CN111496370A - 适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法，该方法首先数据测量模块实时测算焊缝数据，数据处理模块根据测量得到的数据计算得出搅拌头调节数据，最后由机械控制模块实施搅拌头的调节指令，最终使焊接角接接头的过程无需人工调节，对于直线直角焊缝或弧形直角焊缝，能够实现自动调节搅拌头位置，完成焊接。本发明实现了搅拌摩擦焊角接接头的自动焊接与焊接轨迹的自动调节，提高了焊接生产效率。

Description

适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊自动化焊接领域和静轴肩搅拌头设计领域，尤其涉及一种适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法。

背景技术

生产自动化一直是生产设备和生产系统不断研究和改进的最终目的，搅拌摩擦焊作为新型的焊接方法得道了国内外研究者的关注，随着对搅拌头结构和焊接过程的研究，已经能够焊接各种结构的焊缝，例如角接接头，搭接接头和点焊接头。

然而现在的焊接设备中，主要为机床式的搅拌摩擦焊机。机床式搅拌摩擦焊机能够焊接较长的焊缝，但仍存在问题，例如：在焊接对接接头的平直焊缝时，由于工件装配问题，需要在焊接过程中不断调整搅拌头的下压量。之后研发出了通过在搅拌头前方安装滚轮来感知对接焊缝垂直方向的高度变化，但这种方法，对于角接接头的焊缝则无法使用。机器人搅拌摩擦焊是通过编写机器人的运动轨迹，完成对焊缝的焊接，但是机器人搅拌摩擦焊难以完成较长的焊缝，能够焊接的结构件较小，尤其是在焊接较厚焊板或硬度大的焊板。此外，在焊接角接接头时，搅拌头需要使静止轴肩的斜面完全贴合在焊板表面上，这就需要搅拌头与焊板之间的接触面积较小，常规的静止轴肩设计在焊接方向稍有偏差时，就会刮伤焊板。

因此，如何控制搅拌头在焊接角接接头时，实现自动焊接，是现在的研究难点之一。

发明内容：

本发明目的在于实现焊接角接接头时，焊接过程的自动化，搅拌头能够自动调节下压量与焊接方向，本申请提供一种适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹感知与控制方法。

实现本发明目的提供技术方案如下：

一种适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法，包括以下步骤：

步骤1、在焊接前，将焊接速度、角接接头角度、测量点与搅拌头静轴肩前端的水平距离以及初始焊接下压量输入数据处理模块，并将初始焊接下压量发送给机械控制模块；

步骤2、开始焊接时，机械控制模块根据信息将搅拌头压入焊板到指定深度。搅拌头沿着指定的直线轨迹向前运动。

步骤3、当搅拌头开始工作时，数据测量模块开始工作，测量在当前位置的距离数值，并设置为参考值。此后激光红外测距仪在测量过程中垂直方向保持不变，不随搅拌针上下运动而升降。

步骤4、数据测量模块每隔1秒将测算一次焊板与测距器的距离并发送给数据处理模块。

步骤5、数据处理模块根据发来的距离数值与参考值对比，得出搅拌头需要升降的高度，并根据测量点与搅拌头静轴肩前端的水平距离和焊接速度，计算得出时间。在经过计算出的时间后，将搅拌头需要升降的高度发送给机械控制模块。

步骤6、机械控制模块根据收到的升降高度信息，控制电机的转速与转动圈数，从而调节搅拌头升降的高度与速度。

步骤7、在焊接曲线焊缝或拐角焊缝时，数据测量模块能够测量到焊缝位置偏移，然后发送信息给数据处理模块，数据处理模块计算得出焊缝偏移量，然后发送信息给机械控制模块，从而完成小角度的曲线或拐角焊缝

步骤8、数据处理模块根据偏移的距离和角接接头的角度，计算出实际的焊缝高度变化，机械控制模块将对搅拌头的高度进行控制。最终使焊接角接接头的过程无需人工调节，对于直线直角焊缝或弧形直角焊缝，能够实现自动调节搅拌头位置，完成焊接。

优选地，测量点与搅拌头静轴肩前端的水平距离，一般定为30-50mm。

优选地，数据测量模块由激光红外测距仪、组合式激光接收器、固定架组成，固定架，用于将激光红外测距仪和组合式激光接收器安装在一起，能够测量角接接头的焊缝中心的距离，组合式激光接收器为长条状安装在激光红外测距仪的两侧，平行地面，垂直于焊缝方向，距离焊缝250-400mm。所述激光红外测距仪发射一束极细的激光束，在接触到焊缝时反射，接收器接收到激光束时，计算出测距仪与焊缝的距离，

优选地，组合式激光接收器，用于在焊接过程中焊缝发生偏移，测距仪发射的激光没有射在焊缝中心，而是射在角接接头的焊板上，反射的激光束无法被测距仪接收，则通过外加的组合式激光接收器接收激光束，并计算出焊缝的偏移量，再发送给机械控制模块，实现焊接方向的调整。

优选地，组合式激光接收器，有激光红外测距仪和六个激光接受器组成，测距仪左右分别安装3个圆形激光接收器，每个独立的激光接收器接收激光束的宽度范围为4mm，当某一个激光接收器接收到了激光束，则将信号传递给数据处理模块，后者根据发来的信号的激光接收器编号，自动默认焊缝的偏移程度并进行计算，即默认反射激光射入圆形激光接收器中心。同时激光从测距仪射出，反射进入激光接收器，能够通过间隔时间计算出焊缝的距离。所用激光红外测距仪的激光束接收范围为4mm，整个数据测量模块能够接收激光束的宽度范围为28mm。

优选地，固定架通过固定在焊机主轴上，并安装能够上下滑动轴承装置，使搅拌头上下移动时，固定架保持原来的高度，在搅拌头焊接方向发生改变时，固定架能够随着主轴的转动而转动，固定架有两个液压伸缩杆，能够通过机械控制模块，改变其位置。

优选地，数据处理模块，具有实时接收、处理和发送数据的功能，下面是对数据处理模块的计算过程进行简单的描述：

(1)搅拌头的焊接速度为a mm/min，搅拌头静轴肩前端与数据测量模块测量点的水平距离为b mm，所以搅拌头到达测量点的时间c(min)为b/a。

(2)在焊接开始时，数据测量模块测量出的激光红外测距仪与焊缝中心的距离为A(mm)，在焊接开始1s后，数据测量模块再次对焊缝中心与搅拌头的距离进行测量，得到数值B(mm)，激光红外测距仪的测量点与搅拌头静轴肩的水平距离为C(mm)，轴肩宽度为D(mm)，则搅拌头在前进C-D(mm)之后，1s内，搅拌头上升高度为A-B(mm)，上升速度为(A-B)mm/s。

(3)在焊缝位置发生偏移的时候，激光红外测距仪发射出的激光束会射在角接接头的焊板上，角接接头为直角接头，在焊缝偏移±1mm时，不影响正常焊接，在数据测量模块测量到焊缝偏移超过1mm时。激光红外测距仪发射出的激光束会被激光接收器接收，当激光被靠近测距仪最近的一个圆形激光接收器接收到时，则默认焊缝已经偏移2mm，若在数秒内数据测量模块仍然测量到反射回的激光束进入该圆形激光接收器时，则立即对焊接轨迹进行修改，搅拌头静轴肩旋转角度为P＝arctan(2/X)，X为测量点到静轴肩前端的距离。

(4)在焊接轨迹发生偏移时，搅拌头前方数据采集模块发射出的激光束会射在角接接头的焊板上，然后反射进入组合式激光接收器，激光反射进入其中的一个圆形激光接收器，则默认激光束反射到其中心，然后发送信息给数据处理模块，若发送信息激光偏移了Qmm，则搅拌头的实际偏移量为Q/2mm，此时，将根据发射与接收激光束的时间来测算激光束照射点与激光红外测距仪的距离Pmm，设角接接头的角度为R度，那么焊缝与激光红外测距仪的距离为[Q/(2tan(R/2))+P]mm。

(5)在数据测量模块发射出来的激光束被最外侧的激光接收器接收到时，说明焊缝偏移较多，此时发送信息给数据处理模块，数据处理模块将触发声光报警模块，此时操作人员可对焊接过程进行人工调试以继续焊接或停止焊接。

优选地，机械控制模块，由机床自带的控制系统和激光红外测距仪固定架组成，数据处理模块与搅拌摩擦焊机床的控制系统交互，能够实现搅拌头的升降与焊接方向的改变，工作台能够在X轴上做轴向移动，搅拌头的加持转轴能够完成Z轴方向的上下移动，Y轴方向上移动以及搅拌头倾斜角方向的改变。

优选地，搅拌头用于焊接直角角接接头焊缝，搅拌头的轴肩是静止轴肩，并在焊接时焊缝存在少量偏移时，仍然能够完成焊接，搅拌头的静止轴肩与焊板表面的接触面积较小，且在静止轴肩前端和后端都采用弧形设计，使搅拌头在焊接方向有少量偏移的情况下，仍然能够贴紧焊板完成焊接。

本发明的适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法，相对于现有技术相比具有以下优势：

1、本发明通过信息传输网络将数据采集模块、数据处理模块、机械控制模块连接到一起，通过信息的传递，完成焊缝高度的自动测量以及搅拌头焊接轨迹的自动调整。实现了搅拌摩擦焊角接接头的自动焊接，并且能够焊接不同角度的角接接头。搅拌头静止轴肩与焊板的接触面积很小，在有效压住流动金属的同时，降低了刮伤焊板的可能，也大大减小了静止轴肩与焊板的滑动摩擦力。

2、本发明实现了搅拌摩擦焊角接接头的自动焊接与焊接轨迹的自动调节，提高了焊接生产效率。

附图说明

图1显示为本发明提供的一种适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制系统的结构框图。

图2显示为发明专利提供的静轴肩搅拌头结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明

本发明的方法利用如图1所示的装置为：

数据测量模块，包括激光红外测距仪以及激光接收器和固定架，所述激光红外测距仪以及激光接收器，用于实时测量焊板位置变化，并发送信息给数据处理模块；所述固定架，用于将一台激光红外测距仪和一台激光接收器装夹在焊板上方；所述数据处理模块，用于接受数据测量模块实时发送来的测量距离，让后根据提前输入的参数与算法得出搅拌头需要上下移动的距离，并发送信息给机械控制模块；所述机械控制模块，用于在焊接过程中控制搅拌头的下压量，并根据数据处理模块自动调节搅拌头在Z轴方向的位置(垂直于地面方向)。此外数据处理模块能够根据激光接收器接收到的反射激光束位置，计算出搅拌头的焊接方向是否需要改变，从而调节焊接方向，使焊接过程实现自动化，高效化。

在具体实施方案中，角接接头的的角度为90°焊接速度为60mm/min，搅拌头静轴肩前端与数据测量模块测量点的水平距离为30mm。焊缝为直线焊缝。

(1)在焊接前，将焊接速度60mm/min、角接接头角度90°、测量点与搅拌头静轴肩前端的水平距离30mm以及初始焊接下压量10mm输入数据处理模块，并将初始焊接下压量发送给机械控制模块；

开始焊接时，机械控制模块根据信息将搅拌头压入焊板到指定深度。搅拌头沿着指定的直线轨迹向前运动。在焊接开始时，数据测量模块测量出的激光红外测距仪与焊缝中心的距离为300mm，在焊接开始1s后，数据测量模块再次对焊缝中心与搅拌头的距离进行测量，得到数值298mm，并发送信息给机械控制模块，激光红外测距仪的测量点与搅拌头静轴肩前端的水平距离为30mm，机械控制模块根据收到的升降高度信息，控制电机的转速与转动圈数，从而调节搅拌头升降的高度与速度，搅拌头在前进30mm之后，1s内，搅拌头上升高度为2mm，上升速度为2mm/s。

数据测量模块每隔1秒将测算一次焊板与测距器的距离并发送给数据处理模块。在下一次下压量调整时，将以298mm为基准进行比对。此后激光红外测距仪在测量过程中垂直方向高度保持不变，不随搅拌针上下运动而升降。

(2)在焊接一段距离后，焊缝位置发生偏移，激光红外测距仪发射出的激光束会射在角接接头的焊板上，激光被靠近测距仪最近的一个圆形激光接收器接收到时，则默认焊缝已经偏移2mm，搅拌头焊接到该测量点需要30s，此后25s内测量偏移量始终为2mm，则在搅拌头焊接25s即25mm后对焊接轨迹进行修改，搅拌头向接收激光的接收器方向旋转角度为P＝arctan0.67≈3.8°。

在上述情况发生时，搅拌头前方数据采集模块发射出的激光束会射在角接接头的焊板上，然后反射进入组合式激光接收器，激光反射进入测距仪侧面的圆形激光接收器，搅拌头的实际偏移量为2mm，此时，将根据发射与接收激光束的时间来测算激光束照射点与激光红外测距仪的距离298mm，设角接接头的角度为R度，那么焊缝与激光红外测距仪的距离为300mm。

综上所述，本发明提供一种用于龙门式搅拌摩擦焊机的直角接头搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法，首先数据测量模块实时测算焊缝数据，数据处理模块根据测量得到的数据计算得出搅拌头调节数据，最后由机械控制模块实施搅拌头的调节指令，最终使焊接角接接头的过程无需人工调节，对于直线直角焊缝或弧形直角焊缝，能够实现自动调节搅拌头位置，完成焊接。

Claims (9)

1.一种适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在焊接前，将焊接速度、角接接头角度、测量点与搅拌头静轴肩前端的水平距离以及初始焊接下压量输入数据处理模块，并将初始焊接下压量发送给机械控制模块；

步骤2、开始焊接时，机械控制模块根据信息将搅拌头压入焊板到指定深度，搅拌头沿着指定的直线轨迹向前运动；

步骤3、当搅拌头开始工作时，数据测量模块开始工作，测量在当前位置的距离数值，并设置为参考值。此后激光红外测距仪在测量过程中垂直方向保持不变，不随搅拌针上下运动而升降。

步骤4、数据测量模块每隔1秒将测算一次焊板与测距器的距离并发送给数据处理模块；

步骤5、数据处理模块根据发来的距离数值与参考值对比，得出搅拌头需要升降的高度，并根据测量点与搅拌头静轴肩前端的水平距离和焊接速度，计算得出时间；在经过计算出的时间后，将搅拌头需要升降的高度发送给机械控制模块；

步骤6、机械控制模块根据收到的升降高度信息，控制电机的转速与转动圈数，从而调节搅拌头升降的高度与速度；

步骤7、在焊接曲线焊缝或拐角焊缝时，数据测量模块能够测量到焊缝位置偏移，然后发送信息给数据处理模块，数据处理模块计算得出焊缝偏移量，然后发送信息给机械控制模块，从而完成小角度的曲线或拐角焊缝；

步骤8、数据处理模块根据偏移的距离和角接接头的角度，计算出实际的焊缝高度变化，机械控制模块将对搅拌头的高度进行控制；最终使焊接角接接头的过程自动调节，对于直线直角焊缝或弧形直角焊缝，自动调节搅拌头位置，完成焊接。

2.根据权利要求1所述的适用于角接接头的搅拌摩擦焊下压量自动感知与控制方法，其特征在于，所述的测量点与搅拌头静轴肩前端的水平距离为30-50mm。

3.根据权利要求1所述的适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法，其特征在于，所述的数据测量模块由激光红外测距仪、组合式激光接收器、固定架组成，所述的固定架，用于将激光红外测距仪和组合式激光接收器安装在一起，能够测量角接接头的焊缝中心的距离，组合式激光接收器为长条状安装在激光红外测距仪的两侧，平行地面，垂直于焊缝方向，距离焊缝250-400mm；所述激光红外测距仪发射一束极细的激光束，在接触到焊缝时反射，接收器接收到激光束时，计算出测距仪与焊缝的距离。

4.根据权利要求3所述的适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法，其特征在于，所述的组合式激光接收器，用于在焊接过程中焊缝发生偏移，测距仪发射的激光没有射在焊缝中心，而是射在角接接头的焊板上，反射的激光束无法被测距仪接收，则通过外加的组合式激光接收器接收激光束，并计算出焊缝的偏移量，再发送给机械控制模块，实现焊接方向的调整。

5.根据权利要求3所述的适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法，其特征在于，所述的组合式激光接收器，由激光红外测距仪和六个激光接受器组成，测距仪左右分别安装3个圆形激光接收器，每个独立的激光接收器接收激光束的宽度范围为4mm，当任一个激光接收器接收到了激光束，则将信号传递给数据处理模块，后者根据发来的信号的激光接收器编号，自动默认焊缝的偏移程度并进行计算，即默认反射激光射入圆形激光接收器中心；同时激光从测距仪射出，反射进入激光接收器，系统能够通过间隔时间计算出焊缝的距离；所用激光红外测距仪的激光束接收范围为4mm，数据测量模块接收激光束的宽度范围为28mm。

6.根据权利要求3所述的适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法，其特征在于，所述的固定架固定在焊机主轴上，并安装能够上下滑动轴承装置，使搅拌头上下移动时，固定架保持原来的高度，在搅拌头焊接方向发生改变时，固定架能够随着主轴的转动而转动，固定架有两个液压伸缩杆，能够通过机械控制模块，改变其位置。

7.根据权利要求1所述的适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法，其特征在于，所述数据处理模块，具有实时接收、处理和发送数据的功能，以下为数据处理模块的计算过程：

(1)搅拌头的焊接速度为a mm/min，搅拌头静轴肩前端与数据测量模块测量点的水平距离为b mm，所以搅拌头到达测量点的时间cmin为b/a；

(2)在焊接开始时，数据测量模块测量出的激光红外测距仪与焊缝中心的距离为Amm，在焊接开始1s后，数据测量模块再次对焊缝中心与搅拌头的距离进行测量，得到数值Bmm，激光红外测距仪的测量点与搅拌头静轴肩的水平距离为Cmm，轴肩宽度为Dmm，则搅拌头在前进C-Dmm之后，1s内，搅拌头上升高度为A-Bmm，上升速度为(A-B)mm/s；

(3)在焊缝位置发生偏移的时候，激光红外测距仪发射出的激光束会射在角接接头的焊板上，角接接头为直角接头，在焊缝偏移±1mm时，不影响正常焊接，在数据测量模块测量到焊缝偏移超过1mm时；激光红外测距仪发射出的激光束会被激光接收器接收，当激光被靠近测距仪最近的圆形激光接收器接收到时，则默认焊缝已经偏移2mm，若在数秒内数据测量模块仍然测量到反射回的激光束进入该圆形激光接收器时，则立即对焊接轨迹进行修改，搅拌头静轴肩旋转角度为P＝arctan(2/X)，X为测量点到静轴肩前端的距离；

(4)在焊接轨迹发生偏移时，搅拌头前方数据采集模块发射出的激光束会射在角接接头的焊板上，然后反射进入组合式激光接收器，激光反射进入其中的圆形激光接收器，则默认激光束反射到其中心，然后发送信息给数据处理模块，若发送信息激光偏移了Qmm，则搅拌头的实际偏移量为Q/2mm，此时，将根据发射与接收激光束的时间来测算激光束照射点与激光红外测距仪的距离Pmm，设角接接头的角度为R度，那么焊缝与激光红外测距仪的距离为[Q/(2tan(R/2))+P]mm；

(5)在数据测量模块发射出来的激光束被最外侧的激光接收器接收到时，说明焊缝偏移较多，此时发送信息给数据处理模块，数据处理模块将触发声光报警模块，此时操作人员可对焊接过程进行人工调试以继续焊接或停止焊接。

8.根据权利要求1所述的适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法，其特征在于，所述的机械控制模块，由机床自带的控制系统和激光红外测距仪固定架组成，数据处理模块与搅拌摩擦焊机床的控制系统交互，能够实现搅拌头的升降与焊接方向的改变，工作台能够在X轴上做轴向移动，搅拌头的加持转轴能够完成Z轴方向的上下移动，Y轴方向上移动以及搅拌头倾斜角方向的改变。

9.根据权利要求1所述的适用于角接接头的搅拌摩擦焊轨迹自动感知与控制方法，其特征在于，所述的搅拌头用于焊接直角角接接头焊缝，搅拌头的轴肩是静止轴肩，并在焊接时焊缝存在少量偏移时，仍然能够完成焊接，搅拌头的静止轴肩与焊板表面的接触面积较小，且在静止轴肩前端和后端都采用弧形，使搅拌头在焊接方向有少量偏移的情况下，仍然能够贴紧焊板完成焊接。

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