数控多轴联动柔性弧焊系统.pdf

本发明公开了一种数控多轴联动柔性弧焊系统，属于一种自动化焊接系统，其结构包括焊接电源、送丝机、工件夹持运动机构、焊枪运动机构、冷却系统、保护气系统、电气控制系统；焊枪运动机构包括主运动机构以及微动机构；电气控制系统包括数控系统及常规电控系统，数控系统根据焊接参数和程序设定来控制工件夹持运动机构、焊枪运动机构和送丝机；常规电控系统控制冷却系统的启动和停止、保护气系统中气源的开关、提前送气、滞后送气以及引弧、熄弧。本发明的数控多轴联动柔性弧焊系统是介于焊接专机与机器人工作站二者之间的具有较高自动化和柔性化程度的焊接系统，其结构简单、运行可靠、操作简便、价格较低、适用范围广。

1、  数控多轴联动柔性弧焊系统，其特征在于包括焊接电源、送丝机、工件夹持运动机构、焊枪运动机构、冷却系统、保护气系统、电气控制系统；焊枪运动机构包括主运动机构以及微动机构；电气控制系统包括数控系统及常规电控系统，数控系统根据焊接参数和程序设定来控制工件夹持运动机构、焊枪运动机构和送丝机；常规电控系统控制冷却系统的启动和停止、保护气系统中气源的开关、提前送气、滞后送气以及引弧、熄弧。

2、  根据权利要求1所述的数控多轴联动柔性弧焊系统，其特征在于工件夹持运动机构可为滚轮架、变位机、琴键式直缝夹紧装置或焊接机床类结构。

3、  根据权利要求1所述的数控多轴联动柔性弧焊系统，其特征在于数控系统包括基于PC总线的一种步进电机或伺服电机运动控制器，数控系统包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出。

4、  根据权利要求1或3所述的数控多轴联动柔性弧焊系统，其特征在于主运动机构包括XYZ轴运动机构和焊枪姿态调整机构；微动机构包括焊枪的电弧电压自动跟踪系统、电弧摆动系统，其结构形式为A、B轴小型精密十字滑架，电弧电压自动跟踪系统的核心工作部分是电弧传感器，微动机构由步进电机或伺服电机驱动来实现焊接过程中焊枪的电弧电压自动跟踪、电弧摆动和电弧长度的调节。

5、  根据权利要求1、3或4所述的数控多轴联动柔性弧焊系统，其特征在于XYZ轴运动机构包括十字架式和龙门式两种形式；十字架式包括Y、Z轴十字架和X轴纵向运动导轨；龙门式包括龙门运动X轴、滑块沿横梁运动的Y轴和沿滑块上下运动的Z轴；XYZ轴运动机构采用滚珠丝杠和直线导轨部件，由步进电机或伺服电机驱动完成焊枪三维运动。

6、  根据权利要求1、3或4所述的数控多轴联动柔性弧焊系统，其特征在于焊枪姿态调整机构的结构形式为单关节机械手，包括回转机构和倾仰机构，由步进电机或伺服电机驱动。

7、  根据权利要求1或4所述的数控多轴联动柔性弧焊系统，其特征在于微动机构在非熔化极TIG和等离子弧焊中，焊枪的电弧电压自动跟踪系统为闭环控制，根据弧长的电压信号，反馈调节小型精密十字滑架B轴上下微动；电弧摆动系统通过小型精密十字滑架A轴横向的运动，使焊枪做横向摆动运动。

8、  根据权利要求1、3或4所述的数控多轴联动柔性弧焊系统，其特征在于送丝机由步进电机或伺服电机驱动；在熔化极MIG焊接中为闭环自动控制，根据弧长反馈信号自动控制送丝速度；在非熔化极TIG、等离子焊接中根据焊枪运动机构中的微动机构的电弧电压跟踪系统，自动控制送丝速度和焊枪的高度。

数控多轴联动柔性弧焊系统
技术领域
本发明涉及一种自动化焊接系统，具体地说是一种数控多轴联动柔性弧焊系统。
背景技术
随着机械装备与技术的不断提高，先进的焊接工艺及装备对提高焊接件产品的外观质量、工作效率、焊接性能起着关键而重要的作用，传统的手工焊工艺技术已不能适应当前先进设备技术的要求。
焊接自动化已成为国内外焊接领域发展的主要趋势。目前的焊接自动化有两类主要的技术：一类是普通的自动焊接机，由机械驱动工件运动或焊枪运动，与焊接电源和电控部分简单的组合，代替人工完成比较单一的焊接任务；另一类是焊接机器人及其工作站，能完成品种多变和复杂工件的焊接，但技术含量高，价格很高。
发明内容
本发明的技术任务是提供一种介于焊接专机与机器人工作站二者之间的既有较高自动化和柔性化程度，结构简单、运行可靠、操作简便、价格较低、适用范围广、用户能够接受的能替代机器人工作站的数控多轴联动柔性弧焊系统。
本发明的技术任务是按以下方式实现的，包括焊接电源、送丝机、工件夹持运动机构、焊枪运动机构、冷却系统、保护气系统、电气控制系统；焊枪运动机构包括主运动机构以及微动机构；电气控制系统包括数控系统及常规电控系统，数控系统根据焊接参数和程序设定来控制工件夹持运动机构、焊枪运动机构和送丝机；常规电控系统控制冷却系统的启动和停止、保护气系统中气源的开关、提前送气、滞后送气以及引弧、熄弧；电气控制系统与焊接专家系统结合，实现柔性弧焊中心的自动路径行进、自动调整轨迹、自动调整焊枪姿态等功能。
工件夹持运动机构可为滚轮架、变位机、琴键式直缝夹紧装置或焊接机床类结构。
数控系统是基于PC总线的一种高性能、低价位的步进电机或伺服电机运动控制器，它包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出等功能。它可以发出连续的高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向和脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可进行机器两端和原点限位及控制输出等。库函数包括S型和T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。产品可广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。
主运动机构包括XYZ轴运动机构和焊枪姿态调整机构；微动机构包括焊枪的电弧电压自动跟踪系统、电弧摆动系统，其结构形式为A、B轴小型精密十字滑架，焊枪的电弧电压自动跟踪系统的核心工作部分是电弧传感器，电弧传感器的被检测信号是在焊枪与工件相对位置变化时，由电弧自身电参数的变化中提取的，在等速送丝、采用水平外特性焊接电源的系统中，可通过电弧电流的变化来获得检测信号；微动机构由步进电机或伺服电机驱动来实现焊接过程中焊枪的电弧电压自动跟踪、电弧摆动和电弧长度的调节。
XYZ轴运动机构包括十字架式和龙门式两种形式；十字架式包括Y、Z轴十字架和X轴纵向运动导轨；龙门式包括龙门运动X轴、滑块沿横梁运动的Y轴和沿滑块上下运动的Z轴；XYZ轴运动机构采用滚珠丝杠和直线导轨部件，由步进电机或伺服电机驱动完成焊枪三维运动。
焊枪姿态调整机构的结构形式为单关节机械手，包括回转机构和倾仰机构，由步进电机或伺服电机驱动。完成焊枪的回转、倾仰等不同姿态的调整，达到焊枪满足不同位置焊缝的要求。
微动机构在非熔化极TIG和等离子弧焊中，焊枪的电弧电压自动跟踪系统为闭环控制，根据弧长的电压信号，反馈调节小型精密十字滑架B轴上下微动，以达到弧长调节功能，保证焊接过程中弧长的稳定；电弧摆动系统通过小型精密十字滑架A轴横向的运动，使焊枪做横向摆动运动，根据不同焊接工艺规范，通过编程可实现直线、三角、矩形、梯形等图形的电弧扫描动作，完成焊缝的填充。
送丝机由步进电机或伺服电机驱动，可跟据需要进行焊接过程送丝速度的联动调节，从而保证焊丝的熔化量和焊接工艺参数的有机联动；在熔化极MIG焊接中为闭环自动控制，根据弧长反馈信号自动控制送丝速度，以保证稳定的弧长，达到高质量的焊缝要求；在非熔化极TIG、等离子焊接中根据焊枪运动机构中的微动机构的电弧电压跟踪系统，自动控制送丝速度和焊枪的高度，可实现脉动送丝及回缩功能。
本发明的数控多轴联动柔性弧焊系统是一种实现电弧焊工艺方法系列成套自动化的焊接设备，可进行非熔化极TIG、熔化极MIG和等离子等多种弧焊方法。通过电气控制系统控制，实现焊接过程的工件运动、焊枪运动、送丝等多种运动轴的模块化、数字化控制以及焊接电压、电流等多种参数的联动控制，一次装夹即可自动完成整个工件全部或大部的二维或三维焊缝的焊接，从而实现焊接过程的自动化与柔性化。
1、与普通自动焊专机相比较所具有的优点：
(1)、能完成较复杂多变的工件的焊接，可以与多种焊接机械相匹配。
(2)、能完成普通自动焊专机无法完成的，焊接过程中要求多运动轴与多种焊接参数匹配联动复杂的焊接任务。
(3)、通过编程，工件一次装夹，即可完成多维立体焊接，适应多变工件的焊接，实现自动化与柔性化焊接。
2、与焊接机器人及其工作站相比所具有的优点：
(1)、操作较为简便，造价较低，便于推广。
(2)、能完成焊接机器人不能完成的大尺寸大重量工件的焊接。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
附图1为数控多轴联动柔性弧焊系统的实施例1的结构示意图；
附图2为数控多轴联动柔性弧焊系统的实施例2的结构示意图；
附图3为数控多轴联动柔性弧焊系统的实施例3的结构示意图；
附图4为数控多轴联动柔性弧焊系统的实施例4的结构示意图；
附图5为数控多轴联动柔性弧焊系统的实施例5的结构示意图；
附图6为数控多轴联动柔性弧焊系统的结构框图；
附图7为数控多轴联动柔性弧焊系统中的数控系统的结构框图；
附图8为数控多轴联动柔性弧焊系统中的数控系统的功能描述框图；
附图9和附图10为数控多轴联动柔性弧焊系统中的数控系统的编程方式(操作系统的控制面板示意图)；
附图11系列为数控多轴联动柔性弧焊系统中的焊枪的电弧电压自动跟踪系统工作原理图；
附图11-1距离变化示意图；
附图11-2不考虑干伸长改变时I的变化；
附图11-3考虑干伸长改变时I的变化；
附图11-4电弧传感器接线图(ACC式)；
附图11-5考虑干伸长改变时U的变化；
附图11-6电弧传感器接线图(AVC式)；
附图12系列为数控多轴联动柔性弧焊系统中的摆动系统的摆动器的摆动轨迹图；
附图12-1摆动器摆动轨迹；
附图12-2八种不同的摆动模式。
图中：1、焊枪运动机构，2、XYZ轴运动机构，3、焊枪姿态调整机构，4、自动调心调速滚轮架，5、卡盘或回转工作台，6、多自由度变位机，7、焊接机床床头箱，8、焊接机床床身，9、焊接机床尾架，10、工作台，11、移动式龙门架，12、横梁，13、主机机架，14、夹紧机构。
具体实施方式
参照说明书附图和具体实施例对本发明的数控多轴联动柔性弧焊系统作以下详细地说明。
本发明的数控多轴联动柔性弧焊系统，其结构包括焊接电源、送丝机、工件夹持运动机构、焊枪运动机构1、冷却系统、保护气系统、电气控制系统；焊枪运动机构包括主运动机构以及微动机构；电气控制系统包括数控系统及常规电控系统，数控系统根据焊接参数和程序设定来控制工件夹持运动机构、焊枪运动机构1和送丝机；常规电控系统控制冷却系统的启动和停止、保护气系统中气源的开关、提前送气、滞后送气以及引弧、熄弧。
如附图7所示，数控系统是基于PC总线的一种高性能、低价位的步进电机或伺服电机运动控制器，它包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出等功能。它可以发出连续的高频率的脉冲串，通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度，改变发出脉冲的数量来控制电机的位置，它的脉冲输出模式包括脉冲/方向和脉冲/脉冲方式。脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置，纠正传动过程中产生的误差。数字输入/输出点可进行机器两端和原点限位及控制输出等。库函数包括S型和T型加速，直线插补和圆弧插补，多轴联动函数等。产品可广泛应用于工业自动化控制领域中需要精确定位、定长的位置控制系统和基于PC的NC控制系统。
如附图8所示，数控系统特征：台湾586级工业电脑；ADT-834/836高性能运动控制卡；9.4寸彩色液晶屏显示；640×480分辨率；四线电阻式触摸屏；4/6轴运动控制；32路/48路数字输入；32路数字输出。具体参数如下：
●工控机：电子盘容量：8M-144M；586级工业电脑；
●控制卡：ADT-834；ADT-836；
●显示：9.4寸彩色液晶显示，640×480分辨率；
●触摸屏：四线电阻式触摸屏；
●库函数支持：加减速运动；多轴联动；S形加速；T形加速；连续插补；
●软件编程：DOS：C/C++语言；Windows：BC++；
●VC++：4/6路脉冲输出；最高频率：4MHz；脉冲方式：脉冲+方向；脉冲+脉冲；
●I/O通道：→32路数字输入，光耦隔离；隔离电压：2500VDC；输入电压：5-24VDC；高电平：＞4.5V；低电平：＜1.0V；→32路数字输出；NPN集电集开路；5-40VDC，最大电流100mA；
●通讯口：串口通讯，用于程序下载；
●A/D通道：3个模拟量输入通道(气体、电流、AVC/ACC)；
●D/A通道：2个通道(气体、电流)。
数控系统的编程方式如附图9和附图10所示，系统以教导(或示教)编程为主，通过示教编程可设定运动机构的动作，并可通过控制面板设定不同轨迹间的焊接速度、焊接角度等焊接参数。调用程序，将可按设定的轨迹进行全自动的可重复动作的焊接操作，重复误差率不超过1％。系统主要有以下特点：(1)简洁易用的示教编程方式。(2)直观的控制面板，易于操作。(3)提供焊接工艺参数程序库，随时调用。(4)实时监控系统。(5)可以存贮焊接程序。
主运动机构包括XYZ轴运动机构2和焊枪姿态调整机构3；微动机构包括焊枪的电弧电压自动跟踪系统、电弧摆动系统，其结构形式为A、B轴小型精密十字滑架，电弧电压自动跟踪系统的核心工作部分是电弧传感器，微动机构由步进电机或伺服电机驱动来实现焊接过程中焊枪的电弧电压自动跟踪、电弧摆动和电弧长度的调节。
XYZ轴运动机构2包括十字架式和龙门式两种形式；十字架式包括Y、Z轴十字架和X轴纵向运动导轨；龙门式包括龙门运动X轴、滑块沿横梁运动的Y轴和沿滑块上下运动的Z轴；XYZ轴运动机构采用滚珠丝杠和直线导轨部件，由步进电机或伺服电机驱动完成焊枪三维运动。
焊枪姿态调整机构3的结构形式为单关节机械手，包括回转机构和倾仰机构，由步进电机或伺服电机驱动。
微动机构在非熔化极TIG和等离子弧焊中，焊枪的电弧电压自动跟踪系统为闭环控制，根据弧长的电压信号，反馈调节小型精密十字滑架B轴上下微动；电弧摆动系统通过小型精密十字滑架A轴横向的运动，使焊枪做横向摆动运动。
如附图11所示为电弧电压自动跟踪系统工作原理图；弧长控制的核心工作部分是电弧传感器。电弧传感器的被检测信号是在焊枪与工件相对位置变化时，由电弧自身电参数的变化中提取的。在等速送丝、采用水平外特性焊接电源的系统中，可通过电弧电流的变化或电弧电压的变化来获得检测信号。
a、取电弧电流的变化来获得检测信号的工作原理如下，当焊枪与工件的距离L发生变化的时候，见图11-1，弧长即发生变化，例如由L₀-L₁，则稳态电流也要发生变化，其调节过成为：当电弧突然拉长时，电弧工作点由A₀移到A₁，见图11-2，但电弧自身作用(使焊丝熔化速度减慢)将力图使电弧工作点复原(使弧长恢复)，但由于此时电弧干伸长增加，即主回路的电阻加大(在细丝大电流密度焊接时尤其显著)，故焊接电流I’₀比原始电流I₀要小，见图11-3。此时新的工作点A’₀的电弧长度也比原始长度L₀有所增加。换句话说，当焊枪离工件距离增大时，静态焊接电流要减小ΔIs，弧长要增加。反之，若距离减小则电流加大。实验数据为：焊丝直径：Φ1.2mm；焊接电流：I＝215～280A；焊接电压：U＝26～30V；ΔI/ΔL＝5A/mm。它表明焊枪与工件距离每变化1mm，焊枪电流可变化5A左右，即变化1.04～2.4％。可见，利用这一信号来进行焊缝自动跟踪是完全可行的。焊枪与工件之间的距离增大后，电流减小，但焊丝熔化速度仍能保持不变而与送丝速度平衡，这是由于干伸长度增加时电阻热加大的缘故。实际工作中的电路图见图11-4，此电路适应于MIG焊，传感器串联接入电路中，取出的是电流信号，把这个信号送给数控系统，跟设定的值进行比较，根据比较的结果驱动滑块运动，调节焊枪的高度，以适应外界条件变化时引起的弧长变化。
b、取电弧电压的变化来获得检测信号的工作原理如下，原理和上面一样，当焊枪离工件距离增大时，静态焊接电流要减小Δud，见图11-5，弧长要增加。反之，若距离减小则电流加大。利用这一信号来进行焊缝自动跟踪是完全可行的。其接线方式如图11-6所示。
摆动系统：附图12为摆动系统的摆动器的摆动轨迹图。
A、原理：本系统由数控系统控制步进电机来驱动焊接摆动器，使摆动器机械部分得到简化，同时步进电机步长准确、控制可靠，使得利用本系统控制焊接摆动器，不论是摆动速度、摆动幅度还是各点驻留时间控制方便。系统稳定性完全可以满足焊接工厂的需要。焊枪摆动器有两种一种为角摆式，一种为线摆式。
B、组成：摆动系统包括执行机构、驱动机构和控制机构。
(B.1)执行机构主要是一台步进电机，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步。步进电机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调节速度；能够快速启动、反转和制动，稳定可靠。它不需要变换，能直接将数字脉冲信号转换为角位移。
本系统可以实现步进电机的正转和反转两种状态，并且通过控制步进电机的角频率，结合外围的机械传动装置实现对摆动器线速度摆动幅度以及任意点驻留时间的控制。
(B.2)驱动机构
为了驱动步进电机，由运动控制卡(ADT-834/836)输出控制信号，经步进电机驱动器驱动器后输入步进电机，进而驱动摆动器。
(B.3)控制机构
由数控系统的运动卡向步进电机发出控制信号，并协助完成焊缝摆动频率、摆动幅度；焊缝左边界、右边界以及中心停留时间的显示。
C、系统工作过程：
(C.1)焊枪完成引弧后，步进电机开始转动，焊枪向右摆动，步进电机正转摆动器摆动指定的摆动幅度的1/2，焊枪达到焊缝右边界。步进电机停止转动，至右边界停留时间。
(C.2)右边界停留时间结束后，步进电机开始反转，焊枪向左摆动，步进电机反转，至焊缝中心。步进电机停止转动至中心停留时间。
(C.3)中心停留时间结束后，步进电机继续反转，焊枪向左摆动，步进电机反转达到焊缝左边界，步进电机停止转动，至左边界停留时间。
(C.4)左边界停留时间结束后，步进电机开始正转，焊枪向右摆动，步进电机正转达到焊缝中心。步进电机停止转动，至中心停留时间。
(C.5)中心停留时间后，重复步骤(1)，步进电机循环转动。
D、摆动器的程序：可以通过数控系统的参数设定控制三点的驻留时间来获得八种不同的摆动模式。
送丝机由步进电机或伺服电机驱动；在熔化极MIG焊接中为闭环自动控制，根据弧长反馈信号自动控制送丝速度；在非熔化极TIG、等离子焊接中根据焊枪运动机构中的微动机构的电弧电压跟踪系统，自动控制送丝速度和焊枪的高度。
根据不同工件的形状大小，工件夹持运动机构可为滚轮架、变位机、琴键式直缝夹紧装置或焊接机床类结构。作用是使工件在焊接过程中转动、变换角度、回转等，以便工件与焊枪运动协调动作，达到焊接过程的自动化工作。下面为工件夹持运动机构具体的实施例。
实施例1：
工件夹持运动机构为自动调心调速滚轮架4。
如图1所示，自动调心调速滚轮架4包括机架、滚轮、调距及驱动等机构，通常用于较长的大型圆柱形工件，主要作用是使工件在焊接过程中做旋转运动；根据要求，滚轮中心距及滚轮组间距可自动调整，以适应不同直径的工件，配置定位检测装置，可自动进行工件的周向定位，满足柔性焊接的需要；工作时将工件放置在滚轮之上，启动驱动机构就可使工件按要求做旋转定位运动。
实施例2：
工件夹持运动机构为多自由度变位机6。
如图2所示，多自由度变位机6包括机架、变位卡盘或回转工作台及驱动等机构，通常用于长度较短的工件，主要作用是使工件在焊接过程中变换角度及做回转运动；变位卡盘或回转工作台在齿轮机构的驱动下，可按图中所示调整角度，并可使工件在焊接过程中做回转运动，与焊枪运动机构协调动作，完成工件不同角度位置的焊接；工作时将工件夹在变位卡盘或回转工作台5之上，启动驱动机构就可使工件按要求变换角度及做回转运动。
实施例3：
工件夹持运动机构为普通焊接机床。
如图3所示，焊接机床的形式与普通车床类似，包括焊接机床床身8、焊接机床床头箱7(含卡盘)、焊接机床尾架9，通常用于需旋转焊接的工件，主要作用是使工件在焊接过程中做旋转运动，或仅起夹持作用；工作时用卡盘将工件夹住，气动焊接机床尾架9顶上，启动驱动机构，卡盘在焊接机床床头箱7的驱动下，使工件在焊接过程中做旋转运动，配置定位检测装置，可自动进行工件的周向定位，以满足柔性焊接的需要，与焊枪运动机构协调动作，按要求自动进行直焊缝、环焊缝和曲线焊缝等焊接工作。
实施例4：
工件夹持运动机构为龙门焊接机床。
如图4所示，龙门焊接机床的形式与龙门刨床类似，其主要包括工作台10(含工件夹持装置)、移动式龙门架11和横梁12，焊枪运动机构1装在横梁12的滑块上，横梁12可上下运动调整焊枪的高度，以适应不同高度的工件，工作台10可为固定或回转等形式，以满足不同工件或自动化程度的要求，移动式龙门架11、工作台10与焊枪的运动协调动作，主要进行非圆柱类工件的平面或立体的自动焊接。工作时将工件夹持在工作台10上，移动式龙门架11及在其横梁12滑块上的焊枪运动机构1按设定的轨迹联动，同时回转工作台10协调动作，就可自动完成要求的焊接轨迹。
实施例5：
工件夹持运动机构为琴键式直缝夹紧装置。
如图5所示，琴键式直缝夹紧装置包括主机机架13和夹紧机构14，琴键式压块通过气囊压紧方式，使工件夹紧均匀、可靠，确保焊缝外观均匀、美观。
本发明涉及到介于普通自动焊专机与焊接机器人之间的实现电弧焊工艺方法的自动化焊接系统，能实施非熔化极TIG焊、等离子焊和熔化极气体保护焊(MIG)等多种电弧焊工艺。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。