專利名稱：無導(dǎo)軌全位置行走光電實時跟蹤管道焊接機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種無導(dǎo)軌全位置實時跟蹤焊接裝置，尤指在裝置中設(shè)置了自動調(diào)節(jié)焊槍角度的機構(gòu)及全位置實施測控系統(tǒng)，使這類機器人的功能更加完善。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外無論在手工焊接或者機械化焊接管道時都要依靠焊接工人密切注視焊縫溶池，不斷調(diào)節(jié)焊槍的傳統(tǒng)操作方式。又由于在野外施工時工作環(huán)境惡劣，這種傳統(tǒng)操作方式的勞動強度大，技術(shù)難度高已造成焊工培養(yǎng)困難，流失嚴(yán)重等問題。國內(nèi)使用的自動化焊接裝置必須有導(dǎo)軌支持及人工跟蹤焊縫，如美國的BUG-O型焊車和加拿大的GULLO OSCILLATOR型焊接車均為導(dǎo)軌式焊車，焊前需煩雜的導(dǎo)軌安裝，焊接時需焊接工人實時調(diào)節(jié)對中焊縫，因此急需解決無導(dǎo)軌全位置自動跟蹤不同形式和參數(shù)焊縫的自適應(yīng)控制問題。本實用新型申請人于1998年生產(chǎn)出了記憶跟蹤式自動弧焊車(專利號為98202799.0)、2000年生產(chǎn)出無導(dǎo)軌全位置行走光電實時跟蹤球罐焊接機器人(專利號為00234382.7)，在使用中取得了很多經(jīng)驗和對產(chǎn)品改進(jìn)的啟示，在球罐上采用磁輪式無導(dǎo)軌自動焊接技術(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)管道焊接的特點，設(shè)置了角度調(diào)節(jié)機構(gòu)及全位置實施測控系統(tǒng)，以滿足管道不同位置時對焊槍位置要求的工藝參數(shù)。從而進(jìn)一步改進(jìn)了原設(shè)計，使其功能更加完善，進(jìn)一步提高了焊接的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)背景技術(shù)所述，本實用新型的目的在于提供一種裝置有焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)的無導(dǎo)軌全位置行走光電實時跟蹤管道焊接機器人，能有效改善和滿足焊槍位置要求的焊槍工藝參數(shù)。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型是振據(jù)如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種無導(dǎo)軌全位置行走光電實時跟蹤管道焊接機器人，主要由爬行機構(gòu)和自動跟蹤系統(tǒng)組成，其中爬行機構(gòu)采用橫跨式磁性輪車式結(jié)構(gòu)的爬行車體(1)，自動跟蹤裝置由CCD傳感器(2)，橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(3)，擺動機構(gòu)(4)，縱向執(zhí)行機構(gòu)(5)，焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)(6)，焊槍(7)，PLC控制箱和遙控面板(圖中未示)組成，其中
爬行體(1)的車體主板(101)上，通過角度調(diào)節(jié)板(108)與左右磁輪(102)相連接，每對磁輪(102)各自由電機(103)通過減速器(104)進(jìn)行驅(qū)動；CCD傳感器(2)通過連接板(109)及擺動機構(gòu)(4)的底座與移動滑塊(105)連接；橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(3)通過其底座與車體主板(101)相連接；擺動機構(gòu)(4)通過其底座與橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(3)的移動滑塊(105)相連接；縱向執(zhí)行機構(gòu)(5)通過其底座與擺動機構(gòu)(4)的移動滑塊(106)相連接；焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)(6)，由小齒輪(111)和角度調(diào)節(jié)齒輪(110)，驅(qū)動電機(113)和導(dǎo)向輪(114)組成，并通過連接板(112)與縱向執(zhí)行機構(gòu)(5)相連接；微機智能控制以S7-200型可編程控制器為核心，其外圍主要有人機接口，爬行車體交流伺服驅(qū)動器，步進(jìn)電機控制驅(qū)動電路，CCD傳感器信號檢測與處理電路及全位置實施測控系統(tǒng)。
由于采用了上述技術(shù)方案，本實用新型具有如下的優(yōu)點和效果1、本實用新型不需要導(dǎo)軌支持，通過磁輪吸附在管道表面上能沿焊縫坡口進(jìn)行360°的全位置的自動行走，能進(jìn)行各種空間位置的多道、多層、直線和曲線焊縫的自動焊接，不需人工跟蹤，爬行車體車速為0-80cm/min，由于采用了柔性機構(gòu)，焊接爬行具有一定的穿越障礙的能力；2、本實用新型采用全位置傳感器，能夠?qū)崟r檢測焊車運行位置，調(diào)整焊槍角度及電壓、電流、焊接速度等控制參數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)管道全位置焊接。
3、本實用新型完全實現(xiàn)了焊接的自動跟蹤，本實用新型軌跡跟蹤精度為±0.5mm；4、本實用新型研制的微機智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，軟件設(shè)計模塊化，可靠性高，系統(tǒng)軟件能根據(jù)遙控面板上各旋鈕、開關(guān)的設(shè)定值來綜合協(xié)調(diào)控制各機構(gòu)的運行動作；5、本實用新型充分考慮了使用要求，使其維護(hù)、修理簡易。


圖1A為本實用新型結(jié)構(gòu)總體主視示意圖圖1B為本實用新型結(jié)構(gòu)總體俯視示意圖圖1C為本實用新型結(jié)構(gòu)總體側(cè)視示意圖圖2A為本實用新型焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)側(cè)視示意圖圖2B為本實用新型焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)主視示意圖圖3為本實用新型微機控制系統(tǒng)電路組成原理圖圖4為本實用新型CCD傳感器信號檢測與處理電路原理圖圖5為本實用新型微機智能控制系統(tǒng)工作流程圖圖中1-爬行車體，101-車體主板，102-磁輪，103-電機，104-減速器，105-移動滑塊，106-移動滑塊，107-連接板，108-角度調(diào)節(jié)板，109-連接板，110-角度調(diào)節(jié)齒輪，111-小齒輪，112-連接板，113-驅(qū)動電機，114-導(dǎo)向輪，2-CCD傳感器，3-橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)，4-擺動機構(gòu)，5-縱向執(zhí)行機構(gòu)，6-焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)，7-焊槍具體實施方式
由圖1A、圖1B、圖1C所示，一種無導(dǎo)軌全位置行走光電實時跟蹤管道焊接機器人，主要由爬行機構(gòu)和自動跟蹤系統(tǒng)組成，其中爬行機構(gòu)采用橫跨式磁性輪車式結(jié)構(gòu)的爬行車體1，自動跟蹤裝置由CCD傳感器2，橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)3，擺動機構(gòu)4，縱向執(zhí)行機構(gòu)5，焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)6，焊槍7，PLC控制箱和遙控面板組成，其中爬行車體1的車體主板101上，通過角度調(diào)節(jié)板108與左右磁輪102相連接，每對磁輪102各自由電機103通過減速器104進(jìn)行驅(qū)動；CCD傳感器2通過連接板109及擺動機構(gòu)4的底座與移動滑塊105連接；橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)3通過其底座與車體主板101相連接；擺動機構(gòu)4通過其底座與橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)3的移動滑塊105相連接；縱向執(zhí)行機構(gòu)5通過其底座與擺動機構(gòu)4的移動滑塊106相連接；焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)6，由小齒輪111和角度調(diào)節(jié)齒輪110，驅(qū)動電機113和導(dǎo)向輪114組成，并通過連接板112與縱向執(zhí)行機構(gòu)5相連接；微機智能控制以S7-200型可編程控制器為核心，其外圍主要有人機接口，爬行車體交流伺服驅(qū)動器，步進(jìn)電機控制驅(qū)動電路，CCD傳感器信號檢測與處理電路及位置實施測控系統(tǒng)。
由圖可知，爬行車體1采用行車式車體結(jié)構(gòu)，車體左右各裝有一對磁輪102，每對磁輪102各自由電動機103通過減速器104進(jìn)行驅(qū)動，由此組成一車輪組件通過角度調(diào)節(jié)板108與車體主板101連接。爬行車體1不需導(dǎo)軌支持，通過磁輪吸附在管道表面上，與管道緊密接觸，爬行車體1在管道表面各種空間位置都能穩(wěn)定爬行，如前進(jìn)，后退，拐彎等各種運行方式。爬行車體1引導(dǎo)放置時，以爬行車體上的CCD傳感器2的中心位置處于跟蹤線(焊接前用劃線器劃出一條平行于焊接坡口的線)的正上方位置。
爬行車體1運行時左右兩輪等速前進(jìn)，不需跟蹤。CCD傳感器2與橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)3組成一套自動跟蹤系統(tǒng)，以便及時調(diào)整由于爬行車體1運行時而引起的偏差，由滑塊帶動焊槍7左右隨動，進(jìn)行長度方向上的焊縫軌跡線跟蹤，同時由角度調(diào)節(jié)機構(gòu)6實時調(diào)節(jié)焊槍7與管道之間的角度。由于是依照與坡口平行的跟蹤線進(jìn)行非接觸的跟蹤，在多層多道焊接的情況下也能實現(xiàn)重復(fù)自動跟蹤。CCD傳感器識別精度為0.03mm，軌跡跟蹤精度為±0.5mm；本實用新型裝有擺動機構(gòu)4，故可實現(xiàn)擺動焊接，由爬行車體1的行走方式與擺動機構(gòu)4的擺動的有機結(jié)合，可實現(xiàn)焊槍的多種擺動方式，擺幅為±25mm，擺動重復(fù)精度為0.5mm，完全滿足焊槍使用技術(shù)要求。
光電實時跟蹤系統(tǒng)，由CCD傳感器與一個用步進(jìn)電機驅(qū)動的橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)3組成，橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)3通過底座與車體主板101連接，擺動機構(gòu)4通過底座與橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)3的移動滑塊105連接。CCD傳感器2通過連接板109及擺動機構(gòu)4的底座與移動滑塊105連接，從而進(jìn)行長度方向的焊縫軌跡跟蹤。
又可見擺動機構(gòu)4通過底座與橫向執(zhí)行機構(gòu)3的移動滑塊固定連接，而擺動機構(gòu)4由一個擺動中心傳感器、一個步進(jìn)電機驅(qū)動的滑塊機構(gòu)組成。焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)6通過連接板與縱向執(zhí)行機構(gòu)5相連接，焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)6由小齒輪111和角度調(diào)節(jié)齒輪110組成。
由圖2A、圖2B所示，焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)6，由小齒輪111，角度調(diào)節(jié)齒輪110，驅(qū)動電機113和導(dǎo)向輪114組成，其中角度調(diào)節(jié)齒輪110通過連接板107固定于縱向執(zhí)行機構(gòu)5，驅(qū)動電機113通過減速器帶動小齒輪111轉(zhuǎn)動，由導(dǎo)向輪114沿著角度調(diào)節(jié)齒輪110轉(zhuǎn)動，由于焊槍7通過連接板112與焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)6相連接，從而帶動焊槍7進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。
由于焊接每層焊縫時，管道焊接機器人需要在0°～360°之間變化，不同于球罐焊接，變化率非常大，而此時，需要焊槍與管道之間有嚴(yán)格的角位置關(guān)系，為此要實現(xiàn)自動化和智能化，就非常需要設(shè)置焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)。
由圖3可見，本實用新型的運行完全由微機智能控制系統(tǒng)控制，微機智能控制系統(tǒng)硬件主要由S7-200型PLC微機控制器與各傳感器、電機的接口電路組成。
1.核心控制器核心控制器選用可編程控制器，包括CPU模塊，A/D與D/A模塊和電源模塊。CPU模塊能實現(xiàn)復(fù)雜的實時控制功能，其指令執(zhí)行時間僅為0.2μs，滿足本系統(tǒng)的要求，同時又大量的算術(shù)和邏輯運算指令其電機控制信號輸出，如將其編程為PWM工作方式，可方便地實現(xiàn)直流電機調(diào)速，如將其編程為PTO工作方式，可實現(xiàn)步進(jìn)電機調(diào)速。CPU模塊還具有大量的位存儲器、計數(shù)器與定時器，可靈活運用于程序控制。
2.人機接口人機接口的功能是把人的意愿轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破骺梢越邮艿男盘柌⑤斎虢o控制器，把系統(tǒng)的運行狀態(tài)或參數(shù)轉(zhuǎn)換為直觀的自然現(xiàn)象如數(shù)字、圖像、聲音等。本系統(tǒng)的輸入命令分為數(shù)字控制量和車速、擺速、滯時四個模擬量，輸出只有一個，即焊車行車速度。
數(shù)字量輸入，如圖所示只需將按鈕一端接入PLC輸入端口，所有按鈕另一端并接+24端即可，由PLC提供隔離。
模擬量的給定分別由固定在面板上的四個電位器以分壓方式給出。選用了模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，可基本獨立于CPU工作，不用指令單獨對其A/D、D/A轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行控制，而只需在需要的時候從其映像單元取出或?qū)懭胗诚駟卧纯伞?br> 3.全位置實時測控系統(tǒng)由全位置傳感器、信號處理電路、人機接口及PLC控制器組成，實時檢測焊車運行位置，調(diào)整焊槍角度及電壓、電流、焊接速度等控制參數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)管道全位置焊接。
由圖4可知，CCD傳感器信號檢測與處理電路系采用線型CCD芯片，在光電源照射下，坡口跟蹤線通過透鏡在線型CCD芯片表面成像，有線條影像處的CCD像元信號電壓變?nèi)?，此信號電壓?jīng)過二值化電路處理轉(zhuǎn)換成5V的負(fù)脈沖電壓信號，將此負(fù)脈沖信號進(jìn)行處理及D/A轉(zhuǎn)換，可以獲得一個模擬量信號電壓，以反映焊接坡口跟蹤線與傳感器中心線間的偏差。此信號大范圍為0-+5V，+2.5V表示坡口跟蹤線恰好與傳感器中心線重合。
由圖5可知，本實用新型在運行時微機智能控制系統(tǒng)的全部工作流程。
權(quán)利要求1.一種無導(dǎo)軌全位置行走光電實時跟蹤管道焊接機器人，主要由爬行機構(gòu)和自動跟蹤裝置組成，其中爬行機構(gòu)采用橫跨式磁性輪車式結(jié)構(gòu)的爬行車體(1)，自動跟蹤裝置，由CCD傳感器(2)，橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(3)，擺動機構(gòu)(4)，縱向執(zhí)行機構(gòu)(5)，焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)(6)，焊槍(7)，PLC控制箱和遙控面板組成，其特征在于爬行車體(1)的車體主板(101)上，通過角度調(diào)節(jié)板(108)與左右磁輪(102)相連接，每對磁輪(102)各自由電機(103)通過減速器(104)進(jìn)行驅(qū)動；CCD傳感器(2)通過連接板(109)及擺動機構(gòu)(4)的底座與移動滑塊(105)連接；橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(3)通過其底座與車體主板(101)相連接；擺動機構(gòu)(4)通過其底座與橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(3)的移動滑塊(105)相連接；縱向執(zhí)行機構(gòu)(5)通過其底座與擺動機構(gòu)(4)的移動滑塊(106)相連接；焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)(6)，由小齒輪(111)和角度調(diào)節(jié)齒輪(110)，驅(qū)動電機(113)和導(dǎo)向輪(114)組成，并通過連接板(112)與縱向執(zhí)行機構(gòu)(5)相連接；微機智能控制以S7-200型可編程控制器為核心，其外圍主要有人機接口，爬行車體交流伺服驅(qū)動器，步進(jìn)電機控制驅(qū)動電路，CCD傳感器信號檢測與處理電路及位置實施測控系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無導(dǎo)軌全位置行走光電實時跟蹤管道焊接機器人，其特征在于焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)(6)，由小齒輪(111)，角度調(diào)節(jié)齒輪(110)，驅(qū)動電機(113)和導(dǎo)向輪(114)組成，其中角度調(diào)節(jié)齒輪(110)通過連接板(107)固定于縱向執(zhí)行機構(gòu)(5)，驅(qū)動電機(113)通過減速器帶動小齒輪(111)轉(zhuǎn)動，由導(dǎo)向輪(114)沿著角度調(diào)節(jié)齒輪(110)轉(zhuǎn)動，焊槍(7)通過連接板(112)與焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)(6)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無導(dǎo)軌全位置行走光電實時跟蹤管道焊接機器人，其特征在于全位置實時測控系統(tǒng)，主要由全位置傳感器、信號處理電路、人機接口及PLC控制器組成，其中全位置傳感器與信號處理電路相連接，通過接口連接于PLC控制器。
專利摘要一種無導(dǎo)軌全位置行走光電實時跟蹤管道焊接機器人，主要由爬行機構(gòu)和自動跟蹤裝置組成，采用橫跨式磁性輪車式的爬行車體(1)，自動跟蹤系統(tǒng)有CCD傳感器(2)，橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(3)，擺動機構(gòu)(4)，縱向執(zhí)行機構(gòu)(5)，焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)(6)，焊槍(7)，PLC控制箱、位置實施測控系統(tǒng)及遙控面板組成，其中焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)(6)，由小齒輪(111)和角度調(diào)節(jié)齒輪(110)，驅(qū)動電機(113)和導(dǎo)向輪(114)組成，并通過連接板(112)與縱向執(zhí)行機構(gòu)(5)相連接。本實用新型結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，由于采用了焊槍角度調(diào)節(jié)機構(gòu)(6)，其焊接質(zhì)量更加提高，更加自動化，本實用新型可直線、曲線、管道內(nèi)、外側(cè)，各種空間，多種形式焊接，精度高，可靠性好。
文檔編號B23K9/127GK2652577SQ0324677
公開日2004年11月3日 申請日期2003年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者蔣力培, 薛龍, 李明利, 焦向東 申請人:北京石油化工學(xué)院