專利名稱：一種控制焊接煙塵進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)和空間位移的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料連接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種環(huán)境凈化設(shè)備，尤其涉及一種控制焊接煙塵進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)和空間位移的裝置及方法。
背景技術(shù)：
在焊接生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量煙塵，尤其在大規(guī)模機(jī)械加工場合如造船、鍋爐、汽車等加工車間。焊接煙塵中含有Fe203、Si02、Mn0、HF、CO、CO2,03>NOx等有害物質(zhì)，這些有害物質(zhì)會產(chǎn)生各種病理反應(yīng)如胸悶、肺氣腫、哮喘、中樞神經(jīng)紊亂，嚴(yán)重影響了焊工的健康。當(dāng)前針對焊接煙塵處理的技術(shù)主要側(cè)重于煙塵的吸收技術(shù)，如專利(CN102309903A)、專利(CN101966634A)、專利(CN102527182A)分別使用具有噴吸油粉裝置的焊接煙塵凈化器、高負(fù)壓焊接煙塵凈化裝置、抽吸式的凈化裝置來凈化環(huán)境。在大部分焊 接過程中，煙塵的發(fā)生源是移動的，需要實(shí)時跟蹤并調(diào)整凈化裝置的進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)，才能有效消除焊接煙塵，但以上述專利為代表的技術(shù)手段中，除塵裝置不能實(shí)時移動。為了使焊接煙塵吸收裝置能夠?qū)崟r改變姿態(tài)，早在1985年，專利(CN85102406)將吸收裝置與面罩連在一起，雖有自然跟蹤的優(yōu)點(diǎn)，但整個面罩重量較大(達(dá)到了 8KG)，焊工難以適應(yīng)長時間的操作；專利(CN201685048U、CN201711684U)提出基于可編程控制器的吸氣口三維跟蹤裝置，但裝置運(yùn)行路徑是事先設(shè)定的，如果焊接路徑中途發(fā)生變化，則可能會失去跟蹤目標(biāo)；盡管專利(CN102049636A)提出了基于多個弧光傳感器信號的焊接煙塵進(jìn)風(fēng)口移動方法，但該方法容易受到干擾，即需要嚴(yán)格校準(zhǔn)不同焊接方法和規(guī)范時弧光傳感器的參考值，否則會影響進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)的設(shè)定值?？梢姡附訜焿m凈化裝置的進(jìn)風(fēng)口空間姿態(tài)和位移控制是關(guān)鍵技術(shù)之一，但仍然存在著跟蹤困難、裝備復(fù)雜的缺點(diǎn)，因此需要尋求可靠的、操作簡易的進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)控制技術(shù)，這對有效提高焊接煙塵處理的效率、凈化焊接操作環(huán)境有著重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種控制焊接煙塵進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)和空間位移的裝置及方法，該裝置操作簡單、原理可靠、成本低廉；同時解決焊接生產(chǎn)場合除塵裝置的進(jìn)風(fēng)口對焊接煙塵產(chǎn)生位移的跟蹤問題，提高空氣凈化效率，從而改善焊接生產(chǎn)的空氣質(zhì)量、保護(hù)焊接操作人員的健康。技術(shù)方案本發(fā)明所述的一種控制焊接煙塵進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)和空間位移的裝置，包括固定有進(jìn)風(fēng)口及其級聯(lián)管道的機(jī)械手，所述機(jī)械手上設(shè)置有導(dǎo)引頭和控制裝置，所述導(dǎo)引頭分別與面罩及控制裝置連接，當(dāng)面罩移動時，引起導(dǎo)引頭相對于面罩的空間角度和位移發(fā)生變化，根據(jù)這些變化量，控制裝置調(diào)整進(jìn)風(fēng)口的空間角度和位移。進(jìn)一步完善上述技術(shù)方案，所述機(jī)械手由機(jī)械小臂、機(jī)械中臂、機(jī)械大臂、主旋轉(zhuǎn)電機(jī)和行走小車五個關(guān)節(jié)構(gòu)成，所述機(jī)械小臂、機(jī)械中臂和機(jī)械大臂依次連接，機(jī)械大臂設(shè)置在主旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，主旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)置在行走小車上。
進(jìn)一步，所述機(jī)械小臂上設(shè)置有第一角度傳感器。進(jìn)一步完善上述技術(shù)方案，所述導(dǎo)引頭包括球形突出部、圓臺、活塞、活塞導(dǎo)桿、第二角度傳感器和活塞位移傳感器，所述球型突出部與機(jī)械小臂的端部通過球鉸結(jié)構(gòu)連接，其頂端設(shè)置有凹槽，活塞通過圓臺被封閉在凹槽內(nèi)，可在凹槽內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，所述凹槽底端與球型突出部底端之間開有貫通孔，所述活塞導(dǎo)桿設(shè)置在貫通孔內(nèi)，一端與活塞底面固定連接，另一端與面罩通過球鉸連接，所述活塞的上表面設(shè)置有穿過圓臺的導(dǎo)針，所述第二角度傳感器與活塞位移傳感器設(shè)置在圓臺上，所述活塞位移傳感器通過測量導(dǎo)針的移動距離達(dá)到測量活塞導(dǎo)桿移動距離的目的。為了減輕焊工的負(fù)擔(dān)，所述活塞與圓臺及凹槽底面之間分別設(shè)置有上彈簧、下彈簧。所述上彈簧和下彈簧可根據(jù)面罩的自重設(shè)計，使焊工所需手持力很小，僅需穩(wěn)住面罩的角度即可。同時，可設(shè)計較長的活塞導(dǎo)桿，利用杠桿效應(yīng)，使焊工拖拽面罩時，僅需很小的力， 就能改變第二角度傳感器、活塞位移傳感器的輸出。上述裝置的控制方法，包括如下步驟首先，控制裝置對第二角度傳感器和活塞位移傳感器的輸出進(jìn)行采樣，并根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)值，確定導(dǎo)引頭的在X、I、Z軸上的位移改變量；然后，控制裝置控制各機(jī)械手關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機(jī)移動導(dǎo)引頭，使第二角度傳感器和活塞位移傳感器的輸出達(dá)到目標(biāo)值；最后，控制裝置繼續(xù)調(diào)整各機(jī)械手關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機(jī)，使機(jī)械小臂2上的第一角度傳感器10輸出趨近于其目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)口的空間姿態(tài)和位移的控制。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是本發(fā)明(I)解決了焊接生產(chǎn)場合除塵裝置的進(jìn)風(fēng)口對焊接煙塵產(chǎn)生位置的跟蹤和進(jìn)風(fēng)口的姿態(tài)控制問題；(2)采用具有空間角度傳感和位移傳感的導(dǎo)引頭，避免了采用復(fù)雜的技術(shù)如視覺傳感技術(shù)、弧光傳感技術(shù)，控制系統(tǒng)無需事先輸入軌跡程序，具有簡單可靠、成本低廉、操作簡單的特點(diǎn)，且能夠適應(yīng)任意焊接軌跡時進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)控制和跟蹤問題，更大地提高了焊接煙塵凈化裝置的靈活性。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為所述引導(dǎo)針的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為控制裝置工作原理框圖。圖4為進(jìn)風(fēng)口空間位移改變量的確定方法示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。如圖I和2所示，一種控制焊接煙塵進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)和空間位移的裝置，包括固定有進(jìn)風(fēng)口 8及其級聯(lián)管道的機(jī)械手，所述機(jī)械手上設(shè)置有導(dǎo)引頭I和控制裝置6，所述導(dǎo)引頭I分別與面罩9及控制裝置6連接。所述機(jī)械手由機(jī)械小臂2、機(jī)械中臂3、機(jī)械大臂4、主旋轉(zhuǎn)電機(jī)5和行走小車7五個關(guān)節(jié)構(gòu)成，所述機(jī)械小臂2、機(jī)械中臂3和機(jī)械大臂4依次連接，機(jī)械大臂4設(shè)置在主旋轉(zhuǎn)電機(jī)5上，主旋轉(zhuǎn)電機(jī)5設(shè)置在行走小車7上，所述機(jī)械小臂2上設(shè)置有第一角度傳感器10。所述導(dǎo)引頭I包括球形突出部1-5、圓臺1-3、活塞1-4、活塞導(dǎo)桿1_6、上彈簧1_8、下彈簧1-7、第二角度傳感器1-1和活塞位移傳感器1-2，所述球型突出部1-5與機(jī)械小臂2的端部通過球鉸結(jié)構(gòu)連接，其頂端設(shè)置有凹槽，活塞1-4通過圓臺1-4被封閉在凹槽內(nèi)，可在凹槽內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，所述凹槽底端與球型突出部1-5底端之間開有貫通孔，所述活塞導(dǎo)桿1-6設(shè)置在貫通孔內(nèi)，一端與活塞1-4底面固定連接，另一端與面罩9通過球鉸連接，所述活塞1-4的上表面設(shè)置有穿過圓 臺1-3的導(dǎo)針，所述第二角度傳感器1-1與活塞位移傳感器1-2設(shè)置在圓臺1-3上，所述活塞位移傳感器1-2通過測量導(dǎo)針的移動距離達(dá)到測量活塞導(dǎo)桿1-6移動距離的目的，所述活塞1-4與圓臺1-3及凹槽底面之間分別設(shè)置有上彈簧1-8、下彈簧1-7。穩(wěn)定狀態(tài)時，面罩9的自重和焊工的手持力在豎直方向的分量，將與上彈簧1-7、下彈簧1-8的作用力相平衡，且近似處于垂直線上；但面罩9的任何水平位移的改變，均會引起角度傳感器1-1輸出的改變，設(shè)其某一時刻的輸出量為(α，β，Y);當(dāng)焊工將面罩9向上或向下移動時，均會打破彈簧的受力平衡狀態(tài)，從而引起活塞位移傳感器1-2的輸出改變，設(shè)其某一時刻的輸出量為L，當(dāng)焊工手持面罩9向上用力時，活塞導(dǎo)桿1-6推動活塞1-4，使其相對圓臺1-3沿著軸向向上運(yùn)動，活塞位移傳感器1-2輸出隨之改變；當(dāng)焊工手持面罩9向下用力時，活塞導(dǎo)桿1-6拉動活塞1-4，使其相對圓臺1-3沿著軸向向下運(yùn)動，活塞位移傳感器1-2輸出隨之改變。如圖3所示，當(dāng)面罩9的空間位移發(fā)生改變時，會引起導(dǎo)引頭I中的第二角度傳感器1-1、活塞位移傳感器1-2的輸出發(fā)生改變；在系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中，也會引起機(jī)械小臂2上的第一角度傳感器10輸出改變，因此控制系統(tǒng)根據(jù)第二角度傳感器1-1、活塞位移傳感器1-2的輸出量、第一角度傳感器10輸出量,控制機(jī)械小臂2、機(jī)械中臂3、機(jī)械大臂4、主旋轉(zhuǎn)電機(jī)5、行走小車7的驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，及時改變進(jìn)風(fēng)口 8姿態(tài)和空間位移，從而保證進(jìn)風(fēng)口 8始終保持最佳的吸氣狀態(tài)。更進(jìn)一步地，為了控制進(jìn)風(fēng)口 8空間姿態(tài)和位移，首先根據(jù)導(dǎo)引頭I上的第二角度傳感器1-1和活塞位移傳感器1-2的實(shí)時輸出，計算導(dǎo)引頭I的空間位移改變量，然后調(diào)整機(jī)械小臂2上第一角度傳感器10輸出量，具體原理詳述如下如圖4所示，由于活塞導(dǎo)桿1-6與面罩9球鉸連接，以此球鉸的中心O建立一個坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系隨著面罩9的移動而移動，可知導(dǎo)引頭I相對于面罩9的任意空間角度和位移都是唯一的；設(shè)定第二角度傳感器1-1的實(shí)時和目標(biāo)輸出分別為(α , β, Y )>(Cttl, β 0, Y J、活塞位移傳感器1-2的實(shí)時和目標(biāo)輸出分別為ULtl,設(shè)定活塞導(dǎo)桿1-6的長度為Lm,設(shè)定機(jī)械小臂2上的第一角度傳感器10目標(biāo)輸出為(αη, β η, γη)。為了使導(dǎo)引頭I的姿態(tài)和位移維持設(shè)定的目標(biāo)值，導(dǎo)引頭I在x、y、ζ軸上的位移改變量分別為Lx = (Lm + L1) X cos a0 - (L1 + L)x cos a
^ Ly - (4 + LJx cos β、-(Lm + L·) X cos β
Lz = (Lm +Z0) X cos γ0 - (Lm + L)x cos γ⑴但是當(dāng)導(dǎo)引頭I上的第二角度傳感器1-1和活塞位移傳感器1-2的輸出滿足其目標(biāo)要求時，機(jī)械小臂2上的第一角度傳感器10的輸出不一定能保持設(shè)定值，因此導(dǎo)引頭I按照公式I的計算結(jié)果在x、y、z軸上的位移做了相應(yīng)改變之后，繼續(xù)調(diào)整控制機(jī)械小臂2、機(jī)械中臂3、機(jī)械大臂4、主旋轉(zhuǎn)電機(jī)5及行走小車7的驅(qū)動電機(jī)，使第一角度傳感器10的輸出趨近于(αη，βη, Yη)，即可實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)口 8的空間姿態(tài)和位移的控制。上述裝置具體的控制方法為首先，控制裝置6對第二角度傳感器1-1和活塞位移傳感器1-2的輸出進(jìn)行采樣，并根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)值，確定導(dǎo)引頭I的在x、y、z軸上的位移改變量；然后，控制裝置6控制各機(jī)械手關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機(jī)用于移動引導(dǎo)頭，使第二角度傳感器1-1和活塞位移傳感器1-2的輸出達(dá)到目標(biāo)值；最后，控制裝置6繼續(xù)調(diào)整各機(jī)械手關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機(jī)，使機(jī)械小臂2上的第一角度傳感器10輸出趨近于其目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)口 8的空間姿態(tài)和位移的控制。

如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種控制焊接煙塵進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)和空間位移的裝置，包括固定有進(jìn)風(fēng)口及其級聯(lián)管道的機(jī)械手，其特征在于，所述機(jī)械手上設(shè)置有導(dǎo)引頭和控制裝置，所述導(dǎo)引頭分別與面罩及控制裝置連接，當(dāng)面罩移動時，引起導(dǎo)引頭的空間角度和位移發(fā)生變化，根據(jù)這些變化量，控制裝置調(diào)整進(jìn)風(fēng)口的空間角度和位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的控制焊接煙塵進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)和空間位移的裝置，其特征在于，所述機(jī)械手由機(jī)械小臂、機(jī)械中臂、機(jī)械大臂、主旋轉(zhuǎn)電機(jī)和行走小車五個關(guān)節(jié)構(gòu)成，所述機(jī)械小臂、機(jī)械中臂和機(jī)械大臂依次連接，機(jī)械大臂設(shè)置在主旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，主旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)置在行走小車上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制焊接煙塵進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)和空間位移的裝置，其特征在于，所述機(jī)械小臂上設(shè)置有第一角度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制焊接煙塵進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)和空間位移的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)引頭包括球形突出部、圓臺、活塞、活塞導(dǎo)桿、第二角度傳感器和活塞位移傳感器，所述球型突出部與機(jī)械小臂的端部通過球鉸結(jié)構(gòu)連接，其頂端設(shè)置有凹槽，活塞通過圓臺固定在凹槽內(nèi)，可在其內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，所述凹槽底端與球型突出部底端之間開有貫通孔，所述活塞導(dǎo)桿設(shè)置在貫通孔內(nèi)，一端與活塞底面固定連接，另一端與面罩通過球鉸連接，所述活塞的上表面設(shè)置有穿過圓臺的導(dǎo)針，所述第二角度傳感器與活塞位移傳感器設(shè)置在圓臺上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制焊接煙塵進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)和空間位移的裝置，其特征在于，所述活塞與圓臺及凹槽底面之間分別設(shè)置有上彈簧、下彈簧。
6.一種權(quán)利要求5所述的裝置的控制方法，其特征在于，包括如下步驟 首先，控制裝置對第二角度傳感器和活塞位移傳感器的輸出進(jìn)行采樣，并根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)值，確定導(dǎo)引頭在x、y、z軸上的位移改變量； 然后，控制裝置控制各機(jī)械手關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機(jī)用于移動導(dǎo)引頭，使第二角度傳感器和活塞位移傳感器的輸出達(dá)到目標(biāo)值； 最后，控制裝置繼續(xù)調(diào)整各機(jī)械手關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機(jī)，使機(jī)械小臂上的第一角度傳感器輸出趨近于其目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)口的空間姿態(tài)和位移的控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制焊接煙塵進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)和空間位移的裝置及方法，該裝置包括固定有進(jìn)風(fēng)口及其級聯(lián)管道的機(jī)械手，所述機(jī)械手上設(shè)置有導(dǎo)引頭和控制裝置，所述導(dǎo)引頭分別與面罩及控制裝置連接，當(dāng)面罩移動時，引起導(dǎo)引頭的空間角度和位移發(fā)生變化，根據(jù)這些變化量，控制裝置調(diào)整進(jìn)風(fēng)口的空間角度和位移；本發(fā)明采用具有空間角度傳感和位移傳感的導(dǎo)引頭，控制系統(tǒng)無需事先輸入軌跡程序，具有原理可靠、成本低廉、操作簡單的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)任意焊接軌跡時進(jìn)風(fēng)口姿態(tài)控制和跟蹤問題，大大提高了焊接煙塵凈化裝置的靈活性和效率。
文檔編號B25J13/00GK102873678SQ201210361430
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者陳書錦, 賴忠民, 戚順順, 朱文琪, 盧阿麗 申請人:江蘇科技大學(xué)