CN106270917B - 多棱管内焊缝跟踪装置 - Google Patents
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Abstract
多棱管内焊缝跟踪装置，属于焊接技术及控制领域。该装置以小车作为架构，前轮为驱动轮，后轮为从动轮，可以进入多棱管内部进行实时跟踪焊缝。当K60处理器通过线状激光投影进行模式识别分析并判断焊炬与焊缝偏移量的大小，然后将纠偏信号传送给执行机构，STC处理器接收到信号后，驱动两个舵机分别控制机械杆在X和Y方向进行小幅度的摆动，调整焊炬与焊缝的偏差值，直至找到焊缝的正确位置，同时驱动步进电机向前行驶，利用左右步进电机驱动轮微小的速度差实现焊炬左右方向的微小摆动。本发明有效地解决在特殊的工作环境中人工焊接甚至其它焊缝跟踪装置无法完成的窘迫问题，提高产品生产效率、改善工人劳动条件、保证焊接质量过硬。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接装置，具体是一种多棱管内焊缝跟踪装置，属于焊接技术及控制领域。
背景技术
众所周知，焊接技术已经渗透到制造业的各个领域中，是机械制造业中仅次于装配和切削加工的第三大产业，焊接已经广泛应用于机械制造业、能源行业、交通运输业、航空航天制造业等领域，是现代化先进制造技术的一个重要组成部分。随着时代的进步，科学技术（包括计算机、电子、机器人及数控等）的发展，传统的手工焊接显然已经不能满足现代工业发展的需求。
二十世纪七八十年代的时候出现了焊缝跟踪技术，是焊接机器人的发展带动了焊缝跟踪技术的发展。在五十年代末六十年代初，美国生产了全球第一台工业机器人之后，焊接机器人技术的研究逐渐得到了发展，总共经历了三代发展过程。
第一代机器人是“示教-再现”型机器人，这类机器人对外界环境不具备感知和反馈能力，很难适应环境的变化。
第二代机器人是在第一代的基础上赋予了类似人的视觉、听觉、触觉等感官能力，通过传感器能够“感觉”外界事物的变化，从而对这些变化做出一些简单的相应动作。
第三代机器人则具备了能像人一样思考的能力，不仅可以对外界环境有所感知，还能灵活地判断、记忆和决策等。
随着焊接应用的范围越来越广泛，已经不局限在地面上工作，还需要在各种区间进行作业，比如在极其狭窄的空间里（管道中），这是传统的手工焊接无法涉及的区域，人是无法在这特殊区间里完成工作的。因此，焊缝跟踪装置就起到了重要的作用，帮助人们完成焊接任务。
现在多数的焊接机器人还是处于第一代的“示教”水平，这类机器人在实际焊接环境中可能导致实际的焊缝轨迹与预先示教路径的偏移，以致焊缝的质量难以得到保障，所以这类示教型的机器人并非真正具有焊缝跟踪功能，其它具有焊缝跟踪装置的机器人行走的轨迹与工件实际焊缝位置发生偏移时，通过传感器可以检测到该偏差，自动调整行走路径，进行实时跟踪，但并非由功能强大的单片机控制，且又无法满足我们特殊的工作环境。我们的发明是针对焊接的某一特定领域，即多棱管内部焊接，由于作业环境比较特殊，目前又缺少专业的焊接设备，多数企业仅仅焊接外侧焊缝，只在两端焊接内侧焊缝，一旦遇上暴风雨等极端载荷，有可能发生焊缝撕裂，造成可怕的后果。本发明中的焊缝跟踪装置可以进入多棱管中进行作业，有效解决此类问题。
发明内容
本发明的目的是针对焊接的某一特定领域——即多棱管内部焊接，提供一种多棱管内焊缝跟踪装置，该跟踪控制系统是一个闭环控制系统，运用角钢建造一个长度为0.35m，宽度为0.2m，高为0.1m的架构作为车身，并以前轮为驱动轮，后轮为从动轮，将步进电机、驱动器、舵机、电源等重要模块嵌入在小车内部，充分合理地利用小车框架的内部空间，该装置用于类似管道的多棱管内部。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：多棱管内焊缝跟踪装置，其特征是，该装置由传感器组件、信息处理系统、跟踪执行机构、控制对象构成一个闭环控制系统，所述传感器组件包括CMOS传感器模块，所述信息处理系统包括微控制器K60P100M100SF2，所述跟踪执行机构包括两个步进电机、两个舵机、焊炬、两个驱动器以及8051系列的增强版微控制器STC12C5A60S2；该装置可以在类似管道的多棱管内部进行焊接工作，使得管内焊接更方便与充分，更防止遇到暴风雨等极端载荷发生焊缝撕裂的情况，避免造成可怕的后果；
所述控制对象包括机身、置于机身底部的两前轮和两后轮、置于机身上的机械杆，所述焊炬设置在机械杆上，两个步进电机分别与两前轮连接，所述CMOS传感器模块安装在机械杆上，机械杆上还设有一字激光笔；
所述一字激光笔照射在焊缝处，形成激光图像；利用CMOS传感器模块采集照射在焊缝处的激光图像，微控制器K60P100M100SF2通过线状激光投影进行模式识别分析并判断焊炬与焊缝偏移量的大小，然后将纠偏信号传送给跟踪执行机构，微控制器STC12C5A60S2接收到纠偏信号后，驱动两个舵机分别控制机械杆在X和Y方向进行小幅度的摆动，调整焊炬与焊缝的偏差值，直至找到焊缝的正确位置，同时驱动步进电机向前行驶，利用左右步进电机驱动轮微小的速度差实现焊炬左右方向的微小摆动。
所述CMOS传感器模块具体为OV7620 摄像头。
所述机身由角钢架构而成，其长0.35米、宽0.2米、高0.1米。
所述机身内设有电源模块，所述电源模块分别连接舵机、步进电机、微控制器STC12C5A60S2、微控制器K60P100M100SF2、一字激光笔、CMOS传感器模块。
所述K60P100M100SF2微处理器是基于ARM Cortex-M4内核的32位微处理器，具有扩展性强、能耗超低、混合信号等优点，该类型的内核处理器不仅高效还非常容易学习和使用，具有很强的控制信号处理能力并很快面向数字信号控制市场。
本发明利用了焊缝跟踪传感技术、单片机数据采集与控制技术、图像处理技术、舵机执行技术、电机驱动技术等，是一个闭环控制系统，系统关键的技术是传感器技术，通过对多种传感技术的分析最终选择了视觉焊缝跟踪传感技术。这种方法的优点是无需接触工件、获得信息量大且抗干扰能力强，还不受各种坡口形状的限制，实时性好，测量精度高、灵敏度高等。
参照了飞思卡尔智能车的图像采集原理，选择了OV7620 摄像头作为该系统的传感器（传感器组件）。考虑到图像处理需要运行速度快、处理能力强的芯片作为处理器，所以图像处理部分（信息处理系统）选用的是基于ARM CortexTM-M4内核32位微控制器K60P100M100SF2作为处理器。根据51单片机简单易懂、操作方便等特点，所以跟踪执行机构选用8051系列的增强版微控制器STC12C5A60S2作为处理器。图像处理部分主要是利用CMOS传感器摄像头采集照射在焊缝的激光图像，K60处理器通过线状激光投影进行模式识别分析并判断焊炬与焊缝偏移量的大小，然后将纠偏信号传送给执行机构，STC处理器接收到信号后，驱动两个舵机分别控制机械杆在X和Y方向进行小幅度的摆动，调整焊炬与焊缝的偏差值，直至找到焊缝的正确位置，同时驱动步进电机向前行驶，利用左右步进电机驱动轮微小的速度差实现焊炬左右方向的微小摆动。
本发明以小车作为架构，前轮为驱动轮，后轮为从动轮，可以进入多棱管内部进行实时跟踪焊缝。多棱管大小不一，直径最小的只有0.3m左右，直径大的达到1.5m左右，长度可达12m。在这种环境下，人是不可能钻到里面进行焊接作业的，基于这种情况，目前由于缺少专业的焊接设备，多数企业仅仅焊接外侧焊缝，只在两端焊接内侧焊缝，一旦遇上暴风雨等极端载荷，有可能发生焊缝撕裂，造成可怕的后果。本次发明运用角钢建造一个长度为0.35m，宽度为0.2m，高为0.1m的架构作为车身，并以前轮为驱动轮，后轮为从动轮，将步进电机、驱动器、舵机、电源等重要模块嵌入在小车内部，充分合理地利用小车框架的内部空间。
本发明可以有效地解决在特殊的工作环境中人工焊接无法完成的窘迫问题，对提高产品生产效率、改善工人劳动条件、保证过硬的焊接质量具有重大意义。焊接自动化技术对焊接行业乃至机械制造业的发展发挥着关键性的作用，因此，多棱管焊缝跟踪装置市场前景良好，值得期待。
附图说明
图1为本发明的焊缝跟踪简图；
图2为本发明的结构框图；
图3为本发明的焊缝跟踪原理图；
图4为本发明的主要部件示意图；
图5为本发明的工作流程图。
具体实施方式
多棱管内焊缝跟踪装置由传感器组件、信息处理系统、跟踪执行机构、控制对象构成一个闭环控制系统，传感器组件包括CMOS传感器模块，信息处理系统包括基于ARMCortexTM-M4内核的32位微控制器K60P100M100SF2，跟踪执行机构包括两个步进电机、焊炬、两个驱动步进电机的驱动器、两个舵机以及8051系列的增强版微控制器STC12C5A60S2。
控制对象包括机身、置于机身底部的两前轮和两后轮、置于机身上的机械杆，焊炬设置在机械杆上，两个步进电机分别与两前轮连接，CMOS传感器模块安装在机械杆上，机械杆上还设有一字激光笔。机身由角钢架构而成，其长0.35米、宽0.2米、高0.1米。机身内设有电源模块，电源模块分别连接舵机、步进电机、微控制器STC12C5A60S2、微控制器K60P100M100SF2、一字激光笔、CMOS传感器模块。
该跟踪控制系统是一个闭环控制系统，系统关键的技术是传感器技术，通过对多种传感技术的分析最终选择了视觉焊缝跟踪传感技术。这种方法的优点是无需接触工件、获得信息量大且抗干扰能力强，还不受各种坡口形状的限制，实时性好，测量精度高、灵敏度高等。
参照了飞思卡尔智能车的图像采集原理，选择了OV7620 摄像头作为该系统的传感器。考虑到图像处理需要运行速度快、处理能力强的芯片作为处理器，图像处理部分选用的是基于ARM CortexTM-M4内核32位微控制器K60P100M100SF2作为处理器，根据51单片机简单易懂、操作方便等特点，所以跟踪执行机构选用8051系列的增强版微控制器STC12C5A60S2作为处理器。
一字激光笔照射在焊缝处，形成激光图像；利用CMOS传感器摄像头（OV7620 摄像头）采集照射在焊缝的激光图像，K60处理器（微控制器K60P100M100SF2）通过线状激光投影（激光图像）进行模式识别分析并判断焊炬与焊缝偏移量的大小，然后将纠偏信号传送给跟踪执行机构，STC处理器（微控制器STC12C5A60S2）接收到纠偏信号后，驱动两个舵机分别控制机械杆在X和Y方向进行小幅度的摆动，调整焊炬与焊缝的偏差值，直至找到焊缝的正确位置，同时驱动步进电机向前行驶，利用左右步进电机驱动轮微小的速度差实现焊炬左右方向的微小摆动。
Claims (3)
1.一种多棱管内焊缝跟踪装置，其特征是，该装置由传感器组件、信息处理系统、跟踪执行机构、控制对象构成一个闭环控制系统，所述传感器组件包括CMOS传感器模块，所述信息处理系统包括微控制器K60P100M100SF2，所述K60P100M100SF2微处理器是基于ARMCortex-M4内核的32位微处理器；所述跟踪执行机构包括两个步进电机、两个舵机、焊炬、两个驱动器以及8051系列的增强版微控制器STC12C5A60S2；
所述控制对象包括机身、置于机身底部的两前轮和两后轮、置于机身上的机械杆，所述机身由角钢架构而成，其长0.35米、宽0.2米、高0.1米；所述焊炬设置在机械杆上，两个步进电机分别与两前轮连接，所述CMOS传感器模块安装在机械杆上，机械杆上还设有一字激光笔；
所述一字激光笔照射在焊缝处，形成激光图像；利用CMOS传感器模块采集照射在焊缝处的激光图像，微控制器K60P100M100SF2通过线状激光投影进行模式识别分析并判断焊炬与焊缝偏移量的大小，然后将纠偏信号传送给跟踪执行机构，微控制器STC12C5A60S2接收到纠偏信号后，驱动两个舵机分别控制机械杆在X和Y方向进行小幅度的摆动，调整焊炬与焊缝的偏差值，直至找到焊缝的正确位置，同时驱动步进电机向前行驶，利用左右步进电机驱动轮微小的速度差实现焊炬左右方向的微小摆动。
2.根据权利要求1所述的多棱管内焊缝跟踪装置，其特征是，所述CMOS传感器模块具体为OV7620摄像头。
3.根据权利要求1所述的多棱管内焊缝跟踪装置，其特征是，所述机身内设有电源模块，所述电源模块分别连接舵机、步进电机、微控制器STC12C5A60S2、微控制器K60P100M100SF2、一字激光笔、CMOS传感器模块。
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