專利名稱：無導軌全位置行走光電實時跟蹤球罐焊接機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種無導軌全位置球罐智能焊接裝置。
隨著石油化工工業(yè)的發(fā)展，球形儲罐的使用越來越廣泛，而且容積越來越大，使得制造儲罐時焊接工作量成倍增加，因此自動化焊接的需求愈來愈迫切。
目前國內(nèi)外無論在手工焊接或者機械化焊接球罐時都要依靠焊接工人密切注視焊縫熔池，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，技術難度高已造成焊工培養(yǎng)困難，流失嚴重等問題。國內(nèi)使用的自動化焊接裝置必須有導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型焊接車均為導軌式焊車，焊前需煩雜的導軌安裝，焊接時需焊接工人實時調(diào)節(jié)對中焊縫，且難以焊接球罐除赤道外的環(huán)焊縫，因此仍急需解決無導軌真能全位置自動跟蹤不同形式和參數(shù)焊縫的自適應控制問題。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98202799.0)在使用中取得了很多經(jīng)驗和對產(chǎn)品改進的啟示，也為全面解決上述問題準備了基礎，以備實現(xiàn)真正意義上的全位置自動化的作業(yè)裝置。
本實用新型的目的在于針對上述自動焊機的不足，提供一種無導軌全位置行走光電實時跟蹤球罐焊接機器人。
本實用新型是通過以下技術方案來實現(xiàn)的一種無導軌全位置行走光電實時跟蹤球罐焊接機器人，由爬行機構(gòu)和自動跟蹤系統(tǒng)兩大部分組成，其爬行機構(gòu)采用橫跨式磁性輪車式結(jié)構(gòu)的爬行車體(1)，而自動跟蹤系統(tǒng)，由CCD1傳感器(2)、CCD2傳感器(7)、焊槍高度傳感器(9)、PLC控制系統(tǒng)箱(3)、橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(4)、縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(5)、擺動機構(gòu)(6)和焊槍(8)組成。
爬行車體(1)，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)進行驅(qū)動。
CCD1傳感器(2)連接在車體主板(101)上，橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(4)通過底座與與車體主板(101)連接，CCD2傳感器(7)和縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(5)連接在橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(4)的移動滑塊(401)上。
擺動機構(gòu)(6)和焊槍高度傳感器(9)通過其底座與縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(5)的移動滑塊固定連接，擺動機構(gòu)(6)的移動滑塊與焊槍(8)相連接。
微機智能控制系統(tǒng)以S7-200型可編程控制器為核心，其外圍主要有人機接口、爬行車體直流驅(qū)動電路、步進電機控制驅(qū)動電路、CCD傳感器信號檢測與處理電路。
本實用新型具有以下優(yōu)點和效果1．本實用新型不需導軌支持，通過磁輪吸附在球罐表面上能沿焊縫坡口進行360°的全位置的自動行走，能進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．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，高度跟蹤精度為±1.0mm；3．本實用新型可實現(xiàn)多種擺動方式焊接，擺幅為±25mm，擺動重復精度為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，軟件設計模塊化，可靠性高，系統(tǒng)軟件能根據(jù)控制盒面板上各旋鈕、開關的設定值來綜合協(xié)調(diào)控制各機構(gòu)的運行動作。
附圖的圖面說明如下


圖1A為本實用新型結(jié)構(gòu)原理示意圖的正視圖
圖1B為本實用新型結(jié)構(gòu)原理示意圖的側(cè)視圖圖2A為本實用新型實施例工作情況立體示意圖圖2B為本實用新型實施例工作情況立體示意圖的仰視圖圖3為本實用新型微機智能控制系統(tǒng)組成框圖圖4為本實用新型爬行車體直流驅(qū)動電路框圖圖5為本實用新型步進電機控制驅(qū)動電路框圖圖6為本實用新型CCD傳感器信號檢測與處理電路圖7為本實用新型微機智能控制系統(tǒng)工作流程圖
以下結(jié)合附圖和實施例作進一步說明由
圖1可見，本實用新型主要由爬行機構(gòu)和自動跟蹤系統(tǒng)兩大部分組成，其爬行機構(gòu)采用橫跨式磁性輪車式結(jié)構(gòu)的爬行車體1，而自動跟蹤系統(tǒng)，由CCD1傳感器2、CCD2傳感器7、焊槍高度傳感器9、PLC控制系統(tǒng)箱3、橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)4、縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)5、擺動機構(gòu)6和焊槍8組成。
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進行驅(qū)動，由此組成一車輪組件與車體主板101連接。爬行車體1不需導軌支持，通過磁輪吸附在球罐表面上，根據(jù)被焊件的表面情況和參數(shù)調(diào)整好磁輪102的角度，以期達到最緊密的接觸。這是由于本實用新型采用了磁輪角度調(diào)節(jié)機構(gòu)106，保證爬行車體1既可與球罐焊接，也可以內(nèi)側(cè)焊接，可適應球罐的直徑在很大范圍內(nèi)變化。同時又采用柔性機構(gòu)107使爬行具有一定的穿越障礙的能力。爬行車體1引導放置時，以爬行車體上的CCD1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CCD1傳感器2與左右兩側(cè)的爬行驅(qū)動電動機103組成一自動跟蹤系統(tǒng)，由CCD1傳感器2檢測爬行車體1與跟蹤線的偏差，再由左右驅(qū)動電動機103的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)偏差調(diào)節(jié)，以保證爬行車體1自動跟蹤跟蹤線而爬行，而間接自動跟蹤焊接坡口；CCD2傳感器7與橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)4又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跟蹤調(diào)整時而引起的偏差，由滑塊帶動焊槍8左右隨動，進行長度方向上的焊縫軌跡線跟蹤。由于是依照與坡口平行的跟蹤線進行非接觸的跟蹤，在多層多道焊接的情況下也能實現(xiàn)重復自動跟蹤。CCD1和CCD2傳感器識別精度為0.03mm，軌跡跟蹤精度為±0.5mm；焊槍高度傳感器9與縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)5組成一套自動跟蹤系統(tǒng)，由傳感器觸頭直接測量焊縫附近的球罐表面高度的變化，以便隨時檢測焊槍至工件的高度，然后由滑塊帶動焊槍進行調(diào)整，使焊槍至工件的距離保持恒定。焊槍高度傳感器9的測量精度為0.01mm，高度跟蹤精度為±1.0mm；本實用新型裝有擺動機構(gòu)6，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)6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，擺動重復精度為0.5mm，完全滿足焊槍使用技術要求。
本實用新型的微機智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件主要由PLC控制系統(tǒng)箱與各傳感器(CCD1、CCD2、焊槍高度)，電機的接口電路組成。系統(tǒng)軟件能根據(jù)控制盒面板上旋鈕，開關的設定值和軌跡線來綜合協(xié)調(diào)控制爬行車體，橫向，縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)和擺動機構(gòu)。
由圖2A、2B可見，圖2A示出本實用新型實施例的工作情況立體示意圖。圖2B為本實用新型實施例工作情況立體示意圖的仰視圖，從圖中可見爬行機構(gòu)采用橫跨式磁性輪車式結(jié)構(gòu)的爬行車體1，車體左右各裝有一對磁輪102，每對磁輪102各自由直流電動機通過二級蝸輪蝸桿減速器104進行驅(qū)動。磁輪組通過柔性機構(gòu)107與側(cè)板105相連接，主板101與側(cè)板105二者鉸接，在其間裝有磁輪角度調(diào)節(jié)機構(gòu)106(圖中未示出)，能保證各磁輪與球罐表面緊密接觸。爬行車體1在球罐表面的各種空間位置都能穩(wěn)定爬行，如前進、后退、拐彎等各種運行方式。
光電實時跟蹤系統(tǒng)，它包括光電軌跡跟蹤系統(tǒng)與接觸式高度跟蹤系統(tǒng)。前者由CCD傳感器與一個用步進電機驅(qū)動的橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)組成，CCD1傳感器2與車體主板101連接，橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)4通過底座與與車體主板101連接，CCD2傳感器7和縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)5連接在橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)4的移動滑塊401上，進行長度方向的焊縫軌跡跟蹤。后者由焊槍高度傳感器9(直線電位傳感器)與一個用步進電機驅(qū)動的縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)5組成，焊槍高度傳感器9通過其底座與縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)5的移動滑塊固定連接，由滑塊帶動焊槍進行高度方向上的軌跡跟蹤。
又可見擺動機構(gòu)6通過底座與縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)5的移動滑塊固定連接，而擺動機構(gòu)6由一個擺動中心傳感器、一個步進電機驅(qū)動的滑臺機構(gòu)及焊槍8夾持機構(gòu)組成。
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)復雜的實時控制功能，其指令執(zhí)行時間僅為0.2us，滿足本系統(tǒng)的要求，同時有大量的算術和邏輯運算指令和電機控制信號輸出，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、圖象、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、擺速、滯時四個模擬量，輸出只有一個，即焊車行車速度。
數(shù)字量接入，如圖所示只需將按鈕一端接入PLC輸入端口，所有按鈕另一段并接接+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和D/A轉(zhuǎn)換過程進行控制，而只需在需要的時候從其映象單元取出或?qū)懭胗诚髥卧纯伞?br> 3．爬行車體直流驅(qū)動電路由圖4可知，爬行車體1由分置于兩側(cè)的兩個航空用直流電機帶動，爬行車體1的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)以調(diào)整各自的電樞電壓實現(xiàn)，同時依靠轉(zhuǎn)速的變化實現(xiàn)拐彎，行車方向的改變靠改變勵磁電流方向?qū)崿F(xiàn)。
由于本實用新型將用于全位置焊接，因此爬行車體1處于不同位置時行車速度的穩(wěn)定對焊接質(zhì)量非常重要。本控制系統(tǒng)在供電電源方面采取了電樞電流正反饋的電路，在內(nèi)部調(diào)整電路中采用了電樞電壓恒定控制。
4．步進電機控制驅(qū)動電路由圖5可知，焊槍擺動，左右跟蹤和高低跟蹤，各選用了一套步進電機。二套步進電機的共同點就是需要頻繁換向和啟停，同時要求速度可變。為此專門設計了VFC轉(zhuǎn)換電路用以供給步進電機驅(qū)動模塊步進脈沖，左右和高低跟蹤步進電機的速度不需隨時調(diào)整，采用了用電位器分壓獨立調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)要求愛PLC控制。
5．CCD傳感器信號檢測與處理電路由圖6可知，系統(tǒng)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的負脈沖電壓信號，將此負脈沖信號進行處理及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。此信號犬范圍為0～+5V，+2.5V表示坡口跟蹤線恰好與傳感器中心線重合。
由圖7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1．一種無導軌全位置行走光電實時跟蹤球罐焊接機器人，由爬行機構(gòu)和自動跟蹤系統(tǒng)兩大部分組成，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)，其特征在于爬行車體(1)，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)進行驅(qū)動；自動跟蹤系統(tǒng)，由CCD1傳感器(2)、CCD2傳感器(7)、焊槍高度傳感器(9)、PLC控制系統(tǒng)箱(3)、橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(4)、縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(5)、擺動機構(gòu)(6)和焊槍(8)組成；CCD1傳感器(2)連接在車體主板(101)上，橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(4)通過底座與與車體主板(101)連接，CCD2傳感器(7)和縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(5)連接在橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(4)的移動滑決(401)上，擺動機構(gòu)(6)和焊槍高度傳感器(9)通過其底座與縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(5)的移動滑塊固定連接，擺動機構(gòu)(6)的移動滑塊與焊槍(8)相連接。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的無導軌全位置行走光電實時跟蹤球罐焊接機器人，其特征在于磁輪(102)與側(cè)板(105)之間裝有柔性機構(gòu)(107)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的無導軌全位置行走光電實時跟蹤球罐焊接機器人，其特征在于車體主板(101)與側(cè)板(105)之間鉸接，并裝有磁輪角度調(diào)節(jié)機構(gòu)(106)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的無導軌全位置行走光電實時跟蹤球罐焊接機器人，其特征在于本實用新型的微機智能控制系統(tǒng)以S7-200型可編程控制器為核心，其外圍主要有人機接口、爬行車體直流驅(qū)動電路、步進電機控制驅(qū)動電路、CCD傳感器信號檢測與處理電路。
專利摘要一種無導軌全位置行走光電實時跟蹤球罐焊接機器人,由爬行機構(gòu)和自動跟蹤系統(tǒng)兩大部分組成。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),直接吸附于球罐表面而爬行,而自動跟蹤系統(tǒng)由傳感器(2)、(7)、(9)、PLC控制系統(tǒng)箱(3)、兩維跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(4)、(5)、擺動機構(gòu)(6)和焊槍(8)組成。CCD1傳感器(2)與橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(4)與車體主板(101)相連接,CCD2傳感器(7)和縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)(5)與橫向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)相連接,擺動機構(gòu)(6)和焊槍高度傳感器(9)與縱向跟蹤執(zhí)行機構(gòu)相連接,擺動機構(gòu)(6)與焊槍(8)相連接。本實用新型可直線、曲線、球面內(nèi)、外側(cè)、各種空間位置的多種形式焊接,具有精度高,可靠性好,結(jié)構(gòu)簡單,實用性良好的優(yōu)點。
文檔編號B25J11/00GK2435199SQ0023438
公開日2001年6月20日 申請日期2000年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月12日
發(fā)明者蔣力培, 吳忠憲, 焦向東, 薛龍, 馬宏澤 申請人:中國石化集團第十建設公司, 北京石油化工學院