CN103143819A - 一种自动焊机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动焊机，包括左右轴导轨平台，所述左右轴导轨平台的两侧分别设置有左右轴直线导轨，所述左右轴直线导轨上设置有可沿着左右轴直线导轨左右移动的上下轴直线导轨，所述上下轴直线导轨上分别设置有可沿着上下轴直线导轨上下移动的前后轴直线导轨，前后轴直线导轨的前端分别设置有可任意调节焊接角度的焊枪。本发明把复杂的焊接臂运动分拆成焊头运动和工件运动两种简单的运动，利用电气控制使其有效结合，使焊接动作简单、快捷，提高焊接效率，实现焊接设备使用简单化；同时降低设备制造成本，同时通过总控制柜的人机操作***，实现专用设备加工工件及功能描述用的可视化；通过多自由度实时快速协调焊接加工控制，在保证质量的前提下，通过任务空间的轨迹规划，提升加工效率和加工适应性，可提高生产效率近50%。

Description

一种自动焊机及其控制方法

技术领域

本发明属于焊接设备，具体是一种自动焊机及其控制方法。      

背景技术

当前，我国的休闲用品，特别是如遮阳伞等旅游休闲用品产业还是一种典型的劳动密集型生产企业，各道工序基本以手工作业为主，生产效率低下、产品品质极不稳定，产业处于价值链的底端。以焊接零件为例，在休闲用品行业中，产品的焊接零件以细小、焊缝集中、批量大、多品种规格为主，焊接工作全部以手工操作，零件经分散焊接后再组装成品。如利用现有的通用焊接机器人焊接，在程序编制上对于焊接员工的文化水平要求较高，另外，在工件安装、焊接动作上的时间耗费很多，因而在焊接效率的提升上很有限，达不到预期的理想效果。实际生产中还没有通用焊接机器人在使用，目前，焊接工艺已经成为休闲用品行业中一个亟待解决的共同瓶颈。因而，实现休闲用品行业产品制造的自动化和高效率是提升产业升级换代的重要途径。

 

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自动焊机及其控制方法。

一种自动焊机，其特征在于包括左右轴导轨平台，所述左右轴导轨平台的两侧分别设置有左右轴直线导轨，所述左右轴直线导轨上设置有可沿着左右轴直线导轨左右移动的上下轴直线导轨，所述上下轴直线导轨上分别设置有可沿着上下轴直线导轨上下移动的前后轴直线导轨，前后轴直线导轨的前端分别设置有可任意调节焊接角度的焊枪。

所述的一种自动焊机，其特征在于所述左右轴导轨平台的中间设置有2个沿着左右轴导轨平台的左右方向设置的360°旋转平台，所述360°旋转平台是圆形的，通过设置在360°旋转平台下面的伺服电机带动旋转。

所述的一种自动焊机，其特征在于所述左右轴直线导轨设置在左右轴导轨平台的上部，所述左右轴直线导轨的下面左右轴导轨平台的下方设置有左右轴直尺条，所述左右轴导轨平台上左右轴直线导轨的内侧分别设置有左右轴塑料桥链底托，左右轴塑料桥链底托上设置有左右轴塑料桥链和左右轴塑料桥链轮托。

所述的一种自动焊机，其特征在于所述上下轴直线导轨有两根，上下轴直线导轨上设置有同时与两根上下轴直线导轨连接的上下轴导轨滑块，两根上下轴直线导轨之间设置有上下轴丝杆座，上下轴丝杆座的中间设置有与上下轴导轨滑块相连的上下轴滚珠丝杆，上下轴滚珠丝杆与设置在上下轴丝杆座上面的上下轴减速机和上下轴伺服电机连接。

所述的一种自动焊机，其特征在于所述上下轴直线导轨的内侧设置有上下轴塑料桥链和自动送丝机平台，自动送丝机平台上设置有自动送丝机。

所述的一种自动焊机，其特征在于所述前后轴直线导轨设置在通过直角固定板与上下轴导轨滑块连接的前后轴主横梁上，前后轴直线导轨上设置有前后轴导轨滑块，前后轴直线导轨的旁边设置有塑料桥链固定底板，所述塑料桥链固定底板上设置有前后轴塑料桥链，前后轴直线导轨的一端设置有前后轴丝杆座，所述前后轴丝杆座中间设置有与前后轴导轨滑块连接的前后轴滚珠丝杆，所述前后轴滚珠丝杆与设置在前后轴直线导轨另一端的前后轴伺服电机连接。

所述的一种自动焊机，其特征在于在前后轴直线导轨的前端焊枪处设置有与焊枪连接的焊头伺服电机，焊头伺服电机的下方设置有与焊枪连接的焊头减速机。

所述的一种自动焊机，其特征在于所述左右轴导轨平台两侧的一端分别设置有减速机固定架，减速机固定架上设置有左右轴伺服电机和左右轴减速机，所述左右轴导轨平台的下面设置有支撑脚，支撑脚下面设置有调节脚垫，所述自动焊机还包括与各个电机连接的总控制柜和与焊枪连接的二氧化碳保护焊机，所述二氧化碳保护焊机与二氧化碳气罐连接。

所述的一种自动焊机，其特征在于所述自动焊机的每个焊接臂由5个自由度组成，5个自由度分别为3个棱柱关节和2个旋转关节，所述3个棱柱关节和2个旋转关节串行相连，3个棱柱关节和2个旋转关节分别各自与电机连接，3个棱柱关节分别负责焊枪的左右运动、上下运动和前后运动，2个旋转关节分别负责焊枪的回转运动和摇摆运动，所述电机分别通过扩展运动控制卡连接伺服驱动器来控制，所述扩展运动控制卡分别与输入输出电路板、电机限位转接电路和伺服电机转接电路连接，扩展运动控制卡收到伺服驱动器传回的关节码盘信号，通过PID控制，输出模拟的速度指令给伺服驱动器，使伺服驱动器工作在速度模式，上位机通过以太网接口与运动控制卡相连，上位机通过串口与手持式操作盒相连，上位机监视焊机的工作状态，负责生成焊接轨迹，设计和存储焊接模块。

所述的一种自动焊机的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1）采用棋盘格三个垂直面放置的方法来进行参数标定：

a将棋盘格放置在左右平面，通过手动操作关节使得焊枪终端遍历棋盘格上的黑白格的交叉点，并记录下关节位置                                               

, i=1,2,…20；

b将棋盘格放置在前后平面，通过手动操作关节使得焊枪终端遍历棋盘格上的黑白格的交叉点，并记录下关节位置

, i=21,2,…40；

c将棋盘格放置在上下平面，通过手动操作关节使得焊枪终端遍历棋盘格上的黑白格的交叉点，并记录下关节位置

, i=41,2,…60；

d采用DH方法对焊机进行建模，得出终端计算公式

   （1）

式中

是4*4的矩阵，是焊枪终端在基座坐标系的4维齐次表示，

,i=1,…5,为手臂关节i-1关节到i关节的坐标转移矩阵；

e由记录下的关机位置

，通过公式（1）可计算得出终端位置

，计算值和真实值有偏差，该偏差可线性近似描述为：

      （2）   

式中，

表示实际参数与设计参数的误差，根据(2)式采用最小二乘方法可计算出上述偏差，将偏差与原始数据相加，得到更新后的DH参数，使用更新后的DH参数计算终端位置，计算偏差值，直至计算终端值与实际测量的误差小于允许范围，完成参数标定过程；

2）智能示教：

a输入焊接工件的设计图纸，生成笛卡尔空间的焊接轨迹，点焊模块由三个点组成，分别为起始点，中间点和终止点，弧焊模块由三段共九个点组成，第一段为起始曲线部分，包括一个起始点，两个中间点和一个终止点，第二段为中间过渡的近似直线部分，包括一个起始点、一个中间点和一个终止点，第三段为结束曲线部分，包括一个起始点，两个中间点和一个终止点，相邻两段的终止点和起始点重合；

b对每个焊接点附加以期望的最佳焊接姿态，以两个相接工件的沿焊缝的法向量夹角的中线为最佳焊接姿态，采用俯仰角和摇摆角两个自由度来表示；

c将笛卡尔空间的轨迹，根据整定的参数来反解出对应的关节空间轨迹；

d将模块组合起来形成整个工件的焊接流程，对相同的焊接模块，采用复制的方法进行扩展；

e对已生成的焊接模块进行轨迹测试，对所包含的模块逐一测试，采用手动操作方式对模块的组成点进行修正，并用修正后的关节空间点替换原始的点，同时利用正运算给出队形的任务空间的终端坐标，修正模块的任务空间轨迹；

f试运行焊接模块进行焊接测试，调整焊接模块的距离参数和速度参数，直到所测试模块焊接效果满意为止；

3）安全运行：

a工件焊接流程设计完毕后，给双焊接臂分配焊接工作点或焊接工作模块，使得整个焊接流程中双臂每次焊接作业都是同时启动，并确保互相之间不发送干涉；

b进入参数设计界面，设计终端的保护高度，确认焊接各个工作点的速度和顺序；

c生成焊接流程代码，并下载至扩展运动控制卡；

d设定扩展运动控制卡进入PLC工作模式，由接近传感器传送工件上架完毕信号，启动整个焊接流程，焊接完毕后，发出完毕信号灯指示，撤除焊好的工件，并将新工件上架；

e焊机工作中，持续进行关节限位的检测，采用比较器来滤除限位信号的误报，所设计的阈值为4V；

f将急停按钮和限位的接近传感器做成双控开关；

g在界面上实时显示目前的工作进度，高亮显示正在焊接的工作点，显示焊机的电流和电压；

h每焊接完工件，更新后台数据库，并在界面上显示。

本发明的一种自动焊机，把复杂的焊接臂运动分拆成焊头运动和工件运动两种简单的运动，利用电气控制使其有效结合，使焊接动作简单、快捷，提高焊接效率，实现焊接设备使用简单化；同时降低设备制造成本，同时通过总控制柜的人机操作***，实现专用设备加工工件及功能描述用的可视化；通过多自由度实时快速协调焊接加工控制，在保证质量的前提下，通过任务空间的轨迹规划，提升加工效率和加工适应性，可提高生产效率近50%。

附图说明

图1是本发明的一种自动焊机的整体结构示意图；

图2是本发明的一种自动焊机的左侧结构示意图；

图3是本发明的一种自动焊机的右侧结构示意图；

图4是本发明的一种自动焊机的下部结构示意图；

图5是本发明的一种自动焊机的参数标定用棋盘格的示意图；

图中，1—总控制柜；2—塑料桥链固定底板；3—减速机固定架；4—左右轴伺服电机；5—左右轴减速机；6—前后轴丝杆；7—前后轴丝杆座；8—焊头伺服电机；9—焊头减速机；10—焊枪；11—左右轴塑料桥链；12—左右轴塑料桥链轮托；13—风琴式防尘罩；14—360°旋转平台；15—左右轴塑料桥链底托；16—左右轴导轨平台；17—左右轴直线导轨；18—左右轴直齿条；19—支撑脚；20—调节脚垫；21—工件A；22—工件B；23—自动送丝机平台；24—自动送丝机；25—前后轴滚珠丝杆；26—直角固定板；27—前后轴导轨滑块；28—前后轴塑料桥链；29—前后轴直线导轨；30—前后轴主横梁；31—前后轴伺服电机；32—上下轴导轨滑块；33—上下轴滚珠丝杆；34—上下轴塑料桥链；35—上下轴直线导轨；36—上下轴丝杆座；37—上下轴减速机；38—上下轴伺服电机；39—二氧化碳保护焊机；40—二氧化碳气罐。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1至图4所示，本发明的一种自动焊机，包括左右轴导轨平台，左右轴导轨平台的两侧分别设置有左右轴直线导轨，左右轴直线导轨上设置有可沿着左右轴直线导轨左右移动的上下轴直线导轨，上下轴直线导轨上分别设置有可沿着上下轴直线导轨上下移动的前后轴直线导轨，前后轴直线导轨的前端分别设置有可任意调节焊接角度的焊枪。具体地，左右轴导轨平台的中间设置有2个沿着左右轴导轨平台的左右方向设置的360°旋转平台，通过设置在360°旋转平台下面的伺服电机带动旋转。左右轴直线导轨设置在左右轴导轨平台的上部，左右轴直线导轨的下面左右轴导轨平台的下方设置有左右轴直尺条。左右轴导轨平台上左右轴直线导轨的内侧分别设置有左右轴塑料桥链底托，左右轴塑料桥链底托上设置有左右轴塑料桥链和左右轴塑料桥链轮托。上下轴直线导轨有两根，上下轴直线导轨上设置有同时与两根上下轴直线导轨连接的上下轴导轨滑块，两根上下轴直线导轨之间设置有上下轴丝杆座，上下轴丝杆座的中间设置有与上下轴导轨滑块相连的上下轴滚珠丝杆，上下轴滚珠丝杆与设置在上下轴丝杆座上面的上下轴减速机和上下轴伺服电机连接。上下轴直线导轨的内侧设置有上下轴塑料桥链和自动送丝机平台，自动送丝机平台上设置有自动送丝机。前后轴直线导轨设置在通过直角固定板与上下轴导轨滑块连接的前后轴主横梁上，前后轴直线导轨上设置有前后轴导轨滑块，前后轴直线导轨的旁边设置有塑料桥链固定底板，塑料桥链固定底板上设置有前后轴塑料桥链，前后轴直线导轨的一端设置有前后轴丝杆座，前后轴丝杆座中间设置有与前后轴导轨滑块连接的前后轴滚珠丝杆，前后轴滚珠丝杆与设置在前后轴直线导轨另一端的前后轴伺服电机连接。前后轴直线导轨的前端焊枪处设置有与焊枪连接的焊头伺服电机，焊头伺服电机的下方设置有与焊枪连接的焊头减速机。左右轴导轨平台两侧的一端分别设置有减速机固定架，减速机固定架上设置有左右轴伺服电机和左右轴减速机，左右轴导轨平台的下面设置有支撑脚，支撑脚下面设置有调节脚垫，自动焊机还包括与各个电机连接的总控制柜和与焊枪连接的二氧化碳保护焊机，二氧化碳保护焊机与二氧化碳气罐连接。每个焊接臂由5个自由度组成，5个自由度分别为3个棱柱关节和2个旋转关节，3个棱柱关节和2个旋转关节串行相连，3个棱柱关节和2个旋转关节分别各自与电机连接，3个棱柱关节分别负责焊枪的左右运动、上下运动和前后运动，2个旋转关节分别负责焊枪的回转运动和摇摆运动，电机分别通过扩展运动控制卡连接伺服驱动器来控制，扩展运动控制卡分别与输入输出电路板、电机限位转接电路和伺服电机转接电路连接，扩展运动控制卡收到伺服驱动器传回的关节码盘信号，通过PID控制，输出模拟的速度指令给伺服驱动器，使伺服驱动器工作在速度模式，上位机通过以太网接口与运动控制卡相连，上位机通过串口与手持式操作盒相连，上位机监视焊机的工作状态，负责生成焊接轨迹，设计和存储焊接模块。

工作时，通过上述的控制方法进行操作，在360°旋转平台上放置工件，360°旋转平台通过伺服电机经齿轮幅直接带动转动，并由大轴承定心。360°旋转平台转动带动工件旋转，同时左右轴直线导轨、上下轴直线导轨和前后轴直线导轨根据焊接位置的需要进行移动，焊头运动装置是焊接运动的辅助运动，由设置在焊头上的轴向伺服电机经齿轮幅带动焊头转动，主要实现焊头相对于焊接表面的焊接角度的跟踪，焊头转动范围是正负135度。焊头伺服电机经前后轴滚珠丝杆、前后轴直线导轨带动做前后运动，作为纵向运动的补充运动，增大焊接设备的应用范围。焊头前后运动范围为250mm，上下运动范围为300mm。

本发明的自动焊机与手工焊接、通用焊接机器人焊接的各项技术指标对比情况表1所示：

表1 自动焊机与手工焊接、通用焊接机器人焊接的技术指标对比

序号	项目名称	手工焊接	通用焊接机器人	自动焊机	备注
						1	自由度	6	6	6
2	运动精度	/	≤0.1mm	≤0.1mm
						3	焊接速度	≤5mm/s	≤7mm/s	≤10mm/s	均值
4	焊接效率	低	中	高
						5	设备成本	低	高	中	约50%
6	制造难度	/	高	容易
						7	使用难度	高	高	容易
8	生产效率	低	中	高
						9	质量一致性	低	高	高
10	工作环境	恶劣	好	好

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动焊机，其特征在于包括左右轴导轨平台，所述左右轴导轨平台的两侧分别设置有左右轴直线导轨，所述左右轴直线导轨上设置有可沿着左右轴直线导轨左右移动的上下轴直线导轨，所述上下轴直线导轨上分别设置有可沿着上下轴直线导轨上下移动的前后轴直线导轨，前后轴直线导轨的前端分别设置有可任意调节焊接角度的焊枪。

2.如权利要求1所述的一种自动焊机，其特征在于所述左右轴导轨平台的中间设置有2个沿着左右轴导轨平台的左右方向设置的360°旋转平台，所述360°旋转平台是圆形的，通过设置在360°旋转平台下面的伺服电机带动旋转。

3.如权利要求1所述的一种自动焊机，其特征在于所述左右轴直线导轨设置在左右轴导轨平台的上部，所述左右轴直线导轨的下面左右轴导轨平台的下方设置有左右轴直尺条，所述左右轴导轨平台上左右轴直线导轨的内侧分别设置有左右轴塑料桥链底托，左右轴塑料桥链底托上设置有左右轴塑料桥链和左右轴塑料桥链轮托。

4.如权利要求1所述的一种自动焊机，其特征在于所述上下轴直线导轨有两根，上下轴直线导轨上设置有同时与两根上下轴直线导轨连接的上下轴导轨滑块，两根上下轴直线导轨之间设置有上下轴丝杆座，上下轴丝杆座的中间设置有与上下轴导轨滑块相连的上下轴滚珠丝杆，上下轴滚珠丝杆与设置在上下轴丝杆座上面的上下轴减速机和上下轴伺服电机连接。

5.如权利要求1所述的一种自动焊机，其特征在于所述上下轴直线导轨的内侧设置有上下轴塑料桥链和自动送丝机平台，自动送丝机平台上设置有自动送丝机。

6.如权利要求1所述的一种自动焊机，其特征在于所述前后轴直线导轨设置在通过直角固定板与上下轴导轨滑块连接的前后轴主横梁上，前后轴直线导轨上设置有前后轴导轨滑块，前后轴直线导轨的旁边设置有塑料桥链固定底板，所述塑料桥链固定底板上设置有前后轴塑料桥链，前后轴直线导轨的一端设置有前后轴丝杆座，所述前后轴丝杆座中间设置有与前后轴导轨滑块连接的前后轴滚珠丝杆，所述前后轴滚珠丝杆与设置在前后轴直线导轨另一端的前后轴伺服电机连接。

7.如权利要求1所述的一种自动焊机，其特征在于在前后轴直线导轨的前端焊枪处设置有与焊枪连接的焊头伺服电机，焊头伺服电机的下方设置有与焊枪连接的焊头减速机。

8.   如权利要求1所述的一种自动焊机，其特征在于所述左右轴导轨平台两侧的一端分别设置有减速机固定架，减速机固定架上设置有左右轴伺服电机和左右轴减速机，所述左右轴导轨平台的下面设置有支撑脚，支撑脚下面设置有调节脚垫，所述自动焊机还包括与各个电机连接的总控制柜和与焊枪连接的二氧化碳保护焊机，所述二氧化碳保护焊机与二氧化碳气罐连接。

9.如权利要求1所述的一种自动焊机，其特征在于所述自动焊机的每个焊接臂由5个自由度组成，5个自由度分别为3个棱柱关节和2个旋转关节，所述3个棱柱关节和2个旋转关节串行相连，3个棱柱关节和2个旋转关节分别各自与电机连接，3个棱柱关节分别负责焊枪的左右运动、上下运动和前后运动，2个旋转关节分别负责焊枪的回转运动和摇摆运动，所述电机分别通过扩展运动控制卡连接伺服驱动器来控制，所述扩展运动控制卡分别与输入输出电路板、电机限位转接电路和伺服电机转接电路连接，扩展运动控制卡收到伺服驱动器传回的关节码盘信号，通过PID控制，输出模拟的速度指令给伺服驱动器，使伺服驱动器工作在速度模式，上位机通过以太网接口与运动控制卡相连，上位机通过串口与手持式操作盒相连，上位机监视焊机的工作状态，负责生成焊接轨迹，设计和存储焊接模块。

10.如权利要求1所述的一种自动焊机的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1）采用棋盘格三个垂直面放置的方法来进行参数标定：

a将棋盘格放置在左右平面，通过手动操作关节使得焊枪终端遍历棋盘格上的黑白格的交叉点，并记录下关节位置                                               

, i=1,2,…20；

b将棋盘格放置在前后平面，通过手动操作关节使得焊枪终端遍历棋盘格上的黑白格的交叉点，并记录下关节位置

, i=21,2,…40；

c将棋盘格放置在上下平面，通过手动操作关节使得焊枪终端遍历棋盘格上的黑白格的交叉点，并记录下关节位置

, i=41,2,…60；

d采用DH方法对焊机进行建模，得出终端计算公式

   （1）

式中

是4*4的矩阵，是焊枪终端在基座坐标系的4维齐次表示，

,i=1,…5,为手臂关节i-1关节到i关节的坐标转移矩阵；

e由记录下的关机位置

，通过公式（1）可计算得出终端位置

，计算值和真实值有偏差，该偏差可线性近似描述为：

      （2）   

式中，表示实际参数与设计参数的误差，根据(2)式采用最小二乘方法可计算出上述偏差，将偏差与原始数据相加，得到更新后的DH参数，使用更新后的DH参数计算终端位置，计算偏差值，直至计算终端值与实际测量的误差小于允许范围，完成参数标定过程；

2）智能示教：

a输入焊接工件的设计图纸，生成笛卡尔空间的焊接轨迹，点焊模块由三个点组成，分别为起始点，中间点和终止点，弧焊模块由三段共九个点组成，第一段为起始曲线部分，包括一个起始点，两个中间点和一个终止点，第二段为中间过渡的近似直线部分，包括一个起始点、一个中间点和一个终止点，第三段为结束曲线部分，包括一个起始点，两个中间点和一个终止点，相邻两段的终止点和起始点重合；

b对每个焊接点附加以期望的最佳焊接姿态，以两个相接工件的沿焊缝的法向量夹角的中线为最佳焊接姿态，采用俯仰角和摇摆角两个自由度来表示；

c将笛卡尔空间的轨迹，根据整定的参数来反解出对应的关节空间轨迹；

d将模块组合起来形成整个工件的焊接流程，对相同的焊接模块，采用复制的方法进行扩展；

e对已生成的焊接模块进行轨迹测试，对所包含的模块逐一测试，采用手动操作方式对模块的组成点进行修正，并用修正后的关节空间点替换原始的点，同时利用正运算给出队形的任务空间的终端坐标，修正模块的任务空间轨迹；

f试运行焊接模块进行焊接测试，调整焊接模块的距离参数和速度参数，直到所测试模块焊接效果满意为止；

3）安全运行：

a工件焊接流程设计完毕后，给双焊接臂分配焊接工作点或焊接工作模块，使得整个焊接流程中双臂每次焊接作业都是同时启动，并确保互相之间不发送干涉；

b进入参数设计界面，设计终端的保护高度，确认焊接各个工作点的速度和顺序；

c生成焊接流程代码，并下载至扩展运动控制卡；

d设定扩展运动控制卡进入PLC工作模式，由接近传感器传送工件上架完毕信号，启动整个焊接流程，焊接完毕后，发出完毕信号灯指示，撤除焊好的工件，并将新工件上架；

e焊机工作中，持续进行关节限位的检测，采用比较器来滤除限位信号的误报，所设计的阈值为4V；

f将急停按钮和限位的接近传感器做成双控开关；

g在界面上实时显示目前的工作进度，高亮显示正在焊接的工作点，显示焊机的电流和电压；

h每焊接完工件，更新后台数据库，并在界面上显示。

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