專利名稱：一種管體內(nèi)表面噴印裝置的防碰撞方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金噴印技術(shù)，尤其涉及一種管體內(nèi)表面軸向或圓周方向噴印裝置的防碰撞方法。
背景技術(shù)：
冶金產(chǎn)品的在線噴印標記是冶金過程中物流管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它利用介質(zhì)或外力在產(chǎn)品表面上標記鋼種、規(guī)格等信息，用于用戶與后道工序的識別。鋼管產(chǎn)品或柱狀產(chǎn)品的外表面噴印可分為產(chǎn)品移動、產(chǎn)品靜止兩種方式，其中產(chǎn)品移動方式的噴印標記一般通過固定在龍門支架的噴印頭在產(chǎn)品移動中進行噴印作業(yè)；產(chǎn)品靜止方式的噴印標記則多采用懸臂梁支架，噴印臺車攜帶噴印頭進行噴印作業(yè)。外表面噴印主要采用涂料或墨水，沿軸線方向在鋼管表面進行噴印標記。
大管徑鋼管的內(nèi)表面噴印相對于管外表面噴印有其特殊性1.噴印方式多樣，有管內(nèi)圓周方向多行噴印或管體軸線方向噴??；2.安全性，因結(jié)構(gòu)尺寸與三維空間作業(yè)的原因，需考慮避免噴印設(shè)備與管體的干涉碰撞；；3.完備的空間多維測量，由于噴印為空間作業(yè)，設(shè)備需具有穩(wěn)定可靠的管體尺寸與位置檢測功能；4.設(shè)備空間位置和檢測標定功能；5.噴印效果的在線監(jiān)視功能。
現(xiàn)有的管內(nèi)噴印標記技術(shù)一般可分成二類一類是以機器人為執(zhí)行載體的管內(nèi)噴印裝置，依托機器人靈活、空間任務(wù)適應(yīng)強等特點可完成管內(nèi)軸向與圓周方向的標記任務(wù)；另一類為結(jié)合需求設(shè)計的專用設(shè)備，該類裝置適應(yīng)性差，針對性強，但無法適應(yīng)噴印作業(yè)任務(wù)的變更或拓展。
現(xiàn)有的管內(nèi)噴印裝置的防碰撞方法有如下四種1.美國專利US5119109，提出了一種安裝在管內(nèi)或其它曲面內(nèi)的點陣涂料或墨水噴印頭，該噴印頭通過傳動機構(gòu)移動，在沿著軸線移動過程中噴印字符點陣。噴印機構(gòu)與鋼管的外表面接觸測距導(dǎo)引從當前位置噴印到下一個字符。傳動機構(gòu)在作業(yè)過程中攜帶噴印頭完成噴印作業(yè)，可通過鋼管回轉(zhuǎn)進行多行噴印。它通過手動調(diào)節(jié)裝置來適應(yīng)鋼管規(guī)格的變化，無管內(nèi)圓周方向的噴印與管外噴印的功能。該裝置的端部裝有機械式行程開關(guān)，用于避免裝置伸入管內(nèi)部時噴印裝置與管端部撞擊。
2.美國專利US4682182，利用機器人執(zhí)行機構(gòu)，攜帶噴頭進行鋼管管內(nèi)圓周方向的噴印作業(yè)。該專利針對固定管內(nèi)徑(或從上位機獲取規(guī)格尺寸)設(shè)定機器人末端路徑，通過光電傳感器確定噴印起始位置，進行管內(nèi)圓周方向單行字的噴印作業(yè)。該專利無管體位置和結(jié)構(gòu)尺寸的檢測裝置，且未充分利用機器人特點，進行噴印作業(yè)及其路徑規(guī)劃，導(dǎo)致其裝置局限性較大，靈活性與適應(yīng)性差。該專利噴印頭前端設(shè)計了包括擋板和傳感器的防撞裝置，以避免裝置伸入管內(nèi)部時與鋼管端部的碰撞。但該裝置沒有考慮在管體內(nèi)部進行空間作業(yè)時如何避免噴印裝置與管體內(nèi)表面碰撞干涉。
3.奧地利NUMTek Interstahl公司管內(nèi)噴印產(chǎn)品，是以標準的工業(yè)機器人為執(zhí)行載體，具備管外直徑檢測與頭部防撞檢測，可執(zhí)行管內(nèi)圓周方向多行噴印與管外軸線方向噴印的功能。該裝置通過噴印頭上安裝的驅(qū)動電機將噴頭在水平面上旋轉(zhuǎn)90°以實現(xiàn)圓周方向與軸線方向的噴印。該設(shè)備端部防撞檢測無法檢測在圓周方向上與管體內(nèi)表面的防撞；其鋼管外徑檢測器件安裝在靠近機器人末端執(zhí)行器一端，其檢測無法消除管內(nèi)噴印區(qū)段誤差，易導(dǎo)致噴印部件與管壁干涉。
4.管外噴印設(shè)備，防撞方式有1.采用微動開關(guān)進行防撞保護；2.在噴頭上安裝壓靠輪，在作業(yè)過程中壓靠輪與管體外部接觸，并起導(dǎo)向作用。該方式對管體內(nèi)部噴印作業(yè)的防撞不適用。
上述的管體內(nèi)表面噴印的防撞技術(shù)存在的局限性主要體現(xiàn)在以下二點1.在管體內(nèi)噴印作業(yè)中，有二種誤差對作業(yè)影響很大，一種是管徑圓度誤差，它可達±1.75％(對1000mm規(guī)格的鋼管，其直徑偏差為±17.5mm)；第二種是管體在輥道上存在水平面與垂直面兩個方向的位置偏差。這二種誤差在L長的管體上將產(chǎn)生累積誤差。一般涂料噴槍的有效噴印范圍在25mm～30mm之間，如果累積誤差超出或接近噴槍的有效噴印射程，將無法保證噴印質(zhì)量或噴槍撞上管內(nèi)壁。管體位置及其尺寸檢測不準確也將放大該累積誤差，在這種情況下難于確保噴印裝置安全，噴印裝置可能與內(nèi)管壁碰撞，噴印效果差或噴印作業(yè)無法完成。
2.防撞措施欠缺，由于執(zhí)行管內(nèi)的作業(yè)，而且機器人攜帶噴印裝置執(zhí)行的是空間作業(yè)(6個自由度，三個位置與三個姿態(tài))，僅通過端部軸向的防撞措施無法避免與管壁其它方向干涉，難于確保設(shè)備的安全。奧地利NUMTek_Interstahl公司管內(nèi)噴印設(shè)備是通過與管體碰撞后，機器人的過流過載來停止作業(yè)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種管體內(nèi)表面噴印裝置的防碰撞方法，該噴印裝置的防碰撞方法可確保在作業(yè)過程中防止噴印裝置碰撞管體內(nèi)壁，提高設(shè)備安全性。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種管體內(nèi)表面噴印裝置的防碰撞方法，其特征是在與機器人末端法蘭連接的噴印裝置最大截面的圓周方向上布置數(shù)個傳感器，在管壁壓靠其中任意二個傳感器或接受到任意二個傳感器信號時，噴印裝置端面輪廓與任意規(guī)格的管壁不干涉；在噴印裝置前端部設(shè)置防撞傳感器，前端面有一個圓盤擋板，用于保護來自軸線方向的碰撞干涉；在作業(yè)過程中，如果管體內(nèi)壁與傳感器碰撞時，噴印裝置即停止作業(yè)。
所述在已知管體極限規(guī)格的最大、最小內(nèi)徑和噴印頭最大截面條件下，噴印頭最大截面必須小于最小規(guī)格管體的內(nèi)徑，傳感器選擇為五個，且位于同一圓周上均布。
所述噴印頭截面極限范圍的確定按下列步驟(1)設(shè)小管內(nèi)壁半徑為Rmin，大管內(nèi)壁半徑為Rmax，第一傳感器壓輪壓靠時相鄰傳感器壓輪與小管內(nèi)壁距離為D1，任意兩相鄰傳感器壓輪與大管內(nèi)壁壓靠時噴印頭與大管內(nèi)壁的最小距離為D2，傳感器壓輪半徑為r，第一傳感器壓輪、第二傳感器壓輪輪廓圓分別為C2、C3；以小管中心為圓心作半徑為(Rmin-r-D1)的輔助圓C1，根據(jù)五邊形內(nèi)角和為540°，正五邊形頂角是108°，過第一傳感器壓輪中心A作直線L1，與豎直方向成54°，與輔助圓C1交于一點B，確定第二個傳感器壓輪的中心B，此時第二傳感器壓輪與小管內(nèi)徑距離為D1；(2)作線段AB的垂直平分線，交豎直方向中心線于C，C即是五個傳感器對稱中心；(3)以C為中心，確定其余三個傳感器壓輪位置；(4)作半徑為Rmax的圓弧C4，分別與第一壓輪、第二壓輪相切，表示第一壓輪、第二壓輪與大管內(nèi)壁接觸時的情況；為保證此時噴印頭不與大管內(nèi)壁碰撞，應(yīng)有一安全距離D2，以圓弧C4中心為中心，作半徑為(Rmax-D2)的圓弧C5；(5)根據(jù)上述步驟(1)至步驟(4)，依次作出其它各段圓弧C5，五段圓弧C5圍成的區(qū)域為噴印頭截面的極限范圍。
所述在軸向上的噴印裝置前端面的圓盤擋板直徑Dtop確定步驟為(1)用大管內(nèi)壁直徑Dmax依次與第一壓輪、第二壓輪、第三壓輪、第四壓輪中相鄰二個傳感器相切；(2)用以上形成的三段Dmax圓弧，作內(nèi)切圓，該內(nèi)切圓直徑為D；(3)圓盤擋板最大直徑Dtop不大于D。
本發(fā)明是通過噴印裝置圓周方向與端部的傳感器合理布置，避免噴印裝置與管體內(nèi)部碰撞，這些傳感器既可防撞報警又可用于位置形狀檢測，其功能復(fù)用?？朔爽F(xiàn)有管體內(nèi)表面噴印裝置僅僅采用端部防撞檢測，其它方向的保護則是通過碰撞沖擊引起機器人過載過流而停止作業(yè)，從而引起噴印裝置與機器人本體的損壞與作業(yè)精度喪失的缺陷。本發(fā)明的防碰撞方法可確保在作業(yè)過程中防止噴印裝置碰撞管體內(nèi)壁，提高設(shè)備安全性。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。
圖1為噴印頭在圓周方向排布三個傳感器示意圖；圖2為噴印頭在圓周方向排布四個傳感器示意圖；圖3為噴印頭在圓周方向排布五個傳感器示意圖；圖4為噴印頭在圓周方向防碰撞原理示意圖。
圖5為確定噴印頭截面極限范圍圖示1；圖6為確定噴印頭截面極限范圍圖示2；圖7為確定噴印頭截面極限范圍圖示3；圖8為確定噴印頭截面極限范圍圖示4；圖9為確定噴印頭截面極限范圍圖示5；圖10為確定噴印頭截面極限范圍圖示6；圖11為噴印裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為噴印裝置結(jié)構(gòu)主視圖；圖13為噴印裝置結(jié)構(gòu)俯視圖；圖14為噴印裝置結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖15為圖12中A-A向剖視示意圖。
圖中1噴印頭，2檢測輪(傳感器，壓輪)，3最小管徑鋼管，4最大管徑鋼管，5輔助圈，6噴頭極限范圍；12托架，13光電傳感器，14面陣CCD攝像頭，15圓盤擋板，16端部檢測及防撞傳感器，21徑向檢測及防撞傳感器(輪1)，22、23、24、25徑向防撞傳感器(輪2、輪3、輪4，輪5)。
具體實施方式
一種管體內(nèi)表面噴印裝置的作業(yè)空間為三維，噴印裝置與管體內(nèi)表面的干涉包括二方面(1)與管體圓周方向的干涉；(2)噴印裝置端部與管體的干涉。
本發(fā)明的一種管體內(nèi)表面噴印裝置的防碰撞方法，在與機器人末端法蘭連接的噴印裝置最大截面的圓周方向上布置數(shù)個傳感器，在管壁壓靠其中任意二個傳感器或接受到任意二個傳感器信號時，噴印裝置端面輪廓與任意規(guī)格的管壁不干涉；在噴印裝置前端部設(shè)置防撞傳感器，前端面有一個圓盤擋板，用于保護來自軸線方向的碰撞干涉；在作業(yè)過程中，如果管體內(nèi)壁與傳感器碰撞時，噴印裝置即停止作業(yè)。
(1)與管體圓周方向的干涉在已知管體極限規(guī)格的最大、最小內(nèi)徑4、3和噴印頭1最大截面條件下，如何確定防撞傳感器的數(shù)量。首先噴印頭1結(jié)構(gòu)尺寸在滿足功能的前提下盡可能小，噴印頭1最大截面必須小于最小規(guī)格管體的內(nèi)徑3。參見圖1、圖2、圖3，分別為相同條件下，采用三個、四個、五個檢測防撞傳感器2得出的噴印頭1最大極限范圍6分別為圓弧三角形，圓弧四邊形、圓弧五邊形。從圖示可以看出防撞傳感器2數(shù)量多少決定了有效截面面積，數(shù)量越多有效面積越大。如果數(shù)量小于五個時噴印裝置結(jié)構(gòu)難于設(shè)計，數(shù)量多于五個時會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)過于復(fù)雜。所以采用選擇五個檢測防撞傳感器2比較合適，且位于同一圓周上均布。
選擇五個傳感器2后，當?shù)谝粋鞲衅鲏狠?1與小管3內(nèi)壁壓靠時，第二傳感器壓輪22與小管3內(nèi)壁最近，最容易與管壁發(fā)生碰撞，因此需保證此時第二傳感器壓輪22與小管3內(nèi)壁有一定距離，參見圖4。
對于噴印頭截面極限范圍的確定按下列步驟1)參見圖5、圖6，設(shè)小管內(nèi)壁半徑為Rmin，大管內(nèi)壁半徑為Rmax，第一傳感器壓輪21壓靠時相鄰傳感器壓輪22與小管內(nèi)壁距離為D1，任意兩相鄰傳感器壓輪2與大管4內(nèi)壁壓靠時噴印頭1與大管4內(nèi)壁的最小距離為D2，傳感器壓輪2半徑為r，第一傳感器壓輪21、第二傳感器壓輪22輪廓圓分別為C2、C3。參見圖6，以小管中心為圓心作半徑為(Rmin-r-D1)的輔助圓C1，根據(jù)五邊形內(nèi)角和為540°，正五邊形頂角是108°，過第一傳感器壓輪中心A作直線L1，與豎直方向成54°，與輔助圓C1交于一點B，確定第二個傳感器壓輪的中心B，此時第二傳感器壓輪22與小管內(nèi)徑距離為D1；2)參見圖7，作線段AB的垂直平分線，交豎直方向中心線于C，C即是五個傳感器對稱中心；3)參見圖8，以C為中心，確定其余三個傳感器壓輪位置；4)參見圖9，作半徑為Rmax的圓弧C4，分別與第一壓輪21、第二壓輪22相切，表示第一壓輪21、第二壓輪22與大管4內(nèi)壁接觸時的情況；為保證此時噴印頭1不與大管4內(nèi)壁碰撞，應(yīng)有一安全距離D2，以圓弧C4中心為中心，作半徑為(Rmax-D2)的圓弧C5；5)根據(jù)上述步驟1)至步驟4)，依次作出其它各段圓弧C5，五段圓弧C5圍成的區(qū)域為噴印頭1截面的極限范圍，參見圖10。五個傳感器2位于噴印頭1截面極限范圍的圓弧交點內(nèi)。
(2)噴印裝置端部與管體的干涉。
在軸向上的噴印裝置前端面的圓盤擋板直徑Dtop確定步驟為參見圖4，1)用大管內(nèi)壁直徑Dmax依次與第一壓輪21、第二壓輪22、第三壓輪23、第四壓輪24、第五壓輪25中相鄰二個傳感器相切；2)用以上形成的三段Dmax圓弧，作內(nèi)切圓，該內(nèi)切圓直徑為D；3)圓盤擋板最大直徑Dtop不大于D。
參見圖11、圖12、圖13、圖14、圖15，本發(fā)明的管體內(nèi)表面噴印裝置的防碰撞方法采用在噴印裝置最大截面的圓周方向上布置五個傳感器21、22、23、24、25，在噴印裝置前端部設(shè)置防撞傳感器16和圓盤擋板15，避免噴印裝置與管體內(nèi)壁碰撞，這些傳感器既可防撞報警又可用于位置形狀檢測，可消除相關(guān)誤差對噴印作業(yè)影響，提高噴印質(zhì)量。
本發(fā)明可適用于管體外表面的噴印作業(yè)，以及帶卷內(nèi)外表面噴印作業(yè)。
以上借助較佳實施例描述了本發(fā)明的具體實施方式
，但是應(yīng)該理解的是，這里具體的描述不應(yīng)理解為對本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的限定，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員在閱讀本說明書后對上述實施例作出的各種修改，都屬于本發(fā)明所保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種管體內(nèi)表面噴印裝置的防碰撞方法，其特征是在與機器人末端法蘭連接的噴印裝置最大截面的圓周方向上布置數(shù)個傳感器，在管壁壓靠其中任意二個傳感器或接受到任意二個傳感器信號時，噴印裝置端面輪廓與任意規(guī)格的管壁不干涉；在噴印裝置前端部設(shè)置防撞傳感器，前端面有一個圓盤擋板，用于保護來自軸線方向的碰撞干涉；在作業(yè)過程中，如果管體內(nèi)壁與傳感器碰撞時，噴印裝置即停止作業(yè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管體內(nèi)表面噴印裝置的防碰撞方法，其特征是在已知管體極限規(guī)格的最大、最小內(nèi)徑和噴印頭最大截面條件下，噴印頭最大截面必須小于最小規(guī)格管體的內(nèi)徑，傳感器選擇為五個，且位于同一圓周上均布。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的管體內(nèi)表面噴印裝置的防碰撞方法，其特征是噴印頭截面極限范圍的確定按下列步驟(1)設(shè)小管內(nèi)壁半徑為Rmin，大管內(nèi)壁半徑為Rmax，第一傳感器壓輪壓靠時相鄰傳感器壓輪與小管內(nèi)壁距離為D1，任意兩相鄰傳感器壓輪與大管內(nèi)壁壓靠時噴印頭與大管內(nèi)壁的最小距離為D2，傳感器壓輪半徑為r，第一傳感器壓輪、第二傳感器壓輪輪廓圓分別為C2、C3；以小管中心為圓心作半徑為(Rmin-r-D1)的輔助圓C1，根據(jù)五邊形內(nèi)角和為540°，正五邊形頂角是108°，過第一傳感器壓輪中心A作直線L1，與豎直方向成54°，與輔助圓C1交于一點B，確定第二個傳感器壓輪的中心B，此時第二傳感器壓輪與小管內(nèi)徑距離為D1；(2)作線段AB的垂直平分線，交豎直方向中心線于C，C即是五個傳感器對稱中心；(3)以C為中心，確定其余三個傳感器壓輪位置；(4)作半徑為Rmax的圓弧C4，分別與第一壓輪、第二壓輪相切，表示第一壓輪、第二壓輪與大管內(nèi)壁接觸時的情況；為保證此時噴印頭不與大管內(nèi)壁碰撞，應(yīng)有一安全距離D2，以圓弧C4中心為中心，作半徑為(Rmax-D2)的圓弧C5；(5)根據(jù)上述步驟(1)至步驟(4)，依次作出其它各段圓弧C5，五段圓弧C5圍成的區(qū)域為噴印頭截面的極限范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管體內(nèi)表面噴印裝置的防碰撞方法，其特征是在軸向上的噴印裝置前端面的圓盤擋板直徑Dtop確定步驟為(1)用大管內(nèi)壁直徑Dmax依次與第一壓輪、第二壓輪、第三壓輪、第四壓輪中相鄰二個傳感器相切；(2)用以上形成的三段Dmax圓弧，作內(nèi)切圓，該內(nèi)切圓直徑為D(3)圓盤擋板最大直徑Dtop不大于D。
全文摘要
本發(fā)明涉及冶金噴印技術(shù)，尤其涉及一種管體內(nèi)表面軸向或圓周方向噴印裝置防碰撞方法。一種管體內(nèi)表面噴印裝置的防碰撞方法，其特征是在與機器人末端法蘭連接的噴印裝置最大截面的圓周方向上布置數(shù)個傳感器，在管壁壓靠其中任意二個傳感器或接受到任意二個傳感器信號時，噴印裝置端面輪廓與任意規(guī)格的管壁不干涉；在噴印裝置前端部設(shè)置防撞傳感器，前端面有一個圓盤擋板，用于保護來自軸線方向的碰撞干涉；在作業(yè)過程中，如果管體內(nèi)壁與傳感器碰撞時，噴印裝置即停止作業(yè)。本發(fā)明的防碰撞方法可確保在作業(yè)過程中防止噴印裝置碰撞管體內(nèi)壁，提高設(shè)備安全性。
文檔編號B25J5/00GK101045400SQ20061002518
公開日2007年10月3日 申請日期2006年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者吳瑞珉, 金成國, 潘勝波, 呂常青 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司