（材料加工工程专业论文）基于管板自动焊自动控制关键技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于管板自动焊自动控制关键技术研究 材料加工工程 王利军( 签名) 周好斌( 签名) 摘要 管板式换热器广泛应用于锅炉、化工、制药、发电等行业，生产管板式换热器的重 要工序就是管与管板焊接。焊接时通过人工进行焊炬中心定位再进行焊接。因此希望能 设计出一种简单、快捷、定位精确的管板自动焊机，实现真正意义上的焊接自动化。 本文针对管板式换热器的特点，重点进行了基于c c d 图像传感器的焊炬定位管板 自动焊的自动控制关键技术研究。c c d 对管板焊接端口进行图像采集，将采集到的图像 送入计算机进行图像处理，以获取端口圆的中心坐标，通过中心坐标进行焊炬定位。采 用龙门式支架固定焊接机头，焊接机头在步进电机的驱动下可以在水平支架与垂直支架 上移动，用c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机作为主控单元对系统各执行机构进行控制，使用液晶与4 x 4 软膜键盘实现人机信息交换。在文中，我们对龙门式支架和焊接机头结构进行了设计， 并且完成了控制系统的硬件与软件设计。利用m a t l a b 仿真软件对图像进行处理时，选用 了r o b e r t s 边缘检测算子获取边缘轮廓，通过最小二乘法对边缘曲线拟合从而得到焊接 端口的中心坐标，最后使用k e i lu v i s i o n 3 软件进行系统程序调试。研究结果表明利用c c d 图像传感器通过图像处理获取端口圆的中心坐标，从而进行焊炬定位的方法可行。 关键词：管板焊接c c i ) 单片机自动定位图像处理 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：s t u d yt h ea u t o m a t i cc o n t r o lk e yt e c h n o l o g yb a s e do ut u b es h e e ta u t o m a t i cw e l d i n g s p e c i a l i t y ： m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：w a n g l i j u n i n s t r u c t o r ：z h o uh a ob i n a b s t r a c t t u b e ra n dt u b e s h e e th e a te x c h a n g e ri sw i d e l yu s e di nb o i l e r s ，c h e m i c a l ，p h a r m a c e u t i c a l ， p o w e rg e n e r a t i o na n do t h e rf i e l d s t h et u b et ot u b es h e e tw e l d i n gi sa ni m p o r t a n tp r o c e d u r e i np r o d u c i n gt h et u b e ra n dt u b e s h e e th e a te x c h a n g e r w e l d i n gc a r r i e do u tb ym a n u a l p o s i t i o n i n go fw e l d i n gt o r c hc e n t e r t h e r e f o r e ，t h i ss t u d yw o r k so nd e s i g n i n gat u b e s h e e t 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 ss i m p l e ，f a s ta n dp r e c i s e l yp o s i t i o n i n gt oa c h i e v er e a l w e l d i n ga u t o m a t i o n f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp l a t eh e a te x c h a n g e rt u b e ，t h i sp a p e rf o c u s e so nc c di m a g e s e n s o rp o s i t i o n i n gt u b ep l a t ew e l d i n gt o r c ha u t o m a t i cw e l d i n gc o n t r o lt e c h n o l o g y c c d i m p l e m e n t si m a g ec a p t u r et h r o u g ht h et u b es h e e tw e l d i n gp o r t t h e s ei m a g e sa r ep r o c e s s e d i nac o m p u t e rt oo b t a i nt h ep o r tc i r c l ec e n t e rc o o r d i n a t e sw h i c hi st h eb a s i so ft o r c h p o s i t i o n i n g w e l d i n gh e a di sf i x e d i nt h eg a n t r y ，a n dt h ew e l d i n gh e a dc a nb ed r i v e nb yt h e s t e p p e rm o t o ri nt h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lp o s i t i o n u s i n gm c u c 8 0 51f 0 2 0a st h em a i n c o n t r o lu n i tt oa c h i e v es y s t e mc o n t r o la n du s i n gl c da n d4 x 4k e y b o a r dt oa c h i e v e h u m a n c o m p u t e ri n f o r m a t i o ne x c h a n g e i nt h i sp a p e r ，i td e s i g n st h eg a n t r ya n dt h ew e l d i n g h e a d ，a n dc o m p l e t e st h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n m a t l a bs i m u l a t i o n s o f t w a r ei su s e df o ri m a g ep r o c e s s i n g ，a n dt h er o b e r t se d g ed e t e c t i o no p e r a t o ri sn e e d e dt o o b t a i nt h ee d g ec o n t o u ra n dt h el e a s ts q u a r e sm e t h o de d g ec l l r v ef i t t i n gi sn e c e s s a r y t og e tt h e c e n t e rc o o r d i n a t e so fw e l d i n gt h ep o r t ，a n df i n a l l y k e i lu v i s i o n 3s o f t w a r ei su s e df o r d e b u g g i n gs y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec c d i m a g es e n s o rb yu s i n gi m a g ep r o c e s s i n g f o rp o r tc i r c l ec e n t e rc o o r d i n a t e st of m dt h a tt o r c hp o s i t i o n i n gm e t h o di sf e a s i b l e k e y w o r d s ：t u b e ra n dt u b e s h e e tw e l d i n g c c dm c ua u t o m a t i cp o s i t i o n i n g i m a g ep r o c e s s i n g t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h 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，除了文中特另1 1 ) j n 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：啡 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： 导师签名： 日期：盈i 竺! 五! l 日期：圆望：2 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 管板式换热器广泛应用于锅炉、化工、制药、发电等行业，而生产管板式换热器的 重要工序就是将管与管板按要求焊接。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代替焊接接头进行连接，但在要求较高的 情况下，大多数仍需要焊接。管板式换热器由于管子多、管径小、排列间距小等特点， 给焊接带来许多困难。每台换热器中的管板焊缝少则上百个，多则上千个，焊接工作量 巨大( 如图1 1 所示) 。若采用传统的手工电弧焊，则由于劳动强度犬，劳动条件差，设 备的制造质量与工期都不易保证，为了优质、高效、按期完成设各制作。这种工况屉适 合采用自动化的焊接方法。 图i - 1 管板式换热器 现有的管板自动焊机都需要定中心焊接，即将管板焊炬的回转中心定位到与被焊件 中心基本重台的状态，通过焊炬绕管口旋转来完成焊接。定位方式都是通过中心杆或中 心轩加涨芯休机构柬实现的。通常的做法是后一种，即中心杆加涨芯体机构。然而，这 种涨芯体机构存在以下缺陷： ( 1 ) 涨芯体机构的膨胀头的膨胀是通过扩张筒扩张来实现的，而扩张筒变径范围极 为有限，一种扩张筒仅仅适用于种管径且同一壁厚的被焊管，当被焊管管径或壁厚不 同时无法通用， ( 2 ) 现有的涨：岱体机构的虽小定位管径都普遍偏大，导致自动管扳焊机在对较小管 径的管板焊接中难以施焊。 ( 3 ) 被焊管跟板的连接形式为管缩进时，即被焊管跟板的焊缝在板孔内，由于涨芯 体机构无法进入，所以现有的涨芯体机构自动管焊机也难以实施焊接。 ( 4 ) 被焊件较大时会因焊接而产生的高热发生一定的变形，即使焊| j 准备工作做得 很到位，也会发生孔位山现中心偏移的现象，影响焊接精度，不利于大规模的生产加工。 西安石油大学硕士学位论文 所以为了解决以上问题，希望能设计出一种简单、快捷、定位精确的管板自动焊机， 实现真正意义上的焊接自动化。 1 2 管管板焊接方法 工业锅炉行业内，管与管板的焊接大多采用手工电弧焊。用这种焊接方法通常要将 工件( 锅筒) 竖起来( 对于较大较长的筒体，有时还要求挖坑) ，焊工操作时有一定的危险 性，而且这一焊接方式容易损伤管头，咬边较多，容易造成管头的焊接热影响区重叠， 甚至焊缝粘连；当采用手工全位置焊接方法时，受焊工操作水平的影响，焊缝成形相当 难看。除此之外，也有许多厂家采用c 0 2 气体保护焊，而这种焊接方法对管头破损较 大，且焊缝过宽，易造成焊缝粘连。所以现在很多厂家开始采用管管板全自动脉冲钨 极氩弧焊【l j 。 使用管管板全自动脉冲钨极氩弧焊工艺与手工焊相比有以下明显优势： ( 1 ) 节省焊材，焊条只有1 4 - - , 1 5 的浪费； ( 2 ) 省电，o 8 焊丝的电流密度明显高于手工焊条； ( 3 ) 劳动强度低，改善工人工作环境； ( 4 ) 焊缝成形好，质量不受焊工操作水平的影响； ( 5 ) 有利于提升企业形象，增加产品竞争力。 管管板全自动钨极氩弧焊可以替代手工焊，成为锅炉、压力容器、石化等相关行 业的一种专用工艺，是一种节能环保型工引2 ，3 】。 全自动脉冲管板氩弧焊机，具有可编程序控制储存器、氩气保护装置、变频引弧装 置、自动衰减回路、提前及延时供气回路，只要按程序启动，整个环焊缝的焊接过程就 会自动完成。所以在焊接过程中要注意以下几点【4 】： ( 1 ) 焊接时，机头平衡器的三点与管板必须接触良好，同时三点的距离要求相等， 这样焊出的焊缝光滑平整、无毛边。 ( 2 ) 认真做好焊接准备工作，特别是穿管前、胀管切管后的清理和焊前清理，确保 焊口的清洁。 ( 3 ) 确保胀切管的质量。胀管时应避免过胀、欠胀和漏胀，切管时应使切口端面平 整，避免卷边、毛刺。 ( 4 ) 焊接时如果钨极尖端变圆，焊弧的方向就会改变，焊缝就不圆滑，焊缝带毛边 时要及时更换钨极。 总之，全自动脉冲控制氩弧焊在管与管板的焊接中有较广泛的应用前景。 2 第一章绪论 1 3 管板自动焊接设备发展情况 1 3 1国外管板自动焊接设备现状 对于管板焊接设备，国外开发应用较早。自1 9 6 3 年美国报导了用来焊接平焊位置 接头的钨极氩弧焊机后，管板接头焊接设备层出不穷。由于国外有先进的换热管生产技 术和精良的管板加工装备，所以工件本身的质量以及工件组装精度并不会对管头焊接造 成明显的影响。因此，在管板自动焊设备的研究过程中可以忽略管子和管板加工精度 对焊接质量的影响，管子原始的精度能保证焊接过程中电弧斑点与管子外壁之间的距离 b 及管板端面之间的距离h 始终不变，如图1 2 所示。所以，只要开始设定这两个距离 值，焊接过程就能按预定的要求完成。 图1 - 2 管与管板焊接示意图 管板与管子焊机就其整机结构而言，可归纳为三大类1 5 ，6 】。 ( 1 ) 机头悬吊式 瑞典e s a b 公司的a 2 2 型管板与管子焊机即属此类，这种设备的焊接机头由于通 过平衡吊悬挂，故可方便地拉到任意位置插入待焊管孔，调好枪头定位机构，即可启动 焊接。按规定参数焊完一周并搭接后，自动熄弧停焊。此时即可撤出焊枪，进行下一个 管孔的焊接。该机的焊接机头配有四种芯轴及3 3 种芯套，更换方便，适宜焊接的管孔 内径为必1 0 一- - 0 7 8 m m 。机头上装有送丝单元，控制系统采用集成电路，可存贮几十 套程序供焊接时选用。对一周焊缝可分区控制焊接参数。保证整圈焊道成形美观、质量 可靠。焊接参数除可用数字表显示电弧电压和焊接电流外，也可用数字表显示焊枪施转 速度和送丝速度。 法国b t t 公司配有h o b a r t 电源的管板与管子焊机，也是一种机头悬吊式。该机只 能焊接箱体内管板的端面接头，采用强制风冷，即每焊完一个接头，就要吹风几分种冷 却，严重影响生产。 德国k o t t h a u s b u s c h 公司的r o t a - m a t - - t 2 0 0 管板与管子焊机属典型的机头悬 吊式，该机可以焊接普通管板的内角、外角、端面及内孔接头，还可焊接箱体内管板的 内角接头。美国h o b a r t 公司的o r b i t i g 管板与管子焊机，也具有手枪式焊接机头， 3 西安石油大学硕士学位论文 由手工将焊机插入管孔进行焊接。该机具有系列焊枪，可以进行管板的内角、外角和端 面接头的焊接。机头悬吊式焊机擞作方便，目前正广为使用。 ( 2 1 机头附壁式 这种焊机以美国a r cm a c h i n e s 公司生产的a r cm a c h i n e st 1 g 焊机为典型代表，它 与机头悬吊式的主要区别在机头的固定方式上。该捍机可焊管孔直径为0 1 27 0 2 54 m m ，可使用e , 08 巾12 m m 的焊丝，电压的弧长调节范围是1 27 m m ，焊枪回转 速度1 1 0 r m n 、钨极直径0 16 24 m m ，焊枪为3 0 0 a 水冷式，机头重量约5 k g 。焊 机控制系统按管孔一周的不同焊接位置，分四区控制焊接参数，即给出四种脉冲电流值。 重复性、稳定性好，焊接质量可以保证。该焊机的焊接电源和气体钢瓶均在一小车上， 移动方便。 ( 3 ) 龙门式 龙门式焊机足国外生产的又一种类型管板焊机，该焊机通过六轴精确定位。机头装 在龙门架的横桨上，可沿横梁作水平方向移动，横梁可作垂直方向的升降运动。焊枪上 有一芯轴可使焊枪外移、入孔定位后开始焊接。万一焊道内溢时，该心轴由于町与焊枪 分离，待磨修焊道后将心轴抽出焊枪通过微型丝杠调节其径向位置，同时电极轴向可调 节到4 0 r a m ，可以焊接管子的内径m 1 2 0 5 0 m m 。这种焊机出德国的公司制造生产，并 已在欧洲广泛应用了5 0 多年。 目前全位置管板自动焊接设备，国外做得比较好的公司是法国的p o l y s o u d e 和 美国的a r c m a c h l n e s 。特别是法国的p o l y s o u d e ，在国内已有多家公司购进其产 品。如图1 3 ，哈尔滨锅炉厂有限公司就是应用法国的p o l y s o u d e 的产品。 图1 3 脉冲自动全位置氩弧焊 1 3 2 国内管板自动焊接设备现状 7 0 年代我国曾经试制过水平位置焊接的c 0 2 管板自动焊机。按c 0 2 焊接工艺焊接 管板接头，同周焊缝首尾措接处的熔透性不易保证，一次打压合格率偏低，故该焊机难 丁推广使用。而国内换热管的壁厚偏筹一般在1 2 左右，管子圆度偏差在5 ，管板钻 第一章绪论 孔和倒角的尺寸偏差也常超出g b l 5 l1 9 9 9 管壳式换热器的规定。因此，国内从 瑞典e s a b 公司、德国e w m 公司、美国l i n c o l n 公司以及r 本o t c 公司等进1 3 的多套 管板自动焊机在用于国产换热管换热器的制造时由于管子的圆度偏差、壁厚偏差和管 板的管孔偏差等原因造成了管头烧烂、熔合小良、接头强度不足、焊缝不连续以及试压 泄漏等问题p 8 “。目前，国内设计制造的管板自动焊机大多数是仿制国外的产品，制造 精度和操作性能均不如国外产品，报难在生产实践中得到推广。 北京精艺技术，f 发公司制造了w z m i 3 0 0 一i g b 型管板全位置脉冲氲弧焊机。这是 一种机头悬吊式的管板接头的外角和端面焊机( 管一管板接头形式如图1 - 4 所示1 。该机控 制系统将焊缝划分为6 个程序段，每段中的焊接电流和送丝均可预设及实时调节。u r 焊 小管内径为中1 0 r a m 、管外径为0 1 4 1 6 m m 、机头转速为05 4 r m i n 、填丝速度为02 12 m m m f n 、机头重约8 k g 。 囹 囹 1 一l _ + 一一_ _ 1k 1 ( 曲管缩进管板嘞管与管扳平齐( 0 管伸出管板 图1 4 管与管板连接的三种方式 江苏杨中神通微控焊接设备厂生产了w z m i _ 一2 3 0 型管板全位置自控脉冲钨极氩弧 焊机，足一种龙门式管扳焊机，可以焊接管板的外角接头。陵机采用微机控制，根据预 先设定的程序和：r = 艺参数自动进行焊接，具有7 档固定的工艺参数和1 档可变的工艺规 范供选择。其焊接方式有四种；( 1 ) 1 二焊一层，不填超；( 2 ) 焊一层填丝；( 3 ) 焊两层，第 一层不填照，二层填丝；( 4 ) 焊两层，均填丝。焊枪转速为o2 5 r m i n ，送丝速度为1 0 0 8 0 0 m m m i n ，可焊管子外径为中1 5 6 0 m m 。机架焊接范围是：横向移动行程2 0 0 0 m m ， 雄直移动的行程1 1 0 0 r r u n ，前后移动的行程为1 0 0 r n m l l q 。 图1 - 5 深孔管板全位置自动焊接图图1 - 6 管板全位置自动焊接枪头 在国内管板焊接设备做得比较成熟的是上海华恒公司，一些产品已经达到国际先进 水平。如图1 - 5 所示，为上海华恒焊接设备技术有限公司的陈国余等人研制的深孔管板 西安石油大学硕士学位论文 焊机，此图为焊接管与管端平齐时的情况。其枪头如图1 6 所示，当管口伸出过长时， 电弧离管端面距离变长，此时电弧力弱，管板获得的能量少，易造成融合不良。所以当 管端伸出管板5 m m 左右时，不适合用此套设备。但管端伸出管板时是一种普遍情况， 已有多家公司提出解决此问题1 1 1 1 。 哈尔滨焊接研究所于丹等人对深小孔条件下管管板全位置t i g 焊接设备进行了研 究，其所设计的焊枪也是仅限应用于管与管板平齐及管缩进管板时的情况。 此外，国内还研制过操作式管与管板焊机，即将机头装在操作机横臂上进行焊接。 这种焊机与龙门式焊机很相似。总之，在研究管与管板焊机及焊接工艺方面国内外都做 了大量的工作，尽管焊机种类多种多样，但都是全位置脉冲t i g 焊机。对于不同形式 接头的焊接，需要配置不同的机头焊枪【1 2 , 1 3 】。表1 1 列出了国内外典型管板与管子焊机 的特点和功能。 表1 1 国内外典型管板与管子焊机的特点和功能 实用管板接头特 制造厂型号或名称型式技术特点 点 中国精艺技术开发公分六个区段控制 可焊接一般管板 司 、z i 3 0 0 i g b 机头悬吊式 之外角，端面， 焊接参数 内孔接头 箱体内的内角 中国哈尔滨焊接研究涂小孔管板全位置焊 系列水冷焊枪分接，端面接头， 所机 机头悬吊式九个区段控制焊一般管板的外 接参数，可编程角，端面，内孔 接头 中国扬中神通微控焊 具有七档固定参 接设备制造厂 w z m i 2 5 0 ( 3 1 5 ) 龙门式数，一档可调参数 可焊接一般管板 之外角焊缝 可编程 德国k o 刑a u s 可焊一般管板内 b u s c h r o t a m a t - t 2 0 0 机头悬吊式系列焊枪，可编程角，外角，端面， 内孔接头 可焊一般管板内 美国h o b a r to r b i t i g 机头手持系列水冷焊枪 角，外角，端面， 内孔接头 系列焊枪，水冷， 可焊一般管板外 美国a r cm a c h i n e s a r cm a c h i n e st i g 机头附壁式分四区控制焊接 角接头 参数 箱体内端面焊接 箱体内端面接头 法国b b t 机头悬吊式 为风冷式( - - y 填丝) 系列水冷焊枪，可可焊一般管板端 法国p o l y s o u d e 机头悬吊式 编程面，外角接头 t i g m a t i c 系列焊枪，多芯可焊一般管板端 意大利r a dw e l d i n g机头悬吊式轴，多芯套，可编面，外角，内角 m o d 2 2 6 2 4 2 程 接头 6 第一章绪论 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 方案思想 目前在图像定位和物体尺寸测量方面，用c c d 图像传感器获取图像后，通过对图 像进行处理而确定目标位置和轮廓的应用较多。因此本设计也将利用这一方法进行焊炬 自动定位系统研究。研究中采用龙门架结构固定焊接机头，在机头上安装c c d 摄像头， 且摄像头的光学中心和焊炬的中心线在同一水平面上。机头通过步进电机的驱动可以在 龙门架的水平轴向支架和垂直轴向支架上进行移动，以便到达焊接的位置。在进行焊炬 定位时，主要是先通过c c d 摄像头对被焊管端口进行摄像，将采集到的图像送入计算 机进行图像处理，以获取管子圆心坐标和圆的半径。计算机通过对这些数据进行处理， 根据处理后的数据发出指令驱动步进电机转动。焊炬在电机的带动下移动到焊炬中心线 与被焊管中心线共线的位置( 即完成焊炬定位) ，然后开始焊接。流程如下图1 7 所示。 1 4 2 关键技术研究内容 图l 。7 图像传感器定位系统 在热交换器设备的制造中，管与管板的焊接是一个非常重要的制造工序，管板焊缝 质量的高低决定着冷换设备的使用周期长短。每台热交换器设备的管板焊缝较多，焊接 工作量巨大。因此针对管板自动焊自动控制关键技术，本文主要从以下几个方面进行研 究： ( 1 ) 机械执行机构的研究：采用龙门架式的操作架结构，焊接机头通过电机的传动 可以在操作架上精确地进行横向和纵向移动，从而到达焊接位置，并且机头上安装有 c c d 图像传感器。因此要分别研究龙门式的机械结构和机头的结构。 ( 2 ) 主控制系统的研究：通过单片机来实现对各执行机构的控制。选用合适的单片 机并完成控制系统的硬件与软件设计。 ( 3 ) c c d 图像处理研究：主要是对采集到的管端口图像进行图像处理，获取图像的 边缘轮廓。采用合理的图像处理步骤和边缘检测算子，获得更准确的图像信息。 ( 4 ) 操作系统的设计研究：采用液晶显示屏及软键盘实现人机交流，设计合理的显 7 西安石油大学硕士学位论文 示界面，方便人与机器的信息交流。 1 4 3 技术路线 ( 1 ) 在管板自动焊中，由于焊接设备种类繁多，固定焊接机头的方法也很多，因此 在进行研究设计时，首先对各种设备进行比较研究，在分析总结之后，选取比较合适的 机械执行结构。比如在分析了机头悬吊式、机头附壁式及龙门架式等管板自动焊机后， 选取适合本研究系统的结构架，并进行总体方案设计。结构方案确定之后，对机械结构 进行设计，其中包括焊接支架的设计和焊接机头的设计。 ( 2 ) 进行管板焊接控制系统进行设计，目前对各个执行机构的驱动控制主要由单片 机和p l c 控制。若采用p l c 对系统进行控制，则还应附加计算机对其进行单独的图像 处理和分析，这样不仅将结构复杂化同时也增加了成本。所以在本次设计中使用单片机 作为主控制单元，从而简化了系统的结构和成本。在确定了单片机作为控制单元之后， 选用合适的单片机并完成系统的硬件与软件设计。 ( 3 ) 进行人机界面设计。在整个自动化焊接过程中，好的人机界面能很好的实现人 与机器的信息交流，能很好的达到信号的输入与输出等效果。目前在控制中，人机界面 使用较多的有发光二极管、液晶显示屏、以及触摸屏等人机界面设备。触摸屏式的界面 虽然将显示设备和键盘输入设备集与一体，但若出现问题维修比较麻烦，而且价格也较 昂贵。因此在本设计中我们选取液晶显示屏与4 x 4 软膜键盘的结合来完成人机界面的设 计。 h ) 进行图像处理仿真试验。采用m a t l a b 软件对图像进行仿真处理试验，选用合适 的边缘检测算子和曲线拟合方法来获取管子图像的圆心坐标和半径。 ( 5 ) 进行系统调试。 1 4 4 论文结构 基于本设计的研究内容和技术路线的考虑，本论文结构进行如下安排： 第一章为绪论。介绍课题背景、管板焊接的方法、管板焊接设备的国内外发展状况 以及本课题的研究内容和技术路线； 第二章为总体结构方案设计。依次介绍系统结构方案的确定、系统总体结构、控制 系统结构以及机械结构设计； 第三章为控制系统的硬件设计。本章主要包括控制系统的构成及工作原理、步进电 机及驱动器特点、c c d 图像传感器的结构及工作原理、单片机的选型、人机界面液晶 显示器以及系统控制板的制作； 第四章为控制系统软件设计。介绍图像处理过程、焊接主程序设计、步进电机的调 节程序、机头焊接调节程序以及液晶的显示程序； 8 第一章绪论 第五章为图像仿真处理和系统调试。应用m a t l a b 软件进行图像仿真处理试验和系 统的程序调试； 第六章为文章的结论部分。 1 5 本章小结 换热器是石油化工装置中应用十分广泛的设备，管子与管板( 简称管一板) 之间的角接 接头不仅数量多，而且对其质量要求也较高。长期以来，焊接管子与板子的设备种类繁 多。本章介绍了管板自动焊接设备的国内外发展状况及其应用情况、本次设计方案的思 想、研究内容和具体的技术路线，最后描述了文章整体的内容安排。 9 西安石油大学硕士学位论文 第二章总体结构方案设计 2 1 结构方案确定准则 本次设计中，由于要求焊炬定位精确，实现真正意义上的焊接自动化，因此对机头 和整体机械结构的要求也较多。首先，要求机头能通过电机的带动到达焊接位置；其次， 机头能在水平方向和垂直方向上移动以便进行不同位置的焊接；第三，机体的整体结构 稳定性要好，这样可以很大程度上减小定位误差；第四，焊接装置的适用性及经济性符 合实际生产要求。所以出于以上几点考虑，根据管板接头焊接特点，厂方现有焊接设备 以及所总结的经验和建议，采用龙门架的结构形式来固定焊接机头。 龙门式结构机架由水平轴向支架、垂直轴向支架及底座连接组成。装有c c d 图像 传感器的焊接机头安装在垂直支架上，机头在电机的驱动下可以在垂直轴向支架上进行 上下来回移动，垂直轴向支架在电机的驱动下可以在水平梁上进行来回移动。 而对于机头悬吊式、机头附壁式等管板焊机而言，机头自动化的性能欠佳而且整体 的稳定性也不适合应用在本次设计当中。 2 2 总体机械结构 本设计为一种配有光学定位设备的管板焊机。焊接系统包括有焊枪、机架、控制系 统。控制系统主要有图像采集、图像处理以及电气控制等。图2 1 为龙门式管板焊机整 体结构示意图。 图2 1 管板焊接设备系统结构示意图 1 0 第二章总体结构方案设计 焊接机头由回转、送丝等组件组成。机头的水、电、气采用不缠绕方式，焊枪可连 续旋转。 采用唐山松下产业机器有限公司生产的i g b t 逆变控制直流脉冲电源，强制水冷却 系统给机头提供循环冷却水，电源柜冷却则采用强制风冷。这种逆变控制直流脉冲电源 的特点是：( 1 ) 体积小，质量轻；( 2 ) 负载持续率高，节省能源；( 3 ) 焊接效率高，电弧电 流为脉冲波形，各参数均可单独设定，熔池容易控制，熔宽和熔深均匀；( 4 ) 高频脉冲 电弧非常稳定，起弧性能稳定，起弧率1 0 0 ；( 5 ) 采用气体前吹、后吹功能，有利于防 止工件被氧化【l 训。 2 3 控制系统结构 在设计中，我们使用单片机为核心进行控制系统设计。系统中主要包括单片对步进 电机、液晶显示器、键盘以及焊机的控制等。其结构如图2 2 所示。 图2 2 管板焊接设备控制系统原理结构示意图 2 4 机械结构设计 2 4 1 龙门架机械结构 根据第二章对焊接系统的总体方案设计要求，我们对龙门式管板焊接机架做出了相 应的机械设计，如图2 3 所示。龙门架的水平轴向支架和垂直轴向支架上均安装有独立 的步进电机。焊接机头固定在垂直轴向支架上，通过步进电机的传动可以在垂直支架上 进行上下移动，同时整个垂直轴向支架又可以在水平支架上移动。此外，垂直支架与水 平支架的相对位置也可调节，从而增大机头行走的范围。 西安石油大学硕士学位论文 1 4 0 0 o o 垂直支 查兰兰竺 ( a ) 龙门支架主视图 2 4 2 机头部分 图2 - 3 龙门式操作架结构 ( b ) 龙门支架侧视图 此次设计的机头上安装有c c d 图像传感器，并且还有辅助定位装置。辅助定位装 置包括仰俯机构和轴承机构，令焊机进行仰俯及左右摆动，确保焊机的焊炬回转中心线 与被焊管的被焊面垂直。焊枪上设有焊炬及三脚支撑，c c d 光学中心线与焊枪中心线 平行，且焊枪通过辅助定位装置连接到垂直轴向支架上。其机头如下图2 4 所示。 焊炬 图2 - 4 机头结构示惹图 管板焊机的定位方法：首先将被焊管的参数( 参数包括管径、管间距) 输入电气控制 系统( 系统内含图像处理系统) ，再以焊枪的三脚支撑进行三点定平面，接着调整焊炬回 转中心线，使其跟被焊管中心线平行，同时让摄像头的光学中心线与焊炬回转中心线的 连线同水平轴向支架平行；随后通过摄像头采集被焊管口信息，计算出摄像头光学中心 线跟被焊管中心线的距离；然后调整水平轴向支架及垂直轴向支架，使摄像头光学中心 线跟被焊管中心线共线；之后通过电气控制系统纪录被焊管管口的当前坐标，驱动水平 轴向支架移过一个焊炬回转中心线跟摄像头光学中心线之间的己知距离，令焊炬回转中 心线跟被焊管中心线共线，从而完成了焊炬的定位。 本设计方案的特点主要有以下几点： ( 1 ) 以摄像头捕捉到的图象信息以及机架结构的配合，实现焊接回转中心线同被焊 管中心线共线定位，对被焊管管径公差要求较低，当被焊管管径或壁厚不同时也能使用， 通用性好： 1 2 第二章总体结构方案设计 ( 2 ) 不采用涨芯体定位焊接回转中心，以摄像头捕捉到的图象信息进行定位，使可 焊管径范围可以设计的较大。 ( 3 ) 使用电器控制实现了管口图象采集、分析并驱动机头移动，从真正意义上实现 了自动焊接工艺。 2 5 本章小结 本章根据管板自动焊特点及设计要求，选择了龙门式结构方案并对总体结构进行了 设计。介绍了管板焊接系统中的机械结构、控制系统。根据管板自动焊总体方案设计， 对管板自动焊中机架和焊接机头进行了设计并阐述了光学定位方法和特点。 西安石油大学硕士学位论文 3 1 控制系统结构 第三章控制系统硬件设计 本次设计的控制系统主要是由液晶显示、键盘、开关量的输入与输出、r s 2 3 2 串口 等系统构成，而它们的核心控制器件是单片机。以单片机为核心的控制板的结构如图3 1 所示。该控制板主要的功能是完成对步进电机驱动、焊机启停以及图像数据分析工作。 单片机供电l 一 一r s 2 3 2 时钟电路l 一r s 4 8 5 复位电路l _ 单片机一液晶显示 在线编程l 一 键盘 电机驱动器l 脚隔离输 l 入与输出 3 2 步进电机及驱动器 3 2 1 步进电机 图3 一l 单片机控制板结构示意图 a 步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及 其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统【1 5 ，1 6 1 。当步进驱动器接收到一个脉冲信 号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 即步距角) 。脉冲输入越多， 电机转子转过的角度就越多；输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因此可以通过 控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的：同时可以通过控制脉冲频率 来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。步进电机根据自身的结构不同，可分为 常用三大类：反应式r ，也称磁阻式) 、永磁式( p m ) 、混合式( h b ) ，其中混合式步进 电机兼有反应式和永磁式的优点，它的应用越来越广泛【1 7 1 。 b 步进电机的特征 1 优点： ( 1 ) 位置及速度控制简便 步迸电机在输入脉冲信号时，可以依输入的脉冲数量做固定角度的旋转而得到灵活 1 4 第三章控制系统硬件设计 的角度控制( 位置控制) 。因为速度和输入脉冲的频率成正比，运转速度可在相当宽范围 内平滑调节。 ( 2 ) 可以直接进行开环控制 因为步距误差不长期累积，可以不需要速度传感器以及位置传感器，就能以输入的 脉冲数量和频率构成具有一定精度的开环控制系统。 ( 3 ) 高可靠性 不使用电刷，电机的寿命长，仅取决于轴承的寿命。 ( 4 ) 具定位保持力矩 永磁式、混合式步进电机在停止状态下( 无脉冲信号输入时) ，仍具有励磁保持力矩， 故即使不靠机械式的刹车，也能做到停止位置的保持。 ( 5 ) 中低速时具备高转矩 步进电机在中低速时具有较大的转矩，能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。 2 缺点： ( 1 ) 步进电机带惯性负载的能力较差。 ( 2 ) 不能直接使用普通的交直流电驱动，而必须使用专用设各一步进电机驱动器。 ( 3 ) 输出转矩随转速的升高而下降。 ( 4 ) 从应用的角度来看，严重制约步进电机的两个问题是失步和振荡。由于步进电 机在大多数情况下采用开环运行的方式，它的主要运行性能完全依赖于驱动器、负载和 电机本身。有多种情况会产生失步，比如起动或停止频率超过突跳频率，电机高速运行 的脉冲频率超过了最大运行频率，所带负载转矩超过了起动转矩，共振等。通过改善驱 动器的性能，可以减小运行中失步的可能。步进电机的低频振荡是另一个需要解决的问 题。步进电机在极低频率下做连续步进运行，每改变一次通电状态，转子转过一个步距 角。如果阻尼较小，这种运动是一个衰减的振荡过程，转子是按自由振荡频率振荡几次 才衰减到新的平衡位置而停止下来。每接收一个脉冲，转子都从新的转矩曲线的跃变中 获得一次能量的补充，这种能量越大，振荡越厉害。当脉冲频率等于或者接近于电机的 自由振荡频率时电机会出现严重的低频共振，甚至失步导致无法工作。一般不允许在共 振频率下运行，从驱动器的方面来看，使用细分驱动技术可以有效的克服低频共振的危 宝【1 8 1 no 3 2 2 步进电机驱动器 步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备一步进电机驱动 器。步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱 动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电 机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发出一个脉冲，步进 1 5 西安石油大学硕士学位论文 电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升 速或降速、启动或停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。控制器的方向信号决定 步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电 路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉 冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信 号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率 放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入 电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转予运动。保护电路在出现短路、过载、过热 等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。 步进电机的驱动特点主要体现在以下几个方面犯川： ( 1 ) 各相绕组都是开关工作。多数电机绕组都是连续的交流或直流供电，而步进电 机各相绕组都是脉冲式供电，所以绕组电流不是连续的而是断续的。 ( 2 ) 步进电机各相绕组都是在铁心上的线圈，所以都有比较大的电感。绕组通电时， 电流上升受到限制，因此影响电机绕组电流的大小。 ( 3 ) 绕组断电时，电感中磁场的储能将维持绕组中已有的电流不能突变，结果使应 该电流截止的相不能立即截止。为使电流尽快衰减，必须设计适当的续流回路。绕组导 通和截止过程都会产生较大的反电势，而截止时的反电势将对驱动器功率器件的安全产 生十分有害的影响，使整个系统的使用受到影响。 ( 4 ) 电机运行时在各相绕组中将产生旋转电势，这些电势的方向和大小将对绕组电 流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电机转速成正比，转速越高，电势越大，绕 组电流越小，从而使电机输出转矩随着转速升高而下降。 ( 5 ) 电机绕组中有电感电势、互感电势、旋转电势。这些电势与外加电压共同作用 于功率器件。当其叠加结果使电机绕组两端的电压大大超过电源电压时，使驱动器工作 条件更为恶化。 ( 6 ) 混合式步进电机的绕组必须用双极性电源供电，因为绕组有时需通正向电流， 有时需通反向电流。 所以，根据以上的特点，步进电机的驱动器必须要保证步进电机绕组有足够的电压、 电流和正确的波形，而且同时要保证驱动器功率放大器件安全运行，还应有较高的效率、 较小的功耗、较低的成本，这就要求选用合适的功率器件合理设计线路。 3 3c c d 图像传感器 近年来，随着工业的发展和安全意识的增强，对生产监测和控制的要求不断提高， 在设备检测、安全监控、自动测量等工业测控领域，都需要有性能好、成本低、工作稳 定、应用灵活方便的图像采集和处理系统。 1 6 第三章控制系统硬件设计 一 3 3 ic c d 图像传感器工作原理及图像的采集 ac c d 图像传感器工作原理 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是电荷耦合器件的简称。c c d 是紧密地排列在半导体 氧化层表面上的金属电极阵列，能够存储和转移电荷。它的突出特点是以电荷作为信号 的载体而苴他火多数器件则是以电流或者电压作为信号的载体。 c c d 图像传感器包括线阵c c d 和面眸c c d 两种基本类型，其基本t 作过程是信 号电荷的注入( 产生) 、存储、耦合( 转移) 和检测( 输出) 1 2i 。 ( 1 ) 电荷的注入 c c d 图像传感器中信号电荷的来源基本上可分为光注入和电注入两类。光注入方法 l j ，光谱辐射通量和c c d 注入电荷量成线性关系：而在电注入方法中，输入电流或电 压与c c d 注入电荷量之间是非线性关系。因此，c c d 图像传感器中电荷的产生基本t 都采用光注入方法。 当光照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产牛电子空穴对，多数载流 子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又可分为 j f 面照射式与背而照射式。c c d 摄像器件的光敏单元为光注入方式。 但) 电荷存储 构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属一氧化物一半导体、结构。在一定的偏压f ，m o s 西安石油大学硕士学位论文 结构成为可存储电荷的分立势阱。如图3 - 3 ( a ) 在栅极g 施加电压u g 之前p 型半导体中 空穴( 多数载流子) 的分布式均匀的。当栅极施加正电压u g ( 此时u g 小于等于p 型半导体 的阈值电压u t l l ) 时，p 型半导体中的空穴开始被排斥，并在半导体中产生如图3 3 ( b ) 所 示的耗尽区。电压继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸。当u g