一种智能型弧焊机器人潜水送丝的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种智能型弧焊机器人潜水送丝机，包括密封罩，还包括均设置在密封罩内的DSC控制器、送丝驱动电路、送丝电机、送丝速度检测电路、通信电路、有无焊丝检测电路、漏水检测电路、送丝机械传动部件和设置有焊丝的焊丝盘；DSC控制器、送丝驱动电路、送丝电机和送丝机械传动部件依次连接；DSC控制器还分别与漏水检测电路、通信电路和有无焊丝检测电路连接；送丝速度检测电路一端与DSC控制器连接，另一端与送丝电机连接；焊丝盘的焊丝与送丝机械传动部件连接。本发明可实现全数字控制、故障诊断和数据传输的功能，能够实现水下匀速、变速和脉动送丝等三种模式，并且焊丝送给稳定精确，使得机器人焊接过程的电源-水下电弧系统更为稳定可控。
【专利说明】一种智能型弧焊机器人潜水送丝机
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接工艺及设备技术，更具体地说，涉及一种智能型弧焊机器人潜水送丝机。
【背景技术】
[0002]随着海洋能源、远洋运输、大型船舶等一系列大型工程的开发，我国对水下焊接技术的需求也日益迫切。实现水下焊接自动化的主要方式有三种:水下轨道式焊接系统、远程遥控式焊接系统和机器人焊接系统。水下轨道式焊接需要在水下安装轨道，受到潜水员潜水深度限制；远程遥控焊接精度误差较大，有时难以满足工程焊接精度要求；基于当今社会特殊应用机器人的迅速发展，水下焊接机器人是今后水下焊接自动化的研究方向。由于水下环境的复杂性和不确定性，目前还没有焊接机器人从事完全的水下焊接活动。
[0003]影响水下焊缝质量的因素很多，但焊接时电弧是否稳定燃烧是基本要求。与通常的焊接电弧相比，水环境下的电弧由于水压力及其他因素的影响，其燃烧的稳定性很差。从机理上分析，要使水下电弧燃烧稳定，就必须要有性能稳定可靠的潜水送丝机，确保焊丝稳定精确的送给，能够建立稳定的电源-电弧系统。水下送丝系统的性能至关重要，能根据焊接工艺需求，实现匀速、变速以及脉动等多种送丝模式，之外，还需要实时诊断焊丝余量，确保焊丝从送丝软管送出时比较干燥，不对焊接电弧的稳定性产生不利影响。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种智能型弧焊机器人潜水送丝机，保证在焊接过程能够确保送丝盘干燥和焊丝送给稳定精确，从而实现匀速、变速以及脉动等多种送丝模式，有助于焊接电源-水下电弧系统自动适应水下焊接电弧的特性，实现高质量的水下机器人焊接。
[0005]为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现:一种智能型弧焊机器人潜水送丝机，其特征在于:包括密封罩，还包括均设置在密封罩内的DSC控制器、送丝驱动电路、送丝电机、送丝速度检测电路、通信电路、有无焊丝检测电路、漏水检测电路、送丝机械传动部件和设置有焊丝的焊丝盘；所述DSC控制器、送丝驱动电路、送丝电机和送丝机械传动部件依次连接；所述DSC控制器还分别与漏水检测电路、通信电路和有无焊丝检测电路连接；所述送丝速度检测电路一端与DSC控制器连接，另一端与送丝电机连接；所述焊丝盘的焊丝与送丝机械传动部件连接。
[0006]在上述方案中，焊丝盘采用通用的焊丝盘，送丝机械传动部件由通用的压紧轮、压紧手柄等构成，而送丝电机为通用的直流电机。
[0007]所述DSC控制器由最小系统、可视化人机交互系统、按键、旋转编码器、LED状态指示灯、显存和闪存连接组成。具体地说，DSC控制器主要包括型号为STM32F405ZGT6的最小系统，由型号为AT070TN92的触摸屏、型号为RA8875的驱动芯片以及型号为CAT4139的背光芯片为主构成的可视化人机交互系统，按键，旋转编码器，LED状态指示灯，扩展的16MSRAM显存以及扩展的64Mbit的闪存连接构成。
[0008]所述最小系统由微处理器、电源电路、复位电路、晶振电路和JTAG接口通过外围电路连接构成。具体地说，DSC控制器的最小系统主要采用内部固化有运行于FreeRTOS内核的潜水送丝机控制软件的STM32F405RGT6微处理器为主要部件。
[0009]所述送丝驱动电路由两个N沟道型场效应管构成的半桥电路、驱动芯片、光耦一、继电器一和稳压芯片通过外围电路连接组成；所述驱动芯片通过最小系统的PWM端口与DSC控制器连接。该送丝驱动电路是能够实现匀速送丝、变速送丝以及脉动送丝三种送丝模式的电路。
[0010]所述有无焊丝检测电路通过最小系统的GPIO端口与DSC控制器连接，并由电涡流式接近开关、继电器二、光耦二、线性光耦、高速运算放大器通过外围电路连接构成。该有无焊丝检测电路不仅能够检测焊丝的有无，而且能够对焊丝盘焊丝的余量进行预测和判断。
[0011]所述漏水检测电路通过最小系统的GPIO端口与DSC控制器连接，并由漏水电极、光耦三、电阻一和电容一通过外围电路连接构成。
[0012]所述送丝速度检测电路通过最小系统的ADC端口与DSC控制器连接；所述送丝速度检测电路对送丝速度的检测方式为编码器检测方式，或者为检测电机电枢电压的方式。
[0013]所述通信电路一端与焊接机器人连接，另一端通过最小系统的CAN端口与DSC控制器连接，并由型号为SN65HVD230的CAN收发器、电阻二和电容二通过外围电路连接构成。
[0014]所述密封罩为由不锈钢材料制成的壳体，其与外部的接口采用静密封和动密封相结合的密封方式，从而提高该送丝机在水下工作的密封效果。
[0015]与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果:
[0016]1、本发明一种智能型弧焊机器人潜水送丝机采用了 DSC控制器，以具备DSP模块的CorteX-M4ARM微处理器为数字控制核心，数据运算处理速度快，控制分辨率非常高，使得潜水送丝机对送丝过程的实时控制更为精细和准确。
[0017]2、本发明一种智能型弧焊机器人潜水送丝机采用了数字化PWM调制的送丝驱动电路，能够实现匀速、变速和脉动送丝等三种模式，对焊接机器人水下焊接过程的电源-电弧系统有更好的适应能力，提高焊接过程的稳定性。
[0018]3、本发明一种智能型弧焊机器人潜水送丝机采用了基于电涡流式的检测方法，不仅能够实现有无焊丝的检测，还能够实时检测焊丝的余量，更有利于水下机器人自动化焊接。
[0019]本发明的智能型弧焊机器人潜水送丝机的工作原理是这样的:潜水送丝机由DSC控制器、送丝驱动电路、送丝电机、送丝速度检测电路、有无焊丝检测电路、漏水检测电路、通信电路、送丝机械传动部件(包括压紧轮、压紧手柄等)和焊丝盘连接组成；其中，DSC控制器、送丝驱动电路、送丝电机、送丝速度检测电路、有无焊丝检测电路、漏水检测电路、通信电路、送丝机械部件和焊丝盘等均安装在密封罩内。DSC控制器的ARM微处理器STM32F405RG可以接收来自焊接机器人发送的工作状态指令和参数信息，也可以根据触摸屏、按键和数字编码器设定的工作状态指令和参数信息，向送丝驱动电路输出两路互补的带死区PWM信号，经过IR2110驱动芯片的隔离和放大，控制送丝驱动电路的场效应管的开关导通和关闭时间，对电机电压进行实时调节，改变送丝电机的转速，从而改变送丝速度。与此同时，ARM微处理器STM32F405RG按照一定的采样频率，通过送丝速度检测电路实时采样送丝电机两端的电枢电压，采样数据经过软件的算术滤波后，与ARM微处理器STM32F405RG预定的送丝速度给定值进行比较，并按照数字PID调节规律调整输出的PWM脉冲占空比，从而调节送丝电机的送丝速度。通过采样电涡流式接近开关的输出端电压，监测焊丝的消耗情况，当输出电压值低于某一设定值时，说明焊丝余量不足；而当电涡流式接近开关闭合时，说明已经没有焊丝。当漏水电极检测端被下拉至低电平时，触发ARM微处理器STM32F405RG的GPIO 口中断，进入相应的中断处理函数进行处理。焊接机器人将设定的控制参数通过CAN总线与送丝机DSC控制器进行通信和信息交互，而潜水送丝机的故障诊断信息也通过DSC的CAN端口，经由通信电路和CAN总线传输至焊接机器人。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明智能型弧焊机器人潜水送丝机的结构示意图；
[0021]图2是本发明智能型弧焊机器人潜水送丝机的DSC控制器内部结构示意图；
[0022]图3是本发明智能型弧焊机器人潜水送丝机的最小系统原理图；
[0023]图4是本发明智能型弧焊机器人潜水送丝机的送丝驱动电路原理图；
[0024]图5是本发明智能型弧焊机器人潜水送丝机的送丝速度检测电路原理图；
[0025]图6 (a)和图6 (b)是本发明智能型弧焊机器人潜水送丝机的有无焊丝检测电路原理图；
[0026]图7是本发明智能型弧焊机器人潜水送丝机的漏水检测电路原理图；
[0027]图8是本发明智能型弧焊机器人潜水送丝机的通信电路原理图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细的描述。
[0029]实施例
[0030]本发明的智能型弧焊机器人潜水送丝机具备匀速送丝、变速送丝以及脉动送丝等三种送丝模式，其包括密封罩，如图1所示，还包括均设置在密封罩内的DSC控制器100、送丝驱动电路200、送丝电机300、送丝速度检测电路500、通信电路700、有无焊丝检测电路800、漏水检测电路600、送丝机械传动部件400和设置有焊丝的焊丝盘；其中，DSC控制器100、送丝驱动电路200、送丝电机300和送丝机械传动部件400依次连接，DSC控制器100还分别与漏水检测电路600、通信电路700和有无焊丝检测电路800连接，送丝速度检测电路500 —端与DSC控制器100连接，另一端与送丝电机300连接，焊丝盘的焊丝与送丝机械传动部件400连接。为了提高该送丝机在水下工作的密封效果，本发明的密封罩为由不锈钢材料制成的壳体，其与外部的接口采用静密封和动密封相结合的密封方式。
[0031]如图2所示，DSC控制器由型号为STM32F405ZGT6的最小系统，由型号为AT070TN92的触摸屏、型号为RA8875的驱动芯片以及型号为CAT4139的背光芯片相互连接构成的可视化人机交互系统，按键，旋转编码器，LED状态指示灯，扩展的16M SRAM显存和扩展的64Mbit的闪存通过外围电路连接构成。STM32F405ZGT6为融合了 ARM+DSP双芯功能的CortexM4内核ARM微处理器，其通过FSMC端口扩展配置了 16M显存，通过SPI端口扩展了 64Mbit的闪存。旋转编码器直接与TMER端口相连，按键直接与GPIO端口相连，LED状态指示灯直接与GPIO端口相连，其中，按键和旋转编码器用于设置参数。最小系统通过CAN接口和通信电路直接与焊接机器人连接，其参数显示采用四线电阻式7寸TFT-LCD-AT070TN92，LCD驱动芯片RA8875直接与最小系统的GPIO端口相连。送丝驱动电路直接通过PWM端口与最小系统连接，送丝速度检测电路直接通过ADC端口与最小系统连接，有无焊丝检测电路和漏水检测电路直接通过GPIO端口与最小系统连接，通信电路一端与焊接机器人连接，另一端通过CAN端口与最小系统连接。该最小系统以FreeRTOS为实时内核，具有数据处理速度快、调节精确灵活和系统扩展便利等优势。
[0032]如图3所示，型号为STM32F405RGT6的最小系统由ST公司主频高达168MHz的Cortex-M4内核STM32F405RGT6微处理器，由芯片AMS1117、电容C14-17、电阻R6和二极管Dl通过外围电路构成的电源电路，由开关S1、电容Cl和电阻R7通过外围电路构成的复位电路，由晶振Y1、电容C2-3和电阻Rl通过外围电路构成的晶振电路，以及由电阻R5-8和JTAG芯片构成的JTAG接口通过辅助电路连接构成。STM32F405RGT6最小系统内置DSP功能模块，为基于Cortex-M4内核的SOC级芯片，有多达IMB片上FLASH，192Kb SRAM, 12位转换速率达2.4MSPS的ADC，具有两路12位DAC，可以产生0-3.3v的模拟电压，预留了UART、RS485和CAN接口。STM32F405RGT6是潜水送丝机的数字化核心，其内部固化有基于FreeRTOS实时内核的潜水送丝机控制软件。
[0033]如图4所示，所述送丝驱动电路主要由2个N沟道型场效应管Ql和场效应管Q2构成的半桥电路、驱动芯片IR2110、光耦PC817、继电器K1、稳压芯片L7815以及其他外围电路连接构成。驱动芯片采用的型号为IR2110，并通过继电器Kl与光耦PC817构成的换向电路实现电机的正转、反转的转换。其中，电机两端与连接器Pl相连，两路互补的带死区PWM信号分别输入至驱动芯片IR2110。Inversion换向端保持为高电平，继电器保持在正转端，当PWMH为高电平，PWML为低电平时，由于电容C2和C3、二极管DI组成的自举电路的作用，此时场效应管Ql可靠导通，场效应管Q2关断，电机正负两端短接于24V，处于急停状态；当PWMH为低电平，PWL为高电平时，场效应管Q2导通，场效应管Ql关断，此时电机两端电压为+24V，电机处于正转状态。当Inversion换向端保持为低电平时，光耦PC817的三极管导通，继电器保持在反转端，当PWMH为高电平，PWML为低电平时，场效应管Ql导通，场效应管Q2关断，此时电机两端电压为+24V，电机处于反转状态；当PWML为高电平，PWMH为低电平时，电机正负两端短接于24V，处于急停状态。因此，通过控制Inversion换向端的高低电平，可以实现脉动送丝，而通过控制PWMH和PWML的占空比，就可以控制送丝的速度，这两者相结合，就可以方便的实现匀速送丝、变速送丝以及脉动送丝等三种送丝模式。
[0034]电阻R1、二极管D2及电阻R3、二极管D3分别组成场效应管Ql和场效应管Q2的泄流回路，使场效应管能快速关断，防止上下两个场效应管同时导通。电阻R2、电阻R4分别为场效应管Q1、场效应管Q2的输入端保护电阻，防止场效应管因静电等原因意外导通。因为所用直流电机属于感性元件，所以电机在换向时会产生很大的感应电动势，故在输入端加入由二极管D4、二极管D5组成反向电动势吸收电路。为防止模拟电路的高频噪声信号耦合至数字电路一侧，模拟电路的地端与数字电路的地端通过磁珠LI单点连接。
[0035]本发明的送丝速度检测电路对送丝速度检测，既可以采用编码器检测方式，也可以采用检测电机电枢电压的方式。本实施例以检测电枢电压的方式进行介绍，如图5所示，电机正负两端与连接器P3相连接，电机两端电压经过电阻分压，差分放大，线性光耦隔离，进一步分压后输入到控制芯片STM32F405RG，进过A/D转换后与电压给定值进行比较，从而调整PWM信号的占空比，达到调节电机运行速度的目的。其中，电阻R6、电阻R7与电阻R8、电阻R9分别组成两个输入电压的分压电路，将电压等比例降低至适合运算放大器LF353的输入电压。电感L5、电感L6、电容ClO组成输入端的LC滤波电路。运算放大器U4构成差分放大电路，将经过降压后的电机两端的电压先放大至两倍，然后求两者差值后输出，从而将输入的差动信号转变为单边电压信号输出。二极管D6、二极管D7与二极管D8、二极管D9分别为运算放大器U4两输入端的保护二极管，当输入端电压绝对值高于15V时，其中一个二极管导通，有效保护了运算放大器。由于线性光耦U6为电流驱动型光耦元件，所隔离的为电流量，所以运算放大器U5与电阻R17组成电压-电流转换电路，将运算放大器输入端的电压转换成线性光耦HCNR201的LED驱动电流，而运算放大器U5与电阻R16、电容C11、二极管DlO组成线性光耦U6的闭环反馈电路，以补偿U6的LED的非线性以及温度漂移，而电容Cll也能起到滤除高频噪声信号的作用。运算放大器U7与电阻R22、电阻R18组成电流-电压转换电路，将线性光耦U6的输出电流转换成电压，调整电阻R22的阻值至合适值，即可得到与运算放大器U4单边输出电压相等的电压值，经过电阻R18的进一步降压，将运算放大器U7的输出电压降至控制芯片STM32F405RG合适的输入电压，其中二极管D11、二极管D12组成输入端保护电路，防止Feedback端的电压高于3.3V。
[0036]如图6 (a)和6 (b)所示，本发明的有无焊丝检测电路采用了电涡流式检测方法，主要由电涡流式接近开关、继电器K2、光耦PC817、线性光耦HCNR201、高速运算放大器LF353以及外围辅助电路构成，不仅能够检测焊丝的有无，而且能够对焊丝盘焊丝的余量进行预测和判断。如图6 (a)所示，电涡流式接近开关为两线制常闭型接近开关，输出端与连接器P6相连接。当检测到有焊丝时，连接器P6两端断开，继电器K2没有被吸合，工作指示灯LEDl点亮，表明此时有焊丝；当检测到焊丝耗尽时，电涡流式接近开关输出端闭合，连接器P6两端连接，回路导通，继电器K2被吸合，指示灯LEDl熄灭，而光耦PC817的LED有驱动电流流过，输出端的三极管导通，信号端WIRE被下拉至低电平状态，WIRE端与控制芯片STM32F45RG的GPIO 口相连接，当检测到WIRE端口为低电平时，进入GPIO中断处理函数，进行相应的处理。如图6 (b)所示，为保证无焊丝故障检测结果的可靠性，对电涡流式接近开关的输出端电压进行检测，当采样端FBWIRE的电压高于一定值时，则认为焊丝已经耗尽。
[0037]如图7所示，漏水检测电路主要由漏水电极、光耦PC817、电阻R21-22和电容C14通过外围电路连接构成。漏水电极两端与连接器P5相连接。当密封箱体内部没有积水时，漏水电极两端断开，光耦PC817的LED没有电流流过，输出端的三极管截止，检测信号输出端WATER被上拉电阻上拉至3.3V ;当检测到密封箱体内部有积水时，漏水电极两端相连接，光耦PC817的LED驱动电流流过而发光，输出端的三极管导通，检测信号输出端WATER被下拉至地。检测信号输出端WATER与控制芯片STM32F405RG的GPIO相连接，当检测到其为低电平时，进入相应的中断处理函数进行处理。
[0038]如图8所示，通信电路由CAN收发器SN65HVD230、电阻R20和电容Cl3通过外围电路连接构成。送丝机的送丝速度设定值、送气延时设定值、故障诊断信号等参数通过通信电路与焊接机器人进行数据交互。SN65HVD230是TI公司生产的3.3V CAN收发器，该器件适用于较高通讯速率、良好抗干扰能力和高可靠性CAN总线的串行通信。
[0039]上述实施例具有以下特点:[0040]1、全数字化:本实施例的一种智能型弧焊机器人潜水送丝机首次构建了基于DSC控制器的全数字潜水送丝机，不仅实现了控制过程的数字化，而且实现了送丝机与机器人之间的全数字数据通信和信息交互，数据处理能力强，响应速度快，过程控制更为精确。
[0041]2、宽适应性:本实施例的一种智能型弧焊机器人潜水送丝机采用数字PWM调制方式，实现了送丝驱动电路的正反转和调速控制，能够实现匀速、变速和脉动送丝等三种模式，对水下机器人焊接的电源-电弧系统有更好的适应性，更能够得到稳定的焊接过程，获得优质焊缝。
[0042]3、专业化:本实施例的一种智能型弧焊机器人潜水送丝机不仅能够对有无焊丝以及焊丝余量进行检测，还能实时动态监测潜水送丝机密封罩是否有渗漏，此外，密封罩还采用了静密封和动密封相结合的方式，密封性能更好，能够满足水下焊接的专业需求。
[0043]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种智能型弧焊机器人潜水送丝机，其特征在于:包括密封罩，还包括均设置在密封罩内的DSC控制器、送丝驱动电路、送丝电机、送丝速度检测电路、通信电路、有无焊丝检测电路、漏水检测电路、送丝机械传动部件和设置有焊丝的焊丝盘；所述DSC控制器、送丝驱动电路、送丝电机和送丝机械传动部件依次连接；所述DSC控制器还分别与漏水检测电路、通信电路和有无焊丝检测电路连接；所述送丝速度检测电路一端与DSC控制器连接，另一端与送丝电机连接；所述焊丝盘的焊丝与送丝机械传动部件连接。
2.根据权利要求1所述的智能型弧焊机器人潜水送丝机，其特征在于:所述DSC控制器由最小系统、可视化人机交互系统、按键、旋转编码器、LED状态指示灯、显存和闪存连接组成。
3.根据权利要求2所述的智能型弧焊机器人潜水送丝机，其特征在于:所述最小系统由微处理器、电源电路、复位电路、晶振电路和JTAG接口通过外围电路连接构成。
4.根据权利要求2所述的智能型弧焊机器人潜水送丝机，其特征在于:所述送丝驱动电路由两个N沟道型场效应管构成的半桥电路、驱动芯片、光耦一、继电器一和稳压芯片通过外围电路连接组成；所述驱动芯片通过最小系统的PWM端口与DSC控制器连接。
5.根据权利要求2所述的智能型弧焊机器人潜水送丝机，其特征在于:所述有无焊丝检测电路通过最小系统的GPIO端口与DSC控制器连接，并由电涡流式接近开关、继电器二、光耦二、线性光耦、高速运算放大器通过外围电路连接构成。
6.根据权利要求2所述的智能型弧焊机器人潜水送丝机，其特征在于:所述漏水检测电路通过最小系统的GPIO端口与DSC控制器连接，并由漏水电极、光耦三、电阻一和电容一通过外围电路连接构成。
7.根据权利要求2所述的智能型弧焊机器人潜水送丝机，其特征在于:所述送丝速度检测电路通过最小系统的ADC端口与DSC控制器连接；所述送丝速度检测电路对送丝速度的检测方式为编码器检测方式，或者为检测电机电枢电压的方式。
8.根据权利要求2所述的智能型弧焊机器人潜水送丝机，其特征在于:所述通信电路一端与焊接机器人连接，另一端通过最小系统的CAN端口与DSC控制器连接，并由型号为SN65HVD230的CAN收发器、电阻二和电容二通过外围电路连接构成。
9.根据权利要求1所述的智能型弧焊机器人潜水送丝机，其特征在于:所述密封罩为由不锈钢材料制成的壳体，其与外部的接口采用静密封和动密封相结合的密封方式。
【文档编号】B23K9/133GK103706924SQ201310715023
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】王振民, 冯锐杰, 冯允樑 申请人:华南理工大学