CN111168317A - 一种用于自动焊接机器人的自动对口装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于自动焊接机器人的自动对口装置及方法，该装置包括：第一高度传感器、第二高度传感器、第三高度传感器、第一光电转换模块、第二光电转换模块、第三光电转换模块、第一光源驱动模块、第二光源驱动模块、第三光源驱动模块、第一放大器、第二放大器、第三放大器、光源触发模块、同步采集AD转换器和主控模块，由主控模块根据经过光电转换、放大和AD转换处理的各个高度传感器的采集信号确认两段待焊接管道的管道口是否对准。本发明通过高度传感器测量需要焊接在一起的两个管道的管口高度，能够保证现场管道架空时的对口精度，从而满足自动焊接机器人进行焊接操作的要求。

Description

一种用于自动焊接机器人的自动对口装置及方法

技术领域

本发明涉及石化装置现场施工领域，具体涉及一种用于自动焊接机器人的自动对口装置及方法。

背景技术

石化生产装置区内管道数量很多，一般大型装置区的管道焊接寸径达到100多万，现在现场的焊接方式都为人工焊接，效率低、成本高且焊接质量不稳定，严重制约了装置区的交付投运时间。而自动焊接机器人一般都是固定在生产线上使用，不能随时移动以适合现场施工；且现场的管道多为贴地铺设，需要架空并保证两管之间的对口精度才能实施自动焊接。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种用于自动焊接机器人的自动对口装置及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于自动焊接机器人的自动对口装置，包括：第一高度传感器、第二高度传感器、第三高度传感器、第一光电转换模块、第二光电转换模块、第三光电转换模块、第一光源驱动模块、第二光源驱动模块、第三光源驱动模块、第一放大器、第二放大器、第三放大器、光源触发模块、同步采集AD转换器和主控模块；

所述第一高度传感器用于检测第一管道的管道口高度，所述第二高度传感器和第三高度传感器用于检测第二管道的管道口高度，所述第一高度传感器经过所述第一光电转换模块分别与所述第一光源驱动模块和第一放大器连接，所述第二高度传感器经过所述第二光电转换模块分别与所述第二光源驱动模块和第二放大器连接，所述第三高度传感器经过所述第三光电转换模块分别与所述第是光源驱动模块和第是放大器连接，所述第一光源驱动模块、第二光源驱动模块和第三光源驱动模块均与所述光源触发模块连接，所述第一放大器、第二放大器、第三光源驱动模块和第三放大器均与所述同步采集AD转换器连接，所述光源触发模块和同步采集AD转换器均与所述主控模块连接。

本发明的有益效果是：通过高度传感器测量需要焊接在一起的两个管道的管口高度，能够保证现场管道架空时的对口精度，从而满足自动焊接机器人进行焊接操作的要求。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述第一放大器、第二放大器、第三放大器的组成结构相同，均包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一运放、第二运放和电容；

所述第一电阻的一端接地，另一端连接所述第一运放的同相输入端，所述第一运放的反相输入端和输出端与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端分别与所述第二运放的反相输入端、所述第四电阻的一端和所述电容的一端连接，所述第四电阻的另一端和所述电容的另一端均与所述第五电阻的一端连接，所述第五电阻的另一端与所述第二运放的输出端连接，所述第二运放的同相输入端通过所述第三电阻后接地。

进一步，所述主控模块包括主控CPU和存储器，所述光源触发模块、同步采集AD转换器和存储器均与所述主控CPU连接。

进一步，所述主控CPU的型号采用LPC2292，所述存储器的型号采用IS61WV102416BLL。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种采用上述装置的用于自动焊接机器人的自动对口方法，包括：

第一高度传感器检测第一管道的管道口高度，生成第一采集信号；第二高度传感器和第三高度传感器检测第二管道的管道口高度，生成第二采集信号和第三采集信号；

第一光电转换模块、第二光电转换模块和第三光电转换模块分别将所述第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号进行光电转换处理；

第一放大器、第二放大器和第三放大器分别将经过光电转换处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号进行放大处理；

光源触发模块发生调制光源；

同步采集AD转换器对经过放大处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号进行AD转换处理；

主控模块根据经过AD转换处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号确认所述第一管道和第二管道的管道口是否对准。

进一步，所述主控模块根据经过AD转换处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号确认所述第一管道和第二管道的管道口是否对准的具体过程包括：

主控模块将所述经过AD转换处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号存入内部缓存并进行滤波处理，产生基准激励脉冲作为第一基准信号，将所述第一基准信号反相后作为第二基准信号，用第一基准信号与第一采集信号相乘的值除以第二基准信号与第一采集信号相乘的值，得到第一高度传感器测得的高度值，用第一基准信号与第二采集信号相乘的值除以第二基准信号与第二采集信号相乘的值，得到第二高度传感器测得的高度值，用第一基准信号与第三采集信号相乘的值除以第二基准信号与第三采集信号相乘的值，得到第三高度传感器测得的高度值，当所述第一高度传感器、第二高度传感器和第三高度传感器测得的高度值相等时，确认所述第一管道和第二管道的管道口对准。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于自动焊接机器人的自动对口装置的结构框图；

图2为放大器的电路图；

图3为主控CPU的电路图；

图4为存储器的电路图；

图5为同步采集AD转换器的电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明实施例提供的一种用于自动焊接机器人的自动对口装置的结构框图，如图1所示，该装置包括：第一高度传感器、第二高度传感器、第三高度传感器、第一光电转换模块、第二光电转换模块、第三光电转换模块、第一光源驱动模块、第二光源驱动模块、第三光源驱动模块、第一放大器、第二放大器、第三放大器、光源触发模块、同步采集AD转换器和主控模块；

所述第一高度传感器用于检测第一管道的管道口高度，所述第二高度传感器和第三高度传感器用于检测第二管道的管道口高度，所述第一高度传感器经过所述第一光电转换模块分别与所述第一光源驱动模块和第一放大器连接，所述第二高度传感器经过所述第二光电转换模块分别与所述第二光源驱动模块和第二放大器连接，所述第三高度传感器经过所述第三光电转换模块分别与所述第是光源驱动模块和第是放大器连接，所述第一光源驱动模块、第二光源驱动模块和第三光源驱动模块均与所述光源触发模块连接，所述第一放大器、第二放大器、第三光源驱动模块和第三放大器均与所述同步采集AD转换器连接，所述光源触发模块和同步采集AD转换器均与所述主控模块连接。

具体的，本装置应用于自动焊接机器人，借助于双臂式机械手，实现现场待焊接管道的同时架空，通过本装置确定管道是否对接到位，确认后即可由自动焊接机器人进行焊接操作，还可借助于摄像头进行焊接过程的记录与检验。整个焊接过程的关键数据可通过4G模块上传至云平台，实现施工现场数据的实时采集与管理同步。

自动焊接机器人系统由以下5部分组成。

1)机械手本体，一般是伺服电机驱动的6轴关节式操作机，由驱动器、传动机构、机械手臂、关节以及内部传感器等组成。主要用于精确控制机械手末端(焊枪)所要求的位置、姿态和运动轨迹。

2)机械手控制柜，它是机械手系统的神经中枢，包括计算机硬件、软件和一些专用电路，负责处理机械手工作过程中的全部信息和控制其全部动作。

3)焊接电源系统，包括焊接电源、专用焊枪等。

4)焊接传感器及系统安全保护设施。

5)焊接工装夹具。

高度传感器主要进行一道管和二道关对口相对高度的检测，放大器将光电转换器的的微弱电信号放大；光源触发主要发生调制光源；同步采集AD转换器，同时完成对一路基准信号和其他几路传感器信号的采集；主控CPU将基准信号和采集信号存入内部缓存，分别将基准信号、采集信号进行滤波处理，然后将一路基准信号反相后作为基准信号2，用基准信号与采集信号相乘的值除以基准信号2与采集信号相乘的值，得到的结果即可反映出传感器测得的高度值。

可选地，在该实施例中，所述第一放大器、第二放大器、第三放大器的组成结构相同，如图2所示，放大器包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一运放U1A、第二运放U1B和电容C1；

所述第一电阻R1的一端接地，另一端连接所述第一运放U1A的同相输入端，所述第一运放U1A的反相输入端和输出端与所述第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端分别与所述第二运放U1B的反相输入端、所述第四电阻R4的一端和所述电容C1的一端连接，所述第四电阻R4的另一端和所述电容C1的另一端均与所述第五电阻R5的一端连接，所述第五电阻R5的另一端与所述第二运放U1B的输出端连接，所述第二运放U1B的同相输入端通过所述第三电阻R3后接地。

具体的，其中，R1和U1A构成电流电压转换电路，将光电转换获取的微弱电流信号转换成电压信号，R2和R4和U1B构成反相放大电路，C1为相位补偿电容，R3为平衡电阻，R5为输出匹配电阻。

可选地，在该实施例中，所述主控模块包括主控CPU和存储器，所述光源触发模块、同步采集AD转换器和存储器均与所述主控CPU连接。

具体的，如图3所示，所述主控CPU的型号采用LPC2292，如图4所示，所述存储器的型号采用IS61WV102416BLL。

图3中，J40、R40、R41、R41、R45和C40，共同组成U40的程序下载接口及系统上电复位电路。42和49脚为串口通信端口，33脚和99脚为触发信号输入端口，当有触发信号时，由LPC2292启动数据采样程序，59、61、68和12脚构成SPI通信端口，主控CPU主要通过SPI端口向DA转换器输出设定阀值。100脚为AD转换完毕信号，当其为低电平时，表明AD转换结束，主控CPU可按照规定时序读取AD转换值。C43、C44、JT40和R45构成主控CPU的振荡时钟，为系统提供稳定时钟。Exi_DATA0-15系统数据线，AD_RangeSel、AD_RST、AD_nSTBY、AD_OverSmpl0-2及AD_FstData在AD转换器部分已经介绍。Exi_ADD0-23为系统地址线。Exi_nRD、Exi_nWR分别为读写控制信号。CS_SRAM和AD_CS分别为存储器和AD转换器的选通线。

图5为同步采集AD转换器的电路图，图中3、4、5号引脚为过采样选择端，分别与主控模块中LPC2292对应的过采样选择输出引脚相连，进行过采样选择；6号引脚为AD7606-6接口方式选择，接低电平时选择并行输出方式，接高电平选择串行输出方式，本设计中接低电平选择并行方式；7号引脚为挂起引脚，由主控模块控制AD7606-6是否挂起，低电平有效；8号引脚为RANGE选择输入端，接100K电阻R500接地，同时与主控模块LPC2292的AD_RangeSel引脚相连，当RANGE输入端为低电平时，采样范围为±5V，当RANGE输入端为高电平时，采样范围为±10V；23号引脚为VDRIE引脚，采用3.3V；9、10号引脚为前三路、后三路采样频率输入引脚；11号脚为RST引脚，当AD7606-6正常工作前，需要对其进行复位操作，由主控模块进行控制；12、13脚分别为读取控制数据时AD7606-6的读信号输入引脚以及片选信号输入引脚；14号脚为中断输出引脚，每次采样完成，AD7606-6将输出中断信号通知LPC2292采样结束；15号脚为FirstData标志引脚，用于串行输出方式中起标记作用；44、45脚分别为前三路、后三路参考电容引脚，接10uF电容C504后接46号脚AGND，保证采样过程中参考电压波形稳定。

本发明实施例提供一种采用上述装置的用于自动焊接机器人的自动对口方法，包括：

S1、第一高度传感器检测第一管道的管道口高度，生成第一采集信号；第二高度传感器和第三高度传感器检测第二管道的管道口高度，生成第二采集信号和第三采集信号；

S2、第一光电转换模块、第二光电转换模块和第三光电转换模块分别将所述第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号进行光电转换处理；

S3、第一放大器、第二放大器和第三放大器分别将经过光电转换处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号进行放大处理；

S4、光源触发模块发生调制光源；

S5、同步采集AD转换器对经过放大处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号进行AD转换处理；

S6主控模块根据经过AD转换处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号确认所述第一管道和第二管道的管道口是否对准。

可选地，在该实施例中，步骤S6的具体过程包括：

主控模块将所述经过AD转换处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号存入内部缓存并进行滤波处理，产生基准激励脉冲作为第一基准信号，将所述第一基准信号反相后作为第二基准信号，用第一基准信号与第一采集信号相乘的值除以第二基准信号与第一采集信号相乘的值，得到第一高度传感器测得的高度值，用第一基准信号与第二采集信号相乘的值除以第二基准信号与第二采集信号相乘的值，得到第二高度传感器测得的高度值，用第一基准信号与第三采集信号相乘的值除以第二基准信号与第三采集信号相乘的值，得到第三高度传感器测得的高度值，当所述第一高度传感器、第二高度传感器和第三高度传感器测得的高度值相等时，确认所述第一管道和第二管道的管道口对准。

具体的，使用ARM处理器LPC2292产生基准激励脉冲，同时用其激励脉冲和其反向脉冲作为基准信号，用高速同步采样来完成对基准信号和高度传感器的采集，消除各个采集通道之间的延迟。并在ARM处理器中完成对对口位置传感信号的解调，从而省去模拟锁相环及滤波器等模拟电路，使得装置复杂性大大降低、可靠性大大增加，并且由于使用数字计算，使得采集装置一致性较好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于自动焊接机器人的自动对口装置，其特征在于，包括：第一高度传感器、第二高度传感器、第三高度传感器、第一光电转换模块、第二光电转换模块、第三光电转换模块、第一光源驱动模块、第二光源驱动模块、第三光源驱动模块、第一放大器、第二放大器、第三放大器、光源触发模块、同步采集AD转换器和主控模块；

所述第一高度传感器用于检测第一管道的管道口高度，所述第二高度传感器和第三高度传感器用于检测第二管道的管道口高度，所述第一高度传感器经过所述第一光电转换模块分别与所述第一光源驱动模块和第一放大器连接，所述第二高度传感器经过所述第二光电转换模块分别与所述第二光源驱动模块和第二放大器连接，所述第三高度传感器经过所述第三光电转换模块分别与所述第是光源驱动模块和第是放大器连接，所述第一光源驱动模块、第二光源驱动模块和第三光源驱动模块均与所述光源触发模块连接，所述第一放大器、第二放大器、第三光源驱动模块和第三放大器均与所述同步采集AD转换器连接，所述光源触发模块和同步采集AD转换器均与所述主控模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于自动焊接机器人的自动对口装置，其特征在于，所述第一放大器、第二放大器、第三放大器的组成结构相同，均包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一运放、第二运放和电容；

所述第一电阻的一端接地，另一端连接所述第一运放的同相输入端，所述第一运放的反相输入端和输出端与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端分别与所述第二运放的反相输入端、所述第四电阻的一端和所述电容的一端连接，所述第四电阻的另一端和所述电容的另一端均与所述第五电阻的一端连接，所述第五电阻的另一端与所述第二运放的输出端连接，所述第二运放的同相输入端通过所述第三电阻后接地。

3.根据权利要求1所述的一种用于自动焊接机器人的自动对口装置，其特征在于，所述主控模块包括主控CPU和存储器，所述光源触发模块、同步采集AD转换器和存储器均与所述主控CPU连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于自动焊接机器人的自动对口装置，其特征在于，所述主控CPU的型号采用LPC2292，所述存储器的型号采用IS61WV102416BLL。

5.一种采用如权利要求1至3任一项所述的装置的用于自动焊接机器人的自动对口方法，其特征在于，包括：

第一高度传感器检测第一管道的管道口高度，生成第一采集信号；第二高度传感器和第三高度传感器检测第二管道的管道口高度，生成第二采集信号和第三采集信号；

第一光电转换模块、第二光电转换模块和第三光电转换模块分别将所述第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号进行光电转换处理；

第一放大器、第二放大器和第三放大器分别将经过光电转换处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号进行放大处理；

光源触发模块发生调制光源；

同步采集AD转换器对经过放大处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号进行AD转换处理；

主控模块根据经过AD转换处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号确认所述第一管道和第二管道的管道口是否对准。

6.根据权利要求5所述的一种用于自动焊接机器人的自动对口方法，其特征在于，所述主控模块根据经过AD转换处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号确认所述第一管道和第二管道的管道口是否对准的具体过程包括：

主控模块将所述经过AD转换处理的第一采集信号、第二采集信号和第三采集信号存入内部缓存并进行滤波处理，产生基准激励脉冲作为第一基准信号，将所述第一基准信号反相后作为第二基准信号，用第一基准信号与第一采集信号相乘的值除以第二基准信号与第一采集信号相乘的值，得到第一高度传感器测得的高度值，用第一基准信号与第二采集信号相乘的值除以第二基准信号与第二采集信号相乘的值，得到第二高度传感器测得的高度值，用第一基准信号与第三采集信号相乘的值除以第二基准信号与第三采集信号相乘的值，得到第三高度传感器测得的高度值，当所述第一高度传感器、第二高度传感器和第三高度传感器测得的高度值相等时，确认所述第一管道和第二管道的管道口对准。

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