CN1222395C - 永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法 - Google Patents

永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法属于弧焊机器人技术领域。本发明要解决已有的肘关节式机器人或轨道爬行式自动弧焊机不能焊接大型或巨型工件的技术问题。本发明的控制方法主要包括：由激光CCD传感器14得到的图像信号传输到跟踪控制器6，它发出指示经十字滑块驱动13使焊炬15在两方向运动，该图像信号同时也输入到爬行机驱动器5而使爬行机8驱动；还有一种控制是跟踪控制器6根据图像信号发出指令经十字滑块驱动13使焊炬15在两个方向运动，并且根据横向滑块产生的横向位置信号借助爬行机驱动装置5而使爬行机8做相应运动。本发明提出的控制方法主要用于大型或巨型工件的高质量、高效率焊接。

Description

永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法
技术领域
本发明提出的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法属于弧焊机器人技术领域，特别涉及到用于大型或巨型工件焊接的高精度、高效率的弧焊机器人。
背景技术
随着工业技术的不断发展，在金属结构焊接技术领域，为了能解决焊接工作量不断加大以及为了确保焊接质量，焊机和焊接机器人及其控制方法得到迅速发展，做为弧焊机器人及其控制方法主要有两种类型：
1、肘关节式智能弧焊机器人
一般由6个自由度以上的焊接机器人本体和数个自由度的外部设备联动，其智能性主要表现在用编程或示教确定其运动轨迹，跟踪或其它如探测间隙、寻找起始点等。
这类弧焊机器人有尺寸限制，最大也只能适应于例如一个小型船船体分段或一个车厢的焊接。
2、轨道爬行式部分智能型自动弧焊机
这类机器人能够解决大型或巨型工件的焊接，主要是将带焊炬的小车挂在铺设好的轨道上，沿着轨道轨迹进行焊接。存在问题是轨道尽管有刚性、柔性之分，但轨道很难与被焊工件的表面轮廓完全相同，轨道虽然大体上沿着焊缝铺设，但往往轨道不能与焊缝完全平行，特别是当工件在两个自由度有变化并且具有不同的接头型式时，轨道更难与焊缝平行；虽然配有跟踪装置，但因轨道限制，跟踪范围很小，限制了跟踪能力。另外铺设轨道费时费力，铺设轨道时间往往要占总工作量的一半，轨道成本占设备总投资三分之一以上。
发明内容
为了克服背景技术中肘关节式弧焊机器人和轨道爬行式自动弧焊机存在的不足，特别要实现大型或巨型工件的高精度、高效率的焊接，本发明的目的是提出一种新型的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法。
本发明的目的通过以下的技术方案达到：
1、一种永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法，该方法包括如下：
a、用激光CCD传感器(14)测得的焊缝信息的图像信号；
b、将上述图像信号经信号处理传输到跟踪控制器(6)；
c、跟踪控制器(6)依据上述图像信号发出指令；
d、根据这一指令经双向驱动控制装置和十字滑块的驱动(13)使焊距(15)实现垂直和横向两个方向运动；
e、上述步骤a中的图像信号同时经接口信号校正传输到爬行机驱动控制器(5)；
f、上述爬行机驱动控制器(5)根据所述图像信号发出控制信号；
g、该控制信号经交流伺服机驱动器(8-4)驱动两个永磁履带(8-2)而使爬行机(8)运动；
2、还有一种永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法，该方法包括如下：
a、完全重复权利要求1中的a至d的步骤，当d步骤中的十字滑块中的横向滑块移动到极限位置时发出一横向滑块位置信号；
b、该横向滑块位置信号经过接口信号校正传输到爬行机驱动控制器(5)。
c、爬行机驱动控制器(5)发出指令经交流伺服器驱动器(8-4)分别驱动两个永磁履带(8-2)而使爬行机(8)横向运动。
3、在上述两种控制方法中还包括：
电压反馈信号传输到焊接电源控制器(11)，焊接电源控制器(11)根据该电压反馈信号对焊接电源实现适应性控制。
4、在上述两种控制方法中还包括：
摆动控制器(3)依据焊缝的具体状况，发出用于选择焊炬(15)的不同的振幅、摆频、停顿、摆动时间的控制信号，该控制信号经过焊炬摆动驱动动使焊炬(15)实现规定的摆动。
5、在上述两种控制方法中还包括：
编程控制器能够协调上述的十字滑块与爬行机结合的跟踪控制、焊接电源控制、焊炬摆动控制以及焊接程序控制。
6、在上述两种控制方法中包括：
与编程控制器相连的手控器(10)只控制焊接中需要调节或人工干预的焊接参数。
7、在上述两种控制方法中，对爬行机8的永磁履带8-2实现以下控制：
通过磁路开关8-2-3产生或消除永磁履带8-2对外的磁力线，当爬行机8工作时，摆动磁路开关8-2-3，使永磁履带8-2对外产生磁力线，保证爬行机8对工件具有磁力吸附力，爬行机8垂直向上运动时最大负载为35kg；当爬行机8不工作时，磁路开关8-2-3复原，永磁履带8-2对外磁力线消除而无磁吸附力，这样，爬行机8可以轻易地从工件取下来。
8、在上述两种控制方法中，通过爬行机驱动器5和两个交流伺服机驱动器8-4对爬行机8的两个永磁履带8-2的运动速度分别进行控制，控制其速度差并且借助设置在永磁履带8-2上的永磁履带转向安全装置8-3实现爬行机8的自由稳定安全转向，该爬行机8可以原地自转360°。
本发明提出的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法与背景技术中的弧焊机器人控制方法相比具有以下的优点。
1、能够完成包括横立焊以及全位置焊在内的大型或巨型工件的无轨道自主全位置焊接，这是背景技术中的肘关节式机器人或轨道爬行式机自动焊不能完成的；
2、由于采用了先进的焊缝识别、跟踪和焊接控制系统，因此可以保证焊接的高质量，焊缝的跟踪精度可达±0.2～0.3mm左右，高度±0.5以内，并且跟踪范围不受限制；
3、明显减少了焊接辅助时间，始终以最佳规范进行焊接，减少了焊缝缺陷和返修时间，因此生产效率极高。
附图说明
图1本发明提出的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人控制方法采用的设备示意图；
图2本发明提出的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人控制方法的方框图；
图3十字滑块和爬行机连续性结合控制的方框图；
图4十字滑块和爬行机非连续性结合控制的方框图；
图5爬行机中的永磁履带的结构；
图6爬行机的永磁履带的磁路可控的原理图；
图7爬行机中的永磁履带转向安全装置的结构图；
图8利用本发明提出的控制方法完成曲线丁字型焊接试件设置的示意图；
图9利用本发明提出的控制方法完成横焊和立焊试件设置的示意图。
下面结合附图说明本发明提出的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法。
首先结合附图1说明本发明提出的控制方法采用的主要设备。总控制柜1上设置着编程控制器2、摆动控制器3、电源控制器4、爬行机驱动控制器5、跟踪控制器6、PC机7、爬行机8、送丝机9、手控器10、焊接电源11和气瓶12。
爬行机8上装有十字滑块驱动13，该十字滑块驱动13包括有V向滑块和H向滑块(H代表横向、V代表垂直向)，爬行机上还装有激光CCD传感器14和焊炬15。
爬行机8主要包括爬行机主体8-1、永磁履带8-2、永磁履带转向安全装置8-3、交流伺服机驱动器8-4和链轮8-5。
结合附图2给出的方框图说明本发明出的控制方法的程序。
装在爬行机8的十字滑块驱动13上的激光CCD传感器14把识别到的工件焊缝的信息(接头形式、坡口形状、间隙大小)的图像信号传输到跟踪控制器6，跟踪控制器6发出指令经双向驱动控制而使十字滑块驱动13的V向滑块和H向滑块运动，即使十字滑块在垂直方向和横向运动；上述焊缝信息的图像信号也传输到爬行机驱动控制器5，爬行机驱动控制器5发出指令，经交流伺服机驱动器8-4而驱动爬行机8，以上说明的是十字滑块和爬行机的连续性结合控制的程序，其中包括图2的方框图中标明①的程序。
还有一种十字滑块和爬行机非连续性结合控制的程序。
上述图像信号传输给跟踪控制器6，跟踪控制器6发出指令，经双向驱动控制使十字滑块在V、H两个方向运动，当跟踪范围大时，为了避免十字滑块滑到滑架极限位置而失效，将横向滑块在滑架上的位置信号，即横向位置信号传输给爬行机驱动控制器5，爬行机驱动控制器5再发出指令经交流伺服机驱动器8-4而使爬行机8运动。很明显，这是一种十字滑块和爬行机的非连续性结合控制，这种控制包括图2的方框图中标明②的程序。
焊接时电压反馈传输到焊接电源控制器11中，使焊接电源实现适应性控制。
摆动控制器3依据焊缝的具体状况，发出用于选择焊炬15的不同的振幅、摆频、停顿、摆动时间等的控制信号，该控制信号经过摆动驱动使焊炬15运动；通过摆动控制器3模仿焊工的“手法”，使焊炬15摆动。
编程控制器协调跟踪控制、电源控制、焊炬摆动控制之间的程序及焊接程序。
编程控制器也控制焊炬15和激光CCD传感器14中通入水和空气的信息并且控制它们。
与编程控制器相连接的手控器10在焊接过程只控制需要调节或人工干予的焊接参数。
通过人机界面操作人员对编程控制器进行操作。
结合附图3和附图4详细地说明十字滑块和爬行机相结合的两种控制方法。
图3详细说明十字滑块和爬行机连续性结合的控制方法。
由激光CCD传感器14测得的焊缝信息的图像信号经信号处理传输到跟踪控制器6，该跟踪控制器6发出指令经十字滑块驱动而使安置在爬行机8上的十字滑块沿两个方向(V向和H向)运动，同时，上述图像信号信号经过接口信号校正传输到爬行机驱动控制器5，接着爬行机驱动控制器5发出指令经两个交流伺服机驱动器8-4分别驱动爬行机8的左右两个永磁履带8-2。上述接口信号校正提高图像信号电压和提高其动特性。
图4详细说明十字滑块和爬行机非连续性结合的控制方法。
上述图像信号经信号处理传输到跟踪控制器6，跟踪控制器6发出指令经十字滑块驱动13而使设置在爬行机8上的十字滑块在V、H两个方向运动，当跟踪范围大时，为了避免十字滑块滑到滑架极限位置而失效，将横向滑块在滑架上的位置信号，即横向滑块位置信号经接口信号校正传输到爬行机驱动控制器5，接着爬行机驱动控制器5发出指令经两个交流伺服机驱动器8-4分别驱动爬行机8的两个永磁履带8-2。
上述控制程序可以看出，这种控制方法是十字滑块和爬行机的一种不连续控制结合。
图5表示爬行机8中永磁履带8-2的结构，爬行机8两侧各有一永磁履带8-2，每一永磁履带8-2主要由两根链条8-2-1、永磁体8-2-2和磁路开关8-2-3构成，每两个链条8-2-1之间的间隙中，均布着若干个永磁体8-2-2，每个永磁体8-2-2上均设有一个磁路开关8-2-3。
下面结合附图6说明永磁履带8-2的磁路可控的原理。每一个永磁体8-2-2均由外部的两块磁性材料8-2-2-1和中间的一条非磁性材料8-2-2-2构成，永磁体8-2-2的中心部分沿其全长一通孔放置圆柱形永磁铁8-2-2-3，上述的磁路开关8-2-3仅与圆柱形永磁体8-2-2-3相连，该圆柱形永磁铁8-2-2-3由沿其中心面部分的两半园部分组成，该两半园部分是由永磁粉末构成，其一半园部分的一端为N极、另一半园部分的同一端为S极。这样，当拨动磁路开关8-2-3使圆柱形永磁铁8-2-2-3的转动，使其刚好处于图6所示的位置时，两半圆部分永磁铁因其形成的磁力线被非磁性材料8-2-2阻断，磁力线就被引入永磁体8-2-2以外，该磁力线对外部的磁性材料起作用，因此，爬行机8连同其上的负载就被牢牢地吸附在工件上，当摆动磁路开关8-2-3使永磁铁8-2-2-3相对图6的位置整体转动90°时，两半园部分永磁铁之间产生的磁力线通过磁性材料8-2-2-1，这样对外就形不成磁力线，对外部磁性工件就不产生磁性而无磁吸附力，此时爬行机8就可以轻易得从工件上取下来。
因此，通过拨动磁路开关8-2-3，就可以使爬行机8的永磁履带8-2在工作时产生很强的磁吸附力，保证爬行机8对工件有相当的吸附力，甚至爬行机8在立焊垂直向上运动时最大可负荷35kg以上；当不工作时，可以消除永磁履带8-2的磁力，爬行机8可以轻易地从工件上取下来。
参看图1、图5和图7，爬行机8的转向是通过爬行机驱动控制器5和两个交流伺服机驱动器8-4对爬行机8的两个永磁履带8-2的运动速度分别控制，控制其速度差并且借助于设置在永磁履带8-2上的永磁履带转向安全设置8-3来实现爬行机8自由、稳定和安全的转向，该永磁履带转向安全装置8-3的结构如图7所示，每个永磁体8-2-2的上部设置一个T型块8-7，该T型块8-7与永磁铁8-2-2连为一体，T型块8-7同时置入一具有T型导轨的导轨体8-6中，导轨体8-6通过永磁履带转向安全装置8-3与爬行机8的爬行机主体8-1刚性连接。
在爬行机8转向时，虽然爬行机主体8-1连同永磁履带8-2因两个永磁履带8-2的速度不同而转向，但是，装在永磁履带8-2上的永磁体8-2-2因为磁性吸附在工件上而不能与爬行机8一起同时转向，由于不转向的永磁铁8-2-2的干扰，就出现了链轮8-5与链条8-2-1啮合不好的状况，有时链条8-2-1会弹跳到链轮8-5的齿顶上无法转回，严重时会发出链条8-2-1断裂，这些都会使爬行机8不能正常运行。
当采用这种永磁履带转向安全装置8-3时，当爬行机8转向时，由于永磁铁8-2-2借助导轨件8-6和T型件8-7而与爬行机主体8-1同时一起转向，这就消除了永磁体8-2-2的干扰，使爬行机8转向运行时链条8-2-1与链轮8-5一直啮合良好，整个爬行机8可以自由、稳定和安全的转向。如果爬行机8在高空作业时，链条8-2-1突然断裂，由于永磁体8-2-2吸附在工件上，以及永磁体8-2-2通过导轨体8-6与爬行机8连接在一起，因此爬行机8不会掉下来。
具体实施方式
无论多大的各种形状的工件(船体、球缶、直壁缶等)都可以简化归纳为一些主要的焊缝接头型式和焊接位置，例如下面涉及到的对接丁字型接头；横焊、立焊以及最简单的平面等接头等，如果本发明提出的控制方法可以高效、高质量的焊接上述各种接头，所以就能够很好地焊接多种大型或巨型工件。
1、曲线丁字型接头焊接
试件如图8所示，在钢板A上放置曲线丁字型接头试板，该试板由试板B和弯曲垂直试板C组成，两试板之间夹角α大约为90°，该夹角可以是50-130°，两试板均为6mm厚的低碳钢板，它们之间装配的间隙为1.5mm。
激光CCD传感器14设置在上述两试板间大约为分角线方向，爬行机8置于与焊接坡口间隙H大致平行的部位(角度不大于15°)。
激光CCD传感器14探得的两试板的T字型坡口的信息的图像信号传输到跟踪控制器6和PLC控制器，PLC控制器根据编程方式发出指令，借助爬行机8和十字滑块驱动13的非连续性结合控制完成了爬行机8的准确跟踪的焊接，箭头K表示爬行机8行走的前进方向。
采用自适应MIG焊，保护气体Ar+20％CO2，气体流量10-15升/分，焊丝直径1.2mm，焊接速度30cm/分，焊接电流260A。
2、横焊、立焊
如图9示，试板设置如下：将一块2×3米钢板D垂直竖起，在钢板D上开一个竖向长孔D-1和两个横向长孔D-2和D-3，后在三个长孔的另一侧面设法点焊固定三组试板，第一组为两块试板F-1，它们之间形成立焊坡口；第二组为两试板F-2，它们之间形成倾斜的横焊坡口，第三组为两块试板F-3，它们之间形成曲线状的横焊坡口。
上述三组试板全部试板是厚度为10-16mm的低碳钢板，为形成单面焊双面成型，在每组试板的背面装铜垫或其它耐高温柔性垫。
箭头K1、K2和K3分别表示在三种情况下爬行机8行走的前进方向。
焊接控制过程和采用的设备基本类似于1。
由于焊接的是中厚板，因此不能单道焊，应当多道焊，就必须排道，在焊完一焊道后，必须保留跟踪基准，并且，跟踪基准又要根据已焊的焊道的情况做不同的选择，可选择双棱或单棱做为跟踪基准。
在进行上述的立焊和横焊时，为保证焊缝成型和焊接质量，要选择不同的摆幅、摆频和停顿及摆动时间，经焊炬摆动驱动使焊炬15实现规定的摆动。

Claims (7)

1.一种永磁履带自主全位置爬行式机器人的控制方法，利用激光传感器CCD(14)测得焊缝信息的图像信号，将上述图像信号处理传输到跟踪控制器(6)，跟踪控制器(6)依据上述图像信号发出指令，其特征在于，
根据上述指令经双向驱动控制装置和十字滑块驱动(13)使焊炬(15)实现垂直和横向两个方向运动；
上述十字滑块中的横向滑块移动到极限位置时发出一横向滑块位置信号；
该横向滑块位置信号经过接口信号校正传输到爬行机驱动控制器(5)；
爬行机驱动控制器(5)发出指令经交流伺服机驱动器(8-4)分别驱动两个永磁履带(8-2)而使爬行机(8)横向运动；
并且，编程控制器(2)能够协调上述的十字滑块与爬行机(8)结合的跟踪控制。
2.根据权利要求1所述的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：
电压反馈信号传输到焊接电源控制器(4)，焊接电源控制器(4)根据该电压反馈信号对焊接电源(11)实现适应性控制。
3.根据权利要求1所述的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：
摆动控制器(3)依据焊缝的具体情况，发出用于选择焊炬(15)的不同的振幅、摆频、停顿、摆动时间的控制信号，该控制信号经过焊炬摆动驱动使焊炬(15)实现规定的摆动。
4.根据权利要求1所述的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：
编程控制器(2)能够协调上述的焊接电源控制、焊炬摆动控制以及焊接程序控制。
5.根据权利要求1所述的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：与编程控制器(2)相连的手控器(10)只控制焊接中要调节或人工干予的焊接参数。
6.根据权利要求1所述的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：
对爬行机(8)的永磁履带(8-2)实现以下控制：通过磁路开关(8-2-3)产生或消除永磁履带(8-2)对外的磁力线，当爬行机(8)工作时，摆动磁路开关(8-2-3)，使永磁履带(8-2)对外产生磁力线，保证爬行机(8)对工件具有磁吸附力；当爬行机(8)向上运动时最大负载为35kg；当爬行机(8)不工作时，磁路开关(8-2-3)复原，永磁履带(8-2)对外磁力线消除而无磁吸附力，这样，爬行机(8)可以轻易地从工件上取下来。
7.根据权利要求1所述的永磁履带自主全位置爬行式弧焊机器人的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：
通过爬行机驱动器(5)和两个交流伺服机驱动器(8-4)对两个永磁履带(8-2)的运动速度分别进行控制，控制其速度差，并且借助设置在永磁履带(8-2)上的永磁履带转向安全装置(8-3)实现爬行机(8)自由稳定安全转向，可以原地自转360°；该永磁履带转向安全装置(8-3)的结构是，每个永磁体(8-2-2)的上部设置一个T型块(8-7)，该T型块(8-7)与永磁体(8-2-2)连为一体，T型块(8-7)同时置入一具有T型导轨的导轨体(8-6)中，导轨体(8-6)通过T型块(8-7)和永磁体(8-2-2)与爬行机(8)的爬行机主体(8-1)刚性连接。
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