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1、第二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 基于D S P 控制的无导轨全位置焊接机器人 行走机构设计 曹建树薛龙李卫清 ( 北京石油化工学院 北京10 2 6 1 7 ) 要设计了一种基于D S P 的用于球罐垒位置多层焊自动跟踪的焊接机器人行走机构及其控制系统，就其工 作原理、控制系统的硬件设计等要点进行了阐述 关键词：D S P 盛吸武行走机构球罐 D e s i g no fM o v i n gM e c h a n i s mb yM a g n e t i cW h e e l f o rt h e W e l d i n gR o b o tw i t hD S P C a oJ
2、 i a n s h uX u eL o n gL i W e i q i n g ( B c i j i n gI n s t i t u t eo f P e t r o l - c h e m i c a lT e c h n o l o g y ) A b s t r a c t ：Ak i n do fm o v i n gm e c h a n i s mb ym a g n e t i cw h e e lf o rw e l d i n gr o b o tB a s e do nT M S 3 2 0 L F 2 4 0 7i sd e s i g n T h ed e s
3、i g nt h o u g h t , w o r kp r i n c i p l e ，a n dt h ed e s i g no ft h em a i np r o g r a ma r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r W e l d i n gt e s t s h o wt h a tt h em e c h a n i s mc a l lb ea p p l i e da u t o m a t i cw e l d i n gf o rs p h e r i c a lt a n ka n ds t o r et a n k
4、 ，a n di m p r o v et h e w e l d i n gq u a l i t ya n dw e l d i n gs p e e d K e yw o r d s lD S P , a f l e x i b l em a g n e t i cw h e e lm e c h a n i s m ，s p h e r i c a ll a n k 1 前言 随着我国现代化经济建设的迅猛发展，石油化工产品逐年增多，石化球罐等容器的体积 容量以及数量正在快速增加，仅石化部门每年要新建球罐容量几十万立方米，迫切需要改善 球罐施焊条件，提高球罐焊接的自动化程度，以降低成本、
5、提高效率与焊缝质量”“。长期 以来球罐自动焊程度一直很低，到2 0 世纪八十年代美国林肯等公司在自保护全位置自动焊应 用上取得了成功研制出可用于球罐全位置自动焊的自保护焊丝及自动焊机( N R 2 0 3 药芯焊 丝，B U G - O N 自动焊头) I l I i 3 l , 这种焊接设备的焊接小车能在沿焊缝铺设的轨道上自动行走及 摆动焊接，从而实现了球罐焊接的机械化生产。 目前，国内有些厂家从美国进口了球罐全位置焊接设备( B U G - O N 系统) ，该设备主要由 爬行机构、摆动机构、柔性或半柔性轨道等部分组成。提高了我国球罐自动化水平，为我国 大型球罐现场全位置自动焊技术开创了良
6、好的前景。但是，该系统没有焊缝自动跟踪系统， 球罐自动焊车均需要依靠导轨支持才能在球罐上运行；而且也没有质量控制系统，球罐焊接 过程中仍需要完全依靠人工来盯紧焊缝，不断进行跟踪焊缝及实时调整焊接规范工艺参数等 操作。影响了焊接质量”J 。 第二二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 针对这种问题，根据焊缝自动跟踪系统的性能要求，进行了基于D S P 控制的无导轨全位 置焊接机器人行走机构的研究，提出基于D S P 的微机控制系统的设计思想，并对硬什电路进 行具体分析与设计。 2 无导轨全位置焊接机器人结构与组成 无导轨全位置焊接机器人主要由柔性磁轮式行走机构、光电实时跟踪系统、微机控制系 统、
7、焊枪调整执行机构以及焊枪摆动机构等组成，如图1 所示。 2 1 柔性磁轮式行走机构 磁吸式全位置自行机构( 简称磁吸式行走机构) 包括左右二组磁轮、主板、十字链轴式 联接机构与直流电机驱动机构。前三者组成了一个柔性磁吸式轮系机构，此机构的各个磁轮 在x 、Y 方向上有一定的自由度，能保证各磁轮与球罐表面紧密接触，磁力稳定可靠。此机构 由左右二个直流伺服电机驱动机构实现四轮驱动，在球罐表面的各种空间位置都能稳定爬行， 包括前进、后退、拐弯等各种运行方式。焊车速度为0 8 0 c m m i n ，连续可调，井能够沿焊 缝的平行线实现前进、后退的自动跟踪功能。 2 2 光电实时跟踪系统 C C D
8、 光电轨迹跟踪系统主要由二个C C D 光电传感器与一个步进电机驱动的横向滑块机构 组成在焊接过程中系统通过C C D 光电传感器识别在球罐表面的坡口平行线由滑块带动焊 枪左右随动，进行长度方向上的焊缝轨迹跟踪。C C D 传感器的识别精度为O 0 3 m m ，轨迹跟踪 精度设定为0 5 m m 。 图l 全位置多层焊自动跟踪球罐焊接机器人 1 侧板2 前C C D3 _ 微机控制器4 横向滑块机构5 纵向滑块机构 6 嫩吸式全位置白行机构7 高度传感嚣8 焊枪9 后C C D1 0 焊枪摆动机构1 1 磁轮 2 3 焊枪摆动机构 焊枪摆动机构主要由一个摆动中心传感器、一个步进电机驱动的滑台
9、机构及焊枪夹持机 构组成。滑台的有效行程为5 0 r a m ，焊枪的摆幅设定为4 0 r a m ，摆速设定为0 - - 2 0 0 c m m i n 。 2 4 徽机智能控制系统 微机智能控制系统主要由以T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 控制器为核心的D S P 应用板与各传感器、电 机的接口电路组成。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上 述三个机构的动作，其主要功能有：在多层多道焊接时进行光电实时跟踪，使焊枪摆动中心 2 4 5 第二二届全国先进制造装备与机器人技术论文集 对准坡口中心；在焊后回车时进行左右实时跟踪，使焊乍中心与焊缝坡I 中心保持
10、一致；在 焊前准备时可调节焊枪的左右、上卜位置，调试焊枪在备种摆动方式F 的摆幅、摆速、及滞 时等参数值。 3 柔性磁轮式行走机构结构组成 磁轮式行走机构的结构组成情况如图2 所示。 图2 磁吸式行走机构简图 I 行走机构车体主板2 磁轮角度调节机构3 柔性机构 该行走机构的主要特点： ( 1 ) 采用行车式结构 车体左右各有一对磁轮，每对磁轮各由直流电动机通过二级蜗轮蜗杆减速器驱动。通过 调节左右磁轮的相对速度可以使焊机在球罐表面直走或拐弯，这样焊机可以灵活地在球罐上 焊接纵缝、环缝及其它空间位置焊缝。 ( 2 ) 采用了磁轮角度调节机构与柔性机构 在球罐直径不同时，在球罐外侧焊接时或内侧焊
11、接时等各种情况下，通过机构2 调节磁 轮角度，就可保证磁轮与球罐表面接触良好吸力可靠。机构3 使磁轮机构有一定的弹性， 从丽有一定的适应工作表面突起不平等障碍的能力。 ( 3 ) 行走机构车体主板是焊机其它各部分的载体。 此机构与机器人其它部件的连结关系为：行走机构的车体主板1 与前C C l ) 传感器固定连 接，同时与焊枪调整执行机构、焊枪高度跟踪传感器以及焊枪摆动机构等装置通过底座固定 连接。 4 柔性磁轮式行走机构的控制系统设计 如图3 所示，球罐焊接机器人的焊缝跟踪控制系统硬件主要由以T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 控制器 为核心的D S P 应用板与各传感器、电机的
12、接口电路组成。 美国T I 公司的T M S 3 2 0 系列D S P 的体系结构专为实时信号处理而设计，该系列D S P 控 制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方 案。设计的球罐焊接机器人的焊缝跟踪控制系统，采用高速、高性能的D S P 作为控制核心， 充分利用D S P 实时运算速度快的特点，提高了机器人控制系统的实时性、控制精度和抗干扰 性。设计的D S P 应用板上的资源有提供1 6 路A D 、定时器( 用作定时t 计数) 、I O 口( 用作 输出口) 、8 路D A 和光电隔离电路等。 自制的接口电路中，C C D 信号处理电路的作用
13、是将焊接轨迹与传感器中心线的相对偏差 量脉冲信号转换成模拟量信号；电位传感器信号处理电路的作用是对信号电压进行调理、定 标处理，以符合A D 模块的输入要求。 第二属全国先进靠4 造装备与机器人技术论文集 图3 微机控制系统电路组成 为适应全位置焊接负载变化以及频繁启、停的严酷焊接要求，采用增量式光电码盘作速 度反馈的交流伺服同步电机作为行走机构左右两侧磁轮的驱动电机，使行走机构平稳运行， 采用2 4 0 7 的G P I O 作为交流伺服同步电机启、停控制信号，用经过双极性变换输出1 2 V - 一+ 1 2 V 范围电压量用于转速和转向控制。 5 结论 研制的磁吸式柔性机构，通过光电跟踪传
14、感器及跟踪调节执行机构，使爬行机构能直接 于球罐表面上行走，从而彻底摆脱导轨及其限制，真正实现球罐的全位置焊接及焊缝的自动 跟踪。 参考文献 f I 】张运川球形储罐自动化焊接技术的发展压力容器1 9 9 7 4 4 9 - 5 6 【2 l 蒋力培，焦向东球罐高效自动焊关键技术研究高效化焊接国际论坛，2 0 0 2 , 6 - 7 ：7 8 【3 】3 王伟，薛龙全位置管道自动焊接设备的研究管道技术与设备，2 0 0 2 ，4 ：1 5 - 1 6 1 4 】4 都东，陈强长输管线环缝自动焊接装备的研究焊接技术，2 0 0 0 ，2 9 卷( 增刊) S I ：4 3 - 4 4 【5 】齐铂金等焊缝激光检测梯形边缘小波分析模型及应用焊接学报2 0 0 1 ，( 2 2 ) 4 5 ) 4 9 5 2 作者简介： 曹建树，男1 9 7 1 年生，北京石油化工学院( 北京市1 0 2 6 1 7 ) 机槭工程学院机电工程系副教授，研究 方向光机电一体化技术、C A D C A M 等。联系地址：北京大兴北京石油化工学院机电系，T E L ：0 1 0 - - 8 1 2 9 2 1 3 9
