基于雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種基于雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)及其方法.系統(tǒng)主要包括雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器，雷達(dá)探測(cè)控制器，自適應(yīng)弧度調(diào)整器，焊接系統(tǒng)控制箱，焊接機(jī)器人，焊接電源及焊接水冷系統(tǒng)。所述焊接系統(tǒng)的雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器內(nèi)設(shè)沿焊接方向布置的前置探頭與后置探頭同頻擺動(dòng)掃描識(shí)別焊縫信號(hào)，將前后掃描信息導(dǎo)入雷達(dá)探測(cè)控制器進(jìn)行信號(hào)處理，運(yùn)算處理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊縫信息。前置探頭通過(guò)對(duì)中心軸線的左右偏差識(shí)別焊縫走向，自適應(yīng)弧度調(diào)整器根據(jù)反饋信號(hào)自適應(yīng)調(diào)節(jié)焊接機(jī)器人的偏轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)化焊接。在保證焊接效果的前提下，提高了焊縫識(shí)別精度。
【專利說(shuō)明】
基于雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及焊接自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙激光雷達(dá)精確測(cè)控焊縫的 系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 盡管目前焊縫跟蹤技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但對(duì)于復(fù)雜的焊接還有待改進(jìn)，發(fā)展的空 間還是很大的。鑒于中國(guó)制造2025的發(fā)展趨勢(shì)，大型重要器件如船艙甲板等加工板材對(duì)焊 接的質(zhì)量要求更高。因此，需要充分考慮焊接環(huán)境的復(fù)雜性，焊縫跟蹤的精度，才能保證焊 接的質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)前工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)大型平板的需求量加大， 為降低生產(chǎn)成本，焊接設(shè)備必須適應(yīng)復(fù)雜焊縫的焊接以便于拓展焊接自動(dòng)化設(shè)備的焊接范 圍。
[0003] 復(fù)雜焊接的重難點(diǎn)在于焊縫信號(hào)提取與焊縫偏差的識(shí)別。開(kāi)發(fā)明專利:一種基于 激光雙目視覺(jué)的復(fù)雜角焊縫位置檢測(cè)方法（申請(qǐng)?zhí)枮?014100428828)中采用的是雙目CCD 攝像識(shí)別技術(shù)。CCD易受弧光的干擾，且一般體積較大不易安裝，限制了焊槍的可達(dá)性。與其 相比，電弧傳感器就有著難以替代的優(yōu)勢(shì)。本文旨在提出將一種新的傳感器運(yùn)用到焊接中 來(lái)，以提高對(duì)焊縫的提取和偏差識(shí)別。21世紀(jì)以來(lái)雷達(dá)傳感器在航空航天、精準(zhǔn)導(dǎo)航、空間 定位、位移監(jiān)測(cè)等問(wèn)題，但至今仍然很少看到將其應(yīng)用于焊縫跟蹤領(lǐng)域的文獻(xiàn)與報(bào)道。先采 用雙激光雷達(dá)傳感器與焊接自動(dòng)化有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用雷達(dá)精確掃描焊縫信號(hào)，在焊接 狀態(tài)惡劣的狀況實(shí)現(xiàn)精確焊縫跟蹤。本發(fā)明將雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器，雷達(dá)探測(cè)控制器，自 適應(yīng)弧度調(diào)整器三者緊密連接起來(lái)，擴(kuò)展了微機(jī)械傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，填補(bǔ)了微機(jī)械傳感 器實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)化跟蹤的空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決焊接中的自動(dòng)化焊接以及轉(zhuǎn)角處焊縫信號(hào)識(shí)別，提供的 一種基于雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)及其方法。系統(tǒng)主要包括雙激光雷達(dá)探 測(cè)傳感器，雷達(dá)探測(cè)控制器，自適應(yīng)弧度調(diào)整器，焊接系統(tǒng)控制箱，焊接機(jī)器人，焊接電源及 焊接水冷系統(tǒng)。該焊接系統(tǒng)從上至下連接順序?yàn)檫M(jìn)出冷卻水管，雷達(dá)探測(cè)控制器，自適應(yīng)弧 度調(diào)整器，雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器，導(dǎo)電嘴，焊絲。雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器裝載于機(jī)器人焊 接手臂前端，雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器掃描裝設(shè)前方光碼盤，將前置探頭與后置探頭的采集 信息導(dǎo)入安裝于焊接手臂的雷達(dá)探測(cè)控制器，前置探頭信號(hào)另經(jīng)焊接系統(tǒng)的自適應(yīng)弧度調(diào) 整器反饋至焊接機(jī)器人。該傳感器系統(tǒng)特點(diǎn)在于減小弧光干擾，實(shí)現(xiàn)了焊縫信號(hào)的精確采 集。
[0005] 基于雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)的工作原理，如下所述：固定于空 心電機(jī)的同軸的兩側(cè)的雙雷達(dá)探頭，在變頻空心電機(jī)的擺動(dòng)中通過(guò)傳感頭前端的光碼盤掃 描焊縫信號(hào)得后置探頭采集的焊縫信號(hào)A與前置的探頭采集的焊縫坡口信號(hào)B，以后置探頭 采集信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)前后探頭的信號(hào)采集反饋至雷達(dá)探測(cè)控制器內(nèi)進(jìn)行信號(hào)處理， 消除相位差后補(bǔ)償識(shí)別出焊縫信號(hào)為(B-A)。雷達(dá)探測(cè)控制器中內(nèi)設(shè)單片機(jī)，便于數(shù)據(jù)傳 輸，編寫程序，改進(jìn)控制器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的算法。
[0006] 機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)作前機(jī)械調(diào)零，使得運(yùn)動(dòng)方向與中心軸線相重合，在空心電機(jī)有序來(lái) 回?cái)[動(dòng)時(shí)，前置探頭由此在中心軸線的左右兩側(cè)等幅度透過(guò)前端光碼盤掃描焊縫信息得左 偏量C與右偏量D，掃描信號(hào)經(jīng)自動(dòng)弧度調(diào)整器對(duì)比兩側(cè)信號(hào)，故而運(yùn)算處理過(guò)濾掉無(wú)關(guān)雜 波可得焊縫轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)角度為(D-C)/2，當(dāng)偏轉(zhuǎn)值為正，則右偏;若偏轉(zhuǎn)值為負(fù)，則左偏。根據(jù) 反饋的偏轉(zhuǎn)角度值，自適應(yīng)弧度調(diào)整器自適應(yīng)調(diào)節(jié)焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡，保證焊接方向與中心軸 線始終重合，提尚焊縫跟蹤精度。
[0007] 雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器由雙雷達(dá)探頭，光碼盤和空心電機(jī)組成。由橫斷支撐板對(duì) 稱固定的雙雷達(dá)探頭分為前置探頭與后置探頭，通過(guò)空心電機(jī)中心對(duì)稱布置于焊絲兩側(cè)， 在空心電機(jī)轉(zhuǎn)子的作用下以一定頻率關(guān)于中心軸線來(lái)回?cái)[動(dòng)，使得探頭透過(guò)傳感器前端設(shè) 置的光碼盤光孔掃描焊縫，后置探頭采集信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)比前置探頭信號(hào)分析得出焊 縫信息。輔助雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器高頻來(lái)回?cái)[動(dòng)，高溫轉(zhuǎn)子的熱量被捆成匝式的進(jìn)水冷 水銅管冷卻，將多余的熱量轉(zhuǎn)移走，保證電機(jī)的正常運(yùn)行。雙激光雷達(dá)傳感器前端設(shè)置的光 碼盤，均分成60等分，將轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)等分程度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的光碼孔數(shù)，便于數(shù)據(jù)的進(jìn)一步采集 與分析，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)的運(yùn)算。
[0008] 程序設(shè)置焊接過(guò)程進(jìn)行時(shí)，便于節(jié)能與數(shù)據(jù)的采集，初始設(shè)定空心電機(jī)轉(zhuǎn)子的左 右擺幅為45度，當(dāng)掃描信號(hào)溢出，即轉(zhuǎn)角量超出擺動(dòng)幅度時(shí)，由系統(tǒng)的閉環(huán)回路實(shí)現(xiàn)反饋信 號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，相應(yīng)增大空心電機(jī)轉(zhuǎn)子的左右擺幅，實(shí)現(xiàn)焊縫信號(hào)的完整采集。當(dāng)偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn) 后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)回初始狀態(tài)值，繼續(xù)運(yùn)行。
[0009] 焊接過(guò)程中雙激光雷達(dá)探測(cè)器負(fù)責(zé)采集焊縫信號(hào)，雷達(dá)探測(cè)控制器與自適應(yīng)弧度 調(diào)整器處理焊縫信號(hào)并反饋至焊接系統(tǒng)，便于執(zhí)行相關(guān)操作。整體焊接系統(tǒng)受控于焊接系 統(tǒng)控制箱，保證焊接過(guò)程有序進(jìn)行。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合說(shuō)明書附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0011] 附圖1所示的是本發(fā)明雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器，雷達(dá)探測(cè)控制器，自適應(yīng)弧度調(diào)整 器等硬件組裝圖，具備1進(jìn)出水冷水管口，2蓋板，3雷達(dá)探測(cè)控制器，4自適應(yīng)弧度調(diào)整器，5 空心電機(jī)外殼，6空心電機(jī)轉(zhuǎn)子，7雙激光雷達(dá)探頭，8光碼盤，9導(dǎo)電嘴，10焊絲。
[0012] 7雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器分前后對(duì)稱布置于焊絲兩側(cè)，也稱前置探頭與后置探頭。 由前置探頭采集的焊縫坡口信號(hào)和后置探頭采集的焊縫信號(hào)，雙激光雷達(dá)傳感器裝設(shè)與6 空心電機(jī)轉(zhuǎn)子兩側(cè)，由空心電機(jī)提供傳感器來(lái)回有序擺動(dòng)動(dòng)力，通過(guò)前端裝置8光碼盤的光 孔采集焊縫信息，將光碼盤等分成60分，便于數(shù)據(jù)采集，前后探頭采集數(shù)據(jù)匯總傳遞至3雷 達(dá)探測(cè)控制器內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過(guò)前置探頭的來(lái)回?cái)[動(dòng)掃描光碼盤識(shí)別焊縫的左右偏 差，由4自適應(yīng)弧度調(diào)整器實(shí)現(xiàn)角度調(diào)整，保證中心軸線與焊接方向始終重合。實(shí)現(xiàn)雙激光 雷達(dá)來(lái)回?cái)[動(dòng)的得空心電機(jī)產(chǎn)生于摩擦面的摩擦熱由1水冷進(jìn)水管纏繞在空心電機(jī)外殼的 匝式水冷銅管進(jìn)行冷卻。元器件之間采用圓形凸臺(tái)與圓形凹坑相互定位，便于裝機(jī)。
[0013] 圖2所示為本發(fā)明雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器示意圖，左右對(duì)稱布置的水冷管一進(jìn)一 出從4自適應(yīng)弧度調(diào)整器伸出，然后呈匝裝捆扎于空心電機(jī)外殼上便于散熱。前后對(duì)稱布置 的雙激光雷達(dá)探測(cè)器用橫斷支撐板固定兩雷達(dá)探頭，前后探頭相差為180度，將前后焊縫信 號(hào)匯總于雷達(dá)探測(cè)控制器，消除相位差確定焊縫信號(hào)。
[0014]圖3所示為本發(fā)明雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器原理圖，當(dāng)焊縫走向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，前置探 頭的掃描區(qū)域左偏量Θ1與右偏量Θ 2不一致，前端設(shè)置的光碼盤將角度信號(hào)轉(zhuǎn)化成光孔的 采集數(shù)為左邊孔C與右邊孔D，其中每?jī)蓚€(gè)相鄰光孔之間角度為
[0016] 設(shè)置60是個(gè)光孔便于信號(hào)采集，過(guò)密的光孔設(shè)置不利于原件的制造。初始設(shè)置前 置探頭的左右擺幅均為45度，當(dāng)焊接進(jìn)行到轉(zhuǎn)角處時(shí)，信號(hào)識(shí)別溢出，系統(tǒng)反饋信號(hào)自適應(yīng) 增加空心電機(jī)轉(zhuǎn)子左右擺幅，便于信號(hào)處理。
[0017] 圖4所示為本發(fā)明雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器流程圖，焊接過(guò)程開(kāi)始時(shí)，程序設(shè)置焊接 過(guò)程進(jìn)行時(shí)，便于節(jié)能與數(shù)據(jù)的采集，初始設(shè)定空心電機(jī)轉(zhuǎn)子的左右擺幅為45度，當(dāng)掃描信 號(hào)溢出，即轉(zhuǎn)角量超出擺動(dòng)幅度時(shí)，由系統(tǒng)的閉環(huán)回路實(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，相應(yīng)增大空 心電機(jī)轉(zhuǎn)子的擺幅，直到實(shí)現(xiàn)焊縫信號(hào)的完整采集。當(dāng)前置雷達(dá)探頭掃描轉(zhuǎn)角焊縫信號(hào)時(shí)， 以中心軸線為基準(zhǔn)線，掃描左右偏差信號(hào)，當(dāng)掃描信號(hào)溢出時(shí)，則閉合回路自適應(yīng)調(diào)節(jié)擺動(dòng) 幅度，直到焊縫偏差信號(hào)的完整采集，左偏量C與右偏量D，掃描信號(hào)經(jīng)自動(dòng)弧度調(diào)整器對(duì)比 兩側(cè)信號(hào)，故而運(yùn)算處理過(guò)濾掉無(wú)關(guān)雜波可得焊縫轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)角度為(D_C)/2，由自適應(yīng)弧度 控制器調(diào)節(jié)焊接手臂的偏轉(zhuǎn)角(D-C)/2,當(dāng)偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)回初始狀態(tài)值，繼續(xù)運(yùn)行。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器，雷達(dá)探測(cè)控制器，自適應(yīng)弧度調(diào)整器等原件組裝圖
[0019] 圖2是雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器示意圖
[0020] 圖3是雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器原理圖 [0021 ]圖4是雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器流程圖
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 本發(fā)明為一種基于雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)及其方法;系統(tǒng)主要包 括雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器，雷達(dá)探測(cè)控制器，自適應(yīng)弧度調(diào)整器，焊接系統(tǒng)控制箱，焊接機(jī) 器人，焊接電源及焊接水冷系統(tǒng);該焊接系統(tǒng)從上至下連接順序?yàn)檫M(jìn)出冷卻水管，雷達(dá)探測(cè) 控制器，自適應(yīng)弧度調(diào)整器，雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器，導(dǎo)電嘴，焊絲;雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器 裝載于機(jī)器人焊接手臂前端，雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器透過(guò)前方裝設(shè)的光碼盤掃描焊縫，將 前置探頭與后置探頭的采集信息導(dǎo)入安裝于焊接手臂的雷達(dá)探測(cè)控制器，前置探頭信號(hào)另 經(jīng)焊接系統(tǒng)的自適應(yīng)弧度調(diào)整器反饋至焊接機(jī)器人。2. 如權(quán)利要求書1所述，雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器由雙雷達(dá)探頭，光碼盤和空心電機(jī)組 成；由橫斷支撐板對(duì)稱固定的雙雷達(dá)探頭分為前置探頭與后置探頭，通過(guò)空心電機(jī)中心對(duì) 稱布置于焊絲兩側(cè)，在空心電機(jī)轉(zhuǎn)子的作用下以一定頻率關(guān)于中心軸線來(lái)回?cái)[動(dòng)，使得探 頭透過(guò)傳感器前端設(shè)置的光碼盤光孔掃描焊縫，后置探頭采集信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)比前置 探頭信號(hào)分析得出焊縫信息。3. 如權(quán)利要求書1所述，系統(tǒng)采集信號(hào)的步驟：當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器 的后置探頭采集的焊縫信號(hào)與前置的探頭采集的焊縫坡口信號(hào)，消除相位差和過(guò)濾雜波 后，后置探頭采集信號(hào)為基準(zhǔn)信號(hào)，匯總信號(hào)導(dǎo)入雷達(dá)探測(cè)控制器進(jìn)行運(yùn)算處理，修正補(bǔ)償 焊縫信號(hào)后，反饋至焊接系統(tǒng)控制箱，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化焊接。4. 如權(quán)利要求書1所述，雙激光雷達(dá)探測(cè)傳感器的前置探頭通過(guò)掃描預(yù)先調(diào)節(jié)設(shè)置的 中心軸線，得以提取焊縫轉(zhuǎn)角信號(hào)，將信號(hào)反饋至自適應(yīng)弧度控制器進(jìn)行過(guò)濾運(yùn)算，將信號(hào) 補(bǔ)償后，便于系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)焊縫精準(zhǔn)跟蹤。
【文檔編號(hào)】B23K9/127GK106077902SQ201610534425
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月8日
【發(fā)明人】洪波, 湯小虎, 龐爭(zhēng)林, 楊鵬昊
【申請(qǐng)人】湘潭大學(xué)