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一种基于 仿生学的新型焊枪

阅读：894发布：2020-05-16

专利汇可以提供一种基于仿生学的新型焊枪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公布了一种基于仿生学新型焊枪，实现方式是采用拉线机构设计，电机作为动力元件，通过仿生学原理，模拟人的手这一生理结构，设计了一款仿生焊枪，使在全位置焊接中尤其是在相贯线这种特殊的焊接任务情况下，能够较好的实现对焊接中工作角和行走角的实时调节，实现对焊接的姿态调节，并且工作角和行走角的调节机构互不影响，能够协同的对焊接姿态进行调节。本发明能够实现焊枪的自动调节功能并且提高焊接效率，如若跟工业机器人结合使用能够有效减少传统工业机器人的系统惯量，增强其系统的动力性能。，下面是一种基于仿生学的新型焊枪专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于仿生学的焊枪，采用拉线机构设计，其特征在于:其包括有动力机构一，动力机构二，焊接工作角调节机构和焊接行走角调节机构；所述的动力机构一包括电机I (16)、轴端固定帽(20)、滚线轮I (19)以及柔性绳索I(18)和电机固定座I (17);电机I (16)穿过电机固定座I (17)的中孔，通过紧顶螺栓将电机I (16)固定，电机I (16)的电机轴穿过滚线轮I (19)的中心孔，并且轴端部进入到轴端固定帽(20)，轴端固定帽(20)固定在近指节(4)上，通过紧顶螺栓将滚线轮I (19)与电机I (16)的轴端紧固在一起，柔性绳索一端紧固在滚线轮I (19)上；所述的动力机构二包括电机II (11)、电机固定座II (12)、滚线轮轴II (33)、涨紧轮I(15)、涨紧轮II (40)和柔性绳索II (14)，电机II (11)穿过电机固定座II (12)的孔，通过紧顶螺丝将电机II (11)固定在电机固定座II (12)上，电机II (11)的轴端穿过滚线轮轴II(33)的轴端的安装孔中，使用紧顶螺丝将其与电机II (12)的轴端固定住，滚线轮轴II (33)上的滚线轮II (32)使柔性绳索II (14)的两端缠绕在滚线轮II (32)两端处，并且按照左右旋向不同的缠绕方式缠在滚线轮II (32)上；所述的焊接工作角调节机构，采用仿生手指样式，包括近指节(I )、中指节(3)、远指节(4)、柔性绳索I (18)、内骨弹簧(23)、连接轴销(22)和近指节固定座(21)。近指节(I)与中指节(3)通过连接轴销(22)连接在一块，并且在连接部形成转动副，中指节(3)与远指节(4)通过连接轴销(22)连接在一块，并在连接部形成转动副，内骨弹簧(23)穿过近指节(I)、中指节(3)和远指节(4)的中空腔体使近指节(I)、中指节(3)和远指节(4)形成一个整体，柔性绳索I (1 8)穿过中指节(3)、近指节(I)和远指节(4)上的滑扣孔，并将柔性绳索I (18)的一端与远指节(4)上的滑扣孔紧固在一块，柔性绳索I (18)的另一端固定在滚线轮I (19)上，并缠绕在滚线轮I (19)上；所述焊接行走角调节机构，采用弧形轨道仿照手腕，包括滑道板I (9)、滑道板II (6)、轨道滑块(8)、支撑轴(36)，滚动轴承I (37)、滑道板支柱I (29)、滑道板支柱II (30)、滑道板支柱III(13)、涨紧轮柱I (27)、涨紧轮柱II (10)和支撑板I (5)、支撑板II (7)、支撑板III(28)组成。滑道板I (9)与滑道板II (6)平行放置，滑道板支柱I (29)、滑道板支柱II (30)、滑道板支柱111(13)成三角状放置于滑道板I (9)和滑道板II (6)之间起到固定支撑两板的作用，使用支撑板I (5)、支撑板II (7)、支撑板III (28)放置在滑道板I (9)和滑道板II (6)的端部起到加固作用，将轨道滑块(8)放置在滑道板I (9)和滑道板II (6)的弧形道上，四根支撑轴I (36)穿过轨道滑块(8)上的安装孔并将两个滚动轴承I (37)分别安装在相各个支撑轴的两端，实现轨道滑块(8)沿着垂直于滑道板I (9)和滑道板II (6)的方向固定，轨道滑块(8)的一端连接柔性绳索II (14)，另一端连接工作角调节机构；动力机构一中的电机I (16)固定在电机固定座I (17),电机固定座I (17)固定在工作角调节机构的近指节固定座(21)上，动力机构二上的电机II (11)固定在电机固定座II(12)上，电机固定座II (12)固定在行走角调节机构的滑道板I (6)上，通过近指节固定座(21)固定在行走角调节机构的轨道滑块(8)上将两调节机构形成一体。
2.根据权利要求1所述的一种仿生手指焊接装置的动力机构II，其特征在于:所缠绕在滚线轮II (32)上的绳索，一端是右旋缠绕着，另一端是左旋缠绕着，将绳索的两端固定在滚线轮II (32)的两端，绳索一端按右旋缠绕在滚线轮II (32)的一端，绳索另一端按左旋缠绕在滚线轮II (32)的另一端，滚线轮轴II (33)与滚线轮II (32)结合，当电机II (11)带动滚线轮轴II (33)旋转时，滚线轮II (32)的一端实现缠线而另一端实现放线。
3.根据权利要求1所述的一种仿生手指焊接装置的焊接行走角调节机构，其特征在于:将四根支撑轴1 (36)安装在轨道滑块(8)上的四个孔中，四个孔分布在轨道滑块(8)上的两根滑块轴上，其中在轨道滑块(8)同一滑块轴上的两个孔的轴线平行，与轨道滑块(8)上相对应的滑块轴上的孔的轴线形成30度夹角，两根支撑轴I (36)安装后位于滑道板II(6)的一面，另两根支撑轴I (36)安装后位于滑道板II (6)的相对面，支撑轴I (36)的两端按照滚动轴承I (37)、轴肩(38)、螺母(39)的顺序安装在支撑轴I (36)的两端，滑道板II (6)被四根支撑轴I (37)轴端的滚动轴承I (37)径向夹持，并能够沿滑道板II (6)上发生相对滚动。
4.根据权利要求1所述的一种仿生手指焊接装置的焊接工作角调节机构，其特征在于:所实现原理通过缠绕柔性绳索1(18)，实现绳索长度变化从而拉动三指关节发生有序摆动，实现焊接工作角的调节。
5.根据权利要求1所述的一种仿生手指焊接装置的焊接工作角调节机构，其特征在于:远指节(I)的末端是实施焊接的位置。

说明书全文

一种基于仿生学的新型焊枪技术领域

[0001] 本发明涉及一种焊接工具，尤其涉及一种新型焊枪。

背景技术

[0002] 在大型压力容器和管道工程应用中，相贯线焊缝是一种十分常见的典型焊缝形式。相贯线焊缝是一种全位置形式的空间曲线焊缝，并且这种复杂的空间曲线焊缝在焊接过程中焊缝姿态时刻处于变化过程中，因此要保证相贯线焊缝的焊接质量，在焊接过程中不但要控制焊枪端点的轨迹，而且要使焊枪的姿态和焊缝的姿态相匹配。

[0003] 传统的工业焊接机器人都是采用的关节型的串联式机器人，为了在全位置焊接中实现对焊枪的姿态进行实时调节和控制，就需要对串联机器人的各个关节实时协同调节和控制，来实现焊枪末端姿态的调节，系统的惯量较大，能量利用率较低。

[0004] 随着生产的需要和科学技术的发展，从20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究，促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而是可以做到的事实将生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。

[0005] 发明专利号为CN 101797753 A的专利公开了一腱绳并联灵巧欠驱动仿生机器人手指装置，属于拟人机器人技术领域，该装置利用电机、绳轮、腱绳和复位弹簧件综合实现手指初始构型可变与自适应抓取相结合的特殊效果。

[0006] 现有的焊枪设备，由于其自身的整体性来言，不能够实现自适应调节来实现在空间复杂曲线的焊接中，工作角和行走角的灵活调节，需要进行人工焊接或者外加的配套机构来完成相应位姿的调节功能。所以出现设备成本高，焊接质量不理想等问题，在传统的串联型机器人焊接中，为了实现执行段的姿态调节，需要通过各个关节的电机协同运动才能实现位姿的调节，使系统的整体惯量较大，动力性能较低，能量的有效利用率较低。

发明内容

[0007] 为了解决在全位置焊接过程中，对焊枪的工作角和行走角的实时自动控制和调节，降低传统型串联式工业机器人在焊接时姿态调节时的系统惯量，提高整体系统的机动性，提高能量的有效利用率等问题。本发明提供了一种仿生手指焊枪，它的动力系统功耗低，能够在全位置焊接过程中实时的对焊枪姿态进行调节和控制，若作为传统的串联型工业机器人的执行末端，可以有效的减少系统的负载和惯性，有效提高系统的机动性能。同时本机构的结构较为简洁，质量较为轻便，大小适中，通过协同调节可以对焊枪的工作角和行走角实时控制调节。

[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

[0009] 一种仿生手指焊枪，其主要包括:[0010] 两动力机构，动力机构一包括电机I 16、轴端固定帽20、滚线轮I 19以及柔性绳索I 18和电机固定座I 17。电机I 16穿过电机固定座I 17的中孔，通过紧顶螺栓将电机I 16固定，电机I 16的电机轴穿过滚线轮I 19的中心孔，并且轴端部进入到轴端固定帽20，轴端固定帽20固定在近指节4上，通过紧顶螺栓将滚线轮I 19与电机I 16的轴端紧固在一起，柔性绳索I 18—端紧固在滚线轮I 19上；

[0011] 动力机构二包括电机II 11、电机固定座II 12、滚线轮轴II 33、涨紧轮I 15、涨紧轮II 40和柔性绳索II 14，电机II 11穿过电机固定座II 12的孔，通过紧顶螺丝将电机II 11固定在电机固定座II 12上，电机II 11的轴端穿过滚线轮轴II 33的轴端的安装孔中，使用紧顶螺丝将其与电机II 12的轴端固定住，滚线轮轴II 33上的滚线轮II 32使柔性绳索II 14的两端缠绕在其两端处，并且按照左右旋向不同的缠绕方式缠在滚线轮II 32上。

[0012] 所述的焊接工作角调节机构，采用仿生手指样式，包括近指节1、中指节3、远指节4、柔性绳索I 18、内骨弹簧23、连接轴销22和近指节固定座21。近指节I与中指节3通过连接轴销22连接在一块，并且在连接部形成转动副，中指节3与远指节4通过连接轴销22连接在一块，并在连接部形成转动副，内骨弹簧23穿过近指节1、中指节3和远指节4的中空腔体使近指节1、中指节3和远指节4形成一个整体,柔性绳索I 18穿过中指节3、近指节I和远指节4上的滑扣孔，并将柔性绳索I 18的一端与远指节4上的滑扣孔紧固在一块，柔性绳索I 18的另一端固定在滚线轮I 19上，并缠绕在滚线轮I 19上；

[0013] 所述焊接行走角调节机构，采用弧形轨道仿照手腕，包括滑道板I 9、滑道板II 6、轨道滑块8、支撑轴36，滚动轴承I 37、滑道板支柱I 29、滑道板支柱II 30、滑道板支柱III13、涨紧轮柱I 27、涨紧轮柱II 10和支撑板I 5、支撑板II 7、支撑板III 28组成。滑道板I 9与滑道板II 6平行放置，滑道板支柱I 29、滑道板支柱II 30、滑道板支柱III 13成三角状放置于滑道板I 9和滑道板II 6之间起到固定支撑两板的作用，使用支撑板I 5、支撑板
II 7、支撑板III 28放置在滑道板I 9和滑道板II 6的端部起到加固作用，将轨道滑块8放置在滑道板I 9和滑道板II 6的弧形道上，四根支撑轴I 36穿过轨道滑块8上的安装孔并将两个滚动轴承I 37分别安装在相各个支撑轴的两端，实现轨道滑块8沿着垂直于滑道板
I 9和滑道板II 6的方向固定，轨道滑块8的一端连接柔性绳索II 14，另一端连接工作角调节机构；

[0014] 本发明采用电机作为动力元件，并且利用电机直接带动缠线轮进行驱动。作为本发明的优选方案，本机构所选用的电机采用伺服电机，其自身具有电流反馈、转速反馈与位置反馈功能，提高了控制的准确性与稳定性，并且其还具有自锁功能，可以使恢复力弹簧保持形变，使机构能够保持其相应的姿态。其有益效果是机械结构简洁，提高系统的能量利用率，提高动力机构控制的精确性。

[0015] 本发明指套筒内部采用的弹簧为恢复力弹簧，弹簧的质量轻，可控制性较强，可在任意时刻进行形变。增加了动力机构可控制性。

[0016] 本发明中的行走角调节机构中的动力机构二对应的滚线轮II 32和柔性绳索II 14，滚线轮II 32缠绕线的方式为两端采用左右旋向的不同方式，即柔性绳索II 14的一端左旋的缠绕在滚线轮II 32的一端，柔性绳索II 14的另一端右旋的缠绕在滚线轮II 32的另一端上，当电机左旋转时一端为缠绕线，另一端就会放线。此时就会拖动工作角调节机构在相应的滑道上运动。其有益效果，可以增强行走角调节的准确性，从而增强焊接的精度。[0017] 本发明中固定轨道滑块8的两端安装有四根定位用支撑轴I 36，并且定位用的支撑轴I 36两端都安装有滚动轴承I 37，保证轨道滑块8在滑动时可以在较小的摩擦力的情况下进行。其有益效果为使其调节机构在进行调节运动时更加稳定，增强了系统的稳定性。

[0018] 在本发明的远指节内安装有配气筛26，导电嘴34，连接柱25，密封盖24、喷嘴35以及保护气接口，使整个系统组成一个有机的整体，能够较高质量的完成相应的运动调节任务。

[0019] 本发明工作时，具体过程如下:

[0020] 1、焊接中工作角调节阶段:在全位置焊接过程中，当焊枪的工作角需要调节时，通过电机I 16的旋转，驱动滚线轮I 19旋转运动，由于柔性绳索I 18的一端固定在滚线轮I 19上，其另一端固定在远指节I上的滑孔上，并且穿过中指节3和近指节4上的滑孔，并且其三指节的内腔中贯穿一提供恢复力的内骨弹簧23。当电机I 16缠绕柔性绳索I 18时，由于附着在三指节上的柔性绳索I 18长度的变化，会带动中指节和远指节进行摆动，焊枪位于远指节的内部，焊接所要求的焊接工作角就会发生变化，直至达到所要求范围能，停止调节。

[0021] 2、焊接中行走角调节阶段:全位置焊接中，调节焊枪的行走角时，电机II 11驱动滚线轮轴II 33，由于柔性绳索II 14的两端都缠绕在滚线轮II 32上，并且一端为右旋缠绕时，另一端是左旋缠绕，通过涨紧轮的涨紧作用使柔性绳索II 14处于涨紧状态，柔性绳索II 14的中段部分需要紧固在轨道滑块8上面，当滚线轮轴II 33旋转时，此时滚线轮II 32上所缠绕的柔性绳索II 14的一端会缠绕运动，其相对的另一端缠绕的柔性绳索II 14就会放线，因此轨道滑块8就会在滑道板I 9、滑道板II 6上的弧形滑道中运动，当电机旋转方向变化，轨道滑块8的运动方向也会发生变化。

[0022] 本发明与现有的设备相比，可以取得如下有益效果:

[0023] 本发明采用电机驱动机构，因此在焊接过程中可以实时的对受控对象进行调节，提高了工作效率，并提高了焊接质量；由于轨道滑块8安装了四根定位用支撑轴I 36，并且四根轴的两端都安装了滚动轴承I 37，使其在系统在调节运动过程中平稳滑动，增强了系统在焊接过程中的稳定性；由于柔性绳索II 14的两端在滚线轮II 32上采用的绕线方式采用的是左右旋向不同的旋转方式，增强行走角调节的准确性，从而提高了焊接的精度。附图说明:

[0024] 图1:一种仿生手指焊枪结构示意图

[0025] 图2:相贯线焊接中的工作角和行走角

[0026] 图3:工作角调节机构

[0027] 图4:行走角调节机构

[0028] 图5:行走角调节机构中柔性绳索缠绕方式

[0029] 图6:走角调节机构的内部结构示意图

[0030] 图7:轨道滑块结构部件示意图

[0031] 图8:远指节结构示意图

[0032] 图中:I远指节、2连接轴销、3中指节、4近指节、5支撑板1、6滑道板I1、7支撑板I1、8轨道滑块、9滑道板1、10涨紧轮柱I1、11电机I1、12电机固定座I1、13滑道板支柱II1、14柔性绳索I1、15涨紧轮1、16电机1、17电机固定座1、18柔性绳索1、19滚线轮1、20轴端固定帽、21近指节固定座、22连接轴销、23内骨弹簧、24密封盖、25连接柱、26配气筛、27涨紧轮柱1、28支撑板IIK29滑道板支柱1、30滑道板支柱11、31滚动轴承、32滚线轮
II >33滚线轮轴I1、34导电嘴、35喷嘴、36支撑轴、37滚动轴承1、38轴肩、39螺母、40涨紧轮II

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明

[0034] 如图1所示，本发明的一种仿生手指焊枪，动力机构一，主要包括电机固定座I 17、电机I 16、柔性绳索I 18，通过柔性绳索I 18将近指节4、远指节1、中指节3连接成一个整体部件；动力机构二，主要包括电机固定座II 12、电机II 11、滑道板II 6、滑道板I 9、轨道滑块8和柔性绳索II 14。通过滑道板II 6和滑道板I 9上的弧形滑道将轨道滑块8导向，由柔性绳索II 14将轨道滑块8进行运动上的拖拉。通过这两部分的协调调节来进行在全位置焊接中和相贯线焊接中工作角和行走角的调节，如图2所示。

[0035] 如图3所示，工作角调节机构的视图，电机I 16的机身固定在电机固定座17 I上，电机I 16轴端穿过滚线轮I 19联接在轴端固定帽20，轴端固定帽20固定在近指节4，电机固定座I 17和近指节4安装在近指节固定座21上，远指节1、中指节3和近指节4通过连接轴销22铰接在一起，内骨弹簧23穿通三个指的内腔，柔性绳索I 18 —端联接并缠绕在滚线轮I 19上，另一端穿过三个指节上的滑孔并最终固定在远指节的滑孔上，当电机I 16旋转时，带动滚线轮I 19缠绕或放出柔性绳索I 18实现三指节的位置变化。远指节的内部整合有密封盖24、连接柱25和配气筛26组成焊接执行器。

[0036] 图4与图6所示行走角的调节机构，滑道板II 6和滑道板I 9通过滑道板支柱I 29、滑道板支柱III13、滑道板支柱II 30、涨紧轮柱I 27、涨紧轮柱II 10、支撑板I 5、支撑板II 7和支撑板III28将两滑道板固定成平行的机架，轨道滑块8安装在滑道板I 9、滑道板
II 6上的弧形轨道里，通过柔性绳索II 14的拖拉实现移动。电机II 11安装在电机固定座
II 12并固定在滑道板I 9上。电机II 11的轴端安装在滚线轮轴II 33的连接孔里，滚线轮轴II 33通过滚动轴承31固定在滑道板I 9上，穿过滚线轮32实现调节柔性绳索II 14的位移，通过电机的旋转就能够实现柔性绳索II 14两端缠绕在滚线轮32的绳长，因为通过如图5所示的缠绕方式，可以实现一端在缠绕时另一端在放长绳索，从而能够实现拖拉轨道滑块8的运动。

[0037] 图7所示，轨道滑块8的结构，轨道滑块8由两个滑块轴呈一定弧度的安装在一块底板上，在两个滑块轴上分辨安装了四根支撑轴I 36，并且其轴线的方向同时指向轨道滑块的弧度圆心上。在每根支撑柱I 36上分别对称安装有滚动轴承I 37、轴肩38和紧固螺母39。安装布局方式如图7所示。

[0038] 图8所示，为远指节内部的焊接原理结构，导电嘴34安装在连接柱25 —端，连接柱25的另一端连接未来要连接到外接通过密封盖24的中心孔的焊丝连接管，连接柱25通过螺纹连接在配气筛26的内螺纹孔上，配气筛26通过外圆柱上的螺纹连接在远指节I的内腔上，密封盖24通过外径上的螺纹安装在远指节I的内腔上，当保护气通过远指节I上的通气孔接通时，就会均匀的分布在导电嘴34的周围实现较高质量的焊接。

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