1、4.8.1.4.8.1.焊接机器人概述焊接机器人概述 机器人的定义：机器人的定义：美国机器人学会（美国机器人学会（The Robot Institute of AmericaThe Robot Institute of America，1979):1979):一个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、一个可再编程的多功能操作器，用来移动材料、零部件、工具等；或一个通过编程用于完成各种任务的专零部件、工具等；或一个通过编程用于完成各种任务的专用设备。用设备。国际标准化组织（国际标准化组织（ISOISO），），19871987：工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，工业机器人是一种具有自动
2、控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。能完成各种作业的可编程操作机。4.8 弧焊机器人弧焊机器人19541954年，美国人年，美国人G.DevolG.Devol 和和J.EnglebergerJ.Engleberger设计了一台可设计了一台可编程的机器人编程的机器人19611961年，他们生产了世界上第一台工业机器人年，他们生产了世界上第一台工业机器人“UnimatesUnimates”，并获得了专利并获得了专利19621962年，年，EnglebergerEngleberger 成立了成立了UnimationUnimation公司，他被称为公司，他被称为“机器人之父机器人之父”
3、日本从上世纪日本从上世纪7070年代中后期开始开发工业机器人，年代中后期开始开发工业机器人，1515年年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人“王国王国”。主要机器人厂家主要机器人厂家日本：日本：MotomanMotoman、OTCOTC、PanasonicPanasonic、FANUCFANUC等等美国：美国：AdeptAdept等等欧洲：奥地利欧洲：奥地利IGMIGM、德国德国CLOOSCLOOS、KUKAKUKA、瑞典瑞典ABBABB韩国：韩国：HYUNDAIHYUNDAI沈阳新松沈阳新松FANUC华宇华宇I I型弧焊机器人型弧焊机器人弧焊机
4、器人弧焊机器人 点焊机器人点焊机器人伐根机器人伐根机器人 摘果机器人摘果机器人擦玻璃机器人擦玻璃机器人 无人潜水器无人潜水器排爆机器人排爆机器人 外科手术机器人外科手术机器人双足仿人机器人双足仿人机器人 球机器人球机器人早期的焊接自动化程度低，基本是手工操作，产品质量不稳早期的焊接自动化程度低，基本是手工操作，产品质量不稳定，甚至出现某个产品只能由某个人或某几个人完成的情况定，甚至出现某个产品只能由某个人或某几个人完成的情况，出现了，出现了“王麻子菜刀王麻子菜刀”、“张小泉剪刀张小泉剪刀”、“张氏陀螺张氏陀螺”。手工操作受操作人员情绪等个人状态的影响，产品质量不稳手工操作受操作人员情绪等个人状
5、态的影响，产品质量不稳定。所以现代企业要尽量摆脱这种对专门人员的依赖，采用定。所以现代企业要尽量摆脱这种对专门人员的依赖，采用自动化的机器设备来保证产品质量及效率。自动化的机器设备来保证产品质量及效率。2020世纪世纪7070年代：工业机器人技术被应用到焊接领域，焊接自年代：工业机器人技术被应用到焊接领域，焊接自动化程度发生了质的飞跃，焊接质量及效率得到显著提高。动化程度发生了质的飞跃，焊接质量及效率得到显著提高。根据对产品的适应能力，焊接自动化系统可以分为：根据对产品的适应能力，焊接自动化系统可以分为：“刚性刚性”自动化系统，也称专机，主要针对大批量定型自动化系统，也称专机，主要针对大批量定
6、型产品，特点为成本低、效率高，但适应的产品单一。一产品，特点为成本低、效率高，但适应的产品单一。一旦产品换型，生产线就要更换。旦产品换型，生产线就要更换。“柔性柔性”自动化系统，主要指通过编程可改变操作的机自动化系统，主要指通过编程可改变操作的机器，产品换型时，只需通过改变相应程序，便可适应新器，产品换型时，只需通过改变相应程序，便可适应新产品。机器人属于典型的具有柔性的设备。产品。机器人属于典型的具有柔性的设备。随着市场经济的快速发展，企业的产品从单一品种大批量随着市场经济的快速发展，企业的产品从单一品种大批量生产变为多品种小批量，要求生产线具有更大的柔性。所以生产变为多品种小批量，要求生产
7、线具有更大的柔性。所以焊接机器人在生产中的应用越来越广泛，机器人焊接已成为焊接机器人在生产中的应用越来越广泛，机器人焊接已成为焊接自动化的发展趋势。焊接自动化的发展趋势。采用机器人焊接，具有如下优点：采用机器人焊接，具有如下优点：易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性；易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性；提高生产率，一天可提高生产率，一天可2424小时连续生产，机器人不会疲倦；小时连续生产，机器人不会疲倦；改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作；改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作；降低对工人操作技术难度的要求；降低对工人操作技术难度的要求；缩短产品改型换代的准备周期
8、，减少相应的设备投资；缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；可实现小批量产品焊接自动化；可实现小批量产品焊接自动化；可作为数字化制造的一个环节。可作为数字化制造的一个环节。焊接机器人是应用最广泛的工业机器人，全世界现役的工焊接机器人是应用最广泛的工业机器人，全世界现役的工业机器人约有一半的工业机器人用于焊接领域，其主要集业机器人约有一半的工业机器人用于焊接领域，其主要集中在汽车、摩托车、工程机械等行业，特别是汽车行业是中在汽车、摩托车、工程机械等行业，特别是汽车行业是焊接机器人的最大用户。焊接机器人的最大用户。焊接机器人突破传统的焊接刚性自动化，开始了一种柔性焊接机器人突破传统的焊接
9、刚性自动化，开始了一种柔性自动化的新方式，被认为是具有焊接自动化革命性的进步。自动化的新方式，被认为是具有焊接自动化革命性的进步。4.8.2 4.8.2 弧焊机器人概述弧焊机器人概述（1)1)弧焊机器人特点弧焊机器人特点焊接机器人应用中最普通的主要有两种，弧焊机器人和焊接机器人应用中最普通的主要有两种，弧焊机器人和点焊机器人。分别能进行电弧焊自动操作和电焊自动操作。点焊机器人。分别能进行电弧焊自动操作和电焊自动操作。弧焊机器人从弧焊机器人从6060年代诞生到现在可分为三代年代诞生到现在可分为三代:第一代第一代:示教在线型示教在线型 第二代第二代:基于一定传感信息的离线编程基于一定传感信息的离线
10、编程 第三代第三代:智能机器人智能机器人 与点焊机器人相比，弧焊机器人有以下特点：与点焊机器人相比，弧焊机器人有以下特点：（1 1）点焊机器人受控运动方式是点位控制型，只在目标点）点焊机器人受控运动方式是点位控制型，只在目标点上完成操作；而弧焊机器人受控运动方式是连续轨迹控制型，上完成操作；而弧焊机器人受控运动方式是连续轨迹控制型，即机械手总成终端按预期的轨迹和速度运动。即机械手总成终端按预期的轨迹和速度运动。（2 2）由于弧焊过程比点焊过程复杂得多，要求机器人终端）由于弧焊过程比点焊过程复杂得多，要求机器人终端的运动轨迹的重复精度、焊枪的姿态、焊接参数都要有更精的运动轨迹的重复精度、焊枪的姿
11、态、焊接参数都要有更精确的控制。确的控制。（3 3）弧焊机器人经常工作在焊缝短而多的情况，需要频繁）弧焊机器人经常工作在焊缝短而多的情况，需要频繁地引弧和收弧，因此要求机器人具有可靠的引弧和收弧功能。地引弧和收弧，因此要求机器人具有可靠的引弧和收弧功能。对于空间焊缝，为了确保焊接质量，还需要机器人能实时调对于空间焊缝，为了确保焊接质量，还需要机器人能实时调整焊接参数。整焊接参数。（4 4）电弧焊时容易发生粘丝、断丝等故障，如不及时采取）电弧焊时容易发生粘丝、断丝等故障，如不及时采取措施，将会损坏机器人或报废废工件，因此要求机器人必须措施，将会损坏机器人或报废废工件，因此要求机器人必须具有及时检
12、出故障并实时自动停车、报警等功能。具有及时检出故障并实时自动停车、报警等功能。（2 2）弧焊机器人工作原理）弧焊机器人工作原理 弧焊机器人的构成弧焊机器人的构成 弧焊机器人主要包括机器人和焊接系统两部分。弧焊机弧焊机器人主要包括机器人和焊接系统两部分。弧焊机器人焊接系统一般由焊机、送丝机构、回转自动变位机、器人焊接系统一般由焊机、送丝机构、回转自动变位机、焊枪清洗装置和安全装置等组成，如图焊枪清洗装置和安全装置等组成，如图4-474-47所示。所示。图图4-484-48是弧焊机器人用两轴数控焊接变位机的硬件结构是弧焊机器人用两轴数控焊接变位机的硬件结构图。图。图图4-47 4-47 系统设备布
13、置图系统设备布置图4.8 4.8 弧焊机器人弧焊机器人图4-48 弧焊机器人用两轴数控焊接变位机的硬件结构图 弧焊机器人的焊接系统弧焊机器人的焊接系统a a、焊接电源、焊接电源 我国常用晶闸管式弧焊整流器或晶体管式电源。我国常用晶闸管式弧焊整流器或晶体管式电源。b b、弧焊机器人焊缝跟踪传感器、弧焊机器人焊缝跟踪传感器 焊接条件的变化要求弧焊机器人能实时检测出焊缝的偏焊接条件的变化要求弧焊机器人能实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。弧焊机器人焊缝跟踪系统的结构一般包括传感器、弧焊机器人焊缝跟踪系统的结构一般包
14、括传感器、PCPC处处理器、机器人专用控制器、机器人本体及焊接设备等。理器、机器人专用控制器、机器人本体及焊接设备等。传感器采集到信号传送到传感器采集到信号传送到PCPC，经过一系列的数据处理过，经过一系列的数据处理过程和图像显示后，程和图像显示后，PCPC与机器人专用控制器进行数据通信，然与机器人专用控制器进行数据通信，然后将控制信号传送机器人本体，控制焊接过程的正确运行，后将控制信号传送机器人本体，控制焊接过程的正确运行，系统框图如图系统框图如图4-494-49所示。所示。c c 弧焊机器人弧焊机器人CANCAN总线控制网络总线控制网络 1 1）CANCAN总线特点总线特点 CANCAN总
15、线协议是一种新型的串行总线协议，现在已经总线协议是一种新型的串行总线协议，现在已经被越来越多地应用在弧焊机器人的控制中。被越来越多地应用在弧焊机器人的控制中。CANCAN总线是一总线是一种多主站总线，通信介质可以是多绞线、同轴电缆或光导种多主站总线，通信介质可以是多绞线、同轴电缆或光导纤维。纤维。CANCAN网络与一般网络的区别在于，它是一种专门用网络与一般网络的区别在于，它是一种专门用于工业自动化的网络，其物理特性及网络协议特性更强调于工业自动化的网络，其物理特性及网络协议特性更强调工业自动化的低层检测及控制。工业自动化的低层检测及控制。CANCAN协议的一个最大特点是可以对通信数据块进行编
16、协议的一个最大特点是可以对通信数据块进行编码，使不同的结点同时接受到相同的数据，这一点在分布码，使不同的结点同时接受到相同的数据，这一点在分布式控制系统中是非常有用的。式控制系统中是非常有用的。CANCAN协议采用协议采用CRCCRC检验并提供检验并提供了相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。了相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。图图4-49 弧焊机器人焊缝跟踪系统结构框图弧焊机器人焊缝跟踪系统结构框图2 2）基于）基于CANCAN总线的焊接机器人原理总线的焊接机器人原理 图图4-504-50为基于为基于CANCAN总线的焊接机器人的总体设计框图。总线的焊接机器人的总体设计框图。
17、系统的工作原理为：系统的工作原理为：IPCIPC将操作者的命令换成将操作者的命令换成PCCANPCCAN控控制卡识别的数据，制卡识别的数据，PCCANPCCAN控制卡接到数据后按照控制卡接到数据后按照CANCAN总线的总线的协议标准，以协议标准，以“标识符标识符数据长度数据长度数据场数据场”的形式发送的形式发送给各轴的控制卡。各轴控制卡依据标识符判断是否为自己给各轴的控制卡。各轴控制卡依据标识符判断是否为自己应处理的数据，若是，则按照相应的算法解释数据场的内应处理的数据，若是，则按照相应的算法解释数据场的内容，转化成驱动步进电机的信号，控制焊接执行机构完成容，转化成驱动步进电机的信号，控制焊接
18、执行机构完成相应的动作。各轴之间也按相应的动作。各轴之间也按CANCAN协议相互通信，实现动作协议相互通信，实现动作的协调进行。编码器实时监测机构的动作，将误差反馈给的协调进行。编码器实时监测机构的动作，将误差反馈给相应轴的控制卡中进行拟合，从而实现系统的闭环控制。相应轴的控制卡中进行拟合，从而实现系统的闭环控制。PCCANPCCAN采用了采用了CSMA/CDCSMA/CD的信息传输控制技术，允许总线上各的信息传输控制技术，允许总线上各结点平等地享用总线。结点平等地享用总线。图4-50 CAN总线的焊接机器人的总体设计框图（3 3）弧焊机器人在生产中具有以下作用：弧焊机器人在生产中具有以下作用
19、：（1 1）稳定和提高焊接质量，保证其均一性。采用机器人焊接）稳定和提高焊接质量，保证其均一性。采用机器人焊接时可以保证每条焊缝的焊接参数稳定不变，使焊缝质量受人的时可以保证每条焊缝的焊接参数稳定不变，使焊缝质量受人的因素影响降低到最小，因此焊接质量很稳定。因素影响降低到最小，因此焊接质量很稳定。（2 2）提高焊接生产率。对于弧焊机器人生产线来说，它由一）提高焊接生产率。对于弧焊机器人生产线来说，它由一台调度计算机控制，只要白天装配好足够的焊件，并放到存放台调度计算机控制，只要白天装配好足够的焊件，并放到存放工位，夜间就可以实现无人或少人生产。工位，夜间就可以实现无人或少人生产。（3 3）改善
20、劳动条件。电弧焊时，存在弧光、烟尘、飞溅、热）改善劳动条件。电弧焊时，存在弧光、烟尘、飞溅、热辐射等不利于操作者身体健康的因素，而使用弧焊机器人以后，辐射等不利于操作者身体健康的因素，而使用弧焊机器人以后，可以使焊接操作者远离上述不利因素。可以使焊接操作者远离上述不利因素。（4 4）可用在核能设备、空间站建设、深水焊接等极限条件下，）可用在核能设备、空间站建设、深水焊接等极限条件下，完成人工难以进行的焊接作业。完成人工难以进行的焊接作业。（5 5）为建立柔性焊接生产线提供技术基础。）为建立柔性焊接生产线提供技术基础。4.8.3 4.8.3 示教再现型弧焊机器人示教再现型弧焊机器人 目前在役的弧
21、焊机器人大多数为示教再现型弧焊机器人。目前在役的弧焊机器人大多数为示教再现型弧焊机器人。这种机器人可以在其工作空间内精确地再现已示教过的操作。这种机器人可以在其工作空间内精确地再现已示教过的操作。所谓示教，就是由操作者借助于示教盒上的各种按钮，或由所谓示教，就是由操作者借助于示教盒上的各种按钮，或由操作者握住机械手总成的末端，带动机器人的机械手臂按实操作者握住机械手总成的末端，带动机器人的机械手臂按实际程序操作一番。际程序操作一番。(1)(1)示教再现型弧焊机器人系统的构成示教再现型弧焊机器人系统的构成 示教再现型弧焊机器人的构成如图示教再现型弧焊机器人的构成如图4-514-51所示。由机器人
22、部所示。由机器人部分和焊接设备构成。分和焊接设备构成。图图4-51 示教再现型弧焊机器人的构成示教再现型弧焊机器人的构成(2)(2)示教再现型弧焊机器人的工作过程示教再现型弧焊机器人的工作过程 示教再现型弧焊机器人的显著特征是焊接前先示教，图示教再现型弧焊机器人的显著特征是焊接前先示教，图4-4-5252是示教原理图。是示教原理图。虚线框内位控制器中的控制计算机，它的任务是规划和管虚线框内位控制器中的控制计算机，它的任务是规划和管理。示教前，把图中的转换开关理。示教前，把图中的转换开关A A拨到拨到“示教示教”位置，示位置，示教盒上的各种按钮可单独控制机器人各运动轴的动作，并教盒上的各种按钮可
23、单独控制机器人各运动轴的动作，并能设定所需要的焊接参数。例如，当按动能设定所需要的焊接参数。例如，当按动“臂架上摆臂架上摆”或或“臂架下摆臂架下摆”按钮并给出相应摆角位置时，其指示信号经按钮并给出相应摆角位置时，其指示信号经转换处理器转换处理器4 4、5 5转换为臂架伺服驱动坐标信号，与码盘转换为臂架伺服驱动坐标信号，与码盘1111信号比较后，经转换处理器信号比较后，经转换处理器8 8、伺服放大器、伺服放大器9 9成为伺服电动成为伺服电动机机1010的驱动信号。当按动编程按钮的驱动信号。当按动编程按钮B B时，内存时，内存6 6将记忆其位将记忆其位置信息。如此依次进行，即可完成全部示教。置信息
24、。如此依次进行，即可完成全部示教。图图4-52 示教再现原理示教再现原理 经过示教后，将图经过示教后，将图4-524-52的转换开关的转换开关A A拨到拨到“再现再现”位置。位置。启动后，控制计算机将从内存中依次读出各运动轴的位置启动后，控制计算机将从内存中依次读出各运动轴的位置信号，并经过路径生成处理器信号，并经过路径生成处理器7 7与实际位置信号比较后输与实际位置信号比较后输出，就可通过伺服放大器出，就可通过伺服放大器9 9至伺服电动机至伺服电动机1010控制各运动轴。控制各运动轴。如此一步一步地再现示教工作，即可完成整个焊接工作。如此一步一步地再现示教工作，即可完成整个焊接工作。示教再现
25、型弧焊机器人由于焊接路径和焊接参数是根据实示教再现型弧焊机器人由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，焊接时缺少外部信息传感和适时际作业条件预先设置的，焊接时缺少外部信息传感和适时调整功能，使得机器人不能适应焊接环境和焊接过程的变调整功能，使得机器人不能适应焊接环境和焊接过程的变化，因此出现了智能型弧焊机器人，智能型弧焊机器人是化，因此出现了智能型弧焊机器人，智能型弧焊机器人是装有多种传感器，接收作业指令后能根据客观环境自行编装有多种传感器，接收作业指令后能根据客观环境自行编程的具有高度适应能力的高级弧焊机器人。程的具有高度适应能力的高级弧焊机器人。4.8.4.4.8.4.智能型弧
26、焊机器人的组成智能型弧焊机器人的组成(1)(1)智能型弧焊机器人系统主要的硬件构成智能型弧焊机器人系统主要的硬件构成 硬件构成图硬件构成图4-53“4-53“系统仿真单元系统仿真单元”有两个功能：一个有两个功能：一个事机器人运动控制仿真，负责机器人运动模型的创建、焊接事机器人运动控制仿真，负责机器人运动模型的创建、焊接过程仿真、焊接路径规划等；另一个是焊接动态过程仿真，过程仿真、焊接路径规划等；另一个是焊接动态过程仿真，负责焊接参数与焊缝成形的动态过程仿真。负责焊接参数与焊缝成形的动态过程仿真。“知识库单元知识库单元”是焊接机器人专家系统，负责焊接工艺的是焊接机器人专家系统，负责焊接工艺的制定
27、和选择、焊接顺序的规划等。制定和选择、焊接顺序的规划等。“焊缝导引单元焊缝导引单元”的功能是利用焊缝识别摄像机的功能是利用焊缝识别摄像机CCD1CCD1拍拍摄焊件的图像，通过计算机图像处理和立体匹配，提取焊缝摄焊件的图像，通过计算机图像处理和立体匹配，提取焊缝的初始点在三维空间内的坐标，上传到中央控制计算机，由的初始点在三维空间内的坐标，上传到中央控制计算机，由中央控制计算机和机器人控制器来控制焊枪到达初始焊位，中央控制计算机和机器人控制器来控制焊枪到达初始焊位，准备焊接。准备焊接。“焊缝跟踪单元焊缝跟踪单元”的功能是在机器人导引到初始焊接位置并开的功能是在机器人导引到初始焊接位置并开始焊接后
28、，利用焊缝识别摄像机始焊接后，利用焊缝识别摄像机CCD1CCD1在工作空间内实时拍摄焊在工作空间内实时拍摄焊缝的图像，通过计算机图像处理，提取焊缝形状和方向特征，缝的图像，通过计算机图像处理，提取焊缝形状和方向特征，并根据焊缝位置确定焊枪下一步纠偏运动方向和位移的量，并并根据焊缝位置确定焊枪下一步纠偏运动方向和位移的量，并将这些信息上报中央控制计算机，通过中央控制计算机和机器将这些信息上报中央控制计算机，通过中央控制计算机和机器人控制器来驱动机器人焊枪端点，以跟踪焊缝走向和位置纠偏。人控制器来驱动机器人焊枪端点，以跟踪焊缝走向和位置纠偏。“熔透控制单元熔透控制单元”的功能是利用熔池监视摄像机的
29、功能是利用熔池监视摄像机CCD2CCD2获取机器获取机器人运动后的半部熔池变化图像，通过计算机图像处理，提取熔人运动后的半部熔池变化图像，通过计算机图像处理，提取熔池形状特征。通过中央控制计算机结合相应的工艺参数和预先池形状特征。通过中央控制计算机结合相应的工艺参数和预先建立的焊接熔池动态过程模型预测熔深、熔宽、余高和熔透等建立的焊接熔池动态过程模型预测熔深、熔宽、余高和熔透等参数，调用合适的控制策略，给出适当的焊接参数调整以及机参数，调用合适的控制策略，给出适当的焊接参数调整以及机器人运动速度、姿态和送丝速度的调节变化，通过焊接电源和器人运动速度、姿态和送丝速度的调节变化，通过焊接电源和机器
30、人执行，实现对焊缝熔透和成形的控制。机器人执行，实现对焊缝熔透和成形的控制。图图4-53 智能型弧焊机器人主要的硬件构成智能型弧焊机器人主要的硬件构成(2)(2)智能型弧焊机器人的工作过程智能型弧焊机器人的工作过程 在开始焊接之前在开始焊接之前，通过视觉传感器观察并识别焊接环境、，通过视觉传感器观察并识别焊接环境、条件，提取焊件的形状、结构、等信息。然后根据环境和条件，提取焊件的形状、结构、等信息。然后根据环境和焊件接缝信息，利用知识库单元和系统仿真单元来选择合焊件接缝信息，利用知识库单元和系统仿真单元来选择合适的焊接工艺参数和控制方法，以及进行必要的机器人焊适的焊接工艺参数和控制方法，以及进
31、行必要的机器人焊接运动路径、焊枪规划与焊接过程仿真。接运动路径、焊枪规划与焊接过程仿真。确定焊接任务可实施以后确定焊接任务可实施以后，通过焊缝导引单元，运用安装，通过焊缝导引单元，运用安装在机械手总成末端的视觉传感器在局部范围内搜索机器人在机械手总成末端的视觉传感器在局部范围内搜索机器人初始焊接位置。确定初始焊接位置后，自主引导机器人焊初始焊接位置。确定初始焊接位置后，自主引导机器人焊枪到达初始焊接位置。枪到达初始焊接位置。焊接开始以后焊接开始以后，采用视觉传感器观察熔池的变化，提取熔，采用视觉传感器观察熔池的变化，提取熔池，判断熔池变化状态，采取适当的控制策略，实现对焊池，判断熔池变化状态，
32、采取适当的控制策略，实现对焊接熔池动态变化的智能控制。同时，利用焊缝跟踪单元直接熔池动态变化的智能控制。同时，利用焊缝跟踪单元直接通过机器人运动前方的视觉传感器实时识别焊缝间隙特接通过机器人运动前方的视觉传感器实时识别焊缝间隙特征，进行机器人运动导引，实现焊缝跟踪。征，进行机器人运动导引，实现焊缝跟踪。4.9 4.9 管道全位置焊接计算机控制系统设计管道全位置焊接计算机控制系统设计1.1.管道全位置焊接计算机控制系统设计管道全位置焊接计算机控制系统设计 图图4-544-54和图和图4-554-55分别为全位置分别为全位置TIGTIG焊控制系统工作原理图焊控制系统工作原理图和自动焊程序循环图。和
33、自动焊程序循环图。在管道全位置焊接中，由于所焊的管材不同，壁厚不同，在管道全位置焊接中，由于所焊的管材不同，壁厚不同，弧焊过程中电弧运动的实际位置不断变化，要求焊接参数弧焊过程中电弧运动的实际位置不断变化，要求焊接参数也能够相应地发生变化和调整。也能够相应地发生变化和调整。图图4-54 4-54 全位置全位置TIGTIG焊控制系统工作原理图焊控制系统工作原理图 图图4-55 4-55 全位置自动焊程序循环图全位置自动焊程序循环图 2.2.控制系统方案的制定控制系统方案的制定 厚壁管窄间隙全位置焊具有管道直径大、壁厚、焊接工艺厚壁管窄间隙全位置焊具有管道直径大、壁厚、焊接工艺复杂、需控制的参数多
34、等特点。在设计方案上，只有采用复杂、需控制的参数多等特点。在设计方案上，只有采用计算机控制系统才能保证管道全位置焊接操作机的参数输计算机控制系统才能保证管道全位置焊接操作机的参数输入和过程控制的需要。目前在工业中应用的计算机控制系入和过程控制的需要。目前在工业中应用的计算机控制系统主要有集中式计算机控制系统和分布式计算机控制系统统主要有集中式计算机控制系统和分布式计算机控制系统两大类。两大类。(1)(1)集中式计算机直接控制系统集中式计算机直接控制系统具有结构简单、便于设计和具有结构简单、便于设计和控制等特点。在多数的情况下，系统中的一台计算机需要控制等特点。在多数的情况下，系统中的一台计算机
35、需要“同时同时”控制多个回路。在一个循环周期内，当计算机将控制多个回路。在一个循环周期内，当计算机将规定的各个回路的运算完成后，生产过程的被控参数还不规定的各个回路的运算完成后，生产过程的被控参数还不会发生显著变化。所以，集中式控制系统常采用多路开关，会发生显著变化。所以，集中式控制系统常采用多路开关，使各个控制回路都能够定时地使各个控制回路都能够定时地“分享分享”计算机的各种资源，计算机的各种资源，构成所谓的构成所谓的“分时复用分时复用”工作方式。工作方式。(2)(2)分布式计算机控制系统分布式计算机控制系统是将计算机技术、控制技术、通是将计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术通过通信
36、网络将现场控制级、控制信技术和图形显示技术通过通信网络将现场控制级、控制作中心和管理操作站等连接起来，共同完成分散与集中、作中心和管理操作站等连接起来，共同完成分散与集中、控制与管理的工作。分布式计算机控制系统具有性价比高、控制与管理的工作。分布式计算机控制系统具有性价比高、可靠性高、控制能力强、可维护性强、可扩充性好、可以可靠性高、控制能力强、可维护性强、可扩充性好、可以方便地实现控制和管理一体等优点。方便地实现控制和管理一体等优点。以下控制系统设计采用二级分布式控制系统，主机与从机以下控制系统设计采用二级分布式控制系统，主机与从机之间采用数字通信进行信息交换，控制系统结构如图之间采用数字通
37、信进行信息交换，控制系统结构如图4-564-56所示。所示。图图4-56 4-56 厚壁管窄间隙全位置自动焊控制系统结构框图厚壁管窄间隙全位置自动焊控制系统结构框图 （1 1）主机计算机控制系统）主机计算机控制系统主机的数据系统主机的数据系统主机的主要功能是进行数据的管理，以及将控制命令和参数主机的主要功能是进行数据的管理，以及将控制命令和参数通过通讯接口分别传送给相应的现场控制单元。通过通讯接口分别传送给相应的现场控制单元。主机的数据系统功能模块主要完成焊接工艺参数数据操作，主机的数据系统功能模块主要完成焊接工艺参数数据操作，包括数据建立、查询、删除、复制、备份和工艺信息修建、包括数据建立、
38、查询、删除、复制、备份和工艺信息修建、查询等查询等主机的操作系统主机的操作系统主机的操作系统功能模块主要完成焊接过程的焊接工艺操作。主机的操作系统功能模块主要完成焊接过程的焊接工艺操作。主要包括：焊前调整功能；发送功能；预演功能；开始功能主要包括：焊前调整功能；发送功能；预演功能；开始功能模块。模块。（2 2）各从机控制功能）各从机控制功能按工艺要求，该焊接操作机应具有焊枪行走、焊缝对中及跟按工艺要求，该焊接操作机应具有焊枪行走、焊缝对中及跟踪、钨极摆动、左右送丝、弧长调节、焊接电流等主要控制踪、钨极摆动、左右送丝、弧长调节、焊接电流等主要控制功能，以及手控盒和辅助控制功能。主要参数的控制时序
39、如功能，以及手控盒和辅助控制功能。主要参数的控制时序如图图4-574-57所示。所示。在管道焊接机控制系统中，各从机功能一般是通过控制电机在管道焊接机控制系统中，各从机功能一般是通过控制电机来完成，电机的控制采用脉宽调制方式进行。来完成，电机的控制采用脉宽调制方式进行。根据各个参数的控制时序和焊接生产的实际需要，各从机控根据各个参数的控制时序和焊接生产的实际需要，各从机控制程序包括：制程序包括：X X轴和无机运动的控制；焊接电流和电压的控轴和无机运动的控制；焊接电流和电压的控制；焊接速度的控制；送丝速度的控制；为光学摄像系统照制；焊接速度的控制；送丝速度的控制；为光学摄像系统照明用灯的点亮和熄
40、灭、焊接保护气体的送气和停气、超温报明用灯的点亮和熄灭、焊接保护气体的送气和停气、超温报警和自动停机等辅助工作的完成。警和自动停机等辅助工作的完成。图图4-57 4-57 焊接过程控制时序焊接过程控制时序3.3.计算机间的通信计算机间的通信 在控制过程中，通信是整个系统连接的纽带，用于实现主在控制过程中，通信是整个系统连接的纽带，用于实现主机与从机之间，各从机之间不断进行数据和指令的交换。机与从机之间，各从机之间不断进行数据和指令的交换。通信任务分析通信任务分析:在本控制系统中，计算机间的通信任务可分为在本控制系统中，计算机间的通信任务可分为两类：主计算机间数据、指令的传递和各从机焊接过程中的
41、两类：主计算机间数据、指令的传递和各从机焊接过程中的同步控制。同步控制。(1)(1)主从计算机间数据和指令的传递主从计算机间数据和指令的传递 焊前，操作者通过手控盒焊前，操作者通过手控盒或主机控制各从机调整自动焊头以进行开始焊接，然后主机或主机控制各从机调整自动焊头以进行开始焊接，然后主机向各从机发送焊接参数。同时，各从机初始化并进行自检，向各从机发送焊接参数。同时，各从机初始化并进行自检，将检测结果通知主计算机，为开始焊接做好准备。将检测结果通知主计算机，为开始焊接做好准备。焊接过程中，操作者通过主机向各从机定时或手动发送新的焊接过程中，操作者通过主机向各从机定时或手动发送新的焊接参数，并且
42、能对各参数进行实时调整。主机与从机之间焊接参数，并且能对各参数进行实时调整。主机与从机之间实现通信的方式有两种，一是并行通信方式，二是串行通信实现通信的方式有两种，一是并行通信方式，二是串行通信方式。方式。(2)(2)焊接过程同步的通信控制焊接过程同步的通信控制1)1)焊接开始与结束过程的同步控制焊接开始与结束过程的同步控制 在焊接开始过程中，只有建立电弧后，其他从机才能开始在焊接开始过程中，只有建立电弧后，其他从机才能开始工作；工作；而焊接结束过程，各从机应同时进入结束状态。焊接开始而焊接结束过程，各从机应同时进入结束状态。焊接开始同步应以焊接电弧的建立与否作为标志，控制电弧建立的同步应以焊
43、接电弧的建立与否作为标志，控制电弧建立的从机（焊接电流和弧长控制单元）起主导作用。从机（焊接电流和弧长控制单元）起主导作用。实现同步的方法有两种，一是该从机完成电弧建立工作以实现同步的方法有两种，一是该从机完成电弧建立工作以后，利用串行通信通知主机，再由主机命令其他从机开始后，利用串行通信通知主机，再由主机命令其他从机开始工作；二是该从机利用同步线，连接与相关从机相同工作；二是该从机利用同步线，连接与相关从机相同I/OI/O接口之间，利用传递高低电平信号的办法，通知其他从机接口之间，利用传递高低电平信号的办法，通知其他从机开始工作。开始工作。2 2）焊接过程的同步控制）焊接过程的同步控制根据工
44、艺要求，当钨极摆动到两端，焊接电流、焊接电压和根据工艺要求，当钨极摆动到两端，焊接电流、焊接电压和送丝速度使用峰值参数；送丝速度使用峰值参数；而当钨极在摆动中，使用基值参数。由此出现了焊接电流、而当钨极在摆动中，使用基值参数。由此出现了焊接电流、焊接电压和送丝速度与摆动同步的要求。焊接电压和送丝速度与摆动同步的要求。此处采用和焊接开始、结束相同的同步方式，不过是以控制此处采用和焊接开始、结束相同的同步方式，不过是以控制摆动的从机为同步命令的主导者。摆动的从机为同步命令的主导者。4.9.2 4.9.2 全位置脉冲全位置脉冲TIGTIG焊弧压传感器弧长调节焊弧压传感器弧长调节4.9.3 4.9.3
45、 焊缝横向跟踪控制系统组成焊缝横向跟踪控制系统组成主要包括三部分：主要包括三部分：CCDCCD摄像机、工控机和二维跟踪驱动摄像机、工控机和二维跟踪驱动系统。系统。4.9.4 4.9.4 多维处理器在管道焊接自动控制系统中的应用多维处理器在管道焊接自动控制系统中的应用（1 1）控制系统结构及其工作原理）控制系统结构及其工作原理（2 2）硬件设计）硬件设计（3 3）系统软件及功能设计）系统软件及功能设计（1 1）控制系统结构及其工作原理）控制系统结构及其工作原理非旋转管道环缝全位置焊接包含管道顶部的平焊、侧面的立焊和底非旋转管道环缝全位置焊接包含管道顶部的平焊、侧面的立焊和底部的仰焊过程，为了保证
46、焊接质量，防止熔池下淌和未焊透等缺陷，部的仰焊过程，为了保证焊接质量，防止熔池下淌和未焊透等缺陷，要求控制系统能在不同的焊接位置自动匹配合适的焊接规范参数。要求控制系统能在不同的焊接位置自动匹配合适的焊接规范参数。为此建立图为此建立图4-614-61所示的多微处理器控制系统。该系统包括两个处理所示的多微处理器控制系统。该系统包括两个处理器：器：PLCPLC过程控制器和单片机位置控制器。过程控制器和单片机位置控制器。PLCPLC选用选用OMRONOMRON小型机小型机CQMI-CPU41CQMI-CPU41，配有，配有RS-232CRS-232C接口，可实现与单片机的串行通讯。单接口，可实现与单
47、片机的串行通讯。单片机选用片机选用80C196KC80C196KC，用于焊接速度和焊接空间位置的控制。，用于焊接速度和焊接空间位置的控制。在焊接过程中，系统沿管道环缝快速装卸轨道。单片机控制焊接小在焊接过程中，系统沿管道环缝快速装卸轨道。单片机控制焊接小车从轨道的顶部沿焊缝坡口自上而下进行环缝半圈的焊接。车从轨道的顶部沿焊缝坡口自上而下进行环缝半圈的焊接。PLCPLC的的DMDM区预先储存了与焊接位置对应的焊接参数表。在焊接过程中，区预先储存了与焊接位置对应的焊接参数表。在焊接过程中，PLCPLC实时监测焊接小车位置，并将实时监测焊接小车位置，并将DMDM区中对应的焊接电流和电压参区中对应的焊
48、接电流和电压参数送往焊接电源，同时将焊接速度、焊炬摆幅和摆速通过串行通讯数送往焊接电源，同时将焊接速度、焊炬摆幅和摆速通过串行通讯送往单片机，控制焊接速度和焊炬的摆动，以实现不同焊接位置线送往单片机，控制焊接速度和焊炬的摆动，以实现不同焊接位置线能量的精确控制，保证焊接质量。焊接结束后，系统控制焊接小车能量的精确控制，保证焊接质量。焊接结束后，系统控制焊接小车返回管道顶部，再完成另外半圈的焊接。返回管道顶部，再完成另外半圈的焊接。操作盒的作用是实现焊前机头定位、试气、预选丝、抽丝、操作盒的作用是实现焊前机头定位、试气、预选丝、抽丝、焊接操作等功能以及焊接过程中，实现焊炬位置和焊接参数焊接操作等
49、功能以及焊接过程中，实现焊炬位置和焊接参数的人工干预，以保证焊接过程稳定。的人工干预，以保证焊接过程稳定。本系统通过通讯口与离线编程系统相连，离线编程系统用于本系统通过通讯口与离线编程系统相连，离线编程系统用于实现离线编程和焊前向实现离线编程和焊前向PLCPLC下载预置焊接参数。当焊接参数预下载预置焊接参数。当焊接参数预置好以后，本系统可以与离线编程系统脱机，独立完成焊接置好以后，本系统可以与离线编程系统脱机，独立完成焊接过程控制。过程控制。（2 2）硬件设计）硬件设计多微处理器协同控制的关键在于合理的任务分配和可靠地信息多微处理器协同控制的关键在于合理的任务分配和可靠地信息传递，本系统采用串
50、行通讯方式实现信息共享。传递，本系统采用串行通讯方式实现信息共享。数据通讯接口数据通讯接口a a）离线编程接口，）离线编程接口，b b）PiePie与单片机通讯电路，与单片机通讯电路，c c）PLCPLC系统设置系统设置单片机位置控制器单片机位置控制器PLCPLC的的D/AD/A、A/DA/D通道通道抗干扰措施抗干扰措施焊接电弧为非线性时变负载，焊接过程中存在强烈的多频谱电焊接电弧为非线性时变负载，焊接过程中存在强烈的多频谱电磁干扰，很容易对过程控制器尤其单片机系统产生干扰。因此磁干扰，很容易对过程控制器尤其单片机系统产生干扰。因此采用以下措施抗干扰：不同的功能单元采用独立的电源供电，采用以下
