CN103722278A - 一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统，包括PLC控制器、伺服运动控制器、激光传感器、触摸屏、伺服放大器、伺服电机；所述PLC控制器分别和伺服运动控制器、激光传感器、触摸屏相连接，伺服运动控制器与伺服放大器相连接，伺服放大器连接伺服电机。本发明还公开了一种所述焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统所对应的激光寻址方法。与标准六自由度焊接机器人相比，本发明大大节省了示教编程时间，降低了操作者的知识水平门槛要求；提高生产率、稳定和保证焊接质量、实现批量产品的焊接自动化生产；解决了当前由于焊接产品一致性差带来的焊接自动化、智能化程度低的问题以及部分坡口焊缝无法进行激光跟踪的问题。

Description

一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址方法及系统

技术领域

本发明公开了一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址方法及系统，具体涉及一种自动化、智能化和操作便捷化的焊接控制系统，属于焊接技术领域。

背景技术

焊接生产自动化是焊接结构生产技术发展的方向。目前焊接自动化技术存在一个亟待解决的难题就是工件的不规则性，这种普遍存在的现象严重阻碍了焊接自动化的推广应用。如果待焊接结构件每件都能保证工件以及装配的尺寸相同，则每次焊接自动化设备就都能够精确地对工件定位和保证焊接位置的一致性，但在实际生产中，这只是理想情况。

目前焊接自动化技术解决此问题的方法大都是在焊接机器人上使用进口激光焊缝跟踪系统，它能够自动纠正偏离理论焊缝路径（位置）的偏差，这是进口激光焊缝跟踪系统的优点。但是它也有很多缺点，具体包括：

（1）由于工件的不规则性，每次重新焊接都需重新编程，操作工都需要经过专业机器人操作培训、操作复杂，对操作工的知识水平要求高；

（2）由于上述原因造成焊接节拍的滞后，示教编程花费时间；

（3）由于其成本较高昂，因此推广应用也受到一定程度的影响；

（4）后台软件不开放，使推广应用和维护受制于人。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址方法及系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统，包括PLC控制器、伺服运动控制器、激光传感器、触摸屏、第一至第三伺服放大器、第一至第三伺服电机；所述PLC控制器分别和伺服运动控制器、激光传感器、触摸屏相连接，伺服运动控制器分别和第一至第三伺服放大器相连接，第一至第三伺服放大器分别对应连接第一至第三伺服电机；

所述触摸屏用以实现焊接参数的输入设置和显示；

所述激光传感器用以扫描所需焊接的坡口焊缝的实际位置，并将位置信息上传至PLC控制器；

PLC控制器产生控制信号，并将控制信号发送至伺服运动控制器；

伺服运动控制器将控制信号经过伺服放大器发送至伺服电机；

第一至第三伺服电机的控制方位对应空间立体坐标系的三个轴向，分别控制焊接机械手在水平面上横、纵方向的位移和竖直方向上、下的位移。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述PLC控制器中具体包括：数据接收功能模块、数据存储功能模块、命令下达功能模块、安全监测功能模块；

数据接收功能模块用于接收激光传感器采集的位置信息以及伺服运动控制器传送至伺服电机的控制信号；

数据存储功能模块用于存储数据接收功能模块中接收到的位置信息和控制信号；

命令下达功能模块用于生成控制信号，并将控制信号发送至伺服运动控制器；

安全监测功能模块用于对伺服电机的动作进行实时监测和安全保护，在发生故障时产生报警信号。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述伺服运动控制器中具体包括：绝对位置检测模块、原点回归模块、JOG操作控制模块、单轴定位控制模块、多轴插补控制模块、恒速控制模块；

绝对位置检测模块用于能实时检测当前焊接机械手的绝对位置；

原点回归模块用于确认焊接机械手的原点位置；

JOG操作控制模块用于实现三个轴向的伺服电机单独启动或者同时启动；

单轴定位控制模块用于实现焊接机械手在空间立体坐标系中的单轴上，从当前停止位置到指定位置的定位控制；

多轴插补控制模块用于实现焊接机械手在空间立体坐标系中的多轴上，从当前停止位置到指定位置的插补控制；

恒速控制模块用于实现焊接机械手以指定的定位方式、定位速度依次通过预先设定的经过点。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述PLC控制器与伺服运动控制器之间、伺服运动控制器与伺服放大器之间均通过SSNETⅢ光纤网络相连接。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述激光传感器与PLC控制器之间通过RS422通讯方式相连接。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述触摸屏与PLC控制器之间通过RS485通讯方式相连接。

本发明还公开了基于所述一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统的激光寻址方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、将激光传感器产生的激光光束红斑停留在即预扫描位置上，由激光寻址系统记录下扫描点地址的X轴坐标及预扫描地址的XYZ轴坐标；

步骤二、激光寻址系统根据设定的焊缝类型规划扫描方向、扫描距离、扫描点与实际点的位移偏差；

步骤三、激光传感器沿Y轴方向做直线运动，在此过程中激光寻址系统记录激光传感器的位移数据，在位移数据发生突变时，记录下扫描点地址的Y轴坐标；

步骤四、激光传感器的扫描动作结束后，激光寻址系统停留在激光扫描结束点，记录扫描点地址的Z轴坐标；

步骤五、激光寻址系统根据扫描点地址的三轴坐标数据，结合扫描点与实际点的位移偏差，换算出实际点地址的三轴坐标数据；

步骤六、将实际点地址的三轴坐标存入激光寻址系统的数据库中，依次按照每个实际点的三轴坐标得出焊接路径。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：与标准六自由度焊接机器人相比，大大节省了示教编程时间，降低了操作者的知识水平门槛要求；提高生产率、稳定和保证焊接质量、实现批量产品的焊接自动化生产；解决了当前由于焊接产品一致性差带来的焊接自动化、智能化程度低的问题以及部分坡口焊缝无法进行激光跟踪的问题，解决了使用焊接机器人和进口激光焊缝跟踪系统带来的高成本、推广应用和维护受制于人等问题。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明PLC控制器功能模块的结构示意图。

图3是本发明伺服运动控制器的功能模块示意图。

图4是本发明激光测距传感器焊缝轨迹扫描方法的轴侧图；

图5是本发明激光测距传感器焊缝轨迹扫描方法的主视图；

其中：1.激光传感器光束、2.扫描突变点、31.预扫描地址、32.激光扫描结束点、33.扫描点地址、34.实际点地址、4.坡口焊缝起点、5.扫描距离（扫描距离人工设定，大于坡口宽度）、6.坡口宽度、7.坡口深度。

具体实施方式

本发明提供了一种应用于自动化焊接机械手上的坡口焊缝轨迹的激光寻址方法及系统，能够通过伺服机构的运动，带动激光传感器运动，按照自主开发的程序自动扫描出所需焊接焊缝的实际位置坐标，并自动存储扫描路径（焊缝轨迹坐标）。根据所设焊缝类型设置规划伺服电机的运行方向、运行位移。通过监测激光传感器测量数据的变化得出所需焊接的实际位置的坐标。由触摸屏（人机界面）预先设置焊接路径、焊接参数，通过激光传感器的自动扫描，将所需焊接的坡口焊缝的实际位置进行自动示教编程，对焊接工件进行自动焊接。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的一种结构示意图如图1所示，一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统，包括PLC控制器，伺服运动控制器，分别对应空间坐标系中XYZ三轴的三组伺服放大器、三组伺服电机，激光传感器，触摸屏。所述伺服运动控制器通过SSNETⅢ光纤网络与所述PLC控制器相连，接受PLC控制器的控制指令；所述伺服放大器通过高速同步网络（优选SSNETⅢ光纤网络）与伺服运动控制器连接，并通过直接读取其定位数据，实现高精度定位；所述伺服电机与伺服放大器相连，接受伺服放大器的控制指令；所述激光传感器通过RS422通讯方式与PLC控制系统相连，反馈当前位移的实时变化；所述触摸屏通过RS485通讯方式与PLC控制系统相连，操作者既可以通过触摸屏对该系统进行相关操作，也可以实现该系统参数设置、报警查询的功能。

本发明PLC控制器功能模块的结构示意图如图2所示。本发明中，PLC控制器包括：数据接收功能模块、数据存储功能模块、命令下达功能模块、安全监测功能模块；

数据接收功能模块用于接收伺服运动控制器传送来的各伺服放大器的数据，以及激光传感器传送来的数据；

数据存储功能模块用于存储伺服运动控制器传送来的各伺服放大器的数据，以及激光传感器传送来的数据；

命令下达功能模块用于向伺服运动控制器下达各动作命令；

安全监测功能模块用于对各伺服电机的动作进行实时的监测和安全保护，并作故障报警处理。

本发明伺服运动控制器的功能模块示意图如图3所示，本发明的伺服运动控制器包括：绝对位置检测模块、原点回归模块、JOG操作控制模块、单轴定位控制模块、多轴插补控制模块、恒速控制模块：

绝对位置检测模块能实时反应当前的绝对位置；

原点回归模块用于确认机械原点；

JOG操作控制模块实现伺服轴单独启动和同时启动功能；

单轴定位控制模块实现单轴从当前停止位置到指定位置的定位控制；

多轴插补控制模块实现多轴从当前停止位置到指定位置的插补控制；

恒速控制模块用于实现焊接机械手以指定的定位方式、定位速度依次通过预先设定的经过点。

本发明激光测距传感器焊缝轨迹扫描方法的示意图如图4、图5所示，

预扫描点为开始扫描的地址；

扫描点为扫描行程结束后，得到的一个与实际点有固定关系的点；

实际点为系统实际需要焊接的起始点；

各点坐标关系如下：

预扫描地址：扫描点地址坐标（Xyu，Yyu，Zyu）

扫描点地址：（Xsao，Ysao，Zsao）

实际点地址：（Xreal，Yreal，Zreal）

Xreal= Xyu= Xsao；

当扫描点Z轴坐标在一瞬间发生突变，激光传感器测量数据突然变大，即表明图4中主视图激光传感器光束沿Y轴方向对准了坡口的一边，记下这一瞬间Y轴坐标，此值就为扫描点Y轴方向的坐标Ysao；

Yreal=Ysao+δy；（δy此值为固定值,通过系统所述触摸屏可以设定、修正后存入系统供调用）；

Zreal=Zsao+δz；（δz此值为固定值，通过系统所述触摸屏可以设定、修正后存入系统供调用）；

坡口尺寸不同δy和δz也不同，每种坡口尺寸对应一组δy和δz，每种坡口尺寸和对应的δy、δz通过所述触摸屏存入系统供调用。

激光扫描的步骤如下：

1）由操作员手动将激光光束红斑停在所要焊接位置的主筋上，即预扫描位置31，系统将自动记下扫描点地址33的X轴坐标及预扫描地址的XYZ轴坐标；

2）系统将根据所设焊缝类型规划扫描方向、扫描距离、扫描点与实际点的位移偏差δy、δz等；

3）设备沿Y轴方向做直线运动。这个过程中Y值一直在变化，系统一直记录激光位移传感器的数据，如果激光位移数据在一瞬间发生突然变大系统就记下这一瞬间的Y值，即扫描点地址33的Y轴坐标；

4）该扫描动作结束后，系统停在激光扫描结束点32，系统记下此时激光位移传感器数据，该数据就是扫描点地址33的Z轴坐标，此时扫描点地址33的X轴、Y轴及Z轴的坐标全部得出；

5）系统将根据扫描点与实际点的位移偏差δy、δz（已通过所述触摸屏设定存入系统）自动换算出实际点地址34的XYZ三轴坐标；

此时根据焊接需求将实际点地址34的坐标存入焊接路径数据库。焊接路径数据库中每个实际点的坐标都是按照上述步骤扫描得出的。

对于同型号的工件进行激光示教时，上述步骤就不需要进行了，按如下所述步骤进行扫描：

1）将所需要自动激光寻址的焊缝进行编号并排序；

2）系统将按照设定的顺序自动走到每个点的预扫描地址处，进行自动扫描，扫描方式同手动描述，扫描完后，将扫描到的实际值存储；

3）去下一点与扫描地址处，再次进行自动扫描，描述同上；

4）所有焊缝扫描结束后，自动激光寻址结束。

Claims (7)

1.一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统，其特征在于，包括PLC控制器、伺服运动控制器、激光传感器、触摸屏、第一至第三伺服放大器、第一至第三伺服电机；所述PLC控制器分别和伺服运动控制器、激光传感器、触摸屏相连接，伺服运动控制器分别和第一至第三伺服放大器相连接，第一至第三伺服放大器分别对应连接第一至第三伺服电机；

所述触摸屏用以实现焊接参数的输入设置和显示；

所述激光传感器用以扫描所需焊接的坡口焊缝的实际位置，并将位置信息上传至PLC控制器；

PLC控制器产生控制信号，并将控制信号发送至伺服运动控制器；

伺服运动控制器将控制信号经过伺服放大器发送至伺服电机；

第一至第三伺服电机的控制方位对应空间立体坐标系的三个轴向，分别控制焊接机械手在水平面上横、纵方向的位移和竖直方向上、下的位移。

2.如权利要求1所述的一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统，其特征在于，所述PLC控制器中具体包括：数据接收功能模块、数据存储功能模块、命令下达功能模块、安全监测功能模块；

数据接收功能模块用于接收激光传感器采集的位置信息以及伺服运动控制器传送至伺服电机的控制信号；

数据存储功能模块用于存储数据接收功能模块中接收到的位置信息和控制信号；

命令下达功能模块用于生成控制信号，并将控制信号发送至伺服运动控制器；

安全监测功能模块用于对伺服电机的动作进行实时监测和安全保护，在发生故障时产生报警信号。

3.如权利要求1所述的一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统，其特征在于，所述伺服运动控制器中具体包括：绝对位置检测模块、原点回归模块、JOG操作控制模块、单轴定位控制模块、多轴插补控制模块、恒速控制模块；

绝对位置检测模块用于能实时检测当前焊接机械手的绝对位置；

原点回归模块用于确认焊接机械手的原点位置；

JOG操作控制模块用于实现三个轴向的伺服电机单独启动或者同时启动；

单轴定位控制模块用于实现焊接机械手在空间立体坐标系中的单轴上，从当前停止位置到指定位置的定位控制；

多轴插补控制模块用于实现焊接机械手在空间立体坐标系中的多轴上，从当前停止位置到指定位置的插补控制；

恒速控制模块用于实现焊接机械手以指定的定位方式、定位速度依次通过预先设定的经过点。

4.如权利要求1所述的一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统，其特征在于：所述PLC控制器与伺服运动控制器之间、伺服运动控制器与伺服放大器之间均通过SSNETⅢ光纤网络相连接。

5.如权利要求1所述的一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统，其特征在于：所述激光传感器与PLC控制器之间通过RS422通讯方式相连接。

6.如权利要求1所述的一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统，其特征在于：所述触摸屏与PLC控制器之间通过RS485通讯方式相连接。

7.基于权利要求1所述一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统的激光寻址方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、将激光传感器产生的激光光束红斑停留在即预扫描位置上，由激光寻址系统记录下扫描点地址的X轴坐标及预扫描地址的XYZ轴坐标；

步骤二、激光寻址系统根据设定的焊缝类型规划扫描方向、扫描距离、扫描点与实际点的位移偏差；

步骤三、激光传感器沿Y轴方向做直线运动，在此过程中激光寻址系统记录激光传感器的位移数据，在位移数据发生突变时，记录下扫描点地址的Y轴坐标；

步骤四、激光传感器的扫描动作结束后，激光寻址系统停留在激光扫描结束点，记录扫描点地址的Z轴坐标；

步骤五、激光寻址系统根据扫描点地址的三轴坐标数据，结合扫描点与实际点的位移偏差，换算出实际点地址的三轴坐标数据；

步骤六、将实际点地址的三轴坐标存入激光寻址系统的数据库中，依次按照每个实际点的三轴坐标得出焊接路径。

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