对接焊缝数字平板射线智能检测机器人的研究

项目批准号:201410028
资助金额:26.4万元
起止年月:2014年01月-
项目合作企业:江苏省特种设备安全监督研究院

结构控制部分(刘景笑/李杰)

本项目研究的对接焊缝数字平板射线智能检测机器人工艺装备系统,可突破数字平板射线检测新技术在电站锅炉、立式储罐、球罐等大型在役电力、石化特种设备中应用时缺乏高效精密工艺装备的瓶颈。可满足特种设备(尤其是大型承压特种设备)高效率、高水平、高质量的检验检测,保证特种设备安全运行的迫切需求。

由于大型储罐不适合采用简单的框架导轨机构,本方案采用下图所示单壁透照,射线源在内,数字平板在外,两个承载小车通过磁力吸附吸附在储罐表面,机器人运动结构采用全方位Mecanum轮结构,可以灵活地检测各种走向的焊缝。

本项目主要内容及关键技术:
(1)针对机器人磁力吸附、越障防倾覆、故障坠落保护的结构优化设计,结构必须可以实现机器人在电站锅炉、立式储罐、球罐等大型特种设备表面稳定吸附且循迹行走。确保机器人不会发生坠落危险。
(2)对射线源端机器人进行空间坐标定位,实现数字平板探测器端与射线源端的同步跟踪运行,确保数字平板与射线源端的准确定位,以实现对焊缝进行正常的曝光。
(3)焊缝检测机器人的控制系统设计,实现机器人运动系统和X 射线检测系统的集成,实现机器人运动控制与X射线检测的良好配合。
(4)机器人采用遥控与AGV双模式控制,可以实现遥控控制和AGV自动运行。完成电机运动控制、故障报警的电子硬件模块设计与开发。
(5)按要求,可跟踪检测的对接焊缝类型包括纵焊缝、环焊缝、封头拼缝。
车体结构采用型材做整车框架以缩短研发周期,下图是整车结构图四块永磁铁对称分布在车的两侧。把手向内推可脱离吸附状态。前后各一个相机用于焊缝循迹。

根据第一代样车实验结果对第二代样车整车建模修改;

1.针对车体较重,改为使用127mm的Mecanum轮,承载能力可略小于157mm的Mecanum轮,但也达到100kg以上,满足承载要求同时,零件较重的轮轴也可以减小很多。
2.针对车架刚度不够,磁铁与吸附表面的距离难以保证,将磁铁放在轮轴附近,依靠轮子与吸附表面的接触保证磁铁与吸附表面的距离。此外增加了车体悬架系统,在遇到障碍的同时可以保证车体与吸附表面的平行。
检测机器人控制系统如下图所示,在该系统中,采用了基于CAN总线的电机分布式控制原理,通讯性能高速可靠,且方便其他外设扩展。一些主要的周边外设包括:循迹传感器、无线wifi通讯模块、姿态传感器模块以及数字输入输出转接模块等。该系统的核心控制器采用PCM9389主板,最多可以引出4路RS232接口。处理器频率可达到1.2GHz,内存为1G,内部装有工业定制的Windows XP系统,具有良好的可靠性和稳定性。能方便提供简洁美观的图形界面,带来良好的人机交互体验,广泛运用于工业控制领域

为方便进行多电机的协调控制,我们使用了CAN总线的通讯分布式控制方式,将每个电机控制单元作为一个CAN节点,节点可以很方便地进行增减,增强了系统的可扩展性。PCM3680是一块CAN通讯卡,通过PC104总线与主板相连接,使CAN通讯更加快速可靠.

机器视觉部分(王珊珊)

本课题需要设计一个基于视觉的焊缝跟踪系统,可以实时提取焊缝位置。系统包括硬件和软件两部分,硬件部分主要是焊缝的图像获取并提高焊缝与周围背景的对比度,保证图像的质量。软件部分是研究提取焊缝中心线的算法,是系统的关键所在。

硬件部分:是由图像采集装置,图像处理设备和运动控制单元组成。需要进行硬件的选型并设计照明系统。

软件部分:研究提取焊缝中心线的算法,包括人机交互界面的设计,图像采集,图像处理,串口通信,光照调节等模块。

项目产出论文及专利:

Jinxiao LIU, Jie LI, Xingsong WANG. “Schematic Design of an X-ray Based Robotic Welding Inspection System“. Mechatronics and Machine Vision in Practice B. Springer International Publishing, 2015.