专利名称：一种管体内表面喷印装置的防碰撞方法
技术领域：
本发明涉及冶金喷印技术，尤其涉及一种管体内表面轴向或圆周方向喷印装置的防碰撞方法。
背景技术：
冶金产品的在线喷印标记是冶金过程中物流管理的关键环节，它利用介质或外力在产品表面上标记钢种、规格等信息，用于用户与后道工序的识别。钢管产品或柱状产品的外表面喷印可分为产品移动、产品静止两种方式，其中产品移动方式的喷印标记一般通过固定在龙门支架的喷印头在产品移动中进行喷印作业；产品静止方式的喷印标记则多采用悬臂梁支架，喷印台车携带喷印头进行喷印作业。外表面喷印主要采用涂料或墨水，沿轴线方向在钢管表面进行喷印标记。
大管径钢管的内表面喷印相对于管外表面喷印有其特殊性1.喷印方式多样，有管内圆周方向多行喷印或管体轴线方向喷印；2.安全性，因结构尺寸与三维空间作业的原因，需考虑避免喷印设备与管体的干涉碰撞；；3.完备的空间多维测量，由于喷印为空间作业，设备需具有稳定可靠的管体尺寸与位置检测功能；4.设备空间位置和检测标定功能；5.喷印效果的在线监视功能。
现有的管内喷印标记技术一般可分成二类一类是以机器人为执行载体的管内喷印装置，依托机器人灵活、空间任务适应强等特点可完成管内轴向与圆周方向的标记任务；另一类为结合需求设计的专用设备，该类装置适应性差，针对性强，但无法适应喷印作业任务的变更或拓展。
现有的管内喷印装置的防碰撞方法有如下四种1.美国专利US5119109，提出了一种安装在管内或其它曲面内的点阵涂料或墨水喷印头，该喷印头通过传动机构移动，在沿着轴线移动过程中喷印字符点阵。喷印机构与钢管的外表面接触测距导引从当前位置喷印到下一个字符。传动机构在作业过程中携带喷印头完成喷印作业，可通过钢管回转进行多行喷印。它通过手动调节装置来适应钢管规格的变化，无管内圆周方向的喷印与管外喷印的功能。该装置的端部装有机械式行程开关，用于避免装置伸入管内部时喷印装置与管端部撞击。
2.美国专利US4682182，利用机器人执行机构，携带喷头进行钢管管内圆周方向的喷印作业。该专利针对固定管内径(或从上位机获取规格尺寸)设定机器人末端路径，通过光电传感器确定喷印起始位置，进行管内圆周方向单行字的喷印作业。该专利无管体位置和结构尺寸的检测装置，且未充分利用机器人特点，进行喷印作业及其路径规划，导致其装置局限性较大，灵活性与适应性差。该专利喷印头前端设计了包括挡板和传感器的防撞装置，以避免装置伸入管内部时与钢管端部的碰撞。但该装置没有考虑在管体内部进行空间作业时如何避免喷印装置与管体内表面碰撞干涉。
3.奥地利NUMTek Interstahl公司管内喷印产品，是以标准的工业机器人为执行载体，具备管外直径检测与头部防撞检测，可执行管内圆周方向多行喷印与管外轴线方向喷印的功能。该装置通过喷印头上安装的驱动电机将喷头在水平面上旋转90°以实现圆周方向与轴线方向的喷印。该设备端部防撞检测无法检测在圆周方向上与管体内表面的防撞；其钢管外径检测器件安装在靠近机器人末端执行器一端，其检测无法消除管内喷印区段误差，易导致喷印部件与管壁干涉。
4.管外喷印设备，防撞方式有1.采用微动开关进行防撞保护；2.在喷头上安装压靠轮，在作业过程中压靠轮与管体外部接触，并起导向作用。该方式对管体内部喷印作业的防撞不适用。
上述的管体内表面喷印的防撞技术存在的局限性主要体现在以下二点1.在管体内喷印作业中，有二种误差对作业影响很大，一种是管径圆度误差，它可达±1.75％(对1000mm规格的钢管，其直径偏差为±17.5mm)；第二种是管体在辊道上存在水平面与垂直面两个方向的位置偏差。这二种误差在L长的管体上将产生累积误差。一般涂料喷枪的有效喷印范围在25mm～30mm之间，如果累积误差超出或接近喷枪的有效喷印射程，将无法保证喷印质量或喷枪撞上管内壁。管体位置及其尺寸检测不准确也将放大该累积误差，在这种情况下难于确保喷印装置安全，喷印装置可能与内管壁碰撞，喷印效果差或喷印作业无法完成。
2.防撞措施欠缺，由于执行管内的作业，而且机器人携带喷印装置执行的是空间作业(6个自由度，三个位置与三个姿态)，仅通过端部轴向的防撞措施无法避免与管壁其它方向干涉，难于确保设备的安全。奥地利NUMTek_Interstahl公司管内喷印设备是通过与管体碰撞后，机器人的过流过载来停止作业。
发明内容本发明的目的在于提供一种管体内表面喷印装置的防碰撞方法，该喷印装置的防碰撞方法可确保在作业过程中防止喷印装置碰撞管体内壁，提高设备安全性。
本发明是这样实现的一种管体内表面喷印装置的防碰撞方法，其特征是在与机器人末端法兰连接的喷印装置最大截面的圆周方向上布置数个传感器，在管壁压靠其中任意二个传感器或接受到任意二个传感器信号时，喷印装置端面轮廓与任意规格的管壁不干涉；在喷印装置前端部设置防撞传感器，前端面有一个圆盘挡板，用于保护来自轴线方向的碰撞干涉；在作业过程中，如果管体内壁与传感器碰撞时，喷印装置即停止作业。
所述在已知管体极限规格的最大、最小内径和喷印头最大截面条件下，喷印头最大截面必须小于最小规格管体的内径，传感器选择为五个，且位于同一圆周上均布。
所述喷印头截面极限范围的确定按下列步骤(1)设小管内壁半径为Rmin，大管内壁半径为Rmax，第一传感器压轮压靠时相邻传感器压轮与小管内壁距离为D1，任意两相邻传感器压轮与大管内壁压靠时喷印头与大管内壁的最小距离为D2，传感器压轮半径为r，第一传感器压轮、第二传感器压轮轮廓圆分别为C2、C3；以小管中心为圆心作半径为(Rmin-r-D1)的辅助圆C1，根据五边形内角和为540°，正五边形顶角是108°，过第一传感器压轮中心A作直线L1，与竖直方向成54°，与辅助圆C1交于一点B，确定第二个传感器压轮的中心B，此时第二传感器压轮与小管内径距离为D1；(2)作线段AB的垂直平分线，交竖直方向中心线于C，C即是五个传感器对称中心；(3)以C为中心，确定其余三个传感器压轮位置；(4)作半径为Rmax的圆弧C4，分别与第一压轮、第二压轮相切，表示第一压轮、第二压轮与大管内壁接触时的情况；为保证此时喷印头不与大管内壁碰撞，应有一安全距离D2，以圆弧C4中心为中心，作半径为(Rmax-D2)的圆弧C5；(5)根据上述步骤(1)至步骤(4)，依次作出其它各段圆弧C5，五段圆弧C5围成的区域为喷印头截面的极限范围。
所述在轴向上的喷印装置前端面的圆盘挡板直径Dtop确定步骤为(1)用大管内壁直径Dmax依次与第一压轮、第二压轮、第三压轮、第四压轮中相邻二个传感器相切；(2)用以上形成的三段Dmax圆弧，作内切圆，该内切圆直径为D；(3)圆盘挡板最大直径Dtop不大于D。
本发明是通过喷印装置圆周方向与端部的传感器合理布置，避免喷印装置与管体内部碰撞，这些传感器既可防撞报警又可用于位置形状检测，其功能复用。克服了现有管体内表面喷印装置仅仅采用端部防撞检测，其它方向的保护则是通过碰撞冲击引起机器人过载过流而停止作业，从而引起喷印装置与机器人本体的损坏与作业精度丧失的缺陷。本发明的防碰撞方法可确保在作业过程中防止喷印装置碰撞管体内壁，提高设备安全性。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1为喷印头在圆周方向排布三个传感器示意图；图2为喷印头在圆周方向排布四个传感器示意图；图3为喷印头在圆周方向排布五个传感器示意图；图4为喷印头在圆周方向防碰撞原理示意图。
图5为确定喷印头截面极限范围图示1；图6为确定喷印头截面极限范围图示2；图7为确定喷印头截面极限范围图示3；图8为确定喷印头截面极限范围图示4；图9为确定喷印头截面极限范围图示5；图10为确定喷印头截面极限范围图示6；图11为喷印装置结构示意图；图12为喷印装置结构主视图；图13为喷印装置结构俯视图；图14为喷印装置结构侧视图；图15为图12中A-A向剖视示意图。
图中1喷印头，2检测轮(传感器，压轮)，3最小管径钢管，4最大管径钢管，5辅助圈，6喷头极限范围；12托架，13光电传感器，14面阵CCD摄像头，15圆盘挡板，16端部检测及防撞传感器，21径向检测及防撞传感器(轮1)，22、23、24、25径向防撞传感器(轮2、轮3、轮4，轮5)。
具体实施方式
一种管体内表面喷印装置的作业空间为三维，喷印装置与管体内表面的干涉包括二方面(1)与管体圆周方向的干涉；(2)喷印装置端部与管体的干涉。
本发明的一种管体内表面喷印装置的防碰撞方法，在与机器人末端法兰连接的喷印装置最大截面的圆周方向上布置数个传感器，在管壁压靠其中任意二个传感器或接受到任意二个传感器信号时，喷印装置端面轮廓与任意规格的管壁不干涉；在喷印装置前端部设置防撞传感器，前端面有一个圆盘挡板，用于保护来自轴线方向的碰撞干涉；在作业过程中，如果管体内壁与传感器碰撞时，喷印装置即停止作业。
(1)与管体圆周方向的干涉在已知管体极限规格的最大、最小内径4、3和喷印头1最大截面条件下，如何确定防撞传感器的数量。首先喷印头1结构尺寸在满足功能的前提下尽可能小，喷印头1最大截面必须小于最小规格管体的内径3。参见图1、图2、图3，分别为相同条件下，采用三个、四个、五个检测防撞传感器2得出的喷印头1最大极限范围6分别为圆弧三角形，圆弧四边形、圆弧五边形。从图示可以看出防撞传感器2数量多少决定了有效截面面积，数量越多有效面积越大。如果数量小于五个时喷印装置结构难于设计，数量多于五个时会导致结构与系统过于复杂。所以采用选择五个检测防撞传感器2比较合适，且位于同一圆周上均布。
选择五个传感器2后，当第一传感器压轮21与小管3内壁压靠时，第二传感器压轮22与小管3内壁最近，最容易与管壁发生碰撞，因此需保证此时第二传感器压轮22与小管3内壁有一定距离，参见图4。
对于喷印头截面极限范围的确定按下列步骤1)参见图5、图6，设小管内壁半径为Rmin，大管内壁半径为Rmax，第一传感器压轮21压靠时相邻传感器压轮22与小管内壁距离为D1，任意两相邻传感器压轮2与大管4内壁压靠时喷印头1与大管4内壁的最小距离为D2，传感器压轮2半径为r，第一传感器压轮21、第二传感器压轮22轮廓圆分别为C2、C3。参见图6，以小管中心为圆心作半径为(Rmin-r-D1)的辅助圆C1，根据五边形内角和为540°，正五边形顶角是108°，过第一传感器压轮中心A作直线L1，与竖直方向成54°，与辅助圆C1交于一点B，确定第二个传感器压轮的中心B，此时第二传感器压轮22与小管内径距离为D1；2)参见图7，作线段AB的垂直平分线，交竖直方向中心线于C，C即是五个传感器对称中心；3)参见图8，以C为中心，确定其余三个传感器压轮位置；4)参见图9，作半径为Rmax的圆弧C4，分别与第一压轮21、第二压轮22相切，表示第一压轮21、第二压轮22与大管4内壁接触时的情况；为保证此时喷印头1不与大管4内壁碰撞，应有一安全距离D2，以圆弧C4中心为中心，作半径为(Rmax-D2)的圆弧C5；5)根据上述步骤1)至步骤4)，依次作出其它各段圆弧C5，五段圆弧C5围成的区域为喷印头1截面的极限范围，参见图10。五个传感器2位于喷印头1截面极限范围的圆弧交点内。
(2)喷印装置端部与管体的干涉。
在轴向上的喷印装置前端面的圆盘挡板直径Dtop确定步骤为参见图4，1)用大管内壁直径Dmax依次与第一压轮21、第二压轮22、第三压轮23、第四压轮24、第五压轮25中相邻二个传感器相切；2)用以上形成的三段Dmax圆弧，作内切圆，该内切圆直径为D；3)圆盘挡板最大直径Dtop不大于D。
参见图11、图12、图13、图14、图15，本发明的管体内表面喷印装置的防碰撞方法采用在喷印装置最大截面的圆周方向上布置五个传感器21、22、23、24、25，在喷印装置前端部设置防撞传感器16和圆盘挡板15，避免喷印装置与管体内壁碰撞，这些传感器既可防撞报警又可用于位置形状检测，可消除相关误差对喷印作业影响，提高喷印质量。
本发明可适用于管体外表面的喷印作业，以及带卷内外表面喷印作业。
以上借助较佳实施例描述了本发明的具体实施方式
，但是应该理解的是，这里具体的描述不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例作出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
权利要求
1.一种管体内表面喷印装置的防碰撞方法，其特征是在与机器人末端法兰连接的喷印装置最大截面的圆周方向上布置数个传感器，在管壁压靠其中任意二个传感器或接受到任意二个传感器信号时，喷印装置端面轮廓与任意规格的管壁不干涉；在喷印装置前端部设置防撞传感器，前端面有一个圆盘挡板，用于保护来自轴线方向的碰撞干涉；在作业过程中，如果管体内壁与传感器碰撞时，喷印装置即停止作业。
2.根据权利要求1所述的管体内表面喷印装置的防碰撞方法，其特征是在已知管体极限规格的最大、最小内径和喷印头最大截面条件下，喷印头最大截面必须小于最小规格管体的内径，传感器选择为五个，且位于同一圆周上均布。
3.根据权利要求2所述的管体内表面喷印装置的防碰撞方法，其特征是喷印头截面极限范围的确定按下列步骤(1)设小管内壁半径为Rmin，大管内壁半径为Rmax，第一传感器压轮压靠时相邻传感器压轮与小管内壁距离为D1，任意两相邻传感器压轮与大管内壁压靠时喷印头与大管内壁的最小距离为D2，传感器压轮半径为r，第一传感器压轮、第二传感器压轮轮廓圆分别为C2、C3；以小管中心为圆心作半径为(Rmin-r-D1)的辅助圆C1，根据五边形内角和为540°，正五边形顶角是108°，过第一传感器压轮中心A作直线L1，与竖直方向成54°，与辅助圆C1交于一点B，确定第二个传感器压轮的中心B，此时第二传感器压轮与小管内径距离为D1；(2)作线段AB的垂直平分线，交竖直方向中心线于C，C即是五个传感器对称中心；(3)以C为中心，确定其余三个传感器压轮位置；(4)作半径为Rmax的圆弧C4，分别与第一压轮、第二压轮相切，表示第一压轮、第二压轮与大管内壁接触时的情况；为保证此时喷印头不与大管内壁碰撞，应有一安全距离D2，以圆弧C4中心为中心，作半径为(Rmax-D2)的圆弧C5；(5)根据上述步骤(1)至步骤(4)，依次作出其它各段圆弧C5，五段圆弧C5围成的区域为喷印头截面的极限范围。
4.根据权利要求1所述的管体内表面喷印装置的防碰撞方法，其特征是在轴向上的喷印装置前端面的圆盘挡板直径Dtop确定步骤为(1)用大管内壁直径Dmax依次与第一压轮、第二压轮、第三压轮、第四压轮中相邻二个传感器相切；(2)用以上形成的三段Dmax圆弧，作内切圆，该内切圆直径为D(3)圆盘挡板最大直径Dtop不大于D。
全文摘要
本发明涉及冶金喷印技术，尤其涉及一种管体内表面轴向或圆周方向喷印装置防碰撞方法。一种管体内表面喷印装置的防碰撞方法，其特征是在与机器人末端法兰连接的喷印装置最大截面的圆周方向上布置数个传感器，在管壁压靠其中任意二个传感器或接受到任意二个传感器信号时，喷印装置端面轮廓与任意规格的管壁不干涉；在喷印装置前端部设置防撞传感器，前端面有一个圆盘挡板，用于保护来自轴线方向的碰撞干涉；在作业过程中，如果管体内壁与传感器碰撞时，喷印装置即停止作业。本发明的防碰撞方法可确保在作业过程中防止喷印装置碰撞管体内壁，提高设备安全性。
文档编号B25J5/00GK101045400SQ20061002518
公开日2007年10月3日 申请日期2006年3月29日 优先权日2006年3月29日
发明者吴瑞珉, 金成国, 潘胜波, 吕常青 申请人:宝山钢铁股份有限公司