CN110899907A - 一种空间复杂轨迹焊缝立焊自适应跟踪调控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间复杂轨迹焊缝立焊自适应跟踪调控系统及方法，它旨在解决空间复杂轨迹焊缝立焊操作困难和精度低等问题，实现空间复杂焊缝轨迹智能化和自动化，提高其工作效率。该系统主要包括焊缝捕获融合模块，信号转换处理模块，智能自适应跟踪调控模块。本发明的技术方案是：通过将激光扫描传感器，PLC状态寄存器和电弧传感器送出的焊缝信号进行融合处理，再经过信号转换处理模块中的二维运算处理器的运算和转换之后送入自适应跟踪调控模块，智能自适应跟踪调控模块根据接收到的信息控制焊枪x方向和y方向的移动速度并对焊缝进行跟踪，实现空间复杂轨迹焊缝跟踪的自动化。

Description

一种空间复杂轨迹焊缝立焊自适应跟踪调控系统及方法

本发明涉及自动化和智能化焊接技术领域，具体涉及一种空间复杂轨迹焊缝跟踪自适应跟踪调控系统及方法。

空间复杂焊缝立焊是一种常用的焊接方法，广泛地应用于桥梁、造船、锅炉及核电站等行业中，如目前曲线轨迹立焊在很大程度上仍然依赖手工电弧焊，而手工电弧焊的效率极低，而且劳动强度大和操作困难，从而导致空间复杂轨迹焊缝立焊的成本很高和焊缝成型质量不高，同时由于手工焊接易导致工人操作疲劳长时间无法实现有效跟踪调整，难以达到在保证焊接质量的前提搞焊接效率目的。这些问题是我国焊接行业中长期亟待解决的问题，制约着我国焊接自动化各技术的进步和行业增长模式的转变。

本设计是通过电弧传感器和激光扫面传感器对焊缝进行跟踪调控，结合三路焊缝信息来提高立焊跟踪的精度和效率，在保证焊接质量的情况下提高焊接效率。申请号为201610213145.9的专利《一种自适应调节焊枪倾角的立焊焊缝跟踪系统和方法》所述的一种自适应调节焊枪倾角的立焊焊缝跟踪系统，该系统通过调节焊接电流和焊枪的倾角来提高跟踪的精度和焊接的质量，具有可靠性高，稳定性强等优点，但其跟踪焊缝单一，只能对直线焊缝进行跟踪，不能跟踪复杂轨迹焊缝，而且因为其主要是针对焊接质量问题，相比于本设计在焊接效率方面也较低。本方法是通过先后融合PLC状态寄存器中的焊缝编程信息S₁、激光扫描传感器获取焊缝信息S₂和电弧传感器获取的实时焊缝信息S₃三路信号，再用PLC编程滤波和A/D转换成两路数字信号x和y，分别为水平方向和垂直于地面的数字信号，继而对信号进行计算得到合适的速度和经验值，使调控模块控制焊枪对复杂轨迹焊缝跟踪和调控，从而完成对空间复杂轨迹立焊焊缝的跟踪调控。

发明内容：

本发明的目的是为了解决空间复杂焊缝轨迹立焊操作困难、效率较低以及跟踪精度低等问题问题。该系统主要包括焊缝捕获融合模块，智能自适应跟踪调控模块，二维运算处理器，滑架，电弧传感器和焊枪等；其中焊缝捕获融合模块由PLC状态寄存器、激光扫描传感器，电弧传感器和叠加电路组成；信号转换处理模块由PLC编程滤波,PLC扩展A/D转换单元和二维运算处理器组成；智能自适应跟踪调控模块由PLC联合控制电机，自适应位移器，调速器，电位器组成。系统中的跟踪调控方法，其思路是：系统的智能自适应调控模块根据融合焊缝信息进行自适应跟踪调控。将融合好的焊缝信息经过PLC编程滤波、A/D转换模块转换成x和y两路数字信号，智能自适应跟踪调控模块通过联合调节焊枪x方向(水平方向)与y(垂直于地面的方向)方向的移动速度来对空间复杂轨迹焊缝进行跟踪调控。即其实质是将焊缝轨迹的x方向和y方向的长度信号分离出来，由信号计算得到两个方向的运动速度v_x和v_y，再将两个方向的速度融合，使焊枪能够沿着特定的空间焊缝轨迹运动，从而实现空间复杂轨迹立焊焊缝跟踪调控。

一种空间复杂轨迹焊缝立焊自适应跟踪调控系统及方法，其工作流程如下(如图1)：PLC状态寄存器编程信息S₁和激光扫描传感器对焊缝进行扫描得到焊缝信息S₂，电弧传感器对焊缝信息进行采样得到焊缝信息S₃；先将S₁,S₂,S₃进行预处理成相同性质的模拟信号，之后先将S₁和S₂线性叠加成模拟信号S'₁,得到的S'₁信号与S₃信号再次叠加得到S'₂信号，叠加公式为

其中K₁、K₂是转换系数，n₁、n₂是经过先后预处理的信号路数，

分别表示第一次叠加和第二次叠加的焊缝信号。(n₁＝n₂＝2)

一种空间复杂轨迹焊缝立焊自适应跟踪调控系统及方法，其特征是：x方向是由PLC联合控制电机正反转来控制焊枪以算出来的速度左右移动；y方向则是由自适应移位器通过调用经验值来控制焊枪以经验值速度上下移动，结合x与y方向的移动速度来实现立焊的空间复杂轨迹的焊缝跟踪；二维运算处理器同时对这两路信号进性计算和转换，同时送入智能自适应调控模块，PLC联合控制电机带动焊枪在x方向以实时速度v_x移动，自适应位移器控制焊枪在y方向以经验速度v_y移动，两个方向同时移动，使焊枪能够沿着复杂轨迹移动，使得系统具有对空间复杂轨迹焊缝进行跟踪调控的功能。

所述的系统中的跟踪调控方法，其特征是：x数字信号由二维运算处理器计算得到焊枪沿x方向的移动速度v_x并转换成编码信号送入PLC，PLC控制电机正反转来带动焊枪以适当的速度左右移动；y数字信号经过二维运算处理器计算得到对应的自适应经验数据值，数据库则调用该组经验数据来控制自适应移位器，控制焊枪以适当的速度上下移动，设置速差v₁＜Δv_y＜v₂时，继续以当前速度沿y方向移动，否则重新调用经验速度。

所述系统中的跟踪调控方法，其特征是：系统除了运用PLC的状态寄存器提前存储焊缝信息和PLC联合电机正反转的调控功能之外，还用了信号处理的功能。其自带的软件编程滤波单元具有较好的滤波功能，事先需要对PLC软件作相应的滤波编程程序，当从激光扫描传感器送过来的模拟信号经过该单元时，就被PLC编程滤波；另外PLC的扩展单元的A/D转换模块将焊缝模拟信号转换成两路数字信号，一个水平方向x数字信号，一个垂直方向的y数字信号。

本发明的效益是：

一、通过融合三路焊缝信息，经过两两互补，提高了焊缝跟踪调控的精度，从而保证焊接质量；

二、将空间复杂轨迹焊缝分解为x方向和y方向，分别通过PLC联合电机控制焊枪和自适应智能移位机控制焊枪在两个方向同时以适当的速度移动，使得焊枪可以沿着复杂轨迹移动，从而实现复杂轨迹焊缝的跟踪调控，同时提高了焊接的效率和稳定性，促进焊接朝着自动化方向发展；

三、y方向上的焊缝经验值的调用方式为速差调用，若v₁＜Δv_y＜v₂，则无需重新调用经验速度，否则重新调用相匹配的经验速度，该调用方式极大地提高了系统的作业效率。(图3)

附图说明：

图1为本发明流程框图。

图2实例3的例图

图3为方y向的信号处理流程图。

图4为本发明的三维实物图。

图4中：1-焊件，2-电弧传感器，3-焊枪，4-变速器，5-激光关扫描传感器，6-PLC联合电机及状态寄存器，7-十字滑架，8-二维运算处理器，9-自适应移位器，10-电机

具体实施方式：

为了更好的表达整个发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1本发明为一种空间复杂轨迹焊缝立焊自适应跟踪调控系统及方法。该系统包括PLC状态寄存器，激光扫描传感器，电弧传感器，叠加电路，PLC编程滤波单元，PLC的A/D转换单元，二维运算处理器和智能变位机等组成。其中PLC状态寄存器，激光扫描传感器，电弧传感器和叠加电路构成焊缝捕获融合模块；PLC编程滤波单元，PLC的A/D转单元和二维运算处理器构成信号转换处理模块；PLC联合控制电机，自适应位移器，调速器和电位器自适应跟踪调控模块。

本发明的焊缝捕获融合模块中的信号转换处理过程如下：三路焊缝信息S₁,S₂,S₃经过预处理之后，先后叠加融合即S₁先和S₂融合得到S'₁,S'₁再与S₃融合得到最精确焊缝信息S'₂，S'₂经过PLC编程滤波和其扩展模块的A/D转换成路数字信号，二维运算处理器对数字信号进行运算处理分别得到x方向和y方向的速度v_x、v_y，两个方向的驱动机构同时以运算得到的速度工作，使得焊枪能够沿着复杂轨迹移动。

实施例2本发明是一种空间复杂轨迹焊缝立焊自适应跟踪调控系统及方法，其特征是：x方向是由PLC联合控制电机正反转来控制焊枪以算出来的速度左右移动；y方向则是由自适应移位器通过调用经验值来控制焊枪以经验速度的速度上下移动，结合x与y方向的移动速度来实现立焊复杂轨迹的焊缝跟踪；二维运算处理器同时对这两路信号进行计算和转换，同时送入自适应调控模块，PLC联合控制电机带动焊枪在x方向以实时速度v_x移动，自适应为移位器控制焊枪在y方向以经验速度v_y移动，两个方向同时移动，使焊枪能够沿着复杂轨迹移动，并对其进行跟踪调控。

所述的系统中模数转换模块的主要以下过程：x数字信号由二维运算处理器实时计算得到焊枪沿x方向的移动速度v_x并转换成编码信号送入PLC，PLC控制电机正反转来带动焊枪以适当的速度左右移动；y数字信号经过二维运算处理器计算得到对应的自适应经验数据值，数据库则调用该组经验数据来控制自适应移位器，控制焊枪以适当的速度上下移动，设置速差v₁＜Δv_y＜v₂时，继续以当前速度沿y方向移动，否则重新调用经验速度，继续配合x方向的速度完成新的复杂轨迹跟踪调控，以此来保证焊接的精准度。

实例3本发明可用来将曲面板与垂直固定平板结合，如图2。焊枪从A点沿着轨迹焊缝进行跟踪。当焊缝轨迹偏向左边时，PLC联合电机正转的速度适当的加快；焊枪左移的速度

适当地加快，同时下移的速度适当减慢，是焊枪沿着复杂轨迹(曲线1)工作；当焊缝轨迹偏向右边时，PLC联合电机反转的速度适当的加快；焊枪右移的速度

适当地加快，同时下移的速度适当减慢，是焊枪沿着复杂轨迹(曲线2)工作，从而使得焊枪沿着空间复杂轨迹焊缝做持续稳定的立焊焊接。

上述实例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替代或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种空间复杂轨迹焊缝立焊自适应跟踪调控系统及方法，其特征在于：该系统包括：焊缝捕获融合模块，信号转换模处理模块，智能自适应调控模块及焊枪等,其中焊缝捕获融合模快由激光传感器，PLC状态寄存器，电弧传感器和叠加电路组成；信号转换处理模块由PLC编程滤波,PLC扩展A/D转换单元和二维运算处理器组成；智能自适应调控模块由PLC联合控制电机，自适应位移器组成。

2.一种空间复杂轨迹焊缝立焊自适应跟踪调控系统及方法，其特征在于：焊缝捕获融合模块中的PLC状态寄存器事先预存的焊缝编程信息S₁，激光传感器与电弧传感器同时获取焊缝信息S₂和S₃；先将S₁,S₂,S₃进行预处理成相同性质的模拟信号，之后先将S₁和S₂线性叠加成模拟信号S'₁,得到的S'₁信号与S₃信号再次叠加得到S'₂信号，叠加公式为

其中K₁、K₂是转换系数，n₁、n₂是经过先后预处理的信号路数，

分别表示第一次叠加和第二次叠加的焊缝信号(n₁＝n₂＝2)。

3.根据权利要求书1所述的一种空间复杂轨迹焊缝立焊自适应跟踪调控系统及方法，其特征在于：自适应位移器由一个数据库控制，先存入多组经验数据，组成自适应数据库,自适应位移器接收到二维运算处理器传送过来的速度信息之后调出最合适的一组经验速度作为y方向的焊接速度，以此来实现y方向的自适应调节；焊缝信号融合处理之后，被转换成x数字信号(水平方向数字信号)和y数字信号(垂直地面方向数字信号)，分别将这两路信号送入二维运算处理器予以运算、转换处理，对x数字信号运算后转化成编码信号，将y数字信号做运算后得到y方向的自适应经验值。

4.根据权利要求书3所述的一种空间复杂轨迹焊缝立焊自适应跟踪调控系统及方法，其特征在于：二维运算处理器对x方向数字信号实时运算处理得到水平方向的速度v_x，即PLC联合控制电机的正反转驱动焊枪在x方向上的速度v_x和方向；对y方向的数字信号运算得到经验值，即自适应移位器驱动焊枪运动的速度v_y，设置若速差v₁＜Δv＜v₂,则不用重新调用经验速度，否则，重新调用其他相匹配的经验值。

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