水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括弧焊機(jī)器人接口、數(shù)字化弧焊逆變電源、潛水送絲機(jī)、機(jī)器人專用焊炬、微型排水罩、壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置；弧焊機(jī)器人接口、數(shù)字化弧焊逆變電源、潛水送絲機(jī)和機(jī)器人專用焊炬依次連接；一端與機(jī)器人相連的弧焊機(jī)器人接口與潛水送絲機(jī)相互連接，并分別與壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置連接；機(jī)器人專用焊炬安裝于機(jī)器人上，并與微型排水罩連接，其一端與電弧負(fù)載一相連；壓縮氣體裝置與微型排水罩連接，保護(hù)氣體裝置與潛水送絲機(jī)連接。本實(shí)用新型的焊接系統(tǒng)在焊接過程能夠自動(dòng)適應(yīng)水下焊接電弧的特性，建立穩(wěn)定的焊接電源-水下電弧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的水下機(jī)器人焊接。
【專利說明】水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及焊接工藝及設(shè)備技術(shù)，更具體地說，涉及一種水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、能源戰(zhàn)略的迫切需求，海洋工程不斷地向深海推進(jìn)。水下焊接作為海洋工程領(lǐng)域的重要技術(shù)，正受到越來越多的關(guān)注。從海上油氣平臺(tái)的安裝建造到海底管線的鋪設(shè)維修，從海上打撈營(yíng)救工作到大型船艦的應(yīng)急修理，隨處可見水下焊接的身影。水下焊接機(jī)器人的研究，推動(dòng)了水下焊接行業(yè)的發(fā)展，相比較于以前的人工水下焊接，水下焊接機(jī)器人的焊接效率更高，焊接工程質(zhì)量更可靠，焊接成本更低廉，是海底工程發(fā)展的基礎(chǔ)。
[0003]由于水下環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性，目前還沒有焊接機(jī)器人從事完全的水下焊接活動(dòng)。影響水下焊縫質(zhì)量的因素很多，但焊接時(shí)電弧是否穩(wěn)定燃燒是基本要求。與通常的焊接電弧相比，水環(huán)境下的電弧由于水壓力及其他因素的影響，其燃燒的穩(wěn)定性很差。從機(jī)理上分析，要使水下電弧燃燒穩(wěn)定，就必須有相應(yīng)的電源與之匹配，能夠建立穩(wěn)定的電源-電弧系統(tǒng)。從國(guó)內(nèi)外相關(guān)應(yīng)用及研究報(bào)道來看，水下焊接通常直接使用陸上通用型焊接系統(tǒng)，或者在通用型焊接系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)微調(diào)。也就是說，水下焊接工藝的調(diào)整只能依賴于現(xiàn)有通用焊接系統(tǒng)的性能，即只能是工藝去適應(yīng)電源，還無法做到電源去適應(yīng)水下焊接工藝。因此，現(xiàn)有的電源-電弧系統(tǒng)很難針對(duì)水下電弧的特殊性對(duì)工藝做出最有效的調(diào)控，用陸上焊接電源進(jìn)行水下焊接，要電弧燃燒穩(wěn)定并獲得良好的焊接效果是非常困難的。逆變焊機(jī)具有節(jié)能、省材、動(dòng)態(tài)性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常有利于實(shí)現(xiàn)精密化控制，將它與先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合，能夠從根本上提高焊接系統(tǒng)的性能指標(biāo)，控制更靈活，擴(kuò)展性好。在硬件資源得到合理配置的情況下，只需根據(jù)不同應(yīng)用需求，更換相應(yīng)的控制策略或者修改相應(yīng)的控制軟件就可獲得預(yù)期效果。這為研發(fā)適應(yīng)于水下焊接電弧特性的專用焊接系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)與不足，提供一種水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，在焊接過程能夠自動(dòng)適應(yīng)水下焊接電弧的特性，建立穩(wěn)定的焊接電源-水下電弧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的水下機(jī)器人焊接。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):一種水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，其特征在于:包括弧焊機(jī)器人接口、數(shù)字化弧焊逆變電源、潛水送絲機(jī)、機(jī)器人專用焊炬、微型排水罩、壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置；所述弧焊機(jī)器人接口、數(shù)字化弧焊逆變電源、潛水送絲機(jī)和機(jī)器人專用焊炬依次連接；所述弧焊機(jī)器人接口還分別與機(jī)器人、潛水送絲機(jī)、壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置連接；所述機(jī)器人專用焊炬安裝于機(jī)器人上，并還與微型排水罩、電弧負(fù)載一相連；所述壓縮氣體裝置與微型排水罩連接，保護(hù)氣體裝置與潛水送絲機(jī)連接。
[0006]在上述方案中，本實(shí)用新型焊接系統(tǒng)的機(jī)器人專用焊炬安裝在焊接機(jī)器人的本體上；而弧焊機(jī)器人接口通過CAN總線直接與機(jī)器人相連；機(jī)器人專用焊炬為焊接機(jī)器人的通用型焊炬，微型排水罩直接安裝于機(jī)器人專用焊炬的端部；壓縮氣體裝置采用空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)，直接與微型排水罩相連，為微型排水罩提供壓縮空氣，將焊接電弧區(qū)的水排出；機(jī)器人專用焊炬直接與潛水送絲機(jī)相連，焊絲經(jīng)過機(jī)器人專用焊炬送給到焊接區(qū)域；保護(hù)氣體裝置為富氬或者純氬氣體供給裝置，直接與潛水送絲機(jī)相連，并經(jīng)機(jī)器人專用焊炬送入焊接電弧區(qū)域，實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)。
[0007]所述數(shù)字化弧焊逆變電源包括主電路一和與主電路一相互連接的控制電路一；所述主電路一由整流濾波電路、逆變橋、中頻變壓器和快速整流濾波電路依次連接組成；所述整流濾波電路與三相交流輸入電源電連接，快速整流濾波電路與電弧負(fù)載二連接。
[0008]所述主電路一的逆變橋采用工作于硬開關(guān)換流模式，或者采用工作于軟開關(guān)模式的全橋高頻逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0009]所述控制電路一包括與三相交流輸入電源電連接并用于給控制電路一提供電能的供電模塊、最小系統(tǒng)以及分別與最小系統(tǒng)連接的動(dòng)作檢測(cè)模塊、過熱檢測(cè)模塊、過壓欠壓檢測(cè)模塊、高頻驅(qū)動(dòng)模塊、峰值電流檢測(cè)模塊、電流反饋電路、數(shù)字面板、CAN接口電路和繼電器模塊；其中，所述過壓欠壓檢測(cè)模塊與三相交流輸入電源電連接。
[0010]所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊與主電路一的逆變橋連接，峰值電流檢測(cè)模塊與主電路一的中頻變壓器連接，電流反饋電路與主電路一的快速整流濾波電路連接；所述控制電路一的最小系統(tǒng)設(shè)置有逐脈沖限流保護(hù)和直接關(guān)斷保護(hù)兩種保護(hù)模式。
[0011]所述弧焊機(jī)器人接口包括用于提供電能的供電模塊、ARM控制器以及分別與ARM控制器連接的反饋模塊、繼電器模塊、通訊擴(kuò)展模塊、設(shè)置有數(shù)字控制器的信息交互模塊和模擬輸出模塊；其中，所述通訊擴(kuò)展模塊通過CAN總線與控制電路一的CAN接口電路連接；所述弧焊機(jī)器人接口分別與壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置連接是指:所述繼電器模塊分別與壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置連接，用于控制壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置的啟動(dòng)和關(guān)停；所述反饋模塊分別與壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置連接，用于采集壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置的信息。本實(shí)用新型弧焊機(jī)器人接口中的信息交互模塊采用了“STM32F407ZGT6+RA8875+TFT-LCD+旋轉(zhuǎn)編碼器+按鍵”的復(fù)合型可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
[0012]所述潛水送絲機(jī)設(shè)置有密封罩，并由送絲驅(qū)動(dòng)電路、送絲電機(jī)、壓緊輪和焊絲盤連接組成；所述送絲驅(qū)動(dòng)電路、送絲電機(jī)、壓緊輪和焊絲盤均安裝在密封罩內(nèi)；所述機(jī)器人專用焊炬的一端固定在潛水送絲機(jī)的密封罩上；所述保護(hù)氣體裝置與潛水送絲機(jī)的密封罩相連。本實(shí)用新型的潛水送絲機(jī)具備勻速送絲、變速送絲以及脈沖送絲等三種送絲模式。
[0013]所述送絲驅(qū)動(dòng)電路包括主電路二和與主電路二連接的控制電路二 ；所述控制電路二由MCU控制器和外圍電路連接構(gòu)成；所述主電路二包括依次連接的整流濾波電路、BUCK穩(wěn)壓電路、換相電路和斬波電路；所述斬波電路一端與送絲電機(jī)連接，送絲電機(jī)通過與MCU控制器的ADC端口連接，將電壓反饋到控制電路二 ；所述MCU控制器的PWM端口通過IR2110驅(qū)動(dòng)器一與主電路二的斬波電路連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速；所述MCU控制器的HMER端口通過IR2110驅(qū)動(dòng)器二與主電路二的換相電路連接，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制；所述MCU控制器的CAN端口通過CAN總線分別與弧焊機(jī)器人接口的通訊擴(kuò)展模塊和數(shù)字化弧焊逆變電源的CAN接口電路連接。
[0014]所述弧焊機(jī)器人接口中的ARM微控制器和信息交互模塊的數(shù)字控制器、數(shù)字化弧焊逆變電源控制電路中的最小系統(tǒng)和數(shù)字面板以及潛水送絲機(jī)的MCU控制器均由型號(hào)為STM32F405RGT6的微處理器、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、JTAG接口、miniUSB芯片以及外圍電路連接構(gòu)成。本實(shí)用新型的微處理器均采用ST公司主頻高達(dá)168MHz的Cortex-M4內(nèi)核STM32F405RGT6最小系統(tǒng)。
[0015]為了更好地實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型，所述微型排水罩為收斂形收縮噴管結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型的微型排水罩采用型號(hào)為304不銹鋼材質(zhì)的收斂形局部排水罩，該排水罩能夠滿足全位置局部干法焊接工藝對(duì)焊接區(qū)域排水的需求。
[0016]本實(shí)用新型為水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，弧焊機(jī)器人接口接收機(jī)器人發(fā)送的參數(shù)以及工作指令。焊接時(shí)，弧焊機(jī)器人接口首先開通壓縮氣體裝置，為微型排水罩通入壓縮空氣，將機(jī)器人專用焊炬前端焊絲干伸長(zhǎng)區(qū)域的水排走；然后啟動(dòng)保護(hù)氣體裝置，送入潛水送絲機(jī)，同時(shí)為數(shù)字化弧焊逆變電源和潛水送絲機(jī)供電，弧焊機(jī)器人接口通過CAN總線將預(yù)設(shè)的焊接電流、電壓等參數(shù)發(fā)送給數(shù)字化弧焊逆變電源，將送絲速度參數(shù)和送絲模式指令發(fā)送給潛水送絲機(jī)。當(dāng)弧焊機(jī)器人發(fā)送焊接命令時(shí)，保護(hù)氣體經(jīng)潛水送絲機(jī)和機(jī)器人專用焊炬送入到焊絲前端區(qū)域，數(shù)字化弧焊逆變電源的空載電壓也施加到焊絲上，采用高空載慢送絲方式引燃電弧；引弧成功后進(jìn)入正常焊接階段?；『笝C(jī)器人接口接收到機(jī)器人發(fā)送的焊接結(jié)束指令之后，通過總線控制弧焊電源進(jìn)入收弧控制階段，電流逐步衰減至熄弧，保護(hù)氣體裝置會(huì)滯后送氣，保護(hù)焊縫區(qū)域；焊接結(jié)束之后根據(jù)機(jī)器人發(fā)送的指令關(guān)閉水下焊接系統(tǒng)。在整個(gè)焊接過程，弧焊機(jī)器人接口接收機(jī)器人發(fā)送的系統(tǒng)啟動(dòng)、電壓調(diào)整、電流調(diào)整、送氣、送絲、引弧、關(guān)閉系統(tǒng)等指令，并分別控制壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置的動(dòng)作，經(jīng)過總線通信將指令發(fā)送給數(shù)字化弧焊逆變電源和潛水送絲機(jī)；另一方面，還要實(shí)時(shí)接收數(shù)字化弧焊逆變電源發(fā)送的過壓欠壓、過熱等故障信息以及引弧成功的狀態(tài)信息，還要實(shí)時(shí)接收潛水送絲機(jī)發(fā)送的無焊絲、氣壓不足等故障信息，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)粘絲、滅弧、觸導(dǎo)電嘴等故障的檢測(cè)。此外，弧焊機(jī)器人接口還需要將相應(yīng)的故障信息發(fā)送給機(jī)器人，還需要在本地顯示各種故障和系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)信息。潛水送絲機(jī)接收弧焊機(jī)器人接口發(fā)送的送絲指令對(duì)送絲速度進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，并會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)焊絲盤缺絲(無焊絲)、氣壓不足等故障，并將該信息通過CAN總線傳遞給弧焊機(jī)器人接口。數(shù)字化弧焊逆變電源通過CAN總線接收弧焊機(jī)器人接口發(fā)送的啟動(dòng)、關(guān)停、電壓調(diào)整、電流調(diào)整等控制信號(hào)，同時(shí)也實(shí)時(shí)檢測(cè)過壓、欠壓、過熱等故障信息，并將該信息通過CAN總線傳遞給弧焊機(jī)器人接口。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0018]1、本實(shí)用新型的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人水下焊接系統(tǒng)的全數(shù)字控制，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為靈活，操作直觀，維修便利，具有更好的可擴(kuò)展性和可移植性。
[0019]2、本實(shí)用新型的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)采用全數(shù)字弧焊機(jī)器人接口，不僅實(shí)現(xiàn)了各種狀態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)的數(shù)字處理，而且實(shí)現(xiàn)了故障的數(shù)字診斷、處理和實(shí)時(shí)顯示。
[0020]3、本實(shí)用新型的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)采用了收斂型的微型排水罩，可直接安裝于焊炬端部，對(duì)水下焊接現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性好，能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的水下局部干法焊接。
[0021]4、本實(shí)用新型的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)了水下專用的數(shù)字化弧焊逆變電源，擁有獨(dú)特的電源-水下電弧系統(tǒng)數(shù)字調(diào)節(jié)能力，能夠建立穩(wěn)定的水下焊接電弧，得到優(yōu)質(zhì)的焊接質(zhì)量。
[0022]5、本實(shí)用新型的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)采用了帶閉環(huán)反饋的全數(shù)字潛水送絲機(jī)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的等速送絲、變速送絲，而且能夠根據(jù)水下焊接電弧特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)送絲。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本實(shí)用新型水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖；
[0024]圖2是本實(shí)用新型水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的數(shù)字化弧焊逆變電源結(jié)構(gòu)框圖；
[0025]圖3是本實(shí)用新型水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的數(shù)字化弧焊逆變電源主電路原理圖；
[0026]圖4 (a)是本實(shí)用新型水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的弧焊機(jī)器人接口信息流示意圖；
[0027]圖4 (b)是本實(shí)用新型水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的弧焊機(jī)器人接口原理示意圖；
[0028]圖4 (C)是本實(shí)用新型水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的弧焊機(jī)器人接口中信息交互模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖；
[0029]圖5是本實(shí)用新型水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的弧焊機(jī)器人接口的ARM微控制器原理圖；
[0030]圖6是本實(shí)用新型水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的潛水送絲機(jī)系統(tǒng)框圖；
[0031]圖7是本實(shí)用新型水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的微型排水罩結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0033]實(shí)施例
[0034]如圖1所示，本實(shí)用新型的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)包括弧焊機(jī)器人接口100、數(shù)字化弧焊逆變電源200、潛水送絲機(jī)300、機(jī)器人專用焊炬400、微型排水罩500、壓縮氣體裝置600和保護(hù)氣體裝置700 ;其中，弧焊機(jī)器人接口 100、數(shù)字化弧焊逆變電源200、潛水送絲機(jī)300和機(jī)器人專用焊炬400依次連接。一端通過CAN總線與機(jī)器人相連的弧焊機(jī)器人接口 100與潛水送絲機(jī)300相互連接，并分別與壓縮氣體裝置600和保護(hù)氣體裝置700連接；機(jī)器人專用焊炬400安裝于機(jī)器人上，并與微型排水罩500連接，其一端與電弧負(fù)載一相連；壓縮氣體裝置600與微型排水罩500連接，保護(hù)氣體裝置700與潛水送絲機(jī)300連接。
[0035]如圖2所示，本實(shí)用新型水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的數(shù)字化弧焊逆變電源包括主電路一 2100和與主電路一 2100相互連接的控制電路一 2200 ;其中，主電路一 2100由整流濾波電路2101、逆變橋2102、中頻變壓器2103和快速整流濾波電路2106依次連接組成；整流濾波電路2101與三相交流輸入電源電連接，快速整流濾波電路2104與電弧負(fù)載二 2106連接?？刂齐娐芬?2200包括與三相交流輸入電源電連接并用于給控制電路一提供電能的供電模塊2201、最小系統(tǒng)2205以及分別與最小系統(tǒng)2205連接的動(dòng)作檢測(cè)模塊2202、過熱檢測(cè)模塊2203、過壓欠壓檢測(cè)模塊2204、高頻驅(qū)動(dòng)模塊2206、峰值電流檢測(cè)模塊2207、電流反饋電路2208、數(shù)字面板2210、CAN接口電路2211和繼電器模塊2212 ;其中，最小系統(tǒng)2205以ST公司主頻高達(dá)168MHz的Cortex_M4系列芯片STM32F405RGT6為核心，其由型號(hào)為STM32F405RGT6的微處理器、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、JTAG接口、miniUSB芯片以及外圍電路連接構(gòu)成。
[0036]最小系統(tǒng)2205內(nèi)設(shè)置了高、低兩個(gè)門檻值，當(dāng)該反饋值的大小超過低門檻值而沒有達(dá)到高門檻值時(shí)，最小系統(tǒng)2205將在半個(gè)逆變周期內(nèi)縮小PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，將輸出電流降低到安全值，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變橋2102的功率管進(jìn)行逐脈沖限流保護(hù)；如果此時(shí)電流持續(xù)增加，一旦反饋值超過高的門檻值，則最小系統(tǒng)2205直接關(guān)閉PWM輸出，保證逆變橋2102功率管的工作安全。高頻驅(qū)動(dòng)模塊2206 —端與最小系統(tǒng)2205的PWM端口連接，另一端與主電路一 2100的逆變橋2102連接。當(dāng)電源工作于硬開關(guān)模式時(shí)，最小系統(tǒng)2205的PWM端口直接產(chǎn)生兩路推挽型數(shù)字PWM信號(hào)，而當(dāng)電源工作于軟開關(guān)模式時(shí)，PWM端口直接產(chǎn)生四路移相PWM信號(hào)。峰值電流檢測(cè)模塊2207 —端與最小系統(tǒng)2205的ADC端口連接，另一端與主電路一 2100的中頻變壓器2103連接，以實(shí)時(shí)檢測(cè)中頻變壓器2103的原邊電流，經(jīng)過快速精密整流和補(bǔ)償之后輸入最小系統(tǒng)2205的ADC端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。過壓欠壓檢測(cè)模塊2204 —端直接與最小系統(tǒng)2205的GPIO端口相連，另一端與三相交流輸入電源電連接，當(dāng)三相交流輸入的電壓偏低或者過高時(shí)，過壓欠壓檢測(cè)模塊2204的輸出電平就會(huì)發(fā)生改變，最小系統(tǒng)2205據(jù)此判斷欠過壓故障。動(dòng)作檢測(cè)模塊2202、過熱檢測(cè)模塊2203和繼電器模塊2212均與最小系統(tǒng)2205的GPIO端口相連。數(shù)字面板2210直接與最小系統(tǒng)2205的UART端口相連，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，數(shù)字面板2210與弧焊機(jī)器人接口 100的信息交互模塊1006采用相同的結(jié)構(gòu)，如圖4(c)所示，只是運(yùn)行的軟件不同。CAN接口電路2211直接與最小系統(tǒng)2205的CAN端口相連。電流反饋電路2208 —端與主電路一 2100的快速整流濾波電路2104連接，以采樣主電路2100的輸出電流和電壓值；另一端直接與最小系統(tǒng)2205的ADC端口相連，最小系統(tǒng)2205將采樣值經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換之后與數(shù)字面板2210或者弧焊機(jī)器人接口 100從CAN接口電路2211發(fā)送過來的電流電壓給定值比較，并將偏差按照一定的數(shù)字調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算處理，控制PWM端口輸出相應(yīng)占空比的數(shù)字PWM信號(hào)，從而對(duì)主電路一 2100的輸出實(shí)現(xiàn)精確的閉環(huán)控制。
[0037]主電路一 2100的逆變橋2102采用工作于硬開關(guān)換流模式，或者采用工作于軟開關(guān)模式的全橋高頻逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖3所示，本實(shí)用新型數(shù)字化逆變弧焊電源的主電路一采用全橋高頻逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三相交流輸入電源連接整流濾波電路2101的整流橋D1-D6，然后進(jìn)入濾波環(huán)節(jié)L1、C1-C2，R1-R2和D7-D8，變?yōu)檩^平滑的直流電；然后流入逆變橋2102，經(jīng)過由S1-S44個(gè)功率開關(guān)管構(gòu)成的逆變橋，通過功率開關(guān)管的高頻開通和關(guān)斷，將直流電轉(zhuǎn)換為高頻方波交流電；其中，D9-D12分別為S1-S4的反并聯(lián)二極管，而R3C3、R4C4、R5C5、R6C6分別為功率管S1-S4的吸收電路。當(dāng)采用硬開關(guān)換流模式時(shí)，吸收電路的電阻均不為零；當(dāng)工作于軟開關(guān)模式時(shí)，R3-R6為零電阻；然后，方波電流流入中頻變壓器2103進(jìn)行降壓；經(jīng)過降壓之后的低壓高頻交流方波進(jìn)入由D15-D16和L2等構(gòu)成的快速整流濾波電路2104，變成平滑的低壓直流電。
[0038]如圖4 (b)所示，本實(shí)用新型的弧焊機(jī)器人接口包括與三相交流電源電連接并為整個(gè)弧焊機(jī)器人接口提供所需的電能的供電模塊1005、ARM控制器1001以及分別與ARM控制器1001連接的反饋模塊1002、繼電器模塊1003、通訊擴(kuò)展模塊1004、設(shè)置有數(shù)字控制器的信息交互模塊1006和模擬輸出模塊1007。其中，ARM控制器1001以ST公司主頻高達(dá)168MHz的Cortex-M4系列芯片STM32F405RGT6為核心，其由型號(hào)為STM32F405RGT6的微處理器、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、JTAG接口、miniUSB芯片以及外圍電路連接構(gòu)成，具體組成如圖5所示。反饋模塊1002分別與壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置連接，分別采樣壓縮空氣的氣體流量和壓力、保護(hù)氣體的流量和壓力等信息，并將該信息進(jìn)行信號(hào)調(diào)理之后輸入ARM控制器1001的ADC端口。繼電器模塊1003直接與ARM控制器1001的可編程GPIO端口相連，具備多路繼電器節(jié)點(diǎn)輸出，其輸出分別與壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置連接，可以控制壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置的啟動(dòng)/關(guān)停。通訊擴(kuò)展模塊1004直接與ARM控制器1001的CAN端口相連，主要由支持CAN2.0B協(xié)議的獨(dú)立控制器SJA1000及其外圍電路構(gòu)成，并通過CAN總線與數(shù)字化弧焊逆變電源中控制電路一的CAN接口電路連接。信息交互模塊1006直接與ARM控制器1001的UART端口相連，實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整、狀態(tài)信息顯示、故障報(bào)警等功能。模擬輸出模塊1007采用HCNR201線性光耦隔離模塊，對(duì)STM32F405RGT6兩路12位DAC產(chǎn)生的0-3.3v的模擬電壓進(jìn)行隔離和放大。
[0039]所述如圖4 (C)所示，本實(shí)用新型的弧焊機(jī)器人接口的信息交互模塊采用了可視化系統(tǒng)解決方案。主控芯片采用融合了 ARM+DSP雙芯功能的M4內(nèi)核ARM微處理器STM32F407ZGT6，通過FSMC端口擴(kuò)展配置了 16M顯存，通過SPI端口擴(kuò)展了 64Mbit的閃存，通過USB OTG端口擴(kuò)展了 USB存儲(chǔ)，旋轉(zhuǎn)編碼器直接與TMER端口相連，按鍵直接與GPIO端口相連，LED狀態(tài)指示燈直接與GPIO端口相連。以RTOS為實(shí)時(shí)內(nèi)核，具有數(shù)據(jù)處理速度快，調(diào)節(jié)精確靈活，系統(tǒng)擴(kuò)展便利等優(yōu)勢(shì)。預(yù)留了 UART串口，與ARM控制器1001的UART通信。參數(shù)顯示采用四線電阻式7寸TFT-LCD-AT070TN92，LCD驅(qū)動(dòng)芯片RA8875直接與，背光芯片為CAT4139，按鍵和旋轉(zhuǎn)編碼器來顯示和設(shè)置參數(shù)。
[0040]如圖4 Ca)所示，本實(shí)用新型的弧焊機(jī)器人接口 100主要完成各種指令、狀態(tài)、工藝參數(shù)以及故障信息的處理和傳遞?；『笝C(jī)器人接口 100與機(jī)器人、數(shù)字化弧焊逆變電源200、潛水送絲機(jī)300、壓縮氣體裝置600和保護(hù)氣體裝置700的接口信息流如下:
[0041]弧焊機(jī)器人接口 100從機(jī)器人接收的指令有:啟動(dòng)/關(guān)停、電流調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)、弓丨??；弧焊機(jī)器人接口 100向機(jī)器人發(fā)送的信息有:啟動(dòng)/關(guān)停應(yīng)答、實(shí)際電流值、實(shí)際電壓值、引弧成功、實(shí)際送絲速度、壓縮氣體流量和氣壓、保護(hù)氣體流量和氣壓、故障信息(過壓、欠壓、過熱、粘絲、滅弧、無焊絲、電弧不穩(wěn)、導(dǎo)電嘴觸碰)；這些信息均通過CAN總線通信完成。
[0042]弧焊機(jī)器人接口 100從數(shù)字化弧焊逆變電源200接收的信號(hào)有:欠壓、過壓、過熱、引弧成功、粘絲、滅弧、電弧不穩(wěn)、導(dǎo)電嘴觸碰、實(shí)際電流值、實(shí)際電壓值；弧焊機(jī)器人接口100發(fā)送給數(shù)字化弧焊逆變電源200的信號(hào)有:啟動(dòng)/關(guān)停、引弧、電流調(diào)節(jié)、電壓調(diào)節(jié)；這些信息均通過CAN總線通信完成。
[0043]弧焊機(jī)器人接口 100從潛水送絲機(jī)300接收的信號(hào)有:實(shí)際送絲速度、無焊絲；弧焊機(jī)器人接口發(fā)送給潛水送絲機(jī)的信號(hào)有:啟動(dòng)/關(guān)停、送絲速度；
[0044]弧焊機(jī)器人接口 100發(fā)送給壓縮氣體裝置600的信號(hào)有:啟動(dòng)/關(guān)停、流量、氣壓；弧焊機(jī)器人接口 100從壓縮氣體裝置600接收的信號(hào)有:流量、氣壓；
[0045]弧焊機(jī)器人接口 100發(fā)送給保護(hù)氣體裝置700的信號(hào)有:啟動(dòng)/關(guān)停、流量、氣壓；弧焊機(jī)器人接口 100從保護(hù)氣體裝置700接收的信號(hào)有:流量、氣壓。
[0046]因此，弧焊機(jī)器人接口 100與機(jī)器人、數(shù)字化弧焊逆變電源200和潛水送絲機(jī)300之間所有的信息交互(包括啟動(dòng)/關(guān)停、工藝參數(shù)、故障信息、引弧成功與否等狀態(tài)信息)均通過基于CAN總線的數(shù)字化通信方式來實(shí)現(xiàn)；而與壓縮氣體裝置600和保護(hù)氣體裝置700之間的啟動(dòng)/關(guān)停信號(hào)通過繼電器模塊的控制來實(shí)現(xiàn)，流量、氣壓則是通過反饋模塊采樣后經(jīng)弧焊機(jī)器人接口 100的ARM控制器。
[0047]本實(shí)用新型的潛水送絲機(jī)設(shè)置有密封罩，并由送絲驅(qū)動(dòng)電路、送絲電機(jī)、壓緊輪和焊絲盤連接組成；而送絲驅(qū)動(dòng)電路、送絲電機(jī)、壓緊輪和焊絲盤均安裝在密封罩內(nèi)；機(jī)器人專用焊炬的一端固定在潛水送絲機(jī)的密封罩上；保護(hù)氣體裝置與潛水送絲機(jī)的密封罩相連。如圖6所示，送絲驅(qū)動(dòng)電路包括主電路二和與主電路二連接的控制電路二 ；其中，控制電路二由MCU控制器和外圍電路連接構(gòu)成。主電路二包括依次連接的整流濾波電路、BUCK穩(wěn)壓電路、換相電路和斬波電路；其中，斬波電路一端與送絲電機(jī)連接，送絲電機(jī)通過與MCU控制器的ADC端口連接，將電壓反饋到控制電路二 ；MCU控制器的PWM端口通過IR2110驅(qū)動(dòng)器一與主電路二的斬波電路連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速；MCU控制器的TMER端口通過IR2110驅(qū)動(dòng)器二與主電路二的換相電路連接，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。MCU控制器的CAN端口通過CAN總線分別與弧焊機(jī)器人接口的通訊擴(kuò)展模塊和數(shù)字化弧焊逆變電源的CAN接口電路連接。本實(shí)用新型的送絲電機(jī)采用了無刷直流電機(jī)。控制電路二采用STM32F405RGT6作為主控芯片，通過CAN總線接收弧焊機(jī)器人接口發(fā)送的送絲速度設(shè)定值，并實(shí)時(shí)采樣電機(jī)端的實(shí)際工作電壓，經(jīng)過比較運(yùn)算之后控制PWM端口輸出兩路互補(bǔ)的帶死區(qū)延時(shí)的PWM信號(hào)，經(jīng)IR2110驅(qū)動(dòng)器放大后驅(qū)動(dòng)斬波電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié)；通過MCU控制器的HMER端口輸出低頻的PWM信號(hào)，經(jīng)IR2110驅(qū)動(dòng)器二放大后驅(qū)動(dòng)換相電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，通過換相控制和斬波控制，可以實(shí)現(xiàn)勻速送絲、變速送絲以及脈沖送絲等三種送絲模式。
[0048]如圖5所示，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)開發(fā)效率，本實(shí)用新型的弧焊機(jī)器人接口中的ARM微控制器和信息交互模塊的數(shù)字控制器、數(shù)字化弧焊逆變電源控制電路中的最小系統(tǒng)和數(shù)字面板以及潛水送絲機(jī)的MCU控制器均采用ST公司主頻高達(dá)168MHz的CorteX-M4內(nèi)核STM32F405RGT6最小系統(tǒng)，該最小系統(tǒng)由型號(hào)為STM32F405RGT6的微處理器、由AMSl 117、C14-17、R6、Dl等構(gòu)成的電源電路、由S1、Cl、R7等構(gòu)成的復(fù)位電路、由Yl、C2-3、Rl構(gòu)成的晶振電路、由R5-8、JTAG芯片構(gòu)成的JTAG接口、miniUSB芯片以及外圍電路連接構(gòu)成。STM32F405RGT6內(nèi)置DSP功能模塊，為基于Cortex_M4內(nèi)核的SOC級(jí)芯片，有多達(dá)IMB片上FLASH, 192Kb SRAM, 12位轉(zhuǎn)換速率達(dá)2.4MSPS的ADC，具有兩路12位DAC，可以產(chǎn)生0-3.3v的模擬電壓，預(yù)留了 UART、RS485和CAN接口。STM32F405RGT6是弧焊機(jī)器人接口、數(shù)字化逆變弧焊電源和潛水送絲機(jī)的數(shù)字化核心，其內(nèi)部分別固化有基于FreeRTOS實(shí)時(shí)內(nèi)核的弧焊機(jī)器人接口軟件、數(shù)字化弧焊逆變電源控制軟件和潛水送絲機(jī)控制軟件。
[0049]如圖7所示，本實(shí)用新型的微型排水罩采用了收斂形收縮噴管結(jié)構(gòu)。在噴管上部有4個(gè)直徑為8_的進(jìn)氣管，由壓縮氣體裝置產(chǎn)生的壓縮空氣由此4個(gè)進(jìn)氣管輸入，收縮管底部的管徑為24_，這樣可以確保壓縮氣體輸入氣體通路的截面積大于收縮管底部的截面積，從而確保低于聲速的氣流在截面積逐漸縮小的管道內(nèi)不斷加速，在焊接點(diǎn)周圍形成一個(gè)高挺度的高壓氣幕，將焊接區(qū)域的水排開，這樣就可以使焊接電弧在氣相區(qū)中燃燒，實(shí)現(xiàn)可靠的局部干法焊接，提高焊縫質(zhì)量。微型排水罩的材質(zhì)為型號(hào)是304的不銹鋼，尺寸參數(shù)如圖，其中，收縮噴管內(nèi)壁面的曲線可由維氏公式計(jì)算得到；整個(gè)排水罩體積非常小巧，可以適合水下全位置焊縫的焊接。
[0050]本實(shí)用新型水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的上述實(shí)施例具有以下特點(diǎn):
[0051]1、全數(shù)字化:本實(shí)施例首次構(gòu)建了基于SOC級(jí)Cortex_M4內(nèi)核、融合了 ARM+DSP雙芯功能的ARM微處理器和FreeRTOS實(shí)時(shí)內(nèi)核的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)的全數(shù)字控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了弧焊機(jī)器人接口、弧焊逆變電源、潛水送絲機(jī)等的全數(shù)字化，控制精確、操作便利，擴(kuò)展靈活；
[0052]2、高靈活性:本實(shí)施例充分利用了全數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種故障診斷、狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置等的數(shù)字化傳輸、可視化操作和實(shí)時(shí)監(jiān)控；
[0053]3、寬適應(yīng)性:本實(shí)用新型的弧焊逆變電源通過數(shù)字化控制能夠?qū)崿F(xiàn)多種特性輸出，調(diào)節(jié)快速準(zhǔn)確，同時(shí)潛水送絲機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的勻速、變速和脈動(dòng)等送絲方式，此外，微型排水罩體積小巧，能夠有效的排干焊接區(qū)域的水，能在水下全位置焊接區(qū)域建立微型氣相區(qū)，這三者相結(jié)合，就能夠建立穩(wěn)定的電源-水下電弧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)水下焊接；
[0054]4、高效化:本實(shí)施例采用了全橋高頻逆變技術(shù)，傳遞功率強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，功率管承受的電壓較低，主回路時(shí)間小，動(dòng)態(tài)性能好，高效、節(jié)能、省材。
[0055]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，其特征在于:包括弧焊機(jī)器人接口、數(shù)字化弧焊逆變電源、潛水送絲機(jī)、機(jī)器人專用焊炬、微型排水罩、壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置；所述弧焊機(jī)器人接口、數(shù)字化弧焊逆變電源、潛水送絲機(jī)和機(jī)器人專用焊炬依次連接；所述弧焊機(jī)器人接口還分別與機(jī)器人、潛水送絲機(jī)、壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置連接；所述機(jī)器人專用焊炬安裝于機(jī)器人上，并還與微型排水罩、電弧負(fù)載一相連；所述壓縮氣體裝置與微型排水罩連接，保護(hù)氣體裝置與潛水送絲機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)字化弧焊逆變電源包括主電路一和與主電路一相互連接的控制電路一；所述主電路一由整流濾波電路、逆變橋、中頻變壓器和快速整流濾波電路依次連接組成；所述整流濾波電路與三相交流輸入電源電連接，快速整流濾波電路與電弧負(fù)載二連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述主電路一的逆變橋采用工作于硬開關(guān)換流模式，或者采用工作于軟開關(guān)模式的全橋高頻逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述控制電路一包括與三相交流輸入電源電連接并用于給控制電路一提供電能的供電模塊、最小系統(tǒng)以及分別與最小系統(tǒng)連接的動(dòng)作檢測(cè)模塊、過熱檢測(cè)模塊、過壓欠壓檢測(cè)模塊、高頻驅(qū)動(dòng)模塊、峰值電流檢測(cè)模塊、電流反饋電路、數(shù)字面板、CAN接口電路和繼電器模塊；其中，所述過壓欠壓檢測(cè)模塊與三相交流輸入電源電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述高頻驅(qū)動(dòng)模塊與主電路一的逆變橋連接，峰值電流檢測(cè)模塊與主電路一的中頻變壓器連接，電流反饋電路與主電路一的快速整流濾波電路連接；所述控制電路一的最小系統(tǒng)設(shè)置有逐脈沖限流保護(hù)和直接關(guān)斷保護(hù)兩種保護(hù)模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述弧焊機(jī)器人接口包括用于提供電能的供電模塊、ARM控制器以及分別與ARM控制器連接的反饋模塊、繼電器模塊、通訊擴(kuò)展模塊、設(shè)置有數(shù)字控制器的信息交互模塊和模擬輸出模塊；其中，所述通訊擴(kuò)展模塊通過CAN總線與控制電路一的CAN接口電路連接；所述弧焊機(jī)器人接口分別與壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置連接是指:所述繼電器模塊分別與壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置連接，用于控制壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置的啟動(dòng)和關(guān)停；所述反饋模塊分別與壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置連接，用于采集壓縮氣體裝置和保護(hù)氣體裝置的信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述潛水送絲機(jī)設(shè)置有密封罩，并由送絲驅(qū)動(dòng)電路、送絲電機(jī)、壓緊輪和焊絲盤連接組成；所述送絲驅(qū)動(dòng)電路、送絲電機(jī)、壓緊輪和焊絲盤均安裝在密封罩內(nèi)；所述機(jī)器人專用焊炬的一端固定在潛水送絲機(jī)的密封罩上；所述保護(hù)氣體裝置與潛水送絲機(jī)的密封罩相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述送絲驅(qū)動(dòng)電路包括主電路二和與主電路二連接的控制電路二 ；所述控制電路二由MCU控制器和外圍電路連接構(gòu)成；所述主電路二包括依次連接的整流濾波電路、BUCK穩(wěn)壓電路、換相電路和斬波電路；所述斬波電路一端與送絲電機(jī)連接，送絲電機(jī)通過與MCU控制器的ADC端口連接，將電壓反饋到控制電路二 ；所述MCU控制器的PWM端口通過IR2110驅(qū)動(dòng)器一與主電路二的斬波電路連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速；所述MCU控制器的TMER端口通過IR2110驅(qū)動(dòng)器二與主電路二的換相電路連接，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制；所述MCU控制器的CAN端口通過CAN總線分別與弧焊機(jī)器人接口的通訊擴(kuò)展模塊和數(shù)字化弧焊逆變電源的CAN接口電路連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述弧焊機(jī)器人接口中的ARM微控制器和信息交互模塊的數(shù)字控制器、數(shù)字化弧焊逆變電源控制電路中的最小系統(tǒng)和數(shù)字面板以及潛水送絲機(jī)的MCU控制器均由型號(hào)為STM32F405RGT6的微處理器、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、JTAG接口、miniUSB芯片以及外圍電路連接構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下焊接機(jī)器人多功能焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述微型排水罩為收斂形收縮噴管結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】B23K9/10GK203679499SQ201320848293
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】王振民, 馮允樑, 馮銳杰, 郭文龍 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)