隨焊超聲衝擊機器人智能測控系統的製作方法
2023-06-13 23:40:46 2
隨焊超聲衝擊機器人智能測控系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種隨焊超聲衝擊機器人智能測控系統，由移動式焊接設備、超聲波衝擊系統、步進電機、控制器、Zibee無線通訊模塊、反光片、測距傳感器組成。能夠實時感測超聲波衝擊系統作業末端與焊後焊縫的偏差，並實現實時糾偏，實現超聲波衝擊頭對已焊焊縫的準確衝擊，以消除焊接應力。本實用新型結構簡單、自動化程度高、焊後焊縫跟蹤精度高。
【專利說明】 隨焊超聲衝擊機器人智能測控系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種隨焊超聲衝擊機器人智能測控系統。
【背景技術】
[0002]在大型結構件焊接、薄板焊接、異種金屬焊接、高溫合金焊接，以及在高精度特種設備焊接等領域，焊接變形需得到有效控制，否則會對焊接件尺寸和外形有影響，而且會降低結構的承載能力。焊接應力是焊接變形的主要原因。消除焊接應力，控制焊接變形的方法很多，目前在工程中較為常用的幾種焊後處理方法有超聲衝擊、焊趾打磨、噴丸、錘擊、TIG熔修、應用低相變點焊條法等。隨焊或焊後衝擊、錘擊、碾壓是一種減小焊接應力、防止焊接變形的有效途徑。其中超聲衝擊技術是一種新穎的有效的消除部件表面或焊縫區有害殘餘拉應力、引進有益壓應力的方法，相比其它方法其優點突出。
[0003]國內僅在專利「恆速掃描定位式焊後焊縫跟蹤及殘餘應力消除系統(CN201210401736)、「焊縫應力消除移動機器人跟蹤系統(CN201310341420)、「焊後焊縫高精度跟蹤及殘餘應力消除系統(CN201310341500) 」中設計了相關全自動焊後焊縫跟蹤及應力消除系統。國內外雖已研製出以移動小車為載體的隨焊(焊後)應力消除設備，但都不能處理焊縫較長或者焊縫彎曲的情況，即不具備長焊縫、彎曲焊縫自動跟蹤功能。所以要使隨焊/焊後應力消除設備能夠自動實施作業，沒有遺漏的處理所有焊後焊縫，需具備焊後焊縫跟蹤功能。
【發明內容】
[0004]本實用新型的目的在於提供一種結構合理，焊後焊縫跟蹤精度高，不受焊渣或焊接缺陷對焊後焊縫跟蹤影響的隨焊超聲衝擊機器人智能測控系統。
[0005]本實用新型的技術解決方案是:
[0006]一種隨焊超聲衝擊機器人智能測控系統，其特徵是:包括移動式焊接設備、超聲波衝擊系統，在移動式焊接設備、超聲波衝擊系統上分別固定有反光片，反光片用於反射式測距傳感器實現距離測量；固定在移動式焊接設備上的反光片與移動式焊接設備同步運動，固定在超聲波衝擊系統上的反光片與超聲波衝擊系統同步運動；移動式焊接設備、超聲波衝擊系統上的反光片通過安裝在不同高度來避免相互幹擾，並採用不同調製頻率的雷射或紅外光來避免幹擾；歩進電機固定安裝在焊縫以外區域，四個步進電機對稱分布組成平面長方形或正方形，並保證焊縫在四個步進電機所圍成的長方形或正方形內；每個步進電機均安裝有測距傳感器，測距傳感器與電機軸固定連接，同軸旋轉；四臺步進電機中，兩臺用於確定焊接噴嘴的移動軌跡，另外兩臺用於獲取超聲波衝擊頭的移動軌跡；無線通訊模塊由控制器控制，無線通訊模塊採用Zigbee無線通訊模塊。
[0007]超聲波衝擊系統採用輪式移動機器人作為本體，通過兩輪差動實現機器人位置粗定位，採用十字滑塊作為超聲波衝擊頭定位驅動機構，實現超聲波衝擊頭的精密定位。
[0008]測距傳感器採用雷射傳感器或紅外傳感器。
[0009]本實用新型能夠實時感測超聲波衝擊系統作業末端(超聲波衝擊頭)與焊後焊縫的偏差，並實現實時糾偏，實現超聲波衝擊頭對已焊焊縫的準確衝擊，以消除焊接應力。結構簡單、自動化程度高、焊後焊縫跟蹤精度高，不受焊渣或焊接缺陷對焊後焊縫跟蹤的影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0011]圖1是本實用新型的全自動焊後焊縫跟蹤及超聲衝擊系統結構圖。
[0012]圖2是本實用新型的全自動焊後焊縫跟蹤及超聲衝擊系統中，焊接應力消除移動機器人控制系統結構圖。
[0013]圖1中由步進電機B2、B3、B4，測距傳感器Q、C2、C3、C4，控制器K1、K2、K3、K4，反光片A、B，移動式焊接設備I (含焊接噴嘴)，超聲波衝擊系統2 (含超聲波衝擊頭)等。4個測距傳感器Q、C2、C3、C4分別固定在B 1、B2、B3、B4步進電機軸上，與電機同軸旋轉。焊縫為平面二維焊縫，黑色填充線為已焊焊縫，其餘為未焊焊縫。反光片A、B分別固定在移動式焊接設備和超聲波衝擊系統上。反光片A的中心與測距傳感器C1X2在同一水平面上，當測距傳感器與反光片A正相對時，可測量ACpAC^距離。反光片B的中心與測距傳感器C 3、C4在同一水平面上，當測距傳感器C 3、(；與反光片B正相對時，可測量BC 3、8(；的距離。反光片A、B通過安裝在不同高度來避免相互幹擾，並採用不同調製頻率的雷射或紅外光來避免幹擾。以說明書附圖1所示步進電機BjPB4軸心連線為Y軸，以步進電機B JPB4距離中點為原點，建立平面X - Y直角坐標系。每個步進電機均安裝有測距傳感器，測距傳感器與電機軸固定連接，同軸旋轉。四個測距傳感器與步進電機軸心線交點坐標可確定，分別為O1 (X1, Y1)、O2 (X2、Y2)、03(X3、Y3)、O4 (X4, Y4)。確保焊縫在 Op O2、O3、O4四點所圍成的長方形(或正方形)內。控制器KpK2'K3、1(4分別為步進電機BpB2、B3、B4的細分控制器。步進電機的線速度應大於移動式焊接設備、超聲波衝擊系統的速度(在實際應用中，焊接速度和超聲波衝擊速度都較慢，因此該條件可以滿足)。無線通訊模塊W、Z3, Z4分別由控制器K^KpKrK4控制，無線通訊模塊可採用Zigbee無線通訊模塊。
[0014]圖2中包含超聲波衝擊系統3、移動機器人本體4、十字滑塊5、雙步進電機及驅動控制器6，雙直流伺服電機及驅動控制器7。超聲波衝擊系統與十字滑塊固定連接，雙步進電機用於驅動十字滑塊帶動超聲波衝擊系統精密定位。移動機器人本體為雙輪差動結構，由兩臺直流伺服電機控制機器人本體運動，實現粗定位。十字滑塊與機器人本體的驅動，也可採用其它電機替代步進電機和直流伺服電機。
【具體實施方式】
[0015]一種全自動焊後焊縫跟蹤及超聲衝擊系統，包括移動式焊接設備、超聲波衝擊系統，在移動式焊接設備、超聲波衝擊系統上分別固定有反光片A、反光片B，反光片A、反光片B用於反射式測距傳感器實現距離測量；固定在移動式焊接設備上的反光片A與移動式焊接設備同步運動，固定在超聲波衝擊系統上的反光片B與超聲波衝擊系統同步運動；移動式焊接設備、超聲波衝擊系統上的反光片通過安裝在不同高度來避免相互幹擾，並採用不同調製頻率的雷射或紅外光來避免幹擾；歩進電機固定安裝在焊縫以外區域，四個步進電WB1、B2、B3、B4對稱分布組成平面長方形或正方形，並保證焊縫在四個步進電機所圍成的長方形或正方形內；以步進電Wb1和步進電機B4軸心連線為Y軸，以步進電機Bi和步進電機Bjg離中點為原點0(0，O)，建立平面X -Y直角坐標系；每個步進電機均安裝有測距傳感器，測距傳感器與電機軸固定連接，同軸旋轉；四個測距傳感器Cp C2, C3, C4與步進電機軸心線交點坐標分別為O1 (X1、Y1)、O2 (X2、Y2)、O3 (X3、Y3)、O4 (X4、Y4);四臺步進電機中，兩臺用於確定焊接噴嘴的移動軌跡，另外兩臺用於獲取超聲波衝擊頭的移動軌跡，將兩軌跡進行比較，即可得到超聲波衝擊頭偏離已焊焊縫的距離和方向，從而通過控制系統實現糾偏，保證應力消除裝置作業末端始終對準焊縫作業；控制器K1、K2、K3、1(4分別為步進電機B 1、Β2、Β3、84的細分控制器，步進電機的線速度大於移動式焊接設備、超聲波衝擊系統的速度；無線通訊模塊Zp Z2、Z3、Z4分別由控制器K P K2、K3、K4控制，無線通訊模塊採用Zigbee無線通訊模塊。
[0016]超聲波衝擊系統採用輪式移動機器人作為本體，通過兩輪差動實現機器人位置粗定位，採用十字滑塊作為超聲波衝擊頭定位驅動機構，實現超聲波衝擊頭的精密定位。
[0017]測距傳感器採用雷射傳感器或紅外傳感器。
[0018]以二維焊縫為例，如圖1所示，在焊接之前，先固定安裝四臺步進電機Β2、Β3、B4,四臺步進電機軸心可連接成長方形(或正方形)，且二維彎曲或直線焊縫應在該長方形(或正方形)內。以步進電機BjPB4軸心連線為Y軸，以步進電機離中點為原點0(0，O)，建立平面X-Y直角坐標系。步進電機Bp B2、B3、B4上分別安裝有測距傳感器(可採用紅外或雷射傳感器)C1X2'C3、C4，測距傳感器與電機軸固定連接，同軸旋轉。在焊接前，確定四個測距傳感器與步進電機軸心線交點坐標，分別為O1 (X1, Y1)、O2 (X2, Y2)、O3(X3、Y3)、04(Χ4、Υ4)。
[0019]移動式焊接設備由焊接初始點開始焊接，當移動式焊接設備在焊接初始點時，在移動焊接設備上安裝反光片Α，Α與(^、(:2在同一水平面上，且為避免焊接過程中的弧光等幹擾，測距傳感器和反光片安裝高度高於焊接噴嘴，並且測距傳感器採用特定調製頻率避開弧光及等離子體輻射的幹擾。移動式焊接設備在焊接初始點時，保證測距傳感器Q、C2發出的光信號(紅外或雷射)能夠射在反光片上，測距傳感器Q、C2的信號分別由控制器K 1、K2進行處理和計算，得到的距離分別為U、L2。控制器K1將檢測的距離L i通過無線通訊模塊(可採用Zigbee無線通訊模塊)Z1傳輸到無線通訊模塊Z 2，並由無線通訊模塊22送入控制器1(2，在控制器1(2中，通過平面幾何計算可以算出三角形「A O1O2」的頂點A的坐標(該三角形兩頂點O1 (X1, Y1)、O2 (X2, Y2)坐標已知，則O1O2之間的距離L可知，三角形三條邊已知，則可確定頂點A的坐標)。控制器KpK2每隔一定時間(tms)採樣測距傳感器的信號，計算一次A點坐標。
[0020]當移動式焊接設備開始焊接時，(如圖1所示，設焊接方向由右向左)，移動焊接設備產生移動，當控制器Kp K2採集不到測距傳感器的信號時，則說明測距傳感器發射的光信號已經不能射到反光片。此時，步進電機B1、B2逆時針旋轉，帶動測距傳感器產生旋轉運動，使測距傳感器發射的光信號重新射到反光片，此時步進電機停止運行，並計算出新的距離(由於焊接速度較慢，因此步進電機線速度遠大於移動焊接設備的速度，可以保證測距傳感器發出的光信號能夠跟蹤移動焊接設備的位置變化。且由於步進電機細分後步距角很小，當重新檢測到距離信號後，步進電機立刻停止，因此不會出現測距的光信號超越反光片的情況。)。由新的距離值，可以重複上述平面幾何計算方法，得到新的A點坐標。以此類推，可以得到A點的軌跡坐標「 Oi1, HI1)、(n2，m2)、(n3，m3).........」，A點軌跡上的任意一點坐標，以(nx，mx)表示，此軌跡就是焊接噴嘴運動的軌跡，假定移動焊接設備具有精密的焊縫跟蹤性能，此軌跡也就是焊縫的軌跡。
[0021]當移動式焊接設備焊接了一定時間後，就可以啟動超聲波衝擊系統，跟隨移動式焊接設備的軌跡，進行焊後衝擊作業。超聲波衝擊系統的運行，也從焊接初始點開始。在超聲波衝擊系統上安裝反光片B，B與C3、C4在同一水平面上，且為了消除幹擾，B與A不在同一水平面上。初始時，保證測距傳感器C3、C4發出的光信號(紅外或雷射)能夠射在反光片B上，測距傳感器C3、C4的信號分別由控制器K 3、1(4進行處理和計算，得到的距離分別為L 2』、L/ο控制器K4將檢測的距離L/通過無線通訊模塊(可採用Zigbee無線通訊模塊)&傳輸到無線通訊模塊Z3，並由無線通訊模塊Z3送入控制器K 3，在控制器K3中，通過平面幾何計算可以算出三角形「B0304」的頂點B的坐標(該三角形兩頂點03(Χ3、Υ3)、04(Χ4、Υ4))坐標已知，則O3O4之間的距離L可知，三角形三條邊已知，則可確定頂點B的坐標)。控制器K 3、Κ4每隔一定時間(tms)採樣測距傳感器的信號，計算一次B點坐標。
[0022]當超聲波衝擊系統產生移動(見圖1，設為從右向左)，當控制器1(3、1(4採集不到測距傳感器的信號時，則說明測距傳感器發射的光信號已經不能射到反光片。此時，步進電機B3, B4順時針旋轉，帶動測距傳感器產生旋轉運動，使測距傳感器發射的光信號重新射到反光片，此時步進電機停止運行，並計算出新的距離(由於超聲波衝擊速度較慢，因此步進電機線速度遠大於超聲波衝擊系統的速度，可以保證測距傳感器發出的光信號能夠超聲波衝擊系統的位置變化。且由於步進電機細分後步距角很小，當重新檢測到距離信號後，步進電機立刻停止，因此不會出現測距的光信號超越反光片B的情況。)。由新的距離值，可以重複上述平面幾何計算方法，得到新的B點坐標。以此類推，可以得到B點的軌跡坐標「 (n/，
m/ )、(n2』，m2』)、(n3』，m/ ).........」，B點軌跡上的任意一點坐標，以(nx』，mx』 )表示，此軌跡就是超聲波衝擊頭運動的軌跡。
[0023]為了使超聲波衝擊頭的運動軌跡，跟隨移動焊接設備運動軌跡變化，具體實現方法如下。控制器1(2得到的六點的軌跡的離散點「(111，1111)、(112，1112)、(113，1113).........」均通過
Zigbee無線通訊模塊Z2傳輸到控制器K 3，並存儲在控制器K3中。控制器K 3每得到一個新的超聲波衝擊頭運動的軌跡點(nx』，mx』 )後，與K3存儲器中的所有的點「(n ^m1)、(n2，m2)、
(n3，m3).........」逐個進行比較，選擇與(nx』，mx』 )歐氏距離最短的點(nx，mx)作為目標點，
計算「nx』 _nx」、「mx』 _mx」的大小，並且以這個大小作為偏差量，調整移動機器人本體的直流伺服電機和十字滑塊的步進電機，帶動超聲波衝擊系統向著減小偏差的方向運動。這樣就能夠不斷保持超聲波衝擊頭的運動，始終跟隨移動焊接設備運動軌跡變化。
【權利要求】
1.一種隨焊超聲衝擊機器人智能測控系統，其特徵是:包括移動式焊接設備、超聲波衝擊系統，在移動式焊接設備、超聲波衝擊系統上分別固定有反光片，反光片用於反射式測距傳感器實現距離測量；固定在移動式焊接設備上的反光片與移動式焊接設備同步運動，固定在超聲波衝擊系統上的反光片與超聲波衝擊系統同步運動；移動式焊接設備、超聲波衝擊系統上的反光片通過安裝在不同高度來避免相互幹擾，並採用不同調製頻率的雷射或紅外光來避免幹擾；歩進電機固定安裝在焊縫以外區域，四個步進電機對稱分布組成平面長方形或正方形，並保證焊縫在四個步進電機所圍成的長方形或正方形內；每個步進電機均安裝有測距傳感器，測距傳感器與電機軸固定連接，同軸旋轉；四臺步進電機中，兩臺用於確定焊接噴嘴的移動軌跡，另外兩臺用於獲取超聲波衝擊頭的移動軌跡；無線通訊模塊由控制器控制，無線通訊模塊採用Zigbee無線通訊模塊。
2.根據權利要求1所述的隨焊超聲衝擊機器人智能測控系統，其特徵是:超聲波衝擊系統採用輪式移動機器人作為本體，通過兩輪差動實現機器人位置粗定位，採用十字滑塊作為超聲波衝擊頭定位驅動機構，實現超聲波衝擊頭的精密定位。
3.根據權利要求1所述的隨焊超聲衝擊機器人智能測控系統，其特徵是:測距傳感器採用雷射傳感器或紅外傳感器。
【文檔編號】B23K37/00GK204234993SQ201420703416
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月20日 優先權日:2014年11月20日
【發明者】華亮, 顧菊平, 唐子峻, 羅來武, 張新松, 張晴, 蔣凌, 華俊豪, 姜曉棟, 李建國, 倪海雪 申請人:南通大學