CN1546288A - 弯曲焊缝自主移动焊接机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弯曲焊缝自主移动焊接机器人系统，它包括工业控制计算机，特征是还包括轮式机器人、旋转电弧传感器和机器人驱动控制跟踪器。轮式机器人的前轮为转向轮，采用步进电机控制，后轮为驱动轮，采用交流伺服电机驱动差速器来控制，十字滑块用来精密跟踪焊缝；旋转电弧传感器由旋转焊炬、霍尔传感器、光电码盘和控制电路等组成。旋转电弧传感器将采集信号送给工业控制计算机，经工业控制计算机处理后送至机器人驱动控制跟踪器，从而控制后轮、前轮和十字滑块的四个电机，使轮式机器人精密跟踪焊缝，这样轮式机器人既能在平面位置内自主移动，自动寻找焊缝，又能进行精密跟踪，可以保证在非结构环境下的焊接质量和焊接效率的要求。

Description

弯曲焊缝自主移动焊接机器人系统

技术领域

本发明涉及焊接自动化技术，尤其是涉及一种在非结构环境下的弯曲焊缝自主移动焊接机器人系统。

背景技术

在结构环境下焊接自动化水平由于机器人应用得到了极大的提高，如汽车生产线、工程机械等行业，但是在非结构环境下大型工件焊接如发电、石化、造船等行业却仍然处于人工和机械化加人工监控状况。传统的手工焊接方法无论焊接质量的一致性还是焊接效率均不能满足现代高技术产品制造的质量、数量的要求。采用带轨道的机械化焊接，对焊件加工、轨道安装提出了很高要求，需要安装轨道与施焊的焊缝严格平行，一般情况下这点很难做到，同时铺设轨道是一件相当繁琐与费时的事情，不利于提高焊接效率。为了保证焊接质量，在焊接过程中还必须要进行人工的监控。为了实现极大程度地提高焊接自动化水平，国内外进行了大量的研究，一种方法是在带轨道的机械化焊接装置上加焊缝跟踪传感器，在安装保证轨道与施焊的焊缝基本平行的基础上，利用传感、信息处理和反馈控制系统进行微调焊枪实现焊缝跟踪，一般的传感器是附加式，如激光图像传感器、光电传感器、机械接触传感器，这些传感器存在超前性，对于弯曲焊缝很难实现准确的跟踪。另一方面人们为了摆脱轨道的约束，开发了轮式无轨小车，但是小车运动采用了靠模方式以保证焊接过程中焊枪与焊缝平行。因此要实现非结构环境下弯曲焊缝焊接的自动化需要解决三个关键问题：一是要研制能够自主移动机器人系统，无需轨道和靠模，实现比较灵活的运动控制；二是要研制能够实时性强的焊缝跟踪传感器，能够把当前焊枪偏离焊缝的信息进行实时检测，不存在超前性和滞后性问题；三是要研究机器人焊缝跟踪控制技术，实现精确的焊缝跟踪。

而当前的大部分四轮移动机器人都是将前面两轮作为随动轮，前面两轮只起到支撑车体的作用而无导向功能，后面两轮为主动轮，分别驱动车体运动；通过调节两后轮的转速可以控制车体的运行速度和转动角速度，这种设计车体的驱动与转向均由后轮来完成，控制简单，但是盲目性大，转弯速度差不易确定，无法精确跟踪焊缝。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在非结构环境下机器人能够自主移动、焊缝识别传感实时性强、焊缝跟踪智能控制精确的弯曲焊缝自主移动焊接机器人系统。

本发明的目的是这样实现的：本发明包括工业控制计算机，特征是还包括轮式机器人、旋转电弧传感器和机器人驱动控制跟踪器，旋转电弧传感器直接充当轮式机器人的焊枪，它将焊炬高度的变化转换为焊接电流的变化，经过控制电路变成数字信号送入工业控制计算机进行处理，工业控制计算机将该信号进行数字滤波后求得左右、高低偏差，经过机器人驱动控制跟踪器得到左右、高低控制信号，同时控制四个驱动器，从而驱动轮式机器人车体与十字滑块，达到焊缝跟踪的目的。

轮式机器人由车体、两个前轮、两个后轮和十字滑块组成，两个前轮为转向轮，采用步进电机控制，两个后轮为驱动轮，采用交流伺服电机驱动差速器来控制，用来精密跟踪焊缝的十字滑块固定在车体上，由水平方向丝杆和垂直方向丝杆组成，这两个丝杆分别由两个直流伺服电机驱动。

为了防止机构到限位后锁死使电机电流升高烧毁电机，在十字滑块上加装有限位开关，在两个前轮上加装有位移传感器来检测极限位置中位，当一旦达到限位位置，则必须让电机反向运动。

旋转电弧传感器由旋转焊炬、焊接电源、霍尔传感器、光电码盘、送丝机构和控制电路组成，其中直接充当焊枪的旋转焊炬又由电极、电弧传感器电动机、偏心机构、调心轴承组成，控制电路由旋转驱动电路、放大整形电路、模拟/数字(A/D)模块、脉冲宽度调制电路、频率电压转换电路和数字隔离电路组成。安装在电弧传感器电动机转轴上的光电码盘与电机等速旋转，光电码盘每旋转一周，就可测定电机的转速和测定旋转焊炬相对于焊接坡口的角位移，转速和角位移经过放大整形电路限幅整形后分别送入频率电压转换电路和数字隔离电路，经频率电压转换电路转换的电压信号送入脉冲宽度调制电路，与工业控制计算机送来的标准电压信号在脉冲宽度调制电路进行比较，脉冲宽度调制电路输出偏差信号给旋转驱动电路至电弧传感器电动机，调节电弧传感器电动机的转速，而经数字隔离电路处理的信号经过模拟/数字模块采集变成数字信号送入工业控制计算机进行处理。霍尔传感器将焊炬高度的变化引起的焊接电流的变化转化成0～5V标准电压，经过模拟/数字模块采集变成数字信号送入工业控制计算机进行处理。

安装在电弧传感器电动机转轴上的光电码盘的边缘开有一个深槽和64个浅槽，光电管由一个红外发光管和一个光敏接受管组成。

机器人驱动控制跟踪器由数字信号处理器、交流伺服驱动器、步进电机驱动器、上下直流驱动器、左右直流驱动器和步进电机驱动器组成，它可以同步控制四个驱动器即四个运动轴，实现复杂的多轴协调运动，也就是驱动后轮的交流伺服电机、转向前轮的步进电机、十字滑块水平直流伺服电机和十字滑块垂直直流伺服电机。

本发明由工业控制计算机、轮式机器人、旋转电弧传感器和机器人驱动控制跟踪器四部分组成，由于轮式机器人采用前轮转向、后轮驱动的结构，差速器能动调整两个后轮的速度来现车体绕瞬心转动，因而前进方向与速度可以实现独立控制，虽然结构较复杂，但控制准确性大大提高，这样轮式机器人在一定的误差范围内就能粗略跟踪焊缝，而十字滑块能使轮式机器人实时准确进行焊缝跟踪。旋转电弧传感器将采集信号送给工业控制计算机，经工业控制计算机处理后送至机器人驱动控制跟踪器，由机器人驱动控制跟踪器行控制后轮的交流伺服电机、前轮的转向步进电机、十字滑块水平直流伺服电机和十字滑块垂直直流伺服电机的转速，从而能精密跟踪焊缝，使轮式机器人既能在平面位置内自主移动，自动寻找焊缝，又能进行跟踪，跟踪精度在±0.5mm以内，可以保证在非结构环境下的大型结构焊接的焊接质量和焊接效率的要求，实现了弯曲焊缝焊接自动化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为十字滑块的内部结构示意图；

图3为图2的右视图；

图4为旋转焊炬的剖视图；

图5为光电码盘的结构示意图；

图6为光电码盘和光电管的结构示意图；

图7为弯曲焊缝的跟踪效果图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本实用新型作进一步详细说明。

本发明由工业控制计算机18、轮式机器人27、机器人驱动控制跟踪器28和旋转电弧传感器29组成。

轮式机器人27由车体5、两个前轮4、两个后轮11和用来精密跟踪焊缝的十字滑块8组成，两个前轮4为转向轮，采用步进电机7控制，两个后轮11为驱动轮，采用交流伺服电机12驱动差速器10来控制。

十字滑块8固定在车体5上，由上下十字滑块30和左右十字滑块32组成，左右十字滑块32由方向螺母31和左右方向丝杆34组成，与左右十字滑块32同样结构的上下十字滑块30也由上下方向螺母和上下方向丝杆组成，左右方向丝杆34由左右直流伺服电机36驱动，上下方向丝杆由上下直流伺服电机驱动，左右直流伺服电机36旋转带动同步带37旋转，同步带37带动左右方向丝杆34旋转，左右方向丝杆34旋转带动左右方向螺母31旋转，当用导柱33导向后，左右方向螺母31化旋转为相对丝杆直线移动，而左右十字滑快32的左右方向螺母31固接在支撑板9上，则其相对支撑板9左右运动，上下十字滑快30的上下方向螺母固接在左右十字滑块32上，则其相对左右十字滑块32上下运动，旋转焊炬3固接在上下十字滑块30上，与其一起运动，同步带37的松紧由张紧轮38调节。

为了防止机构到限位后锁死使电机电流升高烧毁电机，在十字滑块8上加装有左右限位开关35和上下限位开关，在两个前轮4上加装有位移传感器6来检测极限位置中位，当一旦达到限位位置，则必须让步进电机7反向运动。

旋转电弧传感器29由旋转焊炬3、焊接电源26、霍尔传感器25、光电码盘2、送丝机构和控制电路组成，其中直接充当焊枪的旋转焊炬3又由电极39、电弧传感器电动机40、偏心机构41和调心轴承42组成，控制电路由旋转驱动电路23、放大整形电路24、模拟/数字(A/D)模块22、脉冲宽度调制电路19、频率电压转换电路20和数字隔离电路21组成。

安装在电弧传感器电动机40的转轴51上的光电码盘2的边缘开有一个矩形深槽43和64个矩形浅槽44，在光电码盘2的边缘安装有两个光电管45和光电管48，光电管45由一个红外发光管46和一个光敏接受管47组成，光电管48由一个红外发光管49和一个光敏接受管50组成。

机器人驱动控制跟踪器28由数字信号处理器17、交流伺服驱动器l3、上下直流驱动器14、左右直流驱动器15和步进电机驱动器16组成，它可以同步控制四个驱动器即四个运动轴，实现复杂的多轴协调运动，也就是交流伺服驱动器13驱动后轮11的交流伺服电机12，步进电机驱动器16驱动转向前轮4的步进电机7，上下直流驱动器14驱动十字滑块8的上下直流伺服电机，左右直流驱动器15驱动十字滑块8的左右直流伺服电机36。

使用过程：

开启电源，轮式机器人27沿着焊缝运动，旋转焊炬3直接充当焊枪，焊接过程中电弧一直保持旋转运动。安装在电弧传感器电动机40的转轴51上的光电码盘2与电弧传感器电动机40等速旋转。当电弧传感器电动机40运转时，光电码盘2每旋转一周，矩形浅槽44将交替地阻挡和允许从光电管45中的红外发光管46通往光敏接受管47的光路，光敏接受管47输出分度脉冲信号，反映旋转的瞬时位置，测定电弧传感器电动机40的转速；矩形深槽43将交替地阻挡和允许从光电管48中的红外发光管49通往光敏接受管50的光路，光敏接受管50输出分度脉冲信号，反映旋转速度并且可以作为旋转的起点位置标志，测定旋转焊炬3相对于焊接坡口的角位移。

转速信号和角位移信号经过放大整形电路24限幅放大整形后分别送入频率电压转换电路20和数字隔离电路21，经频率电压转换电路20转换的电压信号送入脉冲宽度调制电路19，与工业控制计算机18送来的标准电压信号在脉冲宽度调制电路19进行比较，脉冲宽度调制电路19输出偏差信号给旋转驱动电路23至电弧传感器电动机40，调节电弧传感器电动机40的转速，保持旋转速度的恒定；而经数字隔离电路21隔离的信号经过模拟/数字模块22采集变成数字信号送入工业控制计算机18进行处理。霍尔传感器25将焊件1和旋转焊炬3高度的变化引起的焊接电流的变化转化成0～5V标准电压，经过模拟/数字模块22采集变成数字信号送入工业控制计算机18进行处理。经工业控制计算机18处理后的信号送至机器人驱动控制跟踪器28内的数字信号处理器17处理，然后送信号至交流伺服驱动器13、上下直流驱动器14、左右直流驱动器15和步进电机驱动器16，分别由交流伺服驱动器13驱动后轮11的交流伺服电机12，步进电机驱动器16驱动转向前轮4的步进电机7，上下直流驱动器14驱动十字滑块8的上下直流伺服电机，左右直流驱动器15驱动十字滑块8的左右直流伺服电机36，驱动前轮4和后轮11，控制轮式机器人27精密跟踪焊缝，沿着焊缝运动。

当十字滑块8的水平方向丝杆33或垂直方向丝杆运动到极限位置时，水平限位开关35或垂直限位开关工作，水平直流伺服电机36或垂直方向丝杆反转，从而避免机构到限位后锁死使电机电流升高烧毁电机；当两个前轮4达到限位位置时，位移传感器6检测到期极限位置中位，使步进电机7反向运动，两个前轮4转向。

Claims (4)

1、一种弯曲焊缝自主移动焊接机器人系统，包括工业控制计算机(18)，其特征在于：还包括轮式机器人(27)、旋转电弧传感器(29)、机器人驱动控制跟踪器(28)，其中轮式机器人(27)由车体(5)、两个前轮(4)、两个后轮(11)和用来精密跟踪焊缝的十字滑块(8)组成，两个前轮(4)为转向轮，采用步进电机(7)控制，两个后轮(11)为驱动轮，采用交流伺服电机(12)驱动差速器(10)来控制；旋转电弧传感器(29)由旋转焊炬(3)、焊接电源(26)、霍尔传感器(25)、光电码盘(2)、送丝机构和控制电路组成，其中直接充当焊枪的旋转焊炬(3)又由电极(39)、电弧传感器电动机(40)、偏心机构(41)和调心轴承(42)组成，控制电路由旋转驱动电路(23)、放大整形电路(24)、模拟/数字(A/D)模块(22)、脉冲宽度调制电路(19)、频率电压转换电路(20)和数字隔离电路(21)组成；机器人驱动控制跟踪器(28)由数字信号处理器(17)、交流伺服驱动器(13)、上下直流驱动器(14)、左右直流驱动器(15)和步进电机驱动器(16)组成，交流伺服驱动器(13)驱动后轮(11)的交流伺服电机(12)，步进电机驱动器(16)驱动转向前轮(4)的步进电机(7)，上下直流驱动器(14)驱动十字滑块(8)的上下直流伺服电机，左右直流驱动器(15)驱动十字滑块(8)的左右直流伺服电机(36)。

2、如权利要求1所述的弯曲焊缝自主移动焊接机器人系统，其特征在于：十字滑块(8)固定在车体(5)上，由上下十字滑块(30)和左右十字滑块(32)组成，左右十字滑块(32)由方向螺母(31)和左右方向丝杆(34)组成，上下十字滑块(30)由上下方向螺母和上下方向丝杆组成，左右方向丝杆(34)由左右直流伺服电机(36)驱动，上下方向丝杆由上下直流伺服电机驱动，左右直流伺服电机(36)旋转带动同步带(37)旋转，同步带(37)带动左右方向丝杆(34)旋转，左右方向丝杆(34)旋转带动左右方向螺母(31)旋转，当用导柱(33)导向后，左右方向螺母(31)化旋转为相对丝杆直线移动，而左右十字滑快(32)的左右方向螺母(31)固接在支撑板(9)上，则其相对支撑板(9)左右运动，上下十字滑快(30)的上下方向螺母固接在左右十字滑块(32)上，则其相对左右十字滑块(32)上下运动，旋转焊炬(3)固接在上下十字滑块(30)上，与其一起运动，同步带(37)的松紧由张紧轮(38)调节。

3、如权利要求1或2所述的弯曲焊缝自主移动焊接机器人系统，其特征在于：安装在电弧传感器电动机(40)的转轴(51)上的光电码盘(2)的边缘开有一个矩形深槽(43)和(64)个矩形浅槽(44)，在光电码盘(2)的边缘安装有两个光电管(45)和光电管(48)，光电管(45)由一个红外发光管(46)和一个光敏接受管(47)组成，光电管(48)由一个红外发光管(49)和一个光敏接受管(50)组成。

4、如权利要求3所述的弯曲焊缝自主移动焊接机器人系统，其特征在于：在十字滑块(8)上加装有左右限位开关(35)和上下限位开关，在两个前轮(4)上加装有位移传感器(6)。

Images