离发送至主控制器，主控制器命令移动块7向后运动第一运动距离之后，移动块7逐步向前运动第一运动距离并同时进行焊接，这样即实现了空缺距离的补焊；接下来，主控制器使焊枪8停止工作，并使工业机器人继续前进，如图4所示，在这一段的行动中，由于中间段2需要转弯，因此，中间段2上的支撑轮容易容易出现不能与管壁完全贴合的情况，因此也会造成位于中间段2之前的焊枪8的位置不稳定的问题，因此在中间段2转弯时，也需要关闭焊枪8，与此同时，前位移记录单元11开始记录焊接段1上的顶部支撑轮4和侧支撑轮5的运动距离，当中间段2完全进入至弯曲后的管道后，工业机器人停止前进，由于焊接段1与中间段2位于同一条运动线上，因此，焊接段1记录下的位移距离就是中间段2的运动距离，并且这一距离是没有经过焊接操作的，因此也需要进行补焊，前位移记录单元11将记录的第二运动距离发送至主控制器，主控制器命令移动块7向后运动第二运动距离之后，移动块7逐步向前运动第二运动距离并同时进行焊接，实现了第二运动距离的补焊；焊接完成后，工业机器人继续向前运行并同时继续焊接。

如图2和图4所示，除焊渣段3用于在工业机器人焊接和行进的过程中同时清除生成的焊渣。除渣段3上设置有吸风口13以及排风口14，吸风口13和排风口14之间通过除焊渣模块15连接，除焊渣模块15是通过过滤的方式使焊渣清除。

由于管道内部存在着粉尘、焊渣等，它们的颗粒大小不一，如果使用较精密的滤网将其全部过滤时，一方面会导致过滤阻力较大，另一方面，由于焊渣具有较大的颗粒尺寸以及硬度，从气道进入滤网表面时，焊渣的冲击力容易使精密滤网的表面受到损伤，长期操作之后，容易导致滤网的表面过滤精度下降。

在如图4中所示的实施方式中，除焊渣模块15的结构中包括有：进气道17，进气道17吸风口13连通；还设置有与进气道17相连通的吸风管道16，吸风管道16与排风口14连通；进气道17的一侧设置有光源29，在光源29的照射方向上的进气道17另一侧设置有光电转换单元21，在光电转换单元21表面设有玻璃挡板28对镜头进行保护；在与玻璃挡板28在同一侧的进气道17的上游方向，设置有转轮22，转轮22的外部设置有弧形的上游导流板23，转轮在旋转后可以将空气从上游导流板23与转轮22之间的空隙向进气道17中排出；在光电转换单元21的下游方向的进气道17的另一侧，设置有气体喷头19，其喷射方向朝向进气道17，气体喷头19与压力储气室20连接，且气体喷头19上设置有电磁阀31，电磁阀31用于控制气体喷头19的开闭；在玻璃挡板28的下游方向的进气道17上设置有弧形的下游导流板24；上游导流板23的气体排出方向朝向着下游导流板24的下表面，而气体喷头19的气体喷出方向朝向着下游导流板24的上表面；在下游导流板24的下游侧还设置有切向流道30，切向流道30用于容纳下游导流板24的切向流出的气体；在切向流道30中，还设置有粗滤网25，切向流道30的另一端与转轮22和上游导流板24之间形成的空隙相连通；在位于切向流道30的下游侧的进气道17中，还设置有精密滤网26，精密滤网26的下游侧的进气道17通过风机18连接于吸风管道16；还包括有中央控制单元，用于分析光电转换单元21采集的进入空气中的颗粒大小的情况，当颗粒物的粒径大于阈值时，认定有大颗粒杂物进入气道，此时，中央控制单元发出指令使电磁阀31打开，压力储气室20中的高压气体从气体喷头19中喷出。

首先通过风扇18进行抽吸，使得焊接管道内部由焊枪8生成的焊渣和粉尘通过吸风口13被吸入进气道17，粉尘会被进气道17中的精密滤网26拦截，滤过的空气从吸风管道16、排风口14排出焊接机器人。同时光源29向光电转换单元21发出的光线，光电转换单元21对光线进行在线分析，获得颗粒粒径大小；焊接机器人中还包括有电路控制模块：中央控制单元，用于分析光电转换单元21采集的进入空气中的颗粒大小的情况，当颗粒物的粒径大于阈值时，认定有大颗粒焊渣进入气道，此时，中央控制单元发出指令使电磁阀31打开，压力储气室20中的高压气体从气体喷头19中喷出，将大颗粒焊渣吹离进气道17的运动方向，由于在玻璃挡板28的下游方向还设置有切向流道30，大颗粒焊渣进入切向流道30之后会被粗滤网25拦截，而不会撞上精密滤网26。这里所用的光电转换单元21是用于对光源发出光线的信号进行检测，将光信号的变化改为颗粒粒径的数值，这里所用的在线颗粒大小的光学方法可以参阅现有技术文献cn104390897a、cn106198325a、cn102410974a、cn105424557a、cn106018197a、cn101029863a、cn101509931a、cn105334147a、《在线颗粒度检测系统的研究与开发》（浙江大学硕士学位论文，崔增柱，2004）、《颗粒尺寸在线测量的光透消光法》（《光学仪器》1998年01期；刘铁英、张志伟、郑刚、蔡小舒）。其主要原理是：激光经处理后以平行光射向载有颗粒的气道，测量区中的待测颗粒群在激光的照射下产生光的散射，散射光的强度及其空间分布与被测颗粒群的大小及浓度有关，颗粒群的散射光由傅立叶透镜接受，在透镜的后焦面上用环形光电探测器接受颗粒群的散射谱，转换为电流信号，经信号处理和ad转换后送入单片机系统，单片机将采集到的数据经过分析和计算，根据夫琅和弗衍射理论进行数据处理后，显示颗粒大小的统计数据和分布曲线。由于在使用过程中，气体喷头19喷出的空气会导致玻璃挡板28前端的空气产生扰流，喷出的空气与进气道17中正常进入的空气相对运动，会使内部的灰尘弥漫，一些灰尘会附着在玻璃挡板28上，导致光电感应系统的灵敏度和准确性发生下降。因此，通过转轮22的旋转，会使空气受到上游导流板23的稳流之后形成气幕从玻璃挡板28前划过，而不会使进气道17中的紊乱的空气的灰尘附着于玻璃挡板28上；如图4中的虚线所示，与此同时，安装下游导流板24之后，由于从上游导流板23切向流出的空气直接流向下游导流板24的下表面，并且空气喷头19中喷出的空气是喷向下游导流板16的上表面，这两股空气不能直接相交，就进一步避免了进气道17内部的空气相互对撞，减小了玻璃片被灰尘污染的情况。又由于切向流道30的另一端与转轮22和上游导流板23之间形成的空隙相连通，经过粗滤网19后的空气从上游导流板23流出后，继续从精密滤网26进行过滤。粗滤网25和精密滤网26的下方都与焊渣存储槽27连通。可以方便将焊渣和灰尘取出。还包括有气体泵33，气体泵33的进口端与精密滤网26的下游侧进气道17连通，气体泵33的出口端与压力储气室20连通；在压力储气室20中设置压力传感器，压力传感器与中央控制单元连接，当中央控制单元检测到压力储气室20中的压力低于第一阈值时，中央控制单元命令气体泵33开始工作，使压力储气室20中的压力恢复至第二阈值之上。压力储气室20的材质是弹性材料，受压之后，可以使内部的气体压力提高，当电磁阀31打开时，弹性材料恢复形变，使高压气体喷出。