专利名称：无导轨全位置行走光电实时跟踪球罐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球罐智能焊接装置。
随着石油化工工业的发展，球形储罐的使用越来越广泛，而且容积越来越大，使得制造储罐时焊接工作量成倍增加，因此自动化焊接的需求愈来愈迫切。
目前国内外无论在手工焊接或者机械化焊接球罐时都要依靠焊接工人密切注视焊缝熔池，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，且难以焊接球罐除赤道外的环焊缝，因此仍急需解决无导轨真能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98202799.0)在使用中取得了很多经验和对产品改进的启示，也为全面解决上述问题准备了基础，以备实现真正意义上的全位置自动化的作业装置。
本实用新型的目的在于针对上述自动焊机的不足，提供一种无导轨全位置行走光电实时跟踪球罐焊接机器人。
本实用新型是通过以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球罐焊接机器人，由爬行机构和自动跟踪系统两大部分组成，其爬行机构采用横跨式磁性轮车式结构的爬行车体(1)，而自动跟踪系统，由CCD1传感器(2)、CCD2传感器(7)、焊枪高度传感器(9)、PLC控制系统箱(3)、横向跟踪执行机构(4)、纵向跟踪执行机构(5)、摆动机构(6)和焊枪(8)组成。
爬行车体(1)，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。
CCD1传感器(2)连接在车体主板(101)上，横向跟踪执行机构(4)通过底座与与车体主板(101)连接，CCD2传感器(7)和纵向跟踪执行机构(5)连接在横向跟踪执行机构(4)的移动滑块(401)上。
摆动机构(6)和焊枪高度传感器(9)通过其底座与纵向跟踪执行机构(5)的移动滑块固定连接，摆动机构(6)的移动滑块与焊枪(8)相连接。
微机智能控制系统以S7-200型可编程控制器为核心，其外围主要有人机接口、爬行车体直流驱动电路、步进电机控制驱动电路、CCD传感器信号检测与处理电路。
本实用新型具有以下优点和效果1．本实用新型不需导轨支持，通过磁轮吸附在球罐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．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，高度跟踪精度为±1.0mm；3．本实用新型可实现多种摆动方式焊接，摆幅为±25mm，摆动重复精度为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，系统软件能根据控制盒面板上各旋钮、开关的设定值来综合协调控制各机构的运行动作。
附图的图面说明如下
图1A为本实用新型结构原理示意图的正视图
图1B为本实用新型结构原理示意图的侧视图图2A为本实用新型实施例工作情况立体示意图图2B为本实用新型实施例工作情况立体示意图的仰视图图3为本实用新型微机智能控制系统组成框图图4为本实用新型爬行车体直流驱动电路框图图5为本实用新型步进电机控制驱动电路框图图6为本实用新型CCD传感器信号检测与处理电路图7为本实用新型微机智能控制系统工作流程图
以下结合附图和实施例作进一步说明由
图1可见，本实用新型主要由爬行机构和自动跟踪系统两大部分组成，其爬行机构采用横跨式磁性轮车式结构的爬行车体1，而自动跟踪系统，由CCD1传感器2、CCD2传感器7、焊枪高度传感器9、PLC控制系统箱3、横向跟踪执行机构4、纵向跟踪执行机构5、摆动机构6和焊枪8组成。
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，通过磁轮吸附在球罐表面上，根据被焊件的表面情况和参数调整好磁轮102的角度，以期达到最紧密的接触。这是由于本实用新型采用了磁轮角度调节机构106，保证爬行车体1既可与球罐焊接，也可以内侧焊接，可适应球罐的直径在很大范围内变化。同时又采用柔性机构107使爬行具有一定的穿越障碍的能力。爬行车体1引导放置时，以爬行车体上的CCD1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CCD1传感器2与左右两侧的爬行驱动电动机103组成一自动跟踪系统，由CCD1传感器2检测爬行车体1与跟踪线的偏差，再由左右驱动电动机103的转速差实现偏差调节，以保证爬行车体1自动跟踪跟踪线而爬行，而间接自动跟踪焊接坡口；CCD2传感器7与横向跟踪执行机构4又组成一套自动跟踪系统，以便及时调整由于爬行车体1跟踪调整时而引起的偏差，由滑块带动焊枪8左右随动，进行长度方向上的焊缝轨迹线跟踪。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。CCD1和CCD2传感器识别精度为0.03mm，轨迹跟踪精度为±0.5mm；焊枪高度传感器9与纵向跟踪执行机构5组成一套自动跟踪系统，由传感器触头直接测量焊缝附近的球罐表面高度的变化，以便随时检测焊枪至工件的高度，然后由滑块带动焊枪进行调整，使焊枪至工件的距离保持恒定。焊枪高度传感器9的测量精度为0.01mm，高度跟踪精度为±1.0mm；本实用新型装有摆动机构6，故可实现摆动焊接，由爬行车体1的行走方式与摆动机构6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。
本实用新型的微机智能控制系统，系统的硬件主要由PLC控制系统箱与各传感器(CCD1、CCD2、焊枪高度)，电机的接口电路组成。系统软件能根据控制盒面板上旋钮，开关的设定值和轨迹线来综合协调控制爬行车体，横向，纵向跟踪执行机构和摆动机构。
由图2A、2B可见，图2A示出本实用新型实施例的工作情况立体示意图。图2B为本实用新型实施例工作情况立体示意图的仰视图，从图中可见爬行机构采用横跨式磁性轮车式结构的爬行车体1，车体左右各装有一对磁轮102，每对磁轮102各自由直流电动机通过二级蜗轮蜗杆减速器104进行驱动。磁轮组通过柔性机构107与侧板105相连接，主板101与侧板105二者铰接，在其间装有磁轮角度调节机构106(图中未示出)，能保证各磁轮与球罐表面紧密接触。爬行车体1在球罐表面的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。
光电实时跟踪系统，它包括光电轨迹跟踪系统与接触式高度跟踪系统。前者由CCD传感器与一个用步进电机驱动的横向跟踪执行机构组成，CCD1传感器2与车体主板101连接，横向跟踪执行机构4通过底座与与车体主板101连接，CCD2传感器7和纵向跟踪执行机构5连接在横向跟踪执行机构4的移动滑块401上，进行长度方向的焊缝轨迹跟踪。后者由焊枪高度传感器9(直线电位传感器)与一个用步进电机驱动的纵向跟踪执行机构5组成，焊枪高度传感器9通过其底座与纵向跟踪执行机构5的移动滑块固定连接，由滑块带动焊枪进行高度方向上的轨迹跟踪。
又可见摆动机构6通过底座与纵向跟踪执行机构5的移动滑块固定连接，而摆动机构6由一个摆动中心传感器、一个步进电机驱动的滑台机构及焊枪8夹持机构组成。
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0.2us，满足本系统的要求，同时有大量的算术和逻辑运算指令和电机控制信号输出，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、图象、声音等。本系统的输入命令分为数字控制量和车速、摆速、摆速、滞时四个模拟量，输出只有一个，即焊车行车速度。
数字量接入，如图所示只需将按钮一端接入PLC输入端口，所有按钮另一段并接接+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和D/A转换过程进行控制，而只需在需要的时候从其映象单元取出或写入映象单元即可。
3．爬行车体直流驱动电路由图4可知，爬行车体1由分置于两侧的两个航空用直流电机带动，爬行车体1的转速调节以调整各自的电枢电压实现，同时依靠转速的变化实现拐弯，行车方向的改变靠改变励磁电流方向实现。
由于本实用新型将用于全位置焊接，因此爬行车体1处于不同位置时行车速度的稳定对焊接质量非常重要。本控制系统在供电电源方面采取了电枢电流正反馈的电路，在内部调整电路中采用了电枢电压恒定控制。
4．步进电机控制驱动电路由图5可知，焊枪摆动，左右跟踪和高低跟踪，各选用了一套步进电机。二套步进电机的共同点就是需要频繁换向和启停，同时要求速度可变。为此专门设计了VFC转换电路用以供给步进电机驱动模块步进脉冲，左右和高低跟踪步进电机的速度不需随时调整，采用了用电位器分压独立调节，其调节要求爱PLC控制。
5．CCD传感器信号检测与处理电路由图6可知，系统采用线型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。此信号犬范围为0～+5V，+2.5V表示坡口跟踪线恰好与传感器中心线重合。
由图7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球罐焊接机器人，由爬行机构和自动跟踪系统两大部分组成，爬行机构采用横跨式磁性轮车式结构的爬行车体(1)，其特征在于爬行车体(1)，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；自动跟踪系统，由CCD1传感器(2)、CCD2传感器(7)、焊枪高度传感器(9)、PLC控制系统箱(3)、横向跟踪执行机构(4)、纵向跟踪执行机构(5)、摆动机构(6)和焊枪(8)组成；CCD1传感器(2)连接在车体主板(101)上，横向跟踪执行机构(4)通过底座与与车体主板(101)连接，CCD2传感器(7)和纵向跟踪执行机构(5)连接在横向跟踪执行机构(4)的移动滑决(401)上，摆动机构(6)和焊枪高度传感器(9)通过其底座与纵向跟踪执行机构(5)的移动滑块固定连接，摆动机构(6)的移动滑块与焊枪(8)相连接。
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球罐焊接机器人，其特征在于磁轮(102)与侧板(105)之间装有柔性机构(107)。
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球罐焊接机器人，其特征在于车体主板(101)与侧板(105)之间铰接，并装有磁轮角度调节机构(106)。
4．根据权利要求1所述的无导轨全位置行走光电实时跟踪球罐焊接机器人，其特征在于本实用新型的微机智能控制系统以S7-200型可编程控制器为核心，其外围主要有人机接口、爬行车体直流驱动电路、步进电机控制驱动电路、CCD传感器信号检测与处理电路。
专利摘要一种无导轨全位置行走光电实时跟踪球罐焊接机器人,由爬行机构和自动跟踪系统两大部分组成。爬行机构采用横跨式磁性轮车式结构的爬行车体(1),直接吸附于球罐表面而爬行,而自动跟踪系统由传感器(2)、(7)、(9)、PLC控制系统箱(3)、两维跟踪执行机构(4)、(5)、摆动机构(6)和焊枪(8)组成。CCD1传感器(2)与横向跟踪执行机构(4)与车体主板(101)相连接,CCD2传感器(7)和纵向跟踪执行机构(5)与横向跟踪执行机构相连接,摆动机构(6)和焊枪高度传感器(9)与纵向跟踪执行机构相连接,摆动机构(6)与焊枪(8)相连接。本实用新型可直线、曲线、球面内、外侧、各种空间位置的多种形式焊接,具有精度高,可靠性好,结构简单,实用性良好的优点。
文档编号B25J11/00GK2435199SQ0023438
公开日2001年6月20日 申请日期2000年5月12日 优先权日2000年5月12日
发明者蒋力培, 吴忠宪, 焦向东, 薛龙, 马宏泽 申请人:中国石化集团第十建设公司, 北京石油化工学院