CN107150160B - 宽适应多功能近零飞溅焊接机器人*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***，包括机器人本体、焊接电源、送丝机、计算机、CAN网络协同控制器、机器人焊炬、供气装置以及冷却装置，计算机连接CAN网络协同控制器，机器人本体、焊接电源、送丝机、机器人焊炬、供气装置以及冷却装置均与CAN网络协同控制器连接；焊接电源包括主电路和控制电路；主电路包括三相整流滤波模块、SiC逆变电路、超高频功率变压器以及SiC超高频整流滤波输出电路。本发明既可用于直流恒压特性焊接，也可用于单脉冲、双脉冲、中值脉冲等任意波形焊接，也能用于高低频组合脉冲焊接，还可以变弧长恒能量方式焊接，此外还可以配合送丝***进行脉冲送丝方式焊接。
Description
技术领域
本发明涉及焊接机器人技术领域，尤其涉及宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***。
背景技术
据中国焊接协会统计，我国焊接机器人主要依赖进口，而进口焊接机器人的价格极其昂贵，且售后服务不佳。约33％的进口焊接机器人在使用过程中存在较严重的“水土不服”情况，这为国产化焊接机器人的迅速推广和应用提供了发展空间。其中，气保焊工艺在机器人焊接中广泛采用。为提高焊接效率和质量，一般采用惰性气体或者富氩气体保护，利用较大的焊接电流来实现喷射过渡；虽然熔滴过渡中几乎不会出现短路，但电弧较长、稳定性降低，使得电弧易于因磁偏吹的影响而发生偏移，出现焊缝咬边和气孔，合金烧损严重，热影响区也比较宽。理论上，降低电压、缩短弧长能够改善这种状况，但这会导致短路情况的出现。传统的焊接机器人***电源-电弧***的响应和调节速度较慢，很难在短路断开之后达到正常弧压之前的瞬间精确控制电流的瞬时增长速度和输入能量，易于发生短路爆断，导致较大的飞溅。随着工业制造的轻量化、强韧化、精密化的趋势，轻质合金、镀层钢板、高强度薄钢板等材料的机器人高速优质焊接已成为行业领域的研究重点，不仅要保证焊接过程的稳定，还要尽量减少热输入以降低热变形，尤其是需要进一步降低焊接飞溅以提高生产效率。传统的机器人焊接***很难兼顾低飞溅、高速、低变形、低热输入焊接工艺的需求。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***，采用先进的全数字化时变特性控制软开关焊接电源、基于总线的全数字协同控制技术以及精确的数字化闭环送丝装置，利用模糊波形控制策略，通过数字集成和网络协同，实现单丝/多丝焊接、高能效变换以及获得近零飞溅、低热输入、优质高效的焊接效果。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***，包括机器人本体、焊接电源、送丝机、计算机、CAN网络协同控制器、机器人焊炬、供气装置以及冷却装置，所述计算机连接所述CAN网络协同控制器，所述机器人本体、焊接电源、送丝机、机器人焊炬、供气装置以及冷却装置均与所述CAN网络协同控制器连接；其中
所述计算机用于控制整个所述宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***；
所述焊接电源用于给整个所述宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***的焊接电弧提供能源；
所述CAN网络协同控制器用于连接焊接机器人***各组成部分，实现各部分之间的相互通信和协同工作；
所述机器人本体用于执行焊接作业，控制所述机器人各个轴协同运行，确保焊炬实现相应的焊接位姿动作；
所述送丝机用于实现送丝方向的正转与反转、等速送丝、变速送丝以及脉动送丝功能；
所述机器人焊炬用于将焊丝引导至焊接部位、控制焊丝和保护气体的供给，以及为焊丝的熔化及熔化金属的过渡提供气体保护；
所述供气装置用于为焊接提供各类保护气体；
所述冷却装置用于为机器人焊炬、工件和焊接电源提供散热冷却作用。
进一步地，所述焊接电源包括主电路和控制电路。
所述主电路包括三相整流滤波模块、SiC逆变电路、超高频功率变压器以及SiC超高频整流滤波输出电路；所述三相整流滤波模块用于将三相交流电整流滤波为平滑的直流电，所述SiC逆变电路用于将直流电调制成高电压、低电流的高频交流方波，所述超高频功率变压器用于隔离变压器前后电路且调制出低电压、高电流的高频交流方波，所述SiC超高频整流滤波输出电路用于将高频交流方波整流滤波成焊接所需的直流电。
所述控制电路包括电流反馈模块、电压反馈模块、数字面板、DSC控制器、SiC超高频驱动模块、开关量模组、控制供电模块以及异常检测保护电路；所述电流反馈模块用于采样输出的焊接电流并反馈回所述的DSC控制器进行PID调节完成恒流输出控制；所述电压反馈模块用于输出焊接电压并反馈至所述DSC控制器进行PID调节完成恒压输出控制；所述数字面板用于完成焊接参数设定，焊接电流电压的实时采集检测及显示，以及焊接电源进行信息数据共享与数字控制；所述DSC控制器用于根据所述数字面板的预设值与电流反馈模块、电压反馈模块提供的电流和电压值产生合适的数字PWM信号；所述SiC超高频驱动模块用于驱动主电路中SiC功率管的开通与关断；所述开关量模组用于输出所述DSC控制器产生的开关信号；所述控制供电模块用于给所述控制电路的各模块提供工作电源；所述异常检测保护电路用于对焊接电源的工作状态进行实时监测判断并进行保护。
进一步地，所述主电路包括全桥电路、隔直电容Cb、饱和电感Ls、电流互感器T、SiC整流模块、输出电抗器Lf以及负载R0；所述全桥电路通过并联的隔直电容Cb和饱和电感Ls连接所述电流互感器T，所述输出电抗器Lf和负载R0串联并连接所述SiC整流模块，所述SiC整流模块连接所述电流互感器T。
进一步地，所述DSC控制器包括微处理器U1、低压差线性稳压电源模块、外部时钟电路以及JTAG调试电路；所述微处理器U1用于产生多路脉宽、占空比、死区时间以及相位均可柔性调节的数字PWM信号；所述低压差线性稳压电源模块包括稳压器、输入滤波电容C14、C15以及输出滤波电容C16、C17；所述外部时钟电路包括石英晶体Y1、电容C2、C3以及电阻R1；所述JTAG调试电路包括接口JTAG以及电阻R8、R2、R3、R4、R5。
进一步地，所述控制供电模块包括滤波浪涌限制电路、整流滤波电路、反激变换器、驱动电路以及若干稳压模块；所述反激变换器用于在网压波动情况下稳定实现2路+12V、2路-12V以及3路+5V的直流输出。
进一步地，所述数字面板包括DSC最小***、反馈电路、正交编码器、按键、LED数码管、驱动电路以及LED指示灯；所述反馈电路、正交编码器、按键、LED数码管、驱动电路以及LED指示灯均连接所述DSC最小***。
进一步地，所述送丝机包括DSC控制***、MOSFET驱动电路、整流滤波电路、电机驱动电路、电机负载、反馈电路以及异常检测电路；其中，所述异常检测电路、DSC控制***、MOSFET驱动电路、电机驱动电路、电机负载以及反馈电路依次连接，所述整流滤波电路连接所述电机驱动电路，所述反馈电路连接所述DSC控制***。
进一步地，所述CAN网络协同控制器包括隔离CAN通信接口芯片；所述隔离CAN通信接口芯片作为CAN通信收发器，用于完成差分信号与二进制信号的相互转换。
进一步地，所述机器人本体采用通用的工业机械手或者专用的焊接机械臂，所述机器人焊炬采用通用型机器人焊炬，所述供气装置采用通用的焊接保护气体供气装置，所述冷却装置采用工业制冷装置。
采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：
(1)焊接工艺质量更好：本发明焊接电源的逆变频率超过200KHz，是现有IGBT逆变式弧焊电源的十倍以上，整机具备更优异的动特性，可以实现焊接电弧的分段分级精细设计和实时控制，与送丝***的配合也更为和谐，焊接工艺的动态调节更为灵敏快捷；
(2)能量利用率更高：本发明所有功率器件均采用新一代SiC器件，使得开关损耗少，能效比现有的IGBT焊接电源节能10％左右；同时，通过电流电压波形与送丝状态的实时协同来减少总能量的输入，不仅可以降低飞溅和变形，还能提升工艺过程节能效果；
(3)可靠性更高：本发明的功率器件为新一代的SiC器件，比IGBT功率器件具有更好的热耐受性和耐压性能，禁带范围宽，器件开关过程不存在反向恢复效应，可靠性更易于得到保障。
附图说明
图1为本发明宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***的结构示意图；
图2为本发明宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***的焊接电源的结构示意图；
图3为本发明宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***的主电路的等效拓扑图；
图4为本发明宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***的DSC控制器的电路结构示意图；
图5为本发明宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***的控制供电模块的结构框图；
图6为本发明宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***的数字面板的结构示意图；
图7为本发明宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***的CAN网络协同控制器的电路图；
图8为本发明宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***的送丝机的电气原理示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。
本发明可通过如下技术方案实现：一种宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***，包括机器人本体、焊接电源、送丝机、基于计算机的CAN网络协同控制器、机器人焊炬以及供气、冷却装置等辅助部分构成，如图1所示。所述机器人本体可以采用通用的工业机械手，也可以采用专用的焊接机械臂；所述机器人焊炬可以采用通用型机器人焊炬。所述供气装置为通用的焊接保护气体供气装置，主要为焊接提供各类保护气体，保护气体包括氩气、CO2、或者氩气与CO2的混合气等常见焊接保护气。所述冷却装置为工业制冷装置，主要为机器人焊炬、工件、焊接电源等提供散热冷却作用。所述多功能近零飞溅焊接机器人***不仅可以用于熔化极气体保护焊，也可以用于填丝/非填丝氩弧焊。所述多功能近零飞溅焊接机器人***可以用于单丝焊接，也可以用于双丝焊接；当采用单丝焊接时，只需要一台数字化焊接电源和一套数字化送丝机；当采用双丝焊接时，既可以共熔池焊接，也可以非共熔池焊接。所述多功能近零飞溅焊接机器人***可以用于直流恒压特性焊接，也可以用于单脉冲、双脉冲、中值脉冲等任意波形焊接，也能用于高低频组合脉冲焊接，还可以变弧长恒能量方式焊接，还可以配合送丝***进行脉冲送丝方式焊接。
如图2所示，所述焊接电源主要包括主电路和控制电路。所述主电路主要包括三相整流滤波模块、SiC逆变电路、超高频功率变压器、SiC超高频整流滤波输出电路组成；所述控制电路包括电流反馈电路、电压反馈电路、数字面板、DSC控制器、SiC超高频驱动模块、开关量模组、控制供电模块以及异常检测保护电路等组成。
如图3所示为所述焊接电源主电路的等效拓扑结构示意图。Q1-Q4为四个SiC功率管，D1-D4为四个功率管的寄生二极管，组成了一个全桥电路；C1和C2为超前臂中开关管Q1和Q2的开关管寄生电容以及外接电容之和；Cb为隔直电容，Ls为饱和电感；Lf为输出电抗器，R0为全桥拓扑电路的负载；R、C为缓冲吸收电阻及电容；D5-D6为SiC整流模块。在换流过程，超前臂与滞后臂的功率开关管同时开通；由于隔直电容Cb的加入，使得换流过程的环流加速衰减，确保滞后桥臂实现零电流关断；而饱和电感Ls可以抑制变压器原边电流上升速度，使得滞后臂实现零电流开通。
如图4所示，DSC控制器主要包括DSC级的ARM微处理器STM32F405RGT6微处理器U1、由AMS1117(U2)及其***电路构成的低压差线性稳压电源模块、由Y1、C1-C2以及R1构成的外部时钟电路、由S1、C1、R7构成的外部复位电路以及由R2-R5、R8以及CN1构成的JTAG调试电路等构成。DSC微处理器可以根据功率开关管工作时序与逻辑关系来产生多路脉宽、占空比、死区时间以及相位均可柔性调节的数字PWM信号；所述DSC微处理器内嵌了相应的电流-电压双闭环控制算法，可以实现恒压、恒流、变斜率特性以及多阶梯特性控制以及多分段能量控制等功能。
如图5所示，所述控制供电模块以多路输出的反激变换器为核心，主要包括滤波浪涌限制电路、整流滤波电路、反激变换器、驱动电路以及稳压模块1-6等组成，能够在很宽的输入电压变化范围内稳定的实现2路+12V、2路-12V以及3路+5V的直流输出，对网压波动的适应性好，进一步提高控制***的可靠性。
所述数字面板可以是数码管+数字按键模式的面板，也可以是工业控制触摸屏***。此处以数码管+数字按键模式的人机交互面板为主进行介绍。如图6所示，它主要包括DSC最小***、反馈电路、正交编码器、按键、LED数码管、驱动电路、LED指示灯等构成；按键、LED和数码管与DSC的GPIO模块相连，LED和数码管驱动电路均采用74HC595和ULN2003扩展IO口和放大LED和数码管的电流，保证足够的显示亮度；该数字面板完成焊接参数设定、焊接电流电压的实时采集检测及显示、以及通过CAN BUS网络与焊接电源等进行信息数据共享与数字控制。
如图7所示，所述CAN接口电路使用了DSC微处理器的一个CAN2.0A通信外设，使用ISO1050隔离CAN通信接口芯片将芯片TTL电平转换成CAN通信所需的差分电平信号，使得***的各个单元控制电路之间都没有电气连接，相互干扰降到最低水平，***运行更加稳定。
如图8所示，所述送丝机为全数字桥式斩波型闭环控制送丝机。它主要包括DSC控制***、MOSFET驱动电路、电机驱动电路、整流滤波电路、反馈电路、电机等效负载、异常检测电路以及夹紧轮、固定支架等辅助件构成。电机驱动电路为PWM控制的桥式斩波电路；采用基于Cortex-M4内核的DSC作为送丝机控制***的核心，实现数字PWM的调控、各种中断信号的处理、反馈信号的模数转换以及基于CAN模块的数字通讯。交流电经整流滤波后送至电机驱动电路，DSC输出PWM信号，经过MOSFET驱动电路隔离和功率放大之后驱动电机驱动电路的MOSFET，从而控制电机驱动电路的输出。反馈电路实时检测电机负载的电压并反馈至MCU的ADC采样端口，经过AD转换和PID运算之后调节PWM脉宽从而控制电机转速。若送丝机发生堵转、过热等异常情况，异常检测电路将输出异常保护信号，关闭PWM输出，实现电机保护。所述送丝机可以通过软件编程实现正转、反转、等速送丝、变速送丝、脉动送丝等多种功能。
本发明创新设计的基础原理为：采用基于SOC级高速DSC全数字控制技术和大功率SiC超高频软开关逆变技术构建高性能的全数字焊接电源；研制基于DSC的全数字桥式斩波型闭环送丝***；利用数字面板实现精确的人机交互；设计基于CAN 2.0的全数字协同控制网络；以工业机器人本体为基础，利用高速CAN总线实现焊接机器人***的全数字集成。在此基础上，采用多种波形精密调控策略，将电流电压波形与送丝过程有机结合，从而精确控制熔滴生长和过渡过程，达到高速焊接、近零飞溅的工艺效果。
本发明的工作原理为：三相/单相交流电经全桥整流滤波形成直流电，通过逆变桥的SiC功率开关管的超高频开关，转换成200KHz以上的高频交流方波脉冲，经功率变压器高频变换隔离后由SiC快速整流二极管、电抗器等快速整流平滑为适合于焊接电弧的直流电源。所述的电流和电压反馈电路主要用于实时检测焊接电源输出的电流和电压波形，并提供给DSC控制器；所述数字面板主要实现工艺参数的预设、状态的显示等人机交互功能；所述DSC控制器主要根据数字面板的预设值与反馈模块提供的电流电压值产生合适的数字PWM信号，并通过SiC高频驱动模块转换成适合SiC功率开关管的PWM驱动信号，实现超高频驱动调制，获得所需的精确电流电压波形；所述送丝机实现精确的送丝方向、速度和正反运行状态的控制；在焊接过程中，机器人、焊接电源、送丝机等通过CAN网络进行高速数字协同，确保在焊接过程焊枪处于不同工位时的焊接电源输出波形与送丝状态有机配合，实现不同焊接工位弧长变化时送丝状态与输出电流电压波形的高速协同，精确控制熔滴生长和过渡过程的力和热，降低在短弧长和长弧长焊接过程的飞溅，提高焊接生产效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。
Claims (8)
1.一种宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***，其特征在于，包括机器人本体、焊接电源、送丝机、计算机、CAN网络协同控制器、机器人焊炬、供气装置以及冷却装置，所述计算机连接所述CAN网络协同控制器，所述机器人本体、焊接电源、送丝机、机器人焊炬、供气装置以及冷却装置均与所述CAN网络协同控制器连接；其中
所述计算机用于控制整个所述宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***；
所述焊接电源用于给整个所述宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***的焊接电弧提供能源；
所述CAN网络协同控制器用于连接焊接机器人***各组成部分，实现各部分之间的相互通信和协同工作；
所述机器人本体用于执行焊接作业，控制所述机器人各个轴协同运行，确保焊炬实现相应的焊接位姿动作；
所述送丝机用于实现送丝方向的正转与反转、等速送丝、变速送丝以及脉动送丝功能；
所述机器人焊炬用于将焊丝引导至焊接部位、控制焊丝和保护气体的供给，以及为焊丝的熔化及熔化金属的过渡提供气体保护；
所述供气装置用于为焊接提供各类保护气体；
所述冷却装置用于为机器人焊炬、工件和焊接电源提供散热冷却作用；
所述送丝机包括DSC控制***、MOSFET驱动电路、整流滤波电路、电机驱动电路、电机负载、反馈电路以及异常检测电路；其中，所述异常检测电路、DSC控制***、MOSFET驱动电路、电机驱动电路、电机负载以及反馈电路依次连接，所述整流滤波电路连接所述电机驱动电路，所述反馈电路连接所述DSC控制***。
2.如权利要求1所述的宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***，其特征在于，所述焊接电源包括主电路和控制电路；
所述主电路包括三相整流滤波模块、SiC逆变电路、超高频功率变压器以及SiC超高频整流滤波输出电路；所述三相整流滤波模块用于将三相交流电整流滤波为平滑的直流电，所述SiC逆变电路用于将直流电调制成高电压、低电流的高频交流方波，所述超高频功率变压器用于隔离变压器前后电路且调制出低电压、高电流的高频交流方波，所述SiC超高频整流滤波输出电路用于将高频交流方波整流滤波成焊接所需的直流电；
所述控制电路包括电流反馈模块、电压反馈模块、数字面板、DSC控制器、SiC超高频驱动模块、开关量模组、控制供电模块以及异常检测保护电路；所述电流反馈模块用于采样输出的焊接电流并反馈回所述的DSC控制器进行PID调节完成恒流输出控制；所述电压反馈模块用于输出焊接电压并反馈至所述DSC控制器进行PID调节完成恒压输出控制；所述数字面板用于完成焊接参数设定，焊接电流电压的实时采集检测及显示，以及焊接电源进行信息数据共享与数字控制；所述DSC控制器用于根据所述数字面板的预设值与电流反馈模块、电压反馈模块提供的电流和电压值产生合适的数字PWM信号；所述SiC超高频驱动模块用于驱动主电路中SiC功率管的开通与关断；所述开关量模组用于输出所述DSC控制器产生的开关信号；所述控制供电模块用于给所述控制电路的各模块提供工作电源；所述异常检测保护电路用于对焊接电源的工作状态进行实时监测判断并进行保护。
3.如权利要求2所述的宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***，其特征在于，所述主电路包括全桥电路、隔直电容Cb、饱和电感Ls、电流互感器T、SiC整流模块、输出电抗器Lf以及负载R0；所述全桥电路通过并联的隔直电容Cb和饱和电感Ls连接所述电流互感器T，所述输出电抗器Lf和负载R0串联并连接所述SiC整流模块，所述SiC整流模块连接所述电流互感器T。
4.如权利要求2所述的宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***，其特征在于，所述DSC控制器包括微处理器U1、低压差线性稳压电源模块、外部时钟电路以及JTAG调试电路；所述微处理器U1用于产生多路脉宽、占空比、死区时间以及相位均可柔性调节的数字PWM信号；所述低压差线性稳压电源模块包括稳压器、输入滤波电容C14、C15以及输出滤波电容C16、C17；所述外部时钟电路包括石英晶体Y1、电容C2、C3以及电阻R1；所述JTAG调试电路包括接口JTAG以及电阻R8、R2、R3、R4、R5。
5.如权利要求2所述的宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***，其特征在于，所述控制供电模块包括滤波浪涌限制电路、整流滤波电路、反激变换器、驱动电路以及若干稳压模块；所述反激变换器用于在网压波动情况下稳定实现2路+12V、2路-12V以及3路+5V的直流输出。
6.如权利要求2所述的宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***，其特征在于，所述数字面板包括DSC最小***、反馈电路、正交编码器、按键、LED数码管、驱动电路以及LED指示灯；所述反馈电路、正交编码器、按键、LED数码管、驱动电路以及LED指示灯均连接所述DSC最小***。
7.如权利要求1所述的宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***，其特征在于，所述CAN网络协同控制器包括隔离CAN通信接口芯片；所述隔离CAN通信接口芯片作为CAN通信收发器，用于完成差分信号与二进制信号的相互转换。
8.如权利要求1所述的宽适应多功能近零飞溅焊接机器人***，其特征在于，所述机器人本体采用通用的工业机械手或者专用的焊接机械臂，所述机器人焊炬采用通用型机器人焊炬，所述供气装置采用通用的焊接保护气体供气装置，所述冷却装置采用工业制冷装置。
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