CN212599568U

CN212599568U - 一种薄板智能焊接小车

Info

Publication number: CN212599568U
Application number: CN201922492997.8U
Authority: CN
Inventors: 李健; 魏玉龙
Original assignee: Hebei Genheng Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Hebei Genheng Intelligent Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2029-12-31

Abstract

本实用新型公开了一种薄板智能焊接小车，主要包括控制器、供丝辊、焊机、视觉模块、横移电机和滑轨，所述控制器顶端固定安装有转轴。本实用新型在结构上设计合理，本装置不仅可以识别焊缝，还能实时追踪焊缝，控制系统根据控制器输出给X轴、Y轴焊缝中心的采集，和Z轴步进电机的3路脉冲信号，分别实现3个步进电机的速度和位置控制，从而实现达到对焊枪三维空间位置的控制，滑轨配合滚轮保证焊枪和焊缝中心采集装置在移动过程中稳定和低振动，装置结构灵活，可以在调节后自动调节供丝角度保证供丝流畅。

Description

一种薄板智能焊接小车

技术领域

本实用新型涉及一种焊接装置，具体是一种薄板智能焊接小车。

背景技术

大面积薄板焊接结构件已经在机械制造、汽车制造、船舶制造和航空航天等领域中广泛应用。通常大面积薄板的焊接制造主要是人工作业，通过手动调节焊枪实现焊缝追踪。由于强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、加工误差、表面状态和薄板热变形等影响使焊枪偏离焊缝，导致焊接质量和精度降低。

现有市场上的焊接小车结构简单、实用性差，可适用常见于水平焊接和垂直焊接等场合，行走方式分为轨道式和无轨式，其中轨道式包括有硬轨道和柔性轨道，采用磁吸方式进行安装和固定；无轨式焊接小车采用磁轮或轮履式，多应用于船舶、石油行业。但通常没有焊缝跟踪装置。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种薄板智能焊接小车，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种薄板智能焊接小车，主要包括控制器、供丝辊、焊机、视觉模块、横移电机和滑轨，所述控制器顶端固定安装有转轴，转轴外侧套设安装有转套，转套外壁固定安装有转板，转板顶端固定安装有供丝机主体，供丝机主体左部装配安装有供丝辊，所述供丝机主体右端装配安装有丝管，丝管底端固定安装有焊头，所述控制器前侧中部固定安装有第一丝杆模块，第一丝杆模块右侧装配安装有第二丝杆模块，第二丝杆模块右侧装配安装有连接架，连接架右端固定安装有第二调节座，第二调节座右侧装配安装有第一调节座，第一调节座右侧固定安装有焊机，焊机左端固定安装有夹座，夹座与焊头压接装配，所述连接架前侧左部固定安装有调节滑台，调节滑台右侧下部装配安装有视觉模块，所述控制器底端固定安装有带有驱动轮的横移电机，所述滑轨顶端开设有限位滑槽。

作为本实用新型进一步的方案：所述控制器底端转动安装有对称设置的滚轮。

作为本实用新型再进一步的方案：所述滑轨右端固定安装有对称设置的限位头。

作为本实用新型再进一步的方案：所述第二调节座和第一调节座采用手动丝杆调节滑台。

作为本实用新型再进一步的方案：所述控制器通过线束与供丝机主体、焊机、焊头、视觉模块、横移电机、调节滑台、第一丝杆模块和第二丝杆模块电性连接，所述控制器通过线束与外部电源电性连接，所述控制器采用S7-200-SMART-PLC主机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型在结构上设计合理，本装置不仅可以识别焊缝，还能实时追踪焊缝，控制系统根据控制器输出给X轴、Y轴焊缝中心的采集，和Z轴步进电机的3路脉冲信号，分别实现3个步进电机的速度和位置控制，从而实现达到对焊枪三维空间位置的控制，滑轨配合滚轮保证焊枪和焊缝中心采集装置在移动过程中稳定和低振动，装置结构灵活，可以在调节后自动调节供丝角度保证供丝流畅。

附图说明

图1为薄板智能焊接小车的结构示意图。

图2为薄板智能焊接小车中滑轨的俯视示意图。

图3为薄板智能焊接小车中局部的结构示意图。

图中：控制器1、转板2、供丝机主体3、供丝辊4、转套5、转轴6、连接架7、丝管8、第一调节座9、限位头10、焊机11、第二调节座12、夹座13、焊头14、视觉模块15、横移电机16、滚轮17、滑轨18、调节滑台19、第一丝杆模块20、第二丝杆模块21。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1～3，本实用新型实施例中，一种薄板智能焊接小车，主要包括控制器1、供丝辊4、焊机11、视觉模块15、横移电机16和滑轨18，所述控制器1顶端固定安装有转轴6，转轴6外侧套设安装有转套5，转套5外壁固定安装有转板2，转板2顶端固定安装有供丝机主体3，供丝机主体3左部装配安装有供丝辊4，所述供丝机主体3右端装配安装有丝管8，丝管8底端固定安装有焊头14，所述控制器1前侧中部固定安装有第一丝杆模块20，第一丝杆模块20右侧装配安装有第二丝杆模块21，第二丝杆模块21右侧装配安装有连接架7，连接架7右端固定安装有第二调节座12，第二调节座12右侧装配安装有第一调节座9，第一调节座9右侧固定安装有焊机11，焊机11左端固定安装有夹座 13，夹座13与焊头14压接装配，所述连接架7前侧左部固定安装有调节滑台19，调节滑台19右侧下部装配安装有视觉模块15，所述控制器1底端固定安装有带有驱动轮的横移电机16，所述滑轨18顶端开设有限位滑槽。

所述控制器1底端转动安装有对称设置的滚轮17。

所述滑轨18右端固定安装有对称设置的限位头10。

所述第二调节座12和第一调节座9采用手动丝杆调节滑台。

所述控制器1通过线束与供丝机主体3、焊机11、焊头14、视觉模块15、横移电机16、调节滑台19、第一丝杆模块20和第二丝杆模块21电性连接，所述控制器1通过线束与外部电源电性连接，所述控制器1采用S7-200-SMART-PLC主机。

本实用新型的工作原理是：

本实用新型涉及一种薄板智能焊接小车，本发明提出了一种基于双模分段控制的焊接小车焊缝自动跟踪系统。系统中采用基于结构光的主动视觉技术检测焊缝的位置，同时采用Fuzzy-PI双模分段控制进行焊缝的纠偏。当偏差较大时，采用比例积分(PI)控制，当偏差较小时，采用模糊(Fuzzy)控制。焊缝自动跟踪系统采用S7-200 SMART PLC作为核心控制器，根据偏差信息产生控制信号给执行机构，驱动焊枪横向步进电机和纵向步进电机动作，调整焊枪实时跟踪焊薄板对接焊缝。

1系统组成和原理

焊缝自动跟踪系统是由控制机构和执行机构组成，控制机构由S7-200 SMARTPLC、 SMART LINE触摸屏和手动控制开关组成，执行机构由焊机、送丝装置、焊枪、微型激光位移传感器、焊缝识别模块、焊枪跟踪控制模块、轨道步进电机和十字滑台步进电机组成。

焊缝识别模块采用基于结构光的主动视觉技术，即将线激光器和CCD相机安装在焊枪前部采集焊缝图像，由横向步进电机带动焊缝识别模块在焊缝上方进行横向扫描采集，检测出CCD相机和焊缝之间的横向距离和纵向距离，即得到距离就是焊枪对焊缝的偏差。PLC 控制器接收焊枪对焊缝的偏差信号，同时采用Fuzzy-PI双模分段控制进行焊缝纠偏，产生控制信号输出给执行机构，驱动焊枪横向步进电机和纵向步进电机动作，实现焊接小车焊枪对焊缝的实时自动跟踪。

1.1基于结构光的主动视觉技术

基于结构光的主动视觉技术是将物理信息转换为系统可以识别的位置信息，当焊缝识别模块工作时，线激光器发出特定波长的光经过透镜折射后形成一个平面的线结构光，照射在薄板上形成一条有一定宽度的光带。光带经过反射和散射后，途径保留该特定波长的滤光片，进入CCD相机成像，CCD相机输出带有焊缝特征信息的图像。

1.2控制器PLC

焊缝小车焊缝自动跟踪系统采用PLC作为核心控制器，输入信号主要有启停按钮、X/Y/Z轴三个方向的手动控制开关和轨道两侧的限位开关；输出信号主要有3台步进电机各自的脉冲控制信号和方向控制信号、声音报警器和焊机及送丝机构的控制信号；还有与焊缝识别装置和MART LINE触摸屏的通信信号。由于需要对3台步进电机进行同时控制， PLC需要具备3个高速脉冲输出。根据输入输出信号的数量、类型、控制要求，同时按I/O 点数20％-30％的备用量原则，因此选择S7-200 SMART PLC作为核心控制器。

S7-200 SMART PLC是西门子公司推出的高性价比小型PLC，是国内广泛使用的S7-200 是升级换代产品。与S7-200硬件相比，其主要优点如下：

1)通过以太网实现程序的下载和监控，简单方便，不需要用专程编程电缆；

2)CPU模块最多配有3路最高100kHz的高速脉冲输出，提供PWM和运动轴两种运行控制，运动轴运行控制给步进电机的速度和位置开环控制提供了统一的解决方案；

3)使用通用的Micro SD卡实现传送程序、更新CPU固件和恢复CPU的出厂设置。

1.3步进电机

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一。通过控制脉冲数间接控制步进电机转过的角位移且误差不累积，可以实现准确定位；通过控制频率改变电机的转速和加速度，实现随时调速；通过方向控制实现电机的正转和反转。

步进电机由步进驱动器驱动。步进驱动器有共阴和共阳两种接法。系统采用共阳接法，即步进驱动器的脉冲信号PUL+和方向信号DIR+与24V电源正极短接，PUL-和DIR-接PLC 控制器的控制信号。由于PLC控制器输出信号不能与步进电机直接相连。因此增加一块信号转换板，将PLC的输出信号进行反相，然后与共阳接法的步进驱动器相连。

1.4运动轴硬件组态

系统选用S7-200 SMART PLC的CPU内置运动轴实现对步进电机的速度和位置的开环运动控制，3台步进电机分别对应3个运动轴。接线前通过使用STEP 7-Micro/WIN SMART软件的运动向导对运动轴进行组态，分配每个运动轴所对应的PLC输出端口。

端口分配如下所示。

PLC控制步进电机输出端口分配表

1.5 Fuzzy-PI双模分段控制

本文采用Fuzzy-PI双模分段控制实现对焊缝的纠偏，当偏差较大时采用PI控制，可以通过系统的响应速度和减少调节时间；当偏差较小时采用Fuzzy控制，减少系统的超调，提高系统响应的平稳性和控制精度。根据预先确定的偏差阈值实现PI控制和Fuzzy控制方式的切换。根据实验，发现偏差阈值是3mm时效果好，即当偏差大于等于3mm时采用PI 控制，当偏差小于3mm时采用Fuzzy控制[5]。

2系统软件设计

控制系统使用STEP 7-Micro/WIN SMART软件对S7-200 SMART PLC控制器进行编程组态，使用梯形图语言进行相关程序的编写，从而实现薄板焊接过程的自动化。相关程序编写思路流程图如图3所示。首先根据薄板的实际长度来设置焊接起点、焊接段数和每一段焊接距离；然后焊缝中心采集装置从焊接起点进行焊缝中心点采样，焊缝中心采集装置每采集到一个焊缝中心点，PLC控制器就会存储焊缝中心点的X轴、Y轴和Z轴坐标，当焊缝中心采集装置的采集距离等于每一段焊接距离时，就将采集结束信号传输给PLC控制器， PLC控制器就会控制焊枪运动到焊接起点，再对焊机发送引弧信号，等引弧成功信号传输给PLC控制器，PLC控制器控制焊枪从焊接起点开始进行焊接，当实际焊接距离等于设定焊接距离后，给焊机发送收弧信号，结束该段焊接，然后实际焊接段数加1，循环上述过程，直至实际焊接段数等于设定焊接段数，结束本次焊接，

本发明提出了一种焊接小车焊缝自动跟踪系统用于实现焊枪对焊缝的实时自动跟踪。系统中采用基于结构光的主动视觉技术检测焊缝的位置，同时采用Fuzzy-PID双模分段控制进行焊缝的纠偏。PLC作为系统的核心控制器产生控制信号给执行机构，驱动焊枪横向步进电机和纵向步进电机动作，调整焊枪实时跟踪焊缝。实验证明，基于双模控制的焊缝自动跟踪系统可以实现焊接小车焊枪对焊缝的实时自动跟踪，完全符合实际焊接工程的需求。

控制系统使用CO2气体保护焊方法进行薄板焊接，因为使用的焊丝细，焊接电流密度较大，电弧热量集中，熔透能力强。由于焊接的焊缝距离较长会导致薄板温度过高,造成严重的变形。因此控制系统使用逐步退焊法焊接工艺进行薄板对接焊，将焊接距离分成几段，可以降低薄板焊接后的变形程度。逐步退焊法示意图如下所示。由于每一段的焊接距离不大，即焊接过程中焊枪到达当前焊接段的终点时，前一焊接段起点区域的温度很高，即当前焊接段和前一焊接段的温度差不大，即局部区域的温度差不大，降低薄板不均匀加热和冷却的程度，减少薄板的焊接变形。

本发明提出的一种焊接小车焊缝自动跟踪系统用于实现焊枪对焊缝的实时自动跟踪，不仅可以识别焊缝，还能实时追踪焊缝。控制系统根据控制器输出给X轴、Y轴和Z轴步进电机的3路100KHz高速脉冲信号，不仅实现3个步进电机的速度控制，而且实现焊枪和焊缝中心采集装置的位置控制，保证焊枪和焊缝中心采集装置在移动过程中稳定和低振动。装置结构灵活，转轴与转套的配合，使得供丝机主体可以转动，实时地适应焊头的调节角度，可以在调节后自动调节供丝角度保证供丝流畅。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种薄板智能焊接小车，主要包括控制器(1)、供丝辊(4)、焊机(11)、视觉模块(15)、横移电机(16)和滑轨(18)，其特征在于，所述控制器(1)顶端固定安装有转轴(6)，转轴(6)外侧套设安装有转套(5)，转套(5)外壁固定安装有转板(2)，转板(2)顶端固定安装有供丝机主体(3)，供丝机主体(3)左部装配安装有供丝辊(4)，所述供丝机主体(3)右端装配安装有丝管(8)，丝管(8)底端固定安装有焊头(14)，所述控制器(1)前侧中部固定安装有第一丝杆模块(20)，第一丝杆模块(20)右侧装配安装有第二丝杆模块(21)，第二丝杆模块(21)右侧装配安装有连接架(7)，连接架(7)右端固定安装有第二调节座(12)，第二调节座(12)右侧装配安装有第一调节座(9)，第一调节座(9)右侧固定安装有焊机(11)，焊机(11)左端固定安装有夹座(13)，夹座(13)与焊头(14)压接装配，所述连接架(7)前侧左部固定安装有调节滑台(19)，调节滑台(19)右侧下部装配安装有视觉模块(15)，所述控制器(1)底端固定安装有带有驱动轮的横移电机(16)，所述滑轨(18)顶端开设有限位滑槽。

2.根据权利要求1所述的薄板智能焊接小车，其特征在于，所述控制器(1)底端转动安装有对称设置的滚轮(17)。

3.根据权利要求1所述的薄板智能焊接小车，其特征在于，所述滑轨(18)右端固定安装有对称设置的限位头(10)。

4.根据权利要求1所述的薄板智能焊接小车，其特征在于，所述第二调节座(12)和第一调节座(9)采用手动丝杆调节滑台。

5.根据权利要求1所述的薄板智能焊接小车，其特征在于，所述控制器(1)通过线束与供丝机主体(3)、焊机(11)、焊头(14)、视觉模块(15)、横移电机(16)、调节滑台(19)、第一丝杆模块(20)和第二丝杆模块(21)电性连接，所述控制器(1)通过线束与外部电源电性连接，所述控制器(1)采用S7-200-SMART-PLC主机。