马鞍形空间曲线自动焊接控制系统

摘要

本发明公开了一种马鞍形空间曲线自动焊接控制系统，属一种现代焊接控制系统，PLC主控单元，分别接入人机交互界面与位置控制模块，由人机交互界面确定焊枪的原始位置，PLC主控单元按照当前焊枪的原始位置作为马鞍形焊接轨迹的初始起点；位置控制模块，接入多个伺服电机；通过位置控制模块对焊枪当前位置的反馈，使得在焊接执行过程中，可实时由人机交互界面通过PLC主控单元内部的控制程序接口调整当前焊接的马鞍量，有效提升了自动焊接的精确度；且通过人机交互界面对系统的操作难度较低，对焊接设备的机械要求简单，自动化程度高，进而有效提高了系统运行时的焊接效率,且相对于弧焊机器人来说使用成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种现代焊接控制系统，更具体的说，本发明主要涉及一种马 鞍形空间曲线自动焊接控制系统。

背景技术

目前，像马鞍形这样复杂的空间曲线焊缝一般都采用手工方式进行焊接,在 焊接自动化领域中，也有部分生产厂家利用机械凸轮仿形原理或利用PLC控制技 术开发复杂空间曲线焊缝的自动焊接控制系统；此外，国外大多采用弧焊机器 人来焊接大直径马鞍形焊缝。然而采用手工方式进行焊接对工人技术水平要求 非常高，工人劳动强度大，焊后一致性差，废品率高。利用机械凸轮仿形开发 的控制系统自动化水平较低、在实际运行时焊接效率低。开发复杂空间曲线系 统的稳定性较差。弧焊机器人价格非常昂贵，同时对零部件的备料要求综合尺 寸精度高、形位公差小，往往由于几个尺寸不合格就使得焊枪偏离焊缝，严重 影响了焊缝的内部和外部质量。因此有必要针对马鞍形空间曲线的自动焊接设 备做进一步的研究和改进。

发明内容

本发明的目的之一在于针对上述不足，提供一种马鞍形空间曲线自动焊接 控制系统，以期望解决现有技术中马鞍形空间曲线自动焊接的系统稳定性差， 弧焊机器人使用成本高，焊枪易偏离焊缝等技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明所提供的一种马鞍形空间曲线自动焊接控制系统，所述的控制系统 包括：

PLC主控单元，分别接入人机交互界面与位置控制模块，用于根据来自于人 机交互界面的各项焊接参数计算出马鞍形的焊接轨迹，并生成焊接轨迹参数传 输至位置控制模块；由人机交互界面确定焊枪的原始位置，PLC主控单元按照当 前焊枪的原始位置作为马鞍形焊接轨迹的初始起点；位置控制模块，接入多个 伺服电机，所述多个伺服电机的输出端均与焊枪的活动端相连接，用于由位置 控制模块按照PLC主控单元生成的焊接轨迹参数，控制多个伺服电机带动焊枪 在三维空间内执行与马鞍形焊接轨迹相同的运动，并将当前焊枪的位置反馈至 PLC主控单元；PLC主控单元还用于根据位置控制模块反馈的焊枪当前位置，至 少计算出焊枪的回转角度与当前已执行的焊接道数，并传输至人机交互界面进 行呈现。

作为优选，进一步的技术方案是：所述PLC主控单元内部的控制程序提供 修改接口，用于在焊接执行的过程中，通过人机交互界面调整当前焊接轨迹的 马鞍量，由PLC主控单元根据调整后的马鞍量，结合原始焊接轨迹执行断点记 忆，继续焊接。

更进一步的技术方案是：所述焊接参数至少包括接管半径、主管半径、偏 交量、焊接速度及重力补偿系数。

更进一步的技术方案是：所述PLC主控单元按照下式，并结合重力补偿系 数与偏交量计算出马鞍形的焊接轨迹：

$H=\sqrt{R^2-{\left(r\cos a\right)}^2}-\sqrt{R^2-r^2}$

上式中，H为马鞍落差量，R为主管半径，r为接管半径，a为焊枪回转的 角度。

更进一步的技术方案是：所述PLC主控单元通过下式计算当前焊枪的位置 的回转角度：

$E=\frac{A-[(A÷B)\times B]}{D}$

上式中，E为焊枪回转角度，A为焊枪回转轴的实时脉冲数，B为每道焊接 对应的脉冲数，D为每度对应的脉冲数；其中(A÷B)的商取大于其实际结果的最 大整数；

所述PLC主控单元通过下式计算焊枪当前已执行的焊接道数：

$G=\frac{A}{B}+1$

上式中，G为当前焊接道数，A为焊枪回转轴的实时脉冲数，B为每道焊接 对应的脉冲数。

更进一步的技术方案是：所述控制系统中还包括外围输入设备与外围输出 设备，所述外围输入设备接入PLC主控单元，用于在焊接启动前由外围输入设 备通过位置控制模块调整焊枪的当前位置，由人机交互界面确定马鞍形焊接轨 迹的初始起点；所述外围输出设备分别接入焊接设备与PLC主控单元，用于由 PLC主控单元通过外围输出设备控制焊接设备的工作状态。

更进一步的技术方案是：所述位置控制模块通过SSCNETⅢ总线与多个伺服 电机相连，所述位置控制模块通过三轴直线插补的方式定位马鞍形轨迹。

更进一步的技术方案是：所述伺服电机至少为三个，分别用于带动焊枪在X 轴、Y轴上往复移动，以及回转运动。

本发明另一方面还提供了一种上述马鞍形空间曲线自动焊接控制系统的自 动控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

步骤A、PLC主控单元根据来自于人机交互界面的各项焊接参数计算出马鞍 形的焊接轨迹，并生成焊接轨迹参数传输至位置控制模块；

步骤B、由人机交互界面确定焊枪的原始位置，PLC主控单元按照当前焊枪 的原始位置作为马鞍形焊接轨迹的初始起点；

步骤C、位置控制模块由位置控制模块按照PLC主控单元生成的焊接轨迹参 数，控制多个伺服电机带动焊枪在三维空间内执行与马鞍形焊接轨迹相同的运 动，并将当前焊枪的位置反馈至PLC主控单元；

步骤D、PLC主控单元根据位置控制模块反馈的焊枪当前位置，至少计算出 焊枪的回转角度与当前已执行的焊接道数，并传输至人机交互界面进行呈现。

作为优选，进一步的技术方案是：所述PLC主控单元内部的控制程序提供 修改接口，在焊接执行的过程中，通过人机交互界面调整当前焊接轨迹的马鞍 量，由PLC主控单元根据调整后的马鞍量，结合原始焊接轨迹执行断点记忆， 继续焊接；所述焊接参数至少包括接管半径、主管半径、偏交量、焊接速度及 重力补偿系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：采用PLC主控单元生成焊接 轨迹参数，位置控制模块按照轨迹参数对伺服电机进行控制，带动焊枪在三维 空间中移动，从而完成马鞍空间曲线的焊接，且通过位置控制模块对焊枪当前 位置的反馈，使得在焊接执行过程中，可实时由人机交互界面通过PLC主控单 元内部的控制程序接口调整当前焊接的马鞍量，有效提升了自动焊接的精确度； 且通过人机交互界面对系统的操作难度较低，对焊接设备的机械要求简单，自 动化程度高，进而有效提高了系统运行时的焊接效率，且相对于弧焊机器人来 说使用成本低，同时控制系统对零部件的备料综合尺寸精度要求不高，适于对 各类工件进行马鞍形空间曲线的焊接控制，应用范围广阔。

附图说明

图1为用于说明本发明一个实施例的系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

参考图1所示，本发明的一个实施例是一种马鞍形空间曲线自动焊接控制 系统，该系统主要用于管道与管道之间的马鞍形空间曲线自动焊接，其在系统 组成上主要包括如下模块：

PLC主控单元，分别接入人机交互界面与位置控制模块，其作用是根据来自 于人机交互界面的各项焊接参数计算出马鞍形的焊接轨迹，并生成焊接轨迹参 数传输至位置控制模块；

由人机交互界面确定焊枪的原始位置，PLC主控单元按照当前焊枪的原始位 置作为马鞍形焊接轨迹的初始起点；

位置控制模块，接入多个伺服电机，所述多个伺服电机的输出端均与焊枪 的活动端相连接，其作用是由位置控制模块按照PLC主控单元生成的焊接轨迹 参数，控制多个伺服电机带动焊枪在三维空间内执行与马鞍形焊接轨迹相同的 运动，并将当前焊枪的位置反馈至PLC主控单元；

PLC主控单元还用于根据位置控制模块反馈的焊枪当前位置，至少计算出焊 枪的回转角度与当前已执行的焊接道数，并传输至人机交互界面进行呈现。

在本实施例中，上述的位置控制模块最好通过SSCNETⅢ总线与多个伺服电 机相连，所述位置控制模块通过三轴直线插补的方式定位马鞍形轨迹，而位置 控制模块最好采用日本三菱公司生产的SSCNETⅢ型位置控制模块，并采用高性 能PLC作为主控单元与其相配合；前述的SSCNETⅢ型位置控制模块是一种高速、 高精度的定位控制模块，支持2至4轴直线插补、2轴圆弧插补、速度控制、速 度/位置切换、轨迹控制、等速度控制等丰富的位置控制。此外，通过使用GX  Works2等软件，可以实现定位的设定和监控、调试等工作。另外，应用SSCNET  Ⅲ总线可以通过简单的“菊花链型”电缆连接三菱公司的智能数字伺服器，最 大限度地节省配线，在降低成本的同时还提高了性能。

优选地，上述的伺服电机至少设置为三个，即分别用于带动焊枪在X轴、Y 轴上往复移动，以及回转运动，从而可带动焊枪配合马鞍形空间曲线的走向移 动。

在本发明的另一个实施例中，为进一步提升焊枪在执行马鞍形空间曲线焊 接时的精确度，最好使上述的PLC主控单元内部的控制程序提供修改接口，用 于在焊接执行的过程中，通过人机交互界面调整当前焊接轨迹的马鞍量，由PLC 主控单元根据调整后的马鞍量，结合原始焊接轨迹执行断点记忆，继续焊接； 即在实际使用过程中，用户可根据位置控制模块反馈的回转角度与当前已执行 的焊接道数，对马鞍量进行电动微调。

正如上述所提到的，上述可由人机交互界面输入的焊接参数为接管半径、 主管半径、偏交量、焊接速度及重力补偿系数等。

在本发明用于解决技术问题更加优选的一个实施例中，作为发明人最大的 改进之一，即在焊接的过程中由位置控制模块向PLC主控单元反馈当前焊枪的 位置信息，进而可以在焊接过程中对马鞍量进行电动微调；而焊枪的位置信息 实质为来自于伺服电机中的伺服电机编码器的实时脉冲数，实时脉冲数由伺服 电机编码器反馈到伺服电机驱动器，伺服电机驱动器通过SSCNETⅢ总线反馈给 位置控制模块；PLC主控单元具体的计算方法如下：

PLC主控单元按照下式，并结合重力补偿系数与偏交量计算出马鞍形的焊 接轨迹：

$H=\sqrt{R^2-{\left(r\cos a\right)}^2}-\sqrt{R^2-r^2}$

上式中，H为马鞍落差量，R为主管半径，r为接管半径，a为焊枪回转的 角度。

PLC主控单元通过下式计算当前焊枪的位置的回转角度：

$E=\frac{A-[(A÷B)\times B]}{D}$

上式中，E为焊枪回转角度，A为焊枪回转轴的实时脉冲数，B为每道焊接 对应的脉冲数，D为每度对应的脉冲数；其中(A÷B)的商取大于其实际结果的最 大整数；

所述PLC主控单元通过下式计算焊枪当前已执行的焊接道数：

$G=\frac{A}{B}+1$

上式中，G为当前焊接道数，A为焊枪回转轴的实时脉冲数，B为每道焊接 对应的脉冲数。

上述的每道对应脉冲数B是通过伺服设置的参数及电机执行机构速比计算 得到的。每道对应脉冲数B除以360度为每度对应脉冲数D。

再参考图1所示，在本发明的另一实施例中，为便于对焊接设备进行控制， 且设置焊枪的初始位置，上述的控制系统中还可增设外围输入设备与外围输出 设备，所述外围输入设备接入PLC主控单元，用于在焊接启动前由外围输入设 备通过位置控制模块调整焊枪的当前位置，由人机交互界面确定马鞍形焊接轨 迹的初始起点；所述外围输出设备分别接入焊接设备与PLC主控单元，用于由 PLC主控单元通过外围输出设备控制焊接设备的工作状态。

本发明上述较为优选的一个实施例在使用过程中，通过人机交互界面设置 好焊接参数（如：接管半径、主管半径、偏交量、焊接速度、重力补偿系数等）， 按人机交互界面上的参数修改确认按钮，高性能PLC主控单元开始计算马鞍形 轨迹并将轨迹参数存入位置控制模块，通过外围开关手动调节焊枪到焊接起始 位置，在人机交互界面上按原点设定按钮，高性能PLC主控单元记此点为起始 点，并将焊接道数和焊接角度归零，按外围开关的焊接启动按钮，高性能PLC 主控单元发出信号启动焊接电源，同时通过位置控制模块控制各伺服驱动器及 电机运行计算好的马鞍形轨迹，高性能PLC主控单元并根据设定好的程序计算 出当前的焊枪回转角度和当前焊接道数传给人机界面显示给用户，焊接过程中 可以对马鞍量电动微调，焊接过程中并具有断点记忆功能，焊接完成后，按焊 接停止按钮，高性能PLC主控单元输出信号停止焊接电源，并停止运行轨迹， 完成马鞍形空间曲线自动焊接。

由上述的实施例可知，本发明的部分技术关键点在于：

1、使用高性能PLC主控单元，高速串行通信连接SSCNETⅢ型位置控制模 块、高速串行通信连接SSCNETⅢ型伺服驱动器及伺服电机、工业级人机界面作 为硬件。

2、具有两筒体垂直正交时马鞍形轨迹焊接功能。

3、具有两筒体垂直偏交时马鞍形轨迹焊接功能。

4、具有重力补偿、多层多道焊接、断点记忆、焊接过程中马鞍量电动微调 等功能。

与上述的实施例相类似，本发明的另一个实施例是一种上述马鞍形空间曲 线自动焊接控制系统的自动控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

步骤A、PLC主控单元根据来自于人机交互界面的各项焊接参数计算出马鞍 形的焊接轨迹，并生成焊接轨迹参数传输至位置控制模块；

步骤B、由人机交互界面确定焊枪的原始位置，PLC主控单元按照当前焊枪 的原始位置作为马鞍形焊接轨迹的初始起点；

步骤C、位置控制模块由位置控制模块按照PLC主控单元生成的焊接轨迹参 数，控制多个伺服电机带动焊枪在三维空间内执行与马鞍形焊接轨迹相同的运 动，并将当前焊枪的位置反馈至PLC主控单元；

步骤D、PLC主控单元根据位置控制模块反馈的焊枪当前位置，至少计算出 焊枪的回转角度与当前已执行的焊接道数，并传输至人机交互界面进行呈现。

根据本发明的另一实施例，上述PLC主控单元内部的控制程序提供修改接 口，在焊接执行的过程中，通过人机交互界面调整当前焊接轨迹的马鞍量，由 PLC主控单元根据调整后的马鞍量，结合原始焊接轨迹执行断点记忆，继续焊接； 焊接参数至少包括接管半径、主管半径、偏交量、焊接速度及重力补偿系数。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另 一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者 特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现 同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一 个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、 结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应 该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和 实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公 开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行 多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域 技术人员来说，其他的用途也将是明显的。