CN201906911U - 手工焊接自动监控系统 - Google Patents

Abstract

手工焊接自动监控系统，其中信号采集模块耦接至焊接设备，以采集焊接设备焊接的通断电信号；焊缝计数模块耦接信号采集模块，以根据该通断电信号对焊缝数量进行计数；焊接计时模块耦接信号采集模块，以根据该通断电信号对焊接时间进行计时；焊接设备控制模块耦接焊缝计数模块，以根据该焊缝数量控制焊接设备电源的通断；夹具锁定模块耦接焊接设备计时模块，以根据该焊接时间控制夹具的锁止，并根据焊缝数量和焊接时间来监控焊接过程以确保焊接质量。

Description

手工焊接自动监控系统

技术领域

本实用新型涉及手工焊接监控系统及方法。

背景技术

汽车零部件工件相对于造船、重工、管道等行业，其特点为：批量大、材料厚度薄、焊缝数量多、焊缝长度短、不适于无损探伤(NDT)、多与乘客安全相关(安全法规焊缝)、难于对不合格品返工或补焊。这些特点决定了此类焊接应重点放在过程控制，而非焊接完成后的探伤等检验。

目前在汽车行业上的此类重要焊缝(安全法规类)的焊接上，各厂家基本采用机器人焊接，但是带来的问题是技术难度高，设备投资成本居高不下，动辄上百万，尤其是小批量多品种时，更无法发挥机器人批量制造的优势。而当采用手工焊接方法时，焊接质量基本完全依靠工人的技术水平及临场发挥，对焊缝等没有自动判断，仅凭工人自检目测，从而使工件质量带有极大的随意性，难以保证批量制造的质量稳定性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种手工焊接自动监控系统及监控方法，以克服手工焊接质量完全依靠工人水平而定的缺点。

本实用新型的手工焊接自动监控系统，其特征在于包括控制装置、手工焊接设备、夹具以及人机交互界面，夹具用于对零件进行定位夹紧，人机交互界面耦接至控制装置，控制装置包括：信号采集模块，耦接至焊接设备，以采集焊接设备焊接的通断电信号；焊缝计数模块，耦接信号采集模块，以根据该通断电信号对焊缝数量进行计数；焊接计时模块，耦接信号采集模块，以根据该通断电信号对焊接时间进行计时；焊接设备控制模块，耦接焊缝计数模块，以根据该焊缝数量控制焊接设备电源的通断；以及夹具锁定模块，耦接焊接设备计时模块，以根据该焊接时间控制夹具的锁止。

所述的手工焊接自动监控系统，其进一步的特点是控制器还包括工件统计模块。

本实用新型的方法利用所述的手工焊接自动监控系统，其特点是，包括如下步骤：

A.利用人机交互界面设定规定的焊缝数量、焊接节拍，使焊接设备解除锁定，此时焊接设备可以通电；

B.利用夹具锁定工件；

C.利用焊接设备对工件进行焊接，同时控制器的信号采集模块采集焊接设备焊接的通断电状态，焊缝计数模块根据通断电信号对焊缝数量进行计数，焊接计时模块根据该通断电信号对焊接时间进行计时；

D.通过人机交互界面指令控制器完成焊接；以及

E.利用控制器判断焊缝数量是否符合通过人机交互界面设定的焊缝数量参数，如果不符合，则输出警报到人机交互界面，同时，根据焊缝数量多少，少于规定值，提示将漏掉的焊缝再继续焊完；多于规定值时，报警并启动焊接设备控制模块锁定焊接设备，不允许继续焊接。

所述的监控方法，其进一步的特点是，还包括步骤F.当焊缝数量符合规定值时，利用控制器进一步判定焊接时间是否符合规定焊接节拍，如果不符合，则输出警报到人机交互界面，利用夹具锁定模块使夹具保持锁定状态，对于步骤E中焊缝数量和步骤F中焊接节拍引起的锁定，需要由人工凭钥匙解除，以有效控制不合格品的流转。

所述的监控方法，其进一步的特点是，还包括步骤E.在步骤F中焊接节拍符合规定后，利用控制器指令夹具锁定模块自动解除锁定夹具，夹具进入松开的激活步骤。

所述的监控方法，其进一步的特点是，在步骤A中还利用人机交互界面设定夹具的编号，并在步骤B中判断工位上的夹具是否与该编号一致。

所述的监控方法，其进一步的特点是，在步骤A中还利用人机交互界面设定工件的参数，并在步骤B中判断夹具上的工件是否与该参数一致。

本实用新型通过对焊缝数量、焊接计时等的控制实现了手工焊机过程的监控，保证了焊接质量，其成本与机器人自动焊接工作站投资成本相比有成十倍的差别，实现了在低成本解决方案下，较好地解决了对手工焊接的自动监控，防止手工焊接过程中，漏焊缝，多焊缝，焊接时间超时等不合格品的流转，提高了产品质量稳定性，具有较好的社会和经济效益。

附图说明

图1是手工焊接自动监控系统的方框图。

图2是控制装置的方框图。

图3是手工焊接自动监控系统运行流程图。

图4是焊接监控方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，手工焊接自动监控系统包括人机交互界面1，控制装置2，夹具3和手工焊接设备4。人机交互界面(HMI)例如包括(触摸)显示屏、控制按钮10、指示灯。手工焊接设备4例如包括手工焊机、焊枪、送丝机、线缆。夹具3包括但不限于电气柜、CPU、电源、I/O模块等。

在本实用新型的一实施例中，控制装置2为可编程逻辑控制器(PLC)，图2显示了PLC的程序架构，其包括主程序模块20、信号采集模块21、夹具锁定模块22、焊机控制模块23、焊缝计数模块24、焊接计时模块25、工件统计模块26。控制装置2还包括工件设置模块201、工件选择模块202、夹具编辑模块203、夹具手动模块204、系统设置模块205、故障诊断模块206。

人机交互界面1用以提供人与设备交互的界面，通过文本显示屏、触摸屏、操作屏、灯钮等组合出的多种式样，可以让人在此实现与控制器的信息交互，例如对工件设置模块201、工件选择模块202、夹具编辑模块203、夹具手动模块204、系统设置模块205、故障诊断模块206进行参数设置、错误提示、选择设置、数量统计；控制按钮包括急停、启动、松夹切换等。

手工焊接设备4的用于工人进行手工焊接的电弧焊接电源，其焊接通断电信号通过信号采集模块21会被采集可编程逻辑控制器内，并进一步判断和利用。同时，会受到可编程逻辑控制器中的焊机控制模块23对其控制。

夹具3通过定位销，基准面，压紧机构等组件的联合作用，使装入其中的工件合理地定位和夹紧到工艺设定的位置，并保持重复性精度的工艺装备。夹具一般包括基板、定位部分(基准销、基准面)、安装支座、夹紧单元(气缸、夹紧臂、限位块)、电气附件(传感器、磁性开关、总线模块)等部分。

信号采集模块21耦接至焊接设备4，以采集焊接设备焊接的通断电信号，在本实用新型的一实施例中，信号采集模块21是通过焊机的焊接电流继电器(WCR)采集焊机起收弧信号即通断电信号，手工焊接设备4的焊机内接一个焊接电流继电器(WCR)，该继电器为常开型，即不焊接时，没有电流，继电器处在打开状态，当焊接时，有电流通过，继电器闭合。在焊接电流的通断时，相应的焊接电流通断信号即从此处采得。

焊缝计数模块24耦接信号采集模块21，以根据该通断电信号对焊缝数量进行计数，即对信号采集模块21采集数据分析并运算得出一个循环内的焊缝数量。焊接计时模块25耦接信号采集模块21，以根据该通断电信号对焊接时间进行计时。夹具锁定模块22耦接焊接设备计时模块25，以根据该焊接时间控制夹具的锁止。在本实用新型的一实施例中，对于漏焊缝情况：在人机交互界面设置工件信息后(工件包括几条焊缝)，当工人漏焊一条焊缝，主程序20根据焊缝计数模块22判断工件不合格，此时，由夹具锁定模块22锁定着夹具，使其处于夹紧状态，零件被锁定在夹具上而无法取下，则有效地控制了漏焊缝工件或零件被取下并流转入下道工序的情况，同时人机交互界面1提示，漏焊缝数量，提醒工人进行补焊操作。在本实用新型的一实施例中，对于多焊缝情况也可以得到有效控制。有时，工人会将一条焊缝焊得断断续续，其实质上影响了焊缝的质量，但是由于手工的不稳定，要完全达到机器人的稳定性也是不现实的，此时，可以通过人机交互界面设置工件或工件的焊缝最大数，一般比工件图纸规定的多一条，即工人有一次机会进行熟悉工件，重新补焊，当然此数值根据工人的熟练程序可由管理员级工程师凭密码将其设置小或大些甚至与图纸完全一致。焊缝计数模块24中的焊缝超过设定值时，焊接设备控制模块23使焊接设备或焊机4进入锁定状态，此时焊机4主回路断开，不能起弧焊接。需要凭管理人员由钥匙解除锁定才可继续生产。

在本实用新型的一实施例焊接计时模块25按采集到的焊接信号，通过运算得出一个循环内的焊接时间。根据公式：时间*速度＝长度，当熟练焊工采用一定的速度焊接时，通过控制时间可有效控制焊缝长度。通过人机交互界面(HMI)设定焊缝最小时间，夹具锁定模块22耦接焊接设备计时模块25，焊接设备计时模块25检测到的焊接时间未达到最小时间时，可以有效地防止焊缝未达到规定长度。而当焊完同样长度的焊缝时，通过设定焊缝最大时间，可以有效防止焊工焊接速度过慢，造成烧穿、过熔等问题。焊接计时的假设条件是工人学会焊接后，总是会习惯性地使用同种速度焊接。

一般，当板厚和焊丝等关键信息确定下来后，熔化此种金属需要的热输入量是有一个最佳范围值的，太大，会使得变形严重，飞溅较多，太小，则会熔合不足，易产生冷焊，一条质量合格的焊缝需要一个合理的热输入量，因此有必要合理控制工人手工焊接过程中的热输入量，而热输入量(或者说是焊缝质量)是与焊接电流和焊接速度配合后密切相关的。焊接速度是指手持焊枪移动的速度，某条固定的焊缝，要焊出合格质量，可以使用不同的参数组合，得到一条同等质量的焊缝，参数可以在一个合理范围内调整，以汽车座椅零部件焊接为例，一般焊缝长度为20毫米，按同样一个合理电流，根据合理的速度(50～100cm/min)，加上起收弧的影响，得知合理的焊接时间为1.8～3.0秒。这样，焊接这个工件时，可以设定焊接时间上限为3秒，下限为1.8秒，如果焊接时间小于1.8秒，说明要么焊缝质量不好，要么焊缝超下差焊短了。同理，时间超过上限时，要么质量不好，要么焊缝超上差偏长。以单条焊缝时间，乘以焊缝数量，即得到整个工件的时间范围，从而有效地控制一个工件的节拍。

单条焊缝的焊接时间的运算，可由焊接计时模块25通过采集到的焊缝的起弧和收弧间的时间差运算得出，运算结果与在人机交互界面(HMI)对工件设置的焊接最大时间和最小时间的设置进行比较，并相应地进行报警或显示合格信息，从而有效地保证了工件质量的稳定性。对于处于调试期间或磨合期的焊工，可以在人机交互界面上显示提示信息，仅进行提醒，而不用停机处理，而对于熟练焊工，则可以直接通过控制装置对其操作进行控制，防止不合格品的流转。

夹具锁定程序模块。即根据预定条件，决定夹具是否可以松开(以防工人取下不合格零件，流入下一道工序)。在本实用新型的一实施例中，夹具锁定模块22耦接焊接设备计时模块25，以根据该焊接时间控制夹具的锁止。

焊机设备控制模块，即根据设定条件，控制焊机能否起弧焊接。在本实用新型的一实施例中，焊接设备控制模块23耦接焊缝计数模块24，以根据该焊缝数量控制焊接设备4电源的通断。

工件统计模块4用于统计包括但不限于班产量，合格品数，不合格品数，生产总量。工件统计模块4可以清零，可以预设计划班产量，以使工人随时知道还剩余应完成的量。

如图3所示，生产一个新工件的过程如下：

1)在步骤301中，启动设备，准备开始生产；

2)在步骤302中，对工件的参数进行设置，包括设置需要在此工位生产的工件进行设定，包括焊缝数量(最少/最多)，焊接时间(最小/最大)、使用的夹具、夹紧步骤等；可以在调试时，一次将所有需要在此工位生产的工件参数完成设置，以供后续生产使用；

3)在步骤303中，在人机交互界面，选择准备生产的工件或产品，会自动调用工件的参数；

4)在步骤304中，开始生产前，该工件的计数置零，以统计本班的产量；

5)在步骤305中，主程序模块20自动判断工位上所装载的夹具是否正确，即判定所装夹具是否与自动调用的设定好的夹具编号一致，如果装错了夹具，在步骤311中，此时会有警报发送到人机交互界面1，以提示操作者进入步骤312，更换正确的夹具，对于不正确的夹具，将不能激活夹紧步骤；

6)在步骤306中，夹具正确后，开始在夹具上装入零件；

7)在步骤307中，启动夹具夹紧，装入正确的零件(与人机交互界面选择的工件参数一致)，且在夹紧模式下，才能激活夹紧步骤；

8)在步骤308中，(可有夹具)判定所装零件的正确性，当安装的零件与人机交互界面选择的工件参数不一致时，进入步骤309，人机交互界面输出警报，并使夹具不能激活下一步夹紧动作，此时可以在步骤310中将夹具转到松开模式下，取下零件，重新装夹零件；

9)在步骤313中夹紧完成后，夹具输出装夹完成信号，可以开始焊接，进行焊接过程的控制(在图4中有详细的流程)；

10)在步骤313中，工人操作手工焊机，开始依次焊接规定的焊缝；

11)在步骤314中焊接完成后，取下零件；

12)在步骤315中，工件的计数器步进加1，根据焊接计时模块25或焊缝计数模块24的信号，判定零件是否合格，从而在合格品和不合格品中分别计数统计。

13)在步骤316中，操作者取下零件，目测外观等，并放入相应料箱内。

14)循环生产，重新装件，焊接。

下面结合图4说明焊接过程的监控。当完成零件装夹，系统得到可以开始焊接生产时，系统进行以下步骤：

1)在步骤401中，利用焊接设备控制模块23使焊机解除锁定，此时焊机可以通电，并起弧焊接；

2)在步骤402中，利用夹具控制模块使夹具锁定工件，此时夹具限制打开，防止工人在焊接过程中的断气时气缸打开造成安全事故，亦防止焊完后不合格品被流转到下工序。

3)在步骤403中，工人操作焊枪或手工焊机，开始对规定的各焊缝进行焊接；此时信号采集模块21采集焊接设备4焊接的通断电状态，焊缝计数模块24根据通断电信号对焊缝数量进行计数，焊接计时模块25根据该通断电信号对焊接时间进行计时；

4)在步骤404中，完成焊接后，工人按人机交互界面1中的焊接结束按钮10，此时发出焊接完成信号到主程序20，在焊接过程中，主程序20会扫描此焊接完成信号，当收到此信号后，才会利用夹具锁定模块22激活夹具松开程序，进入松开步骤；

5)在步骤405中，根据焊缝计数模块24的计数主程序20判断焊接过程中总的焊缝数量，是否符合选定工件的参数，如果不符合，则在步骤406中输出警报到人机交互界面1，同时，根据进入步骤413判断焊缝数量多少，少于规定值，提示进入步骤408将漏掉的焊缝再继续焊完；多于规定值时，进入步骤412报警并利用焊接设备控制模块23锁定焊机，不允许继续焊接。

6)当焊缝数量符合规定值时，进入步骤409进一步利用焊接计时模块判定焊接节拍是否符合规定值，如果不符合，则进入步骤410输出警报到人机交互界面1，进入步骤411，借助于夹具锁定模块22使夹具保持锁定状态，焊缝数量和焊接节拍引起的锁定，需要由班长凭钥匙解除，可以有效控制不合格品的流转。

解除锁定后，进入步骤417，工件统计模块26的不合格计数器会自动步进加1，同时进入步骤416焊机锁定也将附随解除。

7)若步骤409判定节拍符合规定后，默认工件合格，进入步骤414夹具自动解除锁定，夹具可以进入松开的激活步骤。此处的合格与否，主要是指焊缝数量及焊接节拍是否符合设定，并不包括外观及熔深等需要操作者目测自检的内容。

8)在步骤415中，激活夹具松开步骤，夹具按次序依次打开。

9)在步骤418中，操作者取下零件，目测外观等，并放入相应料箱内。

Claims (2)

1.手工焊接自动监控系统，其特征在于包括控制装置、手工焊接设备、夹具以及人机交互界面，夹具用于对零件进行定位夹紧，人机交互界面耦接至控制装置，控制装置包括：

信号采集模块，耦接至焊接设备，以采集焊接设备焊接的通断电信号；

焊缝计数模块，耦接信号采集模块，以根据该通断电信号对焊缝数量进行计数；

焊接计时模块，耦接信号采集模块，以根据该通断电信号对焊接时间进行计时；

焊接设备控制模块，耦接焊缝计数模块，以根据该焊缝数量控制焊接设备电源的通断；以及

夹具锁定模块，耦接焊接设备计时模块，以根据该焊接时间控制夹具的锁止。

2.如权利要求1所述的手工焊接自动监控系统，其特征在于控制器还包括工件统计模块。

Images