本发明属于智能加工机器人领域，涉及一种窄口深腔筒体自适应智能加工机器人。
背景技术：
1、窄口深腔类筒体零件因具有比强度高、承载力大、重量轻等优点被广泛应用于能源运输、化学工业以及航空航天等多个领域。这类零件内部中空，端部结构尺寸明显小于主体腔室，且筒体内部有焊接、钻孔和打磨等多种加工需求。
2、窄口深腔类筒体因筒体入口小，一般的工业机器人、机床设备受尺寸限制难以进入，故现有的加工工艺为：工人手持加工工具钻入筒体内部进行加工。这一过程中工人不仅劳动强度较高，而且操作空间有限使得加工难度高、危险系数高，不利于工人的人身安全。设计一种筒体内移动式机器人进行加工是可行的解决途径。这类能够进行窄口深腔类筒体内智能加工的机器人设计难点在于：(1)筒体入口直径小，内部腔室直径大，对机器人的运动和加工机构都提出了苛刻要求，需要在能进入窄口的情况下，还要适应内部的大直径，实现高刚度支撑。(2)在大范围变径情况下，还需要满足各种高质量的加工需要，对机器人保证高强度支撑和高精度的加工机构提出了挑战。故设计一种筒体内移动加工机器人很有必要。
3、当前已有学者对筒体内移动加工机器人设计进行了探索。王岳飞等人在申请号为202120866545.6的中国发明专利中公开了一种用于管道内壁抛光的机器人，该机器人的移动机构为柔性半自动机构，非工作状态下机器人尺寸相对小，适应于多种直径的管道内壁。虽然该机器人能够进入窄口筒体，但该机器人变径的执行装置为弹簧，对于较大腔室容易出现支撑力不足导致加工精度降低的问题；范振昌等人在申请号为201910361036.5的中国发明专利中公开了一种管道打磨移动机器人，该机器人可以通过外接脚轮和中心转盘适应不同管径的管道内壁打磨，并且可以通过链传动驱动筒体进行公转和自转，从而实现了管道内壁的全打磨。但该种机器人在筒体直径变化时，需要人工更换外接脚轮和不同长度的链条，加工效率较低。综上两种机器人均无法满足窄口深腔筒体多种高质量的加工需求。
技术实现思路
1、本发明针对窄口深腔的不同直径筒体内多种加工需求难题，提供了一种窄口深腔筒体自适应智能加工机器人，是一种可以适应大变径比、窄口深腔筒体智能加工的移动加工机器人。设计了行走变径机构，可以随筒体内壁变化调整机器人位姿并实现高刚度支撑，解决了机器人行走机构在大直径腔室内变径以及高刚度支撑的难题；设计了具有折展功能的折展式加工机构，可以以闭合姿态通过较小入口的筒体并在较大腔室内实现展开，从而对筒体内壁进行加工，解决了管道机器人进入窄口筒体和高精度加工的难题。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
3、一种窄口深腔筒体自适应智能加工机器人，所述的机器人包括机器人外壳1、行走变径机构2、三轴运动机构3、折展式加工机构4；所述机器人外壳1为机器人的结构件，用于电机、气缸等的安装；所述行走变径机构2，实现了机器人在筒体内壁行走、姿态调整并实现高刚性支撑；所述三轴运动机构3可以实现机器人在筒体内轴向、回转及径向三个方向的运动；折展式加工机构4可以实现双加工机构的折展，进入窄口筒体，完成变径筒体内部的各种加工需求。
4、所述机器人外壳1包括壳体1.1、出入库连接座1.2、连接座支撑板1.3、轴向电机安装板1.4、中车板1.5、隔套1.6，作为机器人的结构件，用于其他部件的安装。
5、所述的行走变径机构2共有结构相同的三组，相隔120°沿机器人外壳1周向分布，每组行走变径机构2包括气缸2.1、气缸连接头2.2、导向杆2.3、连杆2.4、车板2.5、车轴2.6、车轮2.7、伺服电机2.8、减速机2.9、锥齿轮2.10和深沟球轴承2.11；所述气缸2.1固定安装在机器人外壳1上，气缸2.1一端伸出活塞杆；所述气缸连接头2.2设置在活塞杆的端部，并与导向杆2.3一端固定连接，导向杆2.3另一端与连杆2.4中部转动连接，用于传递气缸2.1的动力；所述连杆2.4一端通过深沟球轴承2.11转动连接在壳体1.1上，另一连杆2.4位于气缸2.1的另一侧，其一端通过另一深沟球轴承2.11转动连接在壳体1.1上，两个连杆2.4的另一端分别安装在车板2.5的前、后端；所述车板2.5前后均安装有车轴2.6，每个车轴2.6两端均安装有车轮2.7；所述伺服电机2.8、减速机2.9固定在车板2.5上，二者配合通过锥齿轮2.10与一端的车轴2.6连接，提供动力；气缸2.1控制活塞杆做伸缩运动，进而控制车板2.5伸出或收缩，实现机器人在筒体内柔性行走。
6、所述三轴运动机构3包括轴向运动结构、回转运动结构和径向运动结构，用于实现机器人轴向、回转和径向三个方向的自由度。
7、所述折展式加工机构4包括工具安装架4.1、电磁铁4.2、驱动电机4.3、减速机4.4、同步齿形带4.5、加工工具4.6、附加工装4.7、测量装置4.8、工业相机4.9。所述工具安装架4.1共设结构相同的两个，为条形支架，其一端对称布置在三轴运动机构3前端，且二者能够绕该端旋转，实现展开与收拢，该端还设有同步带轮；所述电磁铁4.2安装于工具安装架4.1旁的三轴运动机构3上，与工具安装架4.1通过磁力配合，实现工具安装架4.1展开至工作位姿的定位和自锁；所述驱动电机4.3安装在电机安装座上，该电机安装座固定安装在两个工具安装架4.1之间的三轴运动机构3上，驱动电机4.3作为工具安装架4.1进行折展运动的执行机构，其输出轴与减速机4.4连接；所述减速机4.4固定安装在电机安装座上，其输出轴通过键与另一同步带轮连接，带动该同步带轮旋转，该同步带轮与两个工具安装架4.1上的同步带轮配合，从而带动两个工具安装架4.1旋转，实现展开和收拢；所述加工工具4.6分别安装在两个工具安装架4.1的另一端上，随工具安装架4.1展开与收拢；所述附加工装4.7分别通过一定配合安装在加工工具4.6上，根据需要更换不同功能的附加工装4.7；所述测量装置4.8和工业相机4.9安装在一侧的工具安装架4.1上，分别用于对筒体内壁进行非接触式测量和实现对加工过程的实时监控。
8、所述的机器人具体结构如下：
9、所述机器人外壳1包括壳体1.1、出入库连接座1.2、连接座支撑板1.3、轴向电机安装板1.4、中车板1.5、隔套1.6；所述壳体1.1为六棱柱薄壁结构，其外壁相隔120°设有三个气缸安装槽，定义折展式加工机构4所在方向为机器人前侧；所述出入库连接座1.2通过螺钉安装在壳体1.1的后侧，为圆柱薄壁结构，其后端设有环形板状结构，用于通过销孔配合与协助机器人进出筒体的出入库装置连接；所述连接座支撑板1.3为环形板状结构，套在出入库连接座1.2的圆柱结构上，二者间隙配合，其通过螺钉安装在壳体1.1的内部，用于支撑出入库连接座1.2，其边缘处以中心为圆心间隔120°有三个通孔，用于机器人电机和传感器的线缆通过；所述轴向电机安装板1.4位于出入库连接座1.2前方，为中心制有通孔的圆形板状结构，通过螺钉固定在壳体1.1的内部，用于安装三轴运动机构3中的轴向伺服电机3.1；所述中车板1.5位于轴向电机安装板1.4前方，为中心制有通孔的圆形板状结构，通过螺钉固定在壳体1.1的内部，用于安装三轴运动机构3中的丝杠安装座3.2；所述隔套1.6为六棱柱薄壁结构，位于中车板1.5的前方，固定在壳体1.1内部，其外壁两端沿周向间隔120°设置有六个通孔，且两端通孔一一对应形成三组孔道。
10、所述的行走变径机构2共有结构相同的三组，每组行走变径机构2均包括气缸2.1、气缸连接头2.2、导向杆2.3、连杆2.4、车板2.5、车轴2.6、车轮2.7、伺服电机2.8、减速机2.9、锥齿轮2.10和深沟球轴承2.11；所述气缸2.1作为机器人变径的执行部件，通过控制高压气体压强，保证机器人在筒体内柔性行走，并与筒体内壁之间保持稳定的顶撑力，同时在加工时机器人能够保持高刚性状态，其固定安装在壳体1.1外壁上的气缸安装槽中，气缸2.1前端伸出活塞杆；所述气缸连接头2.2设置在活塞杆的端部，并通过销孔配合与导向杆2.3一端连接；所述导向杆2.3另一端通过销孔配合与连杆2.4中部转动连接，用于传递气缸2.1的动力；所述连杆2.4一端通过深沟球轴承2.11安装在壳体1.1上，另一连杆2.4位于气缸2.1的后侧，其一端通过另一深沟球轴承2.11安装在壳体1.1上，两个连杆2.4的另一端分别转动连接在车板2.5的前、后端；所述车板2.5为长方形板状结构，作为结构件，用于伺服电机2.8和车轴2.6的安装；所述车轴2.6包括前车轴和后车轴，分别通过另外的深沟球轴承2.11转动连接在车板2.5上；所述车轮2.7共有四个，分为两组，每组两个通过深沟球轴承2.11安装在两根车轴2.6上，采用双排轮的分布式驱动结构有利于增加机器人与筒体之间的摩擦力，确保机器人行走的稳定性，同时由于筒体为薄壁结构，双排轮分布驱动结构也有利于减少筒体在机器人作用下的几何变形；所述伺服电机2.8固定在车板2.5上，为机器人的行走提供前进的动力，其输出轴与减速机2.9连接；减速机2.9固定在车板2.5上，其输出轴通过键与连接轴连接，连接轴通过锥齿轮2.10与其中一个车轴2.6连接；气缸2.1控制活塞杆做伸缩运动，进而控制车板2.5伸出或收缩，实现机器人在筒体内柔性行走。
11、所述三轴运动机构3具有轴向移动、回转和径向移动三个自由度，包括轴向运动结构、回转运动结构和径向运动结构，其中，轴向运动结构包括轴向伺服电机3.1、丝杠安装座3.2、丝杠3.3、丝杠螺母3.4，回转运动结构包括回转伺服电机3.5、导杆3.6、直线轴承3.7、回转轴承固定座3.8、回转电机安装座3.11、回转轴3.12、深沟球轴承3.13，径向运动结构包括底板3.9、滑板3.10、径向移动伺服电机3.14、减速机3.15、同步齿形带3.16、张紧轮3.17、丝杠3.18、丝杠安装座3.19a、丝杠安装座3.19b、丝母座3.20、导轨、滑块3.22a、滑块3.22b、挡板3.23a、挡板3.23b、光栅读数头3.24。所述轴向伺服电机3.1位于壳体1.1内，安装在轴向电机安装板1.4上，作为轴向运动的执行元件，轴向伺服电机3.1的输出轴穿过轴向电机安装板1.4的通孔，并通过联轴器与丝杠3.3的一端连接，进而驱动丝杠3.3旋转；所述丝杠安装座3.2固定在中车板1.5上，通过角接触球轴承和丝杠3.3中部连接，用于丝杠3.3的安装和支撑，丝杠3.3穿过丝杠安装座3.2和中车板1.5，其另一端通过丝杠螺母3.4安装在丝母座上，该丝母座安装在一三角薄板的后端面上，该三角薄板位于中车板1.5和隔套1.6之间，作为结构件，其前端面上安装回转电机安装座3.11，其边缘处间隔120°设3个通孔；所述回转伺服电机3.5安装在回转电机安装座3.11上，作为回转运动的执行部件，其前侧设法兰；回转轴3.12后端通过联轴器与回转伺服电机3.5的法兰连接，回转伺服电机3.5驱动回转轴3.12旋转，进而实现整个三轴运动机构3在筒体内的旋转，回转轴3.12前端穿过隔套1.6；所述直线轴承3.7共设3组，分别安装在隔套1.6后端的3个通孔中；所述导杆3.6共有三根，分别穿过3个直线轴承3.7和隔套1.6上的三组孔道，其后端固定在三角薄板的通孔中，前端通过螺钉固定在位于隔套1.6前侧的回转轴承固定座3.8上；所述深沟球轴承3.13外圈与回转轴承固定座3.8配合，内圈与回转轴3.12前端配合；所述底板3.9为长方形板状结构，通过螺钉与回转轴3.12的前端面连接，用于安装径向运动结构；所述导轨包括山形导轨3.21a和平导轨3.21b两部分，二者相对固定在底板3.9的两侧；所述滑块3.22a和滑块3.22b，分别与山形导轨3.21a和平导轨3.21b配合，二者固定在滑板3.10的两侧，使底板3.9与滑板3.10之间留有间隙，滑板3.10用于搭载折展式加工机构4，其能够沿导轨实现径向直线移动；所述挡板3.23a和挡板3.23b，分别安装在滑块3.22a和滑块3.22b上，用于防止滑板3.10沿着导轨径向直线移动时发生倾覆；所述径向移动伺服电机3.14位于底板3.9与滑板3.10之间，并固定在底板3.9上，其输出轴与减速机3.15连接，作为径向运动的执行元件；所述减速机3.15固定在底板3.9上，其输出轴通过同步齿形带3.16与丝杠3.18连接，用于驱动丝杠3.18旋转；所述的张紧轮3.17设置在同步齿形带3.16旁，用于调节同步齿形带3.16的松紧度，以确保其稳定性；所述丝杠3.18两端通过深沟球轴承安装在两个丝杠安装座3.19a、丝杠安装座3.19b上，使丝杠3.18能够在两个丝杠安装座内旋转，两个丝杠安装座固定在底板3.9上；所述丝母座3.20设置于两个丝杠安装座之间，固定连接在滑板3.10上，其与丝杠3.18配合，丝杠3.18旋转带动丝母座3.20沿丝杠3.18做直线移动，进而带动滑板3.10实现径向直线运动；所述光栅读数头3.24固定连接在底板3.9上，用于读取滑板3.10在径向运动时的位移数据；径向移动伺服电机3.14驱动丝杠3.18旋转，进而实现滑板3.10沿着导轨在筒体内径向移动，山形导轨3.21a和平导轨3.21b的组合使得滑板3.10只能沿着导轨方向移动。
12、所述折展式加工机构4包括工具安装架4.1、电磁铁4.2、驱动电机4.3、减速机4.4、同步齿形带4.5、加工工具4.6、附加工装4.7、测量装置4.8、工业相机4.9。所述工具安装架4.1共设结构相同的两个，为条形支架，二者一端对称布置在滑板3.10远离底板3.9的一侧，且二者能够绕该端旋转，实现展开与收拢，该端还设有同步带轮；所述电磁铁4.2安装于工具安装架4.1旁的滑板3.10上，与工具安装架4.1通过磁力配合，实现工具安装架4.1展开至工作位姿的定位和自锁；所述驱动电机4.3安装在电机安装座上，该电机安装座固定在滑板3.10上，驱动电机4.3作为工具安装架4.1进行折展运动的执行机构，其输出轴与减速机4.4连接；所述减速机4.4固定安装在电机安装座上，其输出轴通过键与另一同步带轮连接，带动该同步带轮旋转，该同步带轮与两个工具安装架4.1上的同步带轮配合，从而带动两个工具安装架4.1旋转，实现展开和收拢；所述加工工具4.6分别安装在两个工具安装架4.1的另一端上，随工具安装架4.1展开与收拢；所述附加工装4.7分别通过一定配合安装在加工工具4.6上，根据需要更换不同功能的附加工装4.7；所述测量装置4.8安装在测量装置安装架上，对筒体内壁进行非接触式测量，该测量装置安装架安装在一侧工具安装架4.1上；所述工业相机4.9安装在测量装置安装架上，实现对加工过程的实时监控。
13、本发明三轴运动机构3能够实现轴向移动、回转和径向移动三个自由度，具体如下：轴向伺服电机3.1驱动丝杠3.3旋转，丝杠3.3旋转驱动丝杠螺母3.4移动，这样固定在回转轴承固定座3.8上的三组导杆3.6沿着直线轴承3.7移动，实现三轴运动机构3的轴向移动；回转伺服电机3.5驱动回转轴3.12旋转，带动底板3.9旋转，实现三轴运动机构3的回转运动；径向移动伺服电机3.14驱动丝杠3.18旋转，滑板3.10沿着山形导轨3.21a和平导轨3.21b移动，实现三轴运动机构3的径向移动。
14、本发明的使用过程如下：
15、由出入库装置将机器人送入筒体内部，气缸2.1供气使其活塞杆伸出，推动导向杆2.3，带动连杆2.4运动，使三个车板2.5向筒壁靠近，直至车轮2.7与筒壁接触，记录此时气缸压力值为初始值，完成机器人在筒体内部展开。与此同时，驱动电机4.3驱动同步齿形带4.5转动，同时带动两个工具安装架4.1转动，当工具安装架4.1展开至工作位姿后，与滑板3.10上固定的电磁铁4.2吸附，达到展开时的自锁效果，机器人头部完成展开。此时机器人断开与出入库装置的连接，伺服电机2.8转动，通过减速机2.9和锥齿轮2.10将动力传递至车轮2.7，机器人在筒内前行，测量装置4.8在筒体内部收集信息。确认加工位置后，气缸2.1增大输出力，完成机器人在筒体内高刚性支撑。由三轴运动机构3提供的三个自由度接近加工位置，进行加工。加工完成后，电磁铁4.2断电，驱动电机4.3转动，通过减速机4.4和同步齿形带将旋转运动传递至两个工具安装架4.1，直至工具安装架4.1收拢至初始位置，气缸压力值调至初始值，机器人在筒体内后退，直至与出入库装置连接，气缸2.1压力值减小，使其活塞杆收缩，带动导向杆2.3、连杆2.4收缩，直至三组气动变径机构2恢复初始位置，由出入库装置将机器人带出筒体内部。
16、本发明的有益效果在于：
17、本发明设计的窄口深腔筒体自适应智能加工机器人，能够克服结构尺寸限制、刚度以及精度高要求的难题，实现窄口深腔筒体内焊缝的高质量加工。设计的气驱连杆式行走变径机构，气驱连杆式的机构能够自适应大范围变径；独立气缸控制实现支撑力的可控调整，实现了机器人在窄口深腔筒体内的变径行走以及高刚度支撑。设计的具有折展功能的折展式加工机构，可以以闭合姿态通过较小入口的筒体并在较大腔室内展开增大加工范围，由精密的三轴机构驱动，实现了机器人对窄口深腔筒体内焊缝区域的高精度加工。
1.一种窄口深腔筒体自适应智能加工机器人，其特征在于，所述的机器人包括机器人外壳(1)、行走变径机构(2)、三轴运动机构(3)、折展式加工机构(4)；
2.根据权利要求1所述的一种窄口深腔筒体自适应智能加工机器人，其特征在于，所述的机器人具体结构如下：
3.根据权利要求1所述的一种窄口深腔筒体自适应智能加工机器人，其特征在于，所述的附加工装(4.7)能够根据需要更换不同功能的工装。
4.根据权利要求1所述的一种窄口深腔筒体自适应智能加工机器人，其特征在于，所述的连接座支撑板(1.3)边缘处以中心为圆心间隔120°有三个通孔，用于机器人电机和传感器的线缆通过。
5.根据权利要求1所述的一种窄口深腔筒体自适应智能加工机器人，其特征在于，所述的同步齿形带(3.16)旁设有张紧轮(3.17)，用于调节同步齿形带(3.16)的松紧度，以确保其稳定性。
6.根据权利要求1所述的一种窄口深腔筒体自适应智能加工机器人，其特征在于，所述三轴运动机构(3)的底板(3.9)上还设有光栅读数头(3.24)，用于读取滑板(3.10)在径向运动时的位移数据。
