CN101474733B - 集装箱顶部加强板焊接方法及焊接机器人 - Google Patents

集装箱顶部加强板焊接方法及焊接机器人 Download PDF

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张志献
尹燕芳
朱其刚
王海霞
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Abstract

本发明公开了一种集装箱顶部加强板焊接方法及焊接机器人,方法包括步骤:工件位置检测,选用第一距离传感器、第二距离传感器及第三距离传感器,其中第一距离传感器与第二距离传感器设置在水平坐标的X轴上或Y轴上,第三距离传感器设置在该水平坐标的另一轴上,被测工件置于三个距离传感器可测区,先获取到工件的初始位置及工件的种类信息,然后得出其它各拐点的信息,然后合成焊缝的轨迹规划;由焊缝的轨迹规划控制焊枪沿工件边界运动,完成焊接。焊接机器人设置有焊缝位置自主识别机构、焊枪姿态自动调整机构和自动焊接机构。本组发明特别适用于集装箱顶部加强板的自动化焊接。

Description

集装箱顶部加强板焊接方法及焊接机器人
技术领域
[0001] 本组发明涉及一种集装箱顶部加强板焊接方法,以及一种集装箱顶部加强板焊接 机器人。
背景技术
[0002] 目前,集装箱焊接的机器人化程度非常低。造成这一现状的最根本的原因是焊接 环境的非结构化,也就是在焊接过程中,被焊接工件的定位不够准确,因此目前被广泛应用 于汽车、摩托车等行业的示教再现型焊接机器人无法在集装箱行业应用。
发明内容
[0003] 本发明的任务一在于提供一种集装箱顶部加强板焊接方法。
[0004] 本发明的任务二在于提供一种集装箱顶部加强板焊接机器人,该焊接机器人的机 械本体能够适应集装箱焊接现场的需要,有助于实现集装箱顶部加强板的自动焊接。
[0005] 为实现发明任务一,所采取的技术方案是:
[0006] 一种集装箱顶部加强板焊接方法,包括如下步骤:
[0007] a工件位置检测,选用第一距离传感器、第二距离传感器及第三距离传感器,其中 第一距离传感器与第二距离传感器设置在水平坐标的X轴上或Y轴上,第三距离传感器设 置在该水平坐标的另一轴上,被测工件置于三个距离传感器可测区,先获取到工件的初始 位置及工件的种类信息,然后得出其它各拐点的信息,然后合成焊缝的轨迹规划;
[0008] b由焊缝的轨迹规划控制焊枪沿工件边界运动,完成焊接。
[0009] 上述步骤a中还包括步骤:
[0010] al选用直线伺服电机测定工件竖直方向位置,三个距离传感器测定工件的初始位 置坐标及姿态。
[0011] 为实现发明任务二,所采取的技术方案是:
[0012] 一种集装箱顶部加强板焊接机器人,设置有焊缝位置自主识别机构、焊枪姿态自 动调整机构和自动焊接机构;其中焊缝位置自主识别机构设置有直线伺服电机、直线移动 轴、距离传感器安装支架,直线伺服电机安装在下述Z向进给机构的丝母座上,距离传感器 支架与直线移动轴末端固接,距离传感器支架包括夹角成直角的X向臂杆和Y向臂杆,其中 X向或Y向臂杆上安装第一距离传感器与第二距离传感器,另一臂杆上安装第三距离传感 器,由直线伺服电机驱动距离传感器支架上下移动;焊枪姿态自动调整机构设置有弧形导 轨转动机构、焊枪夹持及移动机构,弧形导轨转动机构通过一支架连接在下述Z向进给机 构的丝母座上,马达驱动弧形导轨转动,扫过一球冠面,焊枪夹持及移动机构设置有移动支 座及焊枪拖架,移动支座在马达的驱动下沿弧形导轨移动,焊枪被夹持在焊枪拖架上;自动 焊接机构设置有X向进给机构、Y向进给机构及Z向进给机构,三者通过丝母座联结,且Z向 进给与X、Y向进给方向垂直,上述各进给机构均设置有伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨及丝 母,分别为焊枪提供水平和竖直方向的位移。
3[0013] 上述距离传感器由直流减速马达、编码器及探针构成,当探针接触到工件时,通过 检测直流减速马达的工作电流,根据电流迅速升高的变化做出判断,并记录检测位置。
[0014] 上述弧形导轨驱动机构还设置有大、小同步带轮、同步带、转动轴、角接触球轴承 及止推轴承,弧形导轨下面加工有内齿,弧形导轨与转动轴下端面相连接,并随其转动;上 述移动支座还设置有齿轮及箱体,通过齿轮与弧形导轨内齿啮合而沿其移动;上述焊枪夹 持机构与移动支座下底面连接,并随其绕球心转动。
[0015] 本组发明特别适用于集装箱顶部加强板的自动化焊接。其中的焊接机器人通过配 置适宜的电控系统能够在加强板点焊位置不准确的情况下,自主对焊缝定位及跟踪末端的 相应轨迹规划,完成焊接任务,实现焊接的自动化。
附图说明
[0016] 图1为本组发明中集装箱顶部加强板焊接方法一种实施方式的工件位姿检测原 理示意图。
[0017] 图2为本组发明中集装箱顶部加强板焊接机器人一种实施方式的整体结构的主 视图。
[0018] 图3为图2实施方式的俯视图。
[0019] 附图标记说明:
[0020] 201.马达 202.马达座 203.小同步带轮 204.大同步带轮 205.转动轴 206.角接触球轴承207.轴承座 208.移动支座 209.止推轴承 210.焊枪拖架 211. 直线伺服电机 212.Z向驱动电机 213.Z向拖板 214.Z向基架 215.直线移动轴 216.距离传感器支架217. X向丝母座218. X向连轴器219. X向丝杠220.机器人底座 301. Y向驱动电机 302. Y向拖板 303. Y向导轨 304.位置探测器 305.探针 306. 弧形导轨 307.直流减速马达 308.支架 309.同步带 310. X向拖板 311. X向导轨 312. Y向丝杠 313. Y向丝母座 314. X向联轴器 315. X向驱动电机
[0021] 下面结合附图对本发明进行说明:
具体实施方式
[0022] 参看图1,一种集装箱顶部加强板焊接方法,步骤有:
[0023] 一是工件位置检测,选用第一距离传感器S2、第二距离传感器S3、第三距离传感 器Sl及选用直线伺服电机,其中第一距离传感器S2与第二距离传感器S3设置在水平坐标 的X轴上,第三距离传感器Sl设置在水平坐标的Y轴上,被测工件置于三个距离传感器可 测区,用直线伺服电机测定工件竖直方向(Z轴方向)位置,用三个距离传感器测定工件的 初始位置坐标及姿态。先获取到工件的初始位置及工件的种类信息,然后得出其它各拐点 的信息,合成焊缝的轨迹规划;
[0024] 二是由焊缝的轨迹规划控制焊枪沿工件边界运动,完成焊接。
[0025] 再进一步说明如下:
[0026] 图1中,S1、S2、S3为三个距离传感器,封闭曲线为其中一类焊件轮廓。通过三个距 离传感器可以测得它们与A、B、C三点的距离分别为X1、Y2和¥3;由于51、52、53三个传感 器距离坐标原点的距离是不变的,分别为Yl、Χ2和Χ3 ;因此,ABC三点的坐标分别为Α(Χ1,Yl)、B (X2,Y2)、C (X3,Y3);可以看出,只要能够获得M点的坐标以及MN斜率,则工件边界上 的任何一点的坐标都可以得到,当然也就可以控制机器人的末端焊枪沿该边界运动,完成 焊接。跟踪焊缝的轨迹规划是先获取到工件的初始位置及工件的种类信息,然后得出其它 各拐点的信息,这样机器人的末端行走轨迹就可以采用直线插补的方法,利用Χ、Υ与Z轴的 合成运动来完成。
[0027] 参看图2及图3,一种集装箱顶部加强板焊接机器人,设置有焊缝位置自主识别机 构、焊枪姿态自动调整机构和自动焊接机构;其中焊缝位置自主识别机构设置有直线伺服 电机、直线移动轴、距离传感器安装支架,直线伺服电机安装在Z向进给机构的丝母座上, 距离传感器支架与直线移动轴末端固接,距离传感器支架包括夹角成直角的X向臂杆和Y 向臂杆,其中X向臂杆上安装第一距离传感器与第二距离传感器,Y向臂杆上安装第三距 离传感器,由直线伺服电机驱动距离传感器支架上下移动;焊枪姿态自动调整机构设置有 弧形导轨转动机构、焊枪夹持及移动机构,弧形导轨转动机构通过一支架连接在Z向进给 机构的丝母座上,马达驱动弧形导轨转动,扫过一球冠面,焊枪夹持及移动机构设置有移动 支座及焊枪拖架,移动支座在马达的驱动下沿弧形导轨移动,焊枪被夹持在焊枪拖架上,这 样就可在球冠面所对应的圆心角内任意调整焊枪的姿态;自动焊接机构设置有X向进给机 构、Y向进给机构及Z向进给机构,三者通过丝母座联结,且Z向进给与X、Y向进给方向垂 直,上述各进给机构均设置有伺服电机、滚珠丝杠、直线导轨及丝母,分别为焊枪提供水平 和竖直方向的位移。
[0028] 上述距离传感器由直流减速马达、编码器及探针构成,当探针接触到工件时,通过 检测直流减速马达的工作电流,根据电流迅速升高的变化做出判断,并记录检测位置。
[0029] 上述弧形导轨驱动机构还设置有大、小同步带轮、同步带、转动轴、角接触球轴承 及止推轴承,弧形导轨下面加工有内齿,弧形导轨与转动轴下端面相连接,并随其转动;上 述移动支座还设置有齿轮及箱体,通过齿轮与弧形导轨内齿啮合而沿其移动;上述焊枪夹 持机构与移动支座下底面连接,并随其绕球心转动。
[0030] 更进一步说明如下:
[0031] 在X向进给机构中,X向驱动电机315通过X向联轴器314与X向丝杠219相连, 两个平行χ向导轨311用螺钉安装在X向拖板310上,X向丝母座217通过螺纹与丝杠联 结,并在导轨上平滑移动。
[0032] 在Y向进给机构中,Y向驱动电机301通过联轴器与Y向丝杠312相连,两个平行 Y向导轨303用螺钉安装在Y向拖板302上,Y向丝母座313通过螺纹与丝杠联结,并在导 轨上平滑移动。它的拖板用螺钉固接在X向丝母座上。
[0033] 在Z向进给机构中,Z向驱动电机212通过联轴器与丝杠相连,两个平行导轨用螺 钉安装在Z向拖板213上,丝母座通过螺纹与丝杠联结,并在导轨上平滑移动。它的拖板安 装在Z向基架214的竖直面上,而基架的水平面连接在Y向的丝母座上。
[0034] 焊枪姿态自动调整及夹持机构通过支架308连接在Z向进给机构的丝母座上;马 达201通过马达座202与支架相连,小同步带轮203安装在马达的输出轴上,大同步带轮 204安装在转动轴205的上端,通过同步带309将二者联结在一起;转动轴通过两个角接触 球轴承206和止推轴承209安装在轴承座207中;弧形导轨306用螺钉与转动轴下端面固 连,直流减速马达307安装在移动支座208上,该移动支座通过齿轮沿弧形导轨移动;焊枪
5拖架210上端与移动支座下端面固连,其下端可安装焊枪头。
[0035] 在工件位置检测机构中,直线伺服电机211通过机座与Z向丝母座连接在一起, 其直线移动轴215下端与距离传感器支架216固接在一起,距离传感器支架216包括夹角 成直角的X向臂杆和Y向臂杆,其中X向臂杆上安装第一距离传感器与第二距离传感器,Y 向臂杆上安装第三距离传感器,由直线伺服电机驱动距离传感器支架上下移动。直线移动 轴在电机的驱动下往下方移动,逐渐靠近工件放置平面,到达确定位置时,首先测得竖直方 向的位置尺寸,然后距离传感器工作,再测到水平方向位置尺寸,把测到的数据上传到控制 器,然后位置检测机构返回到原位。
[0036] 上述距离传感器(或称位姿探测器)是由直流减速马达(带减速器的微型直流电 机)、光电编码器、探针等组成。探针采取丝杠式结构方式,电机运动带动丝杠的前进或后 退。测距时,控制电机转动的同时对编码器输出脉冲计数,当碰到工件时停止计数及运动, 进而可得出丝杠零位到工件的距离,测量完成丝杠回零位。这里很重要的一点是如何判断 丝杠与工件接触的问题。我们设计采用的方式是检测电机电流(电流检测的方法、原理无 需说明)判断丝杠与工件是否接触。工作原理来自于电机学的知识,即电机负载增大时电 流升高,因此当丝杠接触到工件时,电机电流必然升高。因此,通过检测电流的变化即可完 成丝杠到位检测,进而得到测量距离。需要注意的是,在电机启动过程中,电流也会增大,需 要以延时方式避开,避免误判。
[0037] 至于多种类别工件的问题的是比较容易解决的。因为工件种类虽然不唯一,但每 一种类尺寸形状一致,因此同一型号的工件的轨迹规划程序是相同的,所以当焊接不同种 类的工件时,通过为机器人设定可供选择工件种类的接口,以无线遥控的方式进行工件种 类选择即可。
[0038] 从焊接机器人负载量及结构的简洁紧凑性等方面考虑,驱动方式采用的是交流伺 服电机驱动方式。
[0039] 本发明焊接机器人通过配置相应的电控系统,可在自动和手动两种模式下工作。 接通电源,操作者手持操作器,首先选择作业模式,当选则自动时,焊接机器人将进入自主 作业状态,待系统自检完毕,然后启动工件位置检测机构,逐渐靠近工件放置平面,到达确 定位置时,首先测得竖直方向的位置尺寸,然后位姿探测器工作,再测到水平方向位置尺 寸,把测到的数据上传到控制器,然后工件位置检测机构返回到原位;数据经系统处理后, 便向焊接机器人移动机构、焊枪姿态自动调整机构等发出动作指令,启动工作程序,焊接机 器人就按一定轨迹进行焊接作业,并在此过程中焊接机器人通过马达驱动同步带带动弧形 导轨转动和移动支座在其驱动马达的作用下沿弧形导轨移动来自动调整状态;当程序运行 结束,焊接机器人再退回到原点位置。
6

Claims (3)

1. 一种集装箱顶部加强板焊接机器人,特征是设置有焊缝位置自主识别机构、焊枪姿 态自动调整机构和自动焊接机构;其中焊缝位置自主识别机构设置有直线伺服电机、直线 移动轴、距离传感器安装支架,直线伺服电机安装在Z向进给机构的丝母座上,距离传感器 安装支架与直线移动轴末端固接,距离传感器安装支架包括夹角成直角的X向臂杆和Y向 臂杆,其中X向或Y向臂杆上安装第一距离传感器与第二距离传感器,另一臂杆上安装第 三距离传感器,由直线伺服电机驱动距离传感器安装支架上下移动;焊枪姿态自动调整机 构设置有弧形导轨转动机构、焊枪夹持及移动机构,弧形导轨转动机构通过一支架连接在Z 向进给机构的丝母座上,马达驱动弧形导轨转动,扫过一球冠面,焊枪夹持及移动机构设置 有移动支座及焊枪拖架,移动支座在马达的驱动下沿弧形导轨移动,焊枪被夹持在焊枪拖 架上;自动焊接机构设置有X向进给机构、Y向进给机构及Z向进给机构,三者通过丝母座 联结,且Z向进给与X、Y向进给方向垂直,上述各进给机构均设置有伺服电机、滚珠丝杠、直 线导轨及丝母,分别为焊枪提供水平和竖直方向的位移。
2.根据权利要求1所述的集装箱顶部加强板焊接机器人,其特征在于:所述距离传感 器由直流减速马达、编码器及探针构成,当探针接触到工件时,通过检测直流减速马达的工 作电流,根据电流迅速升高的变化做出判断,并记录检测位置。
3.根据权利要求1或2所述的集装箱顶部加强板焊接机器人,其特征在于:所述弧形 导轨转动机构还设置有大、小同步带轮、同步带、转动轴、角接触球轴承及止推轴承,弧形导 轨下面加工有内齿,弧形导轨与转动轴下端面相连接,并随其转动;上述移动支座还设置有 齿轮及箱体,通过齿轮与弧形导轨内齿啮合而沿其移动;上述焊枪拖架与移动支座下底面 连接,并随其绕球冠面的球心转动。
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