（机械工程专业论文）管板自动焊自动定位系统研究.pdf

中文摘要 论文题目：管板自动焊自动定位系统研究 专业：机械工程 硕士生：张丙尧( 签名)猛也 指导教师：周好斌( 签名) g 未必迅一一 常立公( 签名)丕之坌 摘要 自从管板焊接技术应用于实际生产以来，其以高质量、高效率、低成本等优点迅速 在化工、轻工、核能等行业中的热交换器设备( 如锅炉、蒸馏器、冷凝器等) 上得到广 泛应用。目前，国外管板焊接技术已比较成熟，而国内才开始这方面的研究，大部分设 备需要进口。从国外引进管板全自动焊机，由于技术没有完全掌握，设备难以正常使用。 而从国外引进的弧焊机器人焊接管与管板，由于操作人员和维修人员的素质跟不上或关 键部件需要进口，6 0 的焊接机器人不能很好地用于生产。并且进口设备昂贵，所以我国 管板的焊接工作长期停留在手工焊接的水平上。 本课题对管板自动焊接设备做了深入的研究。在了解和掌握了国内外管板焊接设备 结构和功能的基础上，结合实际生产需求，对设备的电气系统和机械系统进行了规划设 计。电气方面主要涉及了p l c 相关组件，液晶显示相关硬件和软件，步进电机，弧控系 统等设计思想及其对应的驱动和控制程序。机械系统包括焊接机头，轴向定位调整机构， 水气导入等组件机构的设计和加工。此焊接设备具有结构简单，轻便，移动灵活，焊接 质量好等特点。它的成功研制，不仅提高了生产效率，改善了工人的工作环境而且促进 了换热器行业及其他( 如空调等) 行业的快速发展。 关键词：管板自动焊自动定位 论文类型：应用基础 l l 英文摘要 s u b j e c t ：s t u d yo fa u t o m a t i cp o s i t i o n i n gt u b e p l a t ew e l d i n gs y s t e m s p e c i a l i t y ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ： i n s t r u c t o r ： a b s t r a c t s i n c et h et u b e p l a t ew e l d i n gt e c h n o l o g ya p p l i e dt op r o d u c t i o n , w i t hh i g h - q u a l i t y , h i g l l e f f i c i e n c y , l o w c o s ta d v a n t a g e si th a dq u i c k l yw i d e l ya p p l i e di nt h eh e a te x c h a n g e re q u i p m e n t ( s u c ha sb o i l e r s ，d i s t i l l a t i o n ，c o n d e n s e r ) o fc h e m i c a li n d u s t r y , l i g h ti n d u s t r y , a n dn u c l e a r i n d u s t r y a tp r e s e n t ，i na b r o a dt h et u b e - p l a t ew e l d i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nm a t u r e ，h o w e v e ri t j u s tb e g a ni nt h i sf i e l di nd o m e s t i c ，m o s to fe q u i p m e n td e p e n do ni m p o r t e d t h et u b e p l a t e a u t o m a t i cw e l d i n gm a c h i n ew h i c hi m p o r t e df r o ma b r o a d ，a st h et e c h n o l o g yh a sn o tf u l l yg r a s p ， a r eh a r d l yr u nn o r m a l l y a n dt h ei m p o r t e da r cw e l d i n gr o b o tw e l d i n gp i p e t u b es h e e t ，b e c a u s e o ft h eq u a l i t yo fo p e r a t o r sa n dm a i n t e n a n c es t a f fc a l ln o tk e 印u po rt h ek e yc o m p o n e n t sn e e d i m p o r t ，6 0 o ft h ew e l d i n gr o b o t sc a nn o tb ew e l lu s e di nt h ep r o d u c t i o n a n da l s oi m p o r t e d e q u i p m e n ta r ee x p e n s i v e ，f o ral o n gt i m ec h i n a st u b e p l a t ew e l d i n g i si nh a n d - w e l d i n gl e v e l t h i sp a p e rr e s e a r c ha b o u tt u b e p l a t ea u t o m a t i cw e l d i n ge q u i p m e n td e e p l yb a s eo n c o m p r e h e n da n dm a s t e r yt h et u b es h e e tw e l d i n ge q u i p m e n ts t r u c t u r ea n df u n c t i o n ，a n di n t e g r a t w i t ht h eb a s i sa c t u a lp r o d u c t i o nd e m a n d ，i td e s i g ne l e c t r i c a ls y s t e ma n dm e c h a n i c a ls y s t e m t h ee l e c t r i c a l s y s t e mm a i n l y i n v o l v eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea b o u tt h ep l c - r e l a t e d c o m p o n e n t s ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y r e l a t e d ，s t e p p i n gm o t o r , a r cc o n t r o ls y s t e mp r o c e d u r e s d e s i g n m e c h a n i c a ls y s t e m si n c l u d i n gt h ed e s i g na n dp r o c e s s i n go fw e l d i n gh e a d ，a x i a l p o s i t i o na d j u s t m e n ta g e n c i e s ，w a t e rv a p o ra i s l et ot h eb o d ya n di t sr e l e v a n tc o m p o n e n t s t h i s w e l d i n ge q u i p m e n tw i t ht h ea d v a n t a g eo fs i m p l es t r u c t u r e ，p o r t a b l e ，m o b i l ea n df l e x i b l e ，g o o d q u a l i t ) ，o fw e l d i n ga n ds oo n t h es u c c e s so fi t sd e v e l o p m e n t ，n o to n l yi n c r e a s ep r o d u c t i v i t y a n di m p r o v et h ew o r k i n ge n v i r o n m e n tf o rw o r k e r sa n dp r o m o t i o nt h ed e v e l o p m e n to fh e a t e x c h a n g e r si n d u s t r ya n do t h e rs e c t o r ss u c ha sa i rc o n d i t i o n i n g ，e t c k e y w o r d s ：t u b e - p l a t e a u t o m a t i cw e l d i n g , a u t o m a t i cp o s i t i o n i n g t h e s i s ：f u n d a m e n ts t u d y i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：筮碴日期：刎1 0 g 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：弥净矜日期：2 扔, - 8 i o 8 导师签名： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出嗍：叫( 含解密年限等) 。 第一章前言 第一章前言 在化工、轻工、核能等设备的锅炉、蒸馏器、冷凝器等热交换器中，管与管板的焊接 接头不仅数量多，操作难度大，而且焊接质量要求高，虽然有些场合可用胀管连接，但在要 求较高的情况下，大多数仍需要焊接。由于管子多、管径小、排列间距小等特点，给焊接 带来许多困难。国内有些厂家从国外引进管一板全自动焊机焊接管与管板的角环焊缝，由 于被焊工件尺寸的精度及装配的质量问题，从而使得设备难以正常使用，还有的厂家从国 外引进弧焊机器人焊接管与管板的环焊缝，由于操作人员和维修人员的素质跟不上，或者 由于关键部件需要进口，使6 0 的焊接机器人不能很好地用于生产。也由于进口设备昂贵， 使我国管一板的焊接工作长期停留在手工焊接的水平上，不但操作困难，费工、费料，而且 质量也难保证。在充分调研的基础上，根据我国国情和生产实际需要，研制出了管一板全自 动钨极氩弧焊机i l l 。 1 1 管板焊接工艺介绍 在管板与换热管的焊接过程中，焊接方法有手工电弧焊、手工氩弧焊、脉冲自动全 位置氩弧焊等几种方法。而焊接方法的确定除了根据图样规定外，常常是根据制造厂的 制造工艺条件而确定的。 1 1 1 手工电弧焊 通过前一段时间去哈尔滨空调机厂调研发现，该厂在空冷器的制造过程中，对丝堵板 与换热管的焊接还在使用手工电弧焊，相信这在国内也具有一定的代表性。在使用手工电 弧焊对管一板进行焊接时，必须满足以下几点焊接要求及其注意事项： ( 1 ) 电焊操作工( 以下简称焊工) 必须具有相应的焊工操作许可证，即d l 2 2 4 j 2 6 j 。 在施焊过程中，设专人进行焊接技术监督，随时了解掌握焊工的焊接状态，并根据焊工 的焊接实际情况予以具体指导。 ( 2 ) 电焊条必须进行烘干，并按规定使用保温筒，且在使用过程中注意防潮。每次从 焊条保温筒内拿出两根焊条，两小时之内没有用完的焊条，则需重新烘干，但烘干总次 数不得超过两次。 ( 3 ) 采用手工电弧焊，有数名焊工同时焊接。为减小焊接应力与变形，基本思路与方 法是采用放射交叉式焊接或分区对称式焊接。对于焊接缺陷的返修，应先清除缺陷后再 补焊，并按返修工艺进行，焊缝同一部位的补焊次数不宜超过两次，否则补焊前应经单 位总负责人批准，并采取可靠的技术措施。 ( 4 ) 焊渣及突出于管子内壁的焊瘤应该消除，其焊缝外观应符合相应技术文件的规定。 焊缝外形尺寸检验要用肉眼，借助有关辅助量具进行，检验时要保证良好的照明。 西安石油大学硕士学位论立 ( 5 ) 焊工焊完后应在相应部位打上焊工钢印。同时在设备档案中进行详细记录，以增 强焊工以及检查人员的责任心和便于了解查询跟踪设备的内在质量。施焊环境也要进行 控制环境条件恶劣时应采取适当的防护措旆方可进行施焊。手工电弧焊使用的焊 接设备简单成本低，操作方法灵活适应性强，但对焊工操作投术要求高。手工电弧 焊除了产生不易清除的管内氧化皮等杂物进而影响管道清洁度外，而且焊缝外形不美观 除此之外还容易产生咬边，焊瘤，未焊透等缺陷。因为空冷器的管扳焊接采取强度胀加 密封捍的制造工艺，对胀接工艺要求来说，胀管有一定的困难。如图1 - 1 所示，为哈尔 滨空调机厂工人进行空冷器管与管板的焊接，以及焊后的焊缝形状。 囝l - 1 手工电弧焊以及焊缝形状示意图 1 1 2 手工氩弧焊 尽管近年来工业锅炉行业在逐渐改造过程中焊接自动化程度有了很大的进步，但在 管于与联箱，以及些金属结构件的焊接e ，手t 氩弧焊仍然是生产中的主要工艺手段， 而手工氩孤焊技术对焊机的要求也在不断地提高。手工氩弧焊的特点是： f 1 1 电弧和熔池可见性好。 ( 2 ) 操作方便，易于控制熔池形状及焊缝成形。 ( 3 ) 与手工电弧焊相比，手工氩弧焊能量集中，热影响区小，变形小，不影响胀管 的焊接工艺。 目前，手工氩弧焊常见缺陷及解决办法： ( 1 ) 未焊透 一般情况下，焊接电流太小，根部间隙小，焊接速度快焊枪角度调整不当等均会 产生未焊透缺陷。采用合适的焊接电流、合适的焊接速度和恰当焊枪角度就可避免产生 未焊透缺陷，且根部间隙一定不小于25 r a m 。 ( 2 ) 氧化严重 在打底焊时，管内氢气保护装置未能起到良好的保护作用，焊缝背面被氧化：焊接 第一章前言 过程中熔池及焊丝端头氩气保护不良，或焊丝表面有氧化杂质。因此，在焊接过程中， 氩气保护装置必须与管子对严，以防止被氧化。对焊接操作员技术水平要求高。 ( 3 ) 夹渣、夹钨 在焊接过程中，高温下的焊丝若端头脱离了氩气保护区，在空气中被氧化，当再次 焊接时被氧化的焊丝端头未经清理，送入熔池，就会形成夹渣；若钨极伸出长度过大， 焊枪动作不稳定，钨极与焊丝或钨极与熔池相碰后，又未终止焊接，从而造成夹钨。焊 接钢管在旋转，因此，焊接时速度一定要均匀，焊枪、送丝手法一定要稳、准，这样才 能避免夹渣、夹钨的现象。 ( 4 ) 内凹 装配间隙小，焊接过程中焊枪摆动幅度大，致使电弧热量不能集中于根部，氩气内 保护气流太大，均会产生背面焊缝低于试件表面的内凹现象，所以电弧热量尽量应集中 于根部焊。 1 1 3 脉冲自动全位置氩弧焊 钨极氩弧焊又称钨极惰性气体保护焊，它是使用纯钨或活化钨电极，以惰性气体一 一氩气作为保护气体的气体保护焊接方法。钨棒电极只起导电作用不熔化，通电后在钨 极和工件间产生电弧。在焊接过程中可以填丝也可以不填丝。填丝时，焊丝应从钨极前 方填加。钨极氩弧焊又可分为手工焊和自动焊两种。 钨极氩弧焊的优点是：由于焊缝被保护得好，故焊缝金属纯度高、性能好；焊接时 加热集中，所以焊件变形小：电弧稳定性好，在小电流( l o a ) 时电弧也能稳定燃烧。 并且，焊接过程很容易实现机械化和自动化。 钨极氩弧焊的缺点是：氩气较贵，焊前对焊件的清理要求很严格。同时由于钨极的 载流能力有限，焊缝熔深浅，只适合于焊接薄板( 4 8 0 l0 0 0 视觉传感式焊缝跟踪系统工作过程如图3 1 4 所示，系统主要由p l c 、步进电机及驱 动电路、c c d 摄像头等，构成一个闭环控制系统。 图3 1 4 视觉传感式焊缝跟踪系统 在焊接系统中，c c d 视频传感器与焊枪安装于同一直线位置上，由c c d 传感器检测 焊枪与焊缝的位置关系。c c d 摄像头采集到的图像经图像采集卡输入到p l c 中并进行 处理，得到焊缝中心与焊枪之间的偏差距离。偏差距离即为带动焊枪运动的焊接小车在 焊接过程中所要行走的距离，由图像处理及控制运算软件计算得出，经p l c 发出控制信 号到步进电机驱动器。驱动器完成脉冲分配和功率放大功能，控制步进电机起动并带动 焊枪及摄像头运行到焊缝中心位置。即系统首先以每秒2 0 帧的速率采集焊接过程的实时 图像，并通过智能化的算法进行图像的比对，计算位置偏差及控制输出。控制算法将以 脉冲方波的形式输出控制信号，通过p l c 输出到步进电机驱动器，控制步进电机的移动 和转向，从而使步进电机带动焊枪移动到达焊缝中心位置，实现焊枪焊缝的自动对中【2 2 1 。 根据焊缝跟踪系统设计原理，在自动工作状态下，由c c d 传感器得到的焊接过程 图像作为闭环控制的反馈信号，首先经由相应的图像处理得到焊枪实际位置及其与焊缝 中心的偏差，然后再经过预订的控制算法计算出为满足系统动态控制指标要求所需要焊 枪运动的方向、距离和速度。输出步进电机的控制脉冲以完成焊缝自动对中的控制任务。 根据实际情况可以选择手动或者自动工作状态，系统运行监控界面如图3 1 5 所示。 3 1 西安石油大学硕士学位论文 _ r 一 r ”一 t r tr 一 二j 二j = = j ，= j 围3 一1 5 系统运行控制界面 在手动工作状态下，可以由操作员在主机上直接输入要求焊枪运动方向、距离和速 度，由软件转换为相应的脉冲序列输出，如罔3 - 1 6 所示。 粼戳蕊墓蕊黝黼黼 l 戳泓黝# 燃自 l * #t t l # b 神 管墨。 一 女 l 摊 $ 一”一“” l 喇州 ：tt$， 图3 1 6 手动控制方式界面 b 步进电机的转向控制 步进电机的转向是通过送入电动机绕组的脉冲顺序来控制的。程序根据电机运动方 向信号，通过驱动器按相应的顺序给步进电机的各相绕组通电、断电，方便地实现对电 机的转向控制。控制软件根据偏差值的正负来判断步进电机的运动方向。偏差数据写入 p c i 卡时，工控机根据方向判断位b 来控制步进电机的转向。当b = l 时，步进电机向左 移动：当b = 2 时，步进电机向右移动；当b = 0 时，步进电机停止【茁l 。 c 位移量控制 根据步进电机运行到目标位置的距离由电机的脉冲当量计算出步进电机运行到目 标位置所需脉冲的个数，根据需要的运行响应时间再得到脉冲输出的频率，如果没有失 步存在，当执行机构达到目标位置时，c c d 传感器所测偏差为零，则停止输出步进电机 控制脉冲序列信号，步进电机停止运行。由c c d 传感器测得焊枪运动到焊缝中心所需 的距离，即电机所需的位移量l 后工控机根据l 值求取一定脉冲肖量下输出所需的脉 第三章设备硬件系统设计 冲个数n ，并且使计数器从零开始计数，每遇到一个奇数，使n 加l ，当n = n 时脉冲停 止。这样就可以实现位置的精确控制。在界面图形中可以同步显示实际行进的脉冲个数 n 。绝对位置参数由c c d 摄像头对采集到的图像信息处理后得出，第二个参数偏差距离 与步进电机的转向有关。 焊接小车的简要控制程序如下： p r o c e d u r e t f o r m l t i m e r l t i m e r ( s e n d e r ：t o b j e c t ) v a i l ，i ，n ，m ，p b e g i n i ：= 0 ： n ：= 0 ： p ：- - o ； w h i l ei - - md o b e g i n i f ( r o u n d ( 比) ：( i 2 ) ) t h e np ：= p + l e l s e p ：= p - i ： d o _ w r i t e p o r t ( c a r d ，0 ，p ) ；+ 偶数输出高电平，奇数输出低电平 e n d ； n ：- - n + l ：计算实际输出脉冲个数 e n d ； i f ：i = m ： e l s e b ：= 0 ；幸到达目标位置，电机停止+ i ：= i + l ： e n d ； e n d 在上述程序段中m 为根据偏差数据转换后传输到步进电机驱动系统的值：n 为实际 脉冲个数：p 是脉冲值，可为任意值。r o u n d 函数是求整函数，所以由程序段可以看出： 当i 为偶数时，写入端口的值为“l ，即对应工控机输出的高电平：当i 为奇数时，写 入端口的值为“0 ，即对应工控机的低电平。由于n 值是不断循环变化的，所以写入端 口的值在“0 、“l 之间变化，实现高低电平的转换，从而实现方波驱动步进电机运动 2 4 , 2 5 1 。 3 2 3 步进电机的速度控制 为了保证控制精度和运行速度，用软件对步进电机进行加速减速控制，除了在偏差 很小和要求焊枪运行速度较慢的情况外，都要利用变速控制程序使输出脉冲按升频、恒 西安石油大学硕士学位论文 速和降频的过程输出。为此需要输出控制程序改变输出时钟脉冲的时间间隔。升速时， 使脉冲信号逐渐加密；减速时，使脉冲信号逐渐稀疏。软件用定时器方式来控制电机变 速，即不断改变定时器间隔的大小，一般用离散法来逼近理想的升降速曲线。确定定时 器的时间间隔通过试验进行调整，控制程序如下： p r o c e d u r et f o r m l t r a c k b a r l c h a n g e ( s e n d e r ：t 0 b j e e t ) ： b e g i n t i m e r l e n a b l e d ：= f a l s e ； t i m e r l i n t e r v a ：l = 10 0 0 - t r a c k b a r l p o s i t i o n * 1 0 ： t i m e r l e n a b l e d ：= t r u e ； 可以根据偏差值m 转换出速度值，通过程序改变t r a c k b a r 中的p o s i t i o n 的值，即 改变定时器的间隔，从而实现电机调速。 3 运算举例 开环系统的脉冲当量( 一个进给脉冲对应的工作台位移量，m m 脉冲) 6 - - r0360i，(3-1) 式中：0 一步进电机步距角，( 。) ： 卜小车车轮半径，衄； i 一减速齿轮的减速比。 假如当给步进电机外加一个控制脉冲时，转子转过的角度是1 8 。试验中，将 r = 2 5 m m ，0 = 1 8 。， i = l ：0 8 代入式( 3 - 1 ) 中，得6 = 0 i m a m 脉冲。在试验过程中，由于 系统模型精确度不够，计算出的6 值也不够准确，试验计算结果见表3 - 2 。由表中数据 可以看出，系统存在失步现象，说明脉冲频率过高，需要根据定时器来调整。 表3 - 2 试验结果 距离c m方波数个 1 0 1 5 2 0 2 5 1 0 0 0 1 5 0 2 2 0 0 3 2 5 0 7 针对焊接控制系统设计要求，采用d e l p h i 编程实现自动调节焊枪小车步进电机速度 和位置及转向的控制，并且设计了相应的人机交互界面。系统能使焊枪按预订的轨迹和 速度行进到指定焊缝中心位置，满足自动焊缝跟踪系统的控制要求。 3 2 4 人机界面 控制面板上集成了各种开关及控制按钮，并连接到c p u 的输入部分，提供焊接方式 第三章设备硬件系统设计 选择、各运动部件的手动，自动控制、焊接启动、焊接紧停等功能。控制系统提供了4 种 焊接方式，包括：焊l 层不填丝，焊l 层填丝，连续焊2 层、第l 层不填丝而第2 层填丝， 连续焊2 层均填丝等。系统还提供了空转运行选择，用于焊机的调试。所有功能的选择 通过控制面板上的拨断开关来完成1 2 们。 t d 2 0 0 文本显示器和控制面板构成了整个控制系统的人机界面。控制系统将每层焊 缝分为8 或1 6 段，每段焊接电流峰值、基值均独立设置，此外还需设置焊接速度、焊接 重叠角度、送丝速度、预热时间、滞断时间等众多参数。参数的输入和编辑是管板焊机 控制系统的重要功能。本研究采用低成本的t d 2 0 0 文本显示器，实现了焊接参数的输入、 编辑以及焊接信息的实时显示，并完成部分i o 控制功能。两个电机控制( 驱动) 器分别在 两路c p u 高速脉冲的控制下，驱动送丝电机和焊接机头旋转电机完成机头旋转、送丝、 焊接回位、焊丝回位等功能。上述硬件模块构成了一个经济可靠、功能强大的全自动管 板氩弧焊机的控制系统。t d 2 0 0 是专为s 7 2 0 0 系列p l c 配用的操作员界面，可显示中 文信息，具有连接简单、操作方便、功能强及价格较低等特点。它通过一根t d c p u 电 缆和p l c 实现互连，提供如下主要功能：显示从s 7 2 0 0 c p u 读取的消息。可以调整 选定的程序变量。设置具有实时时钟的c p u 时间和日期提供强制非强制i o 点的 能力。提供8 个可供用户自定义的功能键。 3 2 5 弧控系统 众所周知，全位置自动长g 管焊技术在原子能、锅炉、化工、航空、航天等行业中 得到了广泛的应用，在提高焊接质量方面其效果甚为明显。普通管焊机头是采用靠模的 方式来保持电弧长度的恒定，这种方式能有效地解决直径8 0 m m 、壁厚3 m m 以内的管与 管、管与弯头的焊接。但是随着工业技术的发展，大口径、中厚壁管的应用越来越普遍 对其质量的要求也越来越高，特别在焊接异形管时弧长自动控制功能就成为焊接工艺中 的关键问题弘7 1 。 l 弧长自动控制的原理 在自动t i g 焊中，钨极端部与工件间的距离是一个十分重要的参数，使用自动填丝 时，其重要性就更为突出，当弧长变化时焊丝进入熔池的位置也发生相应的变化如图 3 1 7 所示。 在全位置自动t i g 管焊过程中，由于钨极的烧损，前道焊缝的成形、熔池变化等因 素的影响，没有弧长自动调节功能，几乎是不可能维持电弧长度的恒定。本焊机弧长控 制系统采用电弧电压传感，其依据是：由电弧的伏安特性曲线( 如图3 1 8 i l 点) 得知，在 一定的条件下，电弧的长度与电弧电压成正比这样，当固定电流不变时，则可通过调节 电弧电压来控制电弧的长度。实际上电弧电压还受到环境、钨极锥度、所焊材料、气体 成份等因素的影响，但是经过一些特殊的技术处理，还是可以有较大实用价值的，毕竟 不用另外加传感器。 3 5 西安石油大学硕士学位论文 图3 1 7 弧长与焊丝进人熔池的位置关系 根据电弧的伏安特性曲线，利用电弧电压来调节弧长的原理是可行的，只要根据所 测得的电弧电压与预先设定的电压进行比较，然后用差值控制电机运动的方向和距离， 就可以达到控制弧长的目的。 图3 1 8 电弧的伏安特性曲线 实际应用中，电机的反应灵敏度与速率是两个关键的因素。所以对弧长自动控制功 能作了专门的处理，并根据实际情况的需要调节系统的灵敏度和运动速度。 2 影响因素 影响电弧电压变化的因素：电弧电压除了如伏安曲线中所表明的受弧长影响之外， 还受到一些其它因素的影响，这些因素主要有： ( 1 ) 气体成分：当保护气体中氢气或氦气的比例增加时，电弧电压也增加： ( 2 ) 钨极锥度：钨极端部的锥度角度越大，电弧电压越小； ( 3 ) 电流范围：当焊接电流小于3 0 a 时，不宜使用弧长自动控制系统； ( 4 ) t 件温度：工件的温度增高，弧压也升高： ( 5 ) 焊件的成分：焊件的冶金成分将影响其电弧等离子体中的金属蒸气浓度，发射电 子的能力等。因此对弧压的影响也十分明显。 对上述几个影响弧压的主要因素的了解是很重要的，在弧焊时，若使用1 0 v 弧压， 但当换用氦气后，仍采用1 0 v 的弧压。则此时弧长将变得很短，有短路的危险。 3 不同的控制模式 当焊接电流为直流时，控制是较易实现的。管子焊接时，大多数场合均非直流，而 为直流脉冲。如图3 1 9 所示，当采用脉冲焊接时，在弧长不变的情况下，峰值电流1 2 与基值电流i i ，分别对应了两个电压u 2 与u l 。 第三章设备硬件系统设计 屿 i j i i b i 图3 1 9 脉冲焊接时形成的两个电弧电压 图3 - 2 0 脉冲焊接是电弧电压的波形 从图3 2 0 中还观察到电压随电流的变化不是瞬间的，而且还有一个小振荡现象。 当选择基值、峰值电流同时作为控制参量时，希望限制焊枪不会由于二个不同电压 而引起像缝纫机机头那样的运动。 j 至曼；：善兰 i ：孓二譬= - 一”“一一：= ： 蔓- i 一o 图3 - 2 1 热修正功能示意图 a y t ot i gp c 机中设定的“热修正”功能就是用来克服这种现象的，如图3 - 2 l 所示。设定的控制电压为一平均电压，这样在峰值电流时，机内设定的参考电压增加为 定数值；相反在基值电流时，机内自动减小设定的参考电压，以维持弧长的基本恒定。 西安石油大学硕士学位论文 第四章设备控制系统软件设计 一个控制系统要正常工作，仅有硬件部分是不够的，还需要软件部分的配合才能构 成一个完整的控制系统。如果说硬件电路满足了管板自动焊接设备运转的基本要求，并 提供硬件保护，那么软件则使其获得了优异的性能，并提供软件保护。硬件电路是软件 程序工作的基础，而软件程序能使硬件电路的功能得到充分的发挥，并实现一些硬件电 路所不能实现的功能。所以它们两者是相辅相成的。本章将根据硬件的设计，结合p l c 编程特性讨论控制系统的软件实现方法。 4 1总体软件设计思想 设备的控制系统原理由图4 1 管板焊接设备控制系统原理结构示意图所示。控制系统 主控部分由p l c 组成，其在机头操作面板、控制柜操作面板和显示器的配合下完成各焊 接有关参数的输入和焊接过程的控制。 图4 1管板焊接设备控制系统原理结构示意图 p l c 在各位置限位传感器的配合及程序控制下，通过控制焊接旋转步进电机来完成焊 枪的焊接行走轨迹：通过弧压采样和弧压处理电路所组成的闭环反馈系统来控制h 调节 步进电机和b 调节步进电机以保证焊接过程中焊枪位置的相对稳定，从而保证焊接成形 质量例。 设备弧长自动跟踪控制系统原理如图4 - 2 所示。与反映焊枪位置参数h ，b 相关的焊 第四章设备控制系统软件设计 接参数主要是焊接弧长，焊接弧长通常通过弧长自动跟踪控制系统来加以控制，常用的 办法是采用弧压反馈控制，其理论基础如下： 三= f ( u ，i ) = 口【，+ 6 ，+ c ( 4 一1 ) 其中：l 表示弧长，u 表示电弧电压，i 表示电弧电流，a ，b ，c 为常数。 图4 2 管板焊接设备弧长自动跟踪控制系统原理结构示意图 电弧电压和电弧电流分别通过采样电路、阻抗变换电路、隔离放大电路和 d 转换电 路处理后输入到p l c 中，p l c 依据上述数学模型进行运算处理后分别通过脉冲输出电路、 隔离放大电路、驱动电路等来分别驱动决定弧长的h 控制步进电机和b 控制步进电机， 从而达到控制焊枪位置参数h 、b 的目的。 p l c 通过特殊设计的接口电路与专用焊机相连，以控制焊机和系统焊接过程的匹配。 p l c 通过通讯接口与其它计算机或设备的联系以实现数据的传输、储存、打印等功能。 4 2 各功能模块设计 4 2 1p l c 控制系统软件设计概述 p l c 采用模块化编程，通过组织块( o b ) 、功能块( f b ) 、功能( f c ) 、数字块( d b ) 等模 块之间的调用，可以实现复杂的控制算法，而程序结构简洁明了。在设计软件前，须在 s t e p 7 软件中进行硬件组态。s t e p7 - m i c r o w i n 3 2 软件中的“硬件组态 ，就是模拟真实 的p l c 硬件系统，将c p u 、电源和信号等设备安装到相应的机架上，并对p l c 硬件的参 数进行设置和修改的过程。为了减少扫描时间，使用s t e p7 - m i c r o a v i n 3 2 中硬件组态工 具屏蔽未用的模拟量输入通道，在硬件上还需将未用的通道的输入端短路，这样也就加 西安石油大学硕士学位论文 强了系统的实时处理能力。 p l c 的c p u 工作流程如图4 3 所示： 图4 - 3c p u 工作流程 p l c 对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，如图4 - 4 所示。p l c 的工作过程 一般可分为三个主要阶段：输入采样，数据处理，输出刷新阶段。 输 入 信 号 输输 - 笑 i r 入出 r输-罄 映 用户程序 映 i 出 l 掌 i 蒺 l像像 锁 l 区 存 区 输入采样数据处理 结果输出 图4 - 4p l c 用户程序的工作过程 ( 1 ) 输入采样p l c 以扫描工作方式，按循序将所有信号读入到寄存器输入状态的输 入映像寄存器中存储，这一过程称为采样。在本工作周期内，这个采样结果的内容不会 变化，而且这个采样结果将在p l c 执行程序时被使用。 ( 2 ) 数据处理p l c 按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地令，并分别从 输入映像寄存器和输出映像寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的 4 0 输眷ii， 第四章设备控制系统软件设计 结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在整个程序执行完毕之前 不会送到输出端口上。 ( 3 ) 结果输出在执行完用户程序后，p l c 将映像寄存器中的内容送入到寄存输出状 态的输出锁存器中，再去驱动用户设备，这就是输出刷新。 4 2 2 设备系统控制软件设计 系统控制软件分为三个模块，自动运行模块、手动运行模块和参数编辑模块。自动 运行模块用于完成单条管板焊缝的全自动焊接，程序流程见图4 5 。手动运行模块完成 气阀手动开关、点动旋转和点动送丝等功能。参数编辑模块由于参数的输入、编辑和调 用，通过t d 2 0 0 组态实现。 图4 5 自动程序流程框图 4 2 3t d 2 0 0 组态 采用文本显示器实现了焊接程序选择、焊接参数输入与编辑、焊接信息实时显示以 及部分i o 控制等功能。s t e p 7 m i c r o w i n 3 2 提供了一个向导，可以方便地在s 7 2 0 0c p u 的数据存储区中组态参数块和消息。在完成选择项的选择和消息建立之后，t d 2 0 0 组态 向导自动把参数块和消息文本写入c p u 可变存储器存储器) ，包括语言、更新速率、消 4 1 西安石油大学硕士学位论文 息和消息使能位等，构成一个t d 2 0 0 参数块。每次运行时，t d 2 0 0 从c p u 读参数块，对 所有参数进行合法性检查后，开始主动循环查询消息使能位，以决定要显示的消息，并 从c p u 读取消息1 2 9 1 。组态得到的t d 2 0 0 参数块如下： b e g i nt d 2 0 0 一b l o c k - 一( 略) m e s s a g ee n a b l eb i tv 5 0 7 v b l 0 0 l 热预时间 v b l1 41 6 # 1 0 e d i tn o t i f i c a t i o nv 11 4 2 ：n oa c k n o w l e d g e m e n t ；n op a s s w o r d ； v b l l 51 6 # 1 0 s i g n e dw o r d ；0 d i g i t st ot h er i g h to f t h ed e c i m a l ： v w ii616 # 0 0 0 0 e m b e d d e dd a t av a l u e ：m o v ed a t af o rd i s p l a yh e r e v b l l 8 ( 0 1 秒) ( 略) 朋m 匣s s a g e5 l m e s s a g ee n a b l eb i tv 5 6 5 v b 2 1 0 0 武汉星光v e r 0 5 0 0 1 * 管板全自动氩弧机幸 ( 略) e n dt d 2 0 0 一b l o c k 上述参数块定义了5 4 条t d 2 0 0 消息，通过v 5 0 0 - v 5 6 2 单元进行使能控制。其中 4 6 条消息含有嵌套数据，分别用于预热时间、衰减时间、滞断时间、各段焊接电流的峰 基值、重叠角度、送丝速度、旋转速度等焊接参数的设置和编辑以及焊接程序号的设定 及调用。其余消息用于焊接信息的实时显示。 m 1 3 0 m 1 3 7 定义了t d 2 0 0 的8 个自定义功能键，可进行i o 控制。v 3 2 和v 3 3 是面板上“”和“v ”系统按键对应的控制位。本文利用上述两个控制位，并以v d 6 0 和 v w 6 4 为中间变量，实时更新设置参数的消息使能位v 5 0 0 - v 5 5 5 ，实现了设置消息的 轮询，方便了焊接参数设置。实现程序如下。 l dm 1 3 1 a v 3 - 3 e u lp s a v 6 0 7 m o v dl6 撑0 0 0 0 0 0 0 0 ，v d 6 0 a e n o m o v w1 6 # 0 0 0 8 ，v w 6 4 a e n o 4 2 第四章设各控制系统软件设计 sm 2 0 1 ，l l r d ( 略) a v 6 5 7 m o vd1 6 # 0 0 0 0 0 0 0 0 ，v d 6 0 a e n o m o v w1 6 蜘1 0 0 ，v w 6 4 a e n o sm 2 0 1 ，l l r d a n m 2 0 1 a n v 6 0 7 ( 略) a n v 6 5 7 s l bv b 6 0 ，l ( 略) a e n o s l b v b 6 5 ，l a e n o sm 2 0 1 ，l l p p a m 2 0 1 m o v dv d 6 0 ，v d 5 0 ae n o m o v wv w 6 4 ，v w 5 4 ae n o r m 2 0 1 ，l rv 3 3 ，l 4 3 提高p l c 控制系统可靠性措施 4 3 1p l c 安装环境条件 p l c 系统的工作环境对其寿命及可靠性具有很大影响。不合适的环境可能会导致 p l c 系统故障、失灵及其他不可预知的问题。为了确保p l c 的正常运行，应当尽量避免 在下列场所操作控制系统。 西安石油大学硕士学位论文 ( 1 ) 阳光直射处； ( 2 ) 温度0 6 5 、湿度2 5 , - , 8 5 范围内； ( 3 ) 有腐蚀性气体和易燃性气体处； ( 4 ) 有尘埃( 特别是铁屑) 或盐雾处： ( 5 ) 暴露于水、油、或化学品处： ( 6 ) 易受冲击或振动处。 4 3 2 抗干扰措施 p l c 由于具有较强的适应恶劣工业环境的能力，经常直接链接在被控电子设备上， 周围经常存在很多干扰。混入电路的干扰容易引起错误的输入信号，从而运算出错误的 结果，造成错误的输出信号。所以为了保证控制系统的工作可靠性，在控制系统设计时 应采用一些有效的抗干扰措施1 3 0 i 。 ( 1 ) 抑制电源系统引入的干扰 电网的干扰，频率的波动，将影响到p l c 系统的稳定性。减少电源系统引入的干扰 主要措施如下。 a 加装滤波、隔离、屏蔽电源系统可以使用隔离变压器来抑制电网中到来的干扰。 滤波器也有抑制干扰信号从电源线传导到系统中的作用，但是滤波器只在一定频率范围 内有较好的抗干扰作用，而且选择合适滤波器的工作频率范围非常困难。因此，常用滤 波器加隔离变压器的方法。使用隔离变压器时应注意屏蔽层要良好接地。 b 分离供电系统p l c 与i o 系统分别用各自的供电系统供电，并与主电源分开。 这样可以减少i o 系统对p l c 的电源干扰。 ( 2 ) 抑制接地系统引入的干扰 良好的接地系统可以减少由于电位差引起的干扰电流和防止漏电流引起的感应电压 以及混入输入输出信号线的干扰。 p l c 系统分为逻辑电路接地和功率电路接地，常用的有浮地方式、直接接地方式和 电容接地三种方式。一般采用控制器与其他设备分别接地，接地线应尽量选粗线：接地 点应该尽量靠近控制器，尽量避开强电回路和主回路的电线，特别是避免与电动机、变 压器等动力设备共同接地，不能避开时应尽量缩短平行走线的长度。接地时还应该注意： a 采用共地方式接地时，接地线把系统的地连接一个小于1 0 0 q 的电阻，若不是连接到 小于等于1 0 0q 的接地电阻会导致电击； b 接地线应尽量选粗些，一般应大于2 m m 2 ； c 接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线，不能避开时应垂直交叉，尽量缩短长度。 ( 3 ) 抑制i o 电路引入的干扰 a 防止输入信号干扰的措施 输入信号中的差模干扰用输入模块中的滤波器可以将其 减弱；输入信号中的共模干扰在控制器内部产生大电位差，这是造成控制器误动作的主 第四章设备控制系统软件设计 要原因。因此，为了解决控制器的共模干扰，应保证控制器的良好接地。 输入电路中的感应电压也是造成控制器误动作的主要原因，感应电压是通过输入信 号间的寄生电容、输入信号线与其他线间的寄生电容以及大电流的电气耦合产生的。为 了解决感应电压的干扰，在感应电压大的场合，将交流输入改为直流输入：在长距离配 线或大电流的