《一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址方法及系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址方法及系统.pdf（11页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103722278 A (43)申请公布日 2014.04.16 CN 103722278 A (21)申请号 201310575996.4 (22)申请日 2013.11.18 B23K 9/127(2006.01) (71)申请人 南京鹏力科技有限公司 地址 210003 江苏省南京市江宁区长青街 32 号 (72)发明人 陈志来 朱丽霞 汪星 鲁周迪 陈汀 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 许方 (54) 发明名称 一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址方 法及系统 (57) 摘要 本发明公开了一种焊接机械手坡口焊缝轨迹 的。
2、激光寻址系统， 包括 PLC 控制器、 伺服运动控制 器、 激光传感器、 触摸屏、 伺服放大器、 伺服电机 ； 所述 PLC 控制器分别和伺服运动控制器、 激光传 感器、 触摸屏相连接， 伺服运动控制器与伺服放大 器相连接， 伺服放大器连接伺服电机。 本发明还公 开了一种所述焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻 址系统所对应的激光寻址方法。与标准六自由度 焊接机器人相比， 本发明大大节省了示教编程时 间， 降低了操作者的知识水平门槛要求 ； 提高生 产率、 稳定和保证焊接质量、 实现批量产品的焊接 自动化生产 ； 解决了当前由于焊接产品一致性差 带来的焊接自动化、 智能化程度低的问题以及部 分坡口焊。
3、缝无法进行激光跟踪的问题。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103722278 A CN 103722278 A 1/2 页 2 1. 一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统， 其特征在于， 包括 PLC 控制器、 伺服 运动控制器、 激光传感器、 触摸屏、 第一至第三伺服放大器、 第一至第三伺服电机 ； 所述 PLC 控制器分别和伺服运动控制器、 激光传感器、 触摸屏相连接， 伺服运动控制器分别和第一至 第三伺服放大器相连接，。
4、 第一至第三伺服放大器分别对应连接第一至第三伺服电机 ； 所述触摸屏用以实现焊接参数的输入设置和显示 ； 所述激光传感器用以扫描所需焊接的坡口焊缝的实际位置， 并将位置信息上传至 PLC 控制器 ； PLC 控制器产生控制信号， 并将控制信号发送至伺服运动控制器 ； 伺服运动控制器将控制信号经过伺服放大器发送至伺服电机 ； 第一至第三伺服电机的控制方位对应空间立体坐标系的三个轴向， 分别控制焊接机械 手在水平面上横、 纵方向的位移和竖直方向上、 下的位移。 2. 如权利要求 1 所述的一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统， 其特征在于， 所述 PLC 控制器中具体包括 ： 数据接收功能模块。
5、、 数据存储功能模块、 命令下达功能模块、 安全监测功能模块 ； 数据接收功能模块用于接收激光传感器采集的位置信息以及伺服运动控制器传送至 伺服电机的控制信号 ； 数据存储功能模块用于存储数据接收功能模块中接收到的位置信息和控制信号 ； 命令下达功能模块用于生成控制信号， 并将控制信号发送至伺服运动控制器 ； 安全监测功能模块用于对伺服电机的动作进行实时监测和安全保护， 在发生故障时产 生报警信号。 3. 如权利要求 1 所述的一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统， 其特征在于， 所述伺服运动控制器中具体包括 ： 绝对位置检测模块、 原点回归模块、 JOG 操作控制模块、 单轴定位控制模块。
6、、 多轴插补控制模块、 恒速控制模块 ； 绝对位置检测模块用于能实时检测当前焊接机械手的绝对位置 ； 原点回归模块用于确认焊接机械手的原点位置 ； JOG 操作控制模块用于实现三个轴向的伺服电机单独启动或者同时启动 ； 单轴定位控制模块用于实现焊接机械手在空间立体坐标系中的单轴上， 从当前停止位 置到指定位置的定位控制 ； 多轴插补控制模块用于实现焊接机械手在空间立体坐标系中的多轴上， 从当前停止位 置到指定位置的插补控制 ； 恒速控制模块用于实现焊接机械手以指定的定位方式、 定位速度依次通过预先设定的 经过点。 4. 如权利要求 1 所述的一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统， 其特征在。
7、 于 ： 所述 PLC 控制器与伺服运动控制器之间、 伺服运动控制器与伺服放大器之间均通过 SSNET 光纤网络相连接。 5. 如权利要求 1 所述的一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统， 其特征在于 ： 所述激光传感器与 PLC 控制器之间通过 RS422 通讯方式相连接。 6. 如权利要求 1 所述的一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统， 其特征在于 ： 所述触摸屏与 PLC 控制器之间通过 RS485 通讯方式相连接。 权 利 要 求 书 CN 103722278 A 2 2/2 页 3 7. 基于权利要求 1 所述一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统的激光寻址方 法， 其特。
8、征在于， 具体步骤为 ： 步骤一、 将激光传感器产生的激光光束红斑停留在即预扫描位置上， 由激光寻址系统 记录下扫描点地址的 X 轴坐标及预扫描地址的 XYZ 轴坐标 ； 步骤二、 激光寻址系统根据设定的焊缝类型规划扫描方向、 扫描距离、 扫描点与实际点 的位移偏差 ； 步骤三、 激光传感器沿 Y 轴方向做直线运动， 在此过程中激光寻址系统记录激光传感 器的位移数据， 在位移数据发生突变时， 记录下扫描点地址的 Y 轴坐标 ； 步骤四、 激光传感器的扫描动作结束后， 激光寻址系统停留在激光扫描结束点， 记录扫 描点地址的 Z 轴坐标 ； 步骤五、 激光寻址系统根据扫描点地址的三轴坐标数据， 结。
9、合扫描点与实际点的位移 偏差， 换算出实际点地址的三轴坐标数据 ； 步骤六、 将实际点地址的三轴坐标存入激光寻址系统的数据库中， 依次按照每个实际 点的三轴坐标得出焊接路径。 权 利 要 求 书 CN 103722278 A 3 1/5 页 4 一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址方法及系统 技术领域 0001 本发明公开了一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址方法及系统， 具体涉及一 种自动化、 智能化和操作便捷化的焊接控制系统， 属于焊接技术领域。 背景技术 0002 焊接生产自动化是焊接结构生产技术发展的方向。 目前焊接自动化技术存在一个 亟待解决的难题就是工件的不规则性， 这种普遍存在的。
10、现象严重阻碍了焊接自动化的推广 应用。如果待焊接结构件每件都能保证工件以及装配的尺寸相同， 则每次焊接自动化设备 就都能够精确地对工件定位和保证焊接位置的一致性， 但在实际生产中， 这只是理想情况。 0003 目前焊接自动化技术解决此问题的方法大都是在焊接机器人上使用进口激光焊 缝跟踪系统， 它能够自动纠正偏离理论焊缝路径 （位置） 的偏差， 这是进口激光焊缝跟踪系 统的优点。但是它也有很多缺点， 具体包括 ： （1） 由于工件的不规则性， 每次重新焊接都需重新编程， 操作工都需要经过专业机器人 操作培训、 操作复杂， 对操作工的知识水平要求高 ； （2） 由于上述原因造成焊接节拍的滞后， 示。
11、教编程花费时间 ； （3） 由于其成本较高昂， 因此推广应用也受到一定程度的影响 ； （4） 后台软件不开放， 使推广应用和维护受制于人。 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题是 ： 针对现有技术的缺陷， 提供一种焊接机械手坡口 焊缝轨迹的激光寻址方法及系统。 0005 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案 ： 一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统， 包括 PLC 控制器、 伺服运动控制器、 激 光传感器、 触摸屏、 第一至第三伺服放大器、 第一至第三伺服电机 ； 所述 PLC 控制器分别和 伺服运动控制器、 激光传感器、 触摸屏相连接， 伺服运动控制器分别和第一至第三伺服放大。
12、 器相连接， 第一至第三伺服放大器分别对应连接第一至第三伺服电机 ； 所述触摸屏用以实现焊接参数的输入设置和显示 ； 所述激光传感器用以扫描所需焊接的坡口焊缝的实际位置， 并将位置信息上传至 PLC 控制器 ； PLC 控制器产生控制信号， 并将控制信号发送至伺服运动控制器 ； 伺服运动控制器将控制信号经过伺服放大器发送至伺服电机 ； 第一至第三伺服电机的控制方位对应空间立体坐标系的三个轴向， 分别控制焊接机械 手在水平面上横、 纵方向的位移和竖直方向上、 下的位移。 0006 作为本发明的进一步优选技术方案， 所述 PLC 控制器中具体包括 ： 数据接收功能 模块、 数据存储功能模块、 命令。
13、下达功能模块、 安全监测功能模块 ； 数据接收功能模块用于接收激光传感器采集的位置信息以及伺服运动控制器传送至 说 明 书 CN 103722278 A 4 2/5 页 5 伺服电机的控制信号 ； 数据存储功能模块用于存储数据接收功能模块中接收到的位置信息和控制信号 ； 命令下达功能模块用于生成控制信号， 并将控制信号发送至伺服运动控制器 ； 安全监测功能模块用于对伺服电机的动作进行实时监测和安全保护， 在发生故障时产 生报警信号。 0007 作为本发明的进一步优选技术方案， 所述伺服运动控制器中具体包括 ： 绝对位置 检测模块、 原点回归模块、 JOG 操作控制模块、 单轴定位控制模块、 多。
14、轴插补控制模块、 恒速 控制模块 ； 绝对位置检测模块用于能实时检测当前焊接机械手的绝对位置 ； 原点回归模块用于确认焊接机械手的原点位置 ； JOG 操作控制模块用于实现三个轴向的伺服电机单独启动或者同时启动 ； 单轴定位控制模块用于实现焊接机械手在空间立体坐标系中的单轴上， 从当前停止位 置到指定位置的定位控制 ； 多轴插补控制模块用于实现焊接机械手在空间立体坐标系中的多轴上， 从当前停止位 置到指定位置的插补控制 ； 恒速控制模块用于实现焊接机械手以指定的定位方式、 定位速度依次通过预先设定的 经过点。 0008 作为本发明的进一步优选技术方案， 所述 PLC 控制器与伺服运动控制器之间。
15、、 伺 服运动控制器与伺服放大器之间均通过 SSNET 光纤网络相连接。 0009 作为本发明的进一步优选技术方案， 所述激光传感器与 PLC 控制器之间通过 RS422 通讯方式相连接。 0010 作为本发明的进一步优选技术方案， 所述触摸屏与 PLC 控制器之间通过 RS485 通 讯方式相连接。 0011 本发明还公开了基于所述一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系统的激光 寻址方法， 其特征在于， 具体步骤为 ： 步骤一、 将激光传感器产生的激光光束红斑停留在即预扫描位置上， 由激光寻址系统 记录下扫描点地址的 X 轴坐标及预扫描地址的 XYZ 轴坐标 ； 步骤二、 激光寻址系统根据设。
16、定的焊缝类型规划扫描方向、 扫描距离、 扫描点与实际点 的位移偏差 ； 步骤三、 激光传感器沿 Y 轴方向做直线运动， 在此过程中激光寻址系统记录激光传感 器的位移数据， 在位移数据发生突变时， 记录下扫描点地址的 Y 轴坐标 ； 步骤四、 激光传感器的扫描动作结束后， 激光寻址系统停留在激光扫描结束点， 记录扫 描点地址的 Z 轴坐标 ； 步骤五、 激光寻址系统根据扫描点地址的三轴坐标数据， 结合扫描点与实际点的位移 偏差， 换算出实际点地址的三轴坐标数据 ； 步骤六、 将实际点地址的三轴坐标存入激光寻址系统的数据库中， 依次按照每个实际 点的三轴坐标得出焊接路径。 0012 本发明采用以上。
17、技术方案与现有技术相比， 具有以下技术效果 ： 与标准六自由度 焊接机器人相比， 大大节省了示教编程时间， 降低了操作者的知识水平门槛要求 ； 提高生产 说 明 书 CN 103722278 A 5 3/5 页 6 率、 稳定和保证焊接质量、 实现批量产品的焊接自动化生产 ； 解决了当前由于焊接产品一 致性差带来的焊接自动化、 智能化程度低的问题以及部分坡口焊缝无法进行激光跟踪的问 题， 解决了使用焊接机器人和进口激光焊缝跟踪系统带来的高成本、 推广应用和维护受制 于人等问题。 附图说明 0013 图 1 是本发明的一种结构示意图。 0014 图 2 是本发明 PLC 控制器功能模块的结构示意。
18、图。 0015 图 3 是本发明伺服运动控制器的功能模块示意图。 0016 图 4 是本发明激光测距传感器焊缝轨迹扫描方法的轴侧图 ； 图 5 是本发明激光测距传感器焊缝轨迹扫描方法的主视图 ； 其中 ： 1. 激光传感器光束、 2. 扫描突变点、 31. 预扫描地址、 32. 激光扫描结束点、 33. 扫描点地址、 34. 实际点地址、 4. 坡口焊缝起点、 5. 扫描距离 （扫描距离人工设定， 大于 坡口宽度） 、 6. 坡口宽度、 7. 坡口深度。 具体实施方式 0017 本发明提供了一种应用于自动化焊接机械手上的坡口焊缝轨迹的激光寻址方法 及系统， 能够通过伺服机构的运动， 带动激光传。
19、感器运动， 按照自主开发的程序自动扫描出 所需焊接焊缝的实际位置坐标， 并自动存储扫描路径 （焊缝轨迹坐标） 。根据所设焊缝类型 设置规划伺服电机的运行方向、 运行位移。通过监测激光传感器测量数据的变化得出所需 焊接的实际位置的坐标。由触摸屏 （人机界面） 预先设置焊接路径、 焊接参数， 通过激光传感 器的自动扫描， 将所需焊接的坡口焊缝的实际位置进行自动示教编程， 对焊接工件进行自 动焊接。 0018 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明 ： 本发明的一种结构示意图如图 1 所示， 一种焊接机械手坡口焊缝轨迹的激光寻址系 统， 包括 PLC 控制器， 伺服运动控制器， 分别对应空。
20、间坐标系中 XYZ 三轴的三组伺服放大 器、 三组伺服电机， 激光传感器， 触摸屏。所述伺服运动控制器通过 SSNET 光纤网络与所 述 PLC 控制器相连， 接受 PLC 控制器的控制指令 ； 所述伺服放大器通过高速同步网络 （优 选 SSNET 光纤网络） 与伺服运动控制器连接， 并通过直接读取其定位数据， 实现高精度定 位 ； 所述伺服电机与伺服放大器相连， 接受伺服放大器的控制指令 ； 所述激光传感器通过 RS422 通讯方式与 PLC 控制系统相连， 反馈当前位移的实时变化 ； 所述触摸屏通过 RS485 通 讯方式与 PLC 控制系统相连， 操作者既可以通过触摸屏对该系统进行相关操。
21、作， 也可以实 现该系统参数设置、 报警查询的功能。 0019 本发明 PLC 控制器功能模块的结构示意图如图 2 所示。本发明中， PLC 控制器包 括 ： 数据接收功能模块、 数据存储功能模块、 命令下达功能模块、 安全监测功能模块 ； 数据接收功能模块用于接收伺服运动控制器传送来的各伺服放大器的数据， 以及激光 传感器传送来的数据 ； 数据存储功能模块用于存储伺服运动控制器传送来的各伺服放大器的数据， 以及激光 传感器传送来的数据 ； 说 明 书 CN 103722278 A 6 4/5 页 7 命令下达功能模块用于向伺服运动控制器下达各动作命令 ； 安全监测功能模块用于对各伺服电机的动。
22、作进行实时的监测和安全保护， 并作故障报 警处理。 0020 本发明伺服运动控制器的功能模块示意图如图 3 所示， 本发明的伺服运动控制器 包括 ： 绝对位置检测模块、 原点回归模块、 JOG 操作控制模块、 单轴定位控制模块、 多轴插补 控制模块、 恒速控制模块 ： 绝对位置检测模块能实时反应当前的绝对位置 ； 原点回归模块用于确认机械原点 ； JOG 操作控制模块实现伺服轴单独启动和同时启动功能 ； 单轴定位控制模块实现单轴从当前停止位置到指定位置的定位控制 ； 多轴插补控制模块实现多轴从当前停止位置到指定位置的插补控制 ； 恒速控制模块用于实现焊接机械手以指定的定位方式、 定位速度依次通。
23、过预先设定的 经过点。 0021 本发明激光测距传感器焊缝轨迹扫描方法的示意图如图 4、 图 5 所示， 预扫描点为开始扫描的地址 ； 扫描点为扫描行程结束后， 得到的一个与实际点有固定关系的点 ； 实际点为系统实际需要焊接的起始点 ； 各点坐标关系如下 ： 预扫描地址 ： 扫描点地址坐标 （Xyu， Yyu， Zyu） 扫描点地址 ：（Xsao， Ysao， Zsao） 实际点地址 ：（Xreal， Yreal， Zreal） Xreal= Xyu= Xsao ； 当扫描点Z轴坐标在一瞬间发生突变， 激光传感器测量数据突然变大， 即表明图4中主 视图激光传感器光束沿Y轴方向对准了坡口的一边，。
24、 记下这一瞬间Y轴坐标， 此值就为扫描 点 Y 轴方向的坐标 Ysao ； Yreal=Ysao+y ；（y 此值为固定值 , 通过系统所述触摸屏可以设定、 修正后存入系 统供调用） ； Zreal=Zsao+z ；（z 此值为固定值， 通过系统所述触摸屏可以设定、 修正后存入系 统供调用） ； 坡口尺寸不同 y 和 z 也不同， 每种坡口尺寸对应一组 y 和 z， 每种坡口尺寸和 对应的 y、 z 通过所述触摸屏存入系统供调用。 0022 激光扫描的步骤如下 ： 1） 由操作员手动将激光光束红斑停在所要焊接位置的主筋上， 即预扫描位置 31， 系统 将自动记下扫描点地址 33 的 X 轴坐标。
25、及预扫描地址的 XYZ 轴坐标 ； 2） 系统将根据所设焊缝类型规划扫描方向、 扫描距离、 扫描点与实际点的位移偏差 y、 z 等 ； 3） 设备沿 Y 轴方向做直线运动。这个过程中 Y 值一直在变化， 系统一直记录激光位移 传感器的数据， 如果激光位移数据在一瞬间发生突然变大系统就记下这一瞬间的 Y 值， 即 扫描点地址 33 的 Y 轴坐标 ； 说 明 书 CN 103722278 A 7 5/5 页 8 4） 该扫描动作结束后， 系统停在激光扫描结束点 32， 系统记下此时激光位移传感器数 据， 该数据就是扫描点地址 33 的 Z 轴坐标， 此时扫描点地址 33 的 X 轴、 Y 轴及 。
26、Z 轴的坐标 全部得出 ； 5） 系统将根据扫描点与实际点的位移偏差 y、 z （已通过所述触摸屏设定存入系统） 自动换算出实际点地址 34 的 XYZ 三轴坐标 ； 此时根据焊接需求将实际点地址 34 的坐标存入焊接路径数据库。焊接路径数据库中 每个实际点的坐标都是按照上述步骤扫描得出的。 0023 对于同型号的工件进行激光示教时， 上述步骤就不需要进行了， 按如下所述步骤 进行扫描 ： 1） 将所需要自动激光寻址的焊缝进行编号并排序 ； 2） 系统将按照设定的顺序自动走到每个点的预扫描地址处， 进行自动扫描， 扫描方式 同手动描述， 扫描完后， 将扫描到的实际值存储 ； 3） 去下一点与扫描地址处， 再次进行自动扫描， 描述同上 ； 4） 所有焊缝扫描结束后， 自动激光寻址结束。 说 明 书 CN 103722278 A 8 1/3 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103722278 A 9 2/3 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 103722278 A 10 3/3 页 11 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103722278 A 11 。