CN114012256A - 一种激光双光束焊接控制系统 - Google Patents

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CN114012256A CN202111343140.5A CN202111343140A CN114012256A CN 114012256 A CN114012256 A CN 114012256A CN 202111343140 A CN202111343140 A CN 202111343140A CN 114012256 A CN114012256 A CN 114012256A
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陈新松
巩水利
王彬
段爱琴
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Abstract

本发明提供了一种激光双光束焊接控制系统，括控制器以及与所述控制器连接的两个同步的机器人、两个激光焊接头以及焊接横梁，所述焊接横梁包括通过导轨单元横向连接的第一横梁和第二横梁，所述第一横梁通过第一法兰盘与第一机器人的执行末端连接，所述第二横梁通过第二法兰盘与第二机器人的执行末端连接，所述第二横梁与所述第二法兰盘的连接端装有关节轴承，在所述关节轴承与所述第二法兰盘之间安装有位移传感器，用于通过所述关节轴承的偏摆检测所述第二横梁与所述第一横梁之间的运动误差，所述位移传感器连接所述控制器，两个激光焊接头均安装在所述第一横梁上。

Description

一种激光双光束焊接控制系统
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种激光双光束焊接控制系统。
背景技术
带筋壁板结构是航空、航天结构件中常见的蒙皮壁板类结构。在航空、航天中具有及其广泛的应用。目前，国内、国外先进的带筋壁板类结构制造，采用激光双光束焊接工艺制造而成。采用双光束焊接这种T型结构，可以有效防止蒙皮(底板)气动面的损伤，蒙皮外表面凸起或凹陷不超过0.1mm为光滑型面，电磁辐射与铆接结构相比降低50％以上，可实现实现壁板制造的轻量化、高强化、隐身化。
双光束焊接壁板是近年来发展的一种先进的带筋壁板制造方法。采用激光焊接此类结构时，可以采用两束激光从立筋两侧施焊。采用激光双光束从T型接头的两侧同时进行焊接形成角焊缝，有利于立筋与蒙皮的熔合，而且对蒙皮背面没有损伤。一般认为，采用双光束焊接工艺可以使得T型接头的两侧受热均匀，有利于控制变形。另外，由于两束激光同时焊接，在熔池的交互作用下可以减小热输入产生1+1＞2的效果。
现有激光双光束焊接控制系统，主要采用PLC+机器人控制器模式，焊接过程中的运动控制由机器人控制器负责控制，激光双光束焊接设备通常采用两台机器人，通过工业总线进行数据交换，实行同步控制，但是这种方式无法解决机器人串联机械结构带来的误差逐级放大导致的插补精度差，在激光焊接(速度>10m/min)时容易发生抖动等问题，最终无法实现双光束激光焊接过程中，两束激光严格同步的工艺技术要求。造成零件焊接变形较大，同时由于编程时要考虑两台机器人在高速焊接下的同步问题，给焊接程序的编制、验证、调整带来很大困难，导致焊接前期准备时间长，激光焊接高效的优势无法发挥出来。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种激光双光束焊接控制系统，解决了现有激光双光束焊接时，两台机器人相对偏移导致焊接效率低的技术问题。
(2)技术方案
本发明的实施例提出了一种激光双光束焊接控制系统，该控制系统包括控制器以及与所述控制器连接的两个同步的机器人、两个激光焊接头以及焊接横梁，所述焊接横梁包括通过导轨单元横向连接的第一横梁和第二横梁，所述第一横梁通过第一法兰盘与第一机器人的执行末端连接，所述第二横梁通过第二法兰盘与第二机器人的执行末端连接，所述第二横梁与所述第二法兰盘的连接端装有关节轴承，在所述关节轴承与所述第二法兰盘之间安装有位移传感器，用于通过所述关节轴承的偏摆检测所述第二横梁与所述第一横梁之间的运动误差，所述位移传感器连接所述控制器，两个激光焊接头均安装在所述第一横梁上。
进一步地，所述导轨单元包括横向设置的3条导轨组，使所述第一横梁和所述第二横梁能沿导轨组做相对直线位移。
进一步地，在所述第一横梁和所述第二横梁的横向连接部位设置有光栅尺，用于测量两者之间的相对位移值。
进一步地，在所述导轨组的两端安装有限位开关和相应的限位挡块，当使所述第一横梁和所述第二横梁相对位移，所述限位开关撞到所述限位挡块时，触发所述控制器，立即停止两个机器人的运动和激光焊接头的激光器产生激光。
进一步地，所述第一横梁在靠近所述第一法兰盘一侧安装有气缸，气缸输出轴沿横梁轴线连接第一安装板，所述第一安装板通过导轨可移动地设在所述第一横梁上。
进一步地，所述气缸上装有开关，用于检测第一安装板上安装的激光焊接头是否就位，就位后，所述控制器启动激光焊接头的激光器产生激光。
进一步地，所述关节轴承与所述第二法兰盘之间沿圆周均布安装有3个位移传感器。
(3)有益效果
综上，本发明的一种激光双光束焊接控制系统，建立了一种新型激光双光束焊接控制模型，通过实时采用约束条件下，焊接横梁的相互位置以及转动角度，计算出两台机器人相对的偏移调整量，并通过实时工业控制器总线，对机器人发送调整指令，确保双光束激光焊接过程中，两束激光的精确同步，同时还能大大简化焊接程序的编制、验证、调整的难度，提高了激光焊接的加工效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是双光束焊接示意图。
图2是采用本发明实施例的一种激光双光束焊接系统的设备应用场景示意图。
图3是本发明实施例的一种激光双光束焊接控制体统中的焊接横梁结构示意图。
图4是本发明实施例的一种激光双光束焊接控制体统中的位移传感器安装示意图。
图5是本发明实施例的控制系统框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明实施例提供了一种激光双光束焊接控制系统，参见图2-图5所示，该控制系统至少包括控制器以及与所述控制器连接的两个同步的机器人、两个激光焊接头以及焊接横梁，该焊接横梁包括通过导轨单元(导轨3、导轨4、导轨5)横向连接的第一横梁(梁1)和第二横梁(梁2)，所述第一横梁(梁1)通过第一法兰盘(法兰盘1)与第一机器人的执行末端连接，所述第二横梁(梁2)通过第二法兰盘(法兰盘2)与第二机器人的执行末端连接，所述第二横梁(梁2)与所述第二法兰盘(法兰盘2)的连接端装有关节轴承，在所述关节轴承与所述第二法兰盘(法兰盘2)之间安装有位移传感器，用于通过所述关节轴承的偏摆检测所述第二横梁(梁2)与所述第一横梁(梁1)之间的运动误差，所述位移传感器连接所述控制器，两个激光焊接头均安装在所述第一横梁(梁1)上。
具体地，导轨单元包括横向设置的3条导轨组，使第一横梁和第二横梁能沿导轨组做相对直线位移。在第一横梁和第二横梁的横向连接部位设置有光栅尺，用于测量两者之间的相对位移值。在导轨组的两端安装有限位开关和相应的限位挡块，当使第一横梁和第二横梁相对位移，限位开关撞到限位挡块时，触发控制器，立即停止两个机器人的运动和激光焊接头的激光器产生激光。两个激光焊接头分别通过相应安装板均安装在第一横梁上。第一横梁在靠近第一法兰盘一侧安装有气缸，气缸输出轴沿横梁轴线连接第一安装板，第一安装板通过导轨可移动地设在第一横梁上。气缸上装有开关，用于检测第一安装板上安装的激光焊接头是否就位，就位后，控制器启动激光焊接头的激光器产生激光。关节轴承与第二法兰盘之间沿圆周均布安装有3个位移传感器。
参见图3所示，法兰盘1、法兰盘2分别通过机器人1法兰盘、机器人2法兰盘与相应的机器人的执行末端连接。
双光束激光焊接时，两台机器人同步沿焊缝方向移动，带动焊接横梁一起移动，由于两台机器人之间存在运动误差，梁1和梁2会受到力的作用,无法保持初始状态，它们之间会产生滑动，同时梁2在关节轴承中会产生偏摆，但是由于两个激光焊接头通过安装板1、2都固定在梁1上，所以焊接头的同步性不会受到影响。
为了保证焊接的精度和稳定性，控制系统需要实时补偿两台机器人之间的运动误差。
在焊接过程的任一时刻，两台机器人之间的运动误差
Figure BDA0003352833050000051
Figure BDA0003352833050000052
其中，
Figure BDA0003352833050000053
和
Figure BDA0003352833050000054
是机器人1和机器人2的速度矢量，
Figure BDA0003352833050000055
的模：
εR＝P*VM*θ
其中，P为光栅尺读数，VM为当前设定焊接速度，θ为常系数，经过试验验证，这里θ取0.67。
Figure BDA0003352833050000056
的方向由光栅尺读数相对于初始原点的位置决定，因为两个激光焊接头通过安装板1、安装板2都固定在梁1上，而梁1和机器人1相连，为减小对焊接的影响，对机器人2的运动进行补偿。
εR是机器人运动的和速度，不能直接用于运动误差补偿，我们需要知道它在直角坐标系上X、Y、Z三个轴方向的投影εRX、εRY、εRZ。
在梁1和梁2产生直线移动的同时，梁2在关节轴承会产生一个偏摆，导致位移传感器1、2、3上的读数发生变化，根据三点定义一个平面，这三个传感器产生的变化量可以计算出一个空间夹角，利用这个空间夹角和εR就可以计算出εRX、εRY、εRZ。
将εRX、εRY、εRZ写入机器人2的控制器，完成误差补偿。
在导轨3、4、5的两端安装有限位开关，当它们被撞击时，控制系统认为两台机器人的误差已经超出极限，可能造成危险，将立即停止机器人的运动和激光器产生激光。
在气缸上装有磁开关，用于检测焊接头1是否就位，只有当焊接头1就位后，控制系统才允许焊接工作开始。
在具体实施时，参见图5所示，本发明的控制系统采用的元器件要求如下：
PLC：Beckhoff公司CP6542-0000-0060支持TwinCAT 3作为EtherCAT主站；
机器人控制器：KUKA公司KRC4控制器作为EtherCAT从站，两台；
位移传感器：Panasonic公司HG-S1032；
光栅尺：HEIDENHAIN公司LS487
I/O接口模块：Beckhoff公司BK1120，连接EtherCAT总线；
I/O模拟量输入模块：Beckhoff公司KL3012，接收位移传感器数据；
I/O编码器接口端子模块：Beckhoff公司EL5021，接收光栅尺数据；
总线与IPG光纤激光器和KUKA机器人连接，控制程序通过访问机器人内部寄存器实时获得机器人六个轴的实时运动速度。并由此计算出机器人的实时运动速度。
综上，本申请的激光双光束焊接控制系统，能够获取焊接机器人的实时运动速度，并根据位移传感器获得的数据实时调整机器人的运动轨迹。解决了激光双光束焊接过程中的机器人精度测量和补偿问题，确保了双光束同步焊接，提高了生产效率。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种激光双光束焊接控制系统，其特征在于，包括控制器以及与所述控制器连接的两个同步的机器人、两个激光焊接头以及焊接横梁，所述焊接横梁包括通过导轨单元横向连接的第一横梁和第二横梁，所述第一横梁通过第一法兰盘与第一机器人的执行末端连接，所述第二横梁通过第二法兰盘与第二机器人的执行末端连接，所述第二横梁与所述第二法兰盘的连接端装有关节轴承，在所述关节轴承与所述第二法兰盘之间安装有位移传感器，用于通过所述关节轴承的偏摆检测所述第二横梁与所述第一横梁之间的运动误差，所述位移传感器连接所述控制器，两个激光焊接头均安装在所述第一横梁上。
2.根据权利要求1所述的激光双光束焊接控制系统，其特征在于，所述导轨单元包括横向设置的3条导轨组，使所述第一横梁和所述第二横梁能沿导轨组做相对直线位移。
3.根据权利要求1或2所述的激光双光束焊接控制系统，其特征在于，在所述第一横梁和所述第二横梁的横向连接部位设置有光栅尺，用于测量两者之间的相对位移值。
4.根据权利要求2所述的激光双光束焊接控制系统，其特征在于，在所述导轨组的两端安装有限位开关和相应的限位挡块，当使所述第一横梁和所述第二横梁相对位移，所述限位开关撞到所述限位挡块时，触发所述控制器，立即停止两个机器人的运动和激光焊接头的激光器产生激光。
5.根据权利要求1所述的激光双光束焊接控制系统，其特征在于，所述两个激光焊接头分别通过相应安装板均安装在所述第一横梁上。
6.根据权利要求5所述的激光双光束焊接控制系统，其特征在于，所述第一横梁在靠近所述第一法兰盘一侧安装有气缸，气缸输出轴沿横梁轴线连接第一安装板，所述第一安装板通过导轨可移动地设在所述第一横梁上。
7.根据权利要求6所述的激光双光束焊接控制系统，其特征在于，所述气缸上装有开关，用于检测第一安装板上安装的激光焊接头是否就位，就位后，所述控制器启动激光焊接头的激光器产生激光。
8.根据权利要求1所述的激光双光束焊接控制系统，其特征在于，所述关节轴承与所述第二法兰盘之间沿圆周均布安装有3个位移传感器。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103801825A (zh) * 2014-01-27 2014-05-21 华中科技大学 一种双光束焊接焊缝跟踪控制系统
CN103962720A (zh) * 2014-04-24 2014-08-06 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所 双光束激光焊接的同步控制方法及装置
US20150246446A1 (en) * 2012-10-16 2015-09-03 Abb Technology Ag System for handling workpieces in a press line
CN111545908A (zh) * 2020-05-13 2020-08-18 南京航空航天大学 一种增材制造零件t型结构双激光束双侧焊接装置与方法
US20200290108A1 (en) * 2016-12-27 2020-09-17 Abb Schweiz Ag Pendular handling system for a press line

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150246446A1 (en) * 2012-10-16 2015-09-03 Abb Technology Ag System for handling workpieces in a press line
CN103801825A (zh) * 2014-01-27 2014-05-21 华中科技大学 一种双光束焊接焊缝跟踪控制系统
CN103962720A (zh) * 2014-04-24 2014-08-06 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所 双光束激光焊接的同步控制方法及装置
US20200290108A1 (en) * 2016-12-27 2020-09-17 Abb Schweiz Ag Pendular handling system for a press line
CN111545908A (zh) * 2020-05-13 2020-08-18 南京航空航天大学 一种增材制造零件t型结构双激光束双侧焊接装置与方法

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