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丁程硕十学位论文教装水泥车罐体焊接操作机挣制系统的研究 摘要 本文研究了用于散装水泥车罐体焊接的焊接操作机的控制系统，分析了系统 的功能与要求；进行了系统总体设计、硬件设计和软件设计；并完成了系统的研制与 设备调试。主要研究工作包括： 本文首先分析了对焊接操作机进行智能控制的目的和意义，并对焊接控制 技术、焊缝跟踪方法、焊接示教技术以及p l c 控制技术的国内外现状和发展 趋势作了介绍。 ， 在对焊接操作机的结构、工作原理和控制要求进行分析后，对控制系统各 组成部分进行了工作原理分析和电路设计，并确定了硬件配置及相关技术参 数。 为了实现控制系统的各项功能，分别对各控制部分进行了程序设计。设置 高速计数器，利用编码器将变位机转动的角度变化转换成脉冲数的多少，通过 比较和判断，对操作机和变位机进行实时控制，从而实现焊接示教再现和焊缝 跟踪的智能控制。对示教再现和回零点进行了控制流程图和旋转示意图的分 析。对人机对话的显示画面进行了程序设计。 最后，对焊接操作机进行了总体调试。设备工作正常，达到了预期要求， 说明了整个研究工作是成功的。 关键词：散装水泥车罐体，焊接操作机、变位机、p l c 、示教再现、焊缝跟踪 工程硕士学位论文 散装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 a b s t r c t t h ew e l d i n gm a n i p u l a t o rc o n t r o ls y s t e mi nt a l l l ( w e l d i n go fb u l k i n gc o n c r c t et r u c ki s s t u d i e di nt h i sp a p e r m e a n w h i l et h es y s t e m sf u n c t i o na n dd e m a n da r ea n a l y z e d ；b y s y s t e m st o t a ld e s i g n , h a r d w a r ed e s i g n , a n ds o f t w a r ed e s i g n , t h es y s t e m sd e v e l o p m e n ta n d e q u i p m e n t s d e b u g g i n ga r ec o m p l e t e d t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ： f i r s t l y , t h ep u r p o s ea n dm e a n i n go fi n t e l l i g e n tc o n t r o li nw e l d i n gm a n i p u l a t o ra r e a n a l y z e di nt h ep a p e r m o r e o v e r , t h ei n t e m a t i o n a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do f w e l d i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y , s e a mh a c k i n g , w e l d i n gt e a c h i n ga n dp l a y b a c kt e c h n o l o g y , p l cc o n t r o lt e c h n o l o g ya l ei n t r o d u c e d t h e n , 9 e mt r a c k i n gs y s t e m t e a c h i n ga n dp l a y b a c ks y s t e m , p l ct e c h n i q u e si n w e l d i n ga r ea n a l y z e d e a c hc o m p o n e n t sw o r k i n gp r i n c i p l eo fc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e d , a n dt h ee l e c t r oc i r c u i t sa r ed e s i g n e d m o r e o v e lt h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o na n dt e c h n i c a l d a t aa r ec o n f m n e d e a c hc o n t r o ls y s t e m sp r o g r a mi s d e s i g n e ds e p a r a t e l yi no r d e rt or e a l i z ea l lt h e f u n c t i o n so fc o n t r o ls y s t e m s e t t i n gh i g hs p e e dc o u n t e r , t h ec h a n g e da n g l eo fp o s i t i o n e r r o t a t i o ni sc o n v e r t e dt op u l s en u m b e rb ye n e o d e r v i ac o m p a r i s o na n dj u d g r n e n t ，t h e m a n i p u l a t o ra n dp o s i t i o n e ra r er e a l i z e dr e a l - t i m ec o n t r 0 1 t h e r e b y , t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo f w e l d i n gt e a c h i n ga n dp l a y b a c k , s e a mt r a c k i n ga r ea c h i e v e d t h ec o n t r o l l i n gf l o wc h a r t , r o t a t i n gs k e t c hd r a w i n go ft e a c h i n g & p l a y b a c ka n dr e t u r n i n gz e r op o i n ta r ea n a l y z e d , a n d t h em e n u p r o g r a mo f m a n - m a c h i n ec o n v e r s a t i o ni sd e s i g n e d f i n a l l y , t h er e s e a r c hd e b l l g g e dw e l d i n gm a n i p u l a t o rt o t a l l y a l lt h ee q u i p m e n t sw o r k w e l l ，a n t i c i r i a t e dd e m a n d sa r er e a c h e d ，a n dt l l e w h o l er e s e a r c hw o r ki sf i r d s h e d s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：w e l d i n gm a n i p u l a t o r , p o s i t i o n e r , p l c ，t e a c h i n ga n dp l a y b a c k ，s e a mt r a c k i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：垒竺壹“年z 月；。日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：磊盆加。辟细；。日 工程硕士学位论文 散装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 i绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 背景 课题源于安徽星马汽车股份有限公司散装水泥车罐体焊接工装设备技术改造工 程项目。散装水泥车简体直径约3 米，长度约9 米。大小焊缝有7 0 多条，其中表面 纵缝近2 0 条，每条焊缝长约4 米。 由于采取人工直立焊接或仰焊方式，而且是人工焊接，因而需大量的工人进行焊 接，工人劳动强度大，焊接工作时间长，生产效率低；由于工人的焊接技能参差不齐， 焊接质量和焊接速度也大不相同，产品的质量和工作进度得不到保证。由于罐体被直 接摆放于地面，当需要焊接另一道焊缝时，只能靠行车吊着罐体翻身，费时、费力， 而且很不安全。 为了提高劳动效率和产品产量，确保焊缝质量，公司决定进行技术改造，将散装 水泥车罐体焊接由手工焊接转化为无人操作的全自动焊接。 1 1 2 目的和意义 本课题综合了专机原有自动化技术和焊接机器人最新技术等特点，利用焊接专机 的特长，吸取焊接机器人自动跟踪技术以及示教再现控制技术，极大地拓展了专机设 备的应用范围，提高其利用率。 采用可编程序控制器作为核心控制器，利用其特殊功能模块( 小型显示器) 进行 人机交互操作，通过p l c 软件程序实现示教再现功能。可以对工件进行自动变位，十 几条焊缝可一次焊完。采取焊缝的视觉跟踪智能控制技术，对焊缝进行焊接过程的实 时监测。采用带液晶显示的示教装置，便于操作和观察，提高人机交互性能。 采用自动焊接操作机，不但可以减轻工人的劳动强度，缩短焊接时间，而且能够 确保焊缝质量。采用自动焊接操作机，将极大地减轻劳动负荷，在提高产品质量的前 提下，产品产量也大幅度提高，给公司带来极为可观的经济效益。 1 2 相关技术发展概况 1 2 1 焊接控制技术发展概况 焊接是工业制造过程中的重要工艺，在机械制造、航空航天、能源交通、建筑及 石油化工等行业中都得到了广泛的应用。随着科技水平的不断提高，焊接已从简单的 构件连接手段和毛坯制造手段发展成为基础工艺和生产尺寸精确的制成品的生产手 段。由于焊接过程工作环境恶劣，劳动强度大，对焊接工人的身体健康造成的伤害比 工程硕士学位论文 散装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 较大，并且传统的手工焊接对操作者的技能水平要求比较高，难以得到质量稳定的焊 缝。传统的手工焊接方法已不能满足现代高技术产品制造质量、数量及生产效率的要 求。因此，保证焊接产品质量的稳定、提高产品的生产效率和改善劳动者的工作环境 已成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题“。近年来，随着电子技术、计算机技 术及自动控制技术的飞速发展，自动化程度较高的焊接设备在工业现场中也得到了越 来越多的应用”。 现代焊接自动化的主要标志是焊接过程控制系统的智能化、焊接生产系统的柔性 化以及焊接生产系统的集成化。近年来焊接自动控制技术在国内外发展很快，同时也 受到高度的重视，已成为焊接技术的一个独立分支。由于可编程序控制器、微处理机 和自动控制技术、计算机技术等在焊接生产中的应用，使压力容器制造过程中焊接自 动化技术得到了很大发展。现代高精度的自动控制系统，如最优控制系统、自适应控 制系统及自学习控制系统等，已在工业生产中得到应用“。 在焊接过程的焊道( 缝) 自动控制方面”。5 0 6 0 年代发展了有轨道小车自动焊 机。7 0 年代后期发展了无轨道小车自动焊机。在焊缝跟踪方面，由于发展了各种类型 的传感器技术，控制坐标已从单坐标和双坐标发展到了多坐标。5 0 6 0 年代多采用接 触跟踪，6 0 7 0 年代后期发展了电磁跟踪、光电跟踪、电弧跟踪、激光跟踪等非接触 跟踪技术。 8 0 年代后期，微机跟踪和电视跟踪技术得到迅速发展，从而为传统焊接自动化向 现代焊接自动化发展奠定了基础。我国研制成功各种新型传感技术和视觉传感器后， 焊接自适应控制技术又有了较大发展。 清华大学研究的c c d 图象处理传感器对焊缝背面横向温度的实时检测及图象处 理在窄间隙m i g m g 焊在线检测中的应用，做到适时焊接质量( 熔透) 控制。北京航空 航天大学研究的c c d 图象处理传感器在螺旋缝间隙调整中的应用，能较精确地检测焊 缝间隙大小。 现代焊接生产自适应控制离不开计算机应用技术。7 0 年代末，中国开始发展焊接 生产中微型计算机的应用技术，采用可编程序控制器和微处理机控制全位置自动焊和 弧焊机器人电源，自动焊接过程的程序控制等，到8 0 年代己取得实际应用成果。 由于自动控制系统、可编程序控制器、微处理机和计算机技术等在焊接生产中的 应用，8 0 年代以后，中国发展了采用焊接方法的自动控制、焊接过程的自动控制，用自 动传送装置、专用焊接设备及电控部分等组成的焊接中心和焊接生产自动线，较广泛 地应用在汽车、船舶、核能、电站、锅炉、矿山机械等行业中，不断提高焊接生产的 自动化程度。 进入9 0 年代后，中国焊接界把实现焊接生产机械化、自动化作为战略目标，已在 各行业的科技发展规划中付诸实施。大力发展焊接生产自动化和过程控制智能化技术， 2 丁程硕士学位论文 散装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 发展焊接生产线和柔性制造技术，发展应用计算机辅助设计与制造技术等。西安重型 机械研究所研制的2 1 9 r a m 钢管直缝高频连续焊接机组，由2 0 余台单机和机组组成的全 连续生产线采用p l c 控制系统，实现了开卷矫平、剪切对焊、活塞储存等一系列动作 的自动工作制，填补国内空白，达到国际同类产品水平。 1 2 2 焊缝跟踪方法综述及发展现状 所谓焊缝跟踪，即以焊炬为被控对象，电弧( 焊炬) 相对于焊缝中心位置的 偏差作为被控量，通过机械、电磁、激光、视觉等多种传感测量手段，控制焊炬使其 在整个焊接过程中始终与焊缝对口。 焊缝跟踪是焊接自动化控制系统的一个重要组成部分，对实现压力容器生产过程 的焊接自动化意义深远。目前，应用于焊缝跟踪系统主要包括接触式和非接触式两种 类型“。接触式跟踪系统分为探头式和靠模式跟踪系统。探头式接触传感器以导杆或 导轮在焊炬翦探测焊缝位置，结构简单，操作直接，抗干扰能力强。但焊接厚板压力容 器时，点固焊点会使传感器发生阻塞现象，简体存在的椭圆度会引起传感器发生轴向 移动。靠模式跟踪系统能较好解决这个问题，它利用同步运动原理，通过横向跟踪、纵 向跟踪和微调系统保持导电嘴和焊缝之间距离不变，能够应用于圆筒状压力容器的焊 接，实现环缝焊接自动化。但有时会因坡口及焊缝的加工装配不均匀而影响传感器的 测量精度。 、 非接触式跟踪系统分为超声波式、声发射式、光电式、电弧传感和视觉传感式跟 踪系统。非接触式跟踪系统与其它学科联系紧密，目前国内外学者对此进行了不同内 容和程度的研究。直接电弧式跟踪系统是从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差信号， 实时性好，不需要在焊枪上附加任何装置，焊枪运动的灵活性和可达性最好，尤其符合 焊接过程低成本自动化的要求。目前国外发达国家主要采用的方法是通过测量焊接电 流i 、电弧电压u 和送丝速度v 来计算工件与焊丝之间的距离h ，并应用模糊控制技术 实现焊缝跟踪。但由于电弧式跟踪只能获得焊接区的局部信息，不能获得焊炬高度匹 配度、焊根间隙和焊缝形式等重要信息，因而限制了其使用范围。一种新型焊缝跟踪 系统，通过在埋弧焊机上进行对焊缝坡口检测的焊缝跟踪试验，可以满足压力容器制 造的需要“。该系统采用非接触式超声波跟踪传感器，传感器具有抗干扰能力强、成 本低等特点，在低成本焊接自动化具有较好的应用前景。据日本焊接技术学会的调查 结果显示，领导未来焊缝跟踪的传感器主要是光学传感器，其中以视觉传感器最引入 注目。基于c c d 视觉焊缝跟踪系统可以用于埋弧焊、等离子弧焊等多种焊接方法和设 备中。但鉴于焊接过程的应用环境恶劣，传感器要受到弧光、高温、烟尘、飞溅、振 动和电磁场的干扰，使传感器的精度、抗干扰性能和灵敏度受到不同程度影响。虽然 迄今为止已研究出多种自动跟踪方法，但大多还处在实验室阶段。目前，国内外还有对 3 工程硕士学位论文散装水泥辛罐体焊接操作机控制系统的酽究 电子束焊自动熔透及焊缝跟踪、c 0 2 气体保护焊焊缝跟踪、激光超声感应自动跟踪等 进行研究“。 目前，焊缝跟踪系统、人工神经网络以及焊接专家系统逐渐开始应用于压力容器 的焊接自动化过程中，已成为压力容器焊接自动化技术发展的一个重要方向。研究焊 接过程参数和检测传感方法及传感器，特别是那些直接或间接反映焊接过程动态质量 的状态变量的检测传感器”。其中c c d 视觉焊缝跟踪系统的研究具有很大的应用前 景。 尽管目前焊缝跟踪系统有了较大的发展，并有一些实用的系统应用于生产过程中， 但由于实际生产过程对跟踪系统的灵活性、精度和可靠性提出了越来越高的要求，同 时焊缝跟踪系统的各方面技术都有了较大的进步，跟踪传感技术方面以电弧传感器及 c c d 摄像机为代表的新一代传感器的出现，控制算法方面模糊控制和神经网络算法的 迅速发展，以及计算机技术的日新月异的进步，对焊缝跟踪系统的进一步研究是十分 必要的。 1 2 3 示教再现方法综述及当前的发展水平 为使工业机器人( 或机械手) 完成规定的任务，在工作前由操作者把动作顺序信 息、动作速度信息、位置信息等用一定的方法预先教给工业机器人( 或机械手) ，进行 这种操作称为示教。使机器人按示教的内容动作称为再现。目前示教有3 种方式： 1 2 3 1 手把手示教 又称为全程示教，即由人握住机器人机械手臂末端，带动机器人按实际任务操作 一遍。在此过程中，机器人控制器的计算机逐点记下各关节的位置和姿态值，而不作 坐标转换，再现时，再逐点取出，这种示教方式需要很大的计算机内存、而且由于机 构的阻力，示教精度不可能很高。 1 2 3 2 示教盒示教 即由人通过示教盒操纵机器人进行示教，这是最常用的机器人示教方式，目前焊 接机器人都采用这种方式。 1 2 3 3 离线编程示教 即无需人操作机器人进行现场示教，而可根据图样，在计算机上进行编程，然后 输给机器人控制器。它具有不占用机器人工时，便于优化和更为安全的优点，所以是 今后发展的方向。 目前，世界工业机器人的示教方式主要采用示教盒示教，但其他方式也层出不穷， 特别随着电子技术的发展、智能元器件的采用，使示教更科学，更简易。作为工业机 器人的示教系统，要求必须能向机器人提供各种信息，如各示教点运动速度，采样时 间等，必须具备修改示教点和示教参数的功能，以及各种特殊用途机器人的控制参数 4 工程硕十学位论文 敏装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 给定，如弧焊机器人的插入指令、点弧、灭弧指令、焊接电源的电压、电流给定等踟。 1 2 4 可编程序控制器技术的应用和发展前景 1 2 4 1 可编程序控制器的应用 近年来，随着电子技术的发展，p l c 控制技术获得了飞速发展。表现在控制产品 异常丰富，其应用领域日趋广泛，已经完全从早期的逻辑控制应用中脱变出来，在过 程控制中也占据了极为重要的地位”。 可编程序控制器“”( 以下简称p l c ) 是以微处理器为核心，综合了计算机技术、 自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它具有可靠性 高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点，因而在 冶金、能源、化工、交通、电子等领域中有着广泛的应用，成为现代工业控制的三大 支柱( p l c 、机器入和c a d c a m ) 之一。根据p l c 的特点，可以将其应用形式归纳为 以下几种类型。 ( i ) 开关量逻辑控制。p l c 具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复 杂的逻辑控制。这是p l c 最基本最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器、接触器 的控制。 ( 2 ) 模拟量控制。p l c 中配置有a d 和d a 转换模块。其中a d 模块能将现场 的温度、压力、流量、速度等这些模拟量经过a d 转换变为数字量，再经p l c 中的微 处理器进行处理( 微处理器处理的是数字量) 去进行控制或者经d a 模块转换后，变 成模拟量去控制被控对象，这样就可实现p l c 对模拟量的控制。 ( 3 ) 过程控制。现代大中型的p l c 一般都配备了p i d 控制模块，可进行闭环过 程控制。当控制过程中某一个变量出现偏差时，p l c 能按照p i d 算法计算出正确的输 出去控制生产过程，把变量保持在整定值上。目前，许多小型p l c 也具有p i d 功能。 ( 4 ) 定时和计数控制。p l c 具有很强的定时和计数功能，它可以为用户提供几 十甚至上百个、上千个定时器。其计时的时间和计数值可以由用户在编写用户程序时 任意设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行设定，实现定时和计数的控 制。如果用户需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数模块 ( 5 ) 顺序控制。在工业控制中，可采用p l c 步迸指令编程或用移位寄存器编程 来实现顺序控制。 ( 6 ) 数据处理。现代的p l c 不仅能进行算术运算、数据传送、排序、查表等， 而且还能进行数据比较、数据转换、数据通信、数据显示和打印等，它具有很强的数 据处理能力。 ( 7 ) 通信和联网。现代p l c 一般都有通信功能。它可以对远程i o 进行控制， 又能实现p l c 与p l c 、p l c 与计算机之间的通信，这样用p l c 可以方便地进行分布式 工程硕士学位论文 散装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 控制。 1 2 4 2p l c 的发展趋势 为了适应市场的各方面的需求，各生产厂家对p l c 不断进行改进，推出功能更强、 结构更完善的新产品。这些新产品总体来说，朝两个方面发展“：一个是向超小型、 专业化和低价格的方向发展，以进行单机控制：另一个是向大型、高速、多功能和分 布式全自动网络化方向发展，以适应现代化的大型工厂、企业自动化的需要。 p l c 未来发展呈以下特点“：技术发展迅速，产品更新换代快；开发各种智能模 块，增强过程控制能力；与个人计算机相结合；通讯联网功能不断增强；发展新的编 程语言，增加容错功能；不断规范化、标准化。 1 2 5 焊接专机和变位机的应用 专机是一种刚性或半刚性的自动化焊接设备，不同于柔性自动化的焊接机器人。 在选择上必须根据企业生产情况和产品要求来选择是用专机还是用机器人。不能笼统 认为机器人是高水平的自动化，而专机是较低水平的自动化。根据实践经验，选择的 原则如表1 1 所列 1 2 1 。 表1 1 焊接机器人和焊接专机的特点对比与选择原则 内容焊接机器人焊接专机 对产品生产批量的要求可以小批甚至单件要求大批量 对产品改型周期的要求可以短要求长 设备适应改型的能力容易( 柔性自动化)困难( 刚性自动化) 焊件上焊缝的数量可以较多希望较少 每条焊缝长度可以很短希望较长 每条焊缝形状最适合复杂的空间曲线适合直线或圆形焊缝 对工件尺寸及装配精度较严( 可用跟踪寻位技术来严( 一般不配备跟踪系 的要求弥补)统) 主要取决于焊枪移位的次主要取决于一条焊缝的 焊接效率数( 即焊缝数) ，移位越多长度，焊缝越长效率越 效率越高高 投资额与回收期 一般较高、稍长 一般较低、较短 由于工件焊接质量的好坏直接影响产品性能，选择合适的变位机能将被焊工件的 各类焊缝转动到最佳位置，从而避免立焊、仰焊，提高焊接质量及生产效率。另外， 选择合适的变位机能降低工人的劳动强度及生产成本，加强安全文明生产，有利于现 场管理 1 引。 6 工程硕士学位论文 散装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 变位机可以使工件上的接缝处于理想的船形位置或平焊位置进行焊接，是提高焊 接效率和质量，降低劳动强度的有效廉价工具。企业在没有进入自动化焊接阶段，就 应大力推广应用变位机。n 2 3 我国有焊接变位机7 5 0 台，8 4 是国产的。可见，变位机 在我国企业中的应用还不普遍，许多工厂没有变位机，工件仍是放在地上焊接。 1 3 论文的主要任务 1 3 1 焊接操作机研究思路 i 3 1 i 焊接操作机构成思路 ， 由于散装水泥车罐体主要是直缝焊接，根据生产工艺和质量的要求，无需采用焊 接机器人，考虑在焊接专机的基础上，吸取焊接机器人的焊缝跟踪技术，将待焊焊缝 参数通过软件编程输入到控制器中，采用焊缝示教再现技术进行全自动焊接控制。 罐体放置在数控变位机上，编码器安装在变位机的旋转轴上，数控焊枪以及视觉 监测装置安装在十字臂架横梁前端，而十字臂架和操作控制台安置在能够在轨道上滑 行的小车之上，操作控制台装置有能够用于焊缝监测的显示器。 i 3 1 2 焊接操作机控制思路 可编程序控制器作为控制核心器件，运用编码器将所有焊缝进行位置和角度的测 量，将焊缝参数储存在数显单元中，利用p l c 的软件编程，实现焊缝的示教存储、示 教再现和焊接，利用视觉探测仪和显示器进行焊接过程的实时监测，进行焊接速度以 及焊缝参数的显示，实现故障报警。 1 3 2 焊接操作机的研究内容 根据研究思路，本文主要从以下几个方面对焊接操作机的研究进行了阐述。 1 3 2 1 对控制系统的功能和要求进行描述 简要介绍焊接操作机的结构和参数。系统的控制方案从几方面入手：控制的主要 方法、焊缝跟踪控制方案、焊接示教再现方案，对每个方案进行分析和论证，并得出 结论。 根据方案和得出的结论，提出关于焊缝跟踪系统、示教再现系统和基本动作等控 制系统的设计要求和观点。 1 3 2 2 对控制系统的硬件进行描述 简要介绍变频调速技术和可编程控制器的特点，对系统中各种运行电机进行分析 和确认，对台车和变位机、横梁动作、机头机构以及p l c 外接回路等进行电气控制设 计。根据设计要求，进行各种电器元件的选择。 对控制系统的核心控制器p l c 机型进行选择，并且进行i o 元件分配和接线图的 绘制。 7 工程硕士学位论文 散装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 1 3 2 3 对控制系统的软件进行设计 依据设计原则，对控制系统进行程序设计。首先进行程序的结构分析和总体方案 设计，然后分别进行主程序和子程序设计。 在设计焊接示教再现子程序时，提出焊缝的快速搜索和准确定位的关键问题和解 决方法。解决在焊接结束时关于收弧的问题。解决台车运行速度的检测、计算和显示 的问题。 在程序设计时，通过程序流程图进行分析。 1 3 2 4 进行控制系统研制和调试 根据硬件设计要求和配置，进行设备的采购和安装。对设计的软件程序进行可靠 性预调试，安装程序并进行控制系统的总体调试。 对焊接操作机的调试运行结果进行分析和评价。 工程硕士学位论文散装水泥车罐体焊接操作机拧制系统的研究 2 控制系统方案论证和设计要求 2 1 焊接操作机概述 在进行系统方案论证之前，对本课题的控制对象( 即焊接操作机) 的结构作简单 分析。焊接操作机系统应由操作机和变位机两部分组成，下面对操作机和变位机分别 进行分析。 2 i 1 操作机的结构和参数 操作机主要由轨道、台车、立柱、垂直升降机构、滑座、横梁、焊枪调节机构、 电视监控系统、电控系统、焊机等组成，见图2 i 1 。 台车结构实际上就是一个带轮子的行走小车，其行程取决于导轨的长度“”。上 装有主动轮组和被动轮组，由摆线针轮减速机驱动主动轮组，以驱动台车行走，台车 上装有二组导向轮以保证操作机直线运动。 垂直升降机构可安装于立柱顶部，能带动横梁及滑座沿立柱轨道上升及下降。横 梁上应有导轨、齿条，由水平移动机构带动焊枪一起水平移动。横梁依靠电动机驱动 链轮、链条，通过摩擦轮使横梁前后移动“。 焊枪调节机构可安装于横梁前端，随横梁一起移动，能精确调节并保持焊枪位置， 包括电动回转机构、电动水平及垂直调节装置、手动焊枪角度调节装置。电动回转机 构可使焊枪回转并保持在一9 0 。、9 0 。位置，以适应不同焊接方向的焊接。电动水平 及垂直调节装置可使焊枪在水平、垂直两个方向进行调节。手动焊枪角度调节装置可 使焊枪进行两个方向的角度调节。 电视监控系统由二套摄像机及显视器等组成，可安装于焊枪调节机构处。一套用 于焊缝跟踪，另一套用于观察焊道成型，可在焊接过程中动态观测。 操作机的主要参数有： 水平速度：1 5 0 0 m m m i n ；水平行程：5 0 0 0 m ；垂直速度：1 5 0 0 m m m i m 垂直行程：4 0 0 0 衄 台车速度：2 5 0 - - 3 3 0 0 m m i n ；台车行程：8 0 0 0 m ；台车轨距1 5 0 0 m m 2 1 2 变位机的结构和参数 变位机主要为提高工程机械结构件焊接质量，提高焊接生产率，改善焊接工人劳 动强度和保证焊接过程的安全“。变位机使被焊件任一待焊焊缝变为船形焊、平焊 和平角焊的理想位置焊接，从而易于焊接操作，保证焊接质量。 对变位机系统结构的基本要求是“：保证施焊；提高生产率，降低成本；操作 方便、省力、安全；具有良好的工艺性，便于制造、维修和保养。 9 工程硕士学位论文 散装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 图2 1 1 焊接操作机结构示意图 67 1 0 垂直升降机构 图2 1 2 变位机结构示意图 1 主动翻转机构2 电机3 减速器4 编码器5 回转支承 6 焊接夹具7 焊接夹具8 被动翻转机构9 车轮1 0 轨道 变位机主要由翻转机构和焊接夹具组成，而翻转机构由主动翻转机构和被动翻转 机构组成1 刖，主动翻转机构包括电机、减速器、回转支承和编码器等组成。 夹具翻转时，转动速度不能太快，如采用普通齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器，则 结构太庞大，为缩小夹具整体尺寸，优选结构紧凑的摆线针轮减速器1 剖，见图2 1 2 。 变位机的主要参数有； l o 工程硕士学位论文散装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 最大承载能力：8 0 k n ；额定扭矩：2 4 i ( n m ：额定转速：9 0 0 r m i n ；电机功率：4 k w ； 尾箱有效行程：2 5 0 0 m m ；回转主轴中心高：1 6 0 0 姗 2 2 控制系统总体方案论证 2 2 1 引言 焊接过程的自动化和智能化是未来焊接技术的发展方向。但焊接过程是一个复杂 的过程，焊接电弧是一个多输入多输出、强耦合、非线性时变的受控对象，电源一电 弧系统具有时变、非线性及干扰因素多等特点，因而很难建立起精确的数学模型。使 用经典控制理论和现代控制理论难以实现自动控制( 或控制效果不佳) 。而智能控制 作为一种通过定性与定量相结合的综合集成方法，是人工智能和控制系统相结合的产 物，能够针对系统环境和任务的复杂性、模糊性和不确定性，有效的实现复杂的信息 处理功能。智能控制系统的基本特点就是不完全依赖于受控对象的数学模型，而主要 利用人的操作经验、知识和推理技术以及控制系统的某些信息( 如控制输出、误差及 其延迟等) 和性能的出相应的控制动作“。以模糊控制、神经网络、专家系统为代表 的智能控制理论在弧焊过程控制中的应用越来越广泛。 研究和发展自动化、智能化焊接过程控制系统是保证焊接质量，提高生产效率， 改善劳动条件的重要手段，是未来焊接技术的发展方向。 以先进制造技术取代传统的加工制造模式已成为当今机械制造业发展的必然趋 势，反映在焊接生产领域，就是以焊接机器人及焊件变位设备等组成的柔性加工单元 作为主流技术改造和取代传统的焊接作业模式“。因此，在总体设计上应综合考虑 焊接智能控制与各基本动作要求之间的衔接关系。将已有的控制方法和智能控制手段 相结合，是设计高性能的交流调速系统的基本思路“ 通过对智能控制技术和方法的论述和比较，进而确立本课题控制系统方案。 2 2 2 智能控制的主要方法 智能控制技术。作为自动控制技术的前沿，以智能控制理论、计算机技术、人 工智能、运筹学为基础，适用于被控对象和环境具有未知或不确定因素，或者其数学 模型难以建立，或者其运行环境、工况发生不可预测的变化等场合。 分析当前国际最新智能控制方法及应用的状况和发展趋势，智能控制的主要方法 有：神经网络控制( n n c ) ；模糊控制( f c ) ；专家控制( b c ) ；分级递阶智能控制( h i c ) ； 拟人智能控制( a l i c ) ；集成智能控制，即将几种智能控制方法或机理融合在一起而构 成的智能控制方法：组合智能控制方法，即将智能控制和传统控制有机地结合起来而 形成的控制方法。 当前的研究热点”。是：神经网络控制；模糊控制；专家控制：集成智能控制；组 工程硕士学位论文散装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 合智能控制。 不少专家认为，模糊技术将属于未来二十一世纪的控制技术。在模糊理论的 研究方面，我国己处领先水平，但在将其应用于生产实践方面，却明显落后于日本及 欧美等国“。 各种智能方法都具有自身明显的优势和特点，但存在一定的局限性。模糊控制的 主要缺陷有”：精度不太高；自适应能力有限；易产生振荡现象。因此各种方法之 间如何取长补短、优势互补、相互有机结合以解决复杂的、高度非线性和不确定性的 控制问题就成为当今智能控制的研究热点之一，集成智能控制被人们普通认为是智能 控制的主要发展方向之一，同时探索如何将智能控制与传统控制有机结合也是非常有 意义的工作“。 在实际应用中，许多控制系统的控制对象都是时变的和非线性的，不易求取其精 确的数学模型，若用传统的p i d 控制，则不能得到理想的控制效果。但是，若采用以 p l c 为核心的模糊控制方式，则可得到良好的控制效果，而且可明显提高系统的可靠 性 2 钊。 利用p l c 实现模糊控制是现代自动控制系统的发展趋势之一”。 2 2 3 结论 本课题控制系统通过智能控制手段来实现焊缝跟踪和焊缝的示教再现功能。结合 企业生产实际需要，以及焊接工件的工艺技术要求，拟采用组合智能控制方法，利用 p l c 技术将智能控制和传统控制有机地结合起来而形成的控制方法。 2 3 焊缝跟踪控制方案论证 2 3 1 焊缝跟踪控制原理 焊接过程控制系统首先要解决的问题是焊缝跟踪”“。 焊缝跟踪，即以焊炬为被控对象，电弧( 焊炬) 相对于焊缝中心位置的偏差作为 被调量，通过机械、电磁、激光、视觉等多种传感测量手段，控制焊炬使其在整个焊 接过程中始终与焊缝对口。进行实际焊接时，需要工人注意观察焊枪是否偏离焊缝中 心，若有偏离需要进行实时调整，使焊枪始终与焊缝中心对准。因此，实现精确的焊 缝跟踪是保证自动焊接质量的关键。 一般的自动跟踪系统都是由传感器、控制器和执行机构组成。传感器获取的是焊 炬偏离焊线位置的偏差信息，并把该信息转换为相应大小的数据，控制算法根据控制 理论由获得的偏差信号得到控制信号，然后把控制信号送给执行机构，执行机构根据 接收到的指令信息实施相应的纠偏动作，从而达到精确跟踪的目的”。 焊接是一个非常复杂的过程，影响焊接的因素具有不确定、非线性的特点，因此在 工程硕士学位论文 散装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 焊缝自动跟踪系统中采用经典控制的理论和方法进行控带4 ，在实际焊接生产中不能得 到令人满意的结果3 引。近年采，模糊控制在焊接中的应用使焊缝跟踪系统的调节速 度和跟踪精度得到了很大提高。但简单的模糊控制其实用范围受到限制。即在较小的 偏差时可以得到足够高的调节速度，而在较大的偏差时，其调节速度不能根据偏差情 况进行修正。因此，简单的模糊控制仍然不能满足实际焊接的需要。 2 3 2 视觉伺服系统 为了保证焊接质量和良好的焊接成形，必须保证电弧的长度和稳定的焊接过程。 把c c d 摄像机放置在机器人的柱体上，观察焊接熔池图像，其中包括焊枪高度和电弧、 熔滴过渡情况，把焊接速度、送丝速度作为操作对象，焊枪高度、电弧位置作为控制 对象，并用计算机同时控制与处理信号，这样就构成了一个完整的焊接智能过程控制 系统 3 3 】。 焊接时将焊枪安置在机械手上，在机械手的焊接方向放置c c d 摄像机，c c d 摄像 机直接摄取焊接区图像，并将图像信息送到计算机进行处理，通过图像处理检测出熔 池位置，将检测出现的偏差送入控制器，控制器调整偏差，直至偏差消除为止。 c c d 将采集到的电弧区图像信息以视频信号形式输入至图像卡，工控机对图像进 行处理，得到焊缝偏差信号，并运用模糊推理，通过接口电路向电机驱动电源发出相 应的控制信号，以实现焊炬运动的模糊控制”。 两点式视觉伺服系统智能化的关键问题“在于焊枪对坡口的实时跟踪，首先在 坡口一侧的球皮上人工画出坡口平行线，当焊接坡口平行线与传感器中心线间有相对 偏差时，由行走机构对焊车位置进行粗调，再由光电跟踪机构对焊枪位置进行精调。 在粗调过程中，微机控制系统根据二个c c d 光电传感器的测量值对焊车的左右行走电 机发出差动信号，使焊车随动拐弯，直至焊车中心线与焊接坡口中心线基本一致。在 精调过程中，微机控制系统后一个c c d 光电传感器的测量值对光电跟踪滑块机构的步 进电机发出驱动信号，使焊枪随动跟踪坡口中心线。 2 3 3 焊缝跟踪控制过程 在焊炬上固定一个附加的光学装置，用于检测焊缝的相对位置”。采用c c d 跟 踪传感器方式，用工业电视把电弧、熔池、导电嘴、焊丝伸出和焊接坡口一起摄入图 像。 可在普通的自动焊机的基础上，增加个十字形滑块，由电动机带动其上下、左 右移动，焊炬装于其上，作为自动跟踪的执行机构”。 视觉传感机构能够准确反映焊接情况。焊枪能够上下、左右平滑移动，能够摆动 达到1 8 0 度角度，确保焊枪准确进行焊缝跟踪。焊接过程中能够进行焊接电流、收弧 了程硕士学位论文散装水泥车罐体焊接操作机控制系统的研究 及焊枪移动控制。要求焊接控制程序能够检测传感信号，进行焊缝追踪，调节焊接电 流大小，满足生产工艺要求3 引。 2 3 4 结论 由于罐体用于散装水泥的储装和运输，焊缝的精度要求不是很高，无须机器人控 制。考虑到现场工人操作技术和技能，对于采用模糊语言的控制器操作有一定的难度。 本课题拟采用c c d 光电传感器的视觉伺服系统对焊缝进行实时跟踪和监测，利用 可编程序控制技术进行焊缝跟踪控制。能够实现跟踪待焊轨迹并使焊枪按预定方式运 动的跟踪系统和智能控制系统，其控制性能的核心控制器选用可靠性较高的可编程序 控制器。 2 4 焊接示教再现方案论证 在实际生产中存在一些问题，因为产品结构复杂，焊接过程要反复变位，为控制变 形，对焊接顺序要求严格。生产中大多由手工操作变位机实现变位，效率低，而且在现 场。操作者为图方便不按工艺要求的焊接变位顺序操作的现象时有发生，例如将工件 一侧焊缝全部焊完再变位将另一侧焊缝焊完，导致焊件变形严重”“。采用焊接示教再 现技术能够解决变位机变位问题。 2 4 1 示教再现原理 数控焊接在示教状态时，接收示教系统送来的各示教点的位置信息，并存入计算 机的内存中，完成整个示教过程后将各示教点的位置信息存入硬盘中。数控焊接在再 现状态时，系统先从硬盘中将各示教点信息调入内存，再从内存中逐点取出其位置坐 标值，逐点送给驱动电机，同时检测编码器反馈信号，直到其准确到位”“。电机的运动 是由编码器的控制脉冲数决定的，而控制脉冲数是在开始前写入控制脉冲寄存器中 的。如果开始点的坐标以绝对零点为参照系则可以确定各示教点的坐标。 2 4 2 编码器简介 广泛用于位置和角度的测量，可分为绝对式编码器与增量式编码器”“。绝对式 编码器其特点是输出信号与旋转位置一一对应，但其精度不高，而且成本较高。而增量 式编码器其输出信号为脉冲信号，其脉冲个数与相对旋转位移有关，而与旋转的绝对 位置无关，其精度较高，而且其成本相对较低。如果预先设定一个基准位置，则可以利 用增量式编码器实现绝对式编码器的功能，也即可以测出旋转的绝对位置。 增量式编码器按其输出可以分为差分式与非差分式，它们的输出信号均为脉冲信 号，非差分输出一般有a ，b 两相脉冲，其高电平接近编码器的工作电源电压，而差分输 1 4 工程硕十学位论文散装水泥车罐体挥接操作机控制系统的研究 出一股有a 相、a 非相、b 相与b 非相，a 相与a 非相互为反相，b 相与b 非相互为反相， 它们的高电平只有编码器工作电源电压的一半，这就是差分的含义。 编码器只有两个旋转方向，如果增量式编码器顺时针旋转，则a 相滞后b 相9 0 。 而如果逆时针旋转，则b 相滞a 相9 0 。而且，编码器各相的输出电平完全取决于其 旋转位置。编码器旋转一周，a 相与b 相所输出的脉冲数相同，其脉冲数决定了编码器 的精度，通过从编码器读取脉冲数，则可以计算出其相对的角位移量。 增量式编码器按照输出脉冲列或正弦波的周期列的方式。 每转输出脉冲数( p r ) = 3 6 0 。设计分辨率 2 4 3 示教方法 目前，数控焊接变位机示教方法一般有三种，分别是键盘示教、操纵杆示教和示 教盒示教。其中示教盒示教是数控焊接变位机最主要示教方法，也最为复杂示教 方法。但它有其独有的优越性。一般情况下操纵杆示教是为调试设备方便而设置的示 教方法。在工厂实际的操作中，由于键盘和操纵杆与工控机一起都装配在控制柜上， 受工作环境的制约，一般变位机与控制柜距离往往较远，很难准确定位；但示教盒示 教正好弥补了以上两种示教形式的不足，通过通信电缆与控制机通信，可远离控制柜， 站工件旁边对变位机进行操作，并且能够实时再现变位机的位置信息，实现准确示教。 以上三种示教方式中，示教盒示教主要用于现场示教，键盘示教可以实现操纵杆示教、 示教盒示教的全部功能，但操作不便，主要用于离线示教。 键盘示教是在工控机键盘上定义一些功能键，分别代表各个示教功能，由主控程 序扫描键盘；当发现有键按下时，通过键盘扫描码获得键值，工控机调用相应的程序 完成该键所定义的功能。 由于键盘示教不是很直观，操纵杆可作为辅助的示教工具。操纵杆实际上是组合 在一起的四个主令开关，操纵杆向不同的方向换挡就会带动不同的开关开合，将这四 个开关接入控制卡，从而可以判断操纵杆的方向。 示教盒示教是示教盒将键盘扫描的示教控制指令传送给主