专利名称：无导轨全位置行走光电实时跟踪管道焊接机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无导轨全位置实时跟踪焊接装置，尤指在装置中设置了自动调节焊枪角度的机构及全位置实施测控系统，使这类机器人的功能更加完善。
背景技术：
目前国内外无论在手工焊接或者机械化焊接管道时都要依靠焊接工人密切注视焊缝溶池，不断调节焊枪的传统操作方式。又由于在野外施工时工作环境恶劣，这种传统操作方式的劳动强度大，技术难度高已造成焊工培养困难，流失严重等问题。国内使用的自动化焊接装置必须有导轨支持及人工跟踪焊缝，如美国的BUG-O型焊车和加拿大的GULLO OSCILLATOR型焊接车均为导轨式焊车，焊前需烦杂的导轨安装，焊接时需焊接工人实时调节对中焊缝，因此急需解决无导轨全位置自动跟踪不同形式和参数焊缝的自适应控制问题。本实用新型申请人于1998年生产出了记忆跟踪式自动弧焊车(专利号为98202799.0)、2000年生产出无导轨全位置行走光电实时跟踪球罐焊接机器人(专利号为00234382.7)，在使用中取得了很多经验和对产品改进的启示，在球罐上采用磁轮式无导轨自动焊接技术基础上，根据管道焊接的特点，设置了角度调节机构及全位置实施测控系统，以满足管道不同位置时对焊枪位置要求的工艺参数。从而进一步改进了原设计，使其功能更加完善，进一步提高了焊接的质量。
发明内容
根据背景技术所述，本实用新型的目的在于提供一种装置有焊枪角度调节机构的无导轨全位置行走光电实时跟踪管道焊接机器人，能有效改善和满足焊枪位置要求的焊枪工艺参数。
为了实现上述目的，本实用新型是振据如下技术方案来实现的一种无导轨全位置行走光电实时跟踪管道焊接机器人，主要由爬行机构和自动跟踪系统组成，其中爬行机构采用横跨式磁性轮车式结构的爬行车体(1)，自动跟踪装置由CCD传感器(2)，横向跟踪执行机构(3)，摆动机构(4)，纵向执行机构(5)，焊枪角度调节机构(6)，焊枪(7)，PLC控制箱和遥控面板(图中未示)组成，其中
爬行体(1)的车体主板(101)上，通过角度调节板(108)与左右磁轮(102)相连接，每对磁轮(102)各自由电机(103)通过减速器(104)进行驱动；CCD传感器(2)通过连接板(109)及摆动机构(4)的底座与移动滑块(105)连接；横向跟踪执行机构(3)通过其底座与车体主板(101)相连接；摆动机构(4)通过其底座与横向跟踪执行机构(3)的移动滑块(105)相连接；纵向执行机构(5)通过其底座与摆动机构(4)的移动滑块(106)相连接；焊枪角度调节机构(6)，由小齿轮(111)和角度调节齿轮(110)，驱动电机(113)和导向轮(114)组成，并通过连接板(112)与纵向执行机构(5)相连接；微机智能控制以S7-200型可编程控制器为核心，其外围主要有人机接口，爬行车体交流伺服驱动器，步进电机控制驱动电路，CCD传感器信号检测与处理电路及全位置实施测控系统。
由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下的优点和效果1、本实用新型不需要导轨支持，通过磁轮吸附在管道表面上能沿焊缝坡口进行360°的全位置的自动行走，能进行各种空间位置的多道、多层、直线和曲线焊缝的自动焊接，不需人工跟踪，爬行车体车速为0-80cm/min，由于采用了柔性机构，焊接爬行具有一定的穿越障碍的能力；2、本实用新型采用全位置传感器，能够实时检测焊车运行位置，调整焊枪角度及电压、电流、焊接速度等控制参数，进而实现管道全位置焊接。
3、本实用新型完全实现了焊接的自动跟踪，本实用新型轨迹跟踪精度为±0.5mm；4、本实用新型研制的微机智能控制系统结构紧凑，集成度高，软件设计模块化，可靠性高，系统软件能根据遥控面板上各旋钮、开关的设定值来综合协调控制各机构的运行动作；5、本实用新型充分考虑了使用要求，使其维护、修理简易。
图1A为本实用新型结构总体主视示意图图1B为本实用新型结构总体俯视示意图图1C为本实用新型结构总体侧视示意图图2A为本实用新型焊枪角度调节机构侧视示意图图2B为本实用新型焊枪角度调节机构主视示意图图3为本实用新型微机控制系统电路组成原理图图4为本实用新型CCD传感器信号检测与处理电路原理图图5为本实用新型微机智能控制系统工作流程图图中1-爬行车体，101-车体主板，102-磁轮，103-电机，104-减速器，105-移动滑块，106-移动滑块，107-连接板，108-角度调节板，109-连接板，110-角度调节齿轮，111-小齿轮，112-连接板，113-驱动电机，114-导向轮，2-CCD传感器，3-横向跟踪执行机构，4-摆动机构，5-纵向执行机构，6-焊枪角度调节机构，7-焊枪具体实施方式
由图1A、图1B、图1C所示，一种无导轨全位置行走光电实时跟踪管道焊接机器人，主要由爬行机构和自动跟踪系统组成，其中爬行机构采用横跨式磁性轮车式结构的爬行车体1，自动跟踪装置由CCD传感器2，横向跟踪执行机构3，摆动机构4，纵向执行机构5，焊枪角度调节机构6，焊枪7，PLC控制箱和遥控面板组成，其中爬行车体1的车体主板101上，通过角度调节板108与左右磁轮102相连接，每对磁轮102各自由电机103通过减速器104进行驱动；CCD传感器2通过连接板109及摆动机构4的底座与移动滑块105连接；横向跟踪执行机构3通过其底座与车体主板101相连接；摆动机构4通过其底座与横向跟踪执行机构3的移动滑块105相连接；纵向执行机构5通过其底座与摆动机构4的移动滑块106相连接；焊枪角度调节机构6，由小齿轮111和角度调节齿轮110，驱动电机113和导向轮114组成，并通过连接板112与纵向执行机构5相连接；微机智能控制以S7-200型可编程控制器为核心，其外围主要有人机接口，爬行车体交流伺服驱动器，步进电机控制驱动电路，CCD传感器信号检测与处理电路及位置实施测控系统。
由图可知，爬行车体1采用行车式车体结构，车体左右各装有一对磁轮102，每对磁轮102各自由电动机103通过减速器104进行驱动，由此组成一车轮组件通过角度调节板108与车体主板101连接。爬行车体1不需导轨支持，通过磁轮吸附在管道表面上，与管道紧密接触，爬行车体1在管道表面各种空间位置都能稳定爬行，如前进，后退，拐弯等各种运行方式。爬行车体1引导放置时，以爬行车体上的CCD传感器2的中心位置处于跟踪线(焊接前用划线器划出一条平行于焊接坡口的线)的正上方位置。
爬行车体1运行时左右两轮等速前进，不需跟踪。CCD传感器2与横向跟踪执行机构3组成一套自动跟踪系统，以便及时调整由于爬行车体1运行时而引起的偏差，由滑块带动焊枪7左右随动，进行长度方向上的焊缝轨迹线跟踪，同时由角度调节机构6实时调节焊枪7与管道之间的角度。由于是依照与坡口平行的跟踪线进行非接触的跟踪，在多层多道焊接的情况下也能实现重复自动跟踪。CCD传感器识别精度为0.03mm，轨迹跟踪精度为±0.5mm；本实用新型装有摆动机构4，故可实现摆动焊接，由爬行车体1的行走方式与摆动机构4的摆动的有机结合，可实现焊枪的多种摆动方式，摆幅为±25mm，摆动重复精度为0.5mm，完全满足焊枪使用技术要求。
光电实时跟踪系统，由CCD传感器与一个用步进电机驱动的横向跟踪执行机构3组成，横向跟踪执行机构3通过底座与车体主板101连接，摆动机构4通过底座与横向跟踪执行机构3的移动滑块105连接。CCD传感器2通过连接板109及摆动机构4的底座与移动滑块105连接，从而进行长度方向的焊缝轨迹跟踪。
又可见摆动机构4通过底座与横向执行机构3的移动滑块固定连接，而摆动机构4由一个摆动中心传感器、一个步进电机驱动的滑块机构组成。焊枪角度调节机构6通过连接板与纵向执行机构5相连接，焊枪角度调节机构6由小齿轮111和角度调节齿轮110组成。
由图2A、图2B所示，焊枪角度调节机构6，由小齿轮111，角度调节齿轮110，驱动电机113和导向轮114组成，其中角度调节齿轮110通过连接板107固定于纵向执行机构5，驱动电机113通过减速器带动小齿轮111转动，由导向轮114沿着角度调节齿轮110转动，由于焊枪7通过连接板112与焊枪角度调节机构6相连接，从而带动焊枪7进行角度调节。
由于焊接每层焊缝时，管道焊接机器人需要在0°～360°之间变化，不同于球罐焊接，变化率非常大，而此时，需要焊枪与管道之间有严格的角位置关系，为此要实现自动化和智能化，就非常需要设置焊枪角度调节机构。
由图3可见，本实用新型的运行完全由微机智能控制系统控制，微机智能控制系统硬件主要由S7-200型PLC微机控制器与各传感器、电机的接口电路组成。
1.核心控制器核心控制器选用可编程控制器，包括CPU模块，A/D与D/A模块和电源模块。CPU模块能实现复杂的实时控制功能，其指令执行时间仅为0.2μs，满足本系统的要求，同时又大量的算术和逻辑运算指令其电机控制信号输出，如将其编程为PWM工作方式，可方便地实现直流电机调速，如将其编程为PTO工作方式，可实现步进电机调速。CPU模块还具有大量的位存储器、计数器与定时器，可灵活运用于程序控制。
2.人机接口人机接口的功能是把人的意愿转变为控制器可以接受的信号并输入给控制器，把系统的运行状态或参数转换为直观的自然现象如数字、图像、声音等。本系统的输入命令分为数字控制量和车速、摆速、滞时四个模拟量，输出只有一个，即焊车行车速度。
数字量输入，如图所示只需将按钮一端接入PLC输入端口，所有按钮另一端并接+24端即可，由PLC提供隔离。
模拟量的给定分别由固定在面板上的四个电位器以分压方式给出。选用了模数、数模转换模块，可基本独立于CPU工作，不用指令单独对其A/D、D/A转换过程进行控制，而只需在需要的时候从其映像单元取出或写入映像单元即可。
3.全位置实时测控系统由全位置传感器、信号处理电路、人机接口及PLC控制器组成，实时检测焊车运行位置，调整焊枪角度及电压、电流、焊接速度等控制参数，进而实现管道全位置焊接。
由图4可知，CCD传感器信号检测与处理电路系采用线型CCD芯片，在光电源照射下，坡口跟踪线通过透镜在线型CCD芯片表面成像，有线条影像处的CCD像元信号电压变弱，此信号电压经过二值化电路处理转换成5V的负脉冲电压信号，将此负脉冲信号进行处理及D/A转换，可以获得一个模拟量信号电压，以反映焊接坡口跟踪线与传感器中心线间的偏差。此信号大范围为0-+5V，+2.5V表示坡口跟踪线恰好与传感器中心线重合。
由图5可知，本实用新型在运行时微机智能控制系统的全部工作流程。
权利要求1.一种无导轨全位置行走光电实时跟踪管道焊接机器人，主要由爬行机构和自动跟踪装置组成，其中爬行机构采用横跨式磁性轮车式结构的爬行车体(1)，自动跟踪装置，由CCD传感器(2)，横向跟踪执行机构(3)，摆动机构(4)，纵向执行机构(5)，焊枪角度调节机构(6)，焊枪(7)，PLC控制箱和遥控面板组成，其特征在于爬行车体(1)的车体主板(101)上，通过角度调节板(108)与左右磁轮(102)相连接，每对磁轮(102)各自由电机(103)通过减速器(104)进行驱动；CCD传感器(2)通过连接板(109)及摆动机构(4)的底座与移动滑块(105)连接；横向跟踪执行机构(3)通过其底座与车体主板(101)相连接；摆动机构(4)通过其底座与横向跟踪执行机构(3)的移动滑块(105)相连接；纵向执行机构(5)通过其底座与摆动机构(4)的移动滑块(106)相连接；焊枪角度调节机构(6)，由小齿轮(111)和角度调节齿轮(110)，驱动电机(113)和导向轮(114)组成，并通过连接板(112)与纵向执行机构(5)相连接；微机智能控制以S7-200型可编程控制器为核心，其外围主要有人机接口，爬行车体交流伺服驱动器，步进电机控制驱动电路，CCD传感器信号检测与处理电路及位置实施测控系统。
2.根据权利要求1所述的无导轨全位置行走光电实时跟踪管道焊接机器人，其特征在于焊枪角度调节机构(6)，由小齿轮(111)，角度调节齿轮(110)，驱动电机(113)和导向轮(114)组成，其中角度调节齿轮(110)通过连接板(107)固定于纵向执行机构(5)，驱动电机(113)通过减速器带动小齿轮(111)转动，由导向轮(114)沿着角度调节齿轮(110)转动，焊枪(7)通过连接板(112)与焊枪角度调节机构(6)相连接。
3.根据权利要求1所述的无导轨全位置行走光电实时跟踪管道焊接机器人，其特征在于全位置实时测控系统，主要由全位置传感器、信号处理电路、人机接口及PLC控制器组成，其中全位置传感器与信号处理电路相连接，通过接口连接于PLC控制器。
专利摘要一种无导轨全位置行走光电实时跟踪管道焊接机器人，主要由爬行机构和自动跟踪装置组成，采用横跨式磁性轮车式的爬行车体(1)，自动跟踪系统有CCD传感器(2)，横向跟踪执行机构(3)，摆动机构(4)，纵向执行机构(5)，焊枪角度调节机构(6)，焊枪(7)，PLC控制箱、位置实施测控系统及遥控面板组成，其中焊枪角度调节机构(6)，由小齿轮(111)和角度调节齿轮(110)，驱动电机(113)和导向轮(114)组成，并通过连接板(112)与纵向执行机构(5)相连接。本实用新型结构紧凑，集成度高，由于采用了焊枪角度调节机构(6)，其焊接质量更加提高，更加自动化，本实用新型可直线、曲线、管道内、外侧，各种空间，多种形式焊接，精度高，可靠性好。
文档编号B23K9/127GK2652577SQ0324677
公开日2004年11月3日 申请日期2003年4月25日 优先权日2003年4月25日
发明者蒋力培, 薛龙, 李明利, 焦向东 申请人:北京石油化工学院