一种基于高频引弧器的氩弧焊工业机器人的制作方法

本实用新型涉及焊接自动化装置技术领域，尤其是一种基于高频引弧器的氩弧焊工业机器人。

背景技术：

周知，氩弧焊是一种被广泛应用于铝、镁及其合金焊接的工艺技术，这种焊接工艺是在焊接时利用交流负极性半波的阴极破碎(雾化)作用来清除铝、镁及其合金表面的氧化膜的方式实现的；随着制造业对焊接质量、焊接成本、工作环境等要求的逐渐提高，利用氩弧焊工业机器人来替代手工焊接作业已经成为焊接制造业的发展趋势。

目前，为实现机器人的氩弧焊的引弧过程，通常的做法是利用升压变压器、火花放电器、高频耦合器等电路来实现。当接通控制电源后，升压变压器可产生高压，并使火花放电器击穿其空气隙放电。升压变压器是一个高漏抗变压器，通常二次电压约3000V。当火花放电器放电时，高频耦合器的一次侧电感和电容构成振荡，可产生振荡频率150-260kHz、振荡持时间较短的高频电压，并经高频耦合器的二次侧加至钨极和工件之间。由于电压较高，可击穿钨极和工件之间的气隙，形成火花放电。利用焊接电源提供后续电流，使电弧空间的火花放电快速扩展为电弧放电，从而完成引弧过程。然而，这种高频引弧方式存在以下缺点：1、高频引弧器的火花放电器容易烧蚀；2、火花放电器的问隙需调整；3、火花放电器放电时会对逆变器控制电路产生干扰，对开关管和整流管的干扰也较大，难以与焊接逆变器做到良好的兼容；4、整个高频引弧器体积大，质量重；5、容易造成电网的干扰。另外，现有的氩弧焊机器人还普遍存在结构构造相对复杂、作业范围小、灵活性差、焊接效率低。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于高频引弧器的氩弧焊工业机器人。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于高频引弧器的氩弧焊工业机器人，它包括机械手臂、装设于机械手臂的末端的焊枪以及装设于焊枪上的引弧器；所述引弧器包括外保护壳、装设于外保护壳内的集成驱动板以及装设于外保护壳上并与集成驱动板电连接的电弧放电引出端脚，所述集成驱动板上设置有一用于将220V交流电进行倍数升压后并输出的倍压电路和用于将倍压电路输出的电压转换为脉冲电流并通过电弧放电引出端脚输出的引弧触发电路；

所述倍压电路具有分别与220V交流电相连的电源输出C端和电源输入D端；所述倍压电路包括第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阳极串联第一电阻后作为倍压电路的电源输入C端来使用、阴极通过并联设置的第二电阻和第三电阻连接引弧触发电路，所述第二二极管的阴极连接于第一电阻与第一二极管之间、阳极接地，所述第一二极管的阴极还通过顺序串联的第四电阻和第五电阻接地并同时通过顺序串联的第一电容和第二电容接地，所述倍压电路的电源输入D端连接于第五电阻与第四电阻之间并同时连接于第一电容与第二电容之间；

所述引弧触发电路具有信号控制A端和信号控制B端，所述引弧触发电路包括第三二极管、第四二极管、第一或非门、第二或非门、第三或非门、第四或非门、第五或非门、第六或非门、第一单向晶闸管、第二单向晶闸管、第一三极管、第二三极管、光耦隔离器和高频升压变压器；

所述第二或非门的输入A端作为引弧触发电路的信号控制A端、输入B端连接于第四或非门的输入A端并同时通过第六电阻与第三或非门的输入A端和输入B端相连、输出Y端通过第七电阻连接第一三极管的基极，所述第三或非门的输入A端和输入B端同时通过第四二极管连接于第一或非门的输出Y端、输出Y端通过第三电容连接第六或非门的输入A端和输入B端；所述第一或非门的输入A端串接第八电阻后作为引弧触发电路的信号控制B端，所述第三二极管的阴极连接于第一或非门与第八电阻之间、阳极接地，所述第三二极管还并联有第四电容，所述第五或非门的输入A端和输入B端同时与第二或非门的输入A端相连、输出Y端连接于第四或非门的输入B端，所述第四或非门的输出Y端通过第九电阻连接第二三极管的基极，所述第一三极管的发射极通过第十电阻连接于第一单向晶闸管的控制极，所述第一单向晶闸管的阳极连接于高频升压变压器的初级侧的一端，所述第六或非门的输出Y端连接于光耦隔离器的其中一个输入端，所述第二三极管的发射极通过第十一电阻连接第二单向晶闸管的控制极，所述第二单向晶闸管的阳极连接于高频升压变压器的初级侧的另一端，所述光耦隔离器的输出端的集电极通过一功率开关管与倍压电路的输出端相连、输出端的发射极连接于高频升压变压器的初级侧的中部，所述电弧放电引出端脚连接于高频升压变压器的次级侧。

优选地，所述外保护壳由隔热材料制成，所述隔热材料包括基板和形成于基板表面的隔热涂层构成，所述基板为表面经过磷化处理的30CrMnSiA钢板，所述隔热涂层为以有机硅树脂、玻璃粉和聚碳硅烷为黏结剂并通过添加三氧化二铝、碳化硅、二氧化锆、氮化硼、二氧化硅以及碳纤维所形成的混合材料。

优选地，所述基板的厚度为1mm，所述隔热涂层的厚度为900-1000μm。

优选地，所述隔热涂层的配方按重量组份计：有机硅树脂10份、聚碳硅烷20份、玻璃粉5-10份、三氧化二铝0.1-5份、碳化硅0.1-5份、二氧化锆0.1-8份、氮化硼0.1-20份、二氧化硅0.5份、碳纤维0.1-1份。

优选地，：所述隔热材料的制备方法为：

S1、将有机硅树脂、玻璃粉、聚碳硅烷、添加三氧化二铝、碳化硅、二氧化锆、氮化硼、二氧化硅以及碳纤维按比例混合后形成混合料浆；

S2、将混合料浆在磨砂机上进行研磨，以使混合料浆的颗粒细度在40-50μm之间；

S3、利用空气喷涂机在空气压力为0.4MPa且喷枪口径在0.8-1mm的条件下将研磨后的混合料浆喷涂在表面经过磷化处理的30CrMnSiA钢板上；

S4、喷涂完毕后，在室温下放置48h，然后在200℃下烘烤2h，以使混合料浆在30CrMnSiA钢板上固化成膜，即形成涂覆于基板上的隔热涂层；

S5、将基板连同隔热涂层放置于马弗炉中由室温逐渐加热到600℃并在600℃下保温2h，然后随马弗炉再冷却至室温。

优选地，所述机械手臂包括：

一卡盘；

一第一旋转驱动马达，所述第一旋转驱动马达座设于卡盘的上表面上且第一旋转驱动马达的动力轴上套装有一旋转盘；

一第一U型摆座，所述第一U型摆座装设于旋转盘上，所述第一旋转驱动马达通过旋转盘带动第一U型摆座在X-Z轴平面内相对于卡盘作旋转运动；

一第二旋转驱动马达，所述第二旋转驱动马达嵌装于第一U型摆座的座口侧壁内且第二旋转驱动马达的动力轴贯穿于第一U型摆座的座口分布；

一第二U型摆座，所述第二U型摆座的底部形成有第一轴联臂，所述第一轴联臂的底端卡装于第一U型摆座的座口内并套接第二旋转驱动马达的动力轴，所述第二旋转驱动马达通过第一轴联臂带动第二U型摆座在X-Y轴平面内相对于第一U型摆座作摆动运动；

一第三旋转驱动马达，所述第三旋转驱动马达嵌装于第二U型摆座的座口侧壁内且第三旋转驱动马达的动力轴贯穿于第二U型摆座的座口分布；

一第四旋转驱动马达，所述第四旋转驱动马达的外壳底面上形成有第二轴联臂，所述第二轴联臂的底端卡装于第二U型摆座的座口内并套接第三旋转驱动马达的动力轴，所述第三旋转驱动马达通过第二轴联臂带动第四旋转驱动马达在X-Y轴平面内相对于第二U型摆座作摆动运动；

一第三U型摆座，所述第三U型摆座装设于第四旋转驱动马达的动力轴上，所述第四旋转驱动马达驱动第三U型摆座在Y-Z轴平面内作旋转运动；

和

一第五旋转驱动马达，所述第五旋转驱动马达嵌装于第三U型摆座的座口侧壁内且第五旋转驱动马达的动力轴贯穿于第三U型摆座的座口分布；

所述焊枪的末端设置有一固定座，所述固定座位于第三U型摆座的座口内并套接第五旋转驱动马达的动力轴，所述第五旋转驱动马达通过固定座带动焊枪和引弧器在X-Y轴平面内相对于第三U型摆座同步进行摆动运动。

由于采用了上述方案，本实用新型通过对机器人的引弧器的电路结构的改进，无需配置整个火花放电器，即具有引弧性能好、引弧器体积小且电路结构简单可靠等特点，在性能和电路上显得更加优越，不存在火花放电器烧蚀和其间隙难以调整以及放电器放电产生干扰等的问题。

附图说明

图1是本实用新型实施例的整体结构示意图；

图2是本实用新型实施例的引弧器的电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1和图2所示，本实施例提供的一种基于高频引弧器的氩弧焊工业机器人，它包括机械手臂、装设于机械手臂的末端的焊枪10以及装设于焊枪10上的引弧器；其中，引弧器包括外保护壳20、装设于外保护壳20内的集成驱动板(图中未示出)以及装设于外保护壳20上并与集成驱动板电连接的电弧放电引出端脚30，在集成驱动板上设置有一用于将220V交流电进行倍数升压后并输出的倍压电路和用于将倍压电路输出的电压转换为脉冲电流并通过电弧放电引出端脚30输出的引弧触发电路。

倍压电路具有分别与220V交流电相连的电源输出C端和电源输入D端；其主要由第一二极管VD1和第二二极管VD2等构成，第一二极管VD1的阳极串联第一电阻R1后作为倍压电路的电源输入C端来使用、阴极通过并联设置的第二电阻R2和第三电阻R3连接引弧触发电路，第二二极管VD2的阴极连接于第一电阻R1与第一二极管VD1之间、阳极接地，第一二极管VD1的阴极还通过顺序串联的第四电阻R4和第五电阻R5接地并同时通过顺序串联的第一电容C1和第二电容C2接地，倍压电路的电源输入D端连接于第五电阻R5与第四电阻R4之间并同时连接于第一电容C1与第二电容C2之间。

引弧触发电路则具有信号控制A端和信号控制B端，其主要由第三二极管VD3、第四二极管VD4、第一或非门U1、第二或非门U2、第三或非门U3、第四或非门U4、第五或非门U5、第六或非门U6、第一单向晶闸管VT1、第二单向晶闸管VT2、第一三极管V1、第二三极管V2、光耦隔离器U7和高频升压变压器T(其具有两个初级线圈和一个次级线圈)等电子元器件构成；其中：

第二或非门U2的输入A端作为引弧触发电路的信号控制A端、输入B端连接于第四或非门U4的输入A端并同时通过第六电阻R6与第三或非门U3的输入A端和输入B端相连、输出Y端通过第七电阻R7连接第一三极管V1的基极；第三或非门U3的输入A端和输入B端同时通过第四二极管VD4连接于第一或非门U1的输出Y端、输出Y端通过第三电容C3连接第六或非门U6的输入A端和输入B端；第一或非门U1的输入A端串接第八电阻R8后作为引弧触发电路的信号控制B端；第三二极管V2的阴极连接于第一或非门U1与第八电阻R8之间、阳极接地，第三二极管V2还并联有第四电容；

第五或非门U5的输入A端和输入B端同时与第二或非门U2的输入A端相连、输出Y端连接于第四或非门U4的输入B端，第四或非门U4的输出Y端通过第九电阻R9连接第二三极管V2的基极，第一三极管V1的发射极通过第十电阻R10连接于第一单向晶闸管VT1的控制极，第一单向晶闸管VT1的阳极连接于高频升压变压器T的初级侧的一端，第六或非门U6的输出Y端连接于光耦隔离器U7的其中一个输入端，第二三极管V2的发射极通过第十一电阻R11连接第二单向晶闸管VT2的控制极，第二单向晶闸管VT2的阳极连接于高频升压变压器T的初级侧的另一端，光耦隔离器U7的输出端的集电极通过一功率开关管MOS与倍压电路的输出端相连、输出端的发射极连接于高频升压变压器T的初级侧的中部，电弧放电引出端脚30连接于高频升压变压器T的次级侧。

以此，交流220V电压经倍压电路的电源输出C端和电源输入D端输入，经倍压整流后对第一电容C1和第二电容C2充电，第一电容C1和第二电容C2可获得较高的电压，并储存能量。引弧触发电路的信号控制A端和信号控制B端通过对第一三极管V1和第二三极管V2以及第一单向晶闸管VT1和第二单向晶闸管VT2的控制，可使第一电容C1和第二电容C2上储存的电通过高频升压变压器T的一次侧绕组对“地”放电，经高频升压变压器T再升压后，即可通过电弧放电引出端脚30形成高压脉冲；在进行具体控制时，引弧触发电路的信号控制A端恒为高电平，是否有引弧高压，取决于引弧触发电路的信号控制B端的控制，通过引弧触发电路的信号控制A端和引弧触发电路的信号控制B端的共同配合，实现对机器人的引弧控制；整个引弧器中由于没有火花放电器，当然就不存在火花放电器烧蚀和其间隙难以调整以及放电器放电产生干扰等的问题，从而使整个机器人具有引弧性能好、引弧器体积小且电路结构简单可靠等特点，在性能和电路上显得更加优越。

为能够对引弧器起到强力的耐高温保护作用，以避免引弧器的内部元器件(尤其是集成驱动板)因受到高温的炙烤，而无法正常执行功能，甚至导致机器人故障或引弧失败等问题的发生，本实施例的外保护壳20由隔热材料制成，隔热材料包括基板和形成于基板表面的隔热涂层构成，其中，基板采用表面经过磷化处理的30CrMnSiA钢板，而隔热涂层则为以有机硅树脂、玻璃粉和聚碳硅烷为黏结剂并通过添加三氧化二铝、碳化硅、二氧化锆、氮化硼、二氧化硅以及碳纤维所形成的混合材料。通过对隔热涂层的材料成分的改进能够使隔热材料具备良好的隔热性能；经试验测试，在基板的厚度为1mm，隔热涂层的厚度为900-1000μm的条件下，隔热材料的隔热效果可达到1500℃以上，而且隔热材料中的氮化硼和碳纤维则能够有效改善涂层的耐热性，减少涂层因受热而开裂。

作为一个优选方案，本实施例的隔热涂层的配方按重量组份计：有机硅树脂10份、聚碳硅烷20份、玻璃粉5-10份、三氧化二铝0.1-5份、碳化硅0.1-5份、二氧化锆0.1-8份、氮化硼0.1-20份、二氧化硅0.5份、碳纤维0.1-1份。

作为一个优选方案，本实施例的隔热材料的制备方法为：

S1、将有机硅树脂、玻璃粉、聚碳硅烷、添加三氧化二铝、碳化硅、二氧化锆、氮化硼、二氧化硅以及碳纤维按比例混合后形成混合料浆；

S2、将混合料浆在磨砂机上进行研磨，以使混合料浆的颗粒细度在40-50μm之间；

S3、利用空气喷涂机在空气压力为0.4MPa且喷枪口径在0.8-1mm的条件下将研磨后的混合料浆喷涂在表面经过磷化处理的30CrMnSiA钢板上；

S4、喷涂完毕后，在室温下放置48h，然后在200℃下烘烤2h，以使混合料浆在30CrMnSiA钢板上固化成膜，即形成涂覆于基板上的隔热涂层；

S5、将基板连同隔热涂层放置于马弗炉中由室温逐渐加热到600℃并在600℃下保温2h，然后随马弗炉再冷却至室温。

采用划格法测试涂层的附着力并利用体式显微镜对涂层表面进行观察以对其进行性能评估，然后再氧-乙炔下烧灼，观察不同火焰温度下烧蚀4s后涂层的烧蚀形貌，最后在激光束辐照下进行抗激光烧蚀测试以监测涂层的温升过程，通过上述实验手段可以发现，隔热材料在激光照射后温度上升较为缓慢，峰值温度较低(在246℃左右)，以此，可以确定隔热材料具有明显的耐烧蚀隔热效果。

为最大限度地优化整个机器人的结构，增加其作业范围以及焊接作业的灵活性，本实施例的机械手臂包括：

一卡盘80；

一座设于卡盘80的上表面上的第一旋转驱动马达90，且第一旋转驱动马达90的动力轴上套装有一旋转盘100；

一装设于旋转盘100上的第一U型摆座110，第一旋转驱动马达90通过旋转盘100带动第一U型摆座110在X-Z轴平面内相对于卡盘80作旋转运动；

一嵌装于第一U型摆座110的座口侧壁内的第二旋转驱动马达120，第二旋转驱动马达120的动力轴贯穿于第一U型摆座110的座口分布；

一底部形成有第一轴联臂130的第二U型摆座140，第一轴联臂130的底端卡装于第一U型摆座110的座口内并套接第二旋转驱动马达120的动力轴，第二旋转驱动马达120通过第一轴联臂130带动第二U型摆座140在X-Y轴平面内相对于第一U型摆座140在180°的角度范围内作摆动运动；

一嵌装于第二U型摆座140的座口侧壁内的第三旋转驱动马达150，第三旋转驱动马达150的动力轴贯穿于第二U型摆座140的座口分布；

一外壳底面上形成有第二轴联臂160的第四旋转驱动马达170，第二轴联臂160的底端卡装于第二U型摆座140的座口内并套接第三旋转驱动马达150的动力轴，第三旋转驱动马达150通过第二轴联臂160带动第四旋转驱动马达170在X-Y轴平面内相对于第二U型摆座140在180°的角度范围内作摆动运动；

一装设于第四旋转驱动马达170的动力轴上的第三U型摆座180，第四旋转驱动马达170驱动第三U型摆座180在Y-Z轴平面内作旋转运动；

和

一嵌装于第三U型摆座180的座口侧壁内的第五旋转驱动马达190，第五旋转驱动马达190的动力轴贯穿于第三U型摆座180的座口分布；并且在焊枪10的末端设置有一固定座101，固定座101位于第三U型摆座180的座口内并套接第五旋转驱动马达190的动力轴，第五旋转驱动马达190通过固定座101带动焊枪10和引弧器在X-Y轴平面内相对于第三U型摆座180在在180°的角度范围内同步进行摆动运动。

以此，可使得焊枪10相对于卡盘80可实现不同位置、不同角度的焊接作业，极大地扩展的焊枪10的作业半径；通过对各个旋转驱动马达的集中控制，可增强整个机器人的灵活性。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。