一种控制焊接烟尘进风口姿态和空间位移的装置及方法.pdf

本发明公开了一种控制焊接烟尘进风口姿态和空间位移的装置及方法，该装置包括固定有进风口及其级联管道的机械手，所述机械手上设置有导引头和控制装置，所述导引头分别与面罩及控制装置连接，当面罩移动时，引起导引头的空间角度和位移发生变化，根据这些变化量，控制装置调整进风口的空间角度和位移；本发明采用具有空间角度传感和位移传感的导引头，控制系统无需事先输入轨迹程序，具有原理可靠、成本低廉、操作简单的特点，能够实现任意焊接轨迹时进风口姿态控制和跟踪问题，大大提高了焊接烟尘净化装置的灵活性和效率。

权利要求书一种控制焊接烟尘进风口姿态和空间位移的装置，包括固定有进风口及其级联管道的机械手，其特征在于，所述机械手上设置有导引头和控制装置，所述导引头分别与面罩及控制装置连接，当面罩移动时，引起导引头的空间角度和位移发生变化，根据这些变化量，控制装置调整进风口的空间角度和位移。
根据权利要求1所述的控制焊接烟尘进风口姿态和空间位移的装置，其特征在于，所述机械手由机械小臂、机械中臂、机械大臂、主旋转电机和行走小车五个关节构成，所述机械小臂、机械中臂和机械大臂依次连接，机械大臂设置在主旋转电机上，主旋转电机设置在行走小车上。
根据权利要求2所述的控制焊接烟尘进风口姿态和空间位移的装置，其特征在于，所述机械小臂上设置有第一角度传感器。
根据权利要求3所述的控制焊接烟尘进风口姿态和空间位移的装置，其特征在于，所述导引头包括球形突出部、圆台、活塞、活塞导杆、第二角度传感器和活塞位移传感器，所述球型突出部与机械小臂的端部通过球铰结构连接，其顶端设置有凹槽，活塞通过圆台固定在凹槽内，可在其内往复运动，所述凹槽底端与球型突出部底端之间开有贯通孔，所述活塞导杆设置在贯通孔内，一端与活塞底面固定连接，另一端与面罩通过球铰连接，所述活塞的上表面设置有穿过圆台的导针，所述第二角度传感器与活塞位移传感器设置在圆台上。
根据权利要求4所述的控制焊接烟尘进风口姿态和空间位移的装置，其特征在于，所述活塞与圆台及凹槽底面之间分别设置有上弹簧、下弹簧。
一种权利要求5所述的装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
首先，控制装置对第二角度传感器和活塞位移传感器的输出进行采样，并根据设定的目标值，确定导引头在x、y、z轴上的位移改变量；
然后，控制装置控制各机械手关节的驱动电机用于移动导引头，使第二角度传感器和活塞位移传感器的输出达到目标值；
最后，控制装置继续调整各机械手关节的驱动电机，使机械小臂上的第一角度传感器输出趋近于其目标值，实现进风口的空间姿态和位移的控制。

说明书一种控制焊接烟尘进风口姿态和空间位移的装置及方法
技术领域
本发明属于材料连接技术领域，涉及一种环境净化设备，尤其涉及一种控制焊接烟尘进风口姿态和空间位移的装置及方法。
背景技术
在焊接生产过程中，会产生大量烟尘，尤其在大规模机械加工场合如造船、锅炉、汽车等加工车间。焊接烟尘中含有Fe2O3、SiO2、MnO、HF、CO、CO2、O3、NOX等有害物质，这些有害物质会产生各种病理反应如胸闷、肺气肿、哮喘、中枢神经紊乱，严重影响了焊工的健康。
当前针对焊接烟尘处理的技术主要侧重于烟尘的吸收技术，如专利（CN102309903A）、专利（CN101966634A）、专利（CN102527182A）分别使用具有喷吸油粉装置的焊接烟尘净化器、高负压焊接烟尘净化装置、抽吸式的净化装置来净化环境。在大部分焊接过程中，烟尘的发生源是移动的，需要实时跟踪并调整净化装置的进风口姿态，才能有效消除焊接烟尘，但以上述专利为代表的技术手段中，除尘装置不能实时移动。
为了使焊接烟尘吸收装置能够实时改变姿态，早在1985年，专利（CN85102406）将吸收装置与面罩连在一起，虽有自然跟踪的优点，但整个面罩重量较大（达到了8KG），焊工难以适应长时间的操作；专利（CN201685048U、CN201711684U）提出基于可编程控制器的吸气口三维跟踪装置，但装置运行路径是事先设定的，如果焊接路径中途发生变化，则可能会失去跟踪目标；尽管专利（CN102049636A）提出了基于多个弧光传感器信号的焊接烟尘进风口移动方法，但该方法容易受到干扰，即需要严格校准不同焊接方法和规范时弧光传感器的参考值，否则会影响进风口姿态的设定值。
可见，焊接烟尘净化装置的进风口空间姿态和位移控制是关键技术之一，但仍然存在着跟踪困难、装备复杂的缺点，因此需要寻求可靠的、操作简易的进风口姿态控制技术，这对有效提高焊接烟尘处理的效率、净化焊接操作环境有着重要意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种控制焊接烟尘进风口姿态和空间位移的装置及方法，该装置操作简单、原理可靠、成本低廉；同时解决焊接生产场合除尘装置的进风口对焊接烟尘产生位移的跟踪问题，提高空气净化效率，从而改善焊接生产的空气质量、保护焊接操作人员的健康。
技术方案：本发明所述的一种控制焊接烟尘进风口姿态和空间位移的装置，包括固定有进风口及其级联管道的机械手，所述机械手上设置有导引头和控制装置，所述导引头分别与面罩及控制装置连接，当面罩移动时，引起导引头相对于面罩的空间角度和位移发生变化，根据这些变化量，控制装置调整进风口的空间角度和位移。
进一步完善上述技术方案，所述机械手由机械小臂、机械中臂、机械大臂、主旋转电机和行走小车五个关节构成，所述机械小臂、机械中臂和机械大臂依次连接，机械大臂设置在主旋转电机上，主旋转电机设置在行走小车上。
进一步，所述机械小臂上设置有第一角度传感器。
进一步完善上述技术方案，所述导引头包括球形突出部、圆台、活塞、活塞导杆、第二角度传感器和活塞位移传感器，所述球型突出部与机械小臂的端部通过球铰结构连接，其顶端设置有凹槽，活塞通过圆台被封闭在凹槽内，可在凹槽内往复运动，所述凹槽底端与球型突出部底端之间开有贯通孔，所述活塞导杆设置在贯通孔内，一端与活塞底面固定连接，另一端与面罩通过球铰连接，所述活塞的上表面设置有穿过圆台的导针，所述第二角度传感器与活塞位移传感器设置在圆台上，所述活塞位移传感器通过测量导针的移动距离达到测量活塞导杆移动距离的目的。
为了减轻焊工的负担，所述活塞与圆台及凹槽底面之间分别设置有上弹簧、下弹簧。所述上弹簧和下弹簧可根据面罩的自重设计，使焊工所需手持力很小，仅需稳住面罩的角度即可。
同时，可设计较长的活塞导杆，利用杠杆效应，使焊工拖拽面罩时，仅需很小的力，就能改变第二角度传感器、活塞位移传感器的输出。
上述装置的控制方法，包括如下步骤：
首先，控制装置对第二角度传感器和活塞位移传感器的输出进行采样，并根据设定的目标值，确定导引头的在x、y、z轴上的位移改变量；
然后，控制装置控制各机械手关节的驱动电机移动导引头，使第二角度传感器和活塞位移传感器的输出达到目标值；
最后，控制装置继续调整各机械手关节的驱动电机，使机械小臂2上的第一角度传感器10输出趋近于其目标值，实现进风口的空间姿态和位移的控制。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明（1）解决了焊接生产场合除尘装置的进风口对焊接烟尘产生位置的跟踪和进风口的姿态控制问题；（2）采用具有空间角度传感和位移传感的导引头，避免了采用复杂的技术如视觉传感技术、弧光传感技术，控制系统无需事先输入轨迹程序，具有简单可靠、成本低廉、操作简单的特点，且能够适应任意焊接轨迹时进风口姿态控制和跟踪问题，更大地提高了焊接烟尘净化装置的灵活性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为所述引导针的结构示意图。
图3为控制装置工作原理框图。
图4为进风口空间位移改变量的确定方法示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1和2所示，一种控制焊接烟尘进风口姿态和空间位移的装置，包括固定有进风口8及其级联管道的机械手，所述机械手上设置有导引头1和控制装置6，所述导引头1分别与面罩9及控制装置6连接。
所述机械手由机械小臂2、机械中臂3、机械大臂4、主旋转电机5和行走小车7五个关节构成，所述机械小臂2、机械中臂3和机械大臂4依次连接，机械大臂4设置在主旋转电机5上，主旋转电机5设置在行走小车7上，所述机械小臂2上设置有第一角度传感器10。
所述导引头1包括球形突出部1‑5、圆台1‑3、活塞1‑4、活塞导杆1‑6、上弹簧1‑8、下弹簧1‑7、第二角度传感器1‑1和活塞位移传感器1‑2，所述球型突出部1‑5与机械小臂2的端部通过球铰结构连接，其顶端设置有凹槽，活塞1‑4通过圆台1‑4被封闭在凹槽内，可在凹槽内往复运动，所述凹槽底端与球型突出部1‑5底端之间开有贯通孔，所述活塞导杆1‑6设置在贯通孔内，一端与活塞1‑4底面固定连接，另一端与面罩9通过球铰连接，所述活塞1‑4的上表面设置有穿过圆台1‑3的导针，所述第二角度传感器1‑1与活塞位移传感器1‑2设置在圆台1‑3上，所述活塞位移传感器1‑2通过测量导针的移动距离达到测量活塞导杆1‑6移动距离的目的，所述活塞1‑4与圆台1‑3及凹槽底面之间分别设置有上弹簧1‑8、下弹簧1‑7。
稳定状态时，面罩9的自重和焊工的手持力在竖直方向的分量，将与上弹簧1‑7、下弹簧1‑8的作用力相平衡，且近似处于垂直线上；但面罩9的任何水平位移的改变，均会引起角度传感器1‑1输出的改变，设其某一时刻的输出量为（α，β，γ）；当焊工将面罩9向上或向下移动时，均会打破弹簧的受力平衡状态，从而引起活塞位移传感器1‑2的输出改变，设其某一时刻的输出量为L，当焊工手持面罩9向上用力时，活塞导杆1‑6推动活塞1‑4，使其相对圆台1‑3沿着轴向向上运动，活塞位移传感器1‑2输出随之改变；当焊工手持面罩9向下用力时，活塞导杆1‑6拉动活塞1‑4，使其相对圆台1‑3沿着轴向向下运动，活塞位移传感器1‑2输出随之改变。
如图3所示，当面罩9的空间位移发生改变时，会引起导引头1中的第二角度传感器1‑1、活塞位移传感器1‑2的输出发生改变；在系统调节过程中，也会引起机械小臂2上的第一角度传感器10输出改变，因此控制系统根据第二角度传感器1‑1、活塞位移传感器1‑2的输出量、第一角度传感器10输出量，控制机械小臂2、机械中臂3、机械大臂4、主旋转电机5、行走小车7的驱动电机运转，及时改变进风口8姿态和空间位移，从而保证进风口8始终保持最佳的吸气状态。
更进一步地，为了控制进风口8空间姿态和位移，首先根据导引头1上的第二角度传感器1‑1和活塞位移传感器1‑2的实时输出，计算导引头1的空间位移改变量，然后调整机械小臂2上第一角度传感器10输出量，具体原理详述如下：
如图4所示，由于活塞导杆1‑6与面罩9球铰连接，以此球铰的中心O建立一个坐标系，该坐标系随着面罩9的移动而移动，可知导引头1相对于面罩9的任意空间角度和位移都是唯一的；设定第二角度传感器1‑1的实时和目标输出分别为（α,β,γ）、（α0,β0,γ0）、活塞位移传感器1‑2的实时和目标输出分别为L、L0，设定活塞导杆1‑6的长度为Lm，设定机械小臂2上的第一角度传感器10目标输出为（αn,βn,γn）。
为了使导引头1的姿态和位移维持设定的目标值，导引头1在x、y、z轴上的位移改变量分别为：