CN114535785A - 一种高速焊接宏微机器人复合焊缝跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人高速激光焊接宏微观焊缝跟踪系统，属于焊接工程技术领域。为解决机器人高速激光焊接过程中，常规焊缝焊缝跟踪系统机器人跟踪响应慢、机器人跟踪精度差及机器人跟踪过程抖动的问题。提出利用机器人自身的运动宏观调整大轨迹偏差，工具端附加高频响应运动装置微观调整小轨迹偏差，并在机器人做宏观调整时高频运动补偿机器人低频振动所带来的焊接点不稳定问题。本发明可以提高焊缝跟踪效率及精度，能够保证机器人高速激光焊接的焊接质量。

Description

一种高速焊接宏微机器人复合焊缝跟踪系统

技术领域

本发明涉及焊接工程领域，具体是针对机器人高速激光焊的一种焊缝跟踪系统。

背景技术

机器人激光焊接系统，以激光器作为焊接工具，并以机器人作为运动系统，应用机器人夹持激光器进行焊接作业。利用机器人的多自由度，对复杂轨迹焊缝进行激光焊接。过程利用高能激光束对焊接材料进行小区域内局部加热熔化，形成特定熔池，最终形成稳定可靠的焊接接头。

在机器人激光焊接过程中，待焊接工件的装配误差，激光焊接过程中的焊缝变形都会使得激光焊接点与焊缝的中心位置偏离，而导致激光焊接的质量变差甚至是焊接失败。需要借助焊缝跟踪系统，对激光焊接点进行实时调整。

焊缝跟踪是通过计算检测到的焊缝与激光焦点之间的偏差，与控制系统实时通讯，输出偏差数据，由运动执行机构实时纠正偏差，精确引导激光器自动焊接，从而实现跟踪焊缝进行焊接。

借助焊缝跟踪系统进行机器人高速激光焊接，能够有效提高焊接质量，目前在航空航天等要求高质量焊接的工控上被广泛应用。

发明内容

本发明是为了解决机器人高速激光焊接过程中，焊缝跟踪系统机器人跟踪响应慢、机器人跟踪精度差及机器人跟踪过程抖动的问题。常规的跟踪系统，完全依靠机器人自身调整激光焊接点，而激光焊接不同于常规弧焊，激光有效作用区域极小，但因机器人自身的运动控制系统及轨迹精度的限制，而导致焊缝跟踪响应不及时，微小误差无法跟踪，及调整过程中所带来的抖动问题，从而导致焊接质量的下降或焊接失败。因此本发明开发新型焊缝跟踪装置，其主要作用是提高系统的跟踪响应效率及跟踪精度，并在机器人高速运动的过程中补偿机器人抖动所带来的轨迹误差，保持激光焊接点的稳定，实现激光焊接工艺过程的稳定性，提高激光焊接一次性成型质量。

为了解决上述的三个主要问题，本发明主要采用以下的技术方案。本发明的跟踪系统基于国内外已经开展的高速激光焊接焊缝跟踪研究的基础上，提出利用机器人自身的运动宏观调整大轨迹偏差，工具端附加高频响应运动装置微观调整小轨迹偏差，并在机器人做宏观调整时高频运动补偿机器人低频振动所带来的焊接点不稳定问题。

本发明提出的一种机器人高速激光焊接宏微观焊缝跟踪系统，包括焊接用激光器1、工业机器人2、微观跟踪装置3和控制系统4。所述的焊接用激光器1和微观跟踪装置3均安装在工业机器人2的工作端，工业机器人2与控制系统4连接；所述的焊接用激光器1为一般常见激光器，工业机器人2为串联式六轴工业机器人，微观跟踪装置3中除去必要的固定连接框架及机构，主要包含音圈电机7及条纹激光传感器8，条纹激光传感器8为一般工业用结构光传感器；控制系统4主要包含有焊缝跟踪控制器、机器人运动控制器和微观跟踪装置控制器。焊缝跟踪控制器与焊接用激光器1连接，用以调整焊接用激光器1的位置；机器人运动控制器与工业机器人2连接，用以调整工业机器人2的位置；微观跟踪装置控制器与微观跟踪装置3连接，用以记录微观跟踪装置3的参数信息，所述的微观跟踪装置3及焊缝跟踪控制器共同组成微观跟踪系统。

所述微观跟踪装置3(如图3所示)，包括连接框架5、音圈电机驱动平台10、条纹激光传感器9；音圈电机7通过音圈电机固定架6与连接框架5连接；音圈电机驱动平台10和条纹激光传感器9均与连接框架5连接。

所述连接框架5上设有机器人法兰连接端面11、音圈电机固定架连接端面12、条纹激光传感器连接端面13；

所述音圈电机驱动平台10包括音圈电机固定板14，；

所述音圈电机7，包括线圈组件16、磁体组件15；

所述音圈电机驱动平台，包括音圈电机线圈组件连接架17、焊接激光器固定平台22、微型导轨19、微型滑块18、微型导轨固定板20、行程开关21。

为避免机器人运动控制器，因解算焊缝跟踪信息及额外控制微观运动装置，从而导致跟踪响应时间变长，并且为了使得系统更具一般普适性，本发明所述的焊缝跟踪系统独立于机器人运动控制器，微观跟踪装置的控制器也独立于机器人运动控制器。

所述控制系统(图7)，包括焊缝跟踪控制器、机器人运动控制器、音圈电机控制器、机器人驱动器、音圈电机驱动器。

条纹激光传感器检测焊缝，焊缝跟踪控制器实时解算焊缝的偏差量d，判定焊缝误差范围。当误差范围大时，将轨迹补偿指令发送到机器人运动控制器中，有机器人补偿轨迹误差，并同时发送振动抑制指令至音圈电机控制器中，补偿机器人高速调整时振动所代来的激光焊接点的不稳定。当误差范围小时，将轨迹补偿指令发送到音圈电机控制器中，仅有音圈电机完成轨迹的快速高精度修正。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)、本发明中微观跟踪装置具有标准化和模块化的特定，结构简单且紧凑，零部件加工制造成本低，安装维护操作使用方便，是实现机器人高速激光焊接焊缝跟踪有效的结构形式。

2)、本发明跟踪控制系统由于采用独立的焊缝跟踪控制器及微观跟踪装置控制器，因此本发明焊缝跟踪装控制系统具有广泛的适用性，可用于各种类型焊接接头，各种类型焊接机器人，有效保证激光焊接工艺过程的稳定。

3)、本发明采用机器人附加外部调整的焊缝跟踪方式，能够有效回避机器人自身的运动控制系统及轨迹精度的限制，有效提高焊缝跟踪响应频率及跟踪精度。

4)、本发明采用音圈电机作为外部微观装置驱动器，由于音圈电机具有高频响应，及可高频运动的特性，可有效解决机器人抖动所带来的激光焊接点的颤动，保持激光焊接点的稳定，实现激光焊接工艺过程的稳定性，提高激光焊接一次性成型质量。

附图说明

图1为本发明所述宏微观焊缝跟踪系统的组成示意图，其中：1为焊接用激光器、2为工业机器人、3为微观跟踪装置、4为控系统。

图2为本发明所述安装有焊接用激光器的微观跟踪装置的轴测图，其中：1为焊接用激光器、5为连接框架、6为音圈电机固定架、7为音圈电机、8为激光光束、9为焊缝跟踪条纹激光器。

图3为本发明所述微观跟踪装置的轴的测图，其中：5为连接框架、10为音圈电机驱动平台、9为焊缝跟踪条纹激光

图4为本发明所述连接框架的测图，其中：11为机器人法兰连接端面、12为音圈电机固定架连接端面、13为条纹激光传感器连接端面。

图5为本发明所述音圈电机驱动平台轴测图，其中：14为音圈电机磁体及其外壳、15为音圈电机磁体、16音圈电机线圈组件、17音圈电机线圈组件连接架、18为微型滑块、19为微型导轨、20、微型导轨固定板、21为行程开关、22为焊接激光器固定平台。

图6为本发明所述焊缝跟踪过程示意图，其中：24为焊接工件A、25为焊缝、23为焊接工件B、26为激光焊接点、D为激光焊接点和焊缝的偏移距离。

图7为本发明所述本发明所述控制器内部示意图，其中包括焊缝跟踪控制器、机器人运动控制器、音圈电机控制器、机器人驱动器、音圈电机驱动器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施方式仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

将本发明所述的微观跟踪装置进行装配，并焊接用激光工具，最后安装至工业机器人末端。

所述连接框架5中，机器人法兰连接端面11加工有和机器人第六轴末端法兰盘对应的安装孔，该机器人法兰连接端面11通过螺栓用于和机器人2法兰的连接。音圈电机固定架连接端面12加工有和音圈电机固定架6对应的安装孔，该音圈电机固定架连接端面12通过螺栓和音圈电机固定架连接。条纹激光传感器连接端面13加工有和条纹激光传感器9表面安位对应的安装孔，该条纹激光传感器连接端面13通过螺栓用于和条纹激光传感器连接。所述音圈电机6的音圈磁体组件外壳14通过螺栓和音圈电机固定板6固定连接，音圈线圈组件16在磁体组件15中直线运动。所述音圈电机线圈组件16和音圈电机线圈组件连接架17通过螺栓连接，音圈电机线圈组件连接架17通过螺栓和激光器固定平台22侧端面连接。所述激光器固定平台22和微型滑块18通过螺栓连接，所述微型滑块18在微型导轨19上进行直线运动。焊接激光器2通过螺栓与所述激光器固定平台22连接，所述微型导轨19和微型导轨固定板20固定连接。微型导轨固定板20与音圈电机固定板6通过螺栓固定连接。行程开关21通过螺栓与微型导轨固定板20固定连接。

按照选用机器人和焊缝跟踪传感器进行机器人与传感器的手眼标定。并按照焊接轨迹进行实际编程示教工作。在焊接过程中，条纹激光传感器检测焊接工件A24和焊接工件B23中间的焊缝25和激光焊接点26的实际位置，将采集到传感器信息发送至焊缝跟踪控制器中，焊缝跟踪控制器实时解算焊缝的偏差量d，判定焊缝误差范围。

根据选用机器人运动控制系统的性能指标，设定焊缝误差范围，当焊缝误差范围d大于设定阈值dset时，系统判定进行宏观控制，由有机器人修正当前运动姿态，补偿焊缝偏差。设定音圈电机运动频率f和运动距离l，音圈电机在设定频率下，进行振幅为l的高频摆动，消除机器人运动低频抖动所带来的影响。当误差范围d小于设定阈值dset时，系统判定进行微观控制，微观跟踪装置进行焊缝误差的补偿。

焊缝跟踪控制器将轨迹补偿指令发送到机器人运动控制器中，机器人运动控制器在接收到焊缝跟踪控制器传递的信息后，控制机器人驱动器调整机器人的运动状态，使机器人主动焊缝跟踪。音圈电机控制器在接收到焊缝跟踪控制器传递的信息后，控制音圈电机驱动器，使得音圈电机线圈组件在磁体组件中直线运动，完成相应的运动动作。

本发明微观跟踪装置与机器人的工作端即工作手臂结合，形成宏微焊缝跟踪系统，微观跟踪装置安装于机器人的工作手臂，更换及操作方便。应用本系统进行机器人高速激光焊接，使得焊接工艺过程稳定，提高机器人激光焊接的一次性成品率。

综上，本发明宏微观焊缝跟踪系统，可以适用于各类焊接接头形式，并具有以下功能特点：

1)、标准化，尽量选用标准零件设计，非标准零件种类少。

2)、模块化，音圈电机、条纹激光传感器、工业机器人系统，不局限于品牌，彼此件的软硬件组成简单。

3)、结合工业机器人工作范围大、运动轨迹灵活和音圈电机响应速度快，运动精度高的各自特点，提高焊缝跟踪响应频率，实现微小误差跟踪。

4)、结合音圈电机可高频运动的特点，运营音圈电机的高频运动补偿机器人的低频振动，解决机器人运动过程中振动所带来的系列问题，提高轨迹精度，及激光焊接点的稳定性。

尽管上面结合附图对本文发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方法，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种高速焊接宏微机器人复合焊缝跟踪系统，其特征在于：包括焊接用激光器、工业机器人、微观跟踪装置和控制系统；所述的焊接用激光器和微观跟踪装置均安装在工业机器人的工作端，工业机器人与控制系统连接；

工业机器人为串联式六轴工业机器人；控制系统包含有焊缝跟踪控制器、机器人运动控制器和微观跟踪装置控制器；焊缝跟踪控制器与焊接用激光器连接，用以调整焊接用激光器的位置；机器人运动控制器与工业机器人连接，用以调整工业机器人的位置；微观跟踪装置控制器与微观跟踪装置连接，用以记录微观跟踪装置的参数信息，所述的微观跟踪装置及焊缝跟踪控制器共同组成微观跟踪系统；所述的高速焊接宏微机器人复合焊缝跟踪系统独立于机器人运动控制器，微观跟踪装置的控制器也独立于机器人运动控制器。

2.根据权利要求1所述的一种高速焊接宏微机器人复合焊缝跟踪系统，其特征在于：所述微观跟踪装置，包括连接框架、音圈电机驱动平台、条纹激光传感器；音圈电机通过音圈电机固定架与连接框架连接；音圈电机驱动平台和条纹激光传感器均与连接框架连接。

3.根据权利要求2所述的一种高速焊接宏微机器人复合焊缝跟踪系统，其特征在于：所述连接框架上设有机器人法兰连接端面、音圈电机固定架连接端面、条纹激光传感器连接端面。

4.根据权利要求2所述的一种高速焊接宏微机器人复合焊缝跟踪系统，其特征在于：所述音圈电机的音圈磁体组件外壳通过螺栓和音圈电机固定板固定连接，音圈线圈组件在磁体组件中直线运动；所述音圈电机线圈组件和音圈电机线圈组件连接架通过螺栓连接，音圈电机线圈组件连接架通过螺栓和激光器固定平台侧端面连接；所述激光器固定平台和微型滑块通过螺栓连接，所述微型滑块在微型导轨上进行直线运动；焊接激光器通过螺栓与所述激光器固定平台连接，所述微型导轨和微型导轨固定板固定连接；微型导轨固定板与音圈电机固定板通过螺栓固定连接；行程开关通过螺栓与微型导轨固定板固定连接。

5.根据权利要求2所述的一种高速焊接宏微机器人复合焊缝跟踪系统，其特征在于：条纹激光传感器检测焊缝，焊缝跟踪控制器实时解算焊缝的偏差量d，判定焊缝误差范围。

6.根据权利要求5所述的一种高速焊接宏微机器人复合焊缝跟踪系统，其特征在于：当焊缝误差范围d大于设定阈值dset时，系统判定进行宏观控制，由有机器人修正当前运动姿态，补偿焊缝偏差；设定音圈电机运动频率f和运动距离l，音圈电机在设定频率下，进行振幅为l的高频摆动，消除机器人运动低频抖动所带来的影响；当误差范围d小于设定阈值dset时，系统判定进行微观控制，微观跟踪装置进行焊缝误差的补偿。

7.根据权利要求5所述的一种高速焊接宏微机器人复合焊缝跟踪系统，其特征在于：焊缝跟踪控制器将轨迹补偿指令发送到机器人运动控制器中，机器人运动控制器在接收到焊缝跟踪控制器传递的信息后，控制机器人驱动器调整机器人的运动状态，使机器人主动焊缝跟踪；音圈电机控制器在接收到焊缝跟踪控制器传递的信息后，控制音圈电机驱动器，使得音圈电机线圈组件在磁体组件中直线运动，完成相应的运动动作。

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