一种防弧光与焊渣飞溅的焊接小车的制作方法

本实用新型涉及石油化工行业中管道焊接施工现场的自动焊接技术领域。更具体地说，本实用新型涉及一种防弧光与焊渣飞溅的焊接小车。

背景技术：

石油化工产业作为国家重要支柱产业之一，为国家的经济发展做出了巨大贡献，管道焊接是其中一项重要技术。制约我国石油化工产业发展的主要因素之一是管道焊接器械的自动化程度低，管道焊接用机械设备故障率高，很难达到快速生产的要求。拥有世界先进技术国家，例如日本、美国、德国等在管道焊接自动焊接技术研发方面已投入大量精力，很多现代化工厂已实现了自动化生产，而我们国家在近些年才实现半自动化生产。以使用的碳钢厚壁管道焊接为例，新世纪后，中国还有一大部分工厂使用手工电弧焊，在焊接过程中的弧光和烟尘对人体产生极大伤害，并且人容易产生疲劳，导致焊接质量不稳定且容易产生安全事故。一般管道焊接的部分工作可在预制厂内使用工业焊接机器人完成，但在野外施工现场，由于工作环境的复杂性，主要还是依靠人工焊接。极少数施工现场投放了磁力吸附式焊接小车完成管道焊接，由于在焊接过程中需要人工实时监测，通过控制面板按键操作来修正焊枪运动轨迹。

为解决该问题，采用基于激光视觉传感器的焊缝跟踪技术，利用相干性、一致性、单色性的激光器作为辅助光源来获取表征焊缝结构的激光条纹，该技术结合了视觉与线结构光的三角测量技术，可获取大量焊缝信息。但在焊接过程中，激光视觉传感器一般超前于焊枪，激光条纹与熔池有一定距离，导致由视觉传感器识别的焊缝中心位置是超前于焊枪的实际位置，其间距越小则越容易实现精确的跟踪控制。然而该间距≤30mm后，受电弧光、烟尘和飞溅等因素的干扰，现场采集的焊缝图像被大量噪声覆盖，大大降低系统跟踪精度。为减少噪声干扰快速、准确的识别出焊缝是实时焊缝跟踪重要的问题。同时，基于磁力吸附式的焊接小车在行进中极易吸附飞溅的焊渣，导致小车跑偏。

目前，针对采用机器视觉的磁力吸附式焊接小车在防弧光与焊渣飞溅还未有好的解决办法。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的是提供一种防弧光与焊渣飞溅的焊接小车，利用挡板和毛刷解决了激光视觉焊缝跟踪技术中弧光和焊渣对视觉图像质量影响问题，提高焊缝图像质量，降低图像处理难度，进而实现精确自动化焊接。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种防弧光与焊渣飞溅的焊接小车，包括：

小车车体，其内设置有水平的导轨，所述导轨一端设置于小车车体内且另一端凸出于小车车体外，所述导轨通过导轨驱动机构驱动沿垂直于焊接方向移动；

激光视觉传感器，其固定于所述导轨另一端并平行于小车车体位于小车车体的一侧外，所述激光视觉传感器沿焊接方向的后侧面下端向下竖直延伸设置有挡板，所述挡板向下竖直延伸设置有毛刷，所述激光视觉传感器电连接图像处理装置输入端；

焊枪，其通过激光视觉传感器上的固定元件沿焊接方向安装于激光视觉传感器后方；

控制器，其输入端电连接图像处理装置的输出端，所述控制器的输出端电连接导轨驱动机构。

优选的是，所述激光视觉传感器包括：黑色氧化处理的传感器外壳、相机、激光发生器、激光线反射镜、透光性隔板，所述相机、激光发生器和激光线反射镜固定安装于传感器外壳内，所述透光性隔板固定安装于传感器外壳窗口上，所述相机采用CMOS相机，所述激光发生器为一字线红光激光发生器，其波长为650nm，功率为16mW。

优选的是，所述导轨驱动机构为油缸，所述固定元件包括焊枪高度调节电机、连接件和螺杆，所述焊枪高度调节电机固定于所述激光视觉传感器后侧面上且与所述控制器的输出端电连接，所述螺杆竖直设置且通过焊枪高度调节电机连接并驱动转动，所述连接件一端固定连接焊枪、另一端具有竖直通孔，且通孔具有内螺纹，所述连接件通过通孔的内螺纹配合套设于所述螺杆上。

优选的是，所述小车车体通过磁轮吸附并沿管道爬行。

优选的是，所述小车车体具有一对前轮和一对后轮，并通过焊接管道上设置的爬行轨道卡装后沿管道爬行。

优选的是，一对前轮通过前轮轴连接，一对后轮通过后轮轴连接，前轮轴以及后轮轴的移动带动一对前轮和一对后轮的转动爬行，所述爬行轨道包括：

第一固定带和第二固定带，其均可围成弧形结构且两者长度相等，所述第一固定带和第二固定带均包括一体成型并列设置的连接带、定位带和开口带，所述第一固定带和第二固定带的连接带的一端均向内凹陷形成通道、另一端均向外延伸形成延伸带，所述延伸带可配合在所述通道内移动；所述第一固定带和第二固定带的定位带一端均与连接带的一端平齐且长度均小于连接带的长度，所述第一固定带的定位带长度小于所述第二固定带的定位带长度；所述第一固定带和第二固定带的开口带长度均与其定位带的长度相等且两端平齐，所述开口带内部具有沿其长度方向贯通的中空方形腔体，且腔体中部具有贯通外部的开口，所述开口上下表面具有向外延伸的一对水平限位板，所述第一固定带和第二固定带的开口带相对间隔设置且开口带下部沿其长度方向通过多根导带固定连接；所述第一固定带的连接带未设置定位带的一侧面向内凹陷形成方形凹槽，其靠近定位带的一侧面连接有弹簧一端；

活动带，其包括活动定位带和活动开口带，所述活动开口带为第一固定带开口带长度的一部分，所述活动定位带的外侧通过卡合件卡装于所述凹槽槽底内并可配合沿凹槽长度方向移动，所述弹簧另一端固定于所述活动定位带上，所述弹簧延伸最长时，所述活动带一侧紧挨凹槽靠近延伸带的一侧面，所述活动带另一侧与第二固定带的开口带端面平齐；

一对连接件，其包括转动轴和一对滑轮，一对滑轮连接于转动轴的两端，转动轴移动时带动一对滑轮转动移动，一对滑轮分别配合于第一固定带和第二固定带的开口带的腔体中，并可沿腔体的长度方向移动，转动轴恰好位于一对限位板之间；一对连接件的转动轴的中部分别通过一对连接杆固定连接前轮轴和后轮轴的中部；

一对连接绳，其连接于第一固定带和第二固定带两端部相邻的两根导带上，以将第一固定带和第二固定带固定套设于焊接管道上；

一对活动轨道，其为多节可拆卸的单节轨道组装而成，一对活动轨道分别可拆卸连接于第一固定带和第二固定带上表面，一对前轮和一对后轮分别卡装于一对活动轨道上。

优选的是，所述连接绳一端固定于其中一导带一侧面下部，另一端为自由端，所述连接绳由两根并列间隔且两端固定连接为一体的绳形成，其中一导带一侧面上部固定有一对并排间隔设置的固定杆一端，一对固定杆另一端固定连接固定块，其上下底面以及靠近固定杆的一侧面均设置有多个限位杆，所述限位杆下端固定于固定块上，上端均垂直于固定块表面向外延伸且固定有一限位球，其直径大于限位杆的直径；另一导带从其侧面向其上表面具有贯通的孔道，其恰好容纳所述连接绳穿过，所述连接绳的两根绳之间的间隔略小于所述限位杆的直径。

优选的是，所述第一固定带和第二固定带下底面还设置有一层弹性层。

本实用新型至少包括以下有益效果：

1、焊接过程中，由于有毛刷及挡板遮挡装置，弧光和焊渣对图像的干扰程度大大降低，极大提高了激光视觉焊缝跟踪的准确性，整个过程无需人工手动纠偏，且保证了焊接质量和效率。

2、本实用新型通过设置爬行轨道使得小车车体可以沿轨道爬行从而实现管道的焊接，另外，爬行轨道设置为可调节大小，针对不同的管道可实现在一定范围内适用不同直径大小的管道，另外对管道的抱紧程度也可通过设置的爬行轨道实现不同的松紧程度。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型焊接小车的结构示意图；

图2为本实用新型激光视觉传感器的结构示意图；

图3为本实用新型焊接小车焊缝跟踪纠正偏差的流程图；

图4为本实用新型第一固定带和第二固定带一端的主视图；

图5为本实用新型第一固定带和第二固定带另一端的俯视图；

图6为本实用新型导带连接的俯视图；

图7为本实用新型导带连接的侧视图。

附图标记说明：

1、送丝软管，2、激光视觉传感器，3、小车车体，4、把手，5、磁轮，6、导轨，7、毛刷，8、焊枪，9、焊枪高度调节电机，10、传感器外壳，11、相机，12、激光发生器，13、激光线反射镜，14、透光性隔板，15、挡板，16、镜头，17、连接带，18、定位带，19、开口带，20、通道，21、延伸带，22、限位板，23、导带，24、弹簧，25、活动定位带，26、活动开口带，27、转动轴，28、滑轮，29、连接杆，30、前轮轴，31、前轮，32、活动轨道，33、连接绳，34、固定杆，35、固定块，36、限位球，37、限位杆，38、弹性层。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是；在本实用新型的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1至3所示，本实用新型提供一种防弧光与焊渣飞溅的焊接小车，包括：

小车车体3，其内设置有水平的导轨6，所述导轨6一端设置于小车车体3内且另一端凸出于小车车体3外，所述导轨6通过驱动机构驱动沿垂直于焊接方向移动；

激光视觉传感器2，其固定于所述导轨6另一端并平行于小车车体3位于小车车体3的一侧外，所述激光视觉传感器2沿焊接方向的后侧面下端向下竖直延伸设置有挡板15，所述挡板15向下竖直延伸设置有毛刷7，所述激光视觉传感器2电连接图像处理装置输入端；

焊枪8，其通过激光视觉传感器2上的固定元件沿焊接方向安装于激光视觉传感器2后方；

控制器，其输入端电连接图像处理装置的输出端，所述控制器的输出端电连接导轨6驱动机构。

在上述技术方案中，激光视觉传感器2通过固定元件与焊枪8位置固定，且激光视觉传感器2沿焊接方向安装在焊枪8之前以保证焊枪8在达到焊接位置前提前进行偏差计算和处理，激光视觉传感器2固定于导轨6另一端，从而使得激光视觉传感器2和焊枪8均安装于小车车体3上，跟随小车车体3一起沿轨道爬行，小车车体3的爬行可通过两对磁轮5，也就是小车车体3为磁力吸附式焊接小车，也可以通过设置爬行轨道使得小车车体3沿管道爬行焊接，爬行轨道在磁力吸附不能使用时可起到替补的作用，小车车体3卡装于爬行轨道上，卡装即卡合且不脱离，小车车体3上还设置有把手4。导轨6可沿小车车体3在垂直于焊接方向移动，从而带动激光视觉传感器2和焊枪8垂直于焊接方向水平移动，焊枪8还连接有送丝软管1以及其他的一些焊接装置。挡板15为铝板，挡板15和毛刷7的设置有效解决了弧光和焊渣对焊接图像干扰问题。

在另一种技术方案中，所述激光视觉传感器2包括：黑色氧化处理的传感器外壳10、相机11、激光发生器12、激光线反射镜13、透光性隔板14，所述相机11、激光发生器12和激光线反射镜13固定安装于传感器外壳10内，所述透光性隔板14固定安装于传感器外壳10窗口上，所述的相机11采用CMOS相机，所述激光发生器12为一字线红光激光发生器12，其波长为650nm，功率为16mW。

在上述技术方案中，所述相机11带有镜头16，以一定角度固定安装在传感器壳体内。所述相机11采用130万像素CMOS相机，焊接过程中，相机11通过千兆网线将携带有焊缝信息的特征条纹的图像数据传输给图像处理装置，由图像处理装置计算检测到的焊缝中心与焊枪8摆动中心的偏差值，输出偏差数据，再传输给控制器，通过控制器控制运动执行机构实时纠正偏差。所述激光发生器12的激光通过激光线反射镜13后，激光束投射在管道焊缝表面形成表征焊缝轮廓特征的结构光条纹。激光视觉传感器2距离管道表面距离则需视具体型号而定，安装时应尽量使激光束和焊缝位于相机11的视野中央位置。

基于所述激光视觉引导的管道全位置焊接方法，包括步骤：

Step1、焊接开始前，将焊接小车车体摆放在管段上，调节焊枪处于初始焊接位置且使焊缝位置处于相机视场范围内，又要保证在焊接过程中V型坡口两边的激光线长度大致相等，调整好焊接电流、电压、小车爬速、焊枪摆幅、焊枪摆速、焊枪高度等参数。

Step2、焊接开始后，激光视觉传感器的相机采集焊缝图像并通过千兆网线将图像数据传输到图像处理装置，通过调用OpenCV软件的库函数进行图像特征区域提取并计算焊缝与焊枪的偏差值。

Step3、图像处理装置通过485串口将偏差值传送给控制器PLC，PLC控制执行机构实时纠正偏差，精确引导焊枪自动焊接。

在另一种技术方案中，所述导轨6驱动机构为油缸，所述固定元件包括焊枪高度调节电机9、连接件和螺杆，所述焊枪高度调节电机9固定于所述激光视觉传感器2后侧面上且与所述控制器的输出端电连接，所述螺杆竖直设置且通过焊枪高度调节电机9连接并驱动转动，所述连接件一端固定连接焊枪8、另一端具有竖直通孔，且通孔具有内螺纹，所述连接件通过通孔的内螺纹配合套设于所述螺杆上。

在上述技术方案中，上述执行机构指的就是焊枪高度调节电机9以及导轨6驱动机构油缸，油缸可驱动导轨6远离或靠近小车车体3移动，也就是水平垂直于焊接方向移动；而焊枪高度调节电机9可驱动焊枪8在竖直方向垂直于焊接方向移动，从而实现精确的自动焊接。焊枪高度调节电机9可通过控制器实现正转和反转，也就实现螺杆沿其轴线的顺时针或逆时针转动，从而带动连接件在高度方向上下移动，也就是最终实现焊枪8在垂直于焊接方向上下高度方向的调节。

如图4至7所示，在另一种技术方案中，一对前轮31通过前轮轴30连接，一对后轮通过后轮轴连接，前轮轴30以及后轮轴的移动带动一对前轮31和一对后轮的转动爬行，所述爬行轨道包括：

第一固定带和第二固定带，其均可围成弧形结构且两者长度相等，所述第一固定带和第二固定带均包括一体成型并列设置的连接带17、定位带18和开口带19，所述第一固定带和第二固定带的连接带17的一端均向内凹陷形成通道20、另一端均向外延伸形成延伸带21，所述延伸带21可配合在所述通道20内移动；所述第一固定带和第二固定带的定位带18一端均与连接带17的一端平齐且长度均小于连接带17的长度，所述第一固定带的定位带18长度小于所述第二固定带的定位带18长度；所述第一固定带和第二固定带的开口带19长度均与其定位带18的长度相等且两端平齐，所述开口带19上部具有沿其长度方向贯通的中空方形腔体，且腔体中部具有贯通外部的开口，所述开口上下表面具有向外延伸的一对水平限位板22，所述第一固定带和第二固定带的开口带19相对间隔设置且开口带19下部沿其长度方向通过多根导带23固定连接；所述第一固定带的连接带17未设置定位带18的一侧面向内凹陷形成方形凹槽，其靠近定位带18的一侧面连接有弹簧24一端；

活动带，其包括活动定位带25和活动开口带26，所述活动开口带26为第一固定带开口带19长度的一部分，所述活动定位带25的外侧通过卡合件卡装于所述凹槽槽底内并可配合沿凹槽长度方向移动，所述弹簧24另一端固定于所述活动定位带25上，所述弹簧24延伸最长时，所述活动带一侧紧挨凹槽靠近延伸带21的一侧面，所述活动带另一侧与第二固定带的开口带19端面平齐；

一对连接件，其包括转动轴27和一对滑轮28，一对滑轮28连接于转动轴27的两端，转动轴27移动时带动一对滑轮28转动移动，一对滑轮28分别配合于第一固定带和第二固定带的开口带19的腔体中，并可沿腔体的长度方向移动，转动轴27恰好位于一对限位板22之间；一对连接件的转动轴27的中部分别通过一对连接杆29固定连接前轮轴30和后轮轴的中部；

一对连接绳33，其连接于第一固定带和第二固定带两端部相邻的两根导带23上，以将第一固定带和第二固定带固定套设于焊接管道上；

一对活动轨道32，其为多节可拆卸的单节轨道组装而成，一对活动轨道32分别可拆卸连接于第一固定带和第二固定带上表面，一对前轮31和一对后轮分别卡装于一对活动轨道32上。

在上述技术方案中，第一固定带和第二固定带相对设置，且两者是通过多根导带23连接在一起的，在对管道进行焊接时，首先将第一固定带和第二固定带紧贴管道外侧面，根据管道的直径，将第一固定带和第二固定带的延伸带21分别伸入到其对应的固定带通道20内，然后根据固定带对管道的抱紧程度，如果还需要进一步抱紧，则继续将延伸带21向通道20内延伸，从而第一固定带也就是图5中左侧的固定带上设置的活动带向下压缩弹簧24，使得固定带的长度相对减小，直至满足抱紧要求，再通过一对连接绳33将相邻的导带23连接起来使得第一固定带和第二固定带紧密固定于管道上。活动带以及第二固定带长于第一固定带的定位带18和开口带19部分相结合可在一定范围内调节固定带的长度，同时连接件的一对滑轮28配合于开口带19内，在此处调节固定带长度的部分只有一边有开口带19，但是运行过程中其长度较短并不影响滑轮28的转动移动。通过驱动转动轴27沿管道外侧移动，可带动一对滑轮28在开口带19内不脱离地转动向焊接方向滑动。固定带以及连接件安装好后，在固定带上表面可拆卸安装活动轨道32，活动轨道32由多节单节轨道可拆卸形成，如此可根据轨道的直径来设定活动轨道32的长度，更为方便，活动轨道32安装好后，将小车车体3的一对前轮31和一对后轮卡装于活动轨道32上，并通过一对连接杆29将前轮轴30和后轮轴与一对连接件的一对转动轴27分别对应连接起来，从而实现通过驱动转动轴27的移动实现带动小车车体3的爬行。活动轨道32用于卡装小车车体3，而固定带一方面可安装活动轨道32，另一方面可实现抱紧管道，使得小车车体3可在爬行轨道上稳定沿轨道爬行焊接。

在另一种技术方案中，所述连接绳33一端固定于其中一导带23一侧面下部，另一端为自由端，所述连接绳33由两根并列间隔且两端固定连接为一体的绳形成，其中一导带23一侧面上部固定有一对并排间隔设置的固定杆34一端，一对固定杆34另一端固定连接固定块35，其上下底面以及靠近固定杆34的一侧面均设置有多个限位杆37，所述限位杆37下端固定于固定块35上，上端均垂直于固定块35表面向外延伸且固定有一限位球36，其直径大于限位杆37的直径；另一导带23从其侧面向其上表面具有贯通的孔道，其恰好容纳所述连接绳33穿过，所述连接绳33的两根绳之间的间隔略小于所述限位杆37的直径。

在上述技术方案中，当固定带的长度调节合适后，将连接绳33的自由端从另一导带23的孔道中穿出，然后绕到固定块35上设置的限位杆37上，根据需要限位的距离，合理选择不同位置的限位杆37，且通过限位球36保证连接绳33在无外力作用下不会脱离限位杆37，另外连接绳33是通过其两根绳的间隔依次套于限位杆37上，直至其最终套设的限位杆37处，可保证连接绳33的稳定性，多根限位杆37在同一竖直平面内，同时在固定块35的三个面上均设置有限位杆37，可调节的幅度更大且更为精准，固定块35侧面上的限位杆37是位于一对固定杆34之间的，固定杆34不干涉连接绳33卡合于限位杆37上。导带23上相对设置有一对连接绳33，因此对应的固定块35以及孔道等均设置有一对。

在另一种技术方案中，所述第一固定带和第二固定带下底面还设置有一层弹性层38。弹性层38的设置增加了固定带与管道的摩擦力，使得固定带与管道的抱紧更牢固，使得爬行轨道更稳固。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。