CN112643272A - 一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，包括平台主体、工作台、上位机、焊接臂、红外测距仪、测距传感器、超声波定位器，该自动化焊接方案能替代手动焊接且同样能实现教学的效果。还包括框体、吸音顶、吸音棉、消音孔等，该方案利于阻隔降低焊接时的噪音、维持相对安静的实验环境。还包括吸附层、风机、通风罩、排气管、翻转轴、固定槽、固定销、废料盒、震板、高压喷嘴，全过程无人员接触废料、焊渣和废气，有效地避免了人员皮肤直接接触金属的安全隐患和有害气体在实验室聚集对人体呼吸系统、神经系统的伤害。还包括VR演示室、VR头显、模拟焊枪，通过VR操作模拟焊枪，在规避学生实操危险的同时能熟练手动焊接操作。

Description

一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台

技术领域

本发明属于机械自动化技术领域，具体涉及一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台。

背景技术

自动化是指机器或装置在无人干预的情况下按预定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，而机械自动化就是机器或者装置通过机械方式来实现自动化控制的过程。

现有的机械自动化教学的目的是使学生通过编程设计完成机械自动化控制，多工位焊接测控实验平台是利用程序控制焊接机器人对焊件自动焊接的实验台，而现有的实验平台都是敞开式，焊接机器人焊接时会产生大量的噪音和有毒气体，这些不良因素会影响教学环境和效果，同时焊接实验平台在焊接时都会产生大量的焊渣和金属粉尘，焊渣和粉尘会四处散落，清洁十分不便。另外，自动化焊接的精度取决于焊点的位置捕捉，现有的实验平台无法高效、准确的捕捉焊点，因而教学效果不佳。最后，由于部分同学的性格比较胆小，真正手动操作焊接十分有难度，而且比较危险，因此不具有教学的典型特征，从而难以作为实验进行教学。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，以解决现有焊接实验的手动操作难以开展、危险系数高的问题，还可以解决焊接时有害气体、废料废渣处理的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，包括中空的平台主体，平台主体的中间安装有与其匹配的工作台，工作台的上表面上左侧安装有焊架，工作台右边前侧与平台主体之间安装有框体，框体前表面固定安装有上位机，上位机左侧有活动安装在框体前表面的操作器，平台主体右侧设置有VR演示室；还包括横梁，横梁位于工作台上方，且左边与平台主体左侧面连接，右边与框体背面连接，所述横梁上安装有可以左右活动的焊接臂，焊接臂的底部活动安装有焊头；平台主体还包括顶板，顶板的中间位置处开孔贯穿安装有排气管，排气管处顶板下表面安装有通风罩，通风罩的四周安装在顶板下表面有吸音顶，通风罩的内部底端安装有吸附层，吸附层的上表面安装有风机，吸音顶的从上至下依次设有固定板、吸音棉、石膏板、空室，空室侧面上开设有竖排消音孔，消音孔的一侧固定安装有围板。

工作台横向贯穿安装有翻转轴，工作台前表面开设有固定槽，平台主体下侧前表面顶部对应设有固定销，平台主体的内部下侧活动安装有废料盒、内壁固定有高压喷嘴，废料盒上方安装有震板。

焊架支架上表面安装有红外测距仪，焊头左侧焊接臂底部设测距传感器，右侧设有超声波定位器；VR演示室放置有VR头显和模拟焊枪。

进一步，红外测距仪共设置有两组。

进一步，吸音顶共设置有若干组，且均匀安装在顶板下表面，空室中空，围板内部为空腔。

进一步，风机共设置有两组，吸附层内部均匀布置有活性炭，吸附层卡合在通风罩的内璧。

进一步，翻转轴与平台主体两侧转动连接，固定槽可与固定销卡合。

进一步，高压喷嘴设置有若干组，且均匀分布在平台主体下侧的内壁，高压喷嘴可转动角度。

进一步，框体为双层玻璃钢结构，且隔层为真空，双层玻璃钢结构边缘与框体衔接处均设置有密封圈。

进一步，焊接臂在横梁上做左右往复运动，且与焊头的运动状态均由上位机调节。

进一步，废料盒可从平台主体内部取出。

进一步，排气管一端与通风罩连通，另一端与实验室废气处理系统连通。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明以实现机械自动化实验课程教学为基础，加入焊接的教学因素，由于焊接操作对于初学者难度较大，而且具有一定的危险性，因此本发明引入自动化机械焊接方法，使得焊接教学成为典型可控课程。本发明采用机械自动化方式指导学生完成焊接实验，具有可控性高、可多人同时实验、规避手动直接焊接风险且能起到教学效果等有益效果。

2.本发明采用框体、吸音顶、吸音棉、消音孔等技术特征相结合的方案，可以利于阻隔降低焊接时产生的高分贝噪音、维持相对安静的实验环境。即使同一个封闭实验室内有多工位的焊接实验平台，也不会因为焊接操作使得环境变得嘈杂影响教学质量。

3.本发明采用吸附层、风机、通风罩、排气管等技术特征相结合的方案，可有效处理焊接时产生的废气，由于金属材料在高温下容易产生有害气体，有害气体在封闭空间聚集后十分危险，因此本技术方案可以有效保护师生的呼吸系统和神经系统不被有害气体伤害，进而提高焊接实验的可行性和安全性。

4.本发明采用翻转轴、固定槽、固定销、废料盒、震板、高压喷嘴等技术特征结合的方案，整个过程几乎是半自动化处理，人员无直接接触，因此，能提高焊接结束后的清理效率和清理效果，还可以避免人体皮肤直接接触废料、焊渣，有效地保证了人员安全。

5.本发明在平台主体旁边设置有VR演示室，通过VR头显模拟焊接实验时的视觉、听觉信息，感受操作手感，使得胆量较小的学生能够通过VR设备接触、认识焊接过程，克服心理恐惧，同时也使得学生在进行手动焊接实操实验前，能熟练掌握焊接技巧，从而避免初学者操作时发生事故。

附图说明

图1为本发明的主体结构示意图；

图2为本发明的顶板结构示意图；

图3为本发明的通风罩结构示意图；

图4为本发明的吸音顶结构示意图；

图5为本发明的工作台结构示意图；

图6为本发明的平台主体内部结构示意图；

图7为本发明的焊架结构示意图；

图8为本发明的坐标定位演示图；

图9为本发明的VR演示室结构示意图。

图中：1-顶板、2-操作器、3-上位机、4-VR演示室、5-框体、6-平台主体、7-工作台、8-焊架、9-焊头、10-焊接臂、11-横梁、12-通风罩、13-吸音顶、14-吸附层、15-风机、16-固定板、17-吸音棉、18-石膏板、19-消音孔、20-空室、21-围板、22-固定槽、23-固定销、24-翻转轴、25-震板、26-废料盒、27-高压喷嘴、28-测距传感器、29-超声波定位器、30-红外测距仪、31-VR头显、32-模拟焊枪、33-排气管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图7所示，一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，包括中空的平台主体6，平台主体6的中间安装有与其匹配的工作台7，工作台7的上表面左侧安装有焊架8，工作台7右边前侧与平台主体6之间安装有框体5，框体5前表面固定安装有上位机3，上位机3左侧有活动安装在框体5前表面的操作器2，平台主体6右侧设置有VR演示室4；还包括横梁11，横梁11位于工作台7上方，且左边与平台主体6左侧面连接，右边与框体5背面连接，横梁11上安装有可以左右活动的焊接臂10，焊接臂10的底部活动安装有焊头9；平台主体6还包括顶板1，顶板1的中间位置处开孔贯穿安装有排气管33，排气管33处顶板1下表面安装有通风罩12，通风罩12的四周安装在顶板1下表面有吸音顶13，通风罩12的内部底端安装有吸附层14，吸附层14的上表面安装有风机15，吸音顶13的从上至下依次设有固定板16、吸音棉17、石膏板18、空室20，空室20侧面上开设有竖排消音孔19，消音孔19的一侧固定安装有围板21。

工作台7横向贯穿安装有翻转轴24，工作台7前表面开设有固定槽22，平台主体6下侧前表面顶部对应设有固定销23，平台主体6的内部下侧活动安装有废料盒26、内壁固定有高压喷嘴27，废料盒26上方安装有震板25。

焊架8支架上表面安装有红外测距仪30，焊头9左侧焊接臂10底部设测距传感器28，右侧设有超声波定位器29；VR演示室4放置有VR头显31和模拟焊枪32。

以上技术方案，以实现机械自动化实验课程教学为基础，加入焊接的教学因素，但由于焊接操作对于初学者难度较大，而且具有一定的危险性，因此本发明引入自动化机械焊接方法，使得焊接教学成为典型可控课程。本发明包括平台主体6、工作台7、上位机3、焊接臂10、红外测距仪30、测距传感器28、超声波定位器29。超声波定位器29能够通过超声波定位焊点的位置，并进行跟踪捕捉，当捕捉到焊点位置后，上位机3再以焊架8的支撑平面中点为坐标原点建立空间坐标系，测距传感器28即可捕捉焊点的高度，通过焊点高度则可得到焊点的Z轴坐标，而焊架8的顶部左右两侧均固定安装有红外测距仪30，两组红外测距仪30均固定安装在焊架8的中间位置处，即两组红外测距仪30的均位于空间坐标系的Y轴上，红外测距仪30的下方安装有转盘，其与焊点的角度可通过转动角度得知，红外测距仪30与焊点的高度差由测距传感器28的数据换算可得，红外测距仪30测得与焊点的距离，上位机即可通过数据计算得到焊点的X轴和Y轴坐标，实现焊点的准确定位，方便焊头9进行焊接。采用机械自动化方式指导学生完成焊接实验，具有可控性高、可多人同时实验、规避手动直接焊接风险且能起到教学效果等有益效果。

由于常规的焊接测控实验平台为敞开式，教师对学生授课时候，焊接设备会产生高分贝噪音，噪音一方面会严重影响教师的教学质量，同时长期处于噪音环境还会对师生身体健康造成影响。同时焊接时会产生大量有害气体或烟尘，也会严重影响教学环境和师生身体健康。很显然，无论是噪音还是有害气体的存在，都会使得焊接实验不具有典型可控课程的特征。因此，本发明以上技术方案采用框体5、吸音顶13、吸音棉17、消音孔19等技术特征相结合，可以利于阻隔降低焊接时产生的高分贝噪音、维持相对安静的实验环境。即使同一个封闭实验室内有多工位的焊接实验平台，也不会因为焊接操作使得环境变得嘈杂影响教学质量；另外，本发明采用吸附层14、风机15、通风罩12、排气管33等技术特征相结合的方案，可有效处理焊接时产生的废气，有效保护师生的呼吸系统和神经系统不被有害气体伤害，进而提高焊接实验的可行性和安全性。

现有的大部分实验平台的清洁方式一般采用由学生人工完成，这种方式弊端较多。首先需要学生进行清洁就会花很多的时间；其次人工清洁无法对实验平台的死角进行清洁，而且部分焊渣粘连在实验平台上，使得清洁不便和不能彻底；最后，焊接产生的焊渣和金属碎屑有可能对皮肤造成表皮伤害和辐射侵害。以上技术方案中，工作台7的前后表面上均开设有固定槽22，当翻转轴24带动工作台7的翻转时，打开固定销23，打开高压喷嘴27，高压喷嘴27可以转动，多组高压喷嘴27相互配合使得清洁无死角，喷嘴喷出高流速喷气，工作台7上面的焊渣、粉尘在重力和喷气的作用下掉落，再由震板25震落到废料盒26内，完成清洁收集处理，避免了实验室的污染现象。

由于大部分同学初次接触焊接实验时会产生畏惧心理，难以接受正常的实操手动焊接，而且初学者直接实操可能损坏仪器或者受到伤害，因此以上技术方案设置有VR演示室4，通过VR头显31感受焊接时的视觉、听觉信息，通过模拟焊枪32练习焊接过程获得手感，这可使得学生在真正手动焊接前克服心理恐惧，同时也使得学生在进行手动焊接实操实验前，能熟练掌握焊接技巧，从而避免初学者操作时发生事故。

具体的，如图7所示，红外测距仪30共设置有两组，两组红外测距仪30分别安装在焊架8的左右支架的上表面。

通过采用上述技术方案，两组红外测距仪30均可得到焊点的坐标位置，当两组红外测距仪30所得的坐标相同，数据准确，焊头9进行下一步焊接。当两组红外测距仪30得到的焊点坐标不同时，设备产生警报。

具体的，如图2和图4所示，吸音顶13共设置有若干组，且均匀安装在顶板1下表面，所述空室20中空，所述围板21内部为空腔。

通过采用上述技术方案，吸音顶13由吸音棉17、石膏板18和空室20组成，吸音棉17和石膏板18均为粗糙的多孔结构，从而可有效吸收噪音音波，空室20结构能够防止噪音音波逸散，其上面的消音孔19则起到滤波的作用，围板21内部的空腔增加了声音的反射，结合一起，可进一步降低噪音能量。

具体的，如图3所示，风机15共设置有两组，吸附层14内部均匀布置有活性炭，吸附层14卡合在通风罩12的内璧。

通过采用上述技术方案，通风罩12内的风机15为设备内部通风换气，将焊接产生的有毒气体从设备内部抽离，通过排气管33排出，吸附层14内部装有活性炭，有效吸附焊接产生的有害气体，同时吸附层14方便拆卸，便于后期更换。

具体的，如图5所示，翻转轴24与平台主体6两侧转动连接；固定槽22可与固定销23卡合。

具体的，如图6所示，高压喷嘴27设置有若干组，且均匀分布在平台主体6下侧的内壁，高压喷嘴27可转动角度。

通过采用上述技术方案，实现了设备自动化清洁，省去了人力清洁的时间，同时利用若干组高压喷嘴27转动冲洗工作台7，清理效果更良好，利用高压喷嘴27对工作台7清洁，能够将粘连在工作台7上的焊渣清除。

具体的，如图1所示，框体5为双层玻璃钢结构，双层玻璃钢中间的隔层设置为真空，框体5的边缘位置处均设置有密封圈。框体5可以分为两块，未安装上位机3的框体5可以左右滑动，打开后可以对里面的焊架8等设备进行操作。

通过采用上述技术方案，框体5能避免焊接时溅射的碎屑和火花伤害到师生，也能防止焊接产生的焊渣、金属碎屑四处散落，有害气体和烟雾由风机15吸收排出，质量较大的固体物质则掉落在工作台7上面，在工作台7翻转后被收集，玻璃钢为透明材料，不影响学生视觉观察焊接过程，同时利用双层玻璃钢中间隔真空层的结构，减少噪音的传播介质，实现降噪，同时框体5的边缘位置处均设置有密封圈，从而避免焊接时设备内部的有毒气体排出，使得教学环境更好。

具体的，如图1所示，焊接臂10在横梁11上做左右往复运动，且与焊头9的运动状态均由上位机3调节。

通过采用上述技术方案，焊接臂10和焊头9都采用自动化控制，由学生在上位机3上编程设计运动轨迹，其中焊接臂10在横向上移动方便对不同工位的焊件进行焊接，焊头9由伺服电机控制对焊件完成焊接。

具体的，如图6所示，震板25的底部开设有通槽，废料盒26与平台主体6滑动连接，废料盒26可从平台主体内部取出。

通过采用上述技术方案，工作台7上的焊渣和金属粉尘由高压喷嘴27吹落到震板25，震板25将其震落到废料盒26，废料盒26可以抽出，方便对焊渣集中处理。

具体的，如图3所示，排气管33一端与通风罩12连通，另一端与实验室废气处理系统连通。

通过采用上述技术方案，风机15将设备内部的有毒气体通过通风罩12、排气管33排到废气处理装置处，保证了实验室的安全和清洁。

本技术方案中测距传感器28的型号为MSO-A1640H10TR；

本技术方案中超声波定位器29的型号为TWRD65；

本技术方案中红外测距仪30的型号为YHJ-100J。

工作原理：本发明通过设置框体5和吸音顶13，框体5为双层玻璃钢结构，双层玻璃钢中间的隔层设置为真空，从而减少了噪音的传播介质，达到了降低噪音的效果，吸音顶13由吸音棉17、石膏板18和空室20组成，吸音棉17和石膏板18均为粗糙的多孔结构，从而有效吸收噪音音波，空室20结构能够防止噪音音波逸散，其上面的消音孔19则起到滤波的作用，进一步降低噪音能量，21的内部的空腔增加了声音的反射，结合一起，极大的降低了噪音，使得教学环境更安静，提高了教学质量；同时设置有排气管33、吸附层14和风机15，风机15将焊接产生的有毒气体吸出设备，再通过排气管(33)2排出，吸附层14吸收其中的有毒物质，改良了教学环境，保护了师生；最后设计工作台7为可翻转结构，翻转轴24实现了工作台7的翻转，打开固定销23，将工作台7翻转，工作台7的后表面上的固定槽22与固定销23卡合固定，工作台7即正面朝下固定，打开高压喷嘴27，喷嘴喷出高流速喷气，工作台7上面的焊渣、粉尘在重力和喷气的作用下掉落，完成清洁，同时设置有VR演示室4，通过VR头显31模拟焊接实验时视觉听觉信息，通过模拟焊枪32模拟焊接过程中操作手感，使得胆量较小的学生能够通过VR设备接触、认识焊接过程，克服心理恐惧，顺利接受实操教学，同时也使得学生在进行实操实验之前，能对焊接过程的认识加重，从而避免实验事故，提高教学效果。

使用方法：

步骤一：学生在教师的带领下，分别通过VR演示室4对焊接实操进行预体验，通过VR头显31模拟焊接实验时视觉听觉信息，通过模拟焊枪32模拟焊接过程中操作手感；

步骤二：结束VR体验后，学生在教师的指导下对焊接臂10和焊头9进行开机检查，检查设备无故障后，打开操作器2，对焊接臂10和焊头9预运行，再次确认设备运行无故障后，关闭操作器2，将焊件固定安装在焊架8上，学生通过上位机编程对焊接臂10和焊头9的工作状态进行预设定，设定结束，关闭框体5，再次打开操作器2，观察焊接臂10和焊头9的运行，期间打开风机15排气，做好实验记录；

步骤三：实验结束后，学生关停焊接臂10和焊头9，待风机15继续工作数分钟后打开框体5，取出固定在焊架8上的焊件，关停风机10，打开固定销23，在操作器2的操作面板上操作翻转轴24转动，使得工作台7的上表面翻转，再将固定销23固定好，打开高压喷嘴27，高压喷嘴27对工作台7的表面清洁，清洁后将工作台7的上表面翻转复位，固定好固定销23，则完成所有实验过程。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，包括中空的平台主体(6)，其特征在于：所述平台主体(6)的中间安装有与其匹配的工作台(7)，所述工作台(7)的上表面左侧安装有焊架(8)，所述工作台(7)右边前侧与平台主体(6)之间安装有框体(5)，所述框体(5)前表面固定安装有上位机(3)，所述上位机(3)左侧有活动安装在框体(5)前表面的操作器(2)，所述平台主体(6)右侧设置有VR演示室(4)；还包括横梁(11)，所述横梁(11)位于工作台(7)上方，且左边与平台主体(6)左侧面连接，右边与框体(5)背面连接，所述横梁(11)上安装有可以左右活动的焊接臂(10)，所述焊接臂(10)的底部活动安装有焊头(9)；所述平台主体(6)还包括顶板(1)，所述顶板(1)的中间位置处开孔贯穿安装有排气管(33)，所述排气管(33)处顶板(1)下表面安装有通风罩(12)，所述通风罩(12)的四周安装在顶板(1)下表面有吸音顶(13)，所述通风罩(12)的内部底端安装有吸附层(14)，所述吸附层(14)的上表面安装有风机(15)，所述吸音顶(13)的从上至下依次设有固定板(16)、吸音棉(17)、石膏板(18)、空室(20)，所述空室(20)侧面上开设有竖排消音孔(19)，所述消音孔(19)的一侧固定安装有围板(21)；

所述工作台(7)横向贯穿安装有翻转轴(24)，所述工作台(7)前表面开设有固定槽(22)，所述平台主体(6)下侧前表面顶部对应设有固定销(23)，所述平台主体(6)的内部下侧活动安装有废料盒(26)、内壁固定有高压喷嘴(27)，所述废料盒(26)上方安装有震板(25)；

所述焊架(8)支架上表面安装有红外测距仪(30)，所述焊头(9)左侧焊接臂(10)底部设测距传感器(28)，右侧设有超声波定位器(29)；所述VR演示室(4)放置有VR头显(31)和模拟焊枪(32)。

2.根据权利要求1所述的一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，其特征在于：所述红外测距仪(30)共设置有两组。

3.根据权利要求1所述的一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，其特征在于：所述吸音顶(13)共设置有若干组，且均匀安装在顶板(1)下表面，所述空室(20)中空，所述围板(21)内部为空腔。

4.根据权利要求1所述的一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，其特征在于：所述风机(15)共设置有两组，所述吸附层(14)内部均匀布置有活性炭，所述吸附层(14)卡合在通风罩(12)的内璧。

5.根据权利要求1所述的一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，其特征在于：所述翻转轴(24)与平台主体(6)两侧转动连接；所述固定槽(22)可与固定销(23)卡合。

6.根据权利要求1所述的一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，其特征在于：所述高压喷嘴(27)设置有若干组，且均匀分布在平台主体(6)下侧的内壁，高压喷嘴(27)可转动角度。

7.根据权利要求1所述的一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，其特征在于：所述框体(5)为双层玻璃钢结构，且隔层为真空，双层玻璃钢结构边缘与框体(5)衔接处均设置有密封圈。

8.根据权利要求1所述的一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，其特征在于：所述焊接臂(10)在横梁(11)上做左右往复运动，且与焊头(9)的运动状态均由上位机(3)调节。

9.根据权利要求1所述的一种基于机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，其特征在于：所述废料盒(26)可从平台主体内部取出。

10.根据权利要求1所述的一种机械自动化教学的多工位焊接测控实验平台，其特征在于：所述排气管(33)一端与通风罩(12)连通，另一端与实验室废气处理系统连通。

Images