CN109352147A - 一种机器人伺服焊钳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人伺服焊钳，包括夹紧模块，传动模块，驱动模块，信号处理模块，控制系统，支撑模块，以PLC为编程控制方式代替传统的人工操作，通过减速传动可以得到一个预定的加压速度，可避免冲击，系统集成了运动控制系统、测量控制系统和指令分配系统用于控制伺服系统的现场实时状态与监控，从而实现对电伺服机器人点焊机的各个动作的时实控制；系统中各功能模块能满足作业过程中调试、修正、加工等环节中的精度、稳定性、线性度、灵敏度等各种性能的要求，实现精确的焊接线形要求。

Description

一种机器人伺服焊钳

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种机器人伺服焊钳。

背景技术

目前国内以机器人作为载体的焊机(俗称"焊钳")常用的为气动焊钳较多；气动焊钳出现较早，气动焊钳用高压气体注入气缸，活塞杆推动其中一侧电极，使两电极闭合产生压力，通电完成点焊，从实践应用中证明其有难以克服的缺点：对工件冲击大，由于是高压气体作为动力，加压速度不可控，自身重量在高速下产生的惯性冲击影响焊点品质；这种PLC系统控制的机器人伺服点焊机可以较好的解决现有技术中存在的不足，满足现代化汽车和重工业生产线的自动化要求并且其具有操作简单，焊接质量高，适应环境好等优势。

我国目前还有很多的工厂在使用手工焊接，虽然设备和材料成本便宜，但是存在着工作效率低、焊接误差大、操作繁琐、工艺性差等缺点，而且由于工作的需要，工人经常需要经受高温、高压、带电、燥声、腐蚀及有毒气体等恶劣的工作环境，而且工人的劳动强度大，有时甚至于威胁到生命，目前计算机集成技术、传感器技术、硬/软件技术、自动化控制技术、信息处理技术、精密机械技术的发展应用，机械设备的自动化越来越重要，PLC电伺服机器人点焊机效率高、成本低、适应环境性能好、操作简单、控制精度高，已经成为现代化汽车生产线的发展趋势；因此研制适应环境好、操作简单、无污染、噪声小等优点的高性能的机电一体化焊接设备成为未来焊接领域的发展趋势，而本发明中的PLC电伺服机器人焊钳正是这种能够满足现代化汽车自动生产线焊接要求的焊接设备。

发明内容

根据以上背景内容，本发明的目的在于提出一种机器人伺服焊钳，其包括夹紧模块，传动模块，驱动模块，信号测量模块，信号采集与处理模块，控制模块，支撑模块；所述夹紧模块安装于机身一侧，所述支撑模块安装于机身底部，所述驱动模块和传动模块依次连接并安装与机身内部，传动模块一端与驱动模块连接，一端与夹紧模块连接，信号测量模块位于机身内部与夹紧模块连接和驱动模块通过电路连接，所述控制模块位于机身外，是由一个专用箱体组成，其主要包括控制器和相应的控制电路，通过信号线缆与主机进行信息交换。

夹紧模块包括：焊接电极、焊钳动臂、焊钳静臂、支撑架、电磁控制器与支承夹紧工装块；所述焊接电极分别安装于焊钳动臂、焊钳静臂一端，在焊接过程中提供焊接电流和焊接压力，完成工件焊接任务，焊接电流与焊接压力由PLC系统设定；所述焊钳动臂、焊钳静臂分别通过连接固定装置安装于钳体，焊钳静臂是固定的，焊钳动臂是通过伺服电机带动传动传感装置从而带动焊钳动臂移动来实现夹紧。

所述电伺服机器人点焊机的传动模块主要为齿轮传动和滚珠丝杠螺母副传动，所述滚珠丝杠螺母副主要包括：丝杠轴、轴承座、轴承端盖、轴承、密封圈、套环和锁紧螺母，所述轴承对安装在轴承座内，轴承端盖安装于轴承座一端，其轴向自由度由轴承端盖以及轴承座共同限制，防止轴承在受轴向力的时候发生轴向移动，所述锁紧螺母旋入丝杠轴的外螺纹形成螺纹连接，从而限制了丝杠轴7向右移动，丝杠轴的轴肩与轴承的内圈相配合，确保丝杠不会向左移动，使得丝杠的轴向位置完全确定。

本发明所述点焊机的加压机构采用滚珠丝杠与焊钳动臂、焊钳静臂同轴线安装，确保在焊接过程中，丝杠轴7只承受轴向载荷。

进一步的，由于所述点焊机的焊接电极垂直上下运动，并且焊接电极与滚珠丝杠螺母是刚性连接的，由力的可传递性原理可知，在焊接过程中，焊接电极受到的反向作用力通过滚珠传递到丝杠轴，滚珠丝杠垂直安装，在丝杠的动力输入端安装有轴承对，轴承固定于轴承座内，轴承承受丝杠传递过来的轴向力，并将轴向力传到机座上，从而限制了丝杠向上的移动，保证丝杠正常工作，轴向力的传递路线为：丝杠轴肩→轴承内圈→轴承滚动体→轴承外圈→轴承端盖→螺钉→机座；焊接电极与焊钳动臂固定安装在一起，其受到的作用力最终传到下焊钳动臂。

进一步的，驱动模块是电伺服机器人点焊机中的重要部分，它传递控制指令并改变系统的状态和产生希望的移动位置、速度运动、旋转运动输出，它由输入微型处理器(MSP)的PLC指令设定，主要由驱动放大器、变压器、伺服电动机、机械传动装置、被控对象以及驱动电路组成，本系统执行元件为伺服电机，其将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，当伺服电机收到的电信号发生改变时，电机的转动速度和方向也跟着改变。

进一步的，信号处理模块包括测量模块和信号处理模块，是获取运动过程的运动状态和行为信息，并将其测量的结果时地反馈给MSP及运动控制卡，然后经过信息处理电路调理后优化调整输出控制信号以达到精确控制电伺服机器人的精准焊接的运动过程，在伺服机器人点焊机反馈控制系统中，测量模块检测相关位移时需要位移传感器进行测量反馈，本系统的设计中主要选择电测法中的光栅式位移传感器；旋转的角度在机器人运动的控制中直接影响到旋转的精度和运动的时间精度，同时测量模块检测电极开合行程的也需要通过角度传感器进行反馈，因此对角度的测量控制具有非常重要的意义，伺服电动机的旋转角度测量采用增量式光电编码器。

本系统主要的信号为数字量，观察时通常要借助于仪表或显示屏才能显示出测量结果，所测量得到的信号一般比较微弱而且通常伴有干扰信号源，因此采集的信号必须需要经过处理电路才能得到准确的结果，并且根据处理器处理反馈回来的信息同步调整修正控制指令以达到预期的执行效果，信号采集及处理电路主要有前置放大电路、滤波电路、以及载波测量电路、信号比较电路。

控制模块作为本发明一种机器人伺服焊钳的神经中枢，发挥着控制整个系统的运动、轨迹和时间节点，按控制任务分为点位控制和连续路径控制；点位控制是指在容许加速度和速度条件下，尽可能地由源坐标位置运动到目标位置，对两点之间的轨迹没有要求；连续路径控制则包括直线运动和曲线运动，对运动速度和路径都有一定的精度要求，不仅要求路径连续，而且要求速度匹配很好，对于本系统，既有点位控制，又有连续路径控制，其控制主要由输入指令到运动控制卡，然后再分配到各运动轴(移动轴、旋转轴)和电极夹紧装置。

PLC控制是通过内部存储用户设计的程序指令，这些指令就是用来实现逻辑运算、顺序操作、定时定温、计算及运算并通过数字或模拟输入/输出来控制各种机械运动的过程，PLC控制的机制采用扫描工作机制，即检测输入变量、求解当前控制逻辑以及修正输出指令，这都是按定义和设计连续、重复地进行的，其带有专门的I/O接口，能方便各信号的直接利用，电伺服点焊机器人的作业过程为顺序控制系统，在使用之前初始电路必须先设置好，每次使用时启动后点焊机的设置自动恢复初始状态，焊钳的位置自动归零。

进一步的，机器人伺服焊钳的支撑模块主要包括：机身、立柱、箱体、底座，焊钳动臂通过螺栓连接固定在机身上，支撑架作为滚珠丝杠副及直线导轨滑块的安装单元，伺服电机的旋转运动通过滚珠丝杠机构最终变换为连接架的直线运动，连接架上装有直线导轨确保其按照预定的轨迹运动，同时，连接架与电极座刚性连接，将运动形式传递给焊接电极。

有益效果

1.本发明中的机器人伺服焊钳通过PLC控制系统，控制机器人替代人工操作，并且使用伺服电机替代原有的气缸，具有精度高，效率高、成本低、适应环境好、操作简单快捷的优点。

2.本发明将使用伺服电动机来替代传统手工焊钳所采用的气缸。

3.本发明采用工业机器人操作替代传统的人工手动操作，实现自动化作业。

附图说明

图1为本发明的机器人伺服焊钳的结构示意图

图2所述的机器人伺服焊钳中滚珠丝杠螺母副的结构示意图

图3为本发明的机器人伺服焊钳的工作原理流程图

图4为本发明的机器人伺服焊钳中测量反馈电路的示意图

图5为本发明的机器人伺服焊钳中支撑模块的示意图

附图标记说明：1.夹紧模块；2.传动模块；3.驱动模块；4.信号测量模块；5.控制模块；6.支撑模块7.丝杠轴；8.轴承座；9.轴承；10.轴承端盖；11.套环；12.密封圈；13.锁紧螺母；14. 机座；15. 焊钳静臂，16. 焊钳动臂；17.焊接电极；18.支撑架；19.伺服电机；20.立柱；21.底座；22.箱体；23.信号线缆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚，完整的描述。

参照图1，一种机器人伺服焊钳，包括：夹紧模块1，传动模块2，驱动模块3，信号测量模块4，信号采集与处理模块，控制模块5以及支撑模块6；所述夹紧模块1安装于机身24一侧，所述支撑模块6安装于机身24底部，所述驱动模块3和传动模块2依次连接并安装与机身24内部，传动模块2一端与驱动模块3连接，一端与夹紧模块1连接，信号测量模块位于机身24内部与夹紧模块1连接和驱动模块3通过电路连接，所述控制模块位于机身24外，是由一个专用箱体22组成，其主要包括控制器和相应的控制电路，通过信号线缆23与主机进行信息交换。

其中，夹紧模块1，包括：焊接电极17、焊钳动臂15、焊钳静臂16以及支撑架18，电磁控制器与支承夹紧工装块，具有夹紧点焊焊材、降低在点焊过程中产生的焊接移位误差和截面变形的作用；所述焊接电极17分别安装于焊钳动臂15、焊钳静臂16一端，在焊接过程中提供焊接电流和焊接压力，完成工件焊接任务，焊接电流与焊接压力由PLC系统设定；焊钳动臂15、焊钳静臂16分别通过连接固定装置安装于体部分，焊钳静臂15是固定的，焊钳动臂16是通过伺服电机带动传动传感装置从而带动动臂16转动来实现夹紧。

所述电伺服机器人点焊机的传动模块2主要由齿轮传动和滚珠丝杠螺母副传动，如图2所示，所述滚珠丝杠螺母副主要包括：丝杠轴7，轴承座8，轴承端盖10，轴承9，密封圈12，套环11和锁紧螺母13，所述轴承9对安装在轴承座8内，其轴向自由度由轴承端盖10以及轴承座8共同限制，防止轴承9在受轴向力的时候发生轴向移动，所述锁紧螺母旋入丝杠轴的外螺纹形成螺纹连接，从而限制了丝杠轴向右移动，此外丝杠的轴肩与轴承的内圈相配合，确保丝杠不会向左移动，至此丝杠的轴向位置完全确定。

加压机构采用滚珠丝杠与焊钳动臂15、焊钳静臂16同轴线安装，确保在焊接过程中，丝杠轴7只承受轴向载荷。

进一步的，由于所述点焊机的焊接电极17是垂直上下运动的，并且焊接电极17与滚珠丝杠螺母是刚性连接的，由力的可传递性原理可知，在焊接过程中，焊接电极17受到的反向作用力通过滚珠传递到丝杠轴7，滚珠丝杠垂直安装，在丝杠的动力输入端安装有轴承对，轴承9固定于轴承座8内，轴承9承受丝杠传递过来的轴向力，并将轴向力传到机座14上，从而限制了丝杠向上的移动，保证丝杠正常工作，轴向力的传递路线为：丝杠轴肩→轴承内圈→轴承滚动体→轴承外圈→轴承端盖→螺钉→机座；焊接电极17与焊钳动臂15固定安装在一起，其受到的作用力最终传到下焊钳动臂15；由以上分析可以看出，在焊接过程中，电极压力及其反作用力主要施加于丝杠轴7、轴承9、焊钳动臂15、焊钳静臂16，为保证焊接过程能够顺利进行以及工件的焊接质量，它们必须具有足够的强度和刚度。

所述驱动模块3是电伺服机器人点焊机中的重要部分，它传递控制指令并改变系统的状态和产生希望的移动位置、速度运动、旋转运动输出，它由输入微型处理器(MSP)的PLC指令设定，主要由驱动放大器、变压器、伺服电动机、机械传动装置、被控对象以及驱动电路组成，本系统执行元件为伺服电机，其将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，当伺服电机收到的电信号发生改变时，电机的转动速度和方向也跟着改变。

所述信号处理模块4包括测量模块和信号处理模块，是获取运动过程的运动状态和行为信息，并将其测量的结果时地反馈给MSP及运动控制卡，然后经过信息处理电路调理后优化调整输出控制信号以达到精确控制电伺服机器人的精准焊接的运动过程，在伺服机器人点焊机反馈控制系统中，测量模块检测相关位移时需要位移传感器进行测量反馈，本系统的设计中主要选择电测法中的光栅式位移传感器；旋转的角度在机器人运动的控制中直接影响到旋转的精度和运动的时间精度，同时测量模块检测电极开合行程的也需要通过角度传感器进行反馈；伺服电动机的旋转角度测量采用增量式光电编码器。

本系统的信号为数字量，观察时通常要借助于仪表或显示屏才能显示出测量结果，所测量得到的信号一般比较微弱而且通常伴有干扰信号源，因此采集的信号必须需要经过处理电路才能得到准确的结果，并且根据处理器处理反馈回来的信息同步调整修正控制指令以达到预期的执行效果，信号采集及处理电路主要有前置放大电路、滤波电路、以及载波测量电路、信号比较电路等，具体反馈电路的方框示意图如图4所示。

控制模块5按控制任务分为点位控制和连续路径控制；点位控制是指在容许加速度和速度条件下，尽可能地由源坐标位置运动到目标位置，对两点之间的轨迹没有要求；连续路径控制则包括直线运动和曲线运动，对运动速度和路径都有一定的精度要求，不仅要求路径连续，而且要求速度匹配很好，对于本系统，既有点位控制，又有连续路径控制，其控制主要由输入指令到运动控制卡，然后再分配到各运动轴(移动轴、旋转轴)和电极夹紧装置。

所述PLC控制是通过内部存储用户设计的程序指令，这些指令就是用来实现逻辑运算、顺序操作、定时定温、计算及运算并通过数字或模拟输入/输出来控制各种机械运动的过程，PLC控制的机制采用扫描工作机制，即检测输入变量、求解当前控制逻辑以及修正输出指令，这都是按定义和设计连续、重复地进行的，其带有专门的I/O接口，能方便各信号的直接利用，电伺服点焊机器人的作业过程为顺序控制系统，在使用之前初始电路必须先设置好，每次使用时启动后点焊机的设置自动恢复初始状态，焊钳的位置自动归零。

如图5所示，所述机器人伺服焊钳的支撑模块主要包括：机身24、立柱20、箱体22以及底座21，焊钳动臂15通过螺栓连接固定在机身24，支撑架18作为滚珠丝杠副及直线导轨滑块的安装单元，伺服电机的旋转运动通过滚珠丝杠机构最终变换为连接架的直线运动，连接架上装有直线导轨确保其按照预定的轨迹运动，同时，连接架与上电极座刚性连接，将运动形式传递给上焊接电极17。

参照图3所示的原理图，所述PLC控制是通过内部存储用户设计的程序指令，这些指令就是用来实现逻辑运算、顺序操作、定时定温、计算及运算并通过数字或模拟输入/输出来控制各种机械运动的过程，PLC控制的机制采用扫描工作机制，即检测输入变量、求解当前控制逻辑以及修正输出指令，这都是按定义和设计连续、重复地进行的，其带有专门的I/O接口，能方便各信号的直接利用，电伺服点焊机器人的作业过程为顺序控制系统，在使用之前初始电路必须先设置好，每次使用时启动后点焊机的设置自动恢复初始状态，焊钳的位置自动归零。

本发明的机器人伺服焊钳通过一种由PLC系统控制伺服电机驱动的点焊加压机构来取代传统的气缸驱动加压机构，可以较好的解决现有技术中存在的不足，满足现代化汽车和重工业生产线的自动化要求并且其具有操作简单，焊接质量高，适应环境好等优势。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机器人伺服焊钳，其特征在于：包括：夹紧模块(1)，传动模块(2)，驱动模块(3)，信号测量处理模块(4)，信号采集与处理模块，控制模块(5)以及支撑模块(6)；所述夹紧模块(1)安装于机身(24)一侧，所述支撑模块(6)安装于机身(24)底部，所述驱动模块(3)和传动模块(2)依次连接并安装与机身(24)内部，传动模块(2)一端与驱动模块(3)连接，另一端与夹紧模块(1)连接；信号测量模块位于机身(24)内部与夹紧模块(1)连接和驱动模块(3)通过电路连接，所述控制模块位于机身(24)外，控制模块包括控制器和相应的控制电路，并通过信号线缆(23)与主机进行信息交换。

2.根据权利要求1所述的一种机器人伺服焊钳，其特征在于：所述夹紧模块(1)包括焊钳动臂(15)、焊钳静臂(16)、焊接电极(17)、支撑架(18)、电磁控制器与支承夹紧工装块；所述焊接电极(17)分别安装于焊钳动臂(15)、焊钳静臂(16)一端，焊接电流与焊接压力由PLC系统设定；所述焊钳动臂(15)、焊钳静臂(16)分别通过固定装置安装于钳体，所述焊钳静臂(16)与支撑架(18)固定连接，所述焊钳动臂(15)通过伺服电机带动传动传感装置从而带动焊钳动臂(15)移动实现夹紧。

3.根据权利要求1所述的一种机器人伺服焊钳，其特征在于：所述传动模块(2)通过齿轮和滚珠丝杠螺母副进行传动，所述滚珠丝杠螺母副包括丝杠轴(7)、轴承座(8)、轴承端盖(10)、轴承(9)、密封圈(12)、套环(11)和锁紧螺母(13)，所述轴承(9)安装在轴承座(8)内，轴承端盖(10)安装于轴承座(8)一端，其轴向自由度由轴承端盖(10)以及轴承座(8)共同限制，所述锁紧螺母(13)旋入丝杠轴(7)的外螺纹形成螺纹连接，丝杠轴(7)的轴肩与轴承(9)的内圈相配合。

4.根据权利要求3所述的一种机器人伺服焊钳，其特征在于：所述加压机构采用滚珠丝杠与电极臂(15)、 (16)同轴线安装，确保在焊接过程中，丝杠轴(7)只承受轴向载荷。

5.根据权利要求1所述的一种机器人伺服焊钳，其特征在于：所述驱动模块(3)由驱动放大器、变压器、伺服电动机、机械传动装置、被控对象以及驱动电路组成，伺服电机其将所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，当伺服电机收到的电信号发生改变时，电机的转动速度和方向也跟着改变。

6.根据权利要求5所述的一种机器人伺服焊钳，其特征在于：所述信号测量处理模块(4)包括测量模块和信号处理模块，通过获取运动过程的运动状态和行为信息，并将其测量的结果时地反馈给运动控制卡，然后经过信息处理电路调理后优化调整输出控制信号以精确控制电伺服机器人的精准焊接的运动过程。

7.根据权利要求6所述的一种机器人伺服焊钳，其特征在于：信号采集及处理电路主要有前置放大电路、滤波电路、以及载波测量电路、信号比较电路。

8.根据权利要求1所述的一种机器人伺服焊钳，其特征在于：所述控制系统(5)对焊接的点位和连续路径进行控制，由输入指令到运动控制卡，然后再分配到移动轴、旋转轴和电极夹紧装置。

9.根据权利要求1所述的一种机器人伺服焊钳，其特征在于：所述机器人伺服焊钳的支撑模块(6)包括：机身(24)、立柱(20)、箱体(22)以及底座(21)，焊钳动臂(15)通过螺栓连接固定于机身(24)，支撑架(18)作为滚珠丝杠副及直线导轨滑块的安装单元，伺服电机的旋转运动通过滚珠丝杠副变换为连接架的直线运动，连接架上装有直线导轨，连接架与电极座刚性连接，将运动形式传递给焊接电极(17)。