本實用新型屬于機器人焊接領(lǐng)域，具體涉及磁懸機器人焊接裝置。

背景技術(shù)：
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焊是被焊工件的材質(zhì)通過加熱和/或加壓(可用或不用填充材料)使工件結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程，目前工廠內(nèi)大多是人工操作，人工對被焊接的管材進行夾緊定位,然后再進行對接焊接，效率低可靠性差，而且易導致人員傷害。

鋼板深加工成鋼管是通過預彎機將鋼板做成鋼管，需要將鋼管縫隙焊接上。

焊接的質(zhì)量取決于焊縫大小、焊接電流、堆料時間、焊縫清潔程度，采用機器人在直線上焊接時，常面臨啟動和停止速度不均勻造成堆料不均；以及機器人在直線運動中移動裝置調(diào)速響應慢，無法滿足焊接速度的要求。

而且目前只能實現(xiàn)一根鋼管的自動焊接，無實現(xiàn)多根鋼管拼接焊接。

直線電機技術(shù)是一項相對來說較新的技術(shù)領(lǐng)域，主要運用于實驗室研究或有軌列車上。具有功率因數(shù)和效率高、推力密度大，電力電子變換裝置尺寸小、成本低，調(diào)速快的優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本實用新型的目的在于：針對背景技術(shù)中存在的諸多缺點和問題加以改進，提供一種機器人管焊裝置，該裝置可使焊接裝置通過直線電機控制橫向運動，從而焊接橫向縫隙；通過伺服電機控制鋼管旋轉(zhuǎn)使得焊接裝置可以焊接鋼管的環(huán)形縫隙；通過直線電機驅(qū)動和菱形架夾持使兩根鋼管同心對接，并使對接間距可以精確控制在1-3mm。該焊接裝置有較好的能動性、自動化程度高、穩(wěn)定性好、便于操作、方向可調(diào)。本實用新型的目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種機器人管焊裝置，包括橫梁、菱形架、第一直線電機、第二直線電機、焊接機器人、管道夾持裝置、減速電機、控制器，其特征在于：所述橫梁至少為兩根，上下平行布置，橫梁上安裝有滑道或第一直線電機，上下橫梁的同側(cè)端分別連接同一升降裝置的活動端和固定端，橫向滑道及第一直線電機分別位于同軸布置的至少四個菱形架的對角線上，菱形架通過鉸軸與橫向滑道上的滑塊或第一直線電機次級連接；第二直行電機初級平行置于所述橫梁設(shè)置在鋼管旁；焊接機器人為六自由度機器人垂直安裝在第二直線電機次級上；管道夾持裝置安裝在上橫梁或下橫梁上，至少分為左右兩個可沿橫梁移動的支架，支架由具有環(huán)形槽的夾持架和轉(zhuǎn)盤組成，左夾持架的轉(zhuǎn)盤連接減速電機，用于固定鋼管的兩端和轉(zhuǎn)動鋼管；控制器采集第一直線電機和第二直線電機次級上的光柵讀數(shù)頭測量的位置信息，識別并控制兩段鋼管對接端的間距、鋼管長度及焊接機器人沿第二直線電機的移動速度和位置，控制器還采集設(shè)于減速電機上的編碼器的脈沖信號，測量轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動圈數(shù)，通過逆變器控制減速電機。

優(yōu)選的，焊接機器人通過旋轉(zhuǎn)凸臺與所述第二直線電機次級連接，用于改變機器人的方向。

進一步地，第一直線電機和第二直線電機初級旁安裝有混合式絕對值光柵尺，及設(shè)置在第一直線電機和第二直線電機次級與光柵尺相對的光柵讀數(shù)頭，可測量光柵讀數(shù)頭在光柵尺上的位置、移動方向、移動速度。

優(yōu)選的，控制器通過DSP芯片采集光柵讀數(shù)頭讀取的數(shù)據(jù)，用于采集第一直線電機和第二直線電機次級的位置和移動速度信息，DSP芯片還通過功率放大器連接第一直線電機和第二直線電機初級上的電樞繞組，用于驅(qū)動焊接機器人、菱形架、右夾持架變速移動和定位。

優(yōu)選的，所述右夾持架安裝在第一直線電機次級上，使第一直線電機驅(qū)動右夾持架移動。

優(yōu)選的，所述升降裝置的活動端和固定端之間連接電子卷尺，用于測量菱形架對角線的長度。

本實用新型有益效果：該裝置可使焊接裝置通過直線電機控制橫向運動，從而焊接橫向縫隙；通過伺服電機控制鋼管旋轉(zhuǎn)使得焊接裝置可以焊接鋼管的環(huán)形縫隙；通過直線電機驅(qū)動和菱形架夾持使兩根鋼管同心對接，并使對接間距可以精確控制在1-3mm；通過調(diào)整升降裝置的間距來改變菱形架對角線的間距，能夠夾持不同直徑的鋼管，并使鋼管均同軸對接。該焊接裝置有較好的能動性、自動化程度高、穩(wěn)定性好、便于操作、方向可調(diào)。

附圖說明：

圖1為本實用新型機器人管焊裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為本實用新型機器人管焊裝置中菱形架的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為本實用新型機器人管焊裝置結(jié)構(gòu)框圖

圖4為本實用新型機器人管焊裝置中第一直線電機次級和初級的放大圖

圖5為本實用新型機器人管焊裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖中A剖面的方法圖

具體實施方式：

下面結(jié)合具體實施例和附圖對本實用新型作進一步的說明。

具體實施方案如下：

如圖1本實用新型的原理圖和圖2菱形架的結(jié)構(gòu)圖所示，一種機器人管焊裝置，由橫梁800、菱形架700、第一直線電機600、第二直線電機100、焊接機器人200、管道夾持裝置400、減速電機430、控制器500、上位機900組成。上下兩根橫梁800平行布置，上橫梁810上安裝有滑道811，下橫梁820上安裝有第一直線電機600，上下橫梁800的右側(cè)端分別連接升降裝置830的活動端831和固定端832，四個相同大小的菱形架700，平行安裝在上下橫梁800之間，四個菱形架700軸線重合，滑道811位于所述菱形架700的對角線上鉸接點側(cè)的上橫梁810處，及第一直線電機600位于所述菱形架700的對角線下鉸接點側(cè)的下橫梁820處，菱形架700通過鉸軸701與滑道811上的滑塊812和第一直線電機次級620連接，菱形架700的四條邊通過鉸鏈連接；第二直行電機初級110平行于所述橫梁800設(shè)置在鋼管1000旁；焊接機器人200為六自由度機器人垂直安裝在旋轉(zhuǎn)凸臺201上，用于改變焊接機器人200方向。焊槍204設(shè)置在焊接機器人200上，焊接機器人200靈活控制焊槍204位置，第二直線電機次級120設(shè)置在旋轉(zhuǎn)凸臺201下方，用于驅(qū)動整個焊接機器人200。管道夾持裝置400安裝在下橫梁820上，鋼管1000兩端被管道夾持裝置400夾緊，防止鋼管800位移造成焊接不均勻。管道夾持裝置400至少分為左右兩個支架，支架由具有環(huán)形槽的夾持架410和轉(zhuǎn)盤420組成，左夾持架410內(nèi)的轉(zhuǎn)盤420與減速電機430同軸連接，右夾持架410安裝在第一直線電機次級620上，使第一直線電機600驅(qū)動右夾持架410移動，左夾持架410和右夾持架410一起用于固定鋼管1000的兩端和轉(zhuǎn)動鋼管1000，使得在環(huán)形焊接時焊接更加穩(wěn)定，升降裝置830的活動端831和固定端832之間連接電子卷尺840，用于測量菱形700對角線的長度。

升降裝置700為液壓油缸、氣缸、或直線電機。

進一步地，第一直線電機初級610和第二直線電機初級110的旁安裝有混合式絕對值光柵尺611，及設(shè)置在第一直線電機次級620和第二直線電機次級120與光柵尺相對的光柵讀數(shù)頭621，可測量光柵讀數(shù)頭621在光柵尺611上的位置、移動方向、移動速度。

優(yōu)選地，控制器500通過DSP芯片510，采集第一直線電機次級620和第二直線電機次級120上的光柵讀數(shù)頭621讀取的位置信息，識別并控制兩段鋼管1000對接端的間距、鋼管長度及焊接機器人200沿第二直線電機100的移動速度和位置，控制器500還通過現(xiàn)場總線連接的逆變器503、編碼器504、焊接機器人200，逆變器503與所述減速電機430連接，編碼器504安裝在減速電機430的轉(zhuǎn)軸上，控制器500用于控制所述交流伺服減速電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動的圈數(shù)?？刂破?00通過工業(yè)以太網(wǎng)絡連接交換機505，交換機505與上位機900交換數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，第一直線電機初級610和第二直線電機初級110上的電樞繞組通過功率放大器511連接DSP芯片510，通過功率驅(qū)動模塊控制電流大小方向變化，使得磁場相應改變從而驅(qū)動驅(qū)動焊接機器人200、菱形架700、右夾持架410變速移動和定位，控制器500通過DSP芯片510采集光柵讀數(shù)頭621，讀取的第一直線電機次級620和第二直線電機次級120的位置和移動速度信息。

其焊接方法是：將兩段鋼管1000的分別穿過兩個菱形架700，各鋼管1000兩端分別置于菱形架700內(nèi)側(cè)，讓升降裝置830驅(qū)動上下橫梁800相對平行移動使菱形架700夾持鋼管1000，使兩段鋼管1000同心，電子卷尺840采集上下橫梁800的間距；讓連接第一直線電機次級620的各菱形架700在第一直線電機初級610的驅(qū)動下沿下橫梁820橫向相對移動，第一直線電機次級620上的光柵讀數(shù)頭621讀取第一直線電機初級610上的光柵尺611確定兩段鋼管1000各端的位置，驅(qū)動菱形架700用于使兩段鋼管1000的對接端保持1-3mm的間隙；將測得的距離數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)通過控制器轉(zhuǎn)給上位機900，上位機900計算出鋼管1000的外徑、圓周長、長度、對接端位置，并通過控制器500，驅(qū)動安裝在第二直線電機次級120上的焊接機器人200，沿平第二直線電機初級120平移至兩段鋼管1000的對接處焊接鋼管1000；控制器還驅(qū)動設(shè)有轉(zhuǎn)盤420的管道夾持裝置400夾緊鋼管1000的非對接端，連接減速電機430的轉(zhuǎn)盤420用于沿徑向轉(zhuǎn)動鋼管1000,便于焊接機器人200焊接。

上位機900計算出的鋼管外徑為：

纏繞電樞繞組的鐵芯由導磁的條狀硅鋼片疊壓成直線狀，電樞繞組在空間上則按二相或三相規(guī)律將每個極相組順序纏繞或套在鐵芯上，鐵芯兩側(cè)并與主磁場相對的繞組導體為有效導體。

控制器是PLC控制器，光柵尺611是德國JENA公司生產(chǎn)的JENALIE52PLXFDO型光柵尺611,其測量精度為1μm。光柵讀數(shù)頭621是通過將固定光柵和移動光柵之間的位移放大為莫爾條紋的移動來進行檢測的。

TMS320LF2407型DSP芯片510集高速運算能力與面向電機的高速控制能力于一體,可以實現(xiàn)用軟件取代模擬器件,方便地修改控制策略和參數(shù),兼具故障監(jiān)測、自診斷和上下位機管理與通信功能。其內(nèi)部總線為哈佛結(jié)構(gòu),指令執(zhí)行速度是30MIPS,絕大部分指令可以在單周期內(nèi)執(zhí)行完畢,這使得控制系統(tǒng)能夠快速處理相關(guān)計算。它具有豐富的資源,特別是具有2個事件管理器模塊(EVA和EVB,它們的結(jié)構(gòu)完全一樣,只是所具有的寄存器名稱不一樣),能夠很方便地對電機進行編程控制。事件管理器具有4個通用定時器Tn(n＝1,2,3,4,EVA,EVB各2個,每個定時器還有一個比較寄存器和周期寄存器,Tn可以編程為在內(nèi)部CPU時鐘或外部時鐘基礎(chǔ)上運行),6個全比較單元,6個捕獲單元和2個QEP電路。其中事件管理器模塊的通用定時器用來產(chǎn)生采樣周期(用T1)和作為QEP電路的時基(用T2),QEP電路用于連接光柵輸出的正交編碼脈沖信號,對該信號進行計數(shù),CAP模塊用來捕獲通用定時器的計數(shù)器中的計數(shù)值。

對位移信號進行處理前首先要得到信號,在用光柵讀數(shù)頭621檢測到信號后,用DSP芯片510來對信號進行采集。光柵讀數(shù)頭621輸出3路信號,將這3路信號中的正交編碼脈沖信號a,b輸入到DSP芯片510的QEP引腳。其中QEP1和QEP2分別用來接收光柵的脈沖信號a、b,它們作為通用定時器T2的時基,定時器T2對2列脈沖的每個上升和下降沿都進行計數(shù),每來1個上升沿或下降沿時,T2的計數(shù)器就加1或減1計數(shù)。在對脈沖信號a,b進行計數(shù)時,其使用的時鐘源為CLK。頻率為正交編碼脈沖的4倍。計數(shù)的方向由2列脈沖的相位決定:如果QEP1連接的是2列脈沖中的先導系列,就進行增計數(shù),反之則減計數(shù),DIR信號(高電平代表增計數(shù),低電平則反之)。CAP3用來捕獲脈沖的個數(shù),它和捕獲驅(qū)動信號T1PWM(即當T1定時器的計數(shù)器值和其比較寄存器相等時在T1PWM引腳上輸出的跳變信號)連接,用DSP的通用定時器T1(T1在內(nèi)部CPU時鐘基礎(chǔ)上運行)來產(chǎn)生采樣周期,每經(jīng)過一個采樣周期的時間間隔后在T1PWM引腳上輸出一個跳變,在檢測到CAP3引腳上出現(xiàn)跳變時,就將這一時刻的T2定時器的計數(shù)器中的數(shù)值裝入一個寄存器中,接著可以在軟件中讀出該數(shù)值。只要知道每一個脈沖所代表的位移量(即脈沖當量)和脈沖個數(shù),就可以計算出實際的位移量。得到某一時刻的脈沖個數(shù)后,可以和總的脈沖個數(shù)(為預定位移量和脈沖當量之商)進行比較,這就是這一時刻的位移偏差。將偏差代入PID算法計算出需要輸出的電壓量,以此電壓來驅(qū)動直線電機100運動。

直線電機的伺服控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)。在直線電機運動時,光柵讀數(shù)頭621不斷地檢測直線電機的位移,產(chǎn)生的正交編碼脈沖信號作為位置反饋輸入到DSP芯片510中,DSP芯片510將直線電機預定位移S和檢測到的當前位移進行比較,由PID算法來給出相應電壓到功率放大器以驅(qū)動直線電機運動。在直線電機的控制過程中,需要實現(xiàn)直線電機的精確定位和一定范圍內(nèi)的響應頻率。因此,本實用新型采用PID作為控制算法。相應的控制系統(tǒng)軟件由主程序和中斷子程序組成。主程序完成芯片與各變量的初始化、等待中斷的出現(xiàn)等工作；子程序則包括捕獲中斷、PDPINT保護中斷和PID算法實現(xiàn)等。在這里,采用變采樣周期。因為在直線電機從起始位置運動的一段時間里,可以采用長的采樣周期,這時是遠離預定位置,可以重點考慮速度方面的因素。等到電機運動到了一定的位置,再將采樣周期減小,重點考慮定位精度。這樣可以做到二者兼顧,既保證了定位精度,又提高了直線永磁電機的響應頻率。而且,這對于DSP芯片510來說也是很容易做到的。實現(xiàn)方法為:在通用定時器T2的比較中斷(即T2計數(shù)器之值等于比較寄存器時)中來改變采樣周期,而在周期中斷(即T2計數(shù)器之值等于周期寄存器之值)中恢復原來的采樣周期。前者是在直線電機運動到需要改變采樣周期位置時發(fā)生,后者是在電機運動到預定位置時出現(xiàn)。

以上所述是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本實用新型的保護范圍。