基于双激光雷达探测传感器的自动化焊接系统及其方法
【专利摘要】本发明为一种基于双激光雷达探测传感器的自动化焊接系统及其方法.系统主要包括双激光雷达探测传感器，雷达探测控制器，自适应弧度调整器，焊接系统控制箱，焊接机器人，焊接电源及焊接水冷系统。所述焊接系统的双激光雷达探测传感器内设沿焊接方向布置的前置探头与后置探头同频摆动扫描识别焊缝信号，将前后扫描信息导入雷达探测控制器进行信号处理，运算处理实时监测焊缝信息。前置探头通过对中心轴线的左右偏差识别焊缝走向，自适应弧度调整器根据反馈信号自适应调节焊接机器人的偏转角，实现系统的实时自动化焊接。在保证焊接效果的前提下，提高了焊缝识别精度。
【专利说明】
基于双激光雷达探测传感器的自动化焊接系统及其方法
技术领域
[0001] 本发明涉及焊接自动化技术领域，具体涉及一种基于双激光雷达精确测控焊缝的 系统与方法。
【背景技术】
[0002] 尽管目前焊缝跟踪技术已经趋于成熟，但对于复杂的焊接还有待改进，发展的空 间还是很大的。鉴于中国制造2025的发展趋势，大型重要器件如船舱甲板等加工板材对焊 接的质量要求更高。因此，需要充分考虑焊接环境的复杂性，焊缝跟踪的精度，才能保证焊 接的质量，为实现自动化焊接奠定坚实的基础。当前工业化生产对大型平板的需求量加大， 为降低生产成本，焊接设备必须适应复杂焊缝的焊接以便于拓展焊接自动化设备的焊接范 围。
[0003] 复杂焊接的重难点在于焊缝信号提取与焊缝偏差的识别。开发明专利:一种基于 激光双目视觉的复杂角焊缝位置检测方法（申请号为2014100428828)中采用的是双目CCD 摄像识别技术。CCD易受弧光的干扰，且一般体积较大不易安装，限制了焊枪的可达性。与其 相比，电弧传感器就有着难以替代的优势。本文旨在提出将一种新的传感器运用到焊接中 来，以提高对焊缝的提取和偏差识别。21世纪以来雷达传感器在航空航天、精准导航、空间 定位、位移监测等问题，但至今仍然很少看到将其应用于焊缝跟踪领域的文献与报道。先采 用双激光雷达传感器与焊接自动化有机的结合起来，运用雷达精确扫描焊缝信号，在焊接 状态恶劣的状况实现精确焊缝跟踪。本发明将双激光雷达探测传感器，雷达探测控制器，自 适应弧度调整器三者紧密连接起来，扩展了微机械传感器的应用领域，填补了微机械传感 器实现了焊缝自动化跟踪的空白。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决焊接中的自动化焊接以及转角处焊缝信号识别，提供的 一种基于双激光雷达探测传感器的自动化焊接系统及其方法。系统主要包括双激光雷达探 测传感器，雷达探测控制器，自适应弧度调整器，焊接系统控制箱，焊接机器人，焊接电源及 焊接水冷系统。该焊接系统从上至下连接顺序为进出冷却水管，雷达探测控制器，自适应弧 度调整器，双激光雷达探测传感器，导电嘴，焊丝。双激光雷达探测传感器装载于机器人焊 接手臂前端，双激光雷达探测传感器扫描装设前方光码盘，将前置探头与后置探头的采集 信息导入安装于焊接手臂的雷达探测控制器，前置探头信号另经焊接系统的自适应弧度调 整器反馈至焊接机器人。该传感器系统特点在于减小弧光干扰，实现了焊缝信号的精确采 集。
[0005] 基于双激光雷达探测传感器的自动化焊接系统的工作原理，如下所述：固定于空 心电机的同轴的两侧的双雷达探头，在变频空心电机的摆动中通过传感头前端的光码盘扫 描焊缝信号得后置探头采集的焊缝信号A与前置的探头采集的焊缝坡口信号B，以后置探头 采集信号为基准信号，通过前后探头的信号采集反馈至雷达探测控制器内进行信号处理， 消除相位差后补偿识别出焊缝信号为(B-A)。雷达探测控制器中内设单片机，便于数据传 输，编写程序，改进控制器对执行机构的算法。
[0006] 机械结构运作前机械调零，使得运动方向与中心轴线相重合，在空心电机有序来 回摆动时，前置探头由此在中心轴线的左右两侧等幅度透过前端光码盘扫描焊缝信息得左 偏量C与右偏量D，扫描信号经自动弧度调整器对比两侧信号，故而运算处理过滤掉无关杂 波可得焊缝转角偏转角度为(D-C)/2，当偏转值为正，则右偏;若偏转值为负，则左偏。根据 反馈的偏转角度值，自适应弧度调整器自适应调节焊枪运动轨迹，保证焊接方向与中心轴 线始终重合，提尚焊缝跟踪精度。
[0007] 双激光雷达探测传感器由双雷达探头，光码盘和空心电机组成。由横断支撑板对 称固定的双雷达探头分为前置探头与后置探头，通过空心电机中心对称布置于焊丝两侧， 在空心电机转子的作用下以一定频率关于中心轴线来回摆动，使得探头透过传感器前端设 置的光码盘光孔扫描焊缝，后置探头采集信号为基准信号，对比前置探头信号分析得出焊 缝信息。辅助双激光雷达探测传感器高频来回摆动，高温转子的热量被捆成匝式的进水冷 水铜管冷却，将多余的热量转移走，保证电机的正常运行。双激光雷达传感器前端设置的光 码盘，均分成60等分，将转角偏转等分程度转换成对应的光码孔数，便于数据的进一步采集 与分析，简化了数据的运算。
[0008] 程序设置焊接过程进行时，便于节能与数据的采集，初始设定空心电机转子的左 右摆幅为45度，当扫描信号溢出，即转角量超出摆动幅度时，由系统的闭环回路实现反馈信 号实时调节，相应增大空心电机转子的左右摆幅，实现焊缝信号的完整采集。当偏转实现 后，系统调节回初始状态值，继续运行。
[0009] 焊接过程中双激光雷达探测器负责采集焊缝信号，雷达探测控制器与自适应弧度 调整器处理焊缝信号并反馈至焊接系统，便于执行相关操作。整体焊接系统受控于焊接系 统控制箱，保证焊接过程有序进行。
【具体实施方式】
[0010]下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步的说明。
[0011] 附图1所示的是本发明双激光雷达探测传感器，雷达探测控制器，自适应弧度调整 器等硬件组装图，具备1进出水冷水管口，2盖板，3雷达探测控制器，4自适应弧度调整器，5 空心电机外壳，6空心电机转子，7双激光雷达探头，8光码盘，9导电嘴，10焊丝。
[0012] 7双激光雷达探测传感器分前后对称布置于焊丝两侧，也称前置探头与后置探头。 由前置探头采集的焊缝坡口信号和后置探头采集的焊缝信号，双激光雷达传感器装设与6 空心电机转子两侧，由空心电机提供传感器来回有序摆动动力，通过前端装置8光码盘的光 孔采集焊缝信息，将光码盘等分成60分，便于数据采集，前后探头采集数据汇总传递至3雷 达探测控制器内，进行数据分析。通过前置探头的来回摆动扫描光码盘识别焊缝的左右偏 差，由4自适应弧度调整器实现角度调整，保证中心轴线与焊接方向始终重合。实现双激光 雷达来回摆动的得空心电机产生于摩擦面的摩擦热由1水冷进水管缠绕在空心电机外壳的 匝式水冷铜管进行冷却。元器件之间采用圆形凸台与圆形凹坑相互定位，便于装机。
[0013] 图2所示为本发明双激光雷达探测传感器示意图，左右对称布置的水冷管一进一 出从4自适应弧度调整器伸出，然后呈匝装捆扎于空心电机外壳上便于散热。前后对称布置 的双激光雷达探测器用横断支撑板固定两雷达探头，前后探头相差为180度，将前后焊缝信 号汇总于雷达探测控制器，消除相位差确定焊缝信号。
[0014]图3所示为本发明双激光雷达探测传感器原理图，当焊缝走向发生偏转时，前置探 头的扫描区域左偏量Θ1与右偏量Θ 2不一致，前端设置的光码盘将角度信号转化成光孔的 采集数为左边孔C与右边孔D，其中每两个相邻光孔之间角度为
[0016] 设置60是个光孔便于信号采集，过密的光孔设置不利于原件的制造。初始设置前 置探头的左右摆幅均为45度，当焊接进行到转角处时，信号识别溢出，系统反馈信号自适应 增加空心电机转子左右摆幅，便于信号处理。
[0017] 图4所示为本发明双激光雷达探测传感器流程图，焊接过程开始时，程序设置焊接 过程进行时，便于节能与数据的采集，初始设定空心电机转子的左右摆幅为45度，当扫描信 号溢出，即转角量超出摆动幅度时，由系统的闭环回路实现反馈信号实时调节，相应增大空 心电机转子的摆幅，直到实现焊缝信号的完整采集。当前置雷达探头扫描转角焊缝信号时， 以中心轴线为基准线，扫描左右偏差信号，当扫描信号溢出时，则闭合回路自适应调节摆动 幅度，直到焊缝偏差信号的完整采集，左偏量C与右偏量D，扫描信号经自动弧度调整器对比 两侧信号，故而运算处理过滤掉无关杂波可得焊缝转角偏转角度为(D_C)/2，由自适应弧度 控制器调节焊接手臂的偏转角(D-C)/2,当偏转实现后，系统调节回初始状态值，继续运行。
【附图说明】
[0018]图1是双激光雷达探测传感器，雷达探测控制器，自适应弧度调整器等原件组装图
[0019] 图2是双激光雷达探测传感器示意图
[0020] 图3是双激光雷达探测传感器原理图 [0021 ]图4是双激光雷达探测传感器流程图
【主权项】
1. 本发明为一种基于双激光雷达探测传感器的自动化焊接系统及其方法;系统主要包 括双激光雷达探测传感器，雷达探测控制器，自适应弧度调整器，焊接系统控制箱，焊接机 器人，焊接电源及焊接水冷系统;该焊接系统从上至下连接顺序为进出冷却水管，雷达探测 控制器，自适应弧度调整器，双激光雷达探测传感器，导电嘴，焊丝;双激光雷达探测传感器 装载于机器人焊接手臂前端，双激光雷达探测传感器透过前方装设的光码盘扫描焊缝，将 前置探头与后置探头的采集信息导入安装于焊接手臂的雷达探测控制器，前置探头信号另 经焊接系统的自适应弧度调整器反馈至焊接机器人。2. 如权利要求书1所述，双激光雷达探测传感器由双雷达探头，光码盘和空心电机组 成；由横断支撑板对称固定的双雷达探头分为前置探头与后置探头，通过空心电机中心对 称布置于焊丝两侧，在空心电机转子的作用下以一定频率关于中心轴线来回摆动，使得探 头透过传感器前端设置的光码盘光孔扫描焊缝，后置探头采集信号为基准信号，对比前置 探头信号分析得出焊缝信息。3. 如权利要求书1所述，系统采集信号的步骤：当系统工作时，双激光雷达探测传感器 的后置探头采集的焊缝信号与前置的探头采集的焊缝坡口信号，消除相位差和过滤杂波 后，后置探头采集信号为基准信号，汇总信号导入雷达探测控制器进行运算处理，修正补偿 焊缝信号后，反馈至焊接系统控制箱，实现系统的智能化焊接。4. 如权利要求书1所述，双激光雷达探测传感器的前置探头通过扫描预先调节设置的 中心轴线，得以提取焊缝转角信号，将信号反馈至自适应弧度控制器进行过滤运算，将信号 补偿后，便于系统自适应调节偏转角，实现焊缝精准跟踪。
【文档编号】B23K9/127GK106077902SQ201610534425
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】洪波, 汤小虎, 庞争林, 杨鹏昊
【申请人】湘潭大学