本發(fā)明涉及一種焊接裝置，具體是一種多棱管內(nèi)焊縫跟蹤裝置，屬于焊接技術(shù)及控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

眾所周知，焊接技術(shù)已經(jīng)滲透到制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中，是機(jī)械制造業(yè)中僅次于裝配和切削加工的第三大產(chǎn)業(yè)，焊接已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)、能源行業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、航空航天制造業(yè)等領(lǐng)域，是現(xiàn)代化先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。隨著時(shí)代的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)（包括計(jì)算機(jī)、電子、機(jī)器人及數(shù)控等）的發(fā)展，傳統(tǒng)的手工焊接顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。

二十世紀(jì)七八十年代的時(shí)候出現(xiàn)了焊縫跟蹤技術(shù)，是焊接機(jī)器人的發(fā)展帶動(dòng)了焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展。在五十年代末六十年代初，美國(guó)生產(chǎn)了全球第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人之后，焊接機(jī)器人技術(shù)的研究逐漸得到了發(fā)展，總共經(jīng)歷了三代發(fā)展過程。

第一代機(jī)器人是“示教-再現(xiàn)”型機(jī)器人，這類機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境不具備感知和反饋能力，很難適應(yīng)環(huán)境的變化。

第二代機(jī)器人是在第一代的基礎(chǔ)上賦予了類似人的視覺、聽覺、觸覺等感官能力，通過傳感器能夠“感覺”外界事物的變化，從而對(duì)這些變化做出一些簡(jiǎn)單的相應(yīng)動(dòng)作。

第三代機(jī)器人則具備了能像人一樣思考的能力，不僅可以對(duì)外界環(huán)境有所感知，還能靈活地判斷、記憶和決策等。

隨著焊接應(yīng)用的范圍越來越廣泛，已經(jīng)不局限在地面上工作，還需要在各種區(qū)間進(jìn)行作業(yè)，比如在極其狹窄的空間里（管道中），這是傳統(tǒng)的手工焊接無法涉及的區(qū)域，人是無法在這特殊區(qū)間里完成工作的。因此，焊縫跟蹤裝置就起到了重要的作用，幫助人們完成焊接任務(wù)。

現(xiàn)在多數(shù)的焊接機(jī)器人還是處于第一代的“示教”水平，這類機(jī)器人在實(shí)際焊接環(huán)境中可能導(dǎo)致實(shí)際的焊縫軌跡與預(yù)先示教路徑的偏移，以致焊縫的質(zhì)量難以得到保障，所以這類示教型的機(jī)器人并非真正具有焊縫跟蹤功能，其它具有焊縫跟蹤裝置的機(jī)器人行走的軌跡與工件實(shí)際焊縫位置發(fā)生偏移時(shí)，通過傳感器可以檢測(cè)到該偏差，自動(dòng)調(diào)整行走路徑，進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，但并非由功能強(qiáng)大的單片機(jī)控制，且又無法滿足我們特殊的工作環(huán)境。我們的發(fā)明是針對(duì)焊接的某一特定領(lǐng)域，即多棱管內(nèi)部焊接，由于作業(yè)環(huán)境比較特殊，目前又缺少專業(yè)的焊接設(shè)備，多數(shù)企業(yè)僅僅焊接外側(cè)焊縫，只在兩端焊接內(nèi)側(cè)焊縫，一旦遇上暴風(fēng)雨等極端載荷，有可能發(fā)生焊縫撕裂，造成可怕的后果。本發(fā)明中的焊縫跟蹤裝置可以進(jìn)入多棱管中進(jìn)行作業(yè)，有效解決此類問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)焊接的某一特定領(lǐng)域——即多棱管內(nèi)部焊接，提供一種多棱管內(nèi)焊縫跟蹤裝置，該跟蹤控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，運(yùn)用角鋼建造一個(gè)長(zhǎng)度為0.35m，寬度為0.2m，高為0.1m的架構(gòu)作為車身，并以前輪為驅(qū)動(dòng)輪，后輪為從動(dòng)輪，將步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)、電源等重要模塊嵌入在小車內(nèi)部，充分合理地利用小車框架的內(nèi)部空間，該裝置用于類似管道的多棱管內(nèi)部。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：多棱管內(nèi)焊縫跟蹤裝置，其特征是，該裝置由傳感器組件、信息處理系統(tǒng)、跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制對(duì)象構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述傳感器組件包括CMOS傳感器模塊，所述信息處理系統(tǒng)包括微控制器K60P100M100SF2，所述跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)、兩個(gè)舵機(jī)、焊炬、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器以及8051系列的增強(qiáng)版微控制器STC12C5A60S2；該裝置可以在類似管道的多棱管內(nèi)部進(jìn)行焊接工作，使得管內(nèi)焊接更方便與充分，更防止遇到暴風(fēng)雨等極端載荷發(fā)生焊縫撕裂的情況，避免造成可怕的后果；

所述控制對(duì)象包括機(jī)身、置于機(jī)身底部的兩前輪和兩后輪、置于機(jī)身上的機(jī)械桿，所述焊炬設(shè)置在機(jī)械桿上，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別與兩前輪連接，所述CMOS傳感器模塊安裝在機(jī)械桿上，機(jī)械桿上還設(shè)有一字激光筆；

所述一字激光筆照射在焊縫處，形成激光圖像；利用CMOS傳感器模塊采集照射在焊縫處的激光圖像，微控制器K60P100M100SF2通過線狀激光投影進(jìn)行模式識(shí)別分析并判斷焊炬與焊縫偏移量的大小，然后將糾偏信號(hào)傳送給跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)，微控制器STC12C5A60S2接收到糾偏信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)舵機(jī)分別控制機(jī)械桿在X和Y方向進(jìn)行小幅度的擺動(dòng)，調(diào)整焊炬與焊縫的偏差值，直至找到焊縫的正確位置，同時(shí)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)向前行駛，利用左右步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪微小的速度差實(shí)現(xiàn)焊炬左右方向的微小擺動(dòng)。

所述CMOS傳感器模塊具體為OV7620 攝像頭。

所述機(jī)身由角鋼架構(gòu)而成，其長(zhǎng)0.35米、寬0.2米、高0.1米。

所述機(jī)身內(nèi)設(shè)有電源模塊，所述電源模塊分別連接舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、微控制器STC12C5A60S2、微控制器K60P100M100SF2、一字激光筆、CMOS傳感器模塊。

所述K60P100M100SF2微處理器是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位微處理器，具有擴(kuò)展性強(qiáng)、能耗超低、混合信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，該類型的內(nèi)核處理器不僅高效還非常容易學(xué)習(xí)和使用，具有很強(qiáng)的控制信號(hào)處理能力并很快面向數(shù)字信號(hào)控制市場(chǎng)。

本發(fā)明利用了焊縫跟蹤傳感技術(shù)、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)、圖像處理技術(shù)、舵機(jī)執(zhí)行技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等，是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)關(guān)鍵的技術(shù)是傳感器技術(shù)，通過對(duì)多種傳感技術(shù)的分析最終選擇了視覺焊縫跟蹤傳感技術(shù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無需接觸工件、獲得信息量大且抗干擾能力強(qiáng)，還不受各種坡口形狀的限制，實(shí)時(shí)性好，測(cè)量精度高、靈敏度高等。

參照了飛思卡爾智能車的圖像采集原理，選擇了OV7620 攝像頭作為該系統(tǒng)的傳感器（傳感器組件）?？紤]到圖像處理需要運(yùn)行速度快、處理能力強(qiáng)的芯片作為處理器，所以圖像處理部分（信息處理系統(tǒng)）選用的是基于ARM CortexTM-M4內(nèi)核32位微控制器K60P100M100SF2作為處理器。根據(jù)51單片機(jī)簡(jiǎn)單易懂、操作方便等特點(diǎn)，所以跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用8051系列的增強(qiáng)版微控制器STC12C5A60S2作為處理器。圖像處理部分主要是利用CMOS傳感器攝像頭采集照射在焊縫的激光圖像，K60處理器通過線狀激光投影進(jìn)行模式識(shí)別分析并判斷焊炬與焊縫偏移量的大小，然后將糾偏信號(hào)傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，STC處理器接收到信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)舵機(jī)分別控制機(jī)械桿在X和Y方向進(jìn)行小幅度的擺動(dòng)，調(diào)整焊炬與焊縫的偏差值，直至找到焊縫的正確位置，同時(shí)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)向前行駛，利用左右步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪微小的速度差實(shí)現(xiàn)焊炬左右方向的微小擺動(dòng)。

本發(fā)明以小車作為架構(gòu)，前輪為驅(qū)動(dòng)輪，后輪為從動(dòng)輪，可以進(jìn)入多棱管內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤焊縫。多棱管大小不一，直徑最小的只有0.3m左右，直徑大的達(dá)到1.5m左右，長(zhǎng)度可達(dá)12m。在這種環(huán)境下，人是不可能鉆到里面進(jìn)行焊接作業(yè)的，基于這種情況，目前由于缺少專業(yè)的焊接設(shè)備，多數(shù)企業(yè)僅僅焊接外側(cè)焊縫，只在兩端焊接內(nèi)側(cè)焊縫，一旦遇上暴風(fēng)雨等極端載荷，有可能發(fā)生焊縫撕裂，造成可怕的后果。本次發(fā)明運(yùn)用角鋼建造一個(gè)長(zhǎng)度為0.35m，寬度為0.2m，高為0.1m的架構(gòu)作為車身，并以前輪為驅(qū)動(dòng)輪，后輪為從動(dòng)輪，將步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)、電源等重要模塊嵌入在小車內(nèi)部，充分合理地利用小車框架的內(nèi)部空間。

本發(fā)明可以有效地解決在特殊的工作環(huán)境中人工焊接無法完成的窘迫問題，對(duì)提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率、改善工人勞動(dòng)條件、保證過硬的焊接質(zhì)量具有重大意義。焊接自動(dòng)化技術(shù)對(duì)焊接行業(yè)乃至機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，因此，多棱管焊縫跟蹤裝置市場(chǎng)前景良好，值得期待。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的焊縫跟蹤簡(jiǎn)圖；

圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明的焊縫跟蹤原理圖；

圖4為本發(fā)明的主要部件示意圖；

圖5為本發(fā)明的工作流程圖。

具體實(shí)施方式

多棱管內(nèi)焊縫跟蹤裝置由傳感器組件、信息處理系統(tǒng)、跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制對(duì)象構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，傳感器組件包括CMOS傳感器模塊，信息處理系統(tǒng)包括基于ARM CortexTM-M4內(nèi)核的32位微控制器K60P100M100SF2，跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)、焊炬、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)舵機(jī)以及8051系列的增強(qiáng)版微控制器STC12C5A60S2。

控制對(duì)象包括機(jī)身、置于機(jī)身底部的兩前輪和兩后輪、置于機(jī)身上的機(jī)械桿，焊炬設(shè)置在機(jī)械桿上，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別與兩前輪連接，CMOS傳感器模塊安裝在機(jī)械桿上，機(jī)械桿上還設(shè)有一字激光筆。機(jī)身由角鋼架構(gòu)而成，其長(zhǎng)0.35米、寬0.2米、高0.1米。機(jī)身內(nèi)設(shè)有電源模塊，電源模塊分別連接舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、微控制器STC12C5A60S2、微控制器K60P100M100SF2、一字激光筆、CMOS傳感器模塊。

該跟蹤控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)關(guān)鍵的技術(shù)是傳感器技術(shù)，通過對(duì)多種傳感技術(shù)的分析最終選擇了視覺焊縫跟蹤傳感技術(shù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無需接觸工件、獲得信息量大且抗干擾能力強(qiáng)，還不受各種坡口形狀的限制，實(shí)時(shí)性好，測(cè)量精度高、靈敏度高等。

參照了飛思卡爾智能車的圖像采集原理，選擇了OV7620 攝像頭作為該系統(tǒng)的傳感器?？紤]到圖像處理需要運(yùn)行速度快、處理能力強(qiáng)的芯片作為處理器，圖像處理部分選用的是基于ARM CortexTM-M4內(nèi)核32位微控制器K60P100M100SF2作為處理器，根據(jù)51單片機(jī)簡(jiǎn)單易懂、操作方便等特點(diǎn)，所以跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用8051系列的增強(qiáng)版微控制器STC12C5A60S2作為處理器。

一字激光筆照射在焊縫處，形成激光圖像；利用CMOS傳感器攝像頭（OV7620 攝像頭）采集照射在焊縫的激光圖像，K60處理器（微控制器K60P100M100SF2）通過線狀激光投影（激光圖像）進(jìn)行模式識(shí)別分析并判斷焊炬與焊縫偏移量的大小，然后將糾偏信號(hào)傳送給跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)，STC處理器（微控制器STC12C5A60S2）接收到糾偏信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)舵機(jī)分別控制機(jī)械桿在X和Y方向進(jìn)行小幅度的擺動(dòng)，調(diào)整焊炬與焊縫的偏差值，直至找到焊縫的正確位置，同時(shí)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)向前行駛，利用左右步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪微小的速度差實(shí)現(xiàn)焊炬左右方向的微小擺動(dòng)。