一种嵌入式多设备实时控制的焊接机器人系统及控制方法

1.一种嵌入式多设备实时控制的焊接机器人系统，其特征在于包括：焊接机器人、机器人控制柜、机器人示教盒、手持嵌入式实时控制器、二维运动平台、送丝机及弧焊电源，其中，二维运动平台安装于焊接机器人的末端，二维运动平台安装有焊枪；手持嵌入式实时控制器分别与二维运动平台、机器人控制柜、送丝机和弧焊电源电连接；机器人示教盒与机器人控制柜相连，用于对焊接机器人进行示教；手持嵌入式实时控制器用于控制送丝机的启停和弧焊电源的开断，控制二维运动平台带动焊枪运动，发送命令给机器人控制柜并由机器人控制柜控制焊接机器人运动，在焊接过程中实时调整弧焊电源输出的电压和电流；
所述手持嵌入式实时控制器包括单片机和分别与所述单片机连接的电源及复位电路、时钟振荡电路、电磁继电器模块、RS-232接口、独立按键模块、A/D转换模块、步进电机驱动电路、液晶显示模块，其中，电磁继电器模块与送丝机和弧焊电源连接，用于控制送丝机的启停和弧焊电源的开断；RS-232接口与机器人控制柜连接，用于实现手持嵌入式实时控制器与机器人控制柜之间的串行通信；手持嵌入式实时控制器上还设有用于调节弧焊电源电压电流的旋钮；A/D转换模块与弧焊电源通过所述旋钮连接，用于检测弧焊电源输出的电压电流；步进电机驱动电路与二维运动平台上的步进电机连接，用于驱动步进电机；液晶显示模块用于显示焊接参数；所述独立按键模块包括有用于纠偏焊接轨迹、调整焊接参数、启停送丝机、开断弧焊电源的各个按键；二维运动平台包括X平台和Y平台，均由步进电机通过联轴器带动滚珠丝杆驱动；Y平台安装于X平台上，所述焊枪安装在Y平台上。
2.根据权利要求1所述的嵌入式多设备实时控制的焊接机器人系统，其特征在于所述机器人控制柜包含用于接收手持嵌入式实时控制器发送的命令并控制焊接机器人运动的CPU和用于存储焊接过程中焊接机器人的位置和速度信息的RAM。
3.权利要求1所述嵌入式多设备实时控制的焊接机器人系统的控制方法，其特征在于包括焊接机器人的焊接路径示教与焊接过程中焊枪位置的实时控制和焊接参数的实时调整，具体包括如下步骤：
焊接前，通过机器人示教盒进行焊接机器人的运动轨迹示教，使用手持嵌入式实时控制器设定焊接参数；
使用手持嵌入式实时控制器开启弧焊电源与送丝机，焊接作业开始；
在焊接过程中观察现场的焊接状况，当焊枪偏离焊缝、焊枪到焊件的距离过大或过小时，通过手持嵌入式实时控制器控制焊接机器人或二维运动平台带动焊枪相对焊件水平或垂直移动，进行纠偏；当电弧电压、焊接电流、焊接速度过大或过小时，通过手持嵌入式实时控制器实时调整焊接电压电流，并通过控制焊接机器人来控制焊接速度，实现焊接能量输入的控制；
当焊接出现异常或焊接作业完成时，通过手持嵌入式实时控制器关闭送丝机和弧焊电源；
所述手持嵌入式实时控制器通过RS-232接口发送控制命令，在焊接过程中控制焊接机器人的运动；手持嵌入式实时控制器发送指令，由机器人控制柜通过内部机器人指令获取机器人控制柜RAM中焊接机器人当前的位置及速度参数，再向RS-232发送当前的位置及速度参数，手持嵌入式实时控制器收到数据后通过液晶显示模块进行实时显示；通过手持嵌入式实时控制器控制二维运动平台上的步进电机驱动X平台和Y平台，在焊接过程中带动焊枪进行X、Y轴方向的调整，实现实时控制。

一种嵌入式多设备实时控制的焊接机器人系统及控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及焊接机器人技术领域，具体涉及一种嵌入式多设备实时控制的焊接机器人系统及控制方法。\n背景技术\n[0002] 在焊接领域中，对于结构复杂的焊件，特别是焊缝不规则的情况下（诸如抛物线，S曲线，圆柱相惯线），常采用示教编程方式，通过对焊接机器人的示教、再现，完成焊接过程的轨迹控制。但在焊接过程中，焊件常因受热变形导致焊枪与焊件产生相对运动。焊枪相对于焊件表面的垂直上下运动常表现为熄弧和焊接不稳定现象；焊枪相对于焊件表面的水平运动常表现为焊枪严重偏离焊缝。究其原因，是焊接过程中工件的受热变形造成了焊枪与焊缝的相对位置的不确定性。解决的办法是在焊接机器人示教的基础上，对焊接过程中焊枪的运动轨迹进行实时纠偏。此外焊接是个复杂的过程，焊接过程中需要根据焊接状况实时调整焊接电压，焊接电流以及焊接速度等参数，并能在遇到异常情况下及时停止焊接作业。因此，需要一套操作方便，在焊接过程能够实时控制焊接轨迹和调整焊接参数，并能同时控制弧焊电源，送丝机等多台设备的焊接装置。\n[0003] 中国发明专利申请“控制焊接机器人的方法和装置”，申请号为98125934.0，该发明的主要特点是在焊接过程中，通过温度传感器获得焊件的温度，与预定的参考温度对比，从而在不停止焊接作业的情况下，调整焊接电压、焊接电流与焊接速度值。其控制方法的不足之处主要在于：①不能在焊接过程中的进行实时纠偏。对焊接过程中由于某种原因产生的焊枪偏离焊缝问题，仅采用温度传感器并不能检测出来，也就无法使控制器控制焊枪相对焊缝的左右运动。②不能动态调整焊枪高度。当焊接过程中由于焊接受热变形造成焊枪离焊件的距离过高或过低时，会导致容易熄弧或电弧不稳定现象。仅仅通过调整焊接电压、焊接电流与焊接速度无法从本质上改善焊接质量。\n[0004] 已有的发明专利申请“焊接机器人系统”，申请号为99111556.2，其应用领域也是焊接机器人控制。该发明的主要特点在于焊接过程中通过主PC机控制焊接机器人移动路径的焊接机器人系统。其PC机在焊接过程中通过视觉传感器获得路径偏差，发送命令控制焊枪的修正移动。该系统的不足之处主要在于：①同样存在不能在焊接过程中动态调整焊枪高度的问题。②焊接过程中不能调整焊接电压、焊接电流、焊接速度的焊接参数。③系统用到视觉传感器和PC机，提高了系统的成本。④使用PC机扩展麻烦，不方便同时控制多台焊接设备（如弧焊电源、送丝机等）。\n[0005] 已有的发明专利申请“用于焊接机器人的人机交互方法和实施装置”，申请号为\n201110023122.9，其应用领域也是焊接机器人控制。\n[0006] 该发明的主要特点在于借助人机交互界面，将控制信息传输给焊接机器人控制器，由焊接机器人控制器完成焊前设定，焊时调整等操作。该装置的不足之处主要在：①人机交互见面主窗口下设置多个子窗口，子窗口各有其功能，例如焊枪的移动控制功能和焊接参数的调整功能分属不同的子窗口。焊接过程中，需要频繁切换子窗口进行发送不同的控制信息，操作不方便。②焊接过程根据焊接状况控制焊枪移动和改变焊接参数，一般要求实时性较高，采用此种控制方法难以满足要求。当按下触摸屏时，需要摸屏控制器从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，通过串口发送命令，再由焊接机器人控制器接收命令从而判断哪个控件被按下，最终才发出控制焊接机器人的命令，这个过程需要花费比较大的时间开销，不适合参数修改频繁或焊接作业实时性要求较高的场合。\n发明内容\n[0007] 本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供为一种嵌入式多设备实时控制的焊接机器人系统及控制方法，其最大特点在于该系统以手持嵌入式实时控制器为控制核心，手持嵌入式实时控制器与机器人控制柜、二维运动平台、送丝机和弧焊电源电连接，具有纠偏焊接轨迹、调整焊接参数、显示焊接参数、实时控制送丝机的启停和弧焊电源的开断的功能。能够实现焊接前焊接机器人的焊接路径示教、焊接参数设定与焊接过程中焊枪位置的实时控制、焊接参数的实时调整相结合，具体技术方案如下。\n[0008] 一种嵌入式多设备实时控制的焊接机器人系统，包括：焊接机器人、机器人控制柜、机器人示教盒、手持嵌入式实时控制器、二维运动平台、送丝机及弧焊电源，其中，二维运动平台安装于焊接机器人的末端，二维运动平台安装有焊枪；手持嵌入式实时控制器分别与二维运动平台、机器人控制柜、送丝机和弧焊电源电连接；机器人示教盒与机器人控制柜相连，用于对焊接机器人进行示教；手持嵌入式实时控制器用于控制送丝机的启停和弧焊电源的开断，控制二维运动平台带动焊枪运动，发送命令给机器人控制柜并由机器人控制柜控制焊接机器人运动，在焊接过程中实时调整弧焊电源输出的电压和电流。\n[0009] 上述的嵌入式多设备实时控制的焊接机器人系统中，所述机器人控制柜包含用于接收手持嵌入式实时控制器发送的命令并控制焊接机器人运动的CPU和用于存储焊接过程中焊接机器人的位置和速度信息的RAM。\n[0010] 上述的嵌入式多设备实时控制的焊接机器人系统中，所述手持嵌入式实时控制器包括单片机和分别与所述单片机连接的电源及复位电路、时钟振荡电路、电磁继电器模块、RS-232接口、独立按键模块、A/D转换模块、步进电机驱动电路、液晶显示模块，其中，电磁继电器模块与送丝机和弧焊电源连接，用于控制送丝机的启停和弧焊电源的开断；RS-232接口与机器人控制柜连接，用于实现手持嵌入式实时控制器与机器人控制柜之间的串行通信；手持嵌入式实时控制器上还设有用于调节弧焊电源电压电流的旋钮；A/D转换模块与弧焊电源通过所述旋钮连接，用于检测弧焊电源输出的电压电流；步进电机驱动电路与二维运动平台上的步进电机连接，用于驱动步进电机；液晶显示模块用于显示焊接参数；所述独立按键模块包括有用于纠偏焊接轨迹、调整焊接参数、启停送丝机、开断弧焊电源的各个按键。\n[0011] 上述的嵌入式多设备实时控制的焊接机器人系统中，二维运动平台包括X平台和Y平台，均由步进电机通过联轴器带动滚珠丝杆驱动；Y平台安装于X平台上，所述焊枪安装在Y平台上。\n[0012] 上述的嵌入式多设备实时控制的焊接机器人系统的控制方法，包括焊接机器人的焊接路径示教与焊接过程中焊枪位置的实时控制和焊接参数的实时调整，具体包括如下步骤：\n[0013] 焊接前，通过机器人示教盒进行焊接机器人的运动轨迹示教，使用手持嵌入式实时控制器设定焊接参数；\n[0014] 使用手持嵌入式实时控制器开启弧焊电源与送丝机，焊接作业开始；\n[0015] 在焊接过程中观察现场的焊接状况，当焊枪偏离焊缝、焊枪到焊件的距离过大或过小时，通过手持嵌入式实时控制器控制焊接机器人或二维运动平台带动焊枪相对焊件水平或垂直移动，进行纠偏；当电弧电压、焊接电流、焊接速度过大或过小时，通过手持嵌入式实时控制器实时调整焊接电压电流，并通过控制焊接机器人来控制焊接速度，实现焊接能量输入的控制；\n[0016] 当焊接出现异常或焊接作业完成时，通过手持嵌入式实时控制器关闭送丝机和弧焊电源。\n[0017] 上述控制方法中，手持嵌入式实时控制器通过RS-232接口发送控制命令，在焊接过程中控制焊接机器人的运动；手持嵌入式实时控制器发送指令，由机器人控制柜通过内部机器人指令获取机器人控制柜RAM中焊接机器人当前的位置及速度参数，再向RS-232发送当前的位置及速度参数，手持嵌入式实时控制器收到数据后通过液晶显示模块进行实时显示。\n[0018] 上述控制方法中，通过手持嵌入式实时控制器控制二维运动平台上的步进电机驱动X平台和Y平台，在焊接过程中带动焊枪进行X、Y轴方向的调整，实现实时控制。\n[0019] 上述控制方法中，焊接前，通过机器人示教盒对焊接机器人进行示教，并用手持嵌入式实时控制器设置焊接电压和焊接电流参数以及开启弧焊电源和送丝机。在焊接过程中，根据现场的焊接状况，通过手持嵌入式实时控制器发送命令修正焊接机器人的移动路径，进行实时纠偏和调整焊枪高度，避免焊接过程中由于焊件受热发生变形导致的焊枪严重偏离焊缝和焊接不稳定等问题。同时可以通过手持嵌入式实时控制器实时调整焊接速度，焊接电压，焊接电流等参数，进一步提高焊接质量。当遇到异常情况或者需要焊接作业停止时，可直接按下手持嵌入式实时控制器上面的按键及时停止焊接作业，保证安全。在焊接机器人末端与焊枪之间安装二维运动平台，可使手持嵌入式实时控制器在焊接过程中直接控制二维运动平台从而带动焊枪进行纠偏控制，不必通过串口通信发送命令间接由机器人控制柜控制焊接机器人，适应实时性要求更高的场合。\n[0020] 与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：1、手持嵌入式实时控制器能实时纠偏焊接轨迹和调整焊枪高度。2、手持嵌入式实时控制器能实时调整焊接电压、焊接电流、焊接速度，实现焊接能量输入的控制。3、以手持嵌入式实时控制器为控制核心的焊接机器人系统扩展容易，方便实时控制多台焊接设备（如弧焊电源、送丝机、焊接机器人）。4、二维运动平台安装于焊接机器人的末端，二维运动平台安装焊枪，手持嵌入式实时控制器能直接控制二维运动平台从而带动焊枪进行纠偏控制和焊枪高度调整，实时性高。5、所采用的手持嵌入式实时控制器采用按键式，操作容易，成本低。\n附图说明\n[0021] 图1是本发明的嵌入式多设备实时控制焊接机器人系统示意图。\n[0022] 图2是本发明的手持嵌入式实时控制器原理框图。\n[0023] 图3是本发明的二维运动平台二维图。\n[0024] 图4是本发明的工作流程图。\n具体实施方式\n[0025] 下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。\n[0026] 实施例1\n[0027] 如图1所示，该嵌入式多设备实时控制焊接机器人系统主要包括焊接机器人7、机器人控制柜4、机器人示教盒3、手持嵌入式实时控制器2、二维运动平台1、送丝机6及弧焊电源5。其中，系统以手持嵌入式实时控制器2为核心，与弧焊电源5、送丝机6、二维运动平台1、机器人控制柜4均有电线连接。\n[0028] 机器人控制柜4为焊接机器人7的运动控制核心，拥有自己的CPU，可接收命令控制焊接机器人7的运动。焊接过程中焊接机器人7的位置和速度信息存储于机器人控制柜\n4的RAM中。\n[0029] 机器人示教盒3与机器人控制柜4相连，用于操作人员对焊接机器人7进行示教。\n示教程序由机器人控制柜4的CPU解释并操作焊接机器人7运动。\n[0030] 如图2所示，手持嵌入式实时控制器以单片机为核心，外围电路及模块包括：电源及复位电路、时钟振荡电路、电磁继电器模块、RS-232接口、独立按键模块、A/D转换模块、步进电机驱动电路、液晶显示模块。\n[0031] 电源及复位电路、时钟振荡电路与单片机一起构成单片机最小系统。\n[0032] 电磁继电器模块用于启动和停止弧焊电源5与送丝机6，仅通过手持嵌入式实时控制器2上的按键就能同时控制多个焊接设备，操作方便，安全可靠，当焊接过程中发现异常情况时，可及时关闭弧焊电源停止焊接。\n[0033] RS-232接口实现手持嵌入式实时控制器2与机器人控制柜4之间的串行通信。一方面，手持嵌入式实时控制器2通过RS-232发送控制命令，机器人控制柜4的CPU接收到数据后，控制焊接机器人7运动。满足焊接过程中的实时纠偏运动和焊枪高度调整。另一方面，手持嵌入式实时控制器2发送指令，由机器人控制柜4通过内部机器人指令获取机器人控制柜4的RAM中焊接机器人7当前的位置及速度等参数，再向RS-232发送数据，手持嵌入式实时控制器2收到数据后通过液晶显示模块进行实时显示。\n[0034] 独立按键模块除了控制弧焊电源5与送丝机6的启停外，主要用于焊接过程中发送修正命令控制焊接机器人的运动，进行实时纠偏、调整焊枪高度和焊接速度。手持嵌入式实时控制器2的CPU通过定时查询方式获取各个独立按键的状态，判断将对焊接机器人7发出何种命令，包括“焊枪上移”、“焊枪下移”、“快速上移”、“快速下移”“焊枪左移”、“焊枪右移”、“快速左移”、“快速右移”、“加速”、“减速”“二倍加速”、“二倍减速”。\n[0035] A/D转换模块与手持嵌入式实时控制器2上的变阻器旋钮相连。变阻器与弧焊电压的内部电路连接，用于调整焊接电压电流值。当通过旋钮调整焊接电压和焊接电流时，手持嵌入式实时控制器2的CPU通过A/D转换模块获得与旋钮位置对应的电压电流值，然后由液晶显示屏显示当前电压电流值。\n[0036] 实施例2\n[0037] 在实施例1中，焊接过程中的实时纠偏功能和焊枪高度的调整是手持嵌入式实时控制器2通过RS-232接口与机器人控制柜4进行串行通信实现的。这个过程包括：手持嵌入式实时控制器2上按键按下、手持嵌入式实时控制器2的CPU检测按键按下并进行判断、手持嵌入式实时控制器2通过串口发送命令数据、机器人控制柜4的CPU响应中断，机器人控制柜4接收数据并处理数据、机器人控制柜4发出驱动命令控制焊接机器人7动作。这个过程花费了较多的时间开销。本实施例在实施例1的基础上，增加二维运动平台1。如图3所示，该二维运动平台1包括X平台d和Y平台e，均由步进电机a通过传动丝杆b带动平台运动。二维运动平台的X平台d安装于焊接机器人c末端，Y平台e安装于X平台d上，并在Y平台上面安装焊枪f。可通过手持嵌入式实时控制器控制二维运动平台上的步进电机a驱动X平台d和Y平台e，在焊接过程中直接带动焊枪f进行X、Y轴方向的调整，从而进行焊接轨迹纠偏，调整焊枪到工件的距离，适用于实时性要求较高的场合。另外，在手持嵌入式实时控制器2的编程中也不用涉及到焊接机器人运动函数的调用，实现更为简单方便。\n[0038] 如图3所示，焊接前，根据焊缝的具体情况，通过机器人示教盒3对焊接机器人7进行示教，通过手持嵌入式实时控制器2设置焊接电压和焊接电流参数。焊接过程中，技术人员观察焊接情况。一般情况下，焊件都会受热产生变形，特别是薄板焊件。此时焊接技术人员使用手持嵌入式实时控制器2进行实时控制，例如当焊枪轨迹偏离焊缝时，可按下手持嵌入式实时控制器2上的“焊枪左移”、“焊枪右移”按键进行实时调整，若偏离较大时，可按下“快速左移”、“快速右移”按键。当由于工件的变形导致焊枪与焊件的垂直距离产生变化时，可按下“焊枪上移”、“焊枪下移”按键进行实时调整，同样具有“快速上移”、“快速下移”按键。当焊枪经过圆弧或不规则曲线时，又可以通过“加速”、“减速”“二倍加速”、“二倍减速”按键控制焊接速度，保证焊接质量。当观察到焊件坡口填不满或坡口堆积时，可操作手持嵌入式实时控制器2上的电压电流旋钮进行电压电流的调整。当焊接出现异常时，通过手持嵌入式实时控制器2上的按键及时关闭弧焊电源5和送丝机6，停止焊接操作，保证安全。