一种三维自动焊接系统及其焊接控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维自动焊接系统，它主要包括由焊枪运行机构、控制柜（21）、焊机和送丝机，所述的焊枪运行机构包括摆动机构、升降驱动机构、直行机构和底座（1），摆动机构的运动方向、升降驱动机构的运动方向和直行机构的运动方向分别对应三维直角坐标轴的X轴方向、Z轴方向和Y轴方向。本发明公开了一种利用上述三维自动焊接系统进行焊接的控制方法，它可以处于自动控制模式和手动模式下工作。本发明提供了适用于中厚壁长直缝多层焊，实现了焊接自动化，而且制作成本低，使用方便，焊接质量稳定，效率较高。
【专利说明】一种三维自动焊接系统及其焊接控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种三维自动焊接系统及其焊接控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着当今时代科技的飞速发展，焊接作为一种关键的制造技术已经步入了一个崭 新的发展阶段，许多在激光、数字控制、计算机、信息处理、工业机器人等领域的当今最新 科研成果、高新技术与前沿技术不断融合在焊接之中，多种直缝自动焊接设备随之大量出 现。这些直缝自动焊接设备焊炬多采用气缸升降，高度只能通过机械夹具微调，仅适用于 (0. 5-6)_的薄壁单层焊接。而在建筑、石油化工、工程机械等行业，随着大型焊接结构的需 求增多，中厚板多层多道焊的应用越来越普遍。目前国内的中厚壁焊接方法以多层多道熔 化极气体保护焊为主流，一般仍采用手工焊接或半自动化焊接，焊接效率偏低，工人劳动强 度较大。此外，多数MAG/MIG/TIG等熔化极气体保护手工焊机本体自动化程度较高，除不能 自动驱动焊枪的运行外均可实现对焊接电流、保护气和焊丝等的全部时序控制。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种三维自动焊接系统及其焊接控制方法，它适用于中厚壁长直缝 多层焊，实现了焊接自动化，而且制作成本低，使用方便，焊接质量稳定，效率较高。
[0004] 本发明采用了以下技术方案：一种三维自动焊接系统，它主要包括由焊枪运行机 构、控制柜、焊机和送丝机，所述的焊枪运行机构包括摆动机构、升降驱动机构、直行机构和 底座，摆动机构的运动方向、升降驱动机构的运动方向和直行机构的运动方向分别对应三 维直角坐标轴的X轴方向、Z轴方向和Y轴方向，所述直行机构位于底座的上部，在直行机 构上设有直行驱动装置，直行驱动装置驱动直行结构沿着底座上部设有的两横向滑轨I在 Y轴方向作往复运动，在直行机构设有的支架侧面设有升降驱动机构，在升降驱动机构的 侧面设有摆动机构，升降驱动机构驱动摆动机构沿着直行机构侧面设有的坚直方向的滑轨 II在Z轴方向作升降运动，摆动机构的侧面设有摆动驱动装置，摆动驱动装置驱动摆动机 构在X轴方向作往复运动，在摆动机构上安装有焊枪夹持器，焊枪放置在焊枪夹持器内随 着摆动机构运动，所述的控制柜内设有PLC控制器，PLC控制器的输入端与控制设备连接， PLC控制器的输出端分别与直行驱动装置的驱动器、升降驱动机构的驱动器、摆动驱动装置 的驱动器、焊机的焊枪启动开关和送丝机的启动开关连接，PLC控制器用于控制直行驱动装 置、升降驱动机构和摆动驱动装置的工作和复位以及焊机和送丝机的自动控制，焊机与焊 枪连接。
[0005] 所述的两横向滑轨I对称设置在底座上，直行机构设有的支架底部位于两横向滑 轨I上，所述的直行驱动装置包括直行电机、直齿圆柱齿轮和齿条，直行电机为步进电机， 直行电机的输出端依次通过直齿圆柱齿轮和齿条与支架组成传动连接，直行驱动装置驱动 支架在横向滑轨I上作Y轴方向往复运动。
[0006] 所述的升降驱动机构包括升降电机和坚直滚珠丝杠副I，升降电机为步进电机， 所述的升降电机位于直行机构的支架顶部，坚直滚珠丝杠副I对应三维直角坐标轴的Z轴 方向，升降电机与坚直滚珠丝杠副I为传动配合，两坚直方向的滑轨II在坚直方向对称设 置在支架的侧面，所述的摆动机构上与支架的侧面相对的位置对称设有两滑块II，两滑块 II与两滑轨II相配合，摆动机构通过滑轨II与滑块II的配合在支架的侧面上下移动，坚直 滚珠丝杠副I与摆动机构为传动配合连接，升降电机驱动坚直滚珠丝杠副I转动，坚直滚 珠丝杠副I带动摆动机构沿着滑轨II作Z轴方向的升降运动。
[0007] 所述的摆动机构包括滑轨支撑座和夹持器固定板，两滑块II设置在滑轨支撑座背 面，滑轨支撑座与坚直滚珠丝杠副I为传动配合连接，在滑轨支撑座的上部和下部对称设 有水平滑轨III，夹持器固定板的背面上部和下部分别对称的设有滑块III，所述的摆动驱动 装置包括水平滚珠丝杠副II和摆动电机，水平滚珠丝杠副II对应三维直角坐标轴的X轴方 向，摆动电机为步进电机，摆动电机与水平滚珠丝杠副II为传动连接，水平滚珠丝杠副II与 夹持器固定板的背面为传动连接，摆动电机通过水平滚珠丝杠副II驱动夹持器固定板在滑 轨支撑座的水平滑轨III上作X轴方向的摆动。
[0008] 所述的控制设备包括工作按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限 限位开关，PLC控制器的输入端与工作按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极 限限位开关连接，PLC控制器的输出端连接有指示灯、报警器、直行电机的驱动器、升降电机 的驱动器、摆动电机的驱动器，在PLC控制器的通讯端口连接有MCGS触摸屏，MCGS触摸屏 与PLC控制器的通讯端口为双向通讯连接。
[0009] 所述的PLC控制器设置为S7-200 SMART PLC控制器。所述的焊机设置为气体保 护手工焊机。
[0010] 本发明还公开了一种利用上述三维自动焊接系统进行焊接的控制方法，它包括以 下步骤：当处于自动控制模式：首先给控制柜上电，调节转至自动模式，按控制柜面板上的 工作按钮的启动按钮，PLC控制器进入自动工作模式状态：首先检查升降电机是否到达电 气零点，如果升降电机没有到达电气零点，则升降电机运行继续寻找直至到达电气零点，到 达电气零点后，PLC控制器控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机运行至相应焊接层， 焊接层从第0层开始计，检查是否至所需焊接层；同时控制摆动驱动装置的驱动器驱动摆 动电机运行至摆动中心，检查是否到达摆动中心；同时控制直行驱动装置的驱动器驱动直 行电机运行至电气零点，检查是否处于电气零点，当升降电机运行至要求焊接层、摆动电机 运行至摆动中心、直行电机运行至电气零点后，打开焊机进行引弧作业，引弧时间为tl秒， tl为2秒，tl秒时间到则PLC控制器控制直行电机按设定速度前行，控制摆动电机按设定 摆动参数摆动和控制焊机进行焊接操作，当直行电机行走的焊缝长度符合要求后，焊缝长 度为L，则焊接层数自动加1、控制摆动电机停摆以及控制焊机进行收弧，收弧时间为t2秒， t2为2秒，t2时间到且检查已焊接的层数小于设定的焊接层数，则PLC控制器控制升降电 机反向运行回电气零点，开始新一层焊接控制循环；如果已焊接层数等于设定层数，则停止 焊接，自动模式结束； 处于手动控制模式：控制柜上电，转换开关转至手动，PLC控制器进入手动工作模式状 态：首先复位，PLC控制器控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机运行至电气零点，检查 是否到达电气零点，如果升降电机没有到达电气零点，则升降电机继续运行寻找电气零点， 到达电气零点后，PLC控制器控制摆动驱动装置的驱动器驱动摆动电机运行至摆动中心，检 查是否到达摆动中心；同时控制直行驱动装置的驱动器驱动直行电机运行至电气零点，检 查是否处于电气零点，当摆动电机至摆动中心、直行电机至电气零点，按升降按钮，PLC控制 器控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机运行至相应焊接层，首次转入手动运行时，相 应焊接层为非手动模式下已完成焊接的层数+1或者为0+1层；非首次手动运行，相应焊接 层为前一次焊接层数+1层，检查是否到达焊接层，当升降电机到达焊接层后，若上层焊接 为正常结束，则直接按启动按钮；若上层焊接为非正常结束，整道焊缝只焊接了一部分而没 有全部焊完，则按"点动"按钮，通过PLC控制器控制直行电机首先运行至上层停焊位置，然 后再按启动按钮，按动启动按钮后，打开焊机进行引弧作业，引弧时间为tl秒，tl为2秒， tl秒时间到则PLC控制器控制直行电机按设定速度前行，控制摆动电机按设定摆动参数摆 动和控制焊机进行焊接操作，当直行电机行走的焊缝长度符合要求后，焊缝长度为L，则焊 接层数自动加1、PLC控制器控制摆动电机停摆以及控制焊机进行收弧，收弧时间为t2秒， t2为2秒，t2时间到则本层手动焊接停止，按复位，则进入下一层手动焊接操作，在手动控 制模式下，开始正式焊接前，PLC控制器会自动判断本层焊接直行电机需要行走的距离S，S 的计算公式为： S=LI-L2 ； L1=L0+S； S:本层焊接直行电机需要行走的距离； L:焊缝长度； L0 :直行电机电气零点的绝对位移； L1 :直行电机正常焊接本层时需前进的绝对位移； L2 :直行电机在上层焊接时已行走的绝对位移。
[0011] 本发明具有以下有益效果：采用了以上技术方案后，本发明利用S7-200SMART PLC控制器方便地实现了对X、Y、Z三个方向步进电机的定位和速度控制，并与设计的焊枪 运行机构配合，实现了焊枪按设定轨迹的平稳、低振动、低噪声运行。通过对原手工焊机的 电气技术改造，将已有的成熟焊接设备组合融入自动焊接系统中，降低了设备的资金投入， 最终，在本系统控制下，各单元协同工作，实现了中厚壁的多层自动焊接。本发明采用摆动 装置作为焊接系统中的重要组成部分，摆动驱动装置包括水平滚珠丝杠副II和摆动电机， 水平滚珠丝杠副II对应三维直角坐标轴的X轴方向，摆动电机为步进电机，摆动电机与水 平滚珠丝杠副II为传动连接，水平滚珠丝杠副II与夹持器固定板的背面为传动连接，摆动 电机通过水平滚珠丝杠副II驱动夹持器固定板在滑轨支撑座的水平滑轨III上作X轴方向 的摆动，这样在摆动时可达到较高的摆频，并且运行平稳、准确、噪声小。采用了本发明后， 它的S7-200SMARTPLC控制器通过以太网用普通的网线就可以实现程序的下载和监控，方 便快捷，省去了专用编程电缆；CPU模块最多配有3路100kHz的高速脉冲输出，提供PWM 和运动轴两种运行控制，运动轴为步进电机或伺服电机的速度和位置开环控制提供了统一 的解决方案。可快速实现设备的调速、定位等功能。本发明的升降电机、直行电机和摆动电 机为步进电机，通过PLC控制器控制步进电机转过的角位移且误差不累积，可以准确定位； 通过控制频率可以改变电动机的转速和加速度，实现任意调速；通过方向控制可以实现电 机的正转和反转。采用步进电机作为执行元件是一种较为简单而又经济的开环控制方式。 本发明手动模式下设有"点动"以提高设备调试的灵活性，特别是控制步进电机的加速起动 和减速停止，避免电机失步，显得非常方便。本发明设有MCGS触摸屏，作为操作员与设备之 间的人机接口，人机界面设计通过MCGS组态软件完成，主要用于实现焊接参数的设置和管 理，通过以太网接口实现与PLC的通讯，使用方便。本发明充分利用S7-200SMARTPLC控 制器具有3路lOOKHz高速脉冲输出的硬件特点，利用编程软件"运行控制向导"的指令向 导编程CPU内置绝对位移、相对位移的运行功能，方便地实现了对X、Y、Z三个方向步进电 机的定位和速度控制，并与设计的焊枪运行机构配合，实现了焊枪按设定轨迹的平稳、低振 动、低噪声运行，通过对原手工焊机的电气技术改造，将已有的成熟焊接设备组合融入自动 焊接系统中，降低了设备的资金投入。最终，在本发明控制下，摆动机构、升降驱动机构、直 行机构协同工作，实现了中厚壁的多层自动焊接，现场应用效果良好。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明摆动机构、升降驱动机构和直行机构的结构示意图。
[0013] 图2为本发明摆动结构的结构示意图。
[0014] 图3为本发明处于摆动两侧端点无停留时间的焊枪运行轨迹示意图。
[0015] 图4为本发明处于摆动两侧端点有停留时间t的焊枪运行轨迹示意图。
[0016]图5为本发明的自动焊接系统组成结构示意图。
[0017]图6为本发明自动控制的流程图。
[0018]图7为本发明手动控制的流程图。
[0019]图8为本发明的自动工作模式的操作过程图。
[0020] 图9为本发明的手动工作模式的操作过程图。
[0021] 图10为本发明控制柜的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022] 在图1和图2中，本发明提供了一种三维自动焊接系统，它主要包括由焊枪运行机 构、控制柜21、焊机和送丝机，焊机设置为气体保护手工焊机，所述的焊枪运行机构包括摆 动机构、升降驱动机构、直行机构和底座（1)，摆动机构的运动方向、升降驱动机构的运动方 向和直行机构的运动方向分别对应三维直角坐标轴的X轴方向、Z轴方向和Y轴方向，所述 直行机构位于底座1的上部，在直行机构上设有直行驱动装置，直行驱动装置驱动直行结 构沿着底座1上部设有的两横向滑轨I2在Y轴方向作往复运动，在直行机构设有的支架 3侧面设有升降驱动机构，在升降驱动机构的侧面设有摆动机构，升降驱动机构驱动摆动机 构沿着直行机构侧面设有的坚直方向的滑轨II4在Z轴方向作升降运动，摆动机构的侧面 设有摆动驱动装置，摆动驱动装置驱动摆动机构在X轴方向作往复运动，在摆动机构上安 装有焊枪夹持器5,焊枪放置在焊枪夹持器5内随着摆动机构运动，所述的两横向滑轨I2 对称设置在底座1上，直行机构设有的支架3底部位于两横向滑轨I2上，所述的直行驱动 装置包括直行电机7、直齿圆柱齿轮和齿条，直行电机7为步进电机，直行电机7的输出端依 次通过直齿圆柱齿轮和齿条与支架3组成传动连接，直行驱动装置驱动支架3在横向滑轨 I2上作Y轴方向往复运动，所述的升降驱动机构包括升降电机8和坚直滚珠丝杠副I9， 升降电机8为步进电机，所述的升降电机8位于直行机构的支架3顶部，坚直滚珠丝杠副 I9对应三维直角坐标轴的Z轴方向，升降电机8与坚直滚珠丝杠副I9为传动配合，两坚 直方向的滑轨II4在坚直方向对称设置在支架3的侧面， 所述的摆动机构上与支架3的侧面相对的位置对称设有两滑块II10,两滑块II10与两 滑轨II4相配合，摆动机构通过滑轨II4与滑块II10的配合在支架3的侧面上下移动，坚 直滚珠丝杠副I9与摆动机构为传动配合连接，升降电机8驱动坚直滚珠丝杠副I9转动， 坚直滚珠丝杠副I9带动摆动机构沿着滑轨II4作Z轴方向的升降运动，所述的摆动机构 包括滑轨支撑座11和夹持器固定板12,两滑块II10设置在滑轨支撑座11背面，滑轨支撑 座11与坚直滚珠丝杠副I9为传动配合连接，在滑轨支撑座11的上部和下部对称设有水 平滑轨III13,夹持器固定板12的背面上部和下部分别对称的设有滑块III14,所述的摆动驱 动装置包括水平滚珠丝杠副II15和摆动电机16,水平滚珠丝杠副II15对应三维直角坐标 轴的X轴方向，摆动电机16为步进电机，摆动电机16与水平滚珠丝杠副II15为传动连接， 水平滚珠丝杠副II15与夹持器固定板12的背面为传动连接，摆动电机16通过水平滚珠丝 杠副II15驱动夹持器固定板12在滑轨支撑座11的水平滑轨III13上作X轴方向的摆动， 在图5中，所述的控制柜21内设有PLC控制器6,PLC控制器6的输入端与控制设备连接， PLC控制器6的输出端分别与直行驱动装置的驱动器、升降驱动机构的驱动器、摆动驱动装 置的驱动器、焊机的焊枪启动开关和送丝机的启动开关连接，PLC控制器5用于控制直行驱 动装置、升降驱动机构和摆动驱动装置的工作和复位以及焊机和送丝机的自动控制，焊机 与焊枪连接，所述的PLC控制器6设置为S7-200SMARTPLC控制器，控制设备包括工作按 钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关，PLC控制器6的输入端与工 作按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关连接，PLC控制器6的输 出端连接有指示灯18、报警器19、直行电机的驱动器、升降电机的驱动器、摆动电机的驱动 器，在PLC控制器6的通讯端口连接有MCGS触摸屏20，MCGS触摸屏20与PLC控制器6的通 讯端口为双向通讯连接，在图10中，工作按钮及指示灯18、报警器19设置在控制柜21的控 制面板30上，工作按钮包括启动按钮22、选择旋钮23、停止按钮24,急停按钮25、复位按钮 26、沿焊缝直行步进电机点动前进按钮27、沿焊缝直行步进电机点动后退按钮28和升降电 机下降按钮29,通过选择旋钮23可选择系统的手动或自动工作模式，通过MCGS触摸屏20 上的人机界面可设定焊接速度、焊枪摆频、焊枪摆幅、焊接总层数选择及第一层定位高度、 焊层高度差等焊接参数，PLC控制器5通过对直行装置、升降驱动机构和摆动装置工作和复 位以及焊机和送丝机的自动控制来实现焊枪在X、Y、Z三个方向按设定轨迹的运行。
[0023] 此外，为实现焊接的自动控制，需对焊机及送丝机进行电气改造。将焊机的焊枪开 关及送丝机启动开关由人工按动改为由PLC控制器的输出端子触点经由中间继出器的自 动开关控制，综上，基于S7-200SMARTPLC控制器的自动焊接系统总体结构构建完成，系统 工作时，首先根据具体焊接工艺要求完成焊接参数的设定，按动启动按钮后，即可控制焊机 运行机构与手工焊机的协同工作，焊枪按设定轨迹和层数对工件实施焊接，实现焊接自动 化。
[0024] 本发明升降驱动机构在工作时沿高度方向上下运行，实现不同焊接层的高度定 位；直行机构工作时沿焊缝长度方向做直线运行，焊缝长度为L，焊接时，升降驱动机构在Z 方向焊层高度先行定位后，直行机构带动摆动机构、升降驱动机构按设定焊接速度前行，同 时摆动机构以直线摆动形式按设定摆动参数往复摆动，由此实现焊枪按设定轨迹的多层运 行，运行轨迹见图3,通过控制摆动机构在摆动两侧端点的停留时间t，可实现的摆动轨迹， 摆动的轨迹见图4,t=0,运行轨迹即为图3， 本发明PLC控制器6的输出信号主要有三台步进电机各自的脉冲控制信号和方向控制 信号、指示灯18、报警器19和焊机及送丝机的开关控制信号；另外还有与MCGS触摸屏20 的通信信号。PLC控制器6为数字量控制，需完成对三台步进电机的同时控制，PLC控制器 6需具备3个高速脉冲输出口。根据输入输出信号的数量、类型、控制要求，同时按I/O点 数20%?30%的备用量原则，本发明PLC控制器5设置为S7-200SMARTPLC控制器，S7-200 SMARTPLC控制器的CPU型号为ST60，CPU采用晶体管输出方式，具有36个数字量输入点、 24个数字量输出点，集成三路高速脉冲输出，频率高达lOOKHz。以焊接速度40mm/s，步进 电机转一圈需要10000个脉冲，步进电机转一圈行程为5mm计算，要求高速脉冲的输出频率 为：40*10000/5=80KHz，而PLC控制器最高输出频率为lOOKHz，完全满足系统要求。本发明 PLC控制器输出端通过信号转换板与直行装置的驱动器、升降驱动机构的驱动器、摆动装置 的驱动器连接，本发明的S7-200SMARTPLC控制器中内置运动轴实现对三台步进电机速度 和位置的开环运动控制。三台步进电机对应3根运动轴，硬件接线前首先通过S7-200SMART PLC控制器利用"运动向导"来硬件组态运动轴，分配各运动轴所对应的PLC输出端口。端 口分配见表1。
[0025] 表1:PLC控制步进电机输出端口分配表
【权利要求】
1. 一种三维自动焊接系统，其特征是它主要包括由焊枪运行机构、控制柜（21)、焊机 和送丝机，所述的焊枪运行机构包括摆动机构、升降驱动机构、直行机构和底座（1 )，摆动机 构的运动方向、升降驱动机构的运动方向和直行机构的运动方向分别对应三维直角坐标轴 的X轴方向、Z轴方向和Y轴方向，所述直行机构位于底座（1)的上部，在直行机构上设有 直行驱动装置，直行驱动装置驱动直行结构沿着底座（1)上部设有的两横向滑轨I (2)在Y 轴方向作往复运动，在直行机构设有的支架（3)侧面设有升降驱动机构，在升降驱动机构的 侧面设有摆动机构，升降驱动机构驱动摆动机构沿着直行机构侧面设有的坚直方向的滑轨 II (4)在Z轴方向作升降运动，摆动机构的侧面设有摆动驱动装置，摆动驱动装置驱动摆动 机构在X轴方向作往复运动，在摆动机构上安装有焊枪夹持器（5)，焊枪放置在焊枪夹持器 (5)内随着摆动机构运动，所述的控制柜（21)内设有PLC控制器（6)，PLC控制器（6)的输 入端与控制设备连接，PLC控制器（6)的输出端分别与直行驱动装置的驱动器、升降驱动机 构的驱动器、摆动驱动装置的驱动器、焊机的焊枪启动开关和送丝机的启动开关连接，PLC 控制器（5)用于控制直行驱动装置、升降驱动机构和摆动驱动装置的工作和复位以及焊机 和送丝机的自动控制，焊机与焊枪连接。
2. 根据权利要求1所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的两横向滑轨I (2)对 称设置在底座（1)上，直行机构设有的支架（3)底部位于两横向滑轨I (2)上，所述的直行 驱动装置包括直行电机（7)、直齿圆柱齿轮和齿条，直行电机（7)为步进电机，直行电机（7) 的输出端依次通过直齿圆柱齿轮和齿条与支架（3)组成传动连接，直行驱动装置驱动支架 (3)在横向滑轨I (2)上作Y轴方向往复运动。
3. 根据权利要求2所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的升降驱动机构包括升降 电机（8)和坚直滚珠丝杠副I (9)，升降电机（8)为步进电机，所述的升降电机（8)位于直 行机构的支架（3)顶部，坚直滚珠丝杠副I (9)对应三维直角坐标轴的Z轴方向，升降电机 (8)与坚直滚珠丝杠副I (9)为传动配合，两坚直方向的滑轨II (4)在坚直方向对称设置在 支架（3)的侧面，所述的摆动机构上与支架（3)的侧面相对的位置对称设有两滑块II (10)， 两滑块II (10)与两滑轨II (4)相配合，摆动机构通过滑轨II (4)与滑块II (10)的配合在支 架（3)的侧面上下移动，坚直滚珠丝杠副I (9)与摆动机构为传动配合连接，升降电机（8) 驱动坚直滚珠丝杠副I (9)转动，坚直滚珠丝杠副I (9)带动摆动机构沿着滑轨II (4)作Z 轴方向的升降运动。
4. 根据权利要求1或3所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的摆动机构包括滑轨 支撑座（11)和夹持器固定板（12)，两滑块II (10)设置在滑轨支撑座（11)背面，滑轨支撑座 (11)与坚直滚珠丝杠副I (9)为传动配合连接，在滑轨支撑座（11)的上部和下部对称设有 水平滑轨III(13)，夹持器固定板（12)的背面上部和下部分别对称的设有滑块III(14)，所述 的摆动驱动装置包括水平滚珠丝杠副II (15)和摆动电机（16)，水平滚珠丝杠副II (15)对 应三维直角坐标轴的X轴方向，摆动电机（16)为步进电机，摆动电机（16)与水平滚珠丝杠 副II (15)为传动连接，水平滚珠丝杠副II (15)与夹持器固定板（12)的背面为传动连接，摆 动电机（16)通过水平滚珠丝杠副II (15)驱动夹持器固定板（12)在滑轨支撑座（11)的水 平滑轨III (13 )上作X轴方向的摆动。
5. 根据权利要求1所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的控制设备包括工作按 钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关，PLC控制器（6)的输入端与 工作按钮、X/Y/Z轴三个方向的原点接近开关和两侧的极限限位开关连接，PLC控制器（6) 的输出端连接有指示灯（18)、报警器（19)、直行电机的驱动器、升降电机的驱动器、摆动电 机的驱动器，在PLC控制器（6)的通讯端口连接有MCGS触摸屏（20)，MCGS触摸屏（20)与 PLC控制器（6)的通讯端口为双向通讯连接。
6. 根据权利要求1或5中所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的PLC控制器（6) 设置为S7-200 SMART PLC控制器。
7. 根据权利要求1所述的三维自动焊接系统，其特征是所述的焊机设置为气体保护手 工焊机。
8. -种利用上述三维自动焊接系统进行焊接的控制方法，它包括以下步骤：当处于自 动控制模式：首先给控制柜（21)上电，调节转至自动模式，按控制柜（21)面板上的工作按 钮的启动按钮（17)，PLC控制器（6)进入自动工作模式状态：首先检查升降电机（8)是否到 达电气零点，如果升降电机（8)没有到达电气零点，则升降电机（8)运行继续寻找直至到达 电气零点，到达电气零点后，PLC控制器（6)控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机（8) 运行至相应焊接层，焊接层从第0层开始计，检查是否至所需焊接层；同时控制摆动驱动装 置的驱动器驱动摆动电机（16)运行至摆动中心，检查是否到达摆动中心；同时控制直行驱 动装置的驱动器驱动直行电机（7)运行至电气零点，检查是否处于电气零点，当升降电机 (8)运行至要求焊接层、摆动电机（16)运行至摆动中心、直行电机（7)运行至电气零点后， 打开焊机进行引弧作业，引弧时间为tl秒，tl为2秒，tl秒时间到则PLC控制器（6)控制 直行电机（7 )按设定速度前行，控制摆动电机（16 )按设定摆动参数摆动和控制焊机进行焊 接操作，当直行电机（7)行走的焊缝长度符合要求后，焊缝长度为L，则焊接层数自动加1、 控制摆动电机（16)停摆以及控制焊机进行收弧，收弧时间为t2秒，t2为2秒，t2时间到且 检查已焊接的层数小于设定的焊接层数，则PLC控制器控制升降电机（8)反向运行回电气 零点，开始新一层焊接控制循环；如果已焊接层数等于设定层数，则停止焊接，自动模式结 束； 处于手动控制模式：控制柜（21)上电，转换开关转至手动，PLC控制器（6)进入手动 工作模式状态：首先复位，PLC控制器（6)控制升降驱动机构的驱动器驱动升降电机（8)运 行至电气零点，检查是否到达电气零点，如果升降电机（8)没有到达电气零点，则升降电机 (8)继续运行寻找电气零点，到达电气零点后，PLC控制器（6)控制摆动驱动装置的驱动器 驱动摆动电机（16)运行至摆动中心，检查是否到达摆动中心；同时控制直行驱动装置的驱 动器驱动直行电机（7)运行至电气零点，检查是否处于电气零点，当摆动电机（16)至摆动 中心、直行电机（7)至电气零点，按升降按钮，PLC控制器（6)控制升降驱动机构的驱动器驱 动升降电机（8)运行至相应焊接层，首次转入手动运行时，相应焊接层为非手动模式下已完 成焊接的层数+1或者为0+1层；非首次手动运行，相应焊接层为前一次焊接层数+1层，检 查是否到达焊接层，当升降电机（8)到达焊接层后，若上层焊接为正常结束，则直接按启动 按钮；若上层焊接为非正常结束，整道焊缝只焊接了一部分而没有全部焊完，则按"点动"按 钮，通过PLC控制器（6)控制直行电机首先运行至上层停焊位置，然后再按启动按钮（17)， 按动启动按钮（17)后，打开焊机进行引弧作业，引弧时间为tl秒，tl为2秒，tl秒时间到 则PLC控制器（6)控制直行电机（7)按设定速度前行，控制摆动电机（16)按设定摆动参数 摆动和控制焊机（9)进行焊接操作，当直行电机（7)行走的焊缝长度符合要求后，焊缝长度 为L，则焊接层数自动加1、PLC控制器（6 )控制摆动电机（16 )停摆以及控制焊机进行收弧， 收弧时间为t2秒，t2为2秒，t2时间到则本层手动焊接停止，按复位，则进入下一层手动焊 接操作，在手动控制模式下，开始正式焊接前，PLC控制器（6)会自动判断本层焊接直行电 机需要行走的距离S，S的计算公式为： S= L1-L2 ; L1=L0+S ； S :本层焊接直行电机需要行走的距离； L :焊缝长度； L0 :直行电机电气零点的绝对位移； L1 :直行电机正常焊接本层时需前进的绝对位移； L2 :直行电机在上层焊接时已行走的绝对位移。
【文档编号】B23K9/10GK104400188SQ201410581049
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】孙松丽, 殷劲松, 王荣林, 吴晓昉 申请人:南京理工大学泰州科技学院