一种变径壳体内焊缝随形磨抛加工机器人

1.本发明属于特种机器人加工领域，涉及一种变径壳体内焊缝随形磨抛加工机器人。


背景技术：

2.壳体、管道是航空航天、能源动力等领域广泛采用的一类典型结构件。较长的壳体一般采用多段拼装焊接工艺，在焊接环带内外两侧都会形成焊缝熔渣。焊缝熔渣影响零件表面质量和使用性能，需要去除。然而，受操作空间限制，壳体内部焊缝的高质量去除一直是壳体制造难题之一。针对壳体(尤其是小口径、较长壳体)内焊缝高质量磨抛加工难题，设计移动式的自动加工机器人极有必要。
3.杨克己等人在申请号为201610975350.9的中国发明专利中公开了一种基于模块化设计的潜入式管道焊缝打磨机器人，基于模块化的思想设计该机器人，可以适应直径在340mm至420mm之间的管道，对管道焊缝进行打磨。冀世军等人在申请号为201610817328.1的中国发明专利中公开了一种适应不同管径的螺旋式管道内壁打磨与抛光机器人，该打磨机器人将螺旋驱动轮和磨削组件结合在一起，实现对管道内壁的磨抛。但是上述机器人无法自适应具有锥度管道，同时也不能根据管道的实际几何特征来对管道进行随形磨抛。


技术实现要素：

4.本发明针对变径壳体内焊缝高精度磨抛加工难题，设计了一种可以适应变径、直或锥形壳体内焊缝随形磨抛加工的特种移动加工机器人。设计了双排周向伺服运动机构，可以实现直/锥形壳体内行走及姿态调整；设计了气动变径机构，可以实现壳体内柔性运动及加工状态高刚性保持；设计了具有焊缝测量和双电主轴的高精度三轴伺服加工机构，可以实现焊缝不规则区域的随形磨抛加工。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种变径壳体内焊缝随形磨抛加工机器人，所述的机器人包括机器人外壳1、三组双排周向伺服运动机构2、气动变径机构3、加工机构4。所述机器人外壳1作为机器人的结构件，用于电机、气缸等的安装。所述双排周向伺服运动机构2实现机器人在直/锥形壳体内的行走。所述气动变径机构3使得机器人可以适应壳体内径的变化，在壳体内柔性运动以及加工状态高刚性保持。所述加工机构4用于完成对变径壳体内焊缝的随形磨抛加工。所述机器人能够进入直/锥形壳体内，适应壳体内径变化，对壳体内焊缝进行随形磨抛加工。
7.所述机器人外壳1为六棱柱薄壁结构，主要包括壳体1.1和位于壳体1.1上的后车板1.2、中车板1.3、中车板1.4和防护板1.5。所述后车板1.2安装在外壳1的后面，为圆形板状结构；中车板1.3位于后车板1.2和中车板1.4之间，为六边形板状结构，用于安装轴向移动电机(4.1)；所述中车板(1.4)位于中车板(1.3)前方，为六边形板状结构，用于安装丝杠安装座(4.4)；所述防护板1.5安装在外壳的周向外侧。
8.所述的双排周向伺服运动机构2共有三组，间隔120度沿机器人外壳1周向分布，每
组双排周向伺服运动机构2分为前、后两部分，每组双排周向伺服运动机构2包括两个车板、四个车轴、车轮2.3、伺服电机2.4、减速机2.5、连接轴2.7、锥齿轮2.8。车板由后车板2.1a和前车板2.1b组成，作为结构件，用作伺服电机和车轴的安装，后车板2.1a位于伺服运动机构2后方，前车板2.1b位于伺服运动机构2前方；车轴由车轴2.2a、车轴2.2b、车轴2.2c和车轴2.2d组成，车轴2.2a和车轴2.2b安装在后车板2.1a上，车轴2.2c和车轴2.2d安装在前车板2.1b上；车轮2.3共有八个，分为四组，每组两两个通过深沟球轴承安装在四根车轴上，采用双排轮的分布式驱动结构有利于增加机器人与壳体之间的摩擦力，确保机器人行走的稳定性，同时由于壳体为薄壁结构，双排轮分布驱动结构也有利于减少壳体在机器人作用下的几何变形；伺服电机2.4的输出轴与减速机2.5连接；减速机2.5通过螺钉固定在安装板2.6上，其输出轴通过键和连接轴2.7连接；安装板2.6位于前车板2.1b上；连接轴2.7通过锥齿轮2.8与车轴2.2c连接，作为驱动轮组。
9.所述气动变径机构3共有三组，间隔120
°
沿机器人外壳1周向均布，每组气动变径机构3分为前、后两部分，分别与双排周向伺服运动机构2的前、后两部分连接，每组气动变径机构3包括两个气缸、两个气缸连接头、两个气缸安装板、两个连接销、两个导向杆。气缸由气缸3.1a和气缸3.1b组成，作为机器人变径的执行部件，高压气体压强可以控制，这样可以保证机器人在壳体内柔性行走，与壳体内壁之间有稳定的顶撑力，同时在磨抛加工时机器人能够保持高刚性状态；气缸连接头由气缸连接头3.2a和气缸连接头3.2b组成，尾部打有内螺纹孔，分别与气缸3.1a和气缸3.1b的活塞杆通过螺纹连接；气缸安装板由气缸安装板3.3a和气缸安装板3.3b组成，气缸通过螺钉固定在气缸安装板上；气缸连接头3.2a与后车板2.1a通过连接销3.4a连接；气缸连接头3.2b与后车板2.1b通过连接销3.4b连接；导向杆3.5由导向杆3.5a和导向杆3.5b组成，分别通过螺钉固定在后车板2.1a和前车板2.1b上，可以限制其旋转，只能沿着径向直线移动。
10.所述加工机构4有轴向移动、回转和径向移动三个自由度，包括轴向伺服电机4.1、轴向连接轴4.2、丝杠4.3、丝杠安装座4.4、螺母座4.5、传动轴4.6、回转电机安装座4.7、回转伺服电机4.8、回转轴4.9、角接触球轴承4.10、角接触球轴承4.11、伸缩轴4.12、隔套4.13、直线轴承4.14、导杆4.15、推力球轴承外圈4.16、底板4.17、径向移动电机固定座4.18、径向移动伺服电机4.19、减速机4.20、丝杠4.21、同步齿形带4.23、丝母座4.24、山形导轨4.25a、平导轨4.25b、滑块4.26、滑板4.27、挡板4.28、电主轴安装架4.29、电主轴4.30a、电主轴4.30b、砂轮4.31a、砂轮4.31b、线激光传感器安装架4.32、线激光传感器4.33、工业相机安装架4.34、工业相机4.35。所述轴向伺服电机4.1通过螺钉安装在中车板1.3上，轴向连接轴4.2通过螺钉与伺服电机电机4.1的法兰连接，通过键和丝杠4.3连接，进而带动丝杠4.3的旋转；所述丝杠安装座4.4通过螺钉固定在中车板1.4上，通过角接触球轴承和丝杠4.3连接；所述螺母座4.5安装在丝杠4.3上，通过螺钉与传动轴4.6连接，丝杠4.3旋转带动螺母座4.5和三组导杆4.15沿着三组直线轴承4.14移动，实现整个加工机构在变径壳体内的轴向移动；所述的回转电机安装座4.7通过螺钉安装在传动轴4.6的后端六角形薄板上；所述回转伺服电机4.8通过螺钉安装在回转电机安装座4.7上；回转轴4.9通过螺钉与回转伺服电机4.8的法兰连接，回转伺服电机4.8驱动回转轴4.9旋转，进而实现整个加工机构在变径壳体内的旋转；所述角接触球轴承4.10和角接触球轴承4.11内圈固定在回转轴4.9上，外圈固定在伸缩轴4.12内孔；所述伸缩轴4.12主要用于角接触球轴承4.10和角接触
球轴承4.11外圈的固定安装；所述直线轴承4.14共有六个分为三组间隔120
°
周向均布，外圈安装在隔套4.13的内孔上，所述隔套4.13用于直线轴承4.14的安装；所述导杆4.15共有三根，间隔120
°
周向均布，插入直线轴承4.14中；所述推力球轴承外圈4.16轴圈与伸缩轴4.12配合，座圈安装在底板4.17上，用于承受加工机构轴向移动时的轴向力；所述底板4.17与回转轴4.9通过螺钉连接，为长方形板状结构；所述径向移动电机固定座4.18通过螺钉安装在底板4.17上，径向移动伺服电机4.19的输出轴与减速机4.20连接；所述减速机4.20的法兰通过螺钉安装在径向移动电机固定座4.18上；所述丝杠4.21两端通过深沟球轴承安装在两个丝杠安装座4.22a、4.22b上，两个丝杠安装座4.22a、4.22通过螺钉固定在底板4.17上，通过同步齿形带4.23与减速机4.20的输出轴连接，这样径向移动伺服电机4.19可以驱动丝杠4.21旋转；所述减速机4.20的输出轴通过同步齿形带4.23与丝杠4.21连接；所述丝母座4.24安装在丝杠4.21上，与滑板4.27连接；所述导轨包括山形导轨4.25a和平导轨4.25b两部分，均通过螺钉固定在底板4.17上；所述滑块包括4.26a和4.26b，分别与山形导轨4.25a和平导轨4.25b配合，通过螺钉固定在滑板4.27上，用于加工机构4的径向移动；所述挡板包括挡板4.28a和挡板4.28b，均通过螺钉安装在滑块4.26上，用于防止滑板4.27沿着导轨4.25径向直线移动时发生倾覆，滑板固定在滑块4.26上，这样径向移动伺服电机4.19可以驱动丝杠4.21旋转，进而实现滑板4.27沿着导轨4.25在壳体内径向移动，山形导轨4.25a和平导轨4.25b的组合使得滑板4.27只能沿着导轨4.25方向移动，挡板4.28可以防止滑板4.27移动时发生倾覆；所述电主轴安装架4.29通过螺钉固定在滑板4.27上；电主轴包括电主轴4.30a和电主轴4.30b，分别安装在电主轴安装架4.29上，电主轴4.30a用于焊缝的粗磨，电主轴4.30b用于焊缝的抛光；所述砂轮包括砂轮4.31a和砂轮4.31b，分别通过螺钉安装在电主轴4.30a和电主轴4.30b上，完成对内焊缝区域的磨抛；所述线激光传感器4.33通过螺栓安装在线激光传感器安装架4.32上，对内焊缝进行非接触式测量，线激光传感器安装架4.32通过螺钉安装在电主轴安装架4.29上；所述工业相机4.35通过螺钉安装在工业相机安装架4.34上，实现对加工过程的实时监控，工业相机安装架4.34通过螺钉安装在电主轴安装架4.29上。
11.本发明加工机构4能够实现轴向移动、回转和径向移动三个自由度，具体如下：轴向移动伺服电机4.1驱动丝杠4.3旋转，这样固定在伸缩轴4.12上的三组导杆4.15沿着直线轴承4.14移动，实现加工机构4的轴向移动；回转伺服电机4.8驱动回转轴4.9旋转，实现加工机构4的回转运动；径向移动伺服电机4.19驱动丝杠4.21旋转，滑板4.27沿着山形导轨4.25a和平导轨4.25b移动，实现加工机构4的径向移动。
12.本发明的有益效果在于：
13.(1)本发明提供的内焊缝随形磨抛加工机器人，能够适应变径、直或锥形壳体，在壳体内柔性行走，适应性和灵活性强；
14.(2)本发明提供的内焊缝随形磨抛加工机器人具有轴向移动、回转和径向移动三个自由度，能够在人工操作受限的环境中完成对变径壳体内不规则焊缝区域的随形磨抛。
附图说明
15.图1为机器人外部整体示意图；
16.图2为机器人外壳1内部结构示意图；
17.图3为双排周向伺服运动机构结构示意图；
18.图4为气动变径机构结构示意图；
19.图5为机器人剖视图；
20.图6为机器人加工机构的轴向移动机构示意图；
21.图7为机器人加工机构的转动机构示意图；
22.图8为机器人加工机构径向移动机构示意图；
23.图9为机器人加工机构径向移动机构的电机丝杠安装示意图；
24.图10为本发明的结构示意图。
25.图中：1.1壳体，1.2后车板，1.3中车板，1.4中车板，1.5防护板，2.1a后车板，2.1b前车板，2.2a车轴，2.2b车轴，2.2c车轴，2.2d车轴，2.3车轮，2.4伺服电机，2.5减速机，2.6安装板，2.7连接轴，2.8锥齿轮，3.1a气缸，3.1b气缸，3.2a气缸连接头，3.2b气缸连接头，3.3a气缸安装板，3.3b气缸安装板，3.4a连接销，3.4b连接销，3.5a导向杆，3.5b导向杆，4.1轴向移动伺服电机，4.2轴向连接轴，4.3丝杠，4.4丝杠安装座，4.5螺母座，4.6传动轴，4.7回转电机安装座，4.8回转伺服电机，4.9回转轴，4.10角接触球轴承，4.11角接触球轴承，4.12伸缩轴，4.13隔套，4.14直线轴承，4.15导杆，4.16推力球轴承，4.17底板，4.18径向移动电机固定座，4.19径向移动伺服电机，4.20减速机，4.21丝杠，4.22a丝杠安装座，4.22b丝杠安装座，4.23同步齿形带，4.24丝母座，4.25a山形导轨，4.25b平导轨，4.26a滑块，4.26b滑块，4.27滑板，4.28a挡板，4.28b挡板，4.29电主轴安装架，4.30a电主轴，4.30b电主轴，4.31a砂轮，4.31b砂轮，4.32线激光传感器安装架、4.33线激光传感器，4.34工业相机安装架，4.35工业相机。
具体实施方式
26.结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。
27.一种变径壳体内焊缝随形磨抛加工机器人主要包括机器人外壳1、双排周向伺服运动机构2、气动变径机构3、加工机构4。所述机器人外壳1作为机器人的结构件，用于电机、气缸等安装。所述双排周向伺服运动机构2可以自适应直/锥形壳体，实现机器人在直/锥形壳体内的行走；所述气动变径机构3可以适应变径壳体，实现壳体内柔性运动及加工状态高刚性保持；加工机构4用于完成对变径壳体内焊缝的随形磨抛加工。
28.所述的机器人外壳1为六棱柱薄壁结构，包括壳体1.1、后车板1.2、中车板1.3、中车板1.4和防护板1.5。如附图1所示，所述后车板1.2安装在外壳1的后面，为圆形板状结构，圆周间隔30
°
打有12个螺纹孔，通过螺钉固定在壳体1,1上，以中心为圆心间隔120
°
有三个通孔，用于机器人电机和传感器的线缆通过；如附图2所示，中车板1.3位于后车板1.2和中车板1.4之间，在三个短边上有三组螺纹孔，每组两个共6个，通过螺钉固定在壳体1.1上，用于安装轴向移动电机4.1；中车板1.4位于中车板1.3前方，为六边形板状结构，在三个短边上有三组螺纹孔，每组两个共6个，通过螺钉固定在壳体1.1上，用于安装丝杠安装座4.4。防护板1.5为长方形薄板结构，共有三块，安装在壳体1.1上，用于机器人的防护。
29.所述的双排周向伺服运动机构2共有三组，相隔120
°
沿机器人外壳1周向分布。所述的每组双排周向伺服运动机构2包括车板2.1，车轴2.2，车轮2.3，伺服电机2.4，减速机2.5，安装板2.6，连接轴2.7和锥齿轮2.8。如附图3所示，每组双排周向伺服运动机构2分为
前后两部分，车板2.1由后车板2.1a和前车板2.1b组成，为长方形板状结构，作为结构件，用作伺服电机和车轴的安装；车轴2.2包括车轴2.2a、车轴2.2b、车轴2.2c和车轴2.2d，其中车轴2.2a和车轴2.2b安装在后车板2.1a上，车轴2.2c和车轴2.2d安装在前车板2.1b上；车轮2.3共有八个，每组两个固定在四根车轴两端，采用双排轮的分布式驱动结构有利于增加机器人与壳体之间的摩擦力，确保机器人行走的稳定性，同时由于壳体为薄壁结构，双排轮分布驱动结构也有利于减少壳体在机器人作用下的几何变形；伺服电机2.4为机器人的行走提供前进的动力，其输出轴与减速机2.5连接；安装板2.6为长方形板结构，绕中心打有4个螺纹孔，减速机2.5通过螺钉固定在安装板2,6上，中间打有通孔，用作连接轴2.7的通过；减速机2.5的输出轴和连接轴2.7通过键连接，连接轴2.7通过锥齿轮2.8与车轴2.2c连接，车轴2.2c及其两端安装的车轮作为驱动轮组，车轴2.2a、车轴2.2b和车轴2.2d及其两端安装的车轮作为从动轮组。
30.所述三组气动变径机构3共有三组，相隔120
°
沿机器人外壳1周向分布，分别与三组双排周向伺服运动机构相连接。如附图4所示，每组气动变径机构3包括气缸3.1，气缸连接头3.2，气缸安装板3.3，连接销3.4和导向杆3.5。每组气动变径机构分为前后两部分，气缸3.1由气缸3.1a和气缸3.1b组成，作为气动变径机构的执行部件，由于高压气体压强可以控制，这样可以保证机器人在壳体内柔性行走，与壳体内壁之间有稳定的顶撑力，同时在在磨抛加工时机器人能够保持高刚性状态；气缸连接头由气缸连接头3.2a和气缸连接头3.2b组成，底部有内螺纹孔，上部打有销孔，气缸连接头3.2a的内螺纹孔与气缸3.1a的活塞杆螺纹连接，气缸连接头3.2b的内螺纹孔与气缸3.1b的活塞杆螺纹连接；气缸安装板3.3由气缸安装板3.3a和气缸安装板3.3b组成，是长方体板状结构，中心有通孔用于通过气缸3.1的活塞杆，四角共有两圈八个螺纹孔，内圈四个螺纹孔用于将气缸3.1固定在气缸安装板3.3上，外圈四个螺纹孔用于将气缸安装板3.3固定在机器人壳体1.1上；气缸连接头3.2a与后车板2.1a通过连接销3.4a连接，气缸连接头3.2b与前车板2.1b通过连接销3.4b连接，这样三组伺服运动机构可以自适应直/锥形壳体，机器人可以在直/锥形壳体内行走；导向杆3.5由导向杆3.5a和导向杆3.5b组成，分别与后车板2.1a和前车板2.1b通过螺钉进行连接，可以限制后车板2.1a和前车板2.1b的旋转，使其能沿着径向直线移动。
31.所述加工机构4有轴向移动、回转和径向移动三个自由度，包括轴向移动伺服电机4.1、轴向连接轴4.2、丝杠4.3、丝杠安装座4.4、螺母座4.5、传动轴4.6、回转电机安装座4.7、回转伺服电机4.8、回转轴4.9、角接触球轴承4.10、角接触球轴承4.11、伸缩轴4.12、隔套4.13、直线轴承4.14、导杆4.15、推力球轴承4.16、底板4.17、径向移动电机固定座4.18、径向移动伺服电机4.19、减速机4.20、丝杠4.21、丝杠安装座4.22、同步齿形带4.23、丝母座4.24、导轨4.25、滑块4.26、滑板4.27、挡板4.28、电主轴安装架4.29、电主轴4.30、砂轮4.31、线激光传感器安装架4.32、线激光传感器4.33、工业相机安装架4.34和工业相机4.35，实现对变径壳体内焊缝区域的随形磨抛。如附图5和附图6所示，轴向移动伺服电机4.1的法兰和中车板1.3的安装孔通过螺钉连接；轴向连接轴4.2后端的法兰通过螺钉与伺服电机电机4.1的法兰连接，前端的中心孔通过键与丝杠4.3连接，这样轴向移动伺服电机4.1驱动丝杠4.3旋转；丝杠安装座4.4的通过螺栓固定在中车板1.4上，用于丝杠4.3的安装，丝杠4.3通过角接触球轴承安装在丝杠安装座4.4上；螺母座4.5安装在丝杠4.3上；如附图5和附图6所示，传动轴4.6前端间隔90
°
打有四个螺纹孔，通过螺钉和螺母座4.5进行连
接，后端的六角星板绕中心有四个螺纹孔，用于安装回转电机安装座4.7，间隔120
°
打有三个通孔，用于导杆4.15的安装。如附图7所示，回转电机安装座4.7后端的法兰通过螺栓安装在传动轴4.6的六角星板上；回转伺服电机4.8通过螺栓安装在回转电机安装座4.7上；回转轴4.9和回转伺服电机4.8的法兰通过螺钉连接；角接触球轴承4.10和角接触球轴承4.11内圈固定在回转轴4.9上，外圈固定在伸缩轴4.12内孔；伸缩轴4.12侧面间隔120
°
有三个长方形凹槽，用于气缸3.1的安装；隔套4.13侧面间隔60
°
打有六个长方形孔，三个用于气缸3.1的通过，另外三个用于减轻隔套4.13的重量；直线轴承4.14共有三组，每组两个，间隔120
°
周向均布，外圈安装在隔套4.13的内孔上；导杆4.15共有三根，间隔120
°
周向均布，插入直线轴承4.14中，通过螺钉固定在伸缩轴4.12上；推力球轴承4.16轴圈与伸缩轴4.12配合，座圈安装在底板4.17上，用于承受加工机构轴向移动时的轴向力。轴向移动伺服电机4.1驱动丝杠4.3旋转，这样固定在伸缩轴4.12上的三组导杆4.15沿着直线轴承4.14移动，实现加工机构的轴向移动。回转伺服电机4.8驱动回转轴4.9旋转，实现加工机构的回转运动。
32.如附图8和附图9所示，底板4.17为长方形板，绕中心间隔90
°
有四个螺纹孔，与回转轴4.9通过螺钉连接。径向移动电机固定座4.18为l型板结构，底板打有两个螺纹孔，通过螺钉安装在底板4.17上，侧板绕中心间隔90
°
有四个螺纹孔，用于和减速机4.20的连接；径向移动伺服电机4.19的输出轴与减速机4.20连接；减速机4.20的法兰通过螺钉安装在径向移动电机固定座4.18上；丝杠4.21两端通过角接触球轴承安装在丝杠安装座4.22a和丝杠安装座4.22b上；丝杠安装座4.22a和丝杠安装座4.22b两端打有螺纹孔，通过螺钉固定在底板4.17上；减速机4.20的输出轴通过同步齿形带4.23与丝杠4.21连接，这样径向移动伺服电机4.19通过同步齿形带4.23带动丝杠4.21旋转；导轨4.25包括山形导轨4.25a和平导轨4.25b两部分，通过螺钉固定在底板4.17上；滑块4.26包括滑块4.26a和滑块4.26b，分别与山形导轨4.25a和平导轨4.25b配合，通过螺钉固定在滑板4.27上，山形导轨和平导轨的组合使得滑板只能沿着导轨方向移动；挡板4.28包括挡板4.28a和挡板4.28b，通过螺钉分别安装在滑块4.26a和滑块4.26b上，可以防止滑板4.27沿着导轨4.25径向直线移动时发生倾覆；电主轴安装架4.29通过螺钉固定在滑板4.27上，用于电主轴4.30的固定；电主轴4.30包括电主轴4.30a和电主轴4.30b，分别固定安装在电主轴安装架4.29的两侧通孔；砂轮4.31包括砂轮4.31a和砂轮4.31b，分别通过螺钉安装在电主轴4.30a和电主轴4.30b上，其中砂轮4.31a用于完成对内焊缝的磨削，砂轮4.31b用于完成对内焊缝的抛光；线激光传感器安装架4.32为l型板，底板打有两个螺纹孔，通过螺钉安装在电主轴安装架4.29上，侧板上绕中心间隔90
°
有四个螺纹孔，用于线激光传感器4.33的安装；线激光传感器4.33通过螺钉安装在线激光安装架4.31上实现对壳体内焊缝的测量；工业相机安装架4.34通过螺钉安装在电主轴安装架4.29上；工业相机4.35通过螺钉安装在工业相机安装架4.34上，实现对加工过程的实时监控。
33.以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。