一种面向粗焊丝的多自由度自适应GTAW送丝机构及控制方法与流程

本发明涉及gtaw自动化焊接设备，尤其涉及一种面向粗焊丝的多自由度自适应gtaw送丝机构及控制方法。

背景技术：

1、在gtaw自动化焊接中，采用直径1.5mm及以上粗焊丝进行厚壁管道全位置焊接时，粗焊丝有着大热容特性和高刚性优势，能够有效降低熔池过热度并引导液态金属定向流动。现有的自动化送丝机构通常采用固定角度安装或单自由度手动可调结构，并通过远端送丝机经弯曲导向管将焊丝推送至熔池侧方。

2、第一，现有装置在全位置焊接时焊枪空间姿态随焊道位置不断变化，固定或手动调节的送丝角度无法随重力方向变化而自适应调整，在仰焊、平焊与立焊过渡区难以将焊丝尖端精确送达坡口根部或边缘的理想落点位置，导致焊缝成形一致性难以保证；第二，粗焊丝因刚性大、屈服强度高，在弯曲导向管内推送时极易发生顶弯卡死和出口回弹漂移，而现有机构的近端导向约束不足，难以抑制粗丝刚性引发的落点偏差；第三，现有送丝机构的执行端多为模拟量或开关量接口，缺乏与工业实时以太网深度融合的数字化同步能力，无法在微秒级时钟域内响应外部视觉系统对焊丝空间位置的高频修正指令，系统集成复杂度高。

3、因此，针对上述提出的问题，本发明提出一种面向粗焊丝的多自由度自适应gtaw送丝机构及控制方法。

技术实现思路

1、为了克服粗焊丝在全位置自动化gtaw焊接中因送丝姿态不可随焊枪空间位姿自适应调节而导致的焊丝落点定位精度不足、送丝过程稳定性差且与外部控制系统协同困难的问题，本发明提出一种面向粗焊丝的多自由度自适应gtaw送丝机构及控制方法，通过球铰式双自由度空间指向调节与工件坐标系层级智能交互，实现粗焊丝在任意焊枪姿态下的精密定位与协同送丝。

2、本发明的技术方案为：一种面向粗焊丝的多自由度自适应gtaw送丝机构，所述粗焊丝直径不小于1.5mm，其特征在于，包括：

3、壳体，该壳体背部设有快换夹持部，用于可拆卸地固定在焊枪前端枪颈处；

4、球铰执行头，内置在壳体前端，包括固定在壳体的球铰定子和可在俯仰、偏摆两自由度回转的球铰动子，该球铰动子中心沿轴向贯穿设有焊丝导向孔，该焊丝导向孔内径与粗焊丝间隙配合，球铰动子外壁设有径向卸力削边结构，使焊丝弯道反力的作用线穿过球铰回转中心来消除附加弯矩；该球铰动子出口端设有长度为15-40mm的耐磨喷管，该喷管材质为陶瓷或铍铜，其出口端设有双锥度导向唇：内锥锥度为5°-8°用于引入焊丝，外锥锥度为15°-25°且端口倒r角用于消除焊丝出口摩擦；

5、水冷回路，嵌设在球铰定子壳体内壁，其冷却液进出口设在壳体后部，用于与外接循环水源串联；

6、末端辅助送丝轮组，安装在球铰执行头入口侧的壳体上，由独立微型无刷电机驱动，与远端送丝机形成推拉协同；

7、非接触式多圈绝对式磁电编码器，设置在球铰动子与定子之间，用于实时检测俯仰角和偏摆角，该非接触式多圈绝对式编码器采用biss-c或endat 2.2通讯协议，通过spi或ssi接口与mcu通信，支持ethercat ds402标准位置协议；

8、控制器，内置在壳体或外置接线盒，包括集成ethercat从站控制器与arm微控制器的单芯片mcu、电机驱动模块和坐标变换与运动学逆解模块；

9、所述ethercat从站控制器用于在一个同步周期内接收外部主站下发的单个数据帧，该数据帧至少包含工件坐标系下的目标位置信息p与当前焊枪位姿矩阵信息t；

10、所述坐标变换与运动学逆解模块，用于将工件坐标系目标位置信息结合焊枪位姿矩阵，经过坐标变换至焊枪局部坐标系后，解算为球铰执行头的俯仰角指令和偏摆角指令，并在解算过程中执行奇异点平滑约束。

11、作为优选，所述末端辅助送丝轮组的驱动速度由实时采集远端送丝机的编码器脉冲，通过比例-微分算法换算后令近端轮速保持低于远端线速度，形成微张力缓冲区。

12、作为优选，所述球铰定子与动子之间设有高压气密封结构，利用保护气体（优选氩气）正压吹扫，防止焊接飞溅进入球铰运动副。

13、作为优选，所述水冷回路与焊枪本体水冷系统通过快插接头串联，水道走向绕经定子内壁且避开磁编码器安装区域，形成水冷与传感的相位隔离布局。

14、一种面向粗焊丝的多自由度自适应gtaw送丝机构的控制方法，包括以下步骤：

15、s1，控制器通过ethercat从站模块接收主站下发的同步数据帧，解析获得工件坐标系下的目标焊丝尖端位置和当前焊枪tcp位姿矩阵（含位置和欧拉角r,p,y）；

16、s2，根据的逆矩阵，将左乘变换至焊枪本体局部坐标系，得到局部相对坐标；

17、s3，基于球铰执行头的机械安装偏心距、焊丝导向孔偏置参数与预设的焊丝悬伸长度，建立逆向运动学模型，将解算为目标俯仰角和目标偏摆角，并在解算过程中执行奇异点平滑约束算法；

18、s4，在ethercat总线同步中断触发时刻，读取多圈绝对式编码器反馈的实际角度与；

19、s5，计算与的角度偏差，经过位置-速度-电流三环控制算法驱动蜗轮蜗杆伺服电机执行角度闭环调节，同时根据球铰角度变化率前馈调节末端辅助送丝轮速度，维持焊丝在导向孔内的微张力恒定，防止粗焊丝顶弯或回弹；

20、s6，当ethercat从站控制器的看门狗定时器超时时，立即封锁蜗轮蜗杆电机驱动并保持制动状态，利用蜗轮蜗杆反向自锁特性维持当前球铰姿态，同时通过总线输出故障报警报文。

21、作为优选，所述步骤s3中逆运动学模型进一步包含以下映射关系：

22、当焊枪处于仰焊姿态时，球铰偏转使焊丝指向坡口内侧，用于补偿重力导致的根部内凹；

23、当焊枪处于平焊姿态时，球铰偏转使焊丝指向坡口外侧，用于补偿重力导致的焊瘤下垂；

24、当焊枪处于立焊或过渡姿态时，球铰角度随欧拉角做线性插值平滑过渡。

25、作为优选，当ethercat从站控制器的看门狗定时器超时导致主站通信中断时，所述蜗轮蜗杆依靠自身反向自锁特性维持当前球铰姿态作为安全制动策略，直至通信恢复或系统完全断电。

26、本发明的有益效果：

27、1.本发明通过球铰执行头的双自由度空间指向能力，配合控制器实时接收的焊枪位姿矩阵，能够在仰焊、平焊与立焊过渡区自动将焊丝尖端指向坡口内侧或外侧以补偿重力影响，从而解决了固定角度或单自由度机构无法随重力方向变化而自适应调整、导致焊缝成形一致性差的问题。

28、2.本发明通过蜗轮蜗杆减速器的反向自锁特性，在电机断电状态下依靠机械自锁维持当前球铰姿态以抵抗粗焊丝传递至球铰的反向作用力，配合球铰动子外壁的径向卸力削边结构使弯道反力作用线穿过球铰回转中心以消除附加弯矩，从而解决了粗焊丝刚性大、易顶弯卡死和出口回弹漂移的问题。

29、3.本发明通过控制器内置的坐标变换与运动学逆解模块，将接收到的工件坐标系目标位置直接解算为球铰俯仰角和偏摆角指令，使外部主站仅需输出空间位置坐标而非角度指令，解决了现有模拟量或开关量接口无法与工业实时以太网深度融合且系统集成复杂度高的问题。

30、4.本发明通过水冷回路与磁编码器安装区域的相位隔离布局、蜗轮蜗杆反向自锁与ethercat看门狗总线心跳三重防护联动，在持续热辐射和突发通信故障下分别保障了温度敏感元件的可靠运行和球铰姿态的安全保持，解决了执行端微型伺服电机与位置传感器在持续热辐射和金属飞溅环境下寿命大幅缩短的问题。