该水下机器人系统由爬行机构及其驱动电路、十字滑块机构及其驱动电路、PLC、人机界面、激光图像传感系统、焊接电源、排水罩及供气系统等构成。如图5-12大小为长宽高500mm×600mm×200mm采用小型排水罩式局部干法水下自动焊接方式，最大作业水深为15m，设计最高工作压力0．3MPa。（局部干法水下焊接：利用气体使焊接局部区域的水人为地被排开，从而形成一个局部的干气室进行焊接，保护气体为Ar或φ（Ar）98%＋φ（O2）2%，排水气体为Ar或φ（Ar）98%＋φ（O2）2%。）焊接时，首先激光图像传感系统从焊接现场获取焊缝的图像信息，图像由十字滑块控制系统进行处理，经过图像采集卡处理后的图像特征即焊缝的偏差（焊枪中心与焊缝中心的偏差）信号。然后依据焊缝偏差信号输出控制信号给十字滑块驱动器进行十字滑块的运动控制（使得焊枪中心与焊缝中心对齐，如果焊接刚刚开始则首先寻找焊缝初始点）。对其后十字滑块控制系统向PLC（主控制芯片，主要承担系统的所有逻辑控制、爬行小车的速度控制、焊接电源的送丝控制等）发出信号，而当PLC接受到信号后，供气系统为排水罩充气，开始排水。之后焊机开始工作，送丝机开始送丝，焊丝为水下专用焊丝。起弧后，PLC会不断地根据焊枪当前的位置调整十字滑块和小车的位置，使得焊枪中心与焊缝中心始终对齐。
爬行机构是一种新型的轮履永磁吸附方式小车，具有足够的吸附能力，同时具有一定的柔性，因此能够适应圆柱形、球形的储油罐的内外表面，有较强的越障能力。其驱动机构采用交流伺服系统，包括电动机、放大器、减速机构和编码器，可以对电动机转速进行精确的闭环控制。它的转弯主要是通过给两驱动轮一个速度差来实现的，速度差不同，则小车的转弯半径不同即转弯的程度不同。
图5-12 无导轨全位置爬行式弧焊机器人系统
简而言之，水下焊接系统就是借用全位置焊接机器人系统的爬行机构，将爬行机构上的焊枪、激光图像传感系统等安装在爬行机构底部，同时加装排水罩等水下焊接专用设备。
5．3．1．1 密封方案设计
为了保证水下机器人能够正常工作，必须确保电机和轴承不被海水侵入，因此，研究水下机器人的密封技术具有重要意义。能阻止泄露的方法被称为密封，其原理是采用某种特制的机构以切断泄露通道的方法，以达到阻止泄露的目的。密封技术分为静密封和动密封。
静密封是指人们经常使用的密封材料，密封元件与相应的密封结构相结合，在生产系统处于安装、检修、停产状态下建立起来的封闭体系。静密封是在静止的条件下实现的。
静密封可以分为：强制性密封（如石棉橡胶板）、非接触式密封（如迷宫密封）、接触式密封（如O形圈）。
动密封技术的提出是由于机器人在运动的状态下会产生摩擦、磨损等现象，同时又有温度、海水的腐蚀性和水压力等一系列问题，机器人的密封除了满足静止状态条件外，还要满足运动状态条件。理想的动密封有以下几点要求：
①能防止压力超过范围内的泄露；
②密封系统必须使用寿命长、维修少；
③在工作温度和压力下与液体相适应；
④密封可靠，易拆易装，便于更换；
⑤价格便宜，经济效益高。
结构密封是水下机器人研制中必须解决的关键问题。水下机器人的密封包括静密封和动密封两类。对于平面间的静密封，可通过压入具有很高机械强度和弹性的辅助元件实现密封；对于有密封槽的静密封，可采用已经标准化和系列化的O形圈；困难之处在于动密封，可行方法有组合密封、O形圈密封、机械密封、迷宫密封、磁流体密封等，在选择动密封方法时，要根据对象的具体形式并考虑水压等因素。袁夫彩研究了水下清刷机器人的伺服电机输出轴上进行密封的方法：他们在电机的输出轴端加一个轴套，在轴套的外径上采用2道密封，第1道密封采用优质毛毡封住海水中的泥沙，防止泥沙进入下1道的密封，以减少摩擦，保护第2道密封；第2道密封封住海水，采用特康旋转格莱圈组合密封的形式，即O形圈和特康T40材质滑环组合密封的形式，取得了良好效果。
（1）水下机器人的静密封
机器人本体有两处需要进行静密封：机器人本体上下盖之间的静密封，机器人电缆等引出线口的密封。
1）机器人本体上下盖之间的密封。上下盖之间的密封采用天然橡胶密封垫片，天然橡胶密封能适应海水介质下的密封，工作压力300MPa，工作温度满足-60℃～100℃要求。
2）机器人系统的电缆等缆线接头的密封。缆线接头的密封采用上海佐仁电工器材有限公司生产的HSK-INOX密封件，其原理图见图5-13。该密封件和箱体的密封采用O形圈，缆线管接头的密封采用丁腈塑料密封；使用温度为-40℃～100℃。
（2）水下机器人的动密封
机器人有三处需要动密封：分别是前轴、后轴和十字滑块，这三处的密封都是采用O形圈密封。O形圈密封是最常见的密封方式，结构简单，应用广泛，密封效果好而号称“密封之王”，其型号已经标准化、系列化，设计使用时十分方便。O形圈具有耐高压、工作温度宽、摩擦阻力等优点，选用氯丁橡胶O形密封圈，能适应水介质，工作温度达80℃，工作压力35MPa，密封面线速度可达3～5m／s，完全符合工作要求。
1）后轴动密封设计。
O形密封圈可用在如下动密封情况下。
耐压能力：高压。
紧凑程度：最好。
允许工作温度：-40℃～120℃。
泄漏量：中允许工作速度：3～5m／s。
动摩擦阻力：低。
装填数量：单个。
耐磨性：中。
后轴的密封情况如图5-14所示，整个密封结构参照相应国家标准。
2）前轴动密封设计对前轴轴承的密封用一对密封圈对轴承的两侧密封，如图5-15所示，密封的设计类似于后轴。
图5-13 缆线接头的密封原理示意图
图5-14 水下机器人后轴密封原理示意图
图5-15 水下机器人前轴密封原理示意图
（3）十字滑块动密封设计
十字滑块和焊枪支架为了便于密封，将其截面形状设计成如图5-16所示形状。计算出图中截面和周长，为了便于计算，需要有等效圆，支架周长和等效圆的周长相等，如图5-17所示，再以此等效圆来设计支架密封。等效圆的密封设计和后轴密封设计相同，所设计的密封圈压缩后的形状如图5-18所示。
图5-16 十字滑块截面形状
图5-17 十字滑块截面几何的替代圆
图5-18 十字滑块密封圈压缩形状
（4）摄像机密封防水的结构的研究设计
摄像机的作用是将通过镜头聚集于像平面的光线形成图像，将外界入射的光信号转变成图像采集卡能处理的模拟电信号或者直接转变成计算机能处理的数字信号，然后输出到外部处理器或计算机。摄像机由外壳封装、感光元件、图像数据处理电路等部分组成，其中最重要的就是感光元件，如图5-19所示。感光元件是一种光电传感器，将光信号转变成电信号，一般常用的有CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-oxide Semiconductor，互补金属氧化物导体）两种。在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。CCD成像质量好，技术成熟，应用范围较广。
图5-19 摄像机
为保证普通摄像机能在水下能正常使用，最为基本的要素是将该相机与水隔离，常用的方法是，设计一个密封外壳将其保护起来，在水下形成一个与水隔离的独立空间。由于本系统所用的摄像机为长条形，因此，采用桶状圆柱腔体将最大限度地保护摄像机。根据摄像机的尺寸，保护桶内外径尺寸及外形如图5-20所示。
图5-20 保护桶尺寸图
将摄像机放入保护桶以后，再在保护桶左右加上密封端盖，就能很好地进行摄像机的防水密封。图5-20中保护桶右侧为摄像机镜头侧，因此为了使摄像机镜头能有效采光，必须使保护桶右侧镜头端盖能有效透光，采用的方法是采用一个圆形透明材料嵌入。图5-20保护桶右侧的台阶槽中，并用端盖压住固定，同时用密封垫进行密封，其结构示意图如图5-21所示。
图5-21 镜头侧密封
透明材料的选择必须是透光度较好，而且能抵抗海底的水压，对透明材料的选择不仅决定着该保护桶的防水抗压能力，而且也影响着摄像机对外界图像的获取。基于上述因素，本水下摄像机密封系统采用强度、硬度高，抗压能力好且透明度好的石英玻璃，如图5-22所示。石英玻璃是一种只含二氧化硅单一成分的特种玻璃，其具有极低的热膨胀系数、高的耐温性、极好的化学稳定性、优良的电绝缘性、低而稳定的超声延迟性能、最佳的透紫外光谱性能以及透可见光及近红外光谱性能，并有着高于普通玻璃的机械性能，因此它是近代尖端技术中空间技术、原子能工业、国防装备、自动化系统，以及半导体、冶金、化工、电光源、通讯、轻工、建材等工业中不可缺少的优良材料之一。密封材料采用聚四氟乙烯对镜头端盖、石英玻璃、保护圆柱筒之间进行防水密封。为取得较好的防水效果，端盖用六颗螺栓固定，螺栓必须压紧密封材料。
保护桶左侧端盖除用来密封外，还用来摄像机线路的输出，包括1根视频信号线、1根外界信号屏蔽线、2根电源线、4根用于控制光圈大小的信号线。水下电线线路的密封往往采用水密接插件的方法。上述各个线路总和为8根线，因此采用8芯的水密接插件用来水下线路的密封。端盖和保护桶之间采用O形圈进行密封，左端盖设计图如图5-23所示。
图5-22 石英玻璃片
图5-23 左端盖引线图
综上所述，该摄像机水下密封装置的整体装配图如图5-24所示，加工安装好的实物图如图5-25所示。
图5-24 摄像机封装设计
图5-25 摄像机封装及固定支架实物图
5．3．1．2 焊接电源及送丝机
焊接电源为自动焊接电源。为了降低送丝阻力、减小送丝距离，将送丝机与焊接电源分离，焊接电源位于试验舱外部，送丝机置于焊接电源与焊接机器人之间的某一个位置，具体位置视任务而定。可采用MIG（熔化极惰性气体保护焊）、MAG（熔化极活性气体保护焊）、FCAW（自保护药芯焊丝电弧焊）等多种焊接方法，适合不同的焊丝直径。
5．3．1．3 排水罩
排水罩是局部干法水下焊接的关键设备。水下湿法焊接电弧是电弧气泡中燃烧的电弧在水下的金属和熔化极之间引燃后，由电弧放射出的炽热气体、过热水蒸气和水分解的氢气、氧气以及其他气体的混合物将其与水隔开，这是水下焊接过程区别陆上焊接过程的主要现象之一。电弧气泡开始只是形成一个小气泡，然后逐渐长大，直至最后破裂，离开电弧区域向水面上浮，这样周而复始。但是在这一过程中，气泡只是部分破裂上浮，留下一个直径为6～9mm的核心气泡。湿法焊接时，电弧气泡的周期破裂干扰了电弧气泡的稳定性，严重影响了焊接质量。药芯焊丝微型排水罩水下焊接就是从实用经济的角度进行开发，完全依靠焊接时自身所产生的气体以及水汽化产生的水蒸气排开水而形成一个稳定的局部无水区域，使得电弧能在其中稳定地燃烧。因此微型排水罩的尺寸和结构决定了焊接过程中无水区（局部排水区）的大小和稳定程度，它的设计是该法焊接成功与否的关键。通过反复试验，最后采用的微型排水罩的结构如图3-19所示。
微型排水罩底部的密封垫是涂有防火涂料的高分子材料，可以耐400℃高温。高分子材料的柔韧较好，可以和工件紧密接触，以取得良好的密封效果，并使密封垫起到气体可以溢出、水不容易进来的“单向阀”作用。密封垫、微型排水罩和焊接试板共同构成的空间形成无水区，其大小直接决定了电弧气泡和电弧的稳定程度，并最终影响到焊接接头冷却速度、微观组织。焊缝性能无水区越小，焊接时空腔内的由药芯焊丝本身产生的气体气压越高，排水效果越好；当排水罩内腔体积大到一定程度时，仅靠药芯焊丝产生的气体排不干净罩内的水，罩内水的分解量增加，导致焊缝产生气孔。兼顾保护效果和操作方便以及对熔池和热影响区的缓冷，本试验最后确定微型排水罩空腔体积为1 476 cm3，用于缓冷焊缝的后拖尺寸T为25mm。
5．3．1．4 十字滑块（也就是二维移动平台CSB）
十字滑块，它是用来固定焊枪的，可以在两平面运动，具有两个自由度，如图5-26及图5-27所示。通过移动十字滑块，可以上下和前后移动焊枪。而控制十字滑块移动的也是两个伺服电机，通过闭环回路实时控制焊枪的位置。排水罩则通过一定的方式固定在焊枪上。
图5-26 十字滑块的设计
图5-27 二维运动平台
十字滑块是用来传递运动的，在比较各种传动方式的基础上，采用滚动丝杠传动，它具有以下特点：
①传动效率。高滚珠丝杆副的传动效率高达85%～95%，为传动滑动丝杆副的2～4倍，能以小的扭矩得到大的推力，亦可由直线运动转换为旋转运动（运动可逆）。
②运动平稳。滚珠丝杆副为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动，低速时无爬行，可精密地控制微量进给。
③高精度。滚珠丝杆副运动中升温较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杆进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。
④高耐用性。钢球滚动接触处均经硬化（HRc58-63）处理，并经精密磨削，具有较高抗疲劳性，滚动摩擦耗极微，具有较高的使用寿命和精度保持性。
⑤同步性好。由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的部件或装置，可以获得较好的同步运动。
⑥高可靠性。与其他传动机械、液压传动相比，滚珠丝杆副故障率较低，维修保养也极其简单，只需进行一般的润滑和防尘，在特殊场合可在无润滑状态下进行。
5．3．1．5 激光图像传感系统
激光视觉传感系统由红光一字形激光器、CCD（摄像机）和滤光片组成。都被封装在一个铝制的盒子中，且密封性良好。鉴于在排水罩内有焊接烟雾影响，所以在CCD上安装一个主动光源——激光。激光具有良好的穿透性。滤光片的主要功能是只允许激光波长（650nm）附近的光线进入CCD摄像机，如图5-28所示。
图5-28 水下微型摄像机
图5-29 水下激光传感系统
考虑到水下深水焊接并且在海水或者比较浑浊的河水中腐蚀性杂质比较多，这样的焊接环境水下传感器的密封设计必须要考虑到水的压力和腐蚀性，而不仅仅是密封不漏水。并且由于水下药芯焊丝剧烈燃烧时会产生比较大的火焰和热量，因此在设计时必须使密封的材料能够耐高温。综合上述原因，为了降低成本同时易于实现，所以该传感器采用的密封材料为铝合金和钢化玻璃。
CCD和激光器均安装在密封盒子里，密封盒子采用铝合金（经线性切割加工而成），为减弱密封盒内光线反射，盒内壁经煮墨涂黑，底面为钢化玻璃，可以透过光线。上端为金属盒密封盖，盖的四周分布着间隔较密的螺孔。密封盖和盒体之间采用O形密封垫圈密封。为了让信号线和电源线从密封盒中穿过，在密封盒中央设计了一个电缆密封接头，接头内的O形密封垫圈套在电缆周围，在紧固螺母的压力下，与电缆紧密接触。为了减少接头的数量，用一根多芯的屏蔽线完成信号传输和电源供应。这样只有一根电缆进入密封盒，既简化了连接，又提高了防水性。水下激光传感系统如图5-29所示。
密封盒下面的钢化玻璃由于只受到水向上的浮力，不会受到向下的压力，且不易开螺孔，所以仅采用高强度的防水密封胶密封即可达到要求，简单可靠。其中，密封盒内部安装一支架，既可以用来固定激光器和CCD，又可以支撑盒壁，提高抗压能力，还可以遮挡激光器的光线，防止激光器光线直接进入CCD，造成干扰。
局部干法水下焊接方式与湿法水下焊接相比，焊接部位局部区域排除了水的干扰，改善了焊接接头质量；与干法水下焊接相比，不需要大型而造价昂贵的焊接舱。局部干法水下焊接方法综合了湿法水下焊接和干法水下焊接两者的优点，是一种相对比较先进的水下焊接方法，焊缝质量完全达到焊接质量要求。如图5-30所示，焊接过程稳定，焊缝成型良好。
图5-30 水下焊缝图片
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