CN111168287B - 一种智能机器人数字化焊接系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能机器人数字化焊接系统及其工作方法，所述智能机器人焊接系统包括：上位机，与该上位机相连的焊接机器人和激光打标机；其中所述激光打标机适于为待焊件打标具有焊接参数代号的二维码；所述焊接机器人包括：控制模块，与该控制模块相连的微型摄像头和焊枪；所述微型摄像头适于采集待焊件上的二维码图像，并通过一通讯模块发送至上位机；所述上位机设有二维码识别模块和与焊接参数代号对应的焊接工艺参数数据库；所述二维码识别模块适于识别二维码图像，并根据识别出的焊接参数代号从焊接工艺参数数据库调取待焊件的焊接工艺参数；以及所述控制模块根据焊接工艺参数控制焊枪对待焊件进行焊接；本发明的智能机器人焊接系统数字化程度高。

Description

一种智能机器人数字化焊接系统及其工作方法

技术领域

本发明属于数字化焊接技术领域，具体涉及一种智能机器人数字化焊接系统及其工作方法。

背景技术

随着信息化技术的进步及广泛应用，“数字化”的概念越来越清晰地呈现在人们面前，现代生产对高品质、高效率的迫切需求，如何提高焊接技术的数字化、智能化程度日益成为焊接技术应用领域的研究热点。

目前，焊接机器人在焊接车间的应用越来越广泛，焊接之前需要预先设定好机器人焊接工艺参数，这样就存在效率低下的问题，不能保障焊接产品质量的稳定性，也不能对焊接缺陷进行焊后追溯。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能机器人数字化焊接系统及其工作方法

为了达到上述目的，本发明提出了一种智能机器人数字化焊接系统，包括：上位机，与该上位机相连的焊接机器人和激光打标机；其中所述激光打标机适于为待焊件打标具有焊接参数代号的二维码；所述焊接机器人包括：控制模块，与该控制模块相连的微型摄像头和焊枪；所述微型摄像头适于采集待焊件上的二维码图像，并通过一通讯模块发送至上位机；所述上位机设有二维码识别模块和与焊接参数代号对应的焊接工艺参数数据库；所述二维码识别模块适于识别二维码图像，并根据识别出的焊接参数代号从焊接工艺参数数据库调取待焊件的焊接工艺参数；以及所述控制模块根据焊接工艺参数控制焊枪对待焊件进行焊接。

进一步，所述通讯模块包括一基于超材料的波纹喇叭馈源；所述基于超材料的波纹喇叭馈源包括：前段匹配单元段，中间整合单元段和后段辐射单元段；其中所述前段匹配单元段与中间整合单元段的一端相连；所述后段辐射单元段与中间整合单元段的另一端相连；所述中间整合单元段中设置有第一超材料单元层，所述后段辐射单元段中设置有第二超材料单元层；所述中间整合单元段和所述后段辐射单元段的内壁上均设置有等深的凹槽结构；以及所述第一、第二超材料单元层为设置在所述凹槽结构中的若干环形超材料层，且凹槽结构中的各凹槽的延伸方向垂直于波纹喇叭馈源设备的外壁。

进一步，所述中间整合单元段结合第一超材料单元层实现对前段匹配单元段的入射电磁信号进行模变转换，并实现与后段辐射单元段的张角转换以及辐射过度。

进一步，所述波纹喇叭馈源设备的半张角小于35°。

进一步，所述凹槽结构为双凹槽结构、T型加载槽结构或者L型加载槽结构。

进一步，所述第一、第二超材料单元层为双环带缝隙结构、工字型结构或者矩形嵌套结构。

进一步，超材料的金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻工艺附着在基板上。

进一步，所述中间整合单元段在设置第一超材料单元层时的等效壁导纳S(m)满足如下要求：

其中m是非负整数，a是喇叭内壁的半径，波数k为2π/λ，K为临界波数，系数

λ是馈源设备内的电磁波工作波长。

进一步，所述波纹喇叭馈源设备的主体铸造为一体化成型。

又一方面，本发明还提供了一种智能机器人数字化焊接系统的工作方法，包括：上位机，与该上位机相连的焊接机器人和激光打标机；其中所述激光打标机适于为待焊件打标具有焊接参数代号的二维码；所述焊接机器人包括：控制模块，与该控制模块相连的微型摄像头和焊枪；所述微型摄像头适于采集待焊件上的二维码图像，并通过一通讯模块发送至上位机；所述上位机设有二维码识别模块和与焊接参数代号对应的焊接工艺参数数据库；所述二维码识别模块适于识别二维码图像，并根据识别出的焊接参数代号从焊接工艺参数数据库调取待焊件的焊接工艺参数；以及所述控制模块根据焊接工艺参数控制焊枪对待焊件进行焊接。

本发明的有益效果为，本发明的智能机器人焊接系统将具有焊接参数代号的二维码打标在待焊件上，需要焊接时，通过扫描待焊件上的二维码，既能自动获取焊接工艺参数，并控制焊接机器人开始焊接；本智能机器人焊接系统数字化程度高、焊接效率高，既保证焊接质量的稳定性，又实现了焊接缺陷的可追溯性。

附图说明

图1是本发明智能机器人焊接系统的原理框图；

图2是本发明智能机器人焊接系统的超材料波纹喇叭馈源的波导铸模结构示意图；

图3是本发明智能机器人焊接系统的超材料波纹喇叭馈源的中间整合单元段的超材料单元层设置示意图；

图4是本发明智能机器人焊接系统的超材料波纹喇叭馈源的后段辐射单元段的超材料单元层设置示意图；

图5是本发明智能机器人焊接系统的超材料波纹喇叭馈源的完整结构示意图；

图6是本发明智能机器人焊接系统的超材料波纹喇叭馈源的超材料单元层示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，所以图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1所示，本实施例1提供了一种智能机器人数字化焊接系统，包括：上位机，与该上位机相连的焊接机器人和激光打标机；其中所述激光打标机适于为待焊件打标具有焊接参数代号的二维码；所述焊接机器人包括：控制模块，与该控制模块相连的微型摄像头和焊枪；所述微型摄像头适于采集待焊件上的二维码图像，并通过一通讯模块发送至上位机；所述上位机设有二维码识别模块和与焊接参数代号对应的焊接工艺参数数据库；所述二维码识别模块适于识别二维码图像，并根据识别出的焊接参数代号从焊接工艺参数数据库调取待焊件的焊接工艺参数；以及所述控制模块根据焊接工艺参数控制焊枪对待焊件进行焊接。

具体的，所述控制模块例如但不限于采用PLC控制器；所述微型摄像头和焊枪均位于焊接机器人的机械臂上；所述焊接参数代号例如但不限于包括产品代号、部件代号、零件名称代号和焊缝代号；所述焊接工艺参数例如但不限于包括：焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度、焊材种类和保护气体流量与类型。

本实施例的智能机器人焊接系统将具有焊接参数代号的二维码打标在待焊件上，需要焊接时，通过扫描待焊件上的二维码，既能自动获取焊接工艺参数，并控制焊接机器人开始焊接；本智能机器人焊接系统数字化程度高、焊接效率高，既保证焊接质量的稳定性，又实现了焊接缺陷的可追溯性。

进一步，为了确保焊接机器人与上位机之间的通信有效连接，所述通讯模块采用一体积小，大张口宽带效果优异的基于超材料的波纹喇叭馈源设备。

具体的，如图2所示，本实施例1的超材料波纹喇叭馈源通过设置一简易的通体结构(比如采用浇铸一次成型制作主体结构)，摒弃了常规结构的四段或者五段的复杂结构，首先在体积设置上进行了优化处理。传统的四段结构中，通常会有变经段、模变换器、过渡段以及辐射段所构成一个完整的馈源天线机构，所谓变径段的主要功能是用于使得模变换器能够与连接的光壁波导之间进行良好的匹配对接，其涉及的技术内容也是馈源装置的重点，但在本实施例中不做过多修饰，本领域中常见的、可行的、一般作用的变径模块都可以适用，降低装置适配的难度，而这一改进也是由于本超材料波纹喇叭馈源的制作方法特殊的结构设置带来的，不必过度的考虑多阶段装置之间的适配。

传统的设置中，模变换器的主要功能是光壁圆形波导的TH11模转换为波纹圆波导中的HE11模，并且尽量不引起显著的失配以及其他不必要的有害激励，但这一现象在实际中很难克服，当结构多而复杂时尤为明显；例如当波纹馈源装置工作的若干频段中存在较低频段时，就不需要激励出EH11模慢波，当工作波段频段比较高时，又不太希望出现激励EH12模的现象，无论是EH11模还是EH12模，都会明显导致整个系统发生交叉极化分量升高，降低系统特性。通过设置模变换器后将HE11模进行转换后，常规的波纹馈源装置仍然需要过渡段来实现辐射段以及模变换器之间的张角变换以及槽深、槽距的过度变换，例如多数将过度槽深从入口匹配处的λ/2逐渐过度至辐射性能较好的λ/4，为了实现更好的宽带效果，逐渐将模变换器较窄的半张角逐渐过度至辐射半张角，以使得天线装置能够发挥出更好的增益匹配。然而所有的工艺，在程序上越繁杂，出现错误的概率也随之提升，不同装置间的装配和适配难度呈指数提升，加上该装置本身对工艺要求的高度极高，往往高性能的卫星系统用馈源装置，对主模的纯化精度都有着极高的要求，传统的制法往往难以满足。

本实施例将模变换器以及过渡段进行整合，在保证了波纹馈源的良好性能下，还有效降低了装置的尺寸以及装配的难度。

本实施例的超材料波纹喇叭馈源10的结构包括：前段匹配单元段11，中间整合单元段12和后段辐射单元段13，精简了普通装置的复杂度，三段中，前段匹配单元段11用于实现一般的有害模抑制以及过度匹配，其形状并无其他特别设置，本领域通用设置即可满足要求；中间整合单元段12以及后段辐射单元段13中，在张口喇叭的内侧设置有等深的环形槽口，槽深优选为λ/4，通过等深的设置大大降低了传统制法中为实现更好的交叉极化效果设计不同槽深、双槽深、多槽深等复杂开槽结构，然而这样的设置虽然简单，但是性能却没法满足要求，由激励段进入的TH11模大量的存在，转换有用模的数量极低，可以说这时候还不能完全实现功能，而且会激励出大量的杂散波EH11、EH12等。通过加入超材料的设置，较好的改善这一问题。

超材料是一种以人造微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，包括周期排布的人造微结构和供人造微结构附着的基板。人造微结构为由至少一根金属丝组成对电磁波有响应的平面结构或立体结构，多个人造微结构在基板上阵列排布，每个人造微结构以及其所附着的基板所占部分即为一个超材料单元。基板可为任何与人造微结构不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造微结构的拓扑图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置。

根据广义相对论，时间和空间都是可以“弯曲”的，而空间里的光线同样可以弯不同波长的光线被特殊波导捕获形成彩虹曲，前提是设计并制作出足够小的“设备”。近年来，科学家沿着菲斯拉格的理论，依靠一些间隔仅有1毫米的几千分之一的人工结构，将材料的单元结构(人工原子和人工分子)集合，通过不同的结合结构和排列设计制造出各种超材料，实现了让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的梦想。本案中突破性将超材料进行结合使用在波纹馈源中，进行统筹设计。

现有技术中虽然也曾出现将超材料使用在波纹喇叭结构中，但一般都是较为简单的设置在喇叭口或者直接填充喇叭内部，本质上没有改变传统结构带来的缺陷。

如图3所示，本实施例中将第一超材料单元层20阶梯性设置在中间整合单元段12两侧的凹槽中，通过超材料对入模的有效转换，使得TH11模有效进行转化，而由这一过程中常见出现的有害激励，会因为超材料的特殊电磁特性得到较好的抑制，机理在于超材料对电磁波的透射发生了改变，改善了原有金属腔体结构刺激形成的不必要激励，为了更好的形成转换和过度，超材料单元层的设置深度需要做对应的设计。中间整合单元段12的超材料一方面要完成对模变换的需求，另一方面仍要完成角度张角的变换和对接前段辐射段的辐射匹配，才能较好的完成相关性能需求。经调试后发现，只要能试的等效壁导纳满足要求，即能够使得该装置的性能设计得意控制和优化，超材料的出现使得原本等槽深的等效壁导纳有效转变，设置超材料使得波纹装置等效壁上的导纳S出现改变这一变量可有效的控制导纳对性能的影响，本实施例中设置中间整合单元段12的等效壁导纳S(m)近似满足如下要求时：

其中m是非负整数，a是喇叭内壁的半径，波数k为2π/λ，系数

K为临界波数，设置后可以实现较好的仿真结果。

如图4所示，同样进行了超材料设置，由于当前的环槽设置方向是完全垂直于槽壁，而这通常设置在较大张口的喇叭中，大张口的设置有其优越性，其辐射的副瓣较低以及能具有较好的远场增益效果，并且相位中心较为靠近内部，便于设计出较宽的工作带宽。但如果直接设计成大张口，其较大的体积以及难以伺服的张口角度，会使得使用者加大难度。本实施例同样基于超材料的巧妙设置，使得其周边等效壁的有效导纳进行改良，在改动槽向，不增加半张角的同时，实现近似于大张叫的性能。通过设置第二超材料单元层30进行过度，保证了槽向的垂直设置，降低加工难度，保证了较小的张角，张角小于35°，但是实现了近似大张角条件下的良好带宽，带宽性能达到了6％，虽然还引入了一定的高次模，对极化产生了些许影响，但整体上的性能仍处于适中良好。

图5是本发明超材料波纹喇叭馈源的制作方法的完整结构示意图；在实际制作中，可以通过胶粘的方式，也可以通过其他可行方式进行安装，较为便捷的实现优异性能。不需要在腔体段中设置额外的激励层或者扼流层等复杂手段，也不必采用各种复杂的多槽、特殊槽结构进行加工，简易而较良好的实现了波纹馈源的设置。

超材料的具体设置结构本案中采用了如图6中设置的模式，切口圆环式结构，超材料的介电常数与基板和基板内的人造微结构形状和尺寸有关，基板采用介电绝缘材料制成，可以为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等，高分子材料例如可以是、环氧树脂或聚四氟乙烯。人造微结构为以一定的几何形状附着在基板上能够对电磁波有响应的金属线，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，一般采用铜，因为铜丝相对比较便宜，当然金属线的剖面也可以为其他形状，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等工艺附着在基板上，整个超材料单元层划分为多个单元(包括该单元中的基板和附着在该单元基板上的人造微结构)，每个单元都具有一个人造微结构，每一个单元都会对通过其中的电磁波产生响应，从而影响电磁波在其中的传输，每个单元的尺寸取决于需要响应的电磁波，通常为所需响应的电磁波波长的十分之一，甚至更低，否则空间中包含人造微结构的单元所组成的排列在空间中不能被视为连续。

空气中的阻抗本领域中一般认为是377Ω，因而本案中的超材料设置，不仅仅依据导纳特性进行了相关的调节，也考虑到在变模以及张角过渡的同时，兼顾对空气阻抗的延续，制作超材料过程中，设置不同阻抗特性的超材料结构，实现阻抗的非均匀变化。由于超材料的电磁特性受其中的人工电磁结构影响，而该结构的制作非常的薄、小，所以即使在较小微体积下，也能够较好的实现材料阻抗的调节设置；在本案中优选的可设置整合段中的超材料阻抗较低，约设定在60-200Ω，这样设置可以实现完整模变特性的同时，尽量减少设备内部的反射损耗，在辐射段本案优选设置超材料的阻抗渐变从200Ω增加至377Ω左右，较好的实现电磁信号阻抗能均匀连接至大气中。需要说明的是，超材料的各段可以不必做成非均匀的延续阻抗，但各段超材料之间的阻抗需要有渐变的差异，这样的设计使得在制作每一段超材料时可以仅仅考虑该段超材料的特性即可，极大的降低了制作难度，提升了制作良率。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例2提供了一种智能机器人数字化焊接系统的工作方法，包括：上位机，与该上位机相连的焊接机器人和激光打标机；其中所述激光打标机适于为待焊件打标具有焊接参数代号的二维码；所述焊接机器人包括：控制模块，与该控制模块相连的微型摄像头和焊枪；所述微型摄像头适于采集待焊件上的二维码图像，并通过一通讯模块发送至上位机；所述上位机设有二维码识别模块和与焊接参数代号对应的焊接工艺参数数据库；所述二维码识别模块适于识别二维码图像，并根据识别出的焊接参数代号从焊接工艺参数数据库调取待焊件的焊接工艺参数；以及所述控制模块根据焊接工艺参数控制焊枪对待焊件进行焊接。

具体的，本实施例所述的智能机器人焊接系统的工作原理、工作方法以及工作过程与实施例1中的智能机器人焊接系统相同，此处不再赘述。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种智能机器人数字化焊接系统，其特征在于，包括：

上位机，与该上位机相连的焊接机器人和激光打标机；其中

所述激光打标机适于为待焊件打标具有焊接参数代号的二维码；

所述焊接机器人包括：控制模块，与该控制模块相连的微型摄像头和焊枪；

所述微型摄像头适于采集待焊件上的二维码图像，并通过一通讯模块发送至上位机；

所述上位机设有二维码识别模块和与焊接参数代号对应的焊接工艺参数数据库；

所述二维码识别模块适于识别二维码图像，并根据识别出的焊接参数代号从焊接工艺参数数据库调取待焊件的焊接工艺参数；以及

所述控制模块根据焊接工艺参数控制焊枪对待焊件进行焊接；

所述通讯模块包括一基于超材料的波纹喇叭馈源；

所述基于超材料的波纹喇叭馈源包括：

前段匹配单元段，中间整合单元段和后段辐射单元段；其中所述前段匹配单元段与中间整合单元段的一端相连；

所述后段辐射单元段与中间整合单元段的另一端相连；

所述中间整合单元段中设置有第一超材料单元层，所述后段辐射单元段中设置有第二超材料单元层；

所述中间整合单元段和所述后段辐射单元段的内壁上均设置有等深的凹槽结构；以及

第一、第二超材料单元层为设置在所述凹槽结构中的若干环形超材料层，且凹槽结构中的各凹槽的延伸方向垂直于波纹喇叭馈源设备的外壁。

2.根据权利要求1所述的智能机器人数字化焊接系统，其特征在于，

所述中间整合单元段结合第一超材料单元层实现对前段匹配单元段的入射电磁信号进行模变转换，并实现与后段辐射单元段的张角转换以及辐射过度。

3.根据权利要求2所述的智能机器人数字化焊接系统，其特征在于，所述波纹喇叭馈源设备的半张角小于35°。

4.根据权利要求3所述的智能机器人数字化焊接系统，其特征在于，所述凹槽结构为双凹槽结构、T型加载槽结构或者L型加载槽结构。

5.根据权利要求4所述的智能机器人数字化焊接系统，其特征在于，所述第一、第二超材料单元层为双环带缝隙结构、工字型结构或者矩形嵌套结构。

6.根据权利要求5所述的智能机器人数字化焊接系统，其特征在于，

超材料的金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻工艺附着在基板上。

7.根据权利要求3所述的智能机器人数字化焊接系统，其特征在于，

所述中间整合单元段在设置第一超材料单元层时的等效壁导纳S(m)满足如下要求：

其中

m是非负整数，a是喇叭内壁的半径，波数k为2π/λ，K为临界波数，系数

λ是馈源设备内的电磁波工作波长。

8.根据权利要求1所述的智能机器人数字化焊接系统，其特征在于，所述波纹喇叭馈源设备的主体铸造为一体化成型。

9.一种如权利要求1所述的智能机器人数字化焊接系统的工作方法，其特征在于，包括：

所述激光打标机适于为待焊件打标具有焊接参数代号的二维码；

所述微型摄像头适于采集待焊件上的二维码图像，并通过一通讯模块发送至上位机；

所述上位机设有二维码识别模块和与焊接参数代号对应的焊接工艺参数数据库；

所述二维码识别模块适于识别二维码图像，并根据识别出的焊接参数代号从焊接工艺参数数据库调取待焊件的焊接工艺参数；以及

所述控制模块根据焊接工艺参数控制焊枪对待焊件进行焊接。

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