Способ сварки, наплавки или резки с использованием роботизированного манипулятора
METHOD FOR WELDING, SURFACING OR CUTTING USING A ROBOTIC ARM

Изобретение относится к способам автоматической стабилизации производственных процессов с использованием электрической дуги, а именно - к области управления, диагностики, контроля и локализации процессов при известных науке и технике видов сварки, наплавки или резки с использованием электрической дуги на автоматизированных (роботизированных) производствах. Может применяться при плазменной резке, а также в микросварке. Характеризуется повышенной точностью и качеством сварки или резки по сравнению с известными из исследованного уровня техники техническими решениями.
Далее в тексте заявителем приведены термины, необходимые для облегчения однозначного понимания сущности заявленного технического решения и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.
Электрическая дуга - (вольтова дуга), электрический разряд в газе в виде яркосветящегося плазменного шнура. Применяется для плавки и сварки металлов, для освещения и других целей [2009. Большой российский энциклопедический словарь. ISBN 978-5-85270-332-3, с. 1887].
Диагностика электрической дуги - в контексте настоящего описания заявитель понимает под данным термином процесс контроля параметров электрической дуги, определения координат контактного наконечника роботизированного манипулятора и обнаружение случайных объектов перед траекторией движения контактного наконечника роботизированного манипулятора.
При использовании способов обработки металлов с применением роботизированного оборудования возможно выполнение большого спектра разнообразных работ на производстве. Неотъемлемой частью функционирования роботизированных устройств является контроль исполнения заданных параметров, а также диагностика внешних условий работы. В роботизированных манипуляторах, использующихся в сварке, наплавке или резке различных изделий, стоит задача контроля электрической дуги и диагностики выполнения автоматизированного процесса.
В заявленном техническом решении использовано известное как таковое явление излучения звуковых колебаний нагретой плазмой [Daniel Severinsen, Gourab Sen Gupta. 2013. Design and Evaluation of Electronic Circuit for Plasma Speaker. ISBN: 978-988-19252-8-2 с.6]. Данное явление позволяет получить источник с широкой полосой воспроизведения акустических колебаний - от самых низких (инфразвук) до 100 кгц (ультразвук). В области звуковых частот он имеет очень ровную частотную характеристику и вследствие этого высококачественное воспроизведение. Возможность детектирования ультразвуковых колебаний акустоэлектрическими преобразователями (датчиками) используется в заявленном техническом решении для построения автоматизированной системы с замкнутой обратной связью. В рамках настоящего изобретения предложенный способ не исключает совместного использования других датчиков диагностики электрической дуги и позиционирования роботизированного манипулятора, что только улучшает показатели качества сделанных изделий.
Из исследованного заявителем уровня техники выявлено изобретение по патенту JP 2009072818 «Способ управления сварочной дугой». Сущностью изобретения является способ управления сварочной дугой, отличающийся тем, что внешняя характеристика для управления сварочной дугой изменяется в форме импульса с помощью команды извне, а выходной ток изменяется в соответствии с изменяющимся напряжением дуги.
Недостатками известного изобретения являются:
- не подходит для процесса непрерывной дуговой сварки с использованием небольшого тока вследствие нарушения пропорциональной зависимости между длиной дуги и напряжением;
- возможны погрешности при измерении длины сварочной дуги вследствие падения напряжения. Дуга имеет три осевые зоны по оси дуги: катодная область на электроде, плазма и анодная область на заготовке. Каждая из трех зон вносит свой вклад в общее напряжение дуги. Падение напряжения в плазме происходит из-за электрического сопротивления столба дуги, но происхождение падений напряжения на катоде и аноде более сложное. Известно, что эти падения напряжения увеличиваются с тепловыми потерями на катоде и аноде в виде уходящих электронов, теплопроводностью держателя электрода и удерживающим устройствам для заготовки, газовой проводимостью в среде защитного газа, а также конвекции, излучению и испарению анодного материала.
Известно изобретение по патенту RU 2672654 «Способ и система для определения по меньшей мере одного свойства манипулятора». Сущностью является способ определения податливости манипулятора, связанной с выбранной осью манипулятора, который выполнен с возможностью действовать под управлением контроллера и содержит по меньшей мере одну ось, содержащую сочленение и звено, соединенное с упомянутым сочленением, причем сочленение выполнено с возможностью приведения в действие через трансмиссию вращательным моментом от привода, при этом способ содержит этапы, на которых: зажимают подвижную часть манипулятора в точке в пространстве путем управления манипулятором, в результате чего манипулятор приобретает зажатую кинематическую конфигурацию; выбирают набор сочленений идентификации, содержащий по меньшей мере одно сочленение манипулятора, причем по меньшей мере одно сочленение из набора сочленений идентификации выполнено с возможностью управления упомянутой выбранной осью, податливость, связанная с которой, подлежит определению, и с возможностью ее отслеживания; выбирают набор сочленений возбуждения, содержащий по меньшей мере одно сочленение манипулятора, которое, для зажатой кинематической конфигурации манипулятора, выполнено с возможностью возбуждения по меньшей мере одной связи выбранной оси, соединенной с по меньшей мере одним сочленением из набора сочленений идентификации; выбирают набор сочленений зажимной конфигурации манипулятора, причем по меньшей мере одно сочленение из набора сочленений зажимной конфигурации не входит в набор сочленений идентификации и набор сочленений возбуждения; приводят в действие упомянутый набор сочленений возбуждения, в результате чего упомянутая выбранная ось возбуждается, при управлении набором сочленений зажимной конфигурации так, что поддерживается зажатая кинематическая конфигурация; отслеживают одну или более величин, связанных с крутящим моментом сочленения и позицией сочленения, полученными из крутящего момента привода и позиции привода, для по меньшей мере одного сочленения в наборе сочленений идентификации и/или наборе сочленений возбуждения; и определяют податливость упомянутой выбранной оси на основании одной или более отслеживаемых величин.
Недостатками известного изобретения являются:
- невозможность обнаружения случайных объектов, лежащих на пути следования руки манипулятора,
- для следящей системы необходим прямой контакт наблюдения за рукой манипулятора, что усложняет контроль обработки заготовки в производствах сложных конструкций;
- сложная система наведения, необходима дополнительная система слежения и наведения.
Известно изобретение по патенту CN 111462154 A «Способ и устройство позиционирования цели на основе датчика глубины и автоматического захватного робота». Сущностью является разновидность метода локализации цели, основанного на датчике глубины обзора, отличается тем, что включает следующие этапы: используется датчик глубины зрения, чтобы получить изображение сцены пространства, в котором находится целевой объект; экранируется значение глубины каждой точки пикселя изображения RGB с информацией о глубине, собранной датчиком видения глубины, и выбирается точка пикселя, значение глубины которой находится в пределах эффективной области глубины распознавания, чтобы сформировать изображение, сегментированное по глубине; заполняется шкала серого, фильтрация изображения и пороговая сегментация на сегментированном по глубине изображении RGB, чтобы получить идеальное изображение с информацией о глубине для каждого пикселя; благодаря усовершенствованному методу сопоставления с шаблоном, основанному на характеристике момента контура Hu, целевой шаблон, который необходимо захватить, сопоставляется с полученным идеальным изображением, определяется местоположение цели на изображении и двухмерные координаты цели на изображении, получение системы координат. Комбинируя значение глубины каждого пикселя цели с извлеченными двумерными координатами в системе координат изображения, пространственные координаты цели вычисляются с использованием отношения преобразования между системой координат изображения и мировой системой координат.
Недостатками известного изобретения являются:
- невысокая скорость работы манипулятора из-за большого объема поступающей информации;
- высокие погрешности в использовании сварочных роботизированных манипуляторов из-за дополнительного яркого источника света от дуги.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по способу контроля сварочной дуги, выбранному заявителем в качестве прототипа, является изобретение по патенту RU 2760143 «Способ регулирования сварочной дуги в процессе автоматизированной сварки или наплавки с использованием сварочного манипулятора». Сущностью прототипа является способ регулирования сварочной дуги в процессе автоматизированной сварки или наплавки с использованием сварочного манипулятора, заключающийся в том, что центральное процессорное устройство подключают к источнику электропитания, загружают в центральное процессорное устройство параметры опорного напряжения с внешнего носителя информации, а также описание траектории движения сварочного манипулятора, при этом параметры опорного напряжения получают заранее с акустоэлектрического преобразователя при проведении сварочных работ в зависимости от толщины и типа металла, сварочный источник питания подключают к источнику электропитания, подают несущий сигнал со сварочного источника питания, характеризующий напряжение, в модулятор для его преобразования в модулированный сигнал, при этом подают модулирующий сигнал с внешнего генератора на модулятор, который изменяет параметры в виде амплитуды, частоты и фазы несущего сигнала со сварочного источника питания с преобразованием спектра модулирующего сигнала и его переноса в область частот несущего сигнала со сварочного источника питания для создания детектируемых акустических колебаний, далее модулированный сигнал подают на электрод сварочного аппарата для создания сварочной дуги, при этом сварочная дуга, питаемая модулированным сигналом, создает акустические колебания из-за наличия разряжений в воздухе, акустоэлектрический преобразователь принимает дошедшие акустические колебания сварочной дуги и преобразует энергию акустических колебаний в электрический сигнал, который поступает в центральное процессорное устройство, управляющее движением руки сварочного манипулятора и питанием сварочного источника питания, при этом центральное процессорное устройство сравнивает полученное напряжение от акустоэлектрического преобразователя с опорным напряжением и, если напряжение с акустоэлектрического преобразователя ниже опорного напряжения, центральное процессорное устройство увеличивает расстояние между сварочным электродом и свариваемой поверхностью, если напряжение с акустоэлектрического преобразователя выше опорного напряжения, центральное процессорное устройство уменьшает расстояние между сварочным электродом и свариваемой поверхностью, если сигнал с акустоэлектрического преобразователя не был получен или был искажен, центральное процессорное устройство оповещает об этом оператора и прекращает работу всех устройств, на основании результата сравнения напряжений центральное процессорное устройство управляет движением манипулятора и вращением шаговых двигателей через драйвер шаговых двигателей, при этом оно регулирует подачу питания в драйвер шагового двигателя для получения необходимой длины сварочной дуги в зависимости от толщины и вида свариваемого металла, а драйвер шаговых двигателей регулирует подачу питания на шаговые двигатели, меняя угол поворота шаговых двигателей в составе сварочного манипулятора, который изменяет расстояние между сварочным электродом и свариваемой поверхностью, регулируя длину сварочной дуги.
Недостатками прототипа являются:
1 - невозможность обнаружения случайных объектов, лежащих на пути следования руки манипулятора вследствие того, что используется непрерывная амплитудная модуляция, что не позволяет использовать отражение ультразвуковых колебаний от препятствий;
2 - наличие погрешности во время сварки или резки вследствие отсутствия определения координат сварочной дуги, что может привести к отклонениям от заданной траектории движения руки манипулятора;
Техническим результатом заявленного технического решения является разработка способа диагностики электрической дуги в процессе сварки, наплавки или резки с использованием роботизированного оборудования, позволяющего обеспечить:
1 - возможность обнаружения случайных объектов, лежащих на пути следования руки манипулятора, вследствие использования отражения ультразвуковых колебаний от поверхности;
2 - уменьшение погрешностей во время сварки или резки путем локализации - определения и контроля координат электрической дуги и, вследствие этого, контроля обнаружения отклонений руки манипулятора от заданной траектории движения.
Сущностью заявленного изобретения является способ сварки, наплавки или резки с использованием роботизированного манипулятора, включающий выполнение манипулятором заданной программы обработки заготовки, которую в виде параметров электрической дуги и описания траектории движения манипулятора загружают в контроллер управления манипулятором с внешнего носителя информации, и формирование посредством контроллера сигналов управления, которые через драйверы подают на шаговые двигатели манипулятора, создание на контактном наконечнике манипулятора электрической дуги посредством подачи на него модулированного сигнала, который формируют в модуляторе из сигнала от источника питания дуги путем подачи на модулятор группы импульсов от упомянутого контроллера, с возможностью изменения параметров сигнала в виде амплитуды, частоты или фазы сигнала, при этом проводят диагностику электрической дуги посредством приема первых дошедших акустических колебаний, создаваемых электрической дугой, с помощью датчиков первого канала обратной связи, расположенных на рукояти роботизированного манипулятора вблизи контактного наконечника, которые в виде информационно-электрических сигналов через последовательно соединенные усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) подают в упомянутый контроллер, причем, если амплитуда упомянутых сигналов превышает пороговый уровень, который определяют заранее с помощью датчиков первого канала обратной связи при проведении эталонных работ под руководством оператора или расчетным методом с учетом выбора длины электрической дуги в зависимости от типа и толщины металла, с помощью упомянутого контроллера формируют команду на уменьшение расстояния между контактным наконечником и заготовкой, если амплитуда упомянутых сигналов ниже указанного порогового уровня, с помощью упомянутого контроллера формируют команду на увеличение расстояния между контактным наконечником и заготовкой, а если упомянутые сигналы отсутствуют после упомянутой подачи группы импульсов, то с помощью упомянутого контроллера формируют команду на проведение диагностики сварочной системы и соответствующим образом информируют оператора, при этом проводят измерение температуры окружающей среды с помощью температурного датчика для точной калибровки скорости звука и учета этого при приеме упомянутых акустических колебаний, характеризующийся тем, что используют датчики второго канала обратной связи, которые располагают на рукояти роботизированного манипулятора, и датчики третьего канала обратной связи, которые располагают на стационарных позициях в рабочей зоне манипулятора, при этом на основании принятых датчиками второго канала обратной связи акустических колебаний, осуществляют анализ пространства, окружающего рукоять роботизированного манипулятора, и определяют расстояние до обнаруженных препятствий посредством определения в упомянутом контроллере количества отсчетов таймеров для каждого датчика второго канала обратной связи, начинающихся с подачи группы импульсов с контроллера на модулятор и оканчивающихся появлением сигнала высокого уровня на выходе соответствующего компаратора, на вход которого через усилители подают от каждого из датчиков второго канала обратной связи информационно-электрические сигналы, преобразованные из акустических колебаний, причем на основании принятых датчиками третьего канала обратной связи акустических колебаний с учетом значения скорости распространения скорости звука в воздушной среде осуществляют вычисление расстояния от соответствующего датчика до электрической дуги посредством определения в упомянутом контроллере количества отсчетов таймеров для каждого датчика третьего канала обратной связи, начинающихся с подачи группы импульсов с контроллера на модулятор и оканчивающихся появлением сигнала высокого уровня на выходе соответствующего компаратора, на вход которого через усилители подают от каждого из датчиков третьего канала обратной связи информационно-электрические сигналы, преобразованные из акустических колебаний, при этом на основании вычисленных расстояний осуществляют контроль всей траектории движения роботизированного манипулятора с выявлением отклонений от заданного пути.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг. 1 - Фиг. 2.
На Фиг. 1 представлена функциональная схема использованного роботизированного оборудования (далее - устройства) в целом. Расположение акустоэлектрических преобразователей на схеме указывает их возможное расположение в действующем образце.
На Фиг. 2 представлена структурная блок-схема использованного роботизированного оборудования, на которой показан алгоритм работы измерения и контроля электрической дуги. Функциональные блоки соединены стрелками, которые указывают направление потока данных или потока управления, необходимого для выполнения заявленной последовательности действий.
Позиции на фигурах обозначают:
1 - роботизированный манипулятор;
2 - контроллер управления (далее - контроллер);
3 - рукоять роботизированного манипулятора;
4 - температурный датчик;
5 - источник питания электрической дуги;
6 - модулятор;
7 - контактный наконечник (сопло);
8 - датчики (акустоэлектрические преобразователи) первого канала обратной связи;
9 - усилители датчиков 8;
10 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
11 - датчики (акустоэлектрические преобразователи) второго канала обратной связи;
12 - усилители датчиков 11;
13 - компараторы датчиков 11;
14 - датчики (акустоэлектрические преобразователи) третьего канала обратной связи;
15 - усилители датчиков 14;
16 - компараторы датчиков 14;
17 - драйверы шаговых двигателей;
18 - шаговые двигатели;
19 - электрическая дуга.
Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.
Заявленный способ осуществлен с помощью роботизированного оборудования - устройства, функциональная схема которого в целом приведена на Фиг. 1, а структурная блок-схема - на Фиг. 2.
В состав устройства входят - роботизированный манипулятор (1); контроллер управления (2); рукоять роботизированного манипулятора (3); температурный датчик (4); источник питания электрической дуги (5); модулятор (6); контактный наконечник (7); датчики (акустоэлектрические преобразователи) первого канала обратной связи (8), при этом количество датчиков зависит от технических требований к качеству сварки, например, от одного до трех; усилители датчиков 8 (9); аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (10); датчики (акустоэлектрические преобразователи) второго канала обратной связи (11), при этом количество датчиков зависит от технических требований к качеству сварки, например, от четырех до восьми; усилители датчиков 11 (12); компараторы датчиков 11 (13); датчики (акустоэлектрические преобразователи) третьего канала обратной связи (14), при этом количество датчиков зависит от технических требований к качеству сварки, например, от трех до шести; усилители датчиков 14 (15); компараторы датчиков 14 (16); драйверы шаговых двигателей (17); шаговые двигатели (18), при этом количество шаговых двигателей зависит от модели используемого манипулятора.
При этом элементы устройства связаны между собой следующим образом: модулятор (6) встроен в источник питания электрической дуги (5) или установлен на выходе источника; вывод, задающий группу модулирующих импульсов с контроллера управления (2), подключен к модулятору (6), вывод источника питания электрической дуги (5) или модулятора (6) подключен к контактному наконечнику (7) и заготовке, выводы датчиков (акустоэлектрических преобразователей) (8) подключены к усилителям (9), усилители (9) подключены к АЦП (10) для преобразования аналоговых сигналов; выводы датчиков (акустоэлектрических преобразователей) (11) подключены к усилителям (12), усилители (12) подключены к компараторам (13), выводы датчиков (акустоэлектрических преобразователей) (14) подключены к усилителям (15), усилители (15) подключены к компараторам (16), выводы компараторов (13) и (16) и температурного датчика (4) подключены к контроллеру управления (2); выводы контроллера управления (2) подключены к входу драйверов шаговых двигателей (17) для управления подачей питающего напряжения в шаговые двигатели (18), выводы шаговых двигателей подключены к разъемам питания шаговых двигателей.
Заявленный способ осуществляется в целом следующим образом:
Шаг 1: Устанавливают роботизированный манипулятор (1) к месту проведения работ и подготавливают обрабатываемую поверхность. Контроллер управления (2), соединенный с роботизированным манипулятором (1), подключают к источнику электропитания, например - в электрическую сеть напряжением 220 В, с частотой 50-60 Гц. Контроллер (2) управляет работой роботизированного манипулятора (1), на котором закреплена рукоять роботизированного манипулятора (3), а также обрабатывает сигналы обратной связи и выполняет заданную программу.
Шаг 2: Загружают параметры работы электрической дуги (19) и описание траектории движения роботизированного манипулятора (1) в контроллер (2) с внешнего носителя информации. При этом параметры пороговых уровней сигналов датчиков (акустоэлектрических преобразователей) получают заранее с датчиков (акустоэлектрических преобразователей) первого канала обратной связи (8) при проведении эталонных работ под руководством оператора или расчетным методом (длину электрической дуги выбирают в зависимости от типа и толщины металла). Для диагностики электрической дуги (19) используют свойство, что напряжение с датчиков увеличивается с увеличением длины дуги, а также известное из уровня техники свойство отражения ультразвуковых колебаний от препятствий. Также вычисляют координаты электрической дуги (19) по времени распространения ультразвуковых колебаний, что необходимо для отслеживания траектории движения рукояти роботизированного манипулятора (3). Измеряют температуру окружающей среды с помощью температурного датчика (4) для точной калибровки скорости звука.
Шаг 3: Источник питания электрической дуги (5) подключают к источнику электропитания, например - в электрическую сеть напряжением 220 В, с частотой 50-60 Гц. В зависимости от типа решаемой задачи используется источник питания или электродуговой сварки (с аббревиатурой MIG/MAG, TIG и т.д.), или плазменной резки.
Шаг 4: Контроллер (2) подает группу модулирующих импульсов на модулятор (6). При этом возможны варианты исполнения модулятора (6): например, модулятор (6) встроен в первичный каскад источника питания электрической дуги (5), или модулятор (6) встроен в конечный каскад источника питания электрической дуги (5), что не влияет на достижение заявленного технического результата. Модулирующий сигнал через модулятор (6) изменяет параметры сигнала с источника питания электрической дуги (19), такие как амплитуда, частота или фаза сигнала. В заявленном способе используют полосу частот модуляции в зависимости от конструкции источника питания электрической дуги (5), для излучения инфразвуковых, звуковых и ультразвуковых колебаний электрической дугой, питаемой импульсным, переменным или постоянным напряжением. Для модуляции постоянного источника питания используют наложение переменной составляющей на постоянную, известную из уровня техники. Таким образом, происходит преобразование спектра модулирующего сигнала, его перенос в область частот сигнала с источника питания электрической дуги (5) или наложение модулирующего сигнала на несущий сигнал для создания детектируемых акустических колебаний в воздухе.
Шаг 5: Далее модулированный сигнал подают на контактный наконечник (7) для создания электрической дуги (19). Электрическая дуга (19), питаемая модулированным сигналом, создает колебания из-за наличия разряжений в воздухе, вследствие высоких температур от электрической дуги (19).
Шаг 6: Создаваемые акустические волны обладают механической энергией, достаточной для их неискаженного приема в воздушной среде. Использование ультразвуковых колебаний позволяет уменьшить влияние шумов, накладываемых при распространении в воздушной среде. Датчики принимают дошедшие акустические колебания от электрической дуги (19) и преобразуют энергию акустических колебаний в информационно-электрический сигнал. При этом модуляция несущего сигнала производится на частоте, наиболее подходящей к параметрам работы датчиков.
Шаг 7: Датчики первого канала обратной связи (8), расположенные на рукояти роботизированного манипулятора (3) вблизи контактного наконечника (7), принимают первые дошедшие акустические колебания. Информационно-электрические сигналы, полученные после преобразования, поступают в усилители датчиков первого канала обратной связи (9). Далее из усилителей датчиков первого канала обратной связи (9) сигналы поступают на вход АЦП (10) для преобразования в информационно-цифровые сигналы. Для более детального анализа электрической дуги (19) производится оцифровка аналоговых сигналов с целью сравнения с записью сигналов, полученных при проведении эталонных работ под руководством оператора. Контроллер (2) обрабатывает информацию с выхода АЦП (10) и проводит диагностику электрической дуги (19), при этом:
п
и
- если амплитуда акустических колебаний превышает пороговый уровень U<U, контроллер (2) уменьшает расстояние между контактным наконечником (7) (соплом) и заготовкой;
п
и
- если амплитуда акустических колебаний ниже порогового уровня U>U, контроллер (2) увеличивает расстояние между соплом и заготовкой;
- если сигналы отсутствуют после подачи группы модулирующих импульсов, то контроллер (2) проводит диагностику системы и информирует оператора.
п
и
При этом U - пороговое напряжение, U- измеренное напряжение.
Таким образом, контроллер (2) управления проводит диагностику электрической дуги (19) и контролирует движение рукояти роботизированного манипулятора (3) для наиболее подходящего режима работы.
Шаг 8: Датчики второго канала обратной связи (11), расположенные на рукояти роботизированного манипулятора (3), принимают отраженные от препятствий акустические колебания. При этом во время подачи группы модулирующих импульсов с контроллера (2) на модулятор (6), в контроллере (2) начинают отсчеты таймеры датчиков со второго канала обратной связи (11). Датчики (11), размещенные на перпендикулярных прямых, направлены в четыре разные стороны для обеспечения кругового обзора. В случае возникновения препятствия на пути движения рукояти роботизированного манипулятора (3) ультразвуковые колебания, испускаемые электрической дугой (19), отражаются от поверхности объектов и принимаются датчиками второго канала обратной связи (11).
При этом формула для расчета расстояния до препятствия выглядит следующим образом:
зв
где R - расстояние до препятствия, V-скорость ультразвуковых колебаний в воздушной среде, t - время распространения волны от датчика (11) до объекта и обратно. Время рассчитывается по количеству отсчетов на таймере.
Для различия объектов, находящихся рядом на одинаковом радиусе от источника, применяют, например, сдвоенные или узконаправленные ультразвуковые датчики (11). Акустические колебания преобразовываются в информационно-электрические сигналы и поступают на вход усилителей (12) для каждого датчика (11). С выходов усилителей (12) сигналы поступают на компараторы (13) для уменьшения влияния срабатывания от сторонних шумов. В случае высокого уровня на выходе компаратора, его таймер в контроллере управления (2) прекращает отсчет. По количеству отсчетов контроллер управления (2) анализирует пространство, окружающее рукоять роботизированного манипулятора (3), и расстояние до возможных препятствий.
Шаг 9: Датчики третьего канала обратной связи (14), находящиеся на стационарных позициях в радиусе действия ультразвуковых колебаний, принимают дошедшие акустические колебания. При этом во время подачи группы модулирующих импульсов с контроллера (2) на модулятор (6), в контроллере (2) начинают отсчеты таймеры, прерывания которых зависят от датчиков (14) с третьего канала обратной связи. Принятые акустические колебания преобразовываются в информационно-электрические сигналы и поступают на вход усилителей (15). С выходов усилителей (15) сигналы поступают на компараторы (16) для уменьшения влияния срабатывания от сторонних шумов (отражений ультразвуковых волн). В случае высокого уровня сигнала на выходе одного из компараторов (16) его таймер в контроллере управления прекращает отсчет. По количеству отсчетов и определенной скорости распространения звука в воздушной среде контроллер (2) анализирует наименьшее расстояние от источника излучения ультразвуковых колебаний (электрической дуги (19)) до датчиков (14). Контроллер (2), используя значение скорости распространения скорости звука в воздушной среде, вычисляет расстояние от источника звука - электрической дуги (19) до датчика (14).
К примеру, введем следующие обозначения:
I={x; y; z} - координаты электрической дуги (источника звука (ИЗ));
i=
i
i;
i
M{x; yz} - координаты одного из датчиков, где i=1...n.
Расстояние от источника звука до i-го датчика можно найти по формуле:
i
i=
i
зв
Время, прошедшее от начала подачи импульса в модулятор (6) до прихода акустического колебания до i-го датчика (14) - t, при этом расстояние вычисляется по формуле Rt*V.
Следовательно, должно выполняться соотношение:
Таким образом, зная время распространения акустической волны до датчиков и их координаты, можно получить систему уравнений:
1
1
1
1
зв
2+
2+
2=
2
(x-x)(y+y)(z-z)(t*V)
2
2
2
2
зв
2+
2+
2=
2
(x-x)(y-y)(z-z)(t*V)
i
i
i
i
зв
2+
2+
2=
2
(x-x)(y-y)(z-z)(t*V)
Решая данную систему уравнений известным численным или итерационным методом в зависимости от производительности контроллера и погрешностей датчиков (14), можно вычислить координаты источника звука x, y, z (координаты электрической дуги (19)).
Контроллер (2) вычисляет местоположение электрической дуги (19) и задает начальное положение. Скорость движения рукояти роботизированного манипулятора (3) позволяет пренебречь эффектом Доплера. Последующие акустические колебания от следующих групп модулирующих колебаний задают конечные положения источника акустических колебаний (электрической дуги) (19). Таким образом, получая координаты положения рукояти роботизированного манипулятора (3) (x, y, z), контроллер (2) строит траекторию перемещения электрической дуги (19). Анализируя траекторию, контроллер (2) выявляет случайные отклонения от заданного пути.
Шаг 10: Контроллер (2) и датчики (8), (11), (14) образуют замкнутую систему с обратной связью. Обрабатывая входные данные от датчиков (8), (11), (14), контроллер (2) посылает новые группы модулирующих сигналов на модулятор (6) и подает сигналы управления в драйверы шаговых двигателей (17).
Шаг 11: Драйверы шаговых двигателей (17) регулируют подачу питания на шаговые двигатели (18) в составе роботизированного манипулятора (1). Тем самым драйверы шаговых двигателей (17) регулируют угол поворота шаговых двигателей (18), соединенных между собой, например, ременной или цепной передачей.
Заявленный способ диагностики электрической дуги в процессе сварки, наплавки или резки с использованием роботизированного оборудования иллюстрируется следующим примером, который не ограничивает область его применения.
Диагностика электрической дуги проведена на описанном выше устройстве.
В качестве контроллера управления использовали одноплатный компьютер, например, Raspberry Pi 4 Model B.
В качестве АЦП использовали внутренний АЦП одноплатного компьютера.
В качестве источника питания электрической дуги использовали генератор, например, ZVS [источник первоначальной схемы Ставринидес, С.Г., Банерджи, С., Чаглар, С.Х., & Озер, М. (ред.). (2013). Хаос и сложные системы] с встроенным амплитудным модулятором.
В качестве контактного наконечника использовали сварочные электроды, например, SF 6013.
В качестве датчиков (акустоэлектрических преобразователей) использовали ультразвуковые датчики, например, MA40S4R.
В качестве усилителей для датчиков использовали микросхемы, например, LM567.
В качестве компараторов для датчиков использовали внутренние компараторы одноплатного компьютера.
В качестве драйверов шаговых двигателей использовали сервоконтроллеры, например, PCA9685.
В качестве шаговых двигателей использовали сервоприводы, например, MG996R.
В качестве температурного датчика использовали температурные датчики, например, DS18B20.
При этом элементы устройства связаны между собой следующим образом: амплитудный модулятор встроен в генератор; вывод, задающий группу модулирующих импульсов с одноплатного компьютера, подключен к амплитудному модулятору, вывод генератора подключен к сварочному электроду и заготовке, выводы ультразвуковых датчиков подключены к микросхемам, микросхемы подключены к внутреннему АЦП одноплатного компьютера для преобразования аналоговых сигналов; выводы ультразвуковых датчиков подключены к микросхемам, микросхемы подключены к внутренним компараторам одноплатного компьютера, выводы ультразвуковых датчиков подключены к микросхемам, микросхемы подключены к внутренним компараторам одноплатного компьютера, вывод температурного датчика подключен к одноплатному компьютеру; выводы одноплатного компьютера подключены к входам сервоконтроллеров для управления подачей питающего напряжения в сервоприводы, выводы сервоприводов подключены к разъемам питания сервоприводов.
Далее приведены параметры устройства, включающие параметры сварочной дуги.
1. Напряжение питания генератора 36 Вольта.
2. Частота генерируемого несущего сигнала 63 кГц.
4. Частота генерируемых ультразвуковых колебаний от 5 кГц до 60 кГц.
5. Мощность собранного источника питания электрической дуги составляет 432 Вт.
Заявленный способ осуществляли следующим образом:
1. Установили роботизированный манипулятор к месту проведения работ и подготовили заготовку, например, состыковали свариваемые поверхности. Подвели контактный наконечник к месту сварки. Установили стационарные ультразвуковые датчики и измерили их координаты. Одноплатный компьютер подключили к источнику электропитания, например - в электрическую сеть напряжением 220 В, с частотой 50-60 Гц.
2. Загрузили в одноплатный компьютер параметры порогового уровня напряжения для датчиков с внешнего носителя информации, а также описание траектории движения манипулятора, при этом параметры порогового уровня напряжения получили заранее с ультразвуковых датчиков первого канала обратной связи при проведении сварочных работ, под наблюдением оператора в зависимости от толщины и типа металла. Загрузили координаты ультразвуковых датчиков третьего канала обратной связи, значение скорости ультразвуковых колебаний, а также алгоритмы обработки входных сигналов от различных портов (входов одноплатного компьютера).
3. Генератор и блок питания подключили к источнику электропитания.
4. Подали группу модулирующих импульсов с одноплатного компьютера на модулятор, при этом модулирующий сигнал через модулятор изменяет параметры сигнала с генератора - амплитуда, частота, фаза сигнала, происходит преобразование спектра модулирующего сигнала, его перенос в область частот сигнала с генератора для создания детектируемых акустических колебаний.
5. Далее модулированный сигнал подали на электрод для создания электрической дуги, при этом электрическая дуга, питаемая модулированным сигналом, создает колебания из-за наличия разряжений в воздухе.
6. Ультразвуковые датчики, настроенные на частоту звучания, принимают дошедшие акустические колебания, и преобразуют энергию акустических колебаний в электрический сигнал. При этом в одноплатном компьютере, при подаче группы модулирующих импульсов, настраивают прерывание таймера на входные сигналы с датчиков второго и третьего канала обратной связи.
7. Сигналы с ультразвуковых датчиков первого канала обратной связи поступают на микросхемы с целью увеличения амплитуды сигналов для более детального анализа излучаемых акустических колебаний. Далее сигналы поступают на порты ввода одноплатного компьютера и преобразовываются во встроенном АЦП. Программа для обработки входных данных, загруженная в одноплатный компьютер, сравнивает напряжение от ультразвукового датчика первого канала обратной связи с загруженной информацией порогового уровня напряжения, заранее полученного при проведении сварочных работ под наблюдением оператора или расчетным способом в зависимости от свойств и толщины заготовки. На основании обработки полученных информационных сигналов одноплатный компьютер меняет расстояние между сварочным электродом и свариваемой поверхностью, тем самым меняя длину электрической дуги.
Когда сигнал с датчиков превышал пороговое напряжение, роботизированный манипулятор уменьшал расстояние между сварочным электродом и свариваемой заготовкой.
Когда сигнал с датчиков был ниже порогового напряжения, роботизированный манипулятор увеличивал расстояние между сварочным электродом и свариваемой заготовкой.
В случае отсутствия сигналов с датчиков, одноплатный компьютер останавливал работу манипулятора и сообщал об этом оператору.
8. Для проверки свойства обнаружения случайных объектов на пути движения роботизированного манипулятора во время сварки на заданную траекторию движения располагали объекты разных форм и размеров. Отраженные сигналы поступали на ультразвуковые датчики второго канала обратной связи.
зв
При этом использовали следующую формулу для расчета расстояния до препятствия:  где R - расстояние до препятствия, V-скорость ультразвуковых колебаний в воздушной среде, t - время распространения волны от датчика до объекта и обратно.
При этом в одноплатном компьютере с момента подачи группы модулирующих импульсов начинали отсчеты таймеры датчиков второго канала обратной связи. Далее сигналы с ультразвуковых датчиков поступали на микросхемы и после усиления на порты ввода одноплатного компьютера. Одноплатный компьютер по количеству отсчетов до момента принятия отраженных сигналов и значению скорости распространения акустических колебаний вычислял наличие препятствия, а также расстояние до него.
9. Ультразвуковые датчики третьего канала обратной связи, расположенные на стационарных позициях, принимали первые дошедшие колебания и далее передавали принятые сигналы в микросхемы. При этом в одноплатном компьютере с момента подачи группы модулирующих импульсов начинали отсчеты таймеры для каждого датчика третьего канала обратной связи. Из микросхем сигналы поступали в компараторы одноплатного компьютера. Одноплатный компьютер по количеству отсчетов до момента принятия прямых сигналов и значению скорости распространения акустических колебаний вычислял расстояние от датчиков до электрической дуги (сварочного электрода).
Алгоритм, загруженный в одноплатный компьютер, по значениям расстояний от трех датчиков до сварочного электрода вычислял положение руки роботизированного манипулятора и строил траекторию его движения.
К примеру, введем следующие обозначения:
I={x; y; z} - координаты электрической дуги (источник ультразвуковых колебаний (ИЗ);
i=
i
i;
i
M{x; yz} - координаты одного из ультразвуковых датчиков, где i=1...n.
Расстояние от ИЗ до i-го ультразвукового датчика находили по формуле:
i
i=
i
зв
Время, прошедшее от начала подачи импульса в амплитудный модулятор до прихода акустического колебания до i-го ультразвукового датчика - t, при этом расстояние вычислялипо формуле Rt*V.
Следовательно, должно выполняться соотношение:
Таким образом, зная время распространения акустической волны до ультразвуковых датчиков и их координаты, получили систему уравнений:
1
1
1
1
зв
2+
2+
2=
2
(x-x)(y+y)(z-z)(t*V)
2
2
2
2
зв
2+
2+
2=
2
(x-x)(y-y)(z-z)(t*V)
i
i
i
i
зв
2+
2+
2=
2
(x-x)(y-y)(z-z)(t*V)
Решая данную систему уравнений известным численным методом одноплатный компьютер вычислил координаты источника звука x, y, z (координаты электрической дуги).
В случае отклонения траектории движения от заданной, одноплатный компьютер фиксировал погрешности и сохранял их.
10. С портов вывода одноплатный компьютер посылал новые группы модулирующих импульсов на амплитудный модулятор в генераторе. Подачу модулирующих импульсов и обработку сигналов с ультразвуковых датчиков продолжали в течение всего времени проведения сварочных работ.Алгоритмы обработки входных данных в одноплатном компьютере обеспечивают работу системы с обратной связью в роботизированном манипуляторе.
11. Сигналы с портов вывода одноплатного компьютера подавали на сервоконтроллеры для управления движением роботизированного манипулятора. С помощью сервоконтроллеров одноплатный компьютер по мере выполнения программы регулировал вращение шаговых двигателей в составе роботизированного манипулятора.
Далее заявителем приведены результаты проведенного эксперимента.
В ходе проведения сварочных работ на собранном роботизированном манипуляторе было определено свойство обнаружения препятствий, а также получены результаты определения координат электрической дуги.
В частности, с помощью ультразвуковых колебаний от электрической дуги были обнаружены препятствия, имеющие кубическую форму размерами 2*2*2 см, а также препятствия, имеющие тонкую структуру размерами длиной 2 см, шириной 0,5 см, высотой 1 см и расположенные поперек.
Также был проведен эксперимент по обнаружению руки человека на пути движения роботизированного манипулятора, в результате которого роботизированный манипулятор останавливал движение перед положенной рукой, что необходимо для предотвращения травмопасных ситуаций.
С помощью трех стационарных ультразвуковых датчиков и алгоритма в одноплатном компьютере был проведен расчет координат электрической дуги. Погрешность вычисления координат электрической дуги составила 2 мм.
Таким образом, из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно, разработан способ диагностики и локализации электрической дуги в процессе автоматизированной сварки, наплавки или резки с использованием роботизированного оборудования, позволившего обеспечить:
1 - возможность обнаружения случайных объектов, лежащих на пути следования руки роботизированного манипулятора, вследствие использования отражения ультразвуковых колебаний от поверхности - см. Пример;
2 - уменьшение погрешностей во время сварки или резки путем определения и контроля координат электрической дуги и, вследствие этого, контроля обнаружения отклонений руки манипулятора от заданной траектории движения - см. Пример;
Заявленный способ расширяет функциональные возможности робототехнических устройств, использующихся в промышленной автоматизированной сварке, наплавке или резки а именно;
- повышается точность позиционирования роботизированного манипулятора;
- уменьшается количество возможных ошибок во время сварки, наплавки или резки;
- увеличивается точность диагностики электрической дуги необходимой для повышения качества конечных изделий;
- обеспечивается возможность диагностики плазменной резки с использованием роботизированного манипулятора.