CN105290691B - 用于料斗焊接的双立柱变位机机构及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种专用焊接辅助设备，具体涉及一种用于料斗焊接的双立柱变位机机构及其控制系统，包括立柱、主动轴、从动轴、变速箱、驱动电机和焊接工件装卡机构，所述的立柱由立柱一和立柱二组成，所述的立柱一和立柱二平行布置，所述的主动轴水平架设在立柱一顶端，所述的从动轴水平架设在立柱二顶端，所述的焊接工件装卡机构两侧分别与主动轴和从动轴活动连接，所述的主动轴同时与变速箱连接，所述的变速箱与驱动电机连接，本设计采用闭环步进电机驱动变位机运动，光电传感器采集变位机运动的实时角度，不仅能够任意角度变位需要，而且能够使变位机制动后保持当前位置不动，从而大大提高变位机的运动精度及定位精度。

Description

用于料斗焊接的双立柱变位机机构及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种专用焊接辅助设备，具体涉及一种用于料斗焊接的双立柱变位机机构及其控制系统。

背景技术

变位机是专用焊接辅助设备，适用于回转工作的焊接变位，以便得到理想的加工工位和焊接加工速度。其可与操作机、焊机配套使用，组成自动焊接中心，也可用于手工焊接时的工件变位。双立柱单回转式变位机主要用于长方形结构件焊接时位置变换运动。

传统的双立柱单回转式变位机的旋转角度不能够在360°范围内任意调节，而且其运动精度仅由变位机机械结构的装配精度决定；被焊接工件在变位后，其需要变位的各平面可能处于不同的水平面上，对自动焊接设备的运动性能要求较高，而且不利于提高自动焊接设备的焊接速度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足而提供一种用于料斗焊接的双立柱变位机机构及其控制系统，不仅能够任意角度变位，还能够使变位机制动后保持当前位置不动，从而大大提高了变位机的运动精度和定位精度，降低自动焊机的复杂性。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于料斗焊接的双立柱变位机机构，包括立柱、主动轴、从动轴、变速箱、驱动电机和焊接工件装卡机构，所述的立柱由立柱一和立柱二组成， 所述的立柱一和立柱二平行布置，所述的主动轴水平架设在立柱一顶端，所述的从动轴水平架设在立柱二顶端，所述的焊接工件装卡机构两侧分别与主动轴和从动轴活动连接，所述的主动轴同时与变速箱连接，所述的变速箱与驱动电机连接。

基于以上所述，所述的主动轴的一端设置有键槽，另一端为方形柱体结构，所述的从动轴的其中一端也为方形柱体结构，所述的主动轴带有键槽的端部与变速箱固定连接。

基于以上所述，所述的主动轴通过轴承座一和轴承座二进行固定，所述的从动轴通过轴承座三和轴承座四进行固定。

基于以上所述，所述的主动轴和从动轴均通过外球面轴承与轴承座套装。

基于以上所述，所述的主动轴、从动轴与焊接工件装卡机构之间均通过固定托盘4连接。

基于以上所述，所述的固定托盘上设置有能够调节焊接工件装卡机构重心的固定孔，所述的焊接工件装卡机构的两侧面挂装在两个固定托盘对应的固定孔上，所述的固定托盘的中心部位设置有用于与主动轴或者从动轴对接的通孔，所述的主动轴、从动轴与通孔插接的部位设置有端盖，所述的端盖通过螺栓固定。

基于以上所述，所述的焊接工件装卡机构整体为一斗状体，包括口部框架、侧面框架和底部框架，所述的口部框架、侧面框架和底部框架均有角钢构成；

还包括对称布置在口部框架两侧的挂板，所述的挂板上设置有挂接孔。

基于以上所述，所述的挂板与侧面框架之间为留有间隙。

一种如上所述的用于料斗焊接的双立柱单回转式变位机机构控制系统，

该控制系统包括人机交互单元、中央控制单元、伺服驱动单元、步进电机和编码器，所述的人机交互单元与中央控制单元控制连接，通过触摸屏为操作人员提供控制变位机运动的人机接口；所述的中央控制单元用于采集人机交互单元的数据和控制指令，驱动伺服驱动单元，同时采集编码器的输入信号，实现闭环控制；所述的步进电机提供动力；所述的编码器通过对射式光电传感器检测主动轴的位置信号。

基于以上所述，所述的对射式光电传感器通过一传感器安装支架安装在主动轴上。

本设计采用闭环步进电机驱动变位机运动，光电传感器采集变位机运动的实时角度，不仅能够任意角度变位需要，而且能够使变位机制动后保持当前位置不动，从而大大提高变位机的运动精度及定位精度；在本设计中，对具有共同内接圆的多个焊接加工平面的结构件，采用专用装夹机构进行装卡，保证其焊接平面在通过变位机变为后，均在同一水平面上，这样自动焊接设备仅需要实现在同一水平面内的焊接运动即可，无需考虑竖直方向的运动，降低了自动焊接设备的复杂性；本设计中，当工件为强磁性材质时，采用电磁铁快速固定机构进行紧固，从而减少了工件的装夹时间，提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明的整体的结构示意图。

图2为主动轴的结构示意图。

图3为从动轴的结构示意图。

图4为固定托盘正面的结构示意图。

图5为固定托盘反面的结构示意图。

图6为固定托盘与主动轴或者从动轴的装配结构示意图。

图7为固定托盘与主动轴或者从动轴的装配分解图。

图8为料斗的外形结构示意图。

图9为焊接工件装卡机构的结构示意图。

图10为焊接工件装卡机构的装卡效果图。

图11为工件旋转中心的结构示意图。

图12为控制系统总体结构框图。

图13为人机交互的操作界面。

图14对射式光电传感器的结构示意图。

图15控制系统电路框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步的描述。

一种用于料斗焊接的双立柱单回转式变位机机构，包括立柱1、主动轴2、从动轴3、变速箱4、驱动电机5和焊接工件装卡机构8，所述的立柱1由立柱一6和立柱二7组成， 所述的立柱一6和立柱二7平行布置，所述的主动轴2水平架设在立柱一6顶端，所述的从动轴2水平架设在立柱二7顶端，所述的焊接工件装卡机构8两侧分别与主动轴2和从动轴3活动连接，所述的主动轴2同时与变速箱4连接，所述的变速箱4与驱动电机5连接。

其中的立柱一6和立柱二7采用梯形结构的立柱结构，增加了立柱的承重能力以及工件来回翻转产生的力量。另外，立柱为中空结构，中间采用一根竖直立柱和两根支撑立柱结构的方式如图1所示，立柱的立柱的宽度保证了与地面接触的面积，增加稳定性。

如图1、2、3、4、5、6、7所示，所述的主动轴2的一端设置有键槽9，与变速箱4通过键连接，通过一个平键进行连接，能够很好的实现主动轴2与变速箱4的同步转动。另一端为方形柱体结构，所述的从动轴3的其中一端也为方形柱体结构。同时固定托盘14的中心的通孔16也为方形结构，这样与主动轴2和从动轴3的端部结构相同，形成固定的套装，然后将端盖17盖装在固定托盘14的通孔16部位，然后通过螺栓将盖板17与固定托盘14、转动轴固定在一起，能够保证整体的稳定性，且拆装和维修都很方便，尤其是在圆周的方向上不会发生转动轴和固定托盘14的滑脱，同时用于传递运动所需的扭矩，延长使用的寿命。

所述的主动轴2通过轴承座一10和轴承座二11进行固定，所述的从动轴3通过轴承座三12和轴承座四13进行固定。所述的主动轴2和从动轴3均通过外球面轴承与轴承座套装。所述的主动轴2、从动轴3与焊接工件装卡机构8之间均通过固定托盘14连接。所述的立柱一6和立柱二7的上表面均为水平面这样能够保证所有的轴承座的水平设置，保证其稳定性。同时，主动轴2和从动轴3均采用两个轴承座，一方面能够保证其强度，另一方面能够保持主动轴2和从动轴3的稳定性。如果采用一个轴承座的话，那么主动轴或者从动轴在立柱的顶面容易产生水平的转动，从而损坏轴承座，因为焊接工件装卡机构8需要在沿着主动轴或者从动轴圆周的方向进行转动，因此，如果轴承座不牢固的话，那么由于焊接工件装卡机构8安装完料斗后，其自身的重量会很大，这样就会在转动的时候，就会在垂直于主动轴和从动轴的方向上产生剪切力，这样容易损坏主动轴或者从动轴。

另外，双立柱单回转式变位机的主动轴和从动轴是回转运动的中心，其主要作用是传递回转运动所需的扭矩和提供支撑被焊接工件以及相应装夹机构所需的力。在本设计中，主动轴和从动轴的固定采用外球面轴承，由于外球面轴承具有自动调心功能，所以在固定两轴的时候可以降低安装的精度的同时保证所需的同轴度，而且两轴主体结构可以采用光轴的形式。

如图4、5所示，所述的固定托盘14上设置有能够调节焊接工件装卡机构8重心的固定孔15，所述的焊接工件装卡机构8的两侧面挂装在两个固定托盘14对应的固定孔15上，所述的固定孔15为椭圆形的孔，椭圆形的孔本身具有一定的宽度，能够进行微调，采用圆孔则不能够进行微调，因为相邻的孔之间的间距比较大，因此不容易进行微调，椭圆形的孔正好克服这样的缺点，沿着椭圆形的孔就可以进行微调，然后固定即可。另外，椭圆形的孔的布局也是随机，但是必须是相互平行的，意思是椭圆形空的中心线相互平行，这样有助于进行调节，如图4、5所示，椭圆形的孔都是相互平行，不能出现相互垂直的椭圆形孔，这样不便于调节，尤其是微调。

基于以上所述，所述的焊接工件装卡机构8整体为一斗状体，包括口部框架81、侧面框架82和底部框架83，所述的口部框架81、侧面框架82和底部框架83均有角钢构成；还包括对称布置在口部框架81两侧的挂板18，所述的挂板18上设置有挂接孔19。所述的挂板18与侧面框架82之间为留有间隙20。本发明所涉及到的斗状体只是其中一种，但是都需要找到中心线，这样工件在转动的时候，才不会因为没有在中心线上，而产生偏移的结果。比如对于比较规则的工件，如长方体、正方体、圆柱体等工件则是容易找到中心线，但是对于不规则，比如斗状体的结构就不容易找到中心线，如图8所示的斗状体，形状不规则，在转动的时候就需要必须找准中心线，否则不容易转动或者转动的时候容易产生跑偏。

这种结构的中心线的查找可以采用如11所示的方法，采用内切圆的方法进行中心的寻找，将斗状体进行截面放置，如图11所示，为一梯形结构，画一个圆，该圆同时与梯形的上边、两个侧边相切，这样画出的圆的圆心就是中心线的所在，就可以很轻送的找到中心线，然后再进行下一步的安装。

如图9所示，就是根据找到中心后的料斗的焊接工件装卡机构，整体是一个斗状体结构，正好挂板18设置在斗状结构的焊接工件装卡机构的两侧，位于中心附近，然后在挂板18上设置挂接孔19，与固定托盘14上的对应的椭圆固定连接即可。然后将需要焊接的钢板的按照图10的模式扣在焊接工件装卡机构上，就可以实现旋转时候的焊接。为了方便挂板18与焊接工件装卡机构之间的钢板的安装，在挂板18与侧面框架82之间预留一定的孔隙20。

一种用于料斗焊接的双立柱单回转式变位机机构控制系统，该控制系统包括人机交互单元、中央控制单元、伺服驱动单元、步进电机和编码器，所述的人机交互单元与中央控制单元控制连接，通过触摸屏为操作人员提供控制变位机运动的人机接口；所述的中央控制单元用于采集人机交互单元的数据和控制指令，驱动伺服驱动单元，同时采集编码器的输入信号，实现闭环控制；所述的步进电机提供动力；所述的编码器通过对射式光电传感器检测主动轴的位置信号。

基于以上所述，所述的对射式光电传感器通过一传感器安装支架安装在主动轴上。

由于变位机运动到所需的位置后，其运动状态将保持不变，所以此处选择具有自锁功能的变速箱——涡轮蜗杆变速箱。为了降低系统的复杂性，减少零部件的数目，提高系统的可靠性，此处选择直角中空的涡轮蜗杆变速箱，该变速箱与主动轴通过键槽直至相连接，如图9所示。变速箱的变速比可以根据运转速度和所需转矩的需求，可选择1:3～1:180之间的多种变速比。

此处所需的动力源选择闭环步进电机，即该步进电机的输出轴的一端与编码器相连接，可以输出相应的位置信号。

变位机运动控制系统设计

变位机运动控制系统用于精确控制变位机的旋转变位运动，并为操作人员提供人机接口，为被焊接工件设定所需旋转变位的各个角度。变位机运动控制系统总体结构如图12所示。

1、人机交互单元设计

人机交互单元为操作人员提供控制变位机运动的人机接口，其功能包括：启动变位运动、停止变位运动、设定工件变位所需的各个角度、实时显示当前变位机的旋转角度等，此处采用工业生产中常用的触摸屏来实现该功能。在触摸屏的显示窗口设计启动、停止以及角度输入的功能。

如图13所示，变位角度输入框用于输入旋转变位运动依次要到达位置点的角度值，整个旋转运动为0～360度，操作人员可以根据需要在变位角度输入框1～8中，通过角度增加按键▲和角度减少按键▼，依次设定旋转变位的角度。若所需改变的位置点少于8个，则不需要的变位角度可取系统默认值0度。系统在工作的时候，从变位角度1开始依次读取所需变位的角度数据，当读取到第一个0角度时，系统认为所需变位的位置点到此为止，其后的变位角度数据不再读取。当前角度显示框用来显示变位机运动的实时角度位置。当按下“启动”按键后，中央控制单元便依次读取输入的角度数据，然后便开始按照要求运动。当变位机正在旋转的时候按下“停止”按键，变位机运动到当前所需到达位置点便立即停止运动。当变位机准备工作的时候，若处于非初始位置，可以按下“复位”按键，变位机便自动回到初始位置。

2、中央控制单元设计

中央控制单元用于采集人机交互单元的数据和控制指令，然后驱动伺服驱动单元，控制步进电机运动，从而带动变位机主动轴旋转。同时，中央控制单元采用编码器的输入信号，根据变速箱的变速比，计算主动轴当前的角度，并与人机交互单元的输入角度数据相比较，从而实现精确的闭环控制。变位机工作环境灰尘较多，焊接时所产生的电磁干扰较强，所以此处选择PLC作为控制中枢。

3、其他运动控制单元设计

变位机的运动控制系统除了中央控制单元和人机交互单元之外，还有与动力供给相关的步进电机、步进电机驱动器和位置反馈所用的编码器。

步进电机要根据负载的实际情况来旋转，而步进电机驱动器则需要根据步进电机来旋转。因实际工作状况不同，可供选择的步进电机及相应驱动器的种类较多，此处不再赘述。而编码器则需要选择增量式的，以便于实时检测主动轴的位置信号。

另外，为了使得变位机快速复位，需要在变位机主动轴（或从动轴）一侧，安装对射式光电传感器，如图14所示。

将两个对射式光电传感器通过传感器安装支架安装在与主动轴轴心夹角为45°的位置，可以提高变位机在初始位置的定位精度。当变位机处于初始位置时，两个传感器均导通，发送信号到中央控制单元，由中央控制单元进行相应处理。

4、快速装夹设计

当被焊接工件的材质为强磁性物质时，为了提高被焊接工件的装夹速度，可以采用电磁吸盘的方式来固定工件。

当被焊接工件放置于装夹机构上后，按下电磁吸盘控制按键，便可使电磁吸盘得电，从而将工件紧紧与装夹机构固定在一起。为了防止电磁吸盘在使用的过程中，因突然断电，而导致工件与装夹机构脱落，电磁吸盘的供电要采用UPS电源单独供电。

5、运动控制系统电路设计

变位机运动控制系统电路是用来控制变位机按照操作人员的要求进行精确旋转运动的，其电路结构如图15所示。

触摸屏与PLC之间通过RS232总线进行数据交换：PLC读取触摸屏的变位角度和控制信息，经处理后，由PLC产生控制信号，发送至伺服驱动器，驱动步进电机运动；与此同时，PLC读取与步进电机转子相连接的编码器信号，并且将其处理后，转换成变位机的实际位置信息，送触摸屏显示。当“复位”键按下后，PLC驱动变位机运动，当其检测到位置检测传感器发送的位置信号后，将变位机停止到当前位置，该位置即为变位机的初始位置。

若该变位机用于自动化生产线中，则可以将触摸屏部分作为系统工作状态的实时监控，而将PLC通过工业总线直接与上位机相连接，接收上位机发送的指令，并可以把变位机当前运动状态发送至上位机，由上位机统一处理。

该变位机的改进设计，不仅为现代化的工业生产带来了便利，而且也减轻了操作人员的工作负担，将创造更多的社会财富。

Claims (2)

1.一种用于料斗焊接的双立柱单回转式变位机机构，其特征在于：包括立柱（1）、主动轴（2）、从动轴（3）、变速箱（4）、驱动电机（5）和焊接工件装卡机构（8），所述的立柱（1）由立柱一（6）和立柱二（7）组成， 所述的立柱一（6）和立柱二（7）平行布置，所述的主动轴（2）水平架设在立柱一（6）顶端，所述的从动轴（2）水平架设在立柱二（7）顶端，所述的焊接工件装卡机构（8）两侧分别与主动轴（2）和从动轴（3）活动连接，所述的主动轴（2）同时与变速箱（4）连接，所述的变速箱（4）与驱动电机（5）连接；

所述的主动轴（2）的一端设置有键槽（9），另一端为方形柱体结构，所述的从动轴（3）的其中一端也为方形柱体结构，所述的主动轴（2）带有键槽（9）的端部与变速箱（4）固定连接；

所述的主动轴（2）通过轴承座一（10）和轴承座二（11）进行固定，所述的从动轴（3）通过轴承座三（12）和轴承座四（13）进行固定；

所述的主动轴（2）和从动轴（3）均通过外球面轴承与轴承座套装；

所述的主动轴（2）、从动轴（3）与焊接工件装卡机构（8）之间均通过固定托盘（14）连接；

所述的固定托盘（14）上设置有能够调节焊接工件装卡机构（8）重心的固定孔（15），所述的固定孔（15）为椭圆形的孔，且相互平行布置，所述的焊接工件装卡机构（8）的两侧面挂装在两个固定托盘（14）对应的固定孔（15）上，所述的固定托盘（14）的中心部位设置有用于与主动轴（2）或者从动轴（3）对接的通孔（16），所述的主动轴（2）、从动轴（3）与通孔（16）插接的部位设置有端盖（17），所述的端盖（17）通过螺栓固定；

所述的焊接工件装卡机构（8）整体为一斗状体，包括口部框架（81）、侧面框架（82）和底部框架（83），所述的口部框架（81）、侧面框架（82）和底部框架（83）均有角钢构成；

还包括对称布置在口部框架（81）两侧的挂板（18），所述的挂板（18）上设置有挂接孔（19）；

所述的挂板（18）与侧面框架（82）之间为留有间隙（20）。

2.一种如权利要求1所述的用于料斗焊接的双立柱单回转式变位机机构控制系统，其特征在于：该控制系统包括人机交互单元、中央控制单元、伺服驱动单元、步进电机和编码器，所述的人机交互单元与中央控制单元控制连接，通过触摸屏为操作人员提供控制变位机运动的人机接口；所述的中央控制单元用于采集人机交互单元的数据和控制指令，驱动伺服驱动单元，同时采集编码器的输入信号，实现闭环控制；所述的步进电机提供动力；所述的编码器通过对射式光电传感器检测主动轴的位置信号；所述的对射式光电传感器通过一传感器安装支架安装在主动轴上。