一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統，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所對應的激光尋址方法。與標準六自由度焊接機器人相比，本發明大大節省了示教編程時間，降低了操作者的知識水平門檻要求；提高生產率、穩定和保證焊接質量、實現批量產品的焊接自動化生產；解決了當前由于焊接產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
【技術領域】
[0001]本發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，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，屬于焊接【技術領域】。
【背景技術】
[0002]焊接生產自動化是焊接結構生產技術發展的方向。目前焊接自動化技術存在一個亟待解決的難題就是工件的不規則性，這種普遍存在的現象嚴重阻礙了焊接自動化的推廣應用。如果待焊接結構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，但在實際生產中，這只是理想情況。
[0003]目前焊接自動化技術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，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的優點。但是它也有很多缺點，具體包括:
(1)由于工件的不規則性，每次重新焊接都需重新編程，操作工都需要經過專業機器人操作培訓、操作復雜，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，因此推廣應用也受到一定程度的影響；
(4)后臺軟件不開放，使推廣應用和維護受制于人。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是:針對現有技術的缺陷，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。
[0005]本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統，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連接第一至第三伺服電機；
所述觸摸屏用以實現焊接參數的輸入設置和顯示；
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控制器產生控制信號，并將控制信號發送至伺服運動控制器；
伺服運動控制器將控制信號經過伺服放大器發送至伺服電機；
第一至第三伺服電機的控制方位對應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]作為本發明的進一步優選技術方案，所述PLC控制器中具體包括:數據接收功能模塊、數據存儲功能模塊、命令下達功能模塊、安全監測功能模塊；
數據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；
數據存儲功能模塊用于存儲數據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，并將控制信號發送至伺服運動控制器；
安全監測功能模塊用于對伺服電機的動作進行實時監測和安全保護，在發生故障時產生報警信號。
[0007]作為本發明的進一步優選技術方案，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焊接機械手以指定的定位方式、定位速度依次通過預先設定的經過點。
[0008]作為本發明的進一步優選技術方案，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光纖網絡相連接。
[0009]作為本發明的進一步優選技術方案，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]作為本發明的進一步優選技術方案，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、將激光傳感器產生的激光光束紅斑停留在即預掃描位置上，由激光尋址系統記錄下掃描點地址的X軸坐標及預掃描地址的XYZ軸坐標；
步驟二、激光尋址系統根據設定的焊縫類型規劃掃描方向、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記錄激光傳感器的位移數據，在位移數據發生突變時，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束后，激光尋址系統停留在激光掃描結束點，記錄掃描點地址的Z軸坐標；
步驟五、激光尋址系統根據掃描點地址的三軸坐標數據，結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據；
步驟六、將實際點地址的三軸坐標存入激光尋址系統的數據庫中，依次按照每個實際點的三軸坐標得出焊接路徑。
[0012]本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果:與標準六自由度焊接機器人相比，大大節省了示教編程時間，降低了操作者的知識水平門檻要求；提高生產率、穩定和保證焊接質量、實現批量產品的焊接自動化生產；解決了當前由于焊接產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帶來的高成本、推廣應用和維護受制于人等問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的一種結構示意圖。
[0014]圖2是本發明PLC控制器功能模塊的結構示意圖。
[0015]圖3是本發明伺服運動控制器的功能模塊示意圖。
[0016]圖4是本發明激光測距傳感器焊縫軌跡掃描方法的軸側圖；
圖5是本發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.預掃描地址、32.激光掃描結束點、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]本發明提供了一種應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，能夠通過伺服機構的運動，帶動激光傳感器運動，按照自主開發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)。根據所設焊縫類型設置規劃伺服電機的運行方向、運行位移。通過監測激光傳感器測量數據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)預先設置焊接路徑、焊接參數，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]下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明:
本發明的一種結構示意圖如圖1所示，一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統，包括PLC控制器，伺服運動控制器，分別對應空間坐標系中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光纖網絡與所述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絡(優選SSNET III光纖網絡)與伺服運動控制器連接，并通過直接讀取其定位數據，實現高精度定位；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控制系統相連，操作者既可以通過觸摸屏對該系統進行相關操作，也可以實現該系統參數設置、報警查詢的功能。
[0019]本發明PLC控制器功能模塊的結構示意圖如圖2所示。本發明中，PLC控制器包括:數據接收功能模塊、數據存儲功能模塊、命令下達功能模塊、安全監測功能模塊；
數據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據，以及激光傳感器傳送來的數據；
數據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據，以及激光傳感器傳送來的數據；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；
安全監測功能模塊用于對各伺服電機的動作進行實時的監測和安全保護，并作故障報
警處理。
[0020]本發明伺服運動控制器的功能模塊示意圖如圖3所示，本發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吳塊實現何服軸單獨啟動和冋時啟動功能；
單軸定位控制模塊實現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焊接機械手以指定的定位方式、定位速度依次通過預先設定的經過點。
[0021]本發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，
預掃描點為開始掃描的地址；
掃描點為掃描行程結束后 ，得到的一個與實際點有固定關系的點；
實際點為系統實際需要焊接的起始點；
各點坐標關系如下:
預掃描地址: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軸坐標在一瞬間發生突變，激光傳感器測量數據突然變大，即表明圖4中主視圖激光傳感器光束沿Y軸方向對準了坡口的一邊，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，通過系統所述觸摸屏可以設定、修正后存入系統供調用)；
Zreal=Zsao+ δ z ； ( δ z此值為固定值,通過系統所述觸摸屏可以設定、修正后存入系統供調用)；
坡口尺寸不同Sy和δ z也不同，每種坡口尺寸對應一組Sy和δΖ，每種坡口尺寸和對應的石1、S Z通過所述觸摸屏存入系統供調用。
[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，即預掃描位置31，系統將自動記下掃描點地址33的X軸坐標及預掃描地址的XYZ軸坐標；
2)系統將根據所設焊縫類型規劃掃描方向、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，系統一直記錄激光位移傳感器的數據，如果激光位移數據在一瞬間發生突然變大系統就記下這一瞬間的Y值，即掃描點地址33的Y軸坐標；4)該掃描動作結束后，系統停在激光掃描結束點32,系統記下此時激光位移傳感器數據，該數據就是掃描點地址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)系統將根據掃描點與實際點的位移偏差δy、δz(已通過所述觸摸屏設定存入系統)自動換算出實際點地址34的XYZ三軸坐標；
此時根據焊接需求將實際點地址34的坐標存入焊接路徑數據庫。焊接路徑數據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)系統將按照設定的順序自動走到每個點的預掃描地址處，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)所有焊縫掃描結束后，自動激光尋址結束。
【權利要求】
1.一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統，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連接第一至第三伺服電機； 所述觸摸屏用以實現焊 接參數的輸入設置和顯示； 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控制器產生控制信號，并將控制信號發送至伺服運動控制器； 伺服運動控制器將控制信號經過伺服放大器發送至伺服電機； 第一至第三伺服電機的控制方位對應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，其特征在于，所述PLC控制器中具體包括:數據接收功能模塊、數據存儲功能模塊、命令下達功能模塊、安全監測功能模塊； 數據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； 數據存儲功能模塊用于存儲數據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，并將控制信號發送至伺服運動控制器； 安全監測功能模塊用于對伺服電機的動作進行實時監測和安全保護，在發生故障時產生報警信號。
3.如權利要求1所述的一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統，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焊接機械手以指定的定位方式、定位速度依次通過預先設定的經過點。
4.如權利要求1所述的一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統，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光纖網絡相連接。
5.如權利要求1所述的一種焊接機械手坡口焊縫軌跡的激光尋址系統，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，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、將激光傳感器產生的激光光束紅斑停留在即預掃描位置上，由激光尋址系統記錄下掃描點地址的X軸坐標及預掃描地址的XYZ軸坐標； 步驟二、激光尋址系統根據設定的焊縫類型規劃掃描方向、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記錄激光傳感器的位移數據，在位移數據發生突變時，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束后，激光尋址系統停留在激光掃描結束點，記錄掃描點地址的Z軸坐標； 步驟五、激光尋址系統根據掃描點地址的三軸坐標數據，結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據； 步驟六、將實際點地址的三軸坐標存入激光尋址系統的數據庫中，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 優先權日:2013年11月18日
【發明者】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