（材料加工工程专业论文）管道弧焊机器人测控系统设计.pdf

p 确官胖tk 肇t 学劬l 节付冷辽 管道弧焊机器人测控系统设计 摘要 目前，管道施工已逐渐从手工焊接向全自动焊接方向发展，因此，管道 全位霄自动焊接装胃的研制就具有十分霞要的意义。管道弧焊机器人就是其 中一种较为先进的设备。 本文丌发了一套适用f 令位冒管道弧焊机器人的智能测控操作平台。在 简要刚顾了 卡1 内外管道全位霄焊接设备的现状后，提出了本测控系统的总体 设计方案，并对总体方案进行细化，将所进行的工作分成系统硬件电路设 计、p c b 板绘制和软件设计几个步骤柬完成。 硬件设计中包括输入模块电路、输出模块电路、通讯接口电路、人机通 道电路设计以及备个电路的线路钣设计。详细给 “柬备个电路的连线圈及功 能的实现。 软件设计中有两大部分内容，一是系统软件设计，主要包括工控机管理 系统和操作系统程序设计以及各个功能模块程序设计：二是从单片机s c m 各模块程序设计和p c 机与单片机通讯程序设计。在此基础上，用v i s u a l c + + 6 0 编写完成管道弧焊机器人智能软件操作平台的部分模块的设计， 如：焊接实时控制操作平台、焊接f i 诊断操作平台、焊缝二维跟踪平台等 本系统实现了对焊接工艺参数的采集、存储、编辑、调用的功能和设备 调试的功能，并具有一定的智能查询功能，同时，系统可对主要的焊接工艺 参数进行实时控制，而且对操作机各部分随时监控并提供故障自诊断功能。 通过使用本系统，可实现高质最，岛放串的自动管道焊接。 关键词管道弧焊机器人；全位冒焊接；实时操作平台；程序模块设计 睁，j ：滓胖t 土、学t 学砷 学n 毋定 d e s i g no ft h ep i p ea r cr o b o tf o r t e s t i n ga n dc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t n o w a d a y s ，p i p ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eh a sb e e ne v o l v i n gf r o mm a n u a l w e l d i n gt oa u t o m a t i cw e l d i n g ；t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pa u t o m a t i c w e l d i n gd e v i c e sf o rp i p ec o n s t r u c t i o n p i p ea r cw e l d i n gr o b o ti so n eo ft h e a d v a n c e dd e v i c e s i nt h i st h e s i s ，as e to fi n t e l l i g e n to p e r a t i o np l a t f o r m so fs u r v e ya n dc o n t r o l f o ra l l - p o s i t i o na r cw e l d i n gr o b o th a sb e e nd e v e l o p e d a f t e rr e t r o s p e c t i o nt h e s t a t u so fa l l p o s i t i o nw e l d i n gd e v i c e si nt h ew o r l d ，ag e n e r a lp r o g r a mf o rt h e s u r v e ya n dc o n t r o ls y s t e mw a sp u tf o r w a r da n dr e f i n e d t h ew h o l ew o r kw a s d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ，i n c l u d i n gc i r c u i tl a y o u tf o rt h es y s t e mh a r d w a r e ，p c b b o a r dd r a w i n ga n ds o f t w a r ed e s i g n h a r d w a r ed e s i g n si n c l u d em o d u l ec i r c u i to u t p u t t i n gd e s i g n ，m o d u l ec i r c u i t i n p u t t i n gd e s i g n ，m a x 2 3 2c i r c u i t o fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e d e s i g n ，m a n - m a c h i n ed i a l o g u ec i r c u i td e s i g na n de v e r yp c bd e s i g n i ta l s op r e s e n t se a c h c i r c u i td i a g r a mi nd e t a i l sa sw e l la st h ef u n c t i o nr e a l i z a t i o n t h e r ea r et w op a r t s f o rt h es o f t w a r ed e s i g n ，o n ei s s y s t e ms o f t w a r ed e s i g ni n c l u d i n gi n d u s t r i a l c o n t r o lc o m p u t e rm a n a g e m e n t & o p e r a t i o ns y s t e md e s i g na n de v e r yf u n c t i o n m o d u l ed e s i g n ；t h eo t h e ri sp r o g r a md e s i g nf r o me v e r ys c mf u n c t i o n a lm o d u l e a n ds c mc o m m u n i c a t i o np r o g r a md e s i g n o nt h i sb a s i s ，s o m em o d u l e sd e s i g no f i n t e l l i g e n t s o f t w a r eo p e r a t i o np l a t f o r m sf o rt h e p i p e a r ew e l d i n gr o b o tw a s c o m p i l e db yu s i n gv i s u a lc + + 6 0 s u c ha sw e l d i n gr e a lt i m eo p e r a t i o np l a t f o r m w e l d i n gs e l f - d i a g n o s i so p e r a t i o np l a t f o r m ，w e l d i n gs e a mt r a c k i n gp l a t f o r ma n d s oo n t h es y s t e mr e a l i z e sas e r i e so ff u n c t i o n s i tc a ng a t h e r , m e m o r i z e e d i ta n d c a l lt h ew e l d i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa n dc a nd e b u gd e v i c e s i tc a nd os o m e c e r t a i ni n t e l l i g e n ts e a r c h i n gw o r ka n di tc a na l s od or e a lt i m ew o r kt oc o n t r o lt h e m a i nw e l d i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e ra n dp r o v i d ef a u l ts e l f - d i a g n o s i sf u n c t i o na t 竺竺：；兰：丝：坚竺竺! a n yt i m ef o re v e r yp a r to ft h em a n i p u l a t o r t h eh i g hq u a l i t ya n de f f i c i e n c y a u t o m a t i cp i p ew e l d i n gc a nb er e a l i z e db yu s i n gt h i ss y s t e m k e y w o r d sp i p ea r cw e l d i n gr o b o t ；a l l p o s i t i o nw e l d i n g ；r e a lt i m eo p e r a t i o n s y s t e m ；p r o g r a mm o d u l ed e s i g n i i i 哈尔滨理工大学硕上学位论文原创性声明 本人郑霞声明：此处所提交的硕上学位论文管道弧焊机器人测控系统设 计，足本人在导o r l i 指导f ，在：哈尔滨理工大学攻读硕士学位期问独芷进行研究 工作所取得的成果。掘本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发表或撰 写过的研究成果。对本文研究工作做出贞献的个人和集体，均己在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完哞= 由本人承担。 作者签名：碣矗毒 胁2 0 0 6 年3p j3f t 哈尔滨理工大学硕上学位论文使用授权节 管道弧焊机器人测控系统设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕上学位期 问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果，j 哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它尊位的名义发衷。本人完全了解哈尔滨理工大 学关于保存、使用学位论文的规定，f q 意学校保留j 向仃关部门提交论文和电子 版本，允许论文被盔阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学町以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文，可以公白论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权抟。 不保密回。 ( 请在以上相应方椎内打4 ) 作肯签名：麟崎 晰躲吲骣 卜1 期：2 0 0 6 年3 月3 同 f 期：2 0 0 6 年3 月3 月 n 节卿丁九学丁学膨i 学f 诊殳 第1 章绪论 1 1 选题的目的意义和目标 在电力、冶金、石油、化工和锅炉等的行业中，进行现场安装时，被焊的 管道足无法旋转的，只f j 进行管道的全位胃焊接，d 能实现管道的连接。管 道全位胃自动焊接设备还j 何自动引弧、自动焊接、( j 动检测设备故障和分析 焊接质肇等功能。1 。目f j i 我困管道伞位胃焊接机器人计算机控制方面的研究较 圈外还有较大差f l i ，没有能丌发出具有中1 日特色管道全位霄焊接机器人通用计 算机控制软件，为此我们准备丌发一种管道全位胃焊接机器人生产、调试及焊 接通用计算机测控系统，将工业控制计算机优越的数掘处理j 力能和良好界面用 于焊接工艺参数的输入和管理，提高焊接机器人丌发进度”1 。 管道号用弧焊机器人是一种集计算机，自动控制，机械和电器一体化的具 有离附加值的高技术新产品，主要完成各种管道的现场安装工作。作为自动化 的焊接设备，能够完成应具存的备种动作的机械装胃及其控制还足远远不能满 足生产的需要的，还应该增加相应的智能化的软件功能，如焊接数掘库，焊接 专家系统等“。本项日主要完成管道争用弧焊机器人测控系统以及软件的开发 设计。 本项管道号用弧焊机器人测控系统主要完成焊接机头的行走控制，焊枪的 摆动控制，双向送丝的拧制，焊接电流和焊接弧长的控制，钨极摆动控制，以 及焊接质量的检测，图像传感焊缝- = 维跟踪拧制，焊接过程语爵合成与识别技 术等功能。在本次设计中，我所完成的模块e 要足实时控制操作平台，目标完 成的控制功能是对，焊接预演和焊前调整完成参数调整和设备调试，对焊接过程 完成实时控制，以得到良好的焊缝。另外，所完成的焊接自诊断操作平台的控 制功能足对焊接过程中的焊接机器人随时监控，对各种故障提示报警，以使焊 接，产安全岛效的进行。 1 2 国内外研究概况、水平和发展趋势 当今世界全位霄管道弧焊机器人计算机控制技术当首推欧荚等工业发达国 家。典型的如法囤p o l y s o u d e 公司，荚固w e l dl o g i c ，i n c 公司的管道全位霄焊 矿津即rj 、学t 学椰f 学 毋迁 接机器人”“”，他们采用全微机拧制，能存储多段，多参数焊接程序，在良好 人机界向( 英文) 的提示下，使用者可以方便地进行操作，并附有彩色监视器， 监视窄日j 隙焊缝容透情况，进行手动调节焊缝横向跟踪”1 。相似的还有日本三 菱r t - t i x 型令位冒脉冲t i g 焊接机器人”1 ，控制箱部分由计算机及各种键盘 组成，可实现电弧电瓜的f i 动拧制，并叮进行焊接参数预编稗，实时调整某些 参数；加拿大工业材料研究所研制出r o t o w e l d2 0 0 0 钢管对接焊接机器人。1 ， 先用电视摄象机准确观测熔池的形状、颜色、移动速度等，然后进行数字化处 理和误差分析，而后对焊接参数进行实时调整和修i f ，实现根部窄间隙焊道的 自动焊接1 。 固内一些科研荦位在管道全位胃焊计算机控制技术方面的研究已取得了一 定成就，如两南交大的吕其兵研制出的单片机控制智能令位冒e j 动t i g 焊接系 统。”；南f ；航空工业学院设计出全位胃自动挥町编稃控制系统”，采用r 本立 石公司c 4 0 p 型可编程控制器作为控制单元，对全位霄焊接过程实行控制。国 内使用的全位晋管焊机器人主要依赖进口，价格昂贵，致使目前我国国内全位 胃管道焊接仍多采用手工焊，焊接质量难以保证且7 产宰低。哈尔滨中天焊接 有限责任公司丌发研制爬擘式厚擘管窄f n j 隙全位胃焊接机器人，在埃森困际焊 接展览会上受到与会专家好评，填补了圜内厚擘管焊接机器人空白。该产品属 于刚丌发研制出新产品，横向跟踪控制采用c c d 摄像监视人工手动调节，未 能实现焊缝熔透和横向跟踪自动控制，同外也没有完善的c c d 摄像焊缝熔透 和横向跟踪监控系统”i 。纵向弧长控制采用传统弧瓜传感p i d 控制，对于象厚 肇管窄b j 隙仝位胃焊这样具仃复杂 线性且参数时变并受随机干扰影响的过 程，经典p i d 闭坏控制器的参数不易在线实时f j 调整，使其在管道全位胃焊接 熔透的应用受到限制，特别是打底焊时焊缝质鼍不稳定。f d 时该系统不具有示 教学习能力，而管道全位胃焊接的各个位霄需要变参数焊接。并应能不断根据 焊接工艺参数积累，对焊接规范进行优化处理以达到规范参数示教再现功能， 并对全位霄空b j 轨迹进行记忆规划，这要求该系统具有示教学习功能，我们所 研制的管道弧焊机器人圈产化测拧软件系统将解决上述问题，并完善系统其它 功能。 圉内管焊机器人实际生产没有统一生产标准，影响实际生产效率，降低了 国产机器人国际竞争力，我们拟丌发的管道焊接机器人生产、调试及焊接通用 计算机测控系统，使嘲内管道焊接机器人的生产趋于杯准化、功能趋于完善、 性能趋f 稳定，加强我围管道焊接机器人在固际产品制造方面竞争力，创造更 大经济效益和社会就业机会l 。 肛：_ 膏胖t 九学t 学呻i 擘仆论史 1 3 主要研究内容 根据管道全位胃焊接机器人生产调试要求和焊接工艺的特点，拟开发研制 管道全位置焊接弧焊机器人测控及软件系统，研究内容为弧焊机器人硬件系 统、管道机器入主控计算机操作平台、各执行计算机程序模块和通讯网络协议 三部分。 1 3 1 管道弧焊机器人硬件系统 管道全位霄焊控制系统具有需要输入参数多，过稃控制复杂等特点，只有 计算机控制系统彳能保证系统要求，考虑本控制系统需要控制的参数多和实用 性强以及便于安装和搬运的特点，选用分却式计算机控制系统作为控制方案是 合理的和町行的，主机采用高级计算机负责完成数据输入和管理1 = 作：现场控 制级采用a t 8 9 c 5 2 单片机控制系统i f 算机，完成荇功能模块的拧制任务。 1 3 2 管道弧焊机器人软件系统 管道焊接机器人是计机电一体化高科技产品，几乎包含了焊接自动化设 备的各种运动姿念，其生产调试复杂，机器人参数定卡，】、专业性强，技术条件要 求苛刻，根据管道全位胃焊接机器人，卜产调试要求和焊接工艺的特点，拟丌发 研制管道全位霄弧焊机器人测拧软件系统”1 ，完成管道弧焊机器人生产、调 试、焊接工艺制定及管j l 莹全位霄实时焊接等计算机测控软件操作系统，主要包 括管道机器人主控计算机操作平台和各执行计算机程序模块两大部分。 1 管道机器人主控计算机操作平台根拆：管道弧焊机器人生产调试复杂、 机器人参数定标号业件强、技术条件要求苛刻特点l ，丌发只有中酗特色固产 管道弧焊机器人尘产、调试软件操作乎台，此操作、平台能完成管道弧焊机器人 生产、调试工作，包括软、硬件有无反馈双环定标。 管道弧焊机器人焊接工艺实验软件操作平台，主要完成管道焊接工艺参数 制定：管道机器人焊接号家系统平台，主要完成管道焊接工艺参数数据库管理 工作：管道机器人实时控制操作平台，主要完成管道实时焊接具体控制功能： 管道机器人焊接规范参数优化和机器人空问位姿再现示教学习操作平台，主要 完成焊接工艺参数优化和示教学习功能：管道焊接故障自诊断操作平台，主要 完成管道焊接过程中故障自诊断工作：根据管道弧焊机器人生产初始极限标定 哈：滓即t 大学t 学砷 学p 诊定 特点和管道焊接工艺初始规范参数要求，丌发研制管道弧辉机器人仞始化操作 平台，完成管道弧焊机器人仞始化和管道焊接工艺参数初始化：为提高管焊机 器人智能化要求，丌发研制管道弧焊机器人焊缝二维跟踪和熔透控制操作平台 和管道弧焊机器人远程监控测试操作平台。 主控计算机操作平台主要完成系统仞始化、管道弧焊机器人测试、生产调 试、焊接规范参数优化、实时控制等功能，其主要研究内容包括：生产调试软 件操作平台、焊接工艺实验软什操作平台、管道机器人焊接号家系统平台、管 道机器人实时控制操作平台、管道机器人焊接规范参数优化和机器人空日】位姿 再现示教学习操作平台等。 2 各执行单元计算机程序模块各执行计算机程序模块t 要完成管道弧焊 机器人主控计雉机操作平台所要求的具体运动姿念，应使备手口序模块标准化， 使软件程序员叮向对待c 语言库函数一样对茛编程，简化管道弧焊机器人生产 工艺过程，使其制造更趋f 标准化，提高生产效率”1 。 各程序模块内容为：管道弧焊机器人爬壁式行走眍动程序模块、管道弧焊 机器人焊接电源控制程序模块、管道弧上h 机器人焊接电弧长度控制稃序模块、 管道弧焊机器人焊前调擎稃序模块、管道弧焊机器人钨极摆动拧制程序模块， 管道弧焊机器人远程监控程序摸块、管道弧焊机器人生产调试程序模块、管道 弧焊机器人焊接故障诊断程序模块、管道弧焊机器人示教程序驱动模块等；管 道弧焊机器人主控计算机通过m a x 2 3 2 网络总线管理、控制、协调各执行计 算机，各执行计算机通过焊接网络共亭主控计算机资源，管道全位冒焊接机器 人测控软件系统是由实际生产需求向提出的，因内外要研究焊接机器人本体 较多，有关管道全位霄焊接机器人测拧软件系统研究尚未见报道。 1 3 3 计算机问的通讯 管道弧焊机器人主控计算机通过通讯网络总线管理、拧制、协调各执行计 算机，各执行计算机通过焊接通讯嘲络芡9 - l 拧计算机资源，强电弧f 扰下管 道弧焊机器入主计算机与各e i 由度控制单元从机通过异步串行通讯的方式双向 传递指令和参数，由于控制单元多且指令与参数复杂，通讯有随机性，且有焊 接电弧强下扰，必须制定严格的、高容错能力的通讯协议，以保证通讯的准确 高效”。 国内管道全位霄焊设备与国外还有较大差距，我们仍需要大力加强浚方 面的研究和丌发。 p “：浮胛rj 、学t 擘 6 i 学拈论迎 本项目的丌发有积极的意义，各控制单元稃序模块化和杯准化；主控计 算机操作平台通过通讯网络对各控制单元进行拧制，完成系统仞始化、管道弧 焊机器人生产调试、焊接规范参数优化与再现软件系统拧制等功能：最后完成 管道弧焊机器人调试、焊接工艺制定及管道焊接全过程实时焊接计算机测控软 件操作系统。以上均为软件调试，实际结果j j 软件输出控制波形的形式进行调 试。并在硬件系统上面进行整个系统的调试。 睁：浮理t 九学t 学劬 学付诊文 第2 章管道弧焊机器人控制系统总体设计 管道全位胃弧焊是一个重点攻关课题。本课题的主要任务是根据有关焊接 技术要求和枪测现场的实际情况设计一个管道弧焊参数智能测控系统。 2 1 主控制系统 现代机器人控制系统中几乎无一例外地采用分布式结构，管道弧焊机器人 也采用分布式运动控制结构“”。分而式计算机控制系统是利用计算机技术、控 制技术、通讯技术和图形显示技术，通过通讯网络将现场控制级、操作控制中 ，t ：4 t l 管理操作站等联接起来，共州完成分散与集中、拧制管理工作。其优点 是：由于控制系统采用了模块化的硬件组合，存硬件发7 l 改变的情况下，仅需 要改动与它相连的总线配胃，增加或减少机器人的自由度也非常方便，大大减 少了改动系统硬件所需的时间。此外还使得软件编程的灵活性大大提高，可以 采用结构化，模块化和面向对象的软件体系结构，从而提高整个系统的控制性 能。 根据分钿式计算机控制系统的适用范围及管道弧蜱机器人控制系统需要控 制的参量多和实时性强以及便f 安装和搬运的特点，本系统采用了二级分白式 控制系统，主机采用工业控制级计算机，负责完成数掘输入和管理工作”“；各 个现场控制级采用a t 8 9 c 5 2 单片计算机，完成各个功能模块的控制任务，根 据本操作机需完成的控制功能和币片机的系统资源，将操作机的控制功能划分 为8 个功能模块，由8 台从机完成。主从机之问采用标准的m a x 2 3 2 串行通 讯进行信息的交换，如图2 一l 所示。 要得到准确的结果，就必须提高系统的每一个组成部分精确手口度，即计算 机、传感器、柃测信号处理、数掘采集等硬件和软件的设计，每个环节都要精 心考虑。 本课题所研制的系统分为两犬部分，其中一部分足将传感器和睢片机检测 电路组合在一起的下位机检测系统。它的主要作用在于对焊接各个参数进行测 量，并将枪测的参数数掘以数据通讯的方式传出到上位机中。另一部分是上位 机部分，上位机采用p c 机，将下位机枪测的参数数据传送到p c 机系统中， 利用p c 机的分析和存储等功能进行对数据的有效分析和处理。 设计任务可分为硬件设计和软件设计，这两者互相结合，不可分离。 睁尔泞理t 人学t 学伸t 学f 诊定 a t 8 9 r 5 2 i a t x g ( 1 5 2 l l 甲j ；机 il 荦j ；机 f ( 辅助汁算机) 1l ( 行走挣制) l 厂丽订 j 学，；机 j l 里靶堂制一 2 2 硬件系统 幽2 1 管道弧焊机器人控制系统结构椎幽 f i g 2 - lt h ea r c h i t e c t u r ed i a g r a mo f p i p ea r e w e l d i n gr o b o to p e r a t i o ns y s t e m 修改硬件电路有很多不利的因素，如周期长、不足活、消耗原材料等。因 此在硬件电路设计时进行了仔细的推敲，避免硬件电路大返工。随着单片机技 术的发展，以单片机为核心的系统测控技术性能逐渐稳定，并且功能逐步增 强，系统设计以简单实用为原则，尽可能采用集成器件组成硬件系统，用束提 高系统的可靠性和精度”。 将硬件电路采用模块化设计，以其完成的j 力能进行划分出九个模块，这样 方便维修，一个地方出现错误，不会影响到其他地方，而且测试灵活、却线方 便。 尽可能简化电路，减少出现故障的机会。 考虑了将束修改、扩展的方便，在电路设计时，都留有余地，如将剩余的 i ，o 口以接插件的形式引出，这样在样机研制出柬后进行调试时，可能会发现 一些被忽略的问题，而这些问题是不能用软件措旌束解决的，这时闲冒的i 0 吟育胖rj 、学t 学帅i 学。诊迂 口就正好派上用场了。 在工艺设计上，要仔细考虑面板却霄、配线走向、接插件的位胃等，达到 安装、调试、维修方面的目的。另外，在硬件设计时将硬件抗于扰措施也一并 考虑进去，系统硬件总体设计的椎图如图2 2 。 f i a x 2 3 2 或r s 4 8 5r 1 r 乙付l 打印机 i - - 由i 幽 r a t m e l l 模敛fi 多路0 一放大k 一电压i 二j 8 9 c 5 21 笔嚣h 葬羹h 誓鬈h 蚓 一 j 数模ll 多路l 一运算i 一电压1 笔嚣h 笄羹h 警奁h 矧 图2 - 2 系统埂“总体椎 警f f i g 2 - 2t h e a r c h i t e c t u r ed i a g r a mo f t h es y s t e mh a r d w a r e 2 3 管道弧焊机器人软件系统 管道全位胃焊接机器人软件系统上要包括管道机器人 拧计算机操作平台 和各执行计算机程序模块两大部分。焊接弧焊机器人测控软件系统，主要完 成管道弧焊机器人的生产、以及调试、焊接工艺的制定及管道全位冒实时焊接 等工作。 2 3 1 管道机器人主控计算机操作平台 管道机器人主控计箨机操作乎台见图2 + 3 。根据管道弧婶机器人生产调试 复杂、机器人参数定标号业怍强以及技术条件要求簿刻等特点，开发具有中国 特色的圈产管道弧焊机器人生产、测控和调试软件操作平台，此操作平台能够 完成管道弧焊机器人的生产、调试工作，包括软件以及硬件系统，有无反馈双 环定杯。 8 - n ，j ：涫弹tj 、学t 学伸f 学，诒芷 陶2 3 管道机器人i 挡计算机操作平台 f i g 2 - 3p i p ea r cw e l d i n gr o b o to p e r a t i o ns y s t e mf l a t 管道弧焊机器人焊接工艺实验软件操作乎台，主要完成管道焊接工艺参数 制定；管道机器人焊接号家系统平台，主要完成管道焊接工艺参数数据庠管理 工作：管道机器人实时拧制操作平台，主要完成管道实时焊接具体控制功能； 管道机器人焊接舰范参数优化和机器人宅i m j 位姿再现示教学习操作平台，主要 完成焊接工艺参数优化和示教学习功能；管道焊接故障自诊断操作平台，主要 完成管道焊接过程中故障自诊断工作；根据管道弧焊机器人生产初始极限杯定 特点和管道焊接工艺仞始规范参数要求，丌发研制管道弧焊机器人仞始化操作 平台，完成管道弧焊机器人初始化和管道焊接工艺参数初始化；为提高管焊机 器人智能化要求，丌发研制管道弧焊机器人焊缝二维跟踪和熔透控制操作平台 和管道弧焊机器人远程监控测试操作平台。 主控计算机操作平台主要完成系统仞始化，管道弧焊机器人测试、生产调 试、焊接规范参数优化、实时控制等功能，其主要研究内容包括：生产调试软 件操作平台、焊接_ 【艺实验软件操作平台、管道机器人焊接号家系统平台、管 道机器人实时控制操作平台、管道机器人焊接规范参数优化和机器人空问位姿 ：兰兰兰三垒兰：兰竺! 兰竺竺兰 再现示教学习操作平台等。 2 3 2 各执行单元计算机程序模块 各执行单元计算机程序模块见图2 - 4 。各执行计算机程序模块主要完成管 道弧焊机器人主控计算机操作平台所要求的具体运动姿念，应使各程序模块标 准化，使软件程序员可向对待c 语占库函数一样对其编程，简化管道弧焊机 器人生产工艺过程，使其制造更趋于杯准化，提高生产效率。 图2 - 4 并执行单元汁算机榨序模块 f i g 2 - 4c o m p u t e rp r o g r a mm o d u l eo f o p e r a t i o nc e 各程序模块内容为：管道弧焊机器人爬擘式行走驱动程序模块，管道弧焊 机器人焊接电源控制程序模块、管道弧焊机器人焊接电弧长度控制程序模块、 管道弧焊机器人焊前调整程序模块、管道弧焊机器人钨极摆动控制程序模块， 管道弧焊机器人远程监控程序摸块、管通弧焊机器人生产调试程序模块、管道 弧焊机器人焊接故障诊断程序模块、管道弧焊机器人示敦程序驱动模块等：管 道弧焊机器入主控计算机通过r s 4 8 5 网络总线管理、控制、协调各执行计算 机，各执行计算机通过焊接嘲络共享主控计算机资源，管道全位霄焊接机器人 测控软件系统是由实际生产需求而提出的，国内外主要研究焊接机器人本体较 竺竺兰矍三叁兰：兰竺! 兰竺丝三 多，有关管道全位霄焊接机器人测控软件系统研究尚未见报道。 2 4 本章小结 1 针对管道焊接的特点，提出了本拧制系统的总体方案。 2 叙述了在硬件设计和软件设计上应该注意的问题，并给出了测控系统 硬件总体框图和软件设计桁图。 竺竺兰矍二垒兰三兰竺! 兰竺竺兰 第3 章管道弧焊机器人执行控制系统设计 控制系统硬件部分毛要由工控机和焊接系统控制器组成。工控机选择研华 i p c 8 1 0 工拧机，性能稳定，可满足要求，控制器为一个智能测控仪器，由 a t 8 9 c 5 2 单片机及外围电路组成。工拧机和单片机控制器通过m a x 2 3 2 完成 串口通信。硬件设计时，为了便丁二调试，采用模块化设计，主要包括中心控制 器模块、输入通道模块、输出通道模块、人机接口模块、通f ：模块等部分。如 图3 1 。 m a x 2 3 2 通讯 盟 数字睾输入八 土计算机 l 片 焊 机 模拟星输入 接 i 1 丁 测 业数享量输出 控 i 竺兰量卜 测 现 控 模拟肇输：f ； 场鬯一 上位机系统 卜i 系 统 幽3 - l 单片机洲拧系统平台 f i g 3 - it h em i c r o - s i n g l e - c h i pc o m p u t e rd e t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e mf l a t 3 1 执行系统线路板设计 本系统要实现信弓的输入、输出，对信号进行枪测，结果的显示、打印、 下位机和上化机通讯等力能，因此硬件电路比较复杂，所以将硬件电路采用漠 块化设计，按照其实现的功能进行划分丌柬，这样一个地方出现错误，不会影 响到其他地方，而且调试灵活、却线方便。为此，将硬件电路以其所完成的功 能进行划分出四个模块，主要由输入通道、输出通道、通讯、人机接口等电路 扳组成。下面对备个电路板的组成、原理、功能进行一一介绍。 3 1 1 执行测控单元构成 在工业测控领域，采用单片机作为测控机( 又称下位机) ，计算机作为管理 - 1 2 畛向噼卑t 大学t 学师t 学p 论史 机( 又称上位机) 越柬越得到广泛的应用”1 。 管道弧焊机器人的测控系统【l i 机、前向通道、后向通道和被控对象等环 节构成，莳向通道主要骨传喀器、放大电路和a d c ，d a c ，驱动电路和执行 器则组成其后向通道。测拧系统的基本椎图如图3 2 所示。 数 模 模 开 圈3 - 2 单片机控制单元组成框图 f i g 3 - 2c o m p o s i n g c h a r to f m i c r o s i n g l e c h i pc o m p u t e rc o n t r o lc e l l 控制系统硬件中，中心单片机采用a t 8 9 c 5 2 单片机，a t 8 9 c 5 2 内育8 k 字 节的快速擦写存储器f l a s h 无须外接程序存储器e p r o m ，缩小了线路板的体 积，增强了系统的抗于扰性；数字量信号等豇接接到单片机的i n t 0 、i n t i 、 t o 、t 1 端，以便单片机及时响应信号输入：8 路模拟肇输入经过a d c 0 8 0 9 转 换与a t 8 9 c 5 2 的数据线相连：模拟嚣输出信号采用d a c 0 8 3 2 芯片，变换成电 压或足电流信号驱动执行器等装置：丌关晕输出信号经过7 4 l s 3 7 3 锁存，控制 开关彗输出等。该控制系统组成控制器硬件主要由单片机a t 8 9 c 5 2 及其最小 系统及键盘显示器单元、a d 转换器a d c 0 8 0 9 、d a 转换器d a c 0 8 3 2 、晶振 电路、复位电路、模拟最i of 乜路和数字鞋f o 电路等组成。详细的控制单 元系统硬件结构如图3 3 。 单片机测控系统主要实现的功能育：( 1 ) 实现单片机与生产过程之问的信 息交换，包括a d 转换、d a 转换、电平变换、数字景的输入输出等。( 2 ) 实 现单片机与，产过程之删的信息传送，包括多路信息的分时采集、多路控制的 分时操作等。所骨的j 力能做在一块含c p u 的土线板上，键盘和显示部分单独 ! 丝三竺：! 兰：兰竺：! 兰竺尘! 图3 - 3 管道弧焊机器人控制单元结十句图 f i g 3 - 3f r a m ec h a r to f p i p ea r cw e l d i n gr o b o to p e r a t i o ns y s t e m 灵活配置，实现唯片机测控系统的键盘输入和数码显示。 3 1 2 输入通道模块设计 3 1 2 1 集成a d 转换器a d c 0 8 0 9a d c 0 8 0 9 是一种常用的8 位逐次逼近型 a d 转换器。分辨率为8 位；转换电压为5 一- 5 n 转换路数为八路模拟量：转 换时f b 】为1 0 0 i | t s ：转换绝对误差小于j ：i l s b ；功耗仅为1 5 r o w ；单- - + 5 v 电源。 由于价格适中，与荦片机的接口、软件操作均比较简草，目阿在8 位单片机系 统中育着广泛的使用“。 a d c 0 8 0 9 内部结构由片内带霄锁存功能的八通道模拟多路开关、一个高 卟：滓斗r 人学t 学修 学似诊 阻抗斩波比较器、一个带肓2 5 6 个电阻分压器的埘状丌关网络、一个控制逻辑 环节、8 位逐次逼近数码寄存器和8 位三念输出锁存器组成。单片机与 a d c 0 8 0 9 接线电路如图3 4 。 a d c 0 8 0 9 p 0 o p 07 卜 a l e 旺卜一雠 i n t 0 w r 末= ? p 2 5 r d 幽3 4 单片机与a d c 0 8 0 9 连接电路 f i g 3 - 4t h ew i r i n gd i a g r a mo f m i c r o s i n g l e - c h i pc o m p u t e ra n da d c 0 8 0 9 它采用2 8 线叔列a 插式封装。系统应用的备引脚j 力能如下： 1 d 7 d o ：8 位数字晕输出端。可直接接入单片机的数据总线。 2 i n 7 i n 0 ：8 路模拟晕输入端。在多路丌关控制下，某一时刻只能有 一路模拟萤经相应通道输入到a d 转换器的比较器中。 3 a l e ：地址锁存信号输入端。该信号的上升沿可将地址选择信号 a d d a ，a d d b ，a d d c 锁入地址寄存器内。 4 s t a r t ：启动a d 转换信号输入端。该信号的上升沿用以清除a d c 内部寄存器，下降沿用以启动a d 转换器工作。 5 e o c ：转换结束信号输出端。转换结束后该端将由低电平跳转为高电 平。 6 o e ：输出允许控制端，高电平有效。该信号用以打开三态数据输出锁 存器，将转换后的8 位数掘送至单片机的数据总线上。 7 c l o c k ：转换定时时钟输入端，它的频宰决定了a d 转换器的转换速 度。时钟频；窖既不能高f6 4 0k h z ，也不能低于1 0 0k h z ，对应的转换速度为 1 0 0 i t s 。 8 v r ef ( + ) ，v r f f i - ) ：a d 转换器参考电几的正、负端。它们可以不与本 一0 ：滓删t 人学t 学仲f 学付译迂 机电源和地相连，但v r b f ( ，不得为负值，且不得高于v r e f t + ) ，还要满足 【v r e f ( + ) + v r e f ( - ) 2 与v c c 2 之差不得大于o 1 v 。 9 a d d a ，a d d b ，a d d c ：多路歼关地址选择输入端。 1 0 v c c ，g n d ：+ 5 v 电源及地。 a d c 0 8 0 9 由8 路模拟丌头、地址锁存与译码器、8 位a d 转换器和三态 输出锁存缓冲器组成。8 路模拟丌关与输入的关系表如下3 1 ： 表3 - 18 路摸拟开天0 输入通道的芙系表 t a b l e3 - 1r e l a t i o nt a b l eo f 8r o u t es i m u l a t i o ns w i t c ha n di n p u tc h a n n e l s 8 路模拟量经过a d c 0 8 0 9 转换后送a t 8 9 c 5 2 进行处理。由p 2 5 给出低电 平，这样当w r 给出负脉冲后，经或推f 1 加在s t a r t 和a l e 引脚上的则是一 个i f 脉冲，用f 启动a d 转换；e o c 引脚通过反相器与i n t 0 相连，这样 a t 8 9 c 5 2 获取0 8 0 9 转换是甭结束的信息：出p 2 5 给出低电平，当r d 给出负 脉冲后，即在a d c 0 8 0 9 的o e 引脚上加上了有效信号，此时即可读出转换结 束数据。 a d c 0 8 0 9 芯片可以分时处理8 路模拟肇输入信号，使用模拟开关切换。 在菜一时刻，模拟丌荚只能与一路模拟嚣通道接通，对浚通遥进行a d 转换。 表1 中c 、b 、a 是三条通道的地址线。当地址所存信号a l e 为高电平时， c 、b 、a 三条线上的数据送入a d c 0 8 0 9 内部的地址锁存器中，经过泽码器泽 码后选中某一通道。当a l e = 0 时，地址锁存器处于二锁存状念，模拟开关始终 与刚彳选中的输入通道接通。 选中通道的模拟蘑到达a d 转换器时，a d 转换器并未对其进行a d 转 换。只有当转换启动信号端s t a r t 出现下降沿并延迟t e o e ( 8 c l + 2 u s ) 后，才 启动芯片进行a d 转换，s t a r t 的上升沿复位a d c 0 8 0 9 。 a d c 0 8 0 9 的d 转换过程是在时钟信号的协调下进行的。a d c 0 8 0 9 的时 钟信号由c l o c k 端送入，其最高频率为6 4 0 m h z ，在这个最高频率下 a d c 0 8 0 9 的a d 转换时问为1 0 0 u s 左右。 图3 4 中e o c 为转换结柬输出信号。在a d 转换期间，e o c 维持高电 平，当a d 转换结束时，e o c 变成高电平。a d c 0 8 0 9 的s t a r t 端收到下降 竺! ：! 竺三垒兰三兰竺：兰兰尘! 沿后，并不立即进行a d 转换，e o c = i ，而足延迟1 0 u s 后，才丌始a d 转 换，e o c 变为低电平。 本系统中单片机读取a d 转换结果的疗法中断法，e o c 经过 e 门接到 a t 8 9 c 5 2 的中断请求输入线i n t 0 上，a t 8 9 c 5 2 的中断触发方式为下降沿触 发。单片机启动a d 转换后可以做其它工作，当a d 转换结束时，e o c 由0 1 经过 e 门传到i n t 端，a t 8 9 c 5 2 收到中断请求信号，若a t 8 9 c 5 2 开着中 断，则进入中断服务程序，在中断服务程序中荦片机读取a d 转换的结果。 以下程序采用中断方式，读取i n o 通道输入的模拟肇经a d c 0 8 0 9 转换后 的数据，并送至片内r a m 以d a t a 为首地址的连续单元中。 o r g0 0 1 3 h a j m ps u b o r g8 1 3 0 h m a i n ：m o vr l ，# d a t a s e t bi t l s e t be x l s e t b e a m o vd p t r 。# 0 7 f f 8 h ： m o v x血d p t r ，a l o o p ：n o p a j m pl o o p o r g8 3 1 0 h s u b ：p u s hp s w p u s ha c c p u s hd p l p u s hd p h m o vd p t r 。# 0 7 f f 8 h m o v xa d p t r m o v 癌r i ，a i n cr l m o v d p t r ta p o p d p t t p o pd p l p o pa c c p o pp s w r e t l ；i 雨亍i 中断搬符程序八u ；转个中断雅务程卑 ；王程序 ：冒数据b 前地址 ；i 而也船触发 ：允许i 而中断 ：c p u 开放中嘶 指向i n 0u ：船动a d 转换 真l 下中断撒务程序入口 保护现场 指向i n o i a 读取转换后的数据 数耀存入以d a t a 为首地址的内部r a m 中 修改数据指针 n 次启动a d 转换 饮复现场 ：返| 口1 1 7 n 滓理t ，、学t 学蛳i 出f 一诊定 3 1 3 输出通道模块设计 在单片机的实时控制和智能仪衷等应用系统中，常需要将一些连续变化的 物理肇( 如温度、压力、流星、速度等) 转换成数字量，以便送人计算机内进行 加工处理。计算机处理的结果，也常需要转换成