CN104308347A - 焊枪相对焊缝空间姿态的测量及反馈装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种焊枪相对焊缝空间姿态的测量及反馈装置，包括单片机及其外围电路、角度传感器、蜂鸣器和显示器，焊枪上安装有夹具，夹具上夹有角度传感器，角度传感器通过数据处理电路与单片机连接，单片机分别与显示器、蜂鸣器相连接，首先由熟练工人进行焊接演示，由角度传感器测出焊枪相对焊缝的空间角度数据，并输入单片机，并记录该最佳角度值，初级焊工焊接操作过程中，角度传感器将焊枪角度实时测量并显示在显示器上，焊工以根据显示器上随时显示的测量结果，对焊枪姿态进行及时调整，从而实现焊枪位姿信息的实时检测提取，以达到调节焊枪倾角，改善焊缝质量，提高工作效率，节约经济成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术，是一种焊枪相对焊缝空间姿态的测量及反馈装置。
背景技术
自从人类社会进入工业时代以来，各国对大型构件的生产需求与日俱增。在许多重大结构中，焊接工艺是主要连接方式。目前在工程生产上，焊接是最主要的连接方法。相关调查表明，现如今国内外很多焊缝无法实现全自动化焊接，这也使得手工电弧焊的地位显得十分重要。
在手工电弧焊中，焊枪角度对焊接过程有显著影响，例如当焊枪前倾时，电弧力指向熔池金属的后方，在母材露出的表面产生电弧，形成熔深大、余高大、焊道窄的焊缝；焊枪后倾时，熔融金属在电弧下方，母材表面没有和电弧直接接触，产生熔深浅、较平坦、焊道宽的焊缝，且后倾角越小，熔深越小。因此，如果焊接过程中，焊枪相对焊缝的倾角不合适，将会使得焊缝质量降低，甚至出现焊接缺陷，从而影响焊接结构在后期服役过程中的综合性能，严重的会使焊件直接报废。因此，选择合适的焊枪倾角，对于改善焊缝质量，提高工作效率，节约经济成本有十分重要的意义。
在传统的焊接技术人员培训机制中，大多数培训机构都是采用高级焊工或经验熟练的焊工对初级焊工口传心授，初级焊工依靠个人能力自参自悟的培训模式，这样的培训模式既使得培训周期较长、培训成本较高，也使得效率低下、效果不明显。在这种情况下，国内外必须尽快研发出一种新型的辅助工具以用于焊工培训，从而达到缩短培训周期，节约培训成本，提高效率，增强效果的目的。而本发明正好可以满足这一要求。
同时，随着科学技术的飞速发展，使得焊接工艺的难度越来越大，工作环境越来越不适合人工操作，但是工件对焊缝质量的要求也越来越高，这种现象导致焊接过程自动化技术的兴起并广泛应用。目前阶段，国内外大多采用示教再现型或离线编程型机器人，工作前要求操作者通过示教盒控制机器人各关节运动，采用逐点示教的方式来实现焊枪空间位姿的定位和记录。由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和调整的功能，这类焊接机器人对作业条件的稳定性要求严格，不具备适应焊接对象和任务变化的能力，对形状复杂的焊缝编程效率低，不能对焊接动态过程实时监测控制，无法满足对复杂焊件的高质量和高精度焊接的要求。特别的，对于非结构环境下的焊接作业，由于工件的复杂性和现场环境的不确定性，根本就没有办法采用示教再现的方式。对于此类工件的焊接，目前国内外大多采用有轨道的自动焊或手工焊，采用有轨道的焊机时，首先按照工件形状并沿着焊缝铺设轨道，其次将带有焊枪的焊接小车挂在铺好的轨道上，沿着轨道运动进行焊接。这种有轨道的机器人要求铺设轨道时要和焊缝平行，否则会出现较大的跟踪误差。而船舶制造中有很多弯曲焊缝，因此一条焊缝需要进行多次铺轨才能完成焊接，从而大大降低了焊接生产的效率。所以这种轨道式的机器人难以适应焊接对象和任务的变化，不能满足现代工业技术的发展要求。因此开发一种具有较高精度、能够自动反馈信息并提供调整焊枪倾角的信息的系统就显得尤为重要。
在传统工艺中，焊接角度的控制是由焊工根据自己的操作经验来进行调整，因此焊工的实践经验、焊接水平、操作技能等各方面人为因素会直接影响到焊缝质量。在实际生产中，绝大部分初级焊工由于没有娴熟的焊接技能，无法做到对焊枪空间姿态的调整得准确无误，这显然造成焊缝质量不合格、工作效率低下、培训成本大且成效不好等问题。
发明内容
基于以上不足之处，本发明公开一种焊枪相对焊缝空间姿态的测量及反馈装置，用于实时监测焊枪相对焊缝空间姿态并及时反馈给施焊人员，从而调整焊枪姿态，以保证得到良好的焊缝质量。
本发明所采用的技术如下：一种焊枪相对焊缝空间姿态的测量及反馈装置，包括单片机及其外围电路、角度传感器、蜂鸣器和显示器，焊枪上安装有夹具，夹具上夹有角度传感器，角度传感器通过数据处理电路与单片机连接，单片机分别与显示器、蜂鸣器相连接，首先由熟练工人进行焊接演示，由角度传感器测出焊枪相对焊缝的空间角度数据，并输入单片机，并记录该最佳角度值，最佳角度范围是：熟练工人的焊枪相对焊缝的空间角度数据值×(1±10％)；初级焊工焊接操作过程中，角度传感器将焊枪角度实时测量并显示在显示器上，单片机内预先设定比对程序，能将即视的焊枪相对焊缝的空间角度与之前以存储的最佳角度范围进行比对，一旦焊枪角度偏离之前记录的最佳角度范围，连蜂鸣器将会报警，提醒焊工及时调整，直至焊枪相对焊缝的空间角度处于最佳角度围内时，提示音取消；单片机记录初级焊工焊枪相对焊缝的空间角度数据，用某一时刻初级焊工焊枪相对焊缝的空间角度，与最佳角度范围的比较，如果此时角度在最佳角度范围内，即为“合格”，反之即为“不合格”。
发明的有益效果是：实时获取并显示焊枪角度以利于焊工及时调整，达到提高焊接质量及工作效率，节约经济成本的目的，也可应用于焊工培训，改善培训的效果。
附图说明
图1为本发明的主程序框图；
图2是焊枪上的夹具上夹有角度传感器示意图。
具体实施方式
实施例1
一种焊枪相对焊缝空间姿态的测量及反馈装置，包括单片机及其外围电路、角度传感器2、蜂鸣器和显示器，焊枪上安装有夹具1，夹具1上夹有角度传感器2，角度传感器通过数据处理电路与单片机连接，单片机分别与显示器、蜂鸣器相连接，角度传感器2采用超低功耗3轴加速度计ADXL345，它可以在倾斜检测应用中测量焊枪与空间三坐标轴的夹角。其高分辨率：3.9mg/LSB，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。采用锐志RZ-51单片机用来处理三维加速度传感器采集、传输过来的数据，并将处理好的数据传送给显示器进行显示。显示器采用采用彩色液晶显示屏，它主要用来显示单片机传输过来的数据，即焊枪相对焊缝的空间角度，一般来说是三轴夹角。用户可根据不同需要选用不同型号的蜂鸣器，它主要用于“警报”功能模块中提醒施焊人员焊枪姿态未处于合理范围内，并要求施焊人员做出及时调整。
传感器通过针对特定焊枪专门设计的装夹工具固定于焊枪上，并采用单片机并使之与该角度传感器相连，使得单片机随时可以读取有效数据，并根据设定程序，完成角度数据的有效输出至显示屏上。
具体应用时，首先由熟练工人进行演示，由角度传感器测出数据，并输入单片机，通过单片机的数据记录功能记录该最佳角度。焊接最佳角度往往属于一个角度范围，我们认为最佳角度范围是：熟练工人测出的数据，然后加正负10％。焊接操作过程中，焊接角度测量功能工作，将焊枪角度实时测量并显示在显示屏上。单片机内预先设定比对程序，一旦焊枪角度偏离之前记录的最佳角度范围，连接在单片机端口上的蜂鸣器将会报警，提醒焊工及时调整。
本发明具有以下几个功能：
1、测量与显示功能。即用于实时测量和显示焊枪相对焊缝的空间角度，以方便施焊工人检查焊枪姿态是否正确。同时可以定性化表明焊枪相对焊缝的空间角度，以方便受培训人员在理性上理解最佳焊接角度的概念，从而避免传统培训机制上的弊端。
2、“记录”功能。将通过单片机的闪存记录将及时的空间角度记录下来。此功能用来记录熟练工人所测出的角度，进而为后来“评价”功能提供最佳角度范围。
3、“评价”功能。即用于某一任意时刻焊枪相对焊缝的空间角度，与进行最佳角度范围的比较，从而根据已设定的判别标准对于这一时刻测得的空间角度进行评价。如果此时角度在最佳角度范围内，即为“合格”，反之即为“不合格”。
4、“警报”功能。通过记录某一特定焊缝的最佳焊接角度，当焊接工人在施焊过程中焊枪倾角未在合理范围内时，即“不合格”时，将触发报警器，从而提醒焊接工人调整焊枪姿态，直至焊枪相对焊缝的空间角度处于合理范围内时，提示音取消。
Claims (1)
1.一种焊枪相对焊缝空间姿态的测量及反馈装置，包括单片机及其外围电路、角度传感器、蜂鸣器和显示器，焊枪上安装有夹具，夹具上夹有角度传感器，角度传感器通过数据处理电路与单片机连接，单片机分别与显示器、蜂鸣器相连接，其特征在于：首先由熟练工人进行焊接演示，由角度传感器测出焊枪相对焊缝的空间角度数据，并输入单片机，并记录该最佳角度值，最佳角度范围是：熟练工人的焊枪相对焊缝的空间角度数据值×(1±10％)；初级焊工焊接操作过程中，角度传感器将焊枪角度实时测量并显示在显示器上，单片机内预先设定比对程序，能将即视的焊枪相对焊缝的空间角度与之前以存储的最佳角度范围进行比对，一旦焊枪角度偏离之前记录的最佳角度范围，连蜂鸣器将会报警，提醒焊工及时调整，直至焊枪相对焊缝的空间角度处于最佳角度围内时，提示音取消；单片机记录初级焊工焊枪相对焊缝的空间角度数据，用某一时刻初级焊工焊枪相对焊缝的空间角度，与最佳角度范围的比较，如果此时角度在最佳角度范围内，即为“合格”，反之即为“不合格”。
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