CN104028925B - 一种五轴焊接机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种五轴焊接机器人及其控制方法，包括机座、控制系统、五轴机械臂和焊接机，其中五轴机械臂包括第一至第五臂，每一臂均具有一轴并在各轴的近旁设有马达，在这第一至第五臂中，依序后一臂以前一臂为支点并通过轴连接，各轴均为活动轴并通过相应的马达驱动，马达驱动是通过控制系统发送指令信号来控制每一臂执行移动变位，控制系统还控制所述焊接机，焊接机包括焊枪，焊枪设于第五臂的自由端并随第五臂移动，同时也在控制系统的控制下执行和/或停止焊接操作,藉由构造或控制方法，解决了柔性、占用空间小以及无死角焊接机器人的技术问题，达成了便于制成、易于操作以及提升产品良率、降低制造成本的良好效果。

Description

一种五轴焊接机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，尤其是指用于焊接的一种五轴焊接机器人及其控制方法。

背景技术

自动化焊接机器人在现有技术中已经广泛采用，大大提高了焊接效率和准确率的同时，也保证了操作人员的安全。但是现有技术中的焊接机器人大多结构单一，焊接过程中存在死角。目前，业界亟待解决的是需要一种具有柔性且占用空间小、方便制成、易于操作以及通过机械臂旋转使焊接无死角的焊接机器人。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种五轴焊接机器人及其控制方法。

为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：一种五轴焊接机器人，包括控制系统以及以机座为基础设置的五轴机械臂和焊接机，其中：所述五轴机械臂包括第一至第五臂，每一臂均具有一轴并在各轴的近旁设有马达，在这第一至第五臂中，依序后一臂以前一臂为支点并通过轴连接，所述各轴均为活动轴并通过相应的马达驱动，所述马达驱动是通过所述控制系统发送指令信号来控制每一臂执行移动变位，所述控制系统还控制所述焊接机，该焊接机包括焊枪，所述焊枪设于所述第五臂的自由端并随所述第五臂移动，同时也在所述控制系统的控制下执行和/或停止焊接操作。

在本发明之实施例中优选，所述控制系统包括控制器以及与该控制器电性相连的显示/操作单元、马达驱动单元和焊接机控制单元。

在本发明之实施例中优选，所述马达驱动单元包括第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、第四驱动器和第五驱动器；所述焊接机控制单元与焊接机电性相连。

在本发明之实施例中优选，所述第一臂为直立臂，设在所述机座上；所述第二臂为横向臂，其与所述第一臂配合可作正、负180°的扫描移位；所述第三臂为向上倾斜的横向臂，其与第二臂配合可作相向和/或逆向的正、负180°扫描移位；所述第四臂为垂直臂并，其与第三臂配合作可作上、下移位，以及所述第五臂为勾形臂，在所述第四臂的支持下可作横向和/或纵向的正、负180°旋转。

在本发明之实施例中优选，所述马达为步进马达，并包括第一、第二、第三、第四和第五马达，其中：第一马达设于第一臂并驱动第一轴，第二马达设于第二臂并驱动第二轴，第三马达设于第三臂并驱动第三轴，第四马达设于第四臂并驱动第四轴，以及第五马达设于第五臂并驱动第五轴。

在本发明之实施例中优选，所述第一驱动器与所述第一马达电性相连，所述第二驱动器与所述第二马达电性相连，所述第三驱动器与所述第三马达电性相连，所述第四驱动器与所述第四马达电性相连，以及所述第五驱动器与所述第五马达电性相连。

为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：一种五轴焊接机器人控制方法，包括：

步骤一：在五轴臂的第一、第二、第三、第四及第五臂上分别安装第一、第二、第三、第四及第五马达，以及还在第五臂上安装有焊枪，第一、第二、第三、第四及第五马达分别驱动五轴臂的第一、第二、第三、第四及第五轴；

步骤二：将第一、第二、第三、第四及第五马达与控制系统的马达驱动单元电性相连，并将具有该焊枪的焊接机与控制系统的焊接机控制单元电性相连，同时马达驱动单元及焊接机控制单元均与控制器电性相连；

步骤三：通过显示/操作单元对控制系统进行操作，该显示/操作单元为触摸显示屏，其显示界面在软件系统的支持下具有读写数据窗口并可呈现读写数据的键盘；

步骤四：通过键盘写入控制参数，进而控制五轴机械臂的第一、第二、第三、第四及第五臂作单独和/或联合运动，使得安装于第五臂上的焊枪能够作点位校准和/或点焊运作，藉此构建五轴机器人的数学模型；

步骤五：经点位示教及程序运算，实现五轴机器人自动控制并完成设定的焊接任务。

在本发明之实施例中优选，所述控制器包括参数设置模块、点位示教模块、核心运动控制模块、程序设计模块和程序运算模块，以及I/O端口。

在本发明之实施例中优选，所述参数设置模块依序与点位示教模块、程序设计模块和程序运算模块单向相连，同时所述核心运动控制模块分别与点位示教模块、程序运算模块双向相连，且程序运算模块与I/O端口相连。

本发明与现有技术相比，其有益的效果是：该五轴焊接机器人，通过第一、第二、第三、第四及第五关节臂的合理配置，使得该五轴焊接机器人的TCP点（焊枪焊接头位置）可以走点自如，其不但拓宽了走点范围，而且还能上下、左右以及俯仰地变换方位，更能直线、弧线以及曲线走点，且走点的运动轨迹匀速。同时该五轴焊接机器人为柔性设计架构，有效节省了其自身占用的空间，从而扩充了焊接空间；在五轴联动时，能使TCP点在三维空间坐标的内任意方向移动，并且同时调整焊枪姿态。从而达成了灵活、机动且方便制成易于操作的良好效果。

附图说明

图1是本发明实施例中控制器的立体结构示意图。

图2是本发明实施例中控制系统的结构示意图。

图3是本发明实施例中马达驱动及焊接驱动的结构示意图。

图4是本发明实施例的结构示意图。

图5是图1中电路方框结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细说明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

请参阅图1并结合参阅图2、图3、图4及图5所示，本发明提供一种五轴焊接机器人，包括控制系统10、五轴机械臂20及焊接机30，该焊接机30包括焊枪31，其中：

所述控制系统10包括控制器11以及分别电性相连该控制器11的显示/操作单元12、马达驱动单元13和焊接机控制单元14，所述马达驱动单元13包括第一驱动器131、第二驱动器132、第三驱动器133、第四驱动器134和第五驱动器135；所述焊接机控制单元14与焊接机30电性相连，并藉此指令该焊接机按设计进行焊接作业。

所述五轴机械臂20，以焊枪31方便、快捷且无死角地找准焊点为需求，可将其设置为在设定的空间内纵向或横向地自由行走，并针对焊点会在不同角度存在的事实，还将设定控制系统10指令五轴机械臂20及其所携的焊枪31能够进行前、后、左、右或仰势、俯势的灵活变位，以此来应对不同角度的点焊，从而实现焊接机器人能够方便自如且无死角地进行焊接作业的目的。

所述五轴机械臂20，以所述机座40为基础，设置第一臂21，再依序后一机械臂以前一机械臂为支点（如第二臂22以第一臂21为支点，第三臂23以第二臂22为支点，第四臂24以第三臂23为支点以及第五臂25以第四臂24为支点）设置，所述五轴机械臂20的各臂之间是通过臂上具有的轴（如第一轴211、第二轴221至第五轴251）进行连接，所述轴均通过马达（如第一马达212、第二马达222至第五马达252均为步进马达）驱动旋转或移位，藉此使得五轴机械臂在设定的的范围内自由移位。

所述第一臂21为直立臂，设在一柱形机座40上，并包括第一轴211，在该第一臂21上还设有第一马达212，该第一马达212经第一驱动器131驱动，可带动设在该第一臂21上的第二臂22作正、负180°旋转。

所述第二臂22为横向臂，其一端以第一轴211为支点设置，并随着该第一臂21的运作作正、负180°的扫描移位，而该第二臂22的另一端（第二臂的自由端）设有第二轴221，靠近该第二轴221设有第二马达222，该第二马达222经第二驱动器132驱动，可带动设在该第二臂21上的第三臂23作正、负180°旋转。

所述第三臂23为向上倾斜的横向臂，其一端以第二轴221为支点设置，并以该第二轴221为中心作旋转移位，而另一端（第三臂的自由端）设有第三轴231，靠近该第三轴231设有第三马达232，该第三马达232经第三驱动器133驱动，能使该第四臂24在该第三轴231上作上、下移位。在本实施例中，五轴机械臂是以基座40为运动中心，当该第一臂21与第二臂经驱动并同时运作时，可以作相向的正、负180°的扫描动作，也可以作逆向的正、负180°扫描动作。当这二者作相向正、负180°扫描时，其可达的最远距离应该是这二者长度之和的距离；当这二者作逆向正、负180°扫描时，其可到达的最近距离应该是该第三臂23自由端靠近该基座40的距离。在本实施例中，所述第三轴231是定位座233及齿轮234组成，该定位座233具有垂直于水平线的轴孔2331，该齿轮234具有齿牙并设于定位座233中，其齿牙凸出到该轴孔2331中。

所述第四臂24为垂直臂，其以该第三轴231为支点，并包括下端吊装的第四轴241，该垂直臂具有可与所述齿轮234的齿牙相吻合的锯齿2411，当该垂直臂贯穿所述轴孔2331时，在其中的该齿牙可拨动该第四臂24作上、下移位，藉此用来实现灵活变换位置高低的效果。该第四轴241设有第四马达242，其经第四驱动器134驱动，可带动吊装于该第四轴241下端的第五臂25作正、负180°旋转。

所述第五臂25为勾形臂，其以所述第四轴241为支点，并包括第五轴251及第五马达252，在该第五轴252中还设有安装部253，该安装部253是方便该焊枪31设置与拆卸机构。该第五马达252经第五驱动器135驱动，能使该第五轴252携的焊枪31作俯、仰（即为纵向的正、负180°旋转）移位，藉此可有效解决处于底面或顶面的焊点问题，避免了焊接死角。

请再结合参阅图1至图5所示，本发明的五轴焊接机器人，是通过所述控制系统10控制实现操作的，其控制方法包括：

所述的控制系统10通过其内置的控制器（MTC621）11发送指令信号给马达驱动单元13，使之按其指令信号控制设在五机械臂上的马达运作，该控制器（MTC621）11也发送指令信号给焊接机控制单元14，使之按其指令信号控制焊接机以及设在第五臂25上的焊枪31作业，然而，控制系统10还通过其显示/操作单元12进行参数设置，具体地：

所述显示/操作单元12为触摸显示屏（未图示），其显示界面既能读写数据（未图示）也能呈现键盘（未图示），藉此有效方便使用人员监管机械运行及参数设置。

所述控制器11为控制系统10的核心，并包括参数设置模块111、点位示教模块112、核心运动控制模块113、程序设计模块114和程序运算模块115，其中：

所述参数设置模块111支持软件系统所提供的基本参数设置（如：显示界面设置，五轴机械臂运动轨迹及其远近距离的设置，还有五轴动作的减速比设置，马达最高转速设置，马达每圈脉冲数设置，马达的脉冲控制模式，以及焊枪最大行进速度设置等），其设置的参数，经所述核心运动控制模块113算法，建立五轴焊接机器人的数学模型。

所述点位示教模块112在软件系统的支持下，结合参数设置模块111构建的五轴机器人的数学模型，经所述显示界面的键盘来控制五轴机械臂20作单独的点位运动，同时也控制所述五轴机械臂20联动，藉此使得载于所述五轴机械臂20第五臂上的焊枪31沿着空间坐标的X轴、Y轴和Z轴作直线运动，也可以通过所述键盘控制所述焊枪31在空间坐标不动的情况下，改变该焊枪31的方位，将此示教好点位的五轴机械臂角度坐标保存在该点位示教模块112方便演示。

所述程序设计模块114，在键盘的辅助下编辑程序指令，藉此可以方便地让五轴机械臂20按设计的运动轨迹运作，在本发明实施例中，控制系统10通过I/O端口与五轴机械臂20上的马达连接，并发送控制指令来控制作起弧和熄弧运作，同时也控制设于第五臂上的焊枪31随第五臂指向的点位工作。再结合点位示教模块112中保存的点位或使用直线，圆弧等指令串联起来并保存、修改程序等功能。

最后，所述程序运行模块115，依次执行设计好的程序指令，通过发送脉冲信号指令和/或监控五轴焊接机器人按照设计的运行轨迹运行。

Claims (6)

1.一种五轴焊接机器人，包括控制系统以及以机座为基础设置的五轴机械臂和焊接机，其特征在于：五轴机械臂包括第一至第五臂，每一臂均具有一轴并在各轴的近旁设有马达，在这第一至第五臂中，依序后一臂以前一臂为支点并通过轴连接，各轴均为活动轴并通过相应的马达驱动，马达驱动是通过控制系统发送指令信号来控制每一臂执行移动变位，控制系统还控制焊接机，焊接机包括焊枪，焊枪设于第五臂的自由端并随第五臂移动，同时也在控制系统的控制下执行和/或停止焊接操作，其中控制系统包括控制器以及与该控制器电性相连的显示/操作单元、马达驱动单元和焊接机控制单元，马达驱动单元包括第一至第五驱动器，焊接机控制单元与焊接机电性相连；

所述的第一臂为直立臂，设在机座上；第二臂为横向臂，其与所述第一臂配合可作正、负180°的扫描移位；第三臂为向上倾斜的横向臂，其与第二臂配合可作相向和/或逆向的正、负180°扫描移位；第四臂为垂直臂，其与第三臂配合作可作上、下移位，以及第五臂为勾形臂，在第四臂的支持下可作横向和/或纵向的正、负180°旋转；

所述第二臂的自由端设有第二轴，所述第二臂连接于所述第二轴下部，所述第三臂连接于所述第二轴上部，且所述第三臂以所述第二轴为支点，并以所述第二轴为中心作旋转运动；

所述的控制器包括参数设置模块、点位示教模块、核心运动控制模块、程序设计模块和程序运算模块，以及I/O端口；

所述的参数设置模块依序与点位示教模块、程序设计模块和程序运算模块单向相连，同时核心运动控制模块分别与点位示教模块、程序运算模块双向相连，且程序运算模块与I/O端口相连。

2.如权利要求1所述的五轴焊接机器人，其特征在于：所述的马达为步进马达，并包括第一、第二、第三、第四和第五马达，其中：第一马达设于第一臂并驱动第一轴，第二马达设于第二臂并驱动第二轴，第三马达设于第三臂并驱动第三轴，第四马达设于第四臂并驱动第四轴，以及第五马达设于第五臂并驱动第五轴。

3.如权利要求2所述的五轴焊接机器人，其特征在于：所述的第一驱动器与第一马达电性相连，第二驱动器与第二马达电性相连，第三驱动器与第三马达电性相连，第四驱动器与第四马达电性相连，以及第五驱动器与第五马达电性相连。

4.一种如权利要求1所述的五轴焊接机器人控制方法，主要通过控制系统的控制实现操作，其特征在于，控制方法包括：

步骤一：在五轴臂的第一、第二、第三、第四及第五臂上分别安装第一、第二、第三、第四及第五马达，以及还在第五臂上安装有焊枪，第一、第二、第三、第四及第五马达分别驱动五轴臂的第一、第二、第三、第四及第五轴；

步骤二：将第一、第二、第三、第四及第五马达与控制系统的马达驱动器单元电性相连，并将具有该焊枪的焊接机与控制系统的焊接机驱动单元电性相连，同时马达驱动单元及焊接机控制单元均与控制器电性相连；

步骤三：通过显示/操作单元对控制系统进行操作，该显示/操作单元为触摸显示屏，其显示界面在软件系统的支持下具有读写数据窗口并可呈现读写数据的键盘；

步骤四：通过键盘写入控制参数，进而控制五轴机械臂的第一、第二、第三、第四及第五臂作单独和/或联合运动，使得安装于第五臂上的焊枪能够作点位校准和/或点焊运作，藉此构建五轴机器人的数学模型；

步骤五：经点位示教及程序运算，实现五轴机器人自动控制并完成设定的焊接任务。

5.如权利要求4所述的五轴焊接机器人控制方法，其特征在于：所述的控制器包括参数设置模块、点位示教模块、核心运动控制模块、程序设计模块和程序运算模块，以及I/O端口。

6.如权利要求5所述的五轴焊接机器人控制方法，其特征在于：所述的参数设置模块依序与点位示教模块、程序设计模块和程序运算模块单向相连，同时核心运动控制模块分别与点位示教模块、程序运算模块双向相连，且程序运算模块与I/O端口相连。