CN109202219A - 一种智能焊接跟踪系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能焊接跟踪系统，包括处理模块、扫描模块、位移模块和反馈模块，其中：所述处理模块包括建模单元、工控机和执行器，所述建模单元与所述工控机相连接，所述执行器和所述工控机相连接，所述工控机接收所述建模单元的建立的三维模型数据，进行焊接线路初步规划，所述执行器用于执行工控机的指令；所述三维扫描仪首先为焊接件进行全方位的扫描，然后所述建模单元得出焊接件的三维立体数据模型，随后所述工控机根据三维数据立体模型进行焊接路径的规划，提前规划焊接路径，使得在对焊接件焊接之间对整个焊接缝有了一定的前期了解，便于在焊接过程中发现问题能够及时的更正，增加了焊接前的提前量，提高了焊接时的精度和容错度。

Description

一种智能焊接跟踪系统
技术领域
本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种智能焊接跟踪系统。
背景技术
焊接是一门材料连接技术，通过某种物理化学过程使分离的材料产生原子或者分子间的作用力而连接在一起，随着焊接技术的不断发展，它在生产中的应用日趋广泛，到目前为止已经成为一种重要的加工手段，焊缝自动跟踪系统的研究作为焊接领域的一个重要的方面，为了进行精确的自动焊接，必须进行焊缝自动跟踪。
目前市场上的智能焊接跟踪系统对焊接采用的方法是根据反馈模块实时的出的数据，进行焊接缝的判断位置，从而控制焊接头对焊接缝进行焊接，这种实时焊接，容错率低，且容易出错，效率较低，不利于整个焊接工作的展开。
发明内容
本发明提供一种智能焊接跟踪系统，旨在解决智能焊接跟踪系统对焊接采用的方法是根据反馈模块实时的出的数据，进行焊接缝的判断位置，从而控制焊接头对焊接缝进行焊接，这种实时焊接，容错率低，且容易出错，效率较低，不利于整个焊接工作的展开的问题。
本发明是这样实现的，一种智能焊接跟踪系统，包括处理模块、扫描模块、位移模块和反馈模块，其中：所述处理模块包括建模单元、工控机和执行器，所述建模单元与所述工控机相连接，所述执行器和所述工控机相连接，所述工控机接收所述建模单元的建立的三维模型数据，进行焊接线路初步规划，所述执行器用于执行工控机的指令，所述扫描模块包括三维扫描仪、所述机械臂和所述工作台，所述三维扫描仪搭载于所述机械臂的前端，所述机械臂的底座固定连接于所述工作台，所述三维扫描仪与所述建模单元相连接，用于为所述建模单元提供焊接件的三维扫描数据，便于所述建模单元建立三维模型，所述机械臂用于控制所述三维扫描仪对焊接件进行全方位的扫描，所述工作台用于放置焊接件，所述位移模块包括三轴架、步进电机和转动臂，所述三轴架固定连接于所述工作台，所述三轴架位于所述工作台的上表面，所述步进电机与所述三轴架之间滚动连接，所述步进电机用于控制焊枪的移动，所述转动臂用于控制焊枪的转动，所述反馈模块包括电弧传感器、霍尔传感器和光电码盘，所述电弧传感器滑动连接于所述三轴架，所述电弧传感器位于转动臂的下方，所述霍尔传感器和所述光电码盘均与所述电弧传感器相连接，所述电弧传感器用于对焊接件进行焊接并进行实时跟踪传感，所述霍尔传感器用于检测焊丝流过的电流，所述光电码盘用于测量出电弧每圈扫描的起始位置和相对起始点的瞬时位置。
优选的，所述三维扫描仪设置为激光扫描式，利用的是时差测距法。
优选的，所述建模单元包括cad或者cam等软件，用于三维立体图的直观展现。
优选的，所述工控机配置有ARM处理器，用于整个系统的上位机单元控制核心，完成整个系统的配置和管理工作。
优选的，所述执行器包括PLC，作为执行单元，完成系统底层的检测，反馈和执行功能。
优选的，所述电弧传感器设置为直流空心轴电机的旋转电弧传感器，结构包括气焊用焊枪，空心轴直流电机，焊接电源等。
优选的，所述三轴架的三轴设置为x、y、z三轴，且之间采用相互垂直的固定方式。
优选的，所述电弧传感器、霍尔传感器和光电码盘均与所述工控机相连接，用于得到的数据反馈给所述工控机进行计算处理。
优选的，所述工控机根据电弧焊接原理，焊接电流与电弧焊过程中的弧长成正比，将所述霍尔传感器测得的焊接电流的大小，经过数学运算与比较，可知道焊点位置的相关信息。
优选的，所述光电码盘测得的数据经所述工控机处理得到空心轴电机旋转速度，以实现电机旋转速度的闭环控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种智能焊接跟踪系统，通过设置所述三维扫描仪首先为焊接件进行全方位的扫描，然后所述建模单元得出焊接件的三维立体数据模型，随后所述工控机根据三维数据立体模型进行焊接路径的规划，提前规划焊接路径，使得在对焊接件焊接之间对整个焊接缝有了一定的前期了解，便于在焊接过程中发现问题能够及时的更正，增加了焊接前的提前量，提高了焊接时的精度和容错度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的处理模块示意图；
图3为本发明的扫描模块示意图；
图4为本发明的位移模块示意图；
图5为本发明的反馈模块示意图；
图6为本发明的实体结构示意图；
图中：1-处理模块、11-建模单元、12-工控机、13-执行器、2-扫描模块、21-三维扫描仪、22-机械臂、23-工作台、3-位移模块、31-三轴架、32-步进电机、33-转动臂、4-反馈模块、41-电弧传感器、42-霍尔传感器、43-光电码盘。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种智能焊接跟踪系统，包括处理模块11、扫描模块2、位移模块3和反馈模块4，其中：处理模块11包括建模单元11、工控机12和执行器13，建模单元11与工控机12相连接，执行器13与工控机相连接，工控机12接收建模单元11的建立的三维模型数据，进行焊接线路初步规划，执行器13用于执行工控机的指令，扫描模块2包括三维扫描仪21、机械臂22和工作台23，三维扫描仪21搭载于机械臂22的前端，机械臂22的底座固定连接于工作台23，三维扫描仪21与建模单元11相连接，用于为建模单元11提供焊接件的三维扫描数据，便于建模单元11建立三维模型，机械臂22用于控制三维扫描仪21对焊接件进行全方位的扫描，工作台23用于放置焊接件，位移模块3包括三轴架31、步进电机32和转动臂33，三轴架31固定连接于工作台23，三轴架31位于工作台23的上表面，步进电机32与三轴架31之间滚动连接，步进电机32用于控制焊枪的移动，转动臂33用于控制焊枪的转动，反馈模块4包括电弧传感器41、霍尔传感器42和光电码盘43，电弧传感器41滑动连接于三轴架31，电弧传感器41位于转动臂33的下方，霍尔传感器42和光电码盘43均与电弧传感器41相连接，电弧传感器41用于对焊接件进行焊接并进行实时跟踪传感，霍尔传感器42用于检测焊丝流过的电流，光电码盘43用于测量出电弧每圈扫描的起始位置和相对起始点的瞬时位置。
在本实施方式中，电弧传感器41中的反馈系统与焊接模块使用电弧式传感器可以同时完成跟踪传感及焊缝的功能，电弧传感器41的工作原理：即在焊接过程中，利用焊枪与工件之间的距离变化(即弧长的变化)引起的焊接参数变化(一般采用电压或电流的变化)，经由系统的处理器运算处理，来获取焊枪高度和左右偏差等信息并对相关机构加以控制。
在本实施方式中，首先外部电源成功连接，启动机械臂22，机械臂22的转动带动三维扫描仪21从不同的方向对焊接件进行扫描，三维扫描仪21将扫描得出的三维立体数据发送给建模单元11，建模单元11根据三维扫描仪21提供的三维立体数据，生成焊接件的三维立体模型，工控机12根据建模单元11建立的三维立体模型进行焊接路径的初步规划，然后控制步进电机32在三轴架31上进行转动，并控制转动臂33转动，从而控制电弧传感器41达到规划路径的起始点，电弧传感器41根据规划的路径进行焊接，同时也焊接的过程中，将得到的焊接参数变化数据反馈给工控机12，工控机12进行运算处理，获取焊枪高度和左右偏差等信息，从而对焊接的路径进行修正和下一步焊接情况的控制执行，通过不断的修正焊接的路径，从而保证焊接时的完美。
进一步的，三维扫描仪21设置为激光扫描式，利用的是时差测距法。
在本实施方式中，时差测距的三维激光扫描仪21使用激光光探测目标物，此激光测距仪确定仪器到目标物表面距离的方式，是测定仪器所发出的激光脉冲往返一趟的时间换算而得，即仪器发射一个激光光脉冲，激光光打到物体表面后反射，再由仪器内的探测器接收信号，并记录时间，由于光速为一已知条件，光信号往返一趟的时间即可换算为信号所行走的距离，此距离又为仪器到物体表面距离的两倍，激光测距仪每发一个激光信号只能测量单一点到仪器的距离，因此，扫描仪若要扫描完整的视野，就必须使每个激光信号以不同的角度发射，而此款激光测距仪即可透过本身的水平旋转或系统内部的旋转镜达成此目的，旋转镜由于较轻便、可快速环转扫描、且精度较高，是较广泛应用的方式。
进一步的，建模单元11包括cad或者cam等软件，用于三维立体图的直观展现。
在本实施方式中，三维扫描仪21对焊接件进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据通过建模单元11能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以根据这些数据进行焊接件三维立体模型的生成，然后便于工控机12判断焊接缝的走向情况以及焊接路径的初步规划等。
进一步的，工控机12配置有ARM处理器，用于整个系统的上位机单元控制核心，并完成整个系统的配置和管理工作；执行器13包括PLC，作为执行单元，完成系统底层的检测，反馈和执行功能。
在本实施方式中，焊缝轨迹的控制和跟踪在很大程度上必须依赖于其对数据的实时处理，对数据的运算能力要求相对较高，ARM处理器由于其功耗小功能强和16位/32位双指令集的支持，加上几百兆级的运算速度，具有很强的事务管理功能，选用DSP的作为主控系统的MCU，在本系统设计中，需要高速的运算速度，完成传感器信息值的解算和电机的控制，在信息的处理中需要涉及到大量的浮点型运算，而这也正是DSP控制系统的强项所在，通过对比选取，决定使用TI公司的TMS320F 2812芯片，由上位机单元和下位执行单元构建的系统，稳定性好，可以完成很复杂的功能，而且系统的处理能力很强。
进一步的，三轴架31的三轴设置为x、y、z三轴，且之间采用相互垂直的固定方式。
在本实施方式中，三轴架31搭配步进电机32的传动系统在实现形式上比较容易，一般是通过三个电机分别控制位移结构的三轴移动，实现三轴立体面内的位移传动，但是由于其自由度的限制，导致其对于竖直方向或者倾斜方向的焊缝的焊接无能为力，因此添加一小截转动臂33控制电弧传感器41进行转动方位的焊接。
进一步的，电弧传感器41、霍尔传感器42和光电码盘43均与工控机12相连接，用于得到的数据反馈给工控机12进行计算处理；电弧传感器41设置为直流空心轴电机的旋转电弧传感器41，结构包括气焊用焊枪，空心轴直流电机，焊接电源等。
在本实施方式中，电弧传感器41采用了空心轴设计，焊丝斜穿过电机空心轴，绕自身对称中心线作圆锥形状的旋转摆动，在空心轴上端，安装送丝轮送入焊丝，并在空心轴电机外壳上放置了一个小的直流电机用以送丝轮的转动，该直流电机其控制电压受工控机12控制，用以实现不同情况下的不同送丝速度，。
进一步的，工控机12根据电弧焊接原理，焊接电流与电弧焊过程中的弧长成正比，将霍尔传感器42测得的焊接电流的大小，经过数学运算与比较，可知道焊点位置的相关信息。
在本实施方式中，焊接电流的检测装置比较小，一般采用霍尔传感器42检测焊丝流过的电流，安置在空心轴电机外部，霍尔传感器42检测电流的原理，原边电流I与产生的磁感强度B成正比(B＝K1I)；同I与电弧长度H关系为I＝K2L+C2；在霍尔元件上感应的电压经过放大后为U，U与B成正，根据这些关系可以得出：U＝KL+C，所以利用电压U即可得到弧长H的信息。
进一步的，光电码盘43测得的数据经工控机12处理得到空心轴电机旋转速度，以实现电机旋转速度的闭环控制。
在本实施方式中，光电码盘43的码道部分、整个偏心机构(包括配重块、调心轴承)与空心轴同轴相连，当电机高速旋转的同时也带动着这两个部分一起旋转，而光电码盘43的光源与光敏器件都与直流电机的外壳固连，维持其相对电机转子的空间方向不变。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种智能焊接跟踪系统，其特征在于，包括处理模块(1)、扫描模块(2)、位移模块(3)和反馈模块(4)，其中：所述处理模块(1)包括建模单元(11)、工控机(12)和所述执行器(13)，所述建模单元(11)与所述工控机(12)相连接，所述执行器(13)与所述工控机(12)相连接，所述工控机(12)接收所述建模单元(11)的建立的三维模型数据，进行焊接线路初步规划，所述执行器(13)用于执行所述工控机(12)的指令，
所述扫描模块(2)包括三维扫描仪(21)、所述机械臂(22)和所述工作台(23)，所述三维扫描仪(21)搭载于所述机械臂(22)的前端，所述机械臂(22)的底座固定连接于所述工作台(23)，所述三维扫描仪(21)与所述建模单元(11)相连接，用于为所述建模单元(11)提供焊接件的三维扫描数据，便于所述建模单元(11)建立三维模型，所述机械臂(22)用于控制所述三维扫描仪(21)对焊接件进行全方位的扫描，所述工作台(23)用于放置焊接件，
所述位移模块(3)包括三轴架(31)、步进电机(32)和转动臂(33)，所述三轴架(31)固定连接于所述工作台(23)，所述三轴架(31)位于所述工作台(23)的上表面，所述步进电机(32)与所述三轴架(31)之间滚动连接，所述步进电机(32)用于控制焊枪的移动，所述转动臂(33)用于控制焊枪的转动，
所述反馈模块(4)包括电弧传感器(41)、霍尔传感器(42)和光电码盘(43)，所述电弧传感器(41)滑动连接于所述三轴架(31)，所述电弧传感器(41)位于转动臂(33)的下方，所述霍尔传感器(42)和所述光电码盘(43)均与所述电弧传感器(41)相连接，所述电弧传感器(41)用于对焊接件进行焊接并进行实时跟踪传感，所述霍尔传感器(42)用于检测焊丝流过的电流，所述光电码盘(43)用于测量出电弧每圈扫描的起始位置和相对起始点的瞬时位置。
2.如权利要求1所述的一种智能焊接跟踪系统，其特征在于，所述三维扫描仪(21)设置为激光扫描式，利用的是时差测距法。
3.如权利要求1所述的一种智能焊接跟踪系统，其特征在于，所述建模单元(11)包括cad或者cam等软件，用于三维立体图的直观展现。
4.如权利要求1所述的一种智能焊接跟踪系统，其特征在于，所述工控机(12)配置有ARM处理器，用于整个系统的上位机单元控制核心，并完成整个系统的配置和管理工作。
5.如权利要求1所述的一种智能焊接跟踪系统，其特征在于，所述执行器(13)包括PLC，作为执行单元，完成系统底层的检测，反馈和执行功能。
6.如权利要求1所述的一种智能焊接跟踪系统，其特征在于，所述电弧传感器(41)设置为直流空心轴电机的旋转电弧传感器，结构包括气焊用焊枪，空心轴直流电机，焊接电源等。
7.如权利要求1所述的一种智能焊接跟踪系统，其特征在于，所述三轴架(31)的三轴设置为x、y、z三轴，且之间采用相互垂直的固定方式。
8.如权利要求1所述的一种智能焊接跟踪系统，其特征在于，所述电弧传感器(41)、霍尔传感器(42)和光电码盘(43)均与所述工控机(12)相连接，用于得到的数据反馈给所述工控机(12)进行计算处理。
9.如权利要求8所述的一种智能焊接跟踪系统，其特征在于，所述工控机(12)根据电弧焊接原理，焊接电流与电弧焊过程中的弧长成正比，将所述霍尔传感器(42)测得的焊接电流的大小，经过数学运算与比较，可知道焊点位置的相关信息。
10.如权利要求8所述的一种智能焊接跟踪系统，其特征在于，所述光电码盘(43)测得的数据经所述工控机(12)处理得到空心轴电机旋转速度，以实现电机旋转速度的闭环控制。
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