一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統(tǒng)，包括PLC控制器、伺服運動控制器、激光傳感器、觸摸屏、伺服放大器、伺服電機；所述PLC控制器分別和伺服運動控制器、激光傳感器、觸摸屏相連接，伺服運動控制器與伺服放大器相連接，伺服放大器連接伺服電機。本發(fā)明還公開了一種所述焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統(tǒng)所對應(yīng)的激光尋址方法。與標準六自由度焊接機器人相比，本發(fā)明大大節(jié)省了示教編程時間，降低了操作者的知識水平門檻要求；提高生產(chǎn)率、穩(wěn)定和保證焊接質(zhì)量、實現(xiàn)批量產(chǎn)品的焊接自動化生產(chǎn)；解決了當前由于焊接產(chǎn)品一致性差帶來的焊接自動化、智能化程度低的問題以及部分坡口焊縫無法進行激光跟蹤的問題。
【專利說明】一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址方法及系統(tǒng)，具體涉及一種自動化、智能化和操作便捷化的焊接控制系統(tǒng)，屬于焊接【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]焊接生產(chǎn)自動化是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的方向。目前焊接自動化技術(shù)存在一個亟待解決的難題就是工件的不規(guī)則性，這種普遍存在的現(xiàn)象嚴重阻礙了焊接自動化的推廣應(yīng)用。如果待焊接結(jié)構(gòu)件每件都能保證工件以及裝配的尺寸相同，則每次焊接自動化設(shè)備就都能夠精確地對工件定位和保證焊接位置的一致性，但在實際生產(chǎn)中，這只是理想情況。
[0003]目前焊接自動化技術(shù)解決此問題的方法大都是在焊接機器人上使用進口激光焊縫跟蹤系統(tǒng)，它能夠自動糾正偏離理論焊縫路徑(位置)的偏差，這是進口激光焊縫跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)點。但是它也有很多缺點，具體包括:
(1)由于工件的不規(guī)則性，每次重新焊接都需重新編程，操作工都需要經(jīng)過專業(yè)機器人操作培訓(xùn)、操作復(fù)雜，對操作工的知識水平要求高；
(2)由于上述原因造成焊接節(jié)拍的滯后，示教編程花費時間；
(3)由于其成本較高昂，因此推廣應(yīng)用也受到一定程度的影響；
(4)后臺軟件不開放，使推廣應(yīng)用和維護受制于人。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址方法及系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統(tǒng)，包括PLC控制器、伺服運動控制器、激光傳感器、觸摸屏、第一至第三伺服放大器、第一至第三伺服電機；所述PLC控制器分別和伺服運動控制器、激光傳感器、觸摸屏相連接，伺服運動控制器分別和第一至第三伺服放大器相連接，第一至第三伺服放大器分別對應(yīng)連接第一至第三伺服電機；
所述觸摸屏用以實現(xiàn)焊接參數(shù)的輸入設(shè)置和顯示；
所述激光傳感器用以掃描所需焊接的坡口焊縫的實際位置，并將位置信息上傳至PLC控制器；
PLC控制器產(chǎn)生控制信號，并將控制信號發(fā)送至伺服運動控制器；
伺服運動控制器將控制信號經(jīng)過伺服放大器發(fā)送至伺服電機；
第一至第三伺服電機的控制方位對應(yīng)空間立體坐標系的三個軸向，分別控制焊接機械手在水平面上橫、縱方向的位移和豎直方向上、下的位移。
[0006]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選技術(shù)方案，所述PLC控制器中具體包括:數(shù)據(jù)接收功能模塊、數(shù)據(jù)存儲功能模塊、命令下達功能模塊、安全監(jiān)測功能模塊；
數(shù)據(jù)接收功能模塊用于接收激光傳感器采集的位置信息以及伺服運動控制器傳送至伺服電機的控制信號；
數(shù)據(jù)存儲功能模塊用于存儲數(shù)據(jù)接收功能模塊中接收到的位置信息和控制信號；
命令下達功能模塊用于生成控制信號，并將控制信號發(fā)送至伺服運動控制器；
安全監(jiān)測功能模塊用于對伺服電機的動作進行實時監(jiān)測和安全保護，在發(fā)生故障時產(chǎn)生報警信號。
[0007]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選技術(shù)方案，所述伺服運動控制器中具體包括:絕對位置檢測模塊、原點回歸模塊、JOG操作控制模塊、單軸定位控制模塊、多軸插補控制模塊、恒速控制|吳塊；
絕對位置檢測模塊用于能實時檢測當前焊接機械手的絕對位置；
原點回歸模塊用于確認焊接機械手的原點位置；
JOG操作控制模塊用于實現(xiàn)三個軸向的伺服電機單獨啟動或者同時啟動；
單軸定位控制模塊用于實現(xiàn)焊接機械手在空間立體坐標系中的單軸上，從當前停止位置到指定位置的定位控制；
多軸插補控制模塊用于實現(xiàn)焊接機械手在空間立體坐標系中的多軸上，從當前停止位置到指定位置的插補控制；
恒速控制模塊用于實現(xiàn)焊接機械手以指定的定位方式、定位速度依次通過預(yù)先設(shè)定的經(jīng)過點。
[0008]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選技術(shù)方案，所述PLC控制器與伺服運動控制器之間、伺服運動控制器與伺服放大器之間均通過SSNET III光纖網(wǎng)絡(luò)相連接。
[0009]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選技術(shù)方案，所述激光傳感器與PLC控制器之間通過RS422通訊方式相連接。
[0010]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選技術(shù)方案，所述觸摸屏與PLC控制器之間通過RS485通訊方式相連接。
[0011]本發(fā)明還公開了基于所述一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統(tǒng)的激光尋址方法，其特征在于，具體步驟為:
步驟一、將激光傳感器產(chǎn)生的激光光束紅斑停留在即預(yù)掃描位置上，由激光尋址系統(tǒng)記錄下掃描點地址的X軸坐標及預(yù)掃描地址的XYZ軸坐標；
步驟二、激光尋址系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的焊縫類型規(guī)劃掃描方向、掃描距離、掃描點與實際點的位移偏差；
步驟三、激光傳感器沿Y軸方向做直線運動，在此過程中激光尋址系統(tǒng)記錄激光傳感器的位移數(shù)據(jù)，在位移數(shù)據(jù)發(fā)生突變時，記錄下掃描點地址的Y軸坐標；
步驟四、激光傳感器的掃描動作結(jié)束后，激光尋址系統(tǒng)停留在激光掃描結(jié)束點，記錄掃描點地址的Z軸坐標；
步驟五、激光尋址系統(tǒng)根據(jù)掃描點地址的三軸坐標數(shù)據(jù)，結(jié)合掃描點與實際點的位移偏差，換算出實際點地址的三軸坐標數(shù)據(jù)；
步驟六、將實際點地址的三軸坐標存入激光尋址系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，依次按照每個實際點的三軸坐標得出焊接路徑。
[0012]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:與標準六自由度焊接機器人相比，大大節(jié)省了示教編程時間，降低了操作者的知識水平門檻要求；提高生產(chǎn)率、穩(wěn)定和保證焊接質(zhì)量、實現(xiàn)批量產(chǎn)品的焊接自動化生產(chǎn)；解決了當前由于焊接產(chǎn)品一致性差帶來的焊接自動化、智能化程度低的問題以及部分坡口焊縫無法進行激光跟蹤的問題，解決了使用焊接機器人和進口激光焊縫跟蹤系統(tǒng)帶來的高成本、推廣應(yīng)用和維護受制于人等問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明PLC控制器功能模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明伺服運動控制器的功能模塊示意圖。
[0016]圖4是本發(fā)明激光測距傳感器焊縫軌跡掃描方法的軸側(cè)圖；
圖5是本發(fā)明激光測距傳感器焊縫軌跡掃描方法的主視圖；
其中:1.激光傳感器光束、2.掃描突變點、31.預(yù)掃描地址、32.激光掃描結(jié)束點、33.掃描點地址、34.實際點地址、4.坡口焊縫起點、5.掃描距離(掃描距離人工設(shè)定，大于坡口寬度)、6.坡口寬度、7.坡口深度。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于自動化焊接機械手上的坡口焊縫軌跡的激光尋址方法及系統(tǒng)，能夠通過伺服機構(gòu)的運動，帶動激光傳感器運動，按照自主開發(fā)的程序自動掃描出所需焊接焊縫的實際位置坐標，并自動存儲掃描路徑(焊縫軌跡坐標)。根據(jù)所設(shè)焊縫類型設(shè)置規(guī)劃伺服電機的運行方向、運行位移。通過監(jiān)測激光傳感器測量數(shù)據(jù)的變化得出所需焊接的實際位置的坐標。由觸摸屏(人機界面)預(yù)先設(shè)置焊接路徑、焊接參數(shù)，通過激光傳感器的自動掃描，將所需焊接的坡口焊縫的實際位置進行自動示教編程，對焊接工件進行自動焊接。
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明:
本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統(tǒng)，包括PLC控制器，伺服運動控制器，分別對應(yīng)空間坐標系中XYZ三軸的三組伺服放大器、三組伺服電機，激光傳感器，觸摸屏。所述伺服運動控制器通過SSNET III光纖網(wǎng)絡(luò)與所述PLC控制器相連，接受PLC控制器的控制指令；所述伺服放大器通過高速同步網(wǎng)絡(luò)(優(yōu)選SSNET III光纖網(wǎng)絡(luò))與伺服運動控制器連接，并通過直接讀取其定位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高精度定位；所述伺服電機與伺服放大器相連，接受伺服放大器的控制指令；所述激光傳感器通過RS422通訊方式與PLC控制系統(tǒng)相連，反饋當前位移的實時變化；所述觸摸屏通過RS485通訊方式與PLC控制系統(tǒng)相連，操作者既可以通過觸摸屏對該系統(tǒng)進行相關(guān)操作，也可以實現(xiàn)該系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、報警查詢的功能。
[0019]本發(fā)明PLC控制器功能模塊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。本發(fā)明中，PLC控制器包括:數(shù)據(jù)接收功能模塊、數(shù)據(jù)存儲功能模塊、命令下達功能模塊、安全監(jiān)測功能模塊；
數(shù)據(jù)接收功能模塊用于接收伺服運動控制器傳送來的各伺服放大器的數(shù)據(jù)，以及激光傳感器傳送來的數(shù)據(jù)；
數(shù)據(jù)存儲功能模塊用于存儲伺服運動控制器傳送來的各伺服放大器的數(shù)據(jù)，以及激光傳感器傳送來的數(shù)據(jù)；命令下達功能模塊用于向伺服運動控制器下達各動作命令；
安全監(jiān)測功能模塊用于對各伺服電機的動作進行實時的監(jiān)測和安全保護，并作故障報
警處理。
[0020]本發(fā)明伺服運動控制器的功能模塊示意圖如圖3所示，本發(fā)明的伺服運動控制器包括:絕對位置檢測模塊、原點回歸模塊、JOG操作控制模塊、單軸定位控制模塊、多軸插補控制模塊、恒速控制模塊:
絕對位置檢測模塊能實時反應(yīng)當前的絕對位置；
原點回歸模塊用于確認機械原點；
JOG ?呆作控制t吳塊實現(xiàn)何服軸單獨啟動和冋時啟動功能；
單軸定位控制模塊實現(xiàn)單軸從當前停止位置到指定位置的定位控制；
多軸插補控制模塊實現(xiàn)多軸從當前停止位置到指定位置的插補控制；
恒速控制模塊用于實現(xiàn)焊接機械手以指定的定位方式、定位速度依次通過預(yù)先設(shè)定的經(jīng)過點。
[0021]本發(fā)明激光測距傳感器焊縫軌跡掃描方法的示意圖如圖4、圖5所示，
預(yù)掃描點為開始掃描的地址；
掃描點為掃描行程結(jié)束后 ，得到的一個與實際點有固定關(guān)系的點；
實際點為系統(tǒng)實際需要焊接的起始點；
各點坐標關(guān)系如下:
預(yù)掃描地址:掃描點地址坐標(Xyu, Yyu, Zyu)
掃描點地址:(Xsao, Ysao, Zsao)
實際點地址:(Xreal, Yreal, Zreal)
Xreal= Xyu= Xsao ；
當掃描點Z軸坐標在一瞬間發(fā)生突變，激光傳感器測量數(shù)據(jù)突然變大，即表明圖4中主視圖激光傳感器光束沿Y軸方向?qū)柿似驴诘囊贿?，記下這一瞬間Y軸坐標，此值就為掃描點Y軸方向的坐標Ysao ；
Yreal=Ysao+ δ y ； ( δ y此值為固定值，通過系統(tǒng)所述觸摸屏可以設(shè)定、修正后存入系統(tǒng)供調(diào)用)；
Zreal=Zsao+ δ z ； ( δ z此值為固定值,通過系統(tǒng)所述觸摸屏可以設(shè)定、修正后存入系統(tǒng)供調(diào)用)；
坡口尺寸不同Sy和δ z也不同，每種坡口尺寸對應(yīng)一組Sy和δΖ，每種坡口尺寸和對應(yīng)的石1、S Z通過所述觸摸屏存入系統(tǒng)供調(diào)用。
[0022]激光掃描的步驟如下:
O由操作員手動將激光光束紅斑停在所要焊接位置的主筋上，即預(yù)掃描位置31，系統(tǒng)將自動記下掃描點地址33的X軸坐標及預(yù)掃描地址的XYZ軸坐標；
2)系統(tǒng)將根據(jù)所設(shè)焊縫類型規(guī)劃掃描方向、掃描距離、掃描點與實際點的位移偏差δ y> δ Z 等；
3)設(shè)備沿Y軸方向做直線運動。這個過程中Y值一直在變化，系統(tǒng)一直記錄激光位移傳感器的數(shù)據(jù)，如果激光位移數(shù)據(jù)在一瞬間發(fā)生突然變大系統(tǒng)就記下這一瞬間的Y值，即掃描點地址33的Y軸坐標；4)該掃描動作結(jié)束后，系統(tǒng)停在激光掃描結(jié)束點32,系統(tǒng)記下此時激光位移傳感器數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就是掃描點地址33的Z軸坐標，此時掃描點地址33的X軸、Y軸及Z軸的坐標全部得出；
5)系統(tǒng)將根據(jù)掃描點與實際點的位移偏差δy、δz(已通過所述觸摸屏設(shè)定存入系統(tǒng))自動換算出實際點地址34的XYZ三軸坐標；
此時根據(jù)焊接需求將實際點地址34的坐標存入焊接路徑數(shù)據(jù)庫。焊接路徑數(shù)據(jù)庫中每個實際點的坐標都是按照上述步驟掃描得出的。
[0023]對于同型號的工件進行激光示教時，上述步驟就不需要進行了，按如下所述步驟進行掃描:
1)將所需要自動激光尋址的焊縫進行編號并排序；
2)系統(tǒng)將按照設(shè)定的順序自動走到每個點的預(yù)掃描地址處，進行自動掃描，掃描方式同手動描述，掃描完后，將掃描到的實際值存儲； 3)去下一點與掃描地址處,再次進行自動掃描，描述同上；
4)所有焊縫掃描結(jié)束后，自動激光尋址結(jié)束。
【權(quán)利要求】
1.一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統(tǒng)，其特征在于，包括PLC控制器、伺服運動控制器、激光傳感器、觸摸屏、第一至第三伺服放大器、第一至第三伺服電機；所述PLC控制器分別和伺服運動控制器、激光傳感器、觸摸屏相連接，伺服運動控制器分別和第一至第三伺服放大器相連接，第一至第三伺服放大器分別對應(yīng)連接第一至第三伺服電機； 所述觸摸屏用以實現(xiàn)焊 接參數(shù)的輸入設(shè)置和顯示； 所述激光傳感器用以掃描所需焊接的坡口焊縫的實際位置，并將位置信息上傳至PLC控制器； PLC控制器產(chǎn)生控制信號，并將控制信號發(fā)送至伺服運動控制器； 伺服運動控制器將控制信號經(jīng)過伺服放大器發(fā)送至伺服電機； 第一至第三伺服電機的控制方位對應(yīng)空間立體坐標系的三個軸向，分別控制焊接機械手在水平面上橫、縱方向的位移和豎直方向上、下的位移。
2.如權(quán)利要求1所述的一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統(tǒng)，其特征在于，所述PLC控制器中具體包括:數(shù)據(jù)接收功能模塊、數(shù)據(jù)存儲功能模塊、命令下達功能模塊、安全監(jiān)測功能模塊； 數(shù)據(jù)接收功能模塊用于接收激光傳感器采集的位置信息以及伺服運動控制器傳送至伺服電機的控制信號； 數(shù)據(jù)存儲功能模塊用于存儲數(shù)據(jù)接收功能模塊中接收到的位置信息和控制信號； 命令下達功能模塊用于生成控制信號，并將控制信號發(fā)送至伺服運動控制器； 安全監(jiān)測功能模塊用于對伺服電機的動作進行實時監(jiān)測和安全保護，在發(fā)生故障時產(chǎn)生報警信號。
3.如權(quán)利要求1所述的一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統(tǒng)，其特征在于，所述伺服運動控制器中具體包括:絕對位置檢測模塊、原點回歸模塊、JOG操作控制模塊、單軸定位控制模塊、多軸插補控制模塊、恒速控制模塊； 絕對位置檢測模塊用于能實時檢測當前焊接機械手的絕對位置； 原點回歸模塊用于確認焊接機械手的原點位置； JOG操作控制模塊用于實現(xiàn)三個軸向的伺服電機單獨啟動或者同時啟動； 單軸定位控制模塊用于實現(xiàn)焊接機械手在空間立體坐標系中的單軸上，從當前停止位置到指定位置的定位控制； 多軸插補控制模塊用于實現(xiàn)焊接機械手在空間立體坐標系中的多軸上，從當前停止位置到指定位置的插補控制； 恒速控制模塊用于實現(xiàn)焊接機械手以指定的定位方式、定位速度依次通過預(yù)先設(shè)定的經(jīng)過點。
4.如權(quán)利要求1所述的一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統(tǒng)，其特征在于:所述PLC控制器與伺服運動控制器之間、伺服運動控制器與伺服放大器之間均通過SSNET III光纖網(wǎng)絡(luò)相連接。
5.如權(quán)利要求1所述的一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統(tǒng)，其特征在于:所述激光傳感器與PLC控制器之間通過RS422通訊方式相連接。
6.如權(quán)利要求1所述的一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統(tǒng)，其特征在于:所述觸摸屏與PLC控制器之間通過RS485通訊方式相連接。
7.基于權(quán)利要求1所述一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統(tǒng)的激光尋址方法，其特征在于，具體步驟為: 步驟一、將激光傳感器產(chǎn)生的激光光束紅斑停留在即預(yù)掃描位置上，由激光尋址系統(tǒng)記錄下掃描點地址的X軸坐標及預(yù)掃描地址的XYZ軸坐標； 步驟二、激光尋址系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的焊縫類型規(guī)劃掃描方向、掃描距離、掃描點與實際點的位移偏差； 步驟三、激光傳感器沿Y軸方向做直線運動，在此過程中激光尋址系統(tǒng)記錄激光傳感器的位移數(shù)據(jù)，在位移數(shù)據(jù)發(fā)生突變時，記錄下掃描點地址的Y軸坐標； 步驟四、激光傳感器的掃描動作結(jié)束后，激光尋址系統(tǒng)停留在激光掃描結(jié)束點，記錄掃描點地址的Z軸坐標； 步驟五、激光尋址系統(tǒng)根據(jù)掃描點地址的三軸坐標數(shù)據(jù)，結(jié)合掃描點與實際點的位移偏差，換算出實際點地址的三軸坐標數(shù)據(jù)； 步驟六、將實際點地址的三軸坐標存入激光尋址系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，依次按照每個實際點的三軸坐標得出焊接路徑。`
【文檔編號】B23K9/127GK103722278SQ201310575996
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】陳志來, 朱麗霞, 汪星, 魯周迪, 陳汀 申請人:南京鵬力科技有限公司