CN204234993U - 随焊超声冲击机器人智能测控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种随焊超声冲击机器人智能测控系统，由移动式焊接设备、超声波冲击系统、步进电机、控制器、Zibee无线通讯模块、反光片、测距传感器组成。能够实时感测超声波冲击系统作业末端与焊后焊缝的偏差，并实现实时纠偏，实现超声波冲击头对已焊焊缝的准确冲击，以消除焊接应力。本实用新型结构简单、自动化程度高、焊后焊缝跟踪精度高。

Description

随焊超声冲击机器人智能测控系统

技术领域

本实用新型涉及一种随焊超声冲击机器人智能测控系统。

背景技术

在大型结构件焊接、薄板焊接、异种金属焊接、高温合金焊接，以及在高精度特种设备焊接等领域，焊接变形需得到有效控制，否则会对焊接件尺寸和外形有影响，而且会降低结构的承载能力。焊接应力是焊接变形的主要原因。消除焊接应力，控制焊接变形的方法很多，目前在工程中较为常用的几种焊后处理方法有超声冲击、焊趾打磨、喷丸、锤击、TIG熔修、应用低相变点焊条法等。随焊或焊后冲击、锤击、碾压是一种减小焊接应力、防止焊接变形的有效途径。其中超声冲击技术是一种新颖的有效的消除部件表面或焊缝区有害残余拉应力、引进有益压应力的方法，相比其它方法其优点突出。

国内仅在专利“恒速扫描定位式焊后焊缝跟踪及残余应力消除系统(CN201210401736)、“焊缝应力消除移动机器人跟踪系统(CN201310341420)、“焊后焊缝高精度跟踪及残余应力消除系统(CN201310341500)”中设计了相关全自动焊后焊缝跟踪及应力消除系统。国内外虽已研制出以移动小车为载体的随焊(焊后)应力消除设备，但都不能处理焊缝较长或者焊缝弯曲的情况，即不具备长焊缝、弯曲焊缝自动跟踪功能。所以要使随焊/焊后应力消除设备能够自动实施作业，没有遗漏的处理所有焊后焊缝，需具备焊后焊缝跟踪功能。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构合理，焊后焊缝跟踪精度高，不受焊渣或焊接缺陷对焊后焊缝跟踪影响的随焊超声冲击机器人智能测控系统。

本实用新型的技术解决方案是：

一种随焊超声冲击机器人智能测控系统，其特征是：包括移动式焊接设备、超声波冲击系统，在移动式焊接设备、超声波冲击系统上分别固定有反光片，反光片用于反射式测距传感器实现距离测量；固定在移动式焊接设备上的反光片与移动式焊接设备同步运动，固定在超声波冲击系统上的反光片与超声波冲击系统同步运动；移动式焊接设备、超声波冲击系统上的反光片通过安装在不同高度来避免相互干扰，并采用不同调制频率的激光或红外光来避免干扰；歩进电机固定安装在焊缝以外区域，四个步进电机对称分布组成平面长方形或正方形，并保证焊缝在四个步进电机所围成的长方形或正方形内；每个步进电机均安装有测距传感器，测距传感器与电机轴固定连接，同轴旋转；四台步进电机中，两台用于确定焊接喷嘴的移动轨迹，另外两台用于获取超声波冲击头的移动轨迹；无线通讯模块由控制器控制，无线通讯模块采用Zigbee无线通讯模块。

超声波冲击系统采用轮式移动机器人作为本体，通过两轮差动实现机器人位置粗定位，采用十字滑块作为超声波冲击头定位驱动机构，实现超声波冲击头的精密定位。

测距传感器采用激光传感器或红外传感器。

本实用新型能够实时感测超声波冲击系统作业末端(超声波冲击头)与焊后焊缝的偏差，并实现实时纠偏，实现超声波冲击头对已焊焊缝的准确冲击，以消除焊接应力。结构简单、自动化程度高、焊后焊缝跟踪精度高，不受焊渣或焊接缺陷对焊后焊缝跟踪的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型的全自动焊后焊缝跟踪及超声冲击系统结构图。

图2是本实用新型的全自动焊后焊缝跟踪及超声冲击系统中，焊接应力消除移动机器人控制系统结构图。

图1中由步进电机B₁、B₂、B₃、B₄，测距传感器C₁、C₂、C₃、C₄，控制器K₁、K₂、K₃、K₄，反光片A、B，移动式焊接设备1(含焊接喷嘴)，超声波冲击系统2(含超声波冲击头)等。4个测距传感器C₁、C₂、C₃、C₄分别固定在B₁、B₂、B₃、B₄步进电机轴上，与电机同轴旋转。焊缝为平面二维焊缝，黑色填充线为已焊焊缝，其余为未焊焊缝。反光片A、B分别固定在移动式焊接设备和超声波冲击系统上。反光片A的中心与测距传感器C₁、C₂在同一水平面上，当测距传感器与反光片A正相对时，可测量AC₁、AC₂的距离。反光片B的中心与测距传感器C₃、C₄在同一水平面上，当测距传感器C₃、C₄与反光片B正相对时，可测量BC₃、BC₄的距离。反光片A、B通过安装在不同高度来避免相互干扰，并采用不同调制频率的激光或红外光来避免干扰。以说明书附图1所示步进电机B₁和B₄轴心连线为Y轴，以步进电机B₁和B₄距离中点为原点，建立平面X‐Y直角坐标系。每个步进电机均安装有测距传感器，测距传感器与电机轴固定连接，同轴旋转。四个测距传感器与步进电机轴心线交点坐标可确定，分别为O₁(X₁、Y₁)、O₂(X₂、Y₂)、O₃(X₃、Y₃)、O₄(X₄、Y₄)。确保焊缝在O₁、O₂、O₃、O₄四点所围成的长方形(或正方形)内。控制器K₁、K₂、K₃、K₄分别为步进电机B₁、B₂、B₃、B₄的细分控制器。步进电机的线速度应大于移动式焊接设备、超声波冲击系统的速度(在实际应用中，焊接速度和超声波冲击速度都较慢，因此该条件可以满足)。无线通讯模块Z₁、Z₂、Z₃、Z₄分别由控制器K₁、K₂、K₃、K₄控制，无线通讯模块可采用Zigbee无线通讯模块。

图2中包含超声波冲击系统3、移动机器人本体4、十字滑块5、双步进电机及驱动控制器6，双直流伺服电机及驱动控制器7。超声波冲击系统与十字滑块固定连接，双步进电机用于驱动十字滑块带动超声波冲击系统精密定位。移动机器人本体为双轮差动结构，由两台直流伺服电机控制机器人本体运动，实现粗定位。十字滑块与机器人本体的驱动，也可采用其它电机替代步进电机和直流伺服电机。

具体实施方式

一种全自动焊后焊缝跟踪及超声冲击系统，包括移动式焊接设备、超声波冲击系统，在移动式焊接设备、超声波冲击系统上分别固定有反光片A、反光片B，反光片A、反光片B用于反射式测距传感器实现距离测量；固定在移动式焊接设备上的反光片A与移动式焊接设备同步运动，固定在超声波冲击系统上的反光片B与超声波冲击系统同步运动；移动式焊接设备、超声波冲击系统上的反光片通过安装在不同高度来避免相互干扰，并采用不同调制频率的激光或红外光来避免干扰；歩进电机固定安装在焊缝以外区域，四个步进电机B₁、B₂、B₃、B₄对称分布组成平面长方形或正方形，并保证焊缝在四个步进电机所围成的长方形或正方形内；以步进电机B₁和步进电机B₄轴心连线为Y轴，以步进电机B₁和步进电机B₄距离中点为原点O(0,0)，建立平面X‐Y直角坐标系；每个步进电机均安装有测距传感器，测距传感器与电机轴固定连接，同轴旋转；四个测距传感器C₁、C₂、C₃、C₄与步进电机轴心线交点坐标分别为O₁(X₁、Y₁)、O₂(X₂、Y₂)、O₃(X₃、Y₃)、O₄(X₄、Y₄)；四台步进电机中，两台用于确定焊接喷嘴的移动轨迹，另外两台用于获取超声波冲击头的移动轨迹，将两轨迹进行比较，即可得到超声波冲击头偏离已焊焊缝的距离和方向，从而通过控制系统实现纠偏，保证应力消除装置作业末端始终对准焊缝作业；控制器K₁、K₂、K₃、K₄分别为步进电机B₁、B₂、B₃、B₄的细分控制器，步进电机的线速度大于移动式焊接设备、超声波冲击系统的速度；无线通讯模块Z₁、Z₂、Z₃、Z₄分别由控制器K₁、K₂、K₃、K₄控制，无线通讯模块采用Zigbee无线通讯模块。

超声波冲击系统采用轮式移动机器人作为本体，通过两轮差动实现机器人位置粗定位，采用十字滑块作为超声波冲击头定位驱动机构，实现超声波冲击头的精密定位。

测距传感器采用激光传感器或红外传感器。

以二维焊缝为例，如图1所示，在焊接之前，先固定安装四台步进电机B₁、B₂、B₃、B₄，四台步进电机轴心可连接成长方形(或正方形)，且二维弯曲或直线焊缝应在该长方形(或正方形)内。以步进电机B₁和B₄轴心连线为Y轴，以步进电机B₁和B₄距离中点为原点O(0,0)，建立平面X‐Y直角坐标系。步进电机B₁、B₂、B₃、B₄上分别安装有测距传感器(可采用红外或激光传感器)C₁、C₂、C₃、C₄，测距传感器与电机轴固定连接，同轴旋转。在焊接前，确定四个测距传感器与步进电机轴心线交点坐标，分别为O₁(X₁、Y₁)、O₂(X₂、Y₂)、O₃(X₃、Y₃)、O₄(X₄、Y₄)。

移动式焊接设备由焊接初始点开始焊接，当移动式焊接设备在焊接初始点时，在移动焊接设备上安装反光片A，A与C₁、C₂在同一水平面上，且为避免焊接过程中的弧光等干扰，测距传感器和反光片安装高度高于焊接喷嘴，并且测距传感器采用特定调制频率避开弧光及等离子体辐射的干扰。移动式焊接设备在焊接初始点时，保证测距传感器C₁、C₂发出的光信号(红外或激光)能够射在反光片上，测距传感器C₁、C₂的信号分别由控制器K₁、K₂进行处理和计算，得到的距离分别为L₁、L₂。控制器K₁将检测的距离L₁通过无线通讯模块(可采用Zigbee无线通讯模块)Z₁传输到无线通讯模块Z₂，并由无线通讯模块Z₂送入控制器K₂，在控制器K₂中，通过平面几何计算可以算出三角形“A O₁O₂”的顶点A的坐标(该三角形两顶点O₁(X₁、Y₁)、O₂(X₂、Y₂)坐标已知，则O₁O₂之间的距离L可知，三角形三条边已知，则可确定顶点A的坐标)。控制器K₁、K₂每隔一定时间(tms)采样测距传感器的信号，计算一次A点坐标。

当移动式焊接设备开始焊接时，(如图1所示，设焊接方向由右向左)，移动焊接设备产生移动，当控制器K₁、K₂采集不到测距传感器的信号时，则说明测距传感器发射的光信号已经不能射到反光片。此时，步进电机B₁、B₂逆时针旋转，带动测距传感器产生旋转运动，使测距传感器发射的光信号重新射到反光片，此时步进电机停止运行，并计算出新的距离(由于焊接速度较慢，因此步进电机线速度远大于移动焊接设备的速度，可以保证测距传感器发出的光信号能够跟踪移动焊接设备的位置变化。且由于步进电机细分后步距角很小，当重新检测到距离信号后，步进电机立刻停止，因此不会出现测距的光信号超越反光片的情况。)。由新的距离值，可以重复上述平面几何计算方法，得到新的A点坐标。以此类推，可以得到A点的轨迹坐标“(n₁，m₁)、(n₂，m₂)、(n₃，m₃)………”，A点轨迹上的任意一点坐标，以(n_x，m_x)表示，此轨迹就是焊接喷嘴运动的轨迹，假定移动焊接设备具有精密的焊缝跟踪性能，此轨迹也就是焊缝的轨迹。

当移动式焊接设备焊接了一定时间后，就可以启动超声波冲击系统，跟随移动式焊接设备的轨迹，进行焊后冲击作业。超声波冲击系统的运行，也从焊接初始点开始。在超声波冲击系统上安装反光片B，B与C₃、C₄在同一水平面上，且为了消除干扰，B与A不在同一水平面上。初始时，保证测距传感器C₃、C₄发出的光信号(红外或激光)能够射在反光片B上，测距传感器C₃、C₄的信号分别由控制器K₃、K₄进行处理和计算，得到的距离分别为L₂’、L₁’。控制器K₄将检测的距离L₁’通过无线通讯模块(可采用Zigbee无线通讯模块)Z₄传输到无线通讯模块Z₃，并由无线通讯模块Z₃送入控制器K₃，在控制器K₃中，通过平面几何计算可以算出三角形“BO₃O₄”的顶点B的坐标(该三角形两顶点O₃(X₃、Y₃)、O₄(X₄、Y₄))坐标已知，则O₃O₄之间的距离L可知，三角形三条边已知，则可确定顶点B的坐标)。控制器K₃、K₄每隔一定时间(tms)采样测距传感器的信号，计算一次B点坐标。

当超声波冲击系统产生移动(见图1，设为从右向左)，当控制器K₃、K₄采集不到测距传感器的信号时，则说明测距传感器发射的光信号已经不能射到反光片。此时，步进电机B₃、B₄顺时针旋转，带动测距传感器产生旋转运动，使测距传感器发射的光信号重新射到反光片，此时步进电机停止运行，并计算出新的距离(由于超声波冲击速度较慢，因此步进电机线速度远大于超声波冲击系统的速度，可以保证测距传感器发出的光信号能够超声波冲击系统的位置变化。且由于步进电机细分后步距角很小，当重新检测到距离信号后，步进电机立刻停止，因此不会出现测距的光信号超越反光片B的情况。)。由新的距离值，可以重复上述平面几何计算方法，得到新的B点坐标。以此类推，可以得到B点的轨迹坐标“(n₁’，m₁’)、(n₂’，m₂’)、(n₃’，m₃’)………”，B点轨迹上的任意一点坐标，以(n_x’，m_x’)表示，此轨迹就是超声波冲击头运动的轨迹。

为了使超声波冲击头的运动轨迹，跟随移动焊接设备运动轨迹变化，具体实现方法如下。控制器K₂得到的A点的轨迹的离散点“(n₁，m₁)、(n₂，m₂)、(n₃，m₃)………”均通过Zigbee无线通讯模块Z₂传输到控制器K₃，并存储在控制器K₃中。控制器K₃每得到一个新的超声波冲击头运动的轨迹点(n_x’，m_x’)后，与K₃存储器中的所有的点“(n₁，m₁)、(n₂，m₂)、(n₃，m₃)………”逐个进行比较，选择与(n_x’，m_x’)欧氏距离最短的点(n_x，m_x)作为目标点，计算“n_x’-n_x”、“m_x’-m_x”的大小，并且以这个大小作为偏差量，调整移动机器人本体的直流伺服电机和十字滑块的步进电机，带动超声波冲击系统向着减小偏差的方向运动。这样就能够不断保持超声波冲击头的运动，始终跟随移动焊接设备运动轨迹变化。

Claims (3)

1.一种随焊超声冲击机器人智能测控系统，其特征是：包括移动式焊接设备、超声波冲击系统，在移动式焊接设备、超声波冲击系统上分别固定有反光片，反光片用于反射式测距传感器实现距离测量；固定在移动式焊接设备上的反光片与移动式焊接设备同步运动，固定在超声波冲击系统上的反光片与超声波冲击系统同步运动；移动式焊接设备、超声波冲击系统上的反光片通过安装在不同高度来避免相互干扰，并采用不同调制频率的激光或红外光来避免干扰；歩进电机固定安装在焊缝以外区域，四个步进电机对称分布组成平面长方形或正方形，并保证焊缝在四个步进电机所围成的长方形或正方形内；每个步进电机均安装有测距传感器，测距传感器与电机轴固定连接，同轴旋转；四台步进电机中，两台用于确定焊接喷嘴的移动轨迹，另外两台用于获取超声波冲击头的移动轨迹；无线通讯模块由控制器控制，无线通讯模块采用Zigbee无线通讯模块。

2.根据权利要求1所述的随焊超声冲击机器人智能测控系统，其特征是：超声波冲击系统采用轮式移动机器人作为本体，通过两轮差动实现机器人位置粗定位，采用十字滑块作为超声波冲击头定位驱动机构，实现超声波冲击头的精密定位。

3. 根据权利要求1所述的随焊超声冲击机器人智能测控系统，其特征是：测距传感器采用激光传感器或红外传感器。