本實(shí)用新型屬于機(jī)器人焊接領(lǐng)域，具體涉及磁懸機(jī)器人焊接裝置。

背景技術(shù)：
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焊是被焊工件的材質(zhì)通過(guò)加熱和/或加壓(可用或不用填充材料)使工件結(jié)合而形成永久性連接的工藝過(guò)程，目前工廠內(nèi)大多是人工操作，人工對(duì)被焊接的管材進(jìn)行夾緊定位,然后再進(jìn)行對(duì)接焊接，效率低可靠性差，而且易導(dǎo)致人員傷害。

鋼板深加工成鋼管是通過(guò)預(yù)彎?rùn)C(jī)將鋼板做成鋼管，需要將鋼管縫隙焊接上。

焊接的質(zhì)量取決于焊縫大小、焊接電流、堆料時(shí)間、焊縫清潔程度，采用機(jī)器人在直線上焊接時(shí)，常面臨啟動(dòng)和停止速度不均勻造成堆料不均；以及機(jī)器人在直線運(yùn)動(dòng)中移動(dòng)裝置調(diào)速響應(yīng)慢，無(wú)法滿足焊接速度的要求。

而且目前只能實(shí)現(xiàn)一根鋼管的自動(dòng)焊接，無(wú)實(shí)現(xiàn)多根鋼管拼接焊接。

直線電機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)相對(duì)來(lái)說(shuō)較新的技術(shù)領(lǐng)域，主要運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)室研究或有軌列車上。具有功率因數(shù)和效率高、推力密度大，電力電子變換裝置尺寸小、成本低，調(diào)速快的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本實(shí)用新型的目的在于：針對(duì)背景技術(shù)中存在的諸多缺點(diǎn)和問(wèn)題加以改進(jìn)，提供一種機(jī)器人管焊裝置，該裝置可使焊接裝置通過(guò)直線電機(jī)控制橫向運(yùn)動(dòng)，從而焊接橫向縫隙；通過(guò)伺服電機(jī)控制鋼管旋轉(zhuǎn)使得焊接裝置可以焊接鋼管的環(huán)形縫隙；通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和菱形架夾持使兩根鋼管同心對(duì)接，并使對(duì)接間距可以精確控制在1-3mm。該焊接裝置有較好的能動(dòng)性、自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好、便于操作、方向可調(diào)。本實(shí)用新型的目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種機(jī)器人管焊裝置，包括橫梁、菱形架、第一直線電機(jī)、第二直線電機(jī)、焊接機(jī)器人、管道夾持裝置、減速電機(jī)、控制器，其特征在于：所述橫梁至少為兩根，上下平行布置，橫梁上安裝有滑道或第一直線電機(jī)，上下橫梁的同側(cè)端分別連接同一升降裝置的活動(dòng)端和固定端，橫向滑道及第一直線電機(jī)分別位于同軸布置的至少四個(gè)菱形架的對(duì)角線上，菱形架通過(guò)鉸軸與橫向滑道上的滑塊或第一直線電機(jī)次級(jí)連接；第二直行電機(jī)初級(jí)平行置于所述橫梁設(shè)置在鋼管旁；焊接機(jī)器人為六自由度機(jī)器人垂直安裝在第二直線電機(jī)次級(jí)上；管道夾持裝置安裝在上橫梁或下橫梁上，至少分為左右兩個(gè)可沿橫梁移動(dòng)的支架，支架由具有環(huán)形槽的夾持架和轉(zhuǎn)盤組成，左夾持架的轉(zhuǎn)盤連接減速電機(jī)，用于固定鋼管的兩端和轉(zhuǎn)動(dòng)鋼管；控制器采集第一直線電機(jī)和第二直線電機(jī)次級(jí)上的光柵讀數(shù)頭測(cè)量的位置信息，識(shí)別并控制兩段鋼管對(duì)接端的間距、鋼管長(zhǎng)度及焊接機(jī)器人沿第二直線電機(jī)的移動(dòng)速度和位置，控制器還采集設(shè)于減速電機(jī)上的編碼器的脈沖信號(hào)，測(cè)量轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，通過(guò)逆變器控制減速電機(jī)。

優(yōu)選的，焊接機(jī)器人通過(guò)旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)與所述第二直線電機(jī)次級(jí)連接，用于改變機(jī)器人的方向。

進(jìn)一步地，第一直線電機(jī)和第二直線電機(jī)初級(jí)旁安裝有混合式絕對(duì)值光柵尺，及設(shè)置在第一直線電機(jī)和第二直線電機(jī)次級(jí)與光柵尺相對(duì)的光柵讀數(shù)頭，可測(cè)量光柵讀數(shù)頭在光柵尺上的位置、移動(dòng)方向、移動(dòng)速度。

優(yōu)選的，控制器通過(guò)DSP芯片采集光柵讀數(shù)頭讀取的數(shù)據(jù)，用于采集第一直線電機(jī)和第二直線電機(jī)次級(jí)的位置和移動(dòng)速度信息，DSP芯片還通過(guò)功率放大器連接第一直線電機(jī)和第二直線電機(jī)初級(jí)上的電樞繞組，用于驅(qū)動(dòng)焊接機(jī)器人、菱形架、右?jiàn)A持架變速移動(dòng)和定位。

優(yōu)選的，所述右?jiàn)A持架安裝在第一直線電機(jī)次級(jí)上，使第一直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)右?jiàn)A持架移動(dòng)。

優(yōu)選的，所述升降裝置的活動(dòng)端和固定端之間連接電子卷尺，用于測(cè)量菱形架對(duì)角線的長(zhǎng)度。

本實(shí)用新型有益效果：該裝置可使焊接裝置通過(guò)直線電機(jī)控制橫向運(yùn)動(dòng)，從而焊接橫向縫隙；通過(guò)伺服電機(jī)控制鋼管旋轉(zhuǎn)使得焊接裝置可以焊接鋼管的環(huán)形縫隙；通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和菱形架夾持使兩根鋼管同心對(duì)接，并使對(duì)接間距可以精確控制在1-3mm；通過(guò)調(diào)整升降裝置的間距來(lái)改變菱形架對(duì)角線的間距，能夠夾持不同直徑的鋼管，并使鋼管均同軸對(duì)接。該焊接裝置有較好的能動(dòng)性、自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好、便于操作、方向可調(diào)。

附圖說(shuō)明：

圖1為本實(shí)用新型機(jī)器人管焊裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為本實(shí)用新型機(jī)器人管焊裝置中菱形架的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為本實(shí)用新型機(jī)器人管焊裝置結(jié)構(gòu)框圖

圖4為本實(shí)用新型機(jī)器人管焊裝置中第一直線電機(jī)次級(jí)和初級(jí)的放大圖

圖5為本實(shí)用新型機(jī)器人管焊裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖中A剖面的方法圖

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。

具體實(shí)施方案如下：

如圖1本實(shí)用新型的原理圖和圖2菱形架的結(jié)構(gòu)圖所示，一種機(jī)器人管焊裝置，由橫梁800、菱形架700、第一直線電機(jī)600、第二直線電機(jī)100、焊接機(jī)器人200、管道夾持裝置400、減速電機(jī)430、控制器500、上位機(jī)900組成。上下兩根橫梁800平行布置，上橫梁810上安裝有滑道811，下橫梁820上安裝有第一直線電機(jī)600，上下橫梁800的右側(cè)端分別連接升降裝置830的活動(dòng)端831和固定端832，四個(gè)相同大小的菱形架700，平行安裝在上下橫梁800之間，四個(gè)菱形架700軸線重合，滑道811位于所述菱形架700的對(duì)角線上鉸接點(diǎn)側(cè)的上橫梁810處，及第一直線電機(jī)600位于所述菱形架700的對(duì)角線下鉸接點(diǎn)側(cè)的下橫梁820處，菱形架700通過(guò)鉸軸701與滑道811上的滑塊812和第一直線電機(jī)次級(jí)620連接，菱形架700的四條邊通過(guò)鉸鏈連接；第二直行電機(jī)初級(jí)110平行于所述橫梁800設(shè)置在鋼管1000旁；焊接機(jī)器人200為六自由度機(jī)器人垂直安裝在旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)201上，用于改變焊接機(jī)器人200方向。焊槍204設(shè)置在焊接機(jī)器人200上，焊接機(jī)器人200靈活控制焊槍204位置，第二直線電機(jī)次級(jí)120設(shè)置在旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)201下方，用于驅(qū)動(dòng)整個(gè)焊接機(jī)器人200。管道夾持裝置400安裝在下橫梁820上，鋼管1000兩端被管道夾持裝置400夾緊，防止鋼管800位移造成焊接不均勻。管道夾持裝置400至少分為左右兩個(gè)支架，支架由具有環(huán)形槽的夾持架410和轉(zhuǎn)盤420組成，左夾持架410內(nèi)的轉(zhuǎn)盤420與減速電機(jī)430同軸連接，右?jiàn)A持架410安裝在第一直線電機(jī)次級(jí)620上，使第一直線電機(jī)600驅(qū)動(dòng)右?jiàn)A持架410移動(dòng)，左夾持架410和右?jiàn)A持架410一起用于固定鋼管1000的兩端和轉(zhuǎn)動(dòng)鋼管1000，使得在環(huán)形焊接時(shí)焊接更加穩(wěn)定，升降裝置830的活動(dòng)端831和固定端832之間連接電子卷尺840，用于測(cè)量菱形700對(duì)角線的長(zhǎng)度。

升降裝置700為液壓油缸、氣缸、或直線電機(jī)。

進(jìn)一步地，第一直線電機(jī)初級(jí)610和第二直線電機(jī)初級(jí)110的旁安裝有混合式絕對(duì)值光柵尺611，及設(shè)置在第一直線電機(jī)次級(jí)620和第二直線電機(jī)次級(jí)120與光柵尺相對(duì)的光柵讀數(shù)頭621，可測(cè)量光柵讀數(shù)頭621在光柵尺611上的位置、移動(dòng)方向、移動(dòng)速度。

優(yōu)選地，控制器500通過(guò)DSP芯片510，采集第一直線電機(jī)次級(jí)620和第二直線電機(jī)次級(jí)120上的光柵讀數(shù)頭621讀取的位置信息，識(shí)別并控制兩段鋼管1000對(duì)接端的間距、鋼管長(zhǎng)度及焊接機(jī)器人200沿第二直線電機(jī)100的移動(dòng)速度和位置，控制器500還通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連接的逆變器503、編碼器504、焊接機(jī)器人200，逆變器503與所述減速電機(jī)430連接，編碼器504安裝在減速電機(jī)430的轉(zhuǎn)軸上，控制器500用于控制所述交流伺服減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。控制器500通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)連接交換機(jī)505，交換機(jī)505與上位機(jī)900交換數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，第一直線電機(jī)初級(jí)610和第二直線電機(jī)初級(jí)110上的電樞繞組通過(guò)功率放大器511連接DSP芯片510，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)模塊控制電流大小方向變化，使得磁場(chǎng)相應(yīng)改變從而驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)焊接機(jī)器人200、菱形架700、右?jiàn)A持架410變速移動(dòng)和定位，控制器500通過(guò)DSP芯片510采集光柵讀數(shù)頭621，讀取的第一直線電機(jī)次級(jí)620和第二直線電機(jī)次級(jí)120的位置和移動(dòng)速度信息。

其焊接方法是：將兩段鋼管1000的分別穿過(guò)兩個(gè)菱形架700，各鋼管1000兩端分別置于菱形架700內(nèi)側(cè)，讓升降裝置830驅(qū)動(dòng)上下橫梁800相對(duì)平行移動(dòng)使菱形架700夾持鋼管1000，使兩段鋼管1000同心，電子卷尺840采集上下橫梁800的間距；讓連接第一直線電機(jī)次級(jí)620的各菱形架700在第一直線電機(jī)初級(jí)610的驅(qū)動(dòng)下沿下橫梁820橫向相對(duì)移動(dòng)，第一直線電機(jī)次級(jí)620上的光柵讀數(shù)頭621讀取第一直線電機(jī)初級(jí)610上的光柵尺611確定兩段鋼管1000各端的位置，驅(qū)動(dòng)菱形架700用于使兩段鋼管1000的對(duì)接端保持1-3mm的間隙；將測(cè)得的距離數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)通過(guò)控制器轉(zhuǎn)給上位機(jī)900，上位機(jī)900計(jì)算出鋼管1000的外徑、圓周長(zhǎng)、長(zhǎng)度、對(duì)接端位置，并通過(guò)控制器500，驅(qū)動(dòng)安裝在第二直線電機(jī)次級(jí)120上的焊接機(jī)器人200，沿平第二直線電機(jī)初級(jí)120平移至兩段鋼管1000的對(duì)接處焊接鋼管1000；控制器還驅(qū)動(dòng)設(shè)有轉(zhuǎn)盤420的管道夾持裝置400夾緊鋼管1000的非對(duì)接端，連接減速電機(jī)430的轉(zhuǎn)盤420用于沿徑向轉(zhuǎn)動(dòng)鋼管1000,便于焊接機(jī)器人200焊接。

上位機(jī)900計(jì)算出的鋼管外徑為：

纏繞電樞繞組的鐵芯由導(dǎo)磁的條狀硅鋼片疊壓成直線狀，電樞繞組在空間上則按二相或三相規(guī)律將每個(gè)極相組順序纏繞或套在鐵芯上，鐵芯兩側(cè)并與主磁場(chǎng)相對(duì)的繞組導(dǎo)體為有效導(dǎo)體。

控制器是PLC控制器，光柵尺611是德國(guó)JENA公司生產(chǎn)的JENALIE52PLXFDO型光柵尺611,其測(cè)量精度為1μm。光柵讀數(shù)頭621是通過(guò)將固定光柵和移動(dòng)光柵之間的位移放大為莫爾條紋的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。

TMS320LF2407型DSP芯片510集高速運(yùn)算能力與面向電機(jī)的高速控制能力于一體,可以實(shí)現(xiàn)用軟件取代模擬器件,方便地修改控制策略和參數(shù),兼具故障監(jiān)測(cè)、自診斷和上下位機(jī)管理與通信功能。其內(nèi)部總線為哈佛結(jié)構(gòu),指令執(zhí)行速度是30MIPS,絕大部分指令可以在單周期內(nèi)執(zhí)行完畢,這使得控制系統(tǒng)能夠快速處理相關(guān)計(jì)算。它具有豐富的資源,特別是具有2個(gè)事件管理器模塊(EVA和EVB,它們的結(jié)構(gòu)完全一樣,只是所具有的寄存器名稱不一樣),能夠很方便地對(duì)電機(jī)進(jìn)行編程控制。事件管理器具有4個(gè)通用定時(shí)器Tn(n＝1,2,3,4,EVA,EVB各2個(gè),每個(gè)定時(shí)器還有一個(gè)比較寄存器和周期寄存器,Tn可以編程為在內(nèi)部CPU時(shí)鐘或外部時(shí)鐘基礎(chǔ)上運(yùn)行),6個(gè)全比較單元,6個(gè)捕獲單元和2個(gè)QEP電路。其中事件管理器模塊的通用定時(shí)器用來(lái)產(chǎn)生采樣周期(用T1)和作為QEP電路的時(shí)基(用T2),QEP電路用于連接光柵輸出的正交編碼脈沖信號(hào),對(duì)該信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),CAP模塊用來(lái)捕獲通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值。

對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行處理前首先要得到信號(hào),在用光柵讀數(shù)頭621檢測(cè)到信號(hào)后,用DSP芯片510來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。光柵讀數(shù)頭621輸出3路信號(hào),將這3路信號(hào)中的正交編碼脈沖信號(hào)a,b輸入到DSP芯片510的QEP引腳。其中QEP1和QEP2分別用來(lái)接收光柵的脈沖信號(hào)a、b,它們作為通用定時(shí)器T2的時(shí)基,定時(shí)器T2對(duì)2列脈沖的每個(gè)上升和下降沿都進(jìn)行計(jì)數(shù),每來(lái)1個(gè)上升沿或下降沿時(shí),T2的計(jì)數(shù)器就加1或減1計(jì)數(shù)。在對(duì)脈沖信號(hào)a,b進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí),其使用的時(shí)鐘源為CLK。頻率為正交編碼脈沖的4倍。計(jì)數(shù)的方向由2列脈沖的相位決定:如果QEP1連接的是2列脈沖中的先導(dǎo)系列,就進(jìn)行增計(jì)數(shù),反之則減計(jì)數(shù),DIR信號(hào)(高電平代表增計(jì)數(shù),低電平則反之)。CAP3用來(lái)捕獲脈沖的個(gè)數(shù),它和捕獲驅(qū)動(dòng)信號(hào)T1PWM(即當(dāng)T1定時(shí)器的計(jì)數(shù)器值和其比較寄存器相等時(shí)在T1PWM引腳上輸出的跳變信號(hào))連接,用DSP的通用定時(shí)器T1(T1在內(nèi)部CPU時(shí)鐘基礎(chǔ)上運(yùn)行)來(lái)產(chǎn)生采樣周期,每經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣周期的時(shí)間間隔后在T1PWM引腳上輸出一個(gè)跳變,在檢測(cè)到CAP3引腳上出現(xiàn)跳變時(shí),就將這一時(shí)刻的T2定時(shí)器的計(jì)數(shù)器中的數(shù)值裝入一個(gè)寄存器中,接著可以在軟件中讀出該數(shù)值。只要知道每一個(gè)脈沖所代表的位移量(即脈沖當(dāng)量)和脈沖個(gè)數(shù),就可以計(jì)算出實(shí)際的位移量。得到某一時(shí)刻的脈沖個(gè)數(shù)后,可以和總的脈沖個(gè)數(shù)(為預(yù)定位移量和脈沖當(dāng)量之商)進(jìn)行比較,這就是這一時(shí)刻的位移偏差。將偏差代入PID算法計(jì)算出需要輸出的電壓量,以此電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)100運(yùn)動(dòng)。

直線電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。在直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí),光柵讀數(shù)頭621不斷地檢測(cè)直線電機(jī)的位移,產(chǎn)生的正交編碼脈沖信號(hào)作為位置反饋輸入到DSP芯片510中,DSP芯片510將直線電機(jī)預(yù)定位移S和檢測(cè)到的當(dāng)前位移進(jìn)行比較,由PID算法來(lái)給出相應(yīng)電壓到功率放大器以驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)。在直線電機(jī)的控制過(guò)程中,需要實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的精確定位和一定范圍內(nèi)的響應(yīng)頻率。因此,本實(shí)用新型采用PID作為控制算法。相應(yīng)的控制系統(tǒng)軟件由主程序和中斷子程序組成。主程序完成芯片與各變量的初始化、等待中斷的出現(xiàn)等工作；子程序則包括捕獲中斷、PDPINT保護(hù)中斷和PID算法實(shí)現(xiàn)等。在這里,采用變采樣周期。因?yàn)樵谥本€電機(jī)從起始位置運(yùn)動(dòng)的一段時(shí)間里,可以采用長(zhǎng)的采樣周期,這時(shí)是遠(yuǎn)離預(yù)定位置,可以重點(diǎn)考慮速度方面的因素。等到電機(jī)運(yùn)動(dòng)到了一定的位置,再將采樣周期減小,重點(diǎn)考慮定位精度。這樣可以做到二者兼顧,既保證了定位精度,又提高了直線永磁電機(jī)的響應(yīng)頻率。而且,這對(duì)于DSP芯片510來(lái)說(shuō)也是很容易做到的。實(shí)現(xiàn)方法為:在通用定時(shí)器T2的比較中斷(即T2計(jì)數(shù)器之值等于比較寄存器時(shí))中來(lái)改變采樣周期,而在周期中斷(即T2計(jì)數(shù)器之值等于周期寄存器之值)中恢復(fù)原來(lái)的采樣周期。前者是在直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)到需要改變采樣周期位置時(shí)發(fā)生,后者是在電機(jī)運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)出現(xiàn)。

以上所述是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。