手工焊接自動監控系統及監控方法
2023-05-13 08:25:06
專利名稱：手工焊接自動監控系統及監控方法
技術領域：
本發明涉及手工焊接監控系統及方法。
背景技術：
汽車零部件工件相對於造船、重工、管道等行業，其特點為批量大、材料厚度薄、 焊縫數量多、焊縫長度短、不適於無損探傷(NDT)、多與乘客安全相關(安全法規焊縫)、難於對不合格品返工或補焊。這些特點決定了此類焊接應重點放在過程控制，而非焊接完成後的探傷等檢驗。目前在汽車行業上的此類重要焊縫(安全法規類)的焊接上，各廠家基本採用機器人焊接，但是帶來的問題是技術難度高，設備投資成本居高不下，動輒上百萬，尤其是小批量多品種時，更無法發揮機器人批量製造的優勢。而當採用手工焊接方法時，焊接質量基本完全依靠工人的技術水平及臨場發揮，對焊縫等沒有自動判斷，僅憑工人自檢目測，從而使工件質量帶有極大的隨意性，難以保證批量製造的質量穩定性。
發明內容
本發明的目的是提供一種手工焊接自動監控系統及監控方法，以克服手工焊接質量完全依靠工人水平而定的缺點。本發明的手工焊接自動監控系統，其特徵在於包括控制裝置、手工焊接設備、夾具以及人機互動界面，夾具用於對零件進行定位夾緊，人機互動界面耦接至控制裝置，控制裝置包括信號採集模塊，耦接至焊接設備，以採集焊接設備焊接的通斷電信號；焊縫計數模塊，耦接信號採集模塊，以根據該通斷電信號對焊縫數量進行計數；焊接計時模塊，耦接信號採集模塊，以根據該通斷電信號對焊接時間進行計時；焊接設備控制模塊，耦接焊縫計數模塊，以根據該焊縫數量控制焊接設備電源的通斷；以及夾具鎖定模塊，耦接焊接設備計時模塊，以根據該焊接時間控制夾具的鎖止。所述的手工焊接自動監控系統，其進一步的特點是控制器還包括工件統計模塊。本發明的方法利用所述的手工焊接自動監控系統，其特點是，包括如下步驟A.利用人機互動界面設定規定的焊縫數量、焊接節拍，使焊接設備解除鎖定，此時焊接設備可以通電；B.利用夾具鎖定工件；C.利用焊接設備對工件進行焊接，同時控制器的信號採集模塊採集焊接設備焊接的通斷電狀態，焊縫計數模塊根據通斷電信號對焊縫數量進行計數，焊接計時模塊根據該通斷電信號對焊接時間進行計時； D.通過人機互動界面指令控制器完成焊接；以及 E.利用控制器判斷焊縫數量是否符合通過人機互動界面設定的焊縫數量參數，如果不符合，則輸出警報到人機互動界面，同時，根據焊縫數量多少，少於規定值，提示將漏掉的焊縫再繼續焊完；多於規定值時，報警並啟動焊接設備控制模塊鎖定焊接設備，不允許繼續焊接。所述的監控方法，其進一步的特點是，還包括步驟F.當焊縫數量符合規定值時， 利用控制器進一步判定焊接時間是否符合規定焊接節拍，如果不符合，則輸出警報到人機互動界面，利用夾具鎖定模塊使夾具保持鎖定狀態，對於步驟E中焊縫數量和步驟F中焊接節拍引起的鎖定，需要由人工憑鑰匙解除，以有效控制不合格品的流轉。所述的監控方法，其進一步的特點是，還包括步驟E.在步驟F中焊接節拍符合規定後，利用控制器指令夾具鎖定模塊自動解除鎖定夾具，夾具進入鬆開的激活步驟。所述的監控方法，其進一步的特點是，在步驟A中還利用人機互動界面設定夾具的編號，並在步驟B中判斷工位上的夾具是否與該編號一致。所述的監控方法，其進一步的特點是，在步驟A中還利用人機互動界面設定工件的參數，並在步驟B中判斷夾具上的工件是否與該參數一致。本發明通過對焊縫數量、焊接計時等的控制實現了手工焊機過程的監控，保證了焊接質量，其成本與機器人自動焊接工作站投資成本相比有成十倍的差別，實現了在低成本解決方案下，較好地解決了對手工焊接的自動監控，防止手工焊接過程中，漏焊縫，多焊縫，焊接時間超時等不合格品的流轉，提高了產品質量穩定性，具有較好的社會和經濟效
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圖1是手工焊接自動監控系統的方框圖。圖2是控制裝置的方框圖。圖3是手工焊接自動監控系統運行流程圖。圖4是焊接監控方法的流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，手工焊接自動監控系統包括人機互動界面1，控制裝置2，夾具3和手工焊接設備4。人機互動界面(HMI)例如包括(觸摸)顯示屏、控制按鈕10、指示燈。手工焊接設備4例如包括手工焊機、焊槍、送絲機、線纜。夾具3包括但不限於電氣櫃、CPU、電源、I/O模塊等。在本發明的一實施例中，控制裝置2為可編程邏輯控制器(PLC)，圖2顯示了 PLC 的程序架構，其包括主程序模塊20、信號採集模塊21、夾具鎖定模塊22、焊機控制模塊23、 焊縫計數模塊對、焊接計時模塊25、工件統計模塊26。控制裝置2還包括工件設置模塊 201、工件選擇模塊202、夾具編輯模塊203、夾具手動模塊204、系統設置模塊205、故障診斷模塊206。人機互動界面1用以提供人與設備交互的界面，通過文本顯示屏、觸控螢幕、操作屏、燈鈕等組合出的多種式樣，可以讓人在此實現與控制器的信息交互，例如對工件設置模塊201、工件選擇模塊202、夾具編輯模塊203、夾具手動模塊204、系統設置模塊205、故障診斷模塊206進行參數設置、錯誤提示、選擇設置、數量統計；控制按鈕包括急停、啟動、松夾切換等。手工焊接設備4的用於工人進行手工焊接的電弧焊接電源，其焊接通斷電信號通過信號採集模塊21會被採集可編程邏輯控制器內，並進一步判斷和利用。同時，會受到可編程邏輯控制器中的焊機控制模塊23對其控制。夾具3通過定位銷，基準面，壓緊機構等組件的聯合作用，使裝入其中的工件合理地定位和夾緊到工藝設定的位置，並保持重複性精度的工藝裝備。夾具一般包括基板、定位部分(基準銷、基準面)、安裝支座、夾緊單元(氣缸、夾緊臂、限位塊)、電氣附件(傳感器、 磁性開關、總線模塊)等部分。信號採集模塊21耦接至焊接設備4，以採集焊接設備焊接的通斷電信號，在本發明的一實施例中，信號採集模塊21是通過焊機的焊接電流繼電器(WCR)採集焊機起收弧信號即通斷電信號，手工焊接設備4的焊機內接一個焊接電流繼電器(WCR)，該繼電器為常開型，即不焊接時，沒有電流，繼電器處在打開狀態，當焊接時，有電流通過，繼電器閉合。在焊接電流的通斷時，相應的焊接電流通斷信號即從此處採得。焊縫計數模塊M耦接信號採集模塊21，以根據該通斷電信號對焊縫數量進行計數，即對信號採集模塊21採集數據分析並運算得出一個循環內的焊縫數量。焊接計時模塊 25耦接信號採集模塊21，以根據該通斷電信號對焊接時間進行計時。夾具鎖定模塊22耦接焊接設備計時模塊25，以根據該焊接時間控制夾具的鎖止。在本發明的一實施例中，對於漏焊縫情況在人機互動界面設置工件信息後(工件包括幾條焊縫)，當工人漏焊一條焊縫， 主程序20根據焊縫計數模塊22判斷工件不合格，此時，由夾具鎖定模塊22鎖定著夾具，使其處於夾緊狀態，零件被鎖定在夾具上而無法取下，則有效地控制了漏焊縫工件或零件被取下並流轉入下道工序的情況，同時人機互動界面1提示，漏焊縫數量，提醒工人進行補焊操作。在本發明的一實施例中，對於多焊縫情況也可以得到有效控制。有時，工人會將一條焊縫焊得斷斷續續，其實質上影響了焊縫的質量，但是由於手工的不穩定，要完全達到機器人的穩定性也是不現實的，此時，可以通過人機互動界面設置工件或工件的焊縫最大數，一般比工件圖紙規定的多一條，即工人有一次機會進行熟悉工件，重新補焊，當然此數值根據工人的熟練程序可由管理員級工程師憑密碼將其設置小或大些甚至與圖紙完全一致。焊縫計數模塊M中的焊縫超過設定值時，焊接設備控制模塊23使焊接設備或焊機4進入鎖定狀態，此時焊機4主迴路斷開，不能起弧焊接。需要憑管理人員由鑰匙解除鎖定才可繼續生產。在本發明的一實施例焊接計時模塊25按採集到的焊接信號，通過運算得出一個循環內的焊接時間。根據公式時間*速度=長度，當熟練焊工採用一定的速度焊接時，通過控制時間可有效控制焊縫長度。通過人機互動界面(HMI)設定焊縫最小時間，夾具鎖定模塊22耦接焊接設備計時模塊25，焊接設備計時模塊25檢測到的焊接時間未達到最小時間時，可以有效地防止焊縫未達到規定長度。而當焊完同樣長度的焊縫時，通過設定焊縫最大時間，可以有效防止焊工焊接速度過慢，造成燒穿、過熔等問題。焊接計時的假設條件是工人學會焊接後，總是會習慣性地使用同種速度焊接。一般，當板厚和焊絲等關鍵信息確定下來後，熔化此種金屬需要的熱輸入量是有一個最佳範圍值的，太大，會使得變形嚴重，飛濺較多，太小，則會熔合不足，易產生冷焊，一條質量合格的焊縫需要一個合理的熱輸入量，因此有必要合理控制工人手工焊接過程中的熱輸入量，而熱輸入量(或者說是焊縫質量)是與焊接電流和焊接速度配合後密切相關的。焊接速度是指手持焊槍移動的速度，某條固定的焊縫，要焊出合格質量，可以使用不同的參數組合，得到一條同等質量的焊縫，參數可以在一個合理範圍內調整，以汽車座椅零部件焊接為例，一般焊縫長度為20毫米，按同樣一個合理電流，根據合理的速度(50 IOOcm/ min)，加上起收弧的影響，得知合理的焊接時間為1.8 3.0秒。這樣，焊接這個工件時，可以設定焊接時間上限為3秒，下限為1. 8秒，如果焊接時間小於1. 8秒，說明要麼焊縫質量不好，要麼焊縫超下差焊短了。同理，時間超過上限時，要麼質量不好，要麼焊縫超上差偏長。以單條焊縫時間，乘以焊縫數量，即得到整個工件的時間範圍，從而有效地控制一個工件的節拍。單條焊縫的焊接時間的運算，可由焊接計時模塊25通過採集到的焊縫的起弧和收弧間的時間差運算得出，運算結果與在人機互動界面(HMI)對工件設置的焊接最大時間和最小時間的設置進行比較，並相應地進行報警或顯示合格信息，從而有效地保證了工件質量的穩定性。對於處於調試期間或磨合期的焊工，可以在人機互動界面上顯示提示信息， 僅進行提醒，而不用停機處理，而對於熟練焊工，則可以直接通過控制裝置對其操作進行控制，防止不合格品的流轉。夾具鎖定程序模塊。即根據預定條件，決定夾具是否可以鬆開(以防工人取下不合格零件，流入下一道工序)。在本發明的一實施例中，夾具鎖定模塊22耦接焊接設備計時模塊25，以根據該焊接時間控制夾具的鎖止。焊機設備控制模塊，即根據設定條件，控制焊機能否起弧焊接。在本發明的一實施例中，焊接設備控制模塊M耦接焊縫計數模塊24，以根據該焊縫數量控制焊接設備4電源的通斷。工件統計模塊4用於統計包括但不限於班產量，合格品數，不合格品數，生產總量。工件統計模塊4可以清零，可以預設計劃班產量，以使工人隨時知道還剩餘應完成的量。如圖3所示，生產一個新工件的過程如下1)在步驟301中，啟動設備，準備開始生產；2)在步驟302中，對工件的參數進行設置，包括設置需要在此工位生產的工件進行設定，包括焊縫數量(最少/最多)，焊接時間(最小/最大)、使用的夾具、夾緊步驟等； 可以在調試時，一次將所有需要在此工位生產的工件參數完成設置，以供後續生產使用；3)在步驟303中，在人機互動界面，選擇準備生產的工件或產品，會自動調用工件的參數；4)在步驟304中，開始生產前，該工件的計數置零，以統計本班的產量；5)在步驟305中，主程序模塊20自動判斷工位上所裝載的夾具是否正確，即判定所裝夾具是否與自動調用的設定好的夾具編號一致，如果裝錯了夾具，在步驟311中，此時會有警報發送到人機互動界面1，以提示操作者進入步驟312，更換正確的夾具，對於不正確的夾具，將不能激活夾緊步驟；6)在步驟306中，夾具正確後，開始在夾具上裝入零件；7)在步驟307中，啟動夾具夾緊，裝入正確的零件(與人機互動界面選擇的工件參數一致)，且在夾緊模式下，才能激活夾緊步驟；8)在步驟308中，(可有夾具)判定所裝零件的正確性，當安裝的零件與人機互動界面選擇的工件參數不一致時，進入步驟309，人機互動界面輸出警報，並使夾具不能激活下一步夾緊動作，此時可以在步驟310中將夾具轉到鬆開模式下，取下零件，重新裝夾零件；9)在步驟313中夾緊完成後，夾具輸出裝夾完成信號，可以開始焊接，進行焊接過程的控制(在圖4中有詳細的流程)；10)在步驟313中，工人操作手工焊機，開始依次焊接規定的焊縫；11)在步驟314中焊接完成後，取下零件；12)在步驟315中，工件的計數器步進加1，根據焊接計時模塊25或焊縫計數模塊 M的信號，判定零件是否合格，從而在合格品和不合格品中分別計數統計。13)在步驟316中，操作者取下零件，目測外觀等，並放入相應料箱內。14)循環生產，重新裝件，焊接。下面結合圖4說明焊接過程的監控。當完成零件裝夾，系統得到可以開始焊接生產時，系統進行以下步驟1)在步驟401中，利用焊接設備控制模塊23使焊機解除鎖定，此時焊機可以通電， 並起弧焊接；2)在步驟402中，利用夾具控制模塊使夾具鎖定工件，此時夾具限制打開，防止工人在焊接過程中的斷氣時氣缸打開造成安全事故，亦防止焊完後不合格品被流轉到下工序。3)在步驟403中，工人操作焊槍或手工焊機，開始對規定的各焊縫進行焊接；此時信號採集模塊21採集焊接設備4焊接的通斷電狀態，焊縫計數模塊M根據通斷電信號對焊縫數量進行計數，焊接計時模塊25根據該通斷電信號對焊接時間進行計時；4)在步驟404中，完成焊接後，工人按人機互動界面1中的焊接結束按鈕10，此時發出焊接完成信號到主程序20，在焊接過程中，主程序20會掃描此焊接完成信號，當收到此信號後，才會利用夾具鎖定模塊22激活夾具鬆開程序，進入鬆開步驟；5)在步驟405中，根據焊縫計數模塊M的計數主程序20判斷焊接過程中總的焊縫數量，是否符合選定工件的參數，如果不符合，則在步驟406中輸出警報到人機互動界面 1，同時，根據進入步驟413判斷焊縫數量多少，少於規定值，提示進入步驟408將漏掉的焊縫再繼續焊完；多於規定值時，進入步驟412報警並利用焊接設備控制模塊23鎖定焊機，不允許繼續焊接。6)當焊縫數量符合規定值時，進入步驟409進一步利用焊接計時模塊判定焊接節拍是否符合規定值，如果不符合，則進入步驟410輸出警報到人機互動界面1，進入步驟 411，藉助於夾具鎖定模塊22使夾具保持鎖定狀態，焊縫數量和焊接節拍引起的鎖定，需要由班長憑鑰匙解除，可以有效控制不合格品的流轉。解除鎖定後，進入步驟417，工件統計模塊沈的不合格計數器會自動步進加1，同時進入步驟416焊機鎖定也將附隨解除。7)若步驟409判定節拍符合規定後，默認工件合格，進入步驟414夾具自動解除鎖定，夾具可以進入鬆開的激活步驟。此處的合格與否，主要是指焊縫數量及焊接節拍是否符合設定，並不包括外觀及熔深等需要操作者目測自檢的內容。8)在步驟415中，激活夾具鬆開步驟，夾具按次序依次打開。9)在步驟418中，操作者取下零件，目測外觀等，並放入相應料箱內。
權利要求
1.手工焊接自動監控系統，其特徵在於包括控制裝置、手工焊接設備、夾具以及人機互動界面，夾具用於對零件進行定位夾緊，人機互動界面耦接至控制裝置，控制裝置包括信號採集模塊，耦接至焊接設備，以採集焊接設備焊接的通斷電信號； 焊縫計數模塊，耦接信號採集模塊，以根據該通斷電信號對焊縫數量進行計數； 焊接計時模塊，耦接信號採集模塊，以根據該通斷電信號對焊接時間進行計時； 焊接設備控制模塊，耦接焊縫計數模塊，以根據該焊縫數量控制焊接設備電源的通斷；以及夾具鎖定模塊，耦接焊接設備計時模塊，以根據該焊接時間控制夾具的鎖止。
2.如權利要求1所述的手工焊接自動監控系統，其特徵在於控制器還包括工件統計模塊。
3.基於如權利要求1所述的手工焊接自動監控系統的監控方法，其特徵在於，包括如下步驟A.利用人機互動界面設定規定的焊縫數量、焊接節拍，使焊接設備解除鎖定，此時焊接設備可以通電；B.利用夾具鎖定工件；C.利用焊接設備對工件進行焊接，同時控制器的信號採集模塊採集焊接設備焊接的通斷電狀態，焊縫計數模塊根據通斷電信號對焊縫數量進行計數，焊接計時模塊根據該通斷電信號對焊接時間進行計時；D.通過人機互動界面指令控制器完成焊接；E.利用控制器判斷焊縫數量是否符合通過人機互動界面設定的焊縫數量參數，如果不符合，則輸出警報到人機互動界面，同時，根據焊縫數量多少，少於規定值，提示將漏掉的焊縫再繼續焊完；多於規定值時，報警並啟動焊接設備控制模塊鎖定焊接設備，不允許繼續焊接。
4.如權利要求3所述的監控方法，其特徵在於，還包括步驟F.當焊縫數量符合規定值時，利用控制器進一步判定焊接時間是否符合規定焊接節拍，如果不符合，則輸出警報到人機互動界面，利用夾具鎖定模塊使夾具保持鎖定狀態，對於步驟E中焊縫數量和步驟F中焊接節拍引起的鎖定，需要由人工憑鑰匙解除，以有效控制不合格品的流轉。
5.如權利要求4所述的監控方法，其特徵在於，還包括步驟E.在步驟F中焊接節拍符合規定後，利用控制器指令夾具鎖定模塊自動解除鎖定夾具，夾具進入鬆開的激活步驟。
6.如權利要求3所述的監控方法，其特徵在於，在步驟A中還利用人機互動界面設定夾具的編號，並在步驟B中判斷工位上的夾具是否與該編號一致。
7.如權利要求3所述的監控方法，其特徵在於，在步驟A中還利用人機互動界面設定工件的參數，並在步驟B中判斷夾具上的工件是否與該參數一致。
全文摘要
手工焊接自動監控系統及監控方法，其中信號採集模塊耦接至焊接設備，以採集焊接設備焊接的通斷電信號；焊縫計數模塊耦接信號採集模塊，以根據該通斷電信號對焊縫數量進行計數；焊接計時模塊耦接信號採集模塊，以根據該通斷電信號對焊接時間進行計時；焊接設備控制模塊耦接焊縫計數模塊，以根據該焊縫數量控制焊接設備電源的通斷；夾具鎖定模塊耦接焊接設備計時模塊，以根據該焊接時間控制夾具的鎖止，並根據焊縫數量和焊接時間來監控焊接過程以確保焊接質量。
文檔編號G05B19/048GK102528216SQ201010606709
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月27日 優先權日2010年12月27日
發明者孫立德, 徐乃佩, 程興瀟, 趙曉琴 申請人:佛吉亞(上海)管理有限公司