CN117600624B - 一种膜式壁专用焊接机器人系统和膜式壁焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接技术领域，涉及一种膜式壁专用焊接机器人系统和膜式壁焊接方法。膜式壁专用焊接机器人系统包括焊接主机器人、焊接保障从机器人和控制单元；所述焊接主机器人包括有复合履带小腿、足式机器人、焊枪位姿控制机构、焊枪固定座和焊枪；所述复合履带小腿内部还设有传动切换离合装置，所述传动切换离合装置负责动力传输与切换，从而实现步态模式和履带模式的切换。本发明采用足式驱动和履带驱动,针对不同地形自主切换驱动模式，同时焊枪位姿控制机构可控范围广，不仅适用于膜式壁焊接，还满足各类大型平铺钢结构异形复杂的焊接工作的需求，具有较好的通用性。

Description

一种膜式壁专用焊接机器人系统和膜式壁焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接机器人技术领域，具体为一种膜式壁专用焊接机器人系统和膜式壁焊接方法。

背景技术

膜式壁是一种高效、可靠、节能环保的冷却钢结构件，广泛应用于工业锅炉和炉膛中。它由扁钢和管子拼排焊成的气密管屏组成，能够增强炉膛的严密性，降低负压锅炉的炉膛漏风系数，从而改善燃烧工况，增加有效辐射受热面积，节约钢耗。此外，膜式壁的气密性好，可减少炉膛漏风，提高锅炉热效率。在管屏外侧敷以薄保温材料，可防止结渣。膜式壁的制造需要将扁钢和管子进行排焊，组成较大的模块后再次组装。由于膜式壁尺寸巨大，常常是采取传统的手工电弧焊或龙门式膜式壁焊接机器人进行模块化焊接组装，然而传统的手工电弧焊接效率低下、对人危害大、劳动强度高、自动化程度低；龙门式膜式壁焊接机器人体积重量较大、占用面积广、移动不便、适应性差,并且部分膜式壁存在不规则异形缺口结构，导致传统的焊接作业方式已不能很好的满足膜式壁制造的需求。

目前市面上有一种焊接机器人，包括负责焊接作业的主机器人和负责输送焊丝的从机器人两部分，但是焊机和焊接保护气气瓶等重型外围设备还是固定在外围，并非焊机机器人搭载，焊接线缆不方便长距离传输，大大限制了焊接机器人的作业范围以及灵活性，不适用于大型钢结构件的大范围的焊接作业，同时主机器人和从机器人在进行焊接作业时全都需要运行于钢件上，且相互距离较近，其需求的运行环境对于钢件具有一定要求，在钢件存在异形结构等复杂环境情况下往往不适用。

专利公开号CN110814472A公开了一种适用于大型钢结构件的主从式爬壁焊接机器人系统，爬壁式机器人依靠采用永磁间隙吸附及轮式运动机构运行，只适用于圆弧形的钢结构爬壁焊接工作，在平铺钢件上运行，永磁间隙吸附反而会影响运行效率，并且轮式运动机构不满足膜式壁等存在特殊异形结构大型平铺钢结构焊接作业要求，同时焊枪固定机构的设定，只能满足其行走方向水平焊缝的焊接作业需求，无法满足多维焊接的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种膜式壁专用焊接机器人系统和膜式壁焊接方法，以克服传统的手工电弧焊或龙门式膜式壁焊接机器人的膜式壁焊接作业方式存在的不足，以及难以应对膜式壁的异形缺口结构的问题。本发明结合了足式机器人优秀的通过性和履带机器人出色的行走稳定性，代替传统的轮式驱动机构，提高了通行能力，满足各类大型平铺钢结构异形复杂的环境下的焊接工作的需求，具有较好的通用性。同时，采用焊接主机器人和焊接保障从机器人配合，进一步提高焊接作业的灵活性，提升膜式壁焊接作业效率和质量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种膜式壁专用焊接机器人系统，包括焊接主机器人、焊接保障从机器人和控制单元，所述焊接保障从机器人用于承载重型焊接设备，控制单元控制焊接主机器人、焊接保障从机器人协调工作；

所述焊接主机器人包括有复合履带小腿、足式机器人、焊枪位姿控制机构、焊枪固定座和焊枪；所述复合履带小腿位于足式机器人大腿末端，所述复合履带小腿与所述足式机器人大腿连接，所述复合履带小腿为膜式壁专用焊接机器人提供步态模式和履带模式两种运动模式，所述焊枪位姿控制机构位于足式机器人背部，所述焊枪固定座位于焊枪位姿控制机构末端，所述焊枪固定在焊枪固定座上；

所述复合履带小腿内部还设有传动切换离合装置，所述传动切换离合装置负责动力传输与切换，从而实现步态模式和履带模式的切换，所述步态模式适用于跨越膜式壁上钢管的异形缺口结构以及履带模式无法通过的位置，履带模式适用于将所述焊接主机器人在膜式壁表面沿表面焊缝平稳移动。

进一步地，所述足式机器人大腿前端设置有小腿驱动电机，传动切换离合装置与小腿驱动电机之间通过同步带连接；传动切换离合装置内部设有电磁铁、同步带轮、履带驱动轮和花键轴，复合履带小腿内通过多个转轴和履带驱动轮安装履带，履带驱动轮与同步带轮为同一轴心；传动切换离合装置通过两侧电磁铁吸附花键轴的移动，控制花键轴与同步带轮或复合履带小腿结合与否来实现行进模式的切换。

进一步地，还包括用于承载重型焊接设备的焊接保障从机器人，所述焊接保障从机器人与焊接主机器人通过柔性复合电缆连接，所述柔性复合电缆包括用于传输焊接电流的电线、用于输送焊接保护气体的气体管路和用于控制的信号线。

进一步地，所述焊接保障从机器人包括移动底盘机构、焊机、焊接保护气体气瓶和送丝机，所述焊机、焊接保护气体气瓶、送丝机均设置在移动底盘机构上，所述焊接保护气体气瓶搭载焊接保护气体，所述送丝机搭载焊丝并将焊丝输送给所述焊接主机器人，所述移动底盘机构用于驱动焊接保障从机器人在膜式壁外运动。

进一步地，所述控制单元分别与所述焊接主机器人和所述焊接保障从机器人电性连接，用于分别控制所述焊接主机器人在膜式壁的表面切换行走模式、沿焊缝移动以及焊枪位姿的调整，控制所述焊接保障从机器人在膜式壁周边伴随所述焊接主机器人行走。

进一步地，焊接主机器人还包括有传感模块，传感模块与控制单元电性连接，用于跟踪焊缝轨迹并感知焊接主机器人相对于膜式壁和焊缝的位置、监测焊缝的焊接质量和对焊缝焊接热变形进行纠偏并进行跟踪焊接。

进一步地，所述传感模块包括焊缝跟踪传感器、工业相机和焊枪位姿控制传感器，所述焊缝跟踪传感器、工业相机和焊枪位姿控制传感器均固定设置在所述焊枪固定座上，并分别与控制单元电性连接，所述焊缝跟踪传感器用于跟踪焊缝轨迹，所述焊枪位姿控制传感器用于感知所述焊枪相对于焊缝的位置，并将位置信息发送给所述控制单元，所述控制单元控制所述焊枪位姿控制机构对所述焊枪的位姿进行调整，所述工业相机用于监视焊接过程、监测焊缝的焊接质量和焊缝热变形跟踪偏移进行计算。

进一步地，所述焊枪位姿控制机构，包括第一转轴、第二转轴臂、第三转轴臂、第四转轴臂和焊枪水平滑轨，所述第一转轴、第二转轴臂、第三转轴臂、第四转轴臂、焊枪水平滑轨依次串联，所述焊枪安装在所述焊枪水平滑轨上：所述第一转轴用于调整当焊接主机器人行走时焊枪的方向；所述第二转轴臂和第三转轴臂用于配合调整焊枪离焊缝的高度的距离；所述第四转轴臂用于调整焊枪的俯仰角度；所述焊枪水平滑轨用于在沿焊缝轨迹焊接时调整焊枪的相对于焊缝的水平横向位移。

进一步地，所述焊接主机器人中还设置有视觉感知模组，视觉感知模组包含超声波距离传感器、定位装置和深度视觉相机，超声波距离传感器、定位装置和深度视觉相机集成在同一外壳内，所述视觉感知模组安装于所述足式机器人背部前端，所述超声波距离传感器和深度视觉相机用于识别焊接路径上的障碍和膜式壁的钢管异形缺口，所述定位装置用于感知当前与焊接保障从机器人的相对位置；所述视觉感知模组与控制单元电连接。

进一步地，所述焊接保障从机器人中所述移动底盘机构由车底座、驱动电机、重载履带驱动轮和重载履带组成，所述车底座的四角内分别设置有一个驱动电机，所述驱动电机驱动端和重载履带驱动轮连接，所述驱动电机与所述控制单元电连接，所述重载履带驱动轮与车底座固定结构相连接。

进一步地，所述焊接保障从机器人还设有激光雷达和深度视觉相机，所述激光雷达和深度相机用于监测焊接主机器人运行状态、测算膜式壁钢管的平行距离和规避前方路径障碍，所述激光雷达和深度相机均与控制单元电连接。

进一步地，所述膜式壁专用焊接机器人系统还包括有无线接收器和远程遥控终端，所述无线收发器与所述控制单元电性连接，所述远程遥控终端通过所述无线收发器发送控制信号给所述控制单元，用于控制膜式壁专用焊接机器人系统和焊接参数设定。

一种膜式壁专用焊接机器人焊接方法，采用上述任意一项所述的膜式壁专用焊接机器人系统，包括以下步骤：

S1.操作人员将焊接主机器人放到膜式壁上，将焊接保障从机器人放到膜式壁周边，通过远程遥控终端设定好相关焊接参数并导入待焊接的膜式壁图纸；

S2.在焊接主机器人和焊接保障从机器人之间连接好柔性复合电缆；

S3.焊接主机器人以步态模式行进至需焊接的膜式壁的钢管表面，下蹲使复合履带小腿的履带贴合焊接扁钢表面，通过传动切换离合装置切换焊接主机器人的行走模式；

S4.对焊缝进行识别，传递信息给控制单元并分析焊枪姿态，展开焊枪位姿控制机构，使焊枪贴近焊缝表面；对焊接路径上的进行实时扫描记录，并反馈给控制单元，与导入的膜式壁图纸进行对比，自动规划路径和行进方式；

S5.启用焊接主机器人，并发送运动指令以启动焊接工作；焊接保障从机器人将跟随焊接主机器人运动，并实时保持相对距离；

S6.焊接主机器人行走焊接过一个身位后，暂停当前焊接工作，记录当前焊接的位置，机械臂从前向后旋转，对初始身位未焊接的焊缝进行焊接，直到初始身位的焊缝完成焊接之后，重回到记录焊接的位置继续进行完成焊接任务；

S7.焊接主机器人焊接到达膜式壁的钢管异形位置，此时中断焊接并记录当前中断焊接焊缝的位置信息；随后，焊接主机器人通过传动切换离合装置切换成步态模式，步态模式行进到钢材异形缺口内，自动寻找机身平衡点后，控制焊枪位姿控制机构回转焊枪到中断焊缝焊接位置，继续完成焊接作业，此时焊接主机器人停止移动，而焊枪移动全由焊枪位姿控制机构来完成；

S8.一旦完成膜式壁的钢管异形缺口结构位置的焊接工作后，焊接主机器人重新切换回履带模式，并继续完成剩下的膜式壁的钢管未完成部分的焊接工作；

S9.当完成一列膜式壁的钢管的焊接工作后，焊接主机器人在膜式壁的钢管尽头，切换成步态模式，横跨至下一列钢管，再次切换回履带行走模式，完成剩余的焊接任务；

S10.当焊接主机器人完成膜式壁的钢管一半的焊接任务后，在掉头时，控制单元计算路径，在膜式壁外围运动至另一侧，并实时保持焊接保障从机器人与焊接主机器人的相对距离；

S11.当所有焊接任务执行结束后，关闭焊接设备，并控制焊接主机器人和焊接保障从机器人驱动至作业区外。

本发明的有益效果是：

一、本发明克服了传统的手工电弧焊接效率低下、对人危害大、劳动强度高、自动化程度低；龙门式膜式壁焊接机器人体积重量较大、占用面积广、移动不便、适应性差的缺点。本发明将足式机器人的步态优越通过性和履带的稳定行走能力巧妙地结合在一起，改进了传统单一行进方式在膜式壁钢材上存在的不足，使焊接机器人可以自由到达膜式壁钢材的异形缺口结构位置。同时，搭载的机械臂可以精确地对焊缝焊接热变形进行纠偏并进行跟踪焊接并且使其焊接作业的角度大范围广，极大地提高了焊接的可行性。本发明打破了传统焊接机器人单一化的行进方式，使焊接机器人的通行能力得到显著增强，从而实现高效、精准、智能化的焊接。

二、本发明提供的焊接主机器人和焊接保障从机器人，将焊机、保护气瓶和焊丝盘等重型焊接设备搭载到焊接保障从机器人上，外部只需要提供电源。同时其焊接保障从机器人，并非完全在钢件上与主机器人近距离运行，而可在钢件外伴随运行。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式,并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解,并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明实施例中膜式壁专用焊接机器人系统的总体结构示意图；

图2为本发明实施例中膜式壁专用焊接机器人系统的焊接主机器人履带模式示意图；

图3为本发明实施例中膜式壁专用焊接机器人系统的焊接主机器人步态模式示意图；

图4为本发明实施例中膜式壁专用焊接机器人系统的焊接保障从机器人结构示意图；

图5为本发明实施例中膜式壁专用焊接机器人系统的膜式壁异形缺口结构处的焊接作业状态示意图；

图6为本发明实施例中膜式壁专用焊接机器人系统的焊接主机器人横跨至下一列钢管的示意图；

图7为本发明实施例中膜式壁专用焊接机器人系统的焊接主机器人焊接过程中追踪焊缝工作状态示意图；

图8为本发明实施例中膜式壁专用焊接机器人系统的焊接主机器人的复合履带小腿结构示意图；

图9为本发明实施例中膜式壁专用焊接机器人系统的焊接主机器人的步态模式传动切换离合装置示意图；

图10为本发明实施例中膜式壁专用焊接机器人系统的焊接主机器人的履带模式传动切换离合装置示意图；

图11为本发明实施例中膜式壁钢材的焊缝示意图。

附图标记说明：1-膜式壁；2-焊接主机器人；3-焊接保障从机器人；4-柔性复合电缆；5-复合履带小腿；6-足式机器人大腿；7-第一转轴；8-第二转轴臂；9-第三转轴臂；10-第四转轴臂；11-焊枪；12焊枪固定座；13-焊缝跟踪传感器；14-工业相机；15-焊枪水平滑轨；16-视觉感知模组；17-焊枪位姿控制传感器；18-重载履带驱动轮；19-送丝机；20-焊接保护气体气瓶；21-激光雷达；22-控制单元；23-深度相机；24-焊机；25-车底座；26-重载履带；100-传动切换离合装置；101-同步带轮；102-花键轴；103-电磁铁；104-同步带；105-履带；106-履带驱动轮；107-足端；108-小腿驱动电机；201-钢管；202-扁钢；203-焊缝；204-异形缺口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参考图1和图5，一种膜式壁专用焊接机器人系统，包括：

焊接主机器人2，如图2和图3所示，包括有足式机器人主体、复合履带小腿5、焊枪位姿控制机构、焊枪固定座12和焊枪11，所述复合履带小腿5位于足式机器人大腿6末端，复合履带小腿5与所述足式机器人大腿6硬连接，复合履带小腿5用于为焊接主机器人2提供步态模式和履带模式，所述焊枪位姿控制机构位于足式机器人背部，所述焊枪固定座12位于焊枪位姿控制机构末端，所述焊枪11固定在焊枪固定座12上；

焊接保障从机器人3，如图4所示，用于承载焊机24、送丝机19和焊接保护气体气瓶20等外围重型焊接设备，并向所述焊接主机器人2提供焊接电源和焊丝以及输送焊接保护气体；所述焊接保障从机器人3与焊接主机器人2通过柔性复合电缆4连接，所述柔性复合电缆4包括用于传输焊接电流的电线、用于输送焊丝、焊接保护气体的管路和用于通信的信号线；

所述焊接保障从机器人3包括移动底盘机构、焊机24、焊接保护气体气瓶20和送丝机19，所述焊机24、焊接保护气体气瓶20、送丝机19均设置在移动底盘机构上，所述焊接保护气体气瓶20搭载焊接保护气体，所述送丝机19搭载焊丝并将焊丝通过柔性复合电缆4输送给所述焊接主机器人2，所述移动底盘机构用于驱动焊接保障从机器人3在膜式壁1外运动；

控制单元22，所述控制单元22分别与所述焊接主机器人2和所述焊接保障从机器人3电性连接，用于分别控制所述焊接主机器人2在膜式壁1上行走模式的切换、沿焊缝移动以及焊枪11位姿角度的调整，和控制所述焊接保障从机器人3在膜式壁1周围伴随所述焊接主机器人2行走。

实施例2

为了更好的实现焊接主机器人2的行走功能，本实施例在实施例1的基础上进行了更进一步地设置。

在本实施例中，如图2所示，焊接主机器人2采取足式机器人作为基础框架，可以通过调整机身髋关节驱动电机固定座来改变两腿之间宽度从而适应不同钢材宽度的膜式壁1，设计复合履带小腿5，使用复合履带小腿5灵活实现步态模式和履带模式的切换。复合履带小腿5可转动地安装在足式机器人大腿6末端，所述复合履带小腿5内部还设有传动切换离合装置100，所述传动切换离合装置100负责动力传输与运行模式的切换。当焊接主机器人2切换至履带模式时，如图2所示，复合履带小腿5将与膜式壁1钢材平行，使其履带105贴合膜式壁1钢材表面；当焊接主机器人2切换至步态模式时，如图3所示，复合履带小腿5将转换为正常的足式小腿，履带105悬空。

在本实施例中，如图8-图10所示，足式机器人大腿6前端设置有小腿驱动电机108，传动切换离合装置100与小腿驱动电机108之间通过同步带104连接。传动切换离合装置100内部设有电磁铁103、同步带轮101、履带驱动轮106和花键轴102，复合履带小腿5内通过多个转轴和履带驱动轮106安装履带105，履带驱动轮106与同步带轮101为同一轴心。传动切换离合装置100通过两侧电磁铁103吸附花键轴102的移动，控制花键轴102与同步带轮101或复合履带小腿5结合与否来实现行进模式的切换。如图9所示，两侧花键轴102向外位移到传动切换离合装置100为步态模式，花键轴102与复合履带小腿5相结合，小腿驱动电机108动力通过同步带轮101传递到花键轴102，再由花键轴102传递给复合履带小腿5，实现对复合履带小腿5运动的控制；如图10所示，通过传动切换离合装置100切换为履带模式，小腿驱动电机108动力通过同步带轮101传递到花键轴102，再由花键轴102传递给履带驱动轮106，履带驱动轮106再带动履带105，形成完整的动力传输。足端107为球形硅胶，履带模式时，足端107不与地面接触。

在本实施例中，如图2和图3所示，焊接主机器人2还设置视觉感知模组16，视觉感知模组16内有超声波距离传感器、定位装置和深度视觉相机，并集成在同一外壳内，视觉感知模组16位于焊接主机器人2头部，视觉感知模组16用于观察前方障碍和对路径进行规划，同时反馈数据给控制单元22与其预设的焊接资料进行比对。所述定位装置用于感知当前与焊接保障从机器人的相对位置。

实施例3

为了更好的实现焊接主机器人2焊接功能，本实施例在实施例2的基础进行了更进一步地设置。

在本实施例中，如图2所示，焊枪位姿控制机构包括第一转轴7、第二转轴臂8、第三转轴臂9、第四转轴臂10、焊枪水平滑轨15和焊枪固定座12。

在本实施例中，第一转轴7、第二转轴臂8、第三转轴臂9、第四转轴臂10、焊枪水平滑轨15和焊枪固定座12依次串联，这里的串联是指焊枪水平滑轨15安装于第四转轴臂10末端，第三转轴臂9安装于第二转轴臂8末端，第二转轴臂8安装于第一转轴7末端，焊枪固定座12滑动安装于焊枪水平滑轨15上，整个机械部分呈串联结构，而每部分机械机构都由单独的电机控制；第一转轴7安装在足式机器人主体背部。需要说明的是，第一转轴7、第二转轴臂8、第三转轴臂9、第四转轴臂10的结构和各自的电机的安装方式可以采用现有技术的转轴结构，分别实现各自转轴所在转动平面的转动，通过不同转动平面的转动调节来实现焊枪水平滑轨15的位置和角度调节，以实现焊枪11的位置和角度调节。

在本实施例中，焊枪11安装在焊枪固定座12上；焊枪水平滑轨15用于调整焊枪11沿焊缝宽度方向的移动；焊枪位姿控制机构用于沿焊缝调整焊枪11的高度方向距离和角度姿态，所述高度方向距离是指焊枪11尖端相对于焊缝表面的距离，所述角度姿态是指焊枪11尖端相对于焊缝垂直面的角度；焊枪水平滑轨15用于控制焊枪11在沿焊缝轨迹焊接时焊缝水平面上进行移动；第一转轴7用于根据焊接主机器人2相对膜式壁1的焊缝位置调整焊枪11横向偏移角度，焊枪11相对于焊缝的角度姿态由焊接资料设定。

在本实施例中，如图1和图7所示，焊接主机器人2在膜式壁1表面沿焊缝轨迹进行焊接时，第二转轴臂8和第三转轴臂9共同控制焊枪11与焊缝高度方向的距离以保证焊缝的连续性，焊枪水平滑轨15实时调整焊枪11在焊缝水平方向的位置，第四转轴臂10用于调整焊枪11相对于焊缝的角度姿态，共同配合使焊枪11在焊缝中按照Z字形路径进行焊接，保证焊缝成型工艺要求。

在本实施例中，传感模块安装在焊枪固定座12前端，传感模块包括焊缝跟踪传感器13、工业相机14和焊枪位姿控制传感器17，均通过安装架垂直设置在焊枪11前方并分别与控制单元22电连接，焊缝跟踪传感器13用于跟踪焊缝轨迹，工业相机14用于监测焊缝的焊接质量和对焊缝焊接热变形进行跟踪，计算偏移补偿，焊枪位姿控制传感器17用于感知焊枪11与焊缝之间的高度和焊缝水平中心距离并测量焊接过程中的振动偏移量。控制单元22根据工业相机14的反馈数据焊缝跟踪传感器13用于追踪焊缝，控制单元22融合工业相机14和焊缝跟踪传感器13的反馈数据，实时调整焊接主机器人2行进方向和第一转轴7的偏转角度以及焊枪水平滑轨15上位移，保证焊枪11焊接作业过程中，按照Z字形路径并进行焊接热变形偏移补偿，保证焊接质量。焊枪位姿控制传感器17将信息回馈给控制单元22，控制单元22闭环控制实现对焊枪11的实时精密调整。

实施例4

为了更好的实现焊接保障从机器人3的焊接保障任务，如图4所示，所述移动底盘机构由车底座25、驱动电机和重载履带26组成，所述驱动电机与所述控制单元22电连接。所述车底座25的四角内部分别设置有一个驱动电机，所述驱动电机驱动端和重载履带驱动轮18连接，所述重载履带驱动轮18与车底座25固定结构相连接，两对重载履带驱动轮18安装重载履带26。

在本实施例中，焊接主机器人2搭载焊枪11跟踪焊缝行走，焊接保障从机器人3承载送丝机19、焊机24、焊接保护气体气瓶20等焊接重型设备通过柔性复合电缆4与焊接主机器人2连接并同步运动，为焊接过程提供焊接电源、焊接保护气体和焊丝。焊接主机器人2与焊接保障从机器人3合作完成膜式壁1组焊作业，与传统焊接设备相比，减轻了焊接主机器人2整体重量，有利于保证焊接主机器人2动作灵活与焊枪11姿态的迅速调整，焊接保障从机器人3负载能力较大，整体重量大，但并非必须与主机器人近距离在钢件上运行，而可在钢件外伴随运行，降低焊接作业对钢件环境条件要求，提升焊接主机器人2的作业范围以及灵活性，焊接保障从机器人只需在膜式壁1钢材周边行走，外部只需要提供电源即可。在本实施例中，考虑到焊接主机器人2和焊接保障从机器人3运动过程中距离是并非相对固定的，同时避免长距离送丝，柔性复合电缆4长度通常选取为膜式壁1钢材宽度的百分之七十，柔性复合电缆4两端分别固定在焊接主机器人2尾部和焊接保障从机器人3顶部。

在本实施例中，焊接保障从机器人3还设置有激光雷达21和深度相机23，激光雷达21和深度相机23均设置在焊接保障从机器人3顶部，用于焊接保障从机器人3对周围环境的感知和路径识别规划。

实施例5

为了更好的实现其焊接保障从机器人3的焊接保障任务，本实施例的膜式壁专用焊接机器人系统还包括有无线接收器和远程遥控终端，所述无线接收器设置于所述控制单元22内部，并与所述控制单元22电性连接，所述远程遥控终端通过所述无线接收器发送控制信号给所述控制单元22，用于控制膜式壁专用焊接机器人系统和设定焊接参数。

本实施例的膜式壁专用焊接机器人系统的控制单元22融合了焊接工艺参数控制、焊接主机器人2在膜式壁1表面运动姿态的控制、焊接保障从机器人3在膜式壁1外同步运动的控制、焊接过程中焊枪11姿态实时调整和远程遥控控制。

实施例6

参照图1、如图5、图6、图7和图11，一种膜式壁专用焊接机器人焊接方法,采用实施例5提供的膜式壁专用焊接机器人系统，包括如下步骤：

S1.操作人员将焊接主机器人2放到膜式壁1上，将焊接保障从机器人3放到膜式壁1周边，通过远程遥控终端设定好相关焊接参数并导入待焊接的膜式壁图纸；

S2.在焊接主机器人2和焊接保障从机器人3之间连接好柔性复合电缆4；

S3.焊接主机器人2以步态模式行进至需焊接的膜式壁1的钢管201表面，下蹲使复合履带小腿5的履带贴合焊接扁钢202表面，通过传动切换离合装置100切换焊接主机器人2的行走模式；

S4.设置传感器模块为初始状态，焊缝跟踪传感器13开始对焊缝203进行识别，传递信息给控制单元22并分析焊枪11姿态，展开焊枪位姿控制机构，使焊枪11贴近焊缝203表面；焊接主机器人2上的视觉感知模组16以及焊接保障从机器人3上的激光雷达21，对焊接路径上的进行实时扫描记录，并反馈给控制单元22，与导入的膜式壁1图纸进行对比，自动规划路径和行进方式；

S5.通过远程遥控终端启用焊接主机器人2，并发送运动指令以启动焊接工作；焊接保障从机器人3将跟随焊接主机器人2运动，并实时保持相对距离；

S6.焊接主机器人2行走焊接过一个身位后，暂停当前焊接工作，记录当前焊接的位置，机械臂从前向后旋转，对初始身位未焊接的焊缝203进行焊接，直到初始身位的焊缝203完成焊接之后，重回到记录焊接的位置继续进行完成焊接任务；

S7.焊接主机器人2焊接到达膜式壁1的钢管201异形位置，此时中断焊接并记录当前中断焊接焊缝的位置信息；随后，焊接主机器人2通过传动切换离合装置100切换成步态模式，步态模式行进到钢材异形缺口204内，自动寻找机身平衡点后，控制焊枪位姿控制机构回转焊枪11到中断焊缝焊接位置，继续完成焊接作业，此时焊接主机器人2停止移动，而焊枪11移动全由焊枪位姿控制机构来完成；

S8.一旦完成膜式壁1的钢管201异形缺口204结构位置的焊接工作后，焊接主机器人2将重新切换回履带模式，并继续完成剩下的膜式壁1的钢管201未完成部分的焊接工作；

S9.当完成一列膜式壁1的钢管201的焊接工作后，焊接主机器人2在膜式壁1钢管201尽头，切换成步态模式，横跨至下一列钢管201，再次切换回履带行走模式，完成剩余的焊接任务；

S10.当焊接主机器人2完成膜式壁1的钢管201一半的焊接任务后，在掉头时，控制单元22将根据导入的膜式壁1图纸、激光雷达21和视觉感知模组16共同计算路径，在膜式壁1外围运动至另一侧，并实时保持焊接保障从机器人3与焊接主机器人2的相对距离；

S11.当所有焊接任务执行结束后，关闭焊接设备，并控制焊接主机器人2和焊接保障从机器人3驱动至作业区外。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明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它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种膜式壁专用焊接机器人系统，包括焊接主机器人、焊接保障从机器人和控制单元，所述焊接保障从机器人用于承载重型焊接设备，控制单元控制焊接主机器人、焊接保障从机器人协调工作；其特征在于：

所述焊接主机器人包括有复合履带小腿、足式机器人、焊枪位姿控制机构、焊枪固定座和焊枪；所述复合履带小腿位于足式机器人大腿末端，所述复合履带小腿与所述足式机器人大腿连接，所述复合履带小腿为膜式壁专用焊接机器人提供步态模式和履带模式两种运动模式，所述焊枪位姿控制机构位于足式机器人背部，所述焊枪固定座位于焊枪位姿控制机构末端，所述焊枪固定在焊枪固定座上；

所述复合履带小腿内部还设有传动切换离合装置，所述足式机器人大腿前端设置有小腿驱动电机，传动切换离合装置与小腿驱动电机之间通过同步带连接，传动切换离合装置内部设有电磁铁、同步带轮、履带驱动轮和花键轴，复合履带小腿内通过多个转轴和履带驱动轮安装履带，履带驱动轮与同步带轮为同一轴心；传动切换离合装置通过两侧电磁铁吸附花键轴的移动，控制花键轴与同步带轮或复合履带小腿结合与否来实现行进模式的切换；所述传动切换离合装置负责动力传输与切换，从而实现步态模式和履带模式的切换，所述步态模式适用于跨越膜式壁上钢管的异形缺口结构以及履带模式无法通过的位置，履带模式适用于将所述焊接主机器人在膜式壁表面沿表面焊缝平稳移动。

2.根据权利要求1所述的一种膜式壁专用焊接机器人系统，其特征在于，包括用于承载重型焊接设备的焊接保障从机器人，所述焊接保障从机器人与焊接主机器人通过柔性复合电缆连接，所述柔性复合电缆包括用于传输焊接电流的电线、用于输送焊接保护气体的气体管路和用于控制的信号线。

3.根据权利要求2所述的一种膜式壁专用焊接机器人系统，其特征在于，所述焊接保障从机器人包括移动底盘机构、焊机、焊接保护气体气瓶和送丝机，所述焊机、焊接保护气体气瓶、送丝机均设置在移动底盘机构上，所述焊接保护气体气瓶搭载焊接保护气体，所述送丝机搭载焊丝并将焊丝输送给所述焊接主机器人，所述移动底盘机构用于驱动焊接保障从机器人在膜式壁外运动。

4.根据权利要求2所述的一种膜式壁专用焊接机器人系统，其特征在于，所述控制单元分别与所述焊接主机器人和所述焊接保障从机器人电性连接，用于分别控制所述焊接主机器人在膜式壁的表面切换行走模式、沿焊缝移动以及焊枪位姿的调整，控制所述焊接保障从机器人在膜式壁周边伴随所述焊接主机器人行走。

5.根据权利要求1所述的一种膜式壁专用焊接机器人系统，其特征在于，焊接主机器人还包括有传感模块，传感模块与控制单元电性连接，用于跟踪焊缝轨迹并感知焊接主机器人相对于膜式壁和焊机的位置、监测焊缝的焊接质量和对焊缝焊接热变形进行纠偏并进行跟踪焊接。

6.根据权利要求1所述的一种膜式壁专用焊接机器人系统，其特征在于，所述焊枪位姿控制机构，包括第一转轴、第二转轴臂、第三转轴臂、第四转轴臂、焊枪水平滑轨和焊枪固定座，所述第一转轴、第二转轴臂、第三转轴臂、第四转轴臂、焊枪水平滑轨和焊枪固定座依次串联，所述焊枪安装在所述焊枪固定座上，所述焊枪固定座安装在焊枪水平滑轨上：所述第一转轴用于调整当焊接主机器人行走时焊枪的方向；所述第二转轴臂和第三转轴臂用于调整焊枪离焊缝的高度的距离；所述第四转轴臂用于调整焊枪的俯仰角度；所述焊枪水平滑轨用于在沿焊缝轨迹焊接时调整焊枪的相对于焊缝的水平横向位移。

7.根据权利要求1所述的一种膜式壁专用焊接机器人系统，其特征在于，所述焊接主机器人中还设置有视觉感知模组，视觉感知模组包含超声波距离传感器、定位装置和深度视觉相机，超声波距离传感器、定位装置和深度视觉相机集成在同一外壳内，所述视觉感知模组安装于所述足式机器人背部前端，所述超声波距离传感器和深度视觉相机用于识别焊接路径上的障碍和膜式壁的钢管异形缺口，所述定位装置用于感知当前与焊接保障从机器人的相对位置；所述视觉感知模组与控制单元电连接。

8.根据权利要求1所述的一种膜式壁专用焊接机器人系统，其特征在于，所述膜式壁专用焊接机器人系统还包括有无线收发器和远程遥控终端，所述无线收发器与所述控制单元电性连接，所述远程遥控终端通过所述无线收发器发送控制信号给所述控制单元，用于控制膜式壁专用焊接机器人系统和焊接参数设定。

9.一种膜式壁专用焊接机器人焊接方法，采用权利要求1-8任意一项所述的膜式壁专用焊接机器人系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1.操作人员将焊接主机器人放到膜式壁上，将焊接保障从机器人放到膜式壁周边，通过远程遥控终端设定好相关焊接参数并导入待焊接的膜式壁图纸；

S2.在焊接主机器人和焊接保障从机器人之间连接好柔性复合电缆；

S3.焊接主机器人以步态模式行进至需焊接的膜式壁的钢管表面，下蹲使复合履带小腿的履带贴合焊接扁钢表面，通过传动切换离合装置切换焊接主机器人的行走模式；

S4.对焊缝进行识别，传递信息给控制单元并分析焊枪姿态，展开焊枪位姿控制机构，使焊枪贴近焊缝表面；对焊接路径上的障碍和膜式壁的钢管异形缺口进行实时扫描记录，并反馈给控制单元，与导入的膜式壁图纸进行对比，自动规划路径和行进方式；

S5.启用焊接主机器人，并发送运动指令以启动焊接工作；焊接保障从机器人将跟随焊接主机器人运动，并实时保持相对距离；

S6.焊接主机器人行走焊接过一个身位后，暂停当前焊接工作，记录当前焊接的位置，机械臂从前向后旋转，对初始身位未焊接的焊缝进行焊接，直到初始身位的焊缝完成焊接之后，重回到记录焊接的位置继续进行完成焊接任务；

S7.焊接主机器人焊接到达膜式壁的钢管异形位置，此时中断焊接并记录当前中断焊接焊缝的位置信息；随后，焊接主机器人通过传动切换离合装置切换成步态模式，步态模式行进到钢材异形缺口内，自动寻找机身平衡点后，控制焊枪位姿控制机构回转焊枪到中断焊缝焊接位置，继续完成焊接作业，此时焊接主机器人停止移动，而焊枪移动全由焊枪位姿控制机构来完成；

S8.一旦完成膜式壁的钢管异形缺口结构位置的焊接工作后，焊接主机器人重新切换回履带模式，并继续完成剩下的膜式壁的钢管未完成部分的焊接工作；

S9.当完成一列膜式壁的钢管的焊接工作后，焊接主机器人在膜式壁的钢管尽头，切换成步态模式，横跨至下一列钢管，再次切换回履带行走模式，完成剩余的焊接任务；

S10.当焊接主机器人完成膜式壁的钢管一半的焊接任务后，在掉头时，控制单元计算路径，在膜式壁外围运动至另一侧，并实时保持焊接保障从机器人与焊接主机器人的相对距离；

S11.当所有焊接任务执行结束后，关闭焊接设备，并控制焊接主机器人和焊接保障从机器人驱动至作业区外。