（化工过程机械专业论文）管道焊接自动控制系统的研制.pdf

摘要 传统的手工焊和半自动焊已不能满足现代化管道工业对于管道焊接质 量和生产效率的要求，而全自动管道焊接将是我国在未来管道建设中大力 推广的新技术。为满足现代化管道工业的需要，本文研制了一种以工业控 制计算机为基础，p m a c 运动控制器为运动控制核心的管道焊接自动控制 系统。完成了控制系统硬件结构的设计、制作和组装，以及控制系统软件 结构的设计、编程和调试。硬件结构的设计包括电气元件的选用，接口电 路的设计，控制箱的设计与布局，手持操作盒的结构设计和电路设计。软 件结构包括友好的人机操作界面，大容量的焊接参数数据库，高精度的电 流电压反馈及p i d 调节，焊接全自控程序和焊接手控干预程序。实验表明： 该控制系统控制精度高，运行稳定可靠。由于同时具备了行走、摆动和提 升机构，因此可以完成大直径厚壁管道的全自动连续多层焊，极大地提高 了大直径高压输送管道的焊接效率和焊接质量，满足了现代管道工业的发 展要求，有极高的工程应用价值。该控制系统通过与不同的弧焊电源配套， 可以应用于不同的焊接方法，因此具有一定的通用性。 关键词：管道自动焊接工业控制机p m a c 运动控制器人机界面 t h e d e v e l o p m e n t o fa u t o m a t i c c o n t r o l l i n gs y s t e m f o r p i p e l i n e sw e l d i n g a b s t r a c t w h i l et r a d i t i o n a lh a n dw e l d i n ga n ds e m i - a u t o m a t i cw e l d i n gc a n tm e e tt h e d e m a n do fw e l d i n gq u a l i t ya n dp r o d u c t i o n e f f i c i e n c y f o rm o d e mp i p e l i n e i n d u s t r y , f u l la u t o m a t i cp i p e l i n e sw e l d i n gi sb o u n dt ob e c o m ean e ww i d e l y - u s e dt e c h n o l o g y , s oak i n do fa u t o m a t i cc o n t r o l l i n gs y s t e mf o r p i p e l i n e sw e l d i n g i sd e v e l o p e d ，o f w h i c hi n d u s t r yp ci sb a s ea n dp m a cm o t i o nc o n t r o l l e ri sc o r e i nt h i sp a p e r , t h eh a r dw a r ea n dt h es o f tw a r eo ft h ec o n t r o l l i n gs y s t e ma r e c o m p l e t e d t h ew o r ko fd e s i g n i n gh a r dw a r ei n c l u d e ss e l e c t i o no f t h ee l e c t r i c c o m p o n e n t s ，d e s i g n o f t h ei n t e r f a c ec i r c u i ld e s i g na n d l a y o u to f t h ec o n t r o lb o x ， s t r u c t u r ed e s i g na n dc i r c u i td e s i g no ft h eh a n d l eb o x t h es o f t w a r ei n c l u d e st h e i n t e r f a c eb e t w e e nm a c h i n ea n d m a n ，l a r g ew e l d i n gp a r a m e t e r sd a t a b a s e ， p r e c i o u sp i d f e e d b a c ko f w e l d i n g c u r r e n ta n dv o l t a g e ，t h ep r o g r a mo fa u t o m a t i c w e l d i n ga n d h a n d l ei n t e r f e r e t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h i ss y s t e mi sp r e c i o u s a n dr e l i a b l e 。w i t h w a l k i n gm e c h a n i s m ，w e a v i n g m e c h a n i s ma n d l i f t i n g m e c h a n i s m ，t h e a u t o m a t i c w e l d i n g m a c h i n ec a n a c c o m p l i s h c o n t i n u o u s m u l t i l a y e rw e l d i n ga u t o m a t i c a l l y a n d i m p r o v e s t h e w e l d i n gq u a l i t y a n d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo ft h eb i ga n dt h i c kp i p e l i n e sg r e a t l y , s oi tm e e t st h e d e m a n do fm o d e m p i p e l i n ei n d u s t r ya n dh a sh i 曲e n g i n e e ra p p l i c a t i o nv a l u e b e c a u s et h i s s y s t e m c a r ls u i td i f f e r e n t w e l d i n gm e t h o d st h r o u 曲m a t c h i n g d i f f e r e n t a r c - w e l d i n gp o w e r s ，i ti sac o m l t l o ns y s t e m k e yw o r d s ：p i p e l i n e sw e l d i n g i n d u s t r yp c p m a cm o t i o nc o n t r o l l e r i n t e r f a c eb e t w e e nm a c h i n ea n dm a n 独创性声明 本人声明所呈交的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 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证书面使用过 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 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盏鱼羹山。；年6 月r 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 整鱼篡 如；年；月 日 导师签名：蕴竺苎哆年 月歹目 导师签名：缸0 1 耋哆年 手月手目 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 焊接自动化的发展概况 自动化技术的飞速发展大力地推动了焊接自动化的快速前进。由于现 代化的焊接技术极大地提高了焊接生产率和焊接质量，大大地降低了生产 成本，改善了工人的劳动条件，因而受到了世界各国的普遍关注。 第3 2 届国际焊接年会首次组织了关于焊接生产自动化的专题讨论会， 并在会后出版了焊接生产自动化论文集。1 9 8 0 年在前苏联基辅召开了第一 次关于国际性焊接生产自动化讨论会，由此标志着对焊接生产自动化的研 究正式提到了现代工业生产的日程上。 国外的焊接自动化研究起步较早，尤其是发达国家，早在二十世纪四 十年代末即己开始从事焊接机械化、自动化技术的研究。在五十年代，焊 接自动控制的主要研究方向是研制简单的自动焊机，仅限于焊丝的自动送 进和焊炬的自动行驶，仅能实现自动引弧，维持电弧稳定和依靠轨道沿焊 缝仿形等功能1 1 j 。 进入七十年代末，随着微型计算机技术的迅猛崛起，并且在工业控制 各领域的应用中显示出无以比拟的优越性，焊接自动控制也进入了一个全 新的发展阶段。借助于功能强大的微型计算机技术，焊接自动控制技术如 虎添翼，发展势头迅猛。计算机在焊接自动控制方面的应用各种各样，简 单的可根据材料种类、厚度自动选择并调整规范，复杂的可对整个焊接过 程实现自适应控制及最佳控制，如日本的小松制造所研制的具有光电传感 器的计算机数控自动焊机，即采用微型计算机对焊缝轨迹用数控方式进行 预调。当由于焊接变形、安装误差等原因引起焊缝位置形状出现细小误差 时，由光电传感器检测出该误差，并将其转换成电信号反馈给微型计算机， 微型计算机对此作出分析判断后控制焊枪作出相应的调整，实现焊缝的自 动跟踪- - 4 1 。 随着微型计算机技术和自动化控制技术的进一步发展，研制出完整的 自动化焊接控制系统，使其能够对整个焊接工序实行综合自动控制成为焊 接生产自动化研究的重要方向之一，引起了世界各国企业及科研机构的极 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 大关注。到了七十年代，一些技术发达的国家如日本、美国等率先研制出 了用于汽车车身自动生产线的电阻点焊机器人，并开始在工厂中广泛应用。 焊接机器人的应用是焊接过程高度自动化的一个重要标志。到1 9 7 6 年，点 焊机器人的应用已相当广泛。从七十年代中期到八十年代初，弧焊机器人 相继出现并以“爆炸性”的速度推广普及，各个国家在生产中广泛使用弧 焊机器人用以代替单调重复、劳动条件差的手工电弧焊，极大地提高了生 产效率，节约了大量的劳动力。有资料报道，到1 9 9 0 年为止，美国通用汽 车公司使用的焊接机器人的总数已达1 4 0 0 多台，为公司每年节约劳工费用 约7 亿美元t 5 - 6 1 。 相对而言，我国对焊接自动控制技术的研究起步较晚。到目前为止， 我国焊接生产的自动化、机械化程度仍然较低，与国外发达国家相比还存 在很大的差距。以前苏联为例，在1 9 8 0 年，前苏联工业生产中采用机械化、 自动化焊接方法及设备所占比例已高达6 2 9 ，而我国到目前为止在全范围 内的机械化、自动化焊接方法占焊接工作量的比例也不过4 0 左右7 1 。 2 管道工业的现代化 管道工业进入7 0 年代以后，即使是地理、气候环境较好的地区，其管 道设计出于经济效益和安全可靠性的考虑，也都朝着高强度、高韧性、良 好的焊接性和大直径方向发展【8 】。众所周知，管道的输送量与管道的工作压 力和直径的平方成正比。据此推测，一条输送压力为7 5 m p a ，直径为 1 4 0 0 m m 的输气管道可代替三条压力为5 5 m p a ，直径为1 0 0 0 m m 的管道， 同时可节省3 5 的投资和1 9 的钢材【9 1 。 实现高压、大直径管道输送，决不是简单地增加钢管壁厚，仅此难以 避免管线的早期失效。为保证管道的安全可靠运行，必须发展与管道相关 的技术，如：管线钢的微合金化、控制轧制和冶炼新技术；现代化的制管 技术；先进的检测技术；高效、高质量的焊接技术和防腐保温技术等，从 而实现管道工业的现代化。 3 管线钢的安装焊接 长输管道工程的主体是单根钢管连接的管线。它是一项长距离的安装 焊接工程，是在复杂气候条件下以及不稳定的机械载荷和不同温度作用下 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 进行的一种焊接。 管线焊接是在施工现场进行的。复杂的气候条件、不稳定的固定条件 和全位置的操作条件构成了管线焊接的自身特点【1 。 管道输送的历史是悠久的。但只是在近四十年，管道工程才得到飞速 发展。四十年来，管道铺设从平川走向高山和沙漠；从温带、热带走向极 地。管道输送压力从4 m p a 以下到1 0 m p a 以上；从低压小管径输送到高压 大直径输送。管材的强度等级从a 、b 级的碳素钢、c _ 一m n 钢到高强度级 别的x 7 0 、x 8 0 、x 1 0 0 的控轧钢、调质钢，以至输送带有腐蚀性混合物( 硫 化氢、二氧化碳) 介质的特种钢等，管道工程的发展使管线钢的焊接工艺 复杂化、多样化叫。 根据管线钢化学成分复杂化，管道输送大型化，管壁厚度增加以及焊 接工作必须在恶劣的环境条件下进行等情况，有必要不断研制出新的焊接 工艺及相应的新技术和新的焊接材料。 四十多年前，管道工业还没有大规模的发展起来。管线钢的安装焊接 工艺多采用比较简单的手工电弧焊。使用的焊条主要是纤维素焊条为主的 酸性焊条。与安装焊接相配套的预热、对中、热处理等工艺水平及其自动 化水平不高】。 而当今的现代管道工业，从管道的可靠性和经济性以及运行后的使用 性能出发，要求管道有较高的输送压力和较大的管线直径并保证其安全运 行。因此现代化管道工业提出了管线钢的高强度、高韧性、管径的大型化 和管壁的厚壁化要求，管线安装焊接为适应这一发展出现了多种焊接方法、 焊接材料和焊接工艺。 熔焊时，被焊工件焊缝所处位置称为焊接位置。通常有平焊、立焊、 仰焊、横焊等位置。对于水平固定管的对接，即管线的非旋转焊口的安装 焊接，包括平焊、立焊、仰焊等空间位置，即为全位置焊接。 在平焊位置时，熔滴可借助重力落入熔池，熔池中的气体、熔渣容易浮 出表面。因此平焊可以用较大电流焊接，生产率高，焊缝成形好，焊接质 量容易保证，同时劳动条件也比较好。然而管线的安装焊接不具备平焊的 条件因而其焊接质量的保证和生产率的提高是一个有待解决的课题。 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 首先是安装焊接如何实现自动化的问题。也就是说自动化和半自动化的 焊接方法应适应全位置焊接的要求。如埋弧自动焊就不能用于非旋转焊口 的安装焊接，它只能在设有管子焊接站的旌工现场进行双连管段和三连管 段的安装焊接。其它自动、半自动焊接方法，也应与全位置焊接相适应： 其次是焊接材料的选择问题。任何焊条、焊剂、焊丝的选择必须考虑金属 通过电弧空间过渡的特性，以及对金属、熔渣和气体之间交互作用过程的 动力学问题，保证金属熔滴稳定地过渡到焊接熔池中【l 。 4 管道焊接自动化的发展概况 自从管道自动焊的理论提出后，国内外管道自动焊技术的发展都十分 迅速。新的焊接方法和焊接设备与智能自动控制联系在一起，使得焊接过 程控制实时而准确。 早在6 0 年代初，由于工业及军事的需要，国外焊接工作者就开始致力 于管道自动焊接设备的研制。7 0 年代初，英国市场上已有几十种管道自动 t i g 焊和m i g 焊设备。美国的霍伯公司、米勒公司也生产出自动t i g 和 m i g 焊机。在此期间，我国水电部引进了a m 1 1 型焊管机，该机可焊直径 5 0 1 0 6 6 m m 的管子，厚度可达7 6 m m ，焊管机配有两种机头，焊小管径用 不加添丝式，电源为晶体管电源，焊机可根据焊材、管径、壁厚、坡口形 式和焊接位置选择不同的焊接方法。另外，瑞典伊萨公司、日本三菱公司 和日立公司也生产出自己的产品1 1 3 。 7 0 年代后期，我国也开始了管道自动焊的研究。其中较典型的有清华 大学研制的q s m 型数控钨极电弧焊管机，该机把焊接电源双反星型晶 闸管电源和数控部分装在一个机箱里，焊接环缝的一周规范分八段进行调 节。整个焊接过程为无触点控制，焊炬位置采用脉冲来测量。另外山东电 力一处和武汉水利学院共同研制了小口径管道自动焊机，在电源方面有了 更新，采用大功率晶体管数码控制，可实现焊接全过程自动控制【。4 】。 8 0 年代中后期，微型计算机的使用使焊接技术飞速发展，它使焊接过 程的自动控制由简单的程序控制、恒定参数控制发展成为多参数综合控制、 焊接过程的自适应控制以及焊接过程的智能控制。利用计算机控制焊管机 石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 的典型产品已有e s a b 、p r o w w e l d e r 一2 5 0 、p o l y s o u n d e 、 a u t o t i g 一2 5 0 等机型”“。 目前，国际上研究焊接装置的公司很多，如美国的c r c 公司、德国的 v e n t e 公司、前苏联的巴顿焊接研究所、法国的梅萨公司、瑞典的伊萨公 司等。这些公司在管道焊接的研究方面水平很高。法国的梅萨公司在小管 径的管子焊接方面有很高的技术水平，主要应用于航天航空工业、核工业 的高精度焊接领域。该公司的自动焊接采用细丝t i g 焊接工艺，具有相当 高的焊接质量，但相对于m i g 焊而言效率比较低。而美国的c r c 公司、德 国的v e n t e 公司、巴顿焊接研究所却在大管径管道的焊接方面有比较深入 的研究，主要采用m i g 焊接工艺，利用计算机控制焊接的全过程。在确保 焊接质量的情况下，焊接效率高，而且配套设施齐全。这些自动焊设备虽 性能各不相同，但代表了几个国家管道焊接设备在世界上的领先地位。尤 其是近几十年来，美国c r c e v a n s 公司自动焊设备在世界范围内的广泛 应用，更显示出管道自动焊接的强大生命力。据不完全统计，截止1 9 9 6 年 底，美国c r c e v e a n s 公司的管道自动焊接设备在世界四大州累计焊接管 道3 0 0 0 0 余公里，得到了多家业主和管道承包商的认可，如加拿大的努法 公司、美国阿科公司、以及中东、东南亚、欧洲等管道建设承包商”。 美国c r c - e v a n s 公司开发管道自动焊始于6 0 年代初，目前德国、意 大利等欧洲国家也拥有管道自动焊接技术。从6 0 年代末起，管道自动焊技术 已得到了很大发展，焊接各类管道几万公里，可见管道自动焊技术的使用 价值已被世人所证实。 5 本课题的研究意义 随着我国石油工业的发展，采用长输管线运送石油和天然气已发展成 为一种最安全、最经济、最环保的运输方式，管道运输作为五大运输行业 之一，仅次于铁路、公路、水运和航空运输，是综合运输体系中的重要组 成部分，在国民经济中占有重要地位。而现代管道工业从管道的可靠性和 经济性以及运行后的使用性能出发，要求管道有较高的输送压力和较大的 管线直径并保证其安全运行。因此现代化管道工业提出了管线钢的高强度、 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 高韧性、管径的大型化和管壁的厚壁化要求，这就对管线的安装焊接提出 了更高的要求，因为焊接质量是管道建设工程中最重要的环节，它直接关 系到整条管道的使用寿命，而管道的焊接生产率也是决定整个管道建设进 程的重要因素。因此，传统的手工焊和半自动焊已不能满足现代化管道工 业对于管线焊接质量和生产效率的要求，而全自动焊接方法将是我国在未 来管道建设中大力推广的新技术。 相对国际先进水平，我国焊接技术比较落后，大多数专用成套设备和 自动化焊接设备都依赖进口，管道焊接设备也是其中之一。但是进口设备 价格昂贵，维修极为不便，有可能因为一个很小的故障而导致整个工程的 延误甚至整套设备的报废，而此类例子已屡见不鲜。因此，完全依赖进口 设备是不可取也是不可行的。近年来，我国在消化吸收国外先进管焊技术 的基础上，也研制出了多种管道自动焊接设备”眦羽，但在性能上较国际先 进水平仍有差距。要在激烈的国际竞争中占据一席之地，还必须提高施工 装备和技术水平。因此，研制出高性能的全自动管道焊接装置具有十分重 要的现实意义。 6 本课题的研究内容 本课题的主要任务是在充分了解管道焊接装置机械结构和工作原理的 基础上研制出高性能的自动控制系统，完成控制系统硬件结构的设计、制 作和组装，以及控制系统软件结构的设计、编程和调试。硬件结构的设计 包括电气元件的选用，接口电路的设计，控制箱的设计与布局，手持操作 盒的结构设计和电路设计。软件结构包括友好的人机操作界面，大容量的 焊接参数数据库，高精度的电流电压反馈及p i d 调节，焊接全自控程序和 焊接手控干预程序。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章管道自动焊机的机械结构及工作原理 第2 章管道自动焊机的机械结构及工作原理 2 1 管道自动焊机的机械结构及工作原理 管道自动焊接机械结构如图2 - 1 所示。 l 、送丝电机2 、送丝盘架3 、联接螺栓4 、行走轮 5 、焊接小车车身6 、摆动电机7 、行走电机8 、行走齿轮 9 、摆动机构1 0 、提升机构1 1 、提升电机 1 2 、刚性导轨1 3 、焊接小车压轮 图2 - 1 管道自动焊机结构总图 该焊机由焊接轨道、焊接小车、送丝机构、控制系统四部分组成。焊 接小车由行走机构、摆动机构和提升机构组成。送丝机构由送丝盘和送丝 电机组成。控制系统由控制箱和手持操作盒组成。轨道采用分体式刚性圆 轨，通过螺栓连接，易于安装拆卸，其上加工有一圈齿条。焊接小车携带 焊枪，通过行走电机输出轴端的齿轮与轨道上的齿条啮合，沿刚性导轨做 环形运动进行环焊缝的焊接。当焊接大口径厚壁管道时，为保证焊缝填满、 两侧充分熔透以及焊缝成形美观，需要焊枪左右摆动。摆动电机通过丝杠 以及套在丝杠上的套筒与焊枪连接，当摆动电机正反转时，带动丝杠旋转， 与丝杠连接的套筒将丝杠的旋转运动转换成焊枪的左右摆动。在连续多层 焊时，每焊完一层焊道，提升电机自动将焊枪提升一定高度后，焊机继续 后层焊道的焊接。提升机构的传动机理与摆动一样，也是通过丝杠及套在 丝杠上的滑块将电机的旋转运动转换成焊枪的上下直线运动。送丝机构连 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章管道自动焊机的机械结构及工作原理 接在焊接小车上，与焊接小车一起沿轨道运行，这样焊接过程中送丝阻力 较小，可以保证送丝过程平稳。被焊管道通过一组支撑螺杆与轨道进行夹 紧、定位，调整螺杆长度可焊一定范围内不同直径的管道。而通过更换轨 道可增大被焊管道的直径范围。焊接控制系统实现焊接小车行走、焊枪摆 动、焊枪提升、送丝送气的协调运动，以及焊接电流、电弧电压的反馈控 制，焊接数据库的维护和运动参数的实时调节等。 2 2 行走机构 行走机构的主要部分包括行走电机、位置和速度反馈元件、以及齿轮 传动机构。行走电机输出轴端的主动齿轮与钢轨上的齿条相啮合，焊接小 车在行走电机的带动下沿导轨做环形运动，其行走速度和行走位移由控制 系统控制调节，高精度的差动增量式光电编码器与电机同轴旋转，作为行 走机构的速度和位置反馈元件。行走机构结构图如图2 2 所示。 1 、光电编码器2 、行走电机3 、行走齿轮 图2 - 2 管道自动焊机行走机构结构图 2 3 摆动机构 摆动机构由摆动电机、位置和速度反馈元件、传动丝杠和套筒组成。 焊枪摆动机构是气体保护自动焊接机的重要组成部分，它是在大口径厚壁 管道的焊接中，保证焊缝填满及两侧充分熔透、焊缝成形美观所必不可少 的机械单元，对保证焊接质量，提高工效也起着十分重要的作用。目前应 用较广的摆动机构有电机拖动摆动机构和磁摆机构等。本次设计采用的是 电机拖动摆动机构。电机拖动摆动机构实质上就是在电机的带动下，将电 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章管道自动焊机的机械结构及工作原理 机的正反转运动转换成焊枪的直线往复运动，达到摆动的目的。其传动机 理是电机通过与它同轴相连的丝杠以及套在丝杠上的套筒与焊枪连接，当 电机正反转时，带动丝杠旋转，套在丝杠上的套筒将丝杠的旋转运动转换 成直线运动。一般焊枪摆动调节机构应具有摆动曲线可控的功能。摆动幅 度、摆动频率、驻留时间由控制系统控制调节，高精度的差动增量式光电 编码器与电机同轴旋转，作为摆动机构的速度和位置反馈元件。摆动机构 结构图如图2 3 所示。 l iill liil ilj；i iiii 到胸霎量鱼 1 、光电编码器2 、摆动电机3 、连轴器 4 、丝杠5 、连接键6 、套筒 图2 3 管道自动焊机摆动机构结构图 2 4 提升机构 提升机构主要由提升电机、位置和速度反馈元件、丝杠、滑块和支架 体组成。厚壁管道的焊接往往需要多层焊，包括打底焊、填充焊和盖面焊， 提升机构使得厚壁管道的连续多层焊得以实现。在连续多层焊时，每焊完 一层焊道，提升机构自动将焊枪提升一定高度后，焊机继续后层焊道的焊 接。提升机构的传动机理与摆动机构一样，通过与提升电机同轴旋转的丝 杠以及套在丝杠上的滑块将提升电机的旋转运动转换成焊枪的上下直线运 动。提升高度和提升速度的反馈元件采用增量式光电编码器。提升机构结 构图如图2 - 4 所示。提升机构中的滑块起联接焊枪和丝杠的作用，为保证滑 块的稳定联接作用，将滑块一端设计成槽形与支架体联接。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章管道自动焊机的机械结构及工作原理 2 5 送丝机构 、帮 1 、光电编码器2 、提升电机3 、连轴器 4 、滑块5 、丝杠6 、支架 图2 - 4 管道自动焊机提升机构结构图 送丝机构主要由送丝机、底板和焊丝盘架组成。送丝机构连接在焊接 小车上，与焊接小车一起沿轨道运行。这样焊接过程中送丝阻力较小，可 以保证送丝过程平稳，焊接过程稳定。送丝机构通过两槽轮卡装在轨道上， 行走阻力小。送丝机构结构图如图2 。5 所示。 3 1 、送丝电机2 焊丝盘架3 、底板4 、槽轮 图2 5 管道自动焊机送丝机构结构图 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章管道自动焊机的机械结构及工作原理 2 6 焊接轨道 焊接轨道结构图如图2 - 6 所示。 1 、导轨2 、联接螺栓3 、普通圆柱销 图2 - 6 管道自动焊机焊接轨道结构图 轨道是装卡在管子上供焊接小车行走和定位的专用机构，因此轨道的 结构直接影响到焊接小车行走的平稳度和位置度，也就影响到焊接质量。 轨道应满足下列条件：( 1 ) 装拆方便，易于定位；( 2 ) 结构合理，重量较 轻；( 3 ) 有一定的强度和硬度，耐磨，耐腐蚀。国际上通常使用的轨道有 柔性轨道和刚性轨道两种。刚性轨道是指轨道的本体刚度较大、不易变形， 而柔性轨道则是相对刚性轨道而言。两种类型的轨道各有各的特点。刚性 轨道定位准确、装卡后变形小，可以保证焊接小车行走平稳，焊接时焊枪 径向调整较小。而柔性轨道装拆方便、重量较轻，但精度没有刚性轨道高。 因此，在焊接精度要求较高的焊接中，一般采用刚性轨道。本焊机一般用 于输油输气管道的焊接，要求有较高的焊接质量，所以采用了分体式圆形 钢轨由两个半环形钢轨通过连接螺栓构成，易于装拆。轨道沿周向加工有 一圈齿条，通过行走电机输出轴端的齿轮与该齿条的啮合，在电动机的带 动下，使小车绕管子旋转，进行环焊缝的焊接。 o ，冈朝“划澍_，、|，觋陨隅遂够黼 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章管道自动焊机的机械结构及工作原理 2 7 本章小结 本章介绍了管道自动焊机的机械结构，以及行走机构、摆动机构、提 升机构的传动机理。本焊机机械结构具有以下几方面的特点： ( 1 ) 焊接轨道采用分体式刚性圆轨，易于装拆，焊接时轨道变形小， 焊接精度高。 ( 2 ) 具有行走、摆动、提升机构，不但使焊枪对中调节方便，更实现 了大直径厚壁管道的连续多层焊。 ( 3 ) 送丝机构连接在焊接小车上，与小车一起运动，减小了送丝阻力， 增大了送丝的平稳性。 ( 4 ) 通过更换定位螺栓及轨道，可焊管道直径范围大。 ( 5 ) 整机结构合理，紧凑轻便。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章控制系统硬件结构设计及电器元件的选用 第3 章控制系统硬件结构设计及电气元件的选用 3 1 工业生产测控系统 工业生产过程控制系统是以计算机为核心的实时测量与控制系统，一 般称之为工业生产测控系统【2 ”。工业生产测控系统通常包括：各种传感器 和变送器，过程输入输出设备，计算机，执行机构等。工业测控系统对工 业生产过程的控制作用可以归结为三个步骤：实时数据采集、实时决策、 实时控制。实时数据采集就是工业控制计算机通过过程输入接口对各个状 态变量的瞬时值进行实时扫描采集。实时决策就是工业控制计算机对所采 集的数据样本进行分析、处理，并根据预先确定的控制规律计算出下一步 的过程控制变量。实时控制就是通过过程输出接口实时地向受控中的控制 结构发出控制信号。这些受控对象的控制机构包括各种调节器、电动机、 继电器以及其它各种执行器。 工业控制计算机系统对工业生产过程的控制，就是反复执行这三个步 骤，从而保证生产过程按所期待的最佳方式运行，同时还能够对过程和装 置是否出现异常状态进行监督，一旦出现异常状态，将及时进行报警并做 出适当的处理。 工业控制计算机系统方框图如图3 1 所示。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章控制系统硬件结构设计及电器元件的选用 计算机控制系统又包括主机系统和过程输入输出子系统。主机系统由 计算机和控制台组成，控制台由各种人机接口设备构成，如输入设备有键 盘、数字化仪、鼠标器等，输出设备有监视器、打印机以及其它数据输出 设备和图形输出设备。过程输入输出子系统包括a d 、d a 转换器，开关 量输入、输出以及工业i o 接口。 在图3 1 所示的工业计算机系统中，计算机与工业生产过程之间有两种 界面：状态变量界面和控制变量界面。 ( 1 ) 状态变量界面 工业生产过程有各种各样的、物理性质不同的模拟量信号，如电压、 电流、速度、位移、压力、流量等。为了把这些模拟量信号读入到计算机 中，首先需要通过相应的传感器进行检测并利用变送器进行变换，使它们 变成与计算机所需要的电平相适应的电量信号。另外，反映一些开关处于 开通还是关断状态的开关量信号、数字式检测仪表所测量到的数字量信号 也需要读入到计算机中。这两类变量是真正反映工业生产过程的性能或者 状态的，通常称作状态变量。状态变量大部分属于受控变量或者间接受控 变量。 计算机与状态变量的界面称作状态变量界面，也称作状态变量输入接 口，包括过程模拟量输入接口和过程数字量输入接口。 ( 2 ) 控制变量界面 控制变量又称作操作变量，用以实现对受控变量的控制。计算机与控 制变量的界面称作控制变量界面，也称作控制变量输出接口，包括过程模 拟量输出接口和过程数字量输出接口。 工业控制系统的控制作用，主要体现在当出现扰动时，计算机可以通 过执行机构来调解操作变量，使受控变量保持在预先所期望的状态或者保 持在预先所期望的数值范围内。 3 2 控制系统硬件结构及设计原理 为了提高控制系统的稳定性，在设计上采用了总线结构和系统功能模 块化的设计方法。控制系统分为两大部分，一部分是焊机行走、摆动、提 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章控制系统硬件结构设计及电器元件的选用 升机构的运动控制系统，另一部分是焊接电流、电弧电压反馈控制系统。 其结构原理如图3 2 所示。 蔓堕乎刊篙：。口三些型小吨巫 弧焊电源 过 程 控 制 器 控制面板il 操作龠 图3 - 2 管道自动焊机控制系统结构框图 运动控制系统由p c c 1 0 0 型工业控制机、p m a c 多轴运动控制器、i o 板a c c 一8 d 、p w m 功率放大器、光电编码器和直流伺服电机构成。系统以 工业控制机为平台基础，p m a c 多轴运动控制器为运动控制核心，工控机 的c p u 与p m a c 的c p u ( d s p 5 6 0 0 1 ) 构成主从式双微处理器结构，通过 i s a 总线进行通信。工控机作为p m a c 的上位机，提供w i n d o w s 操作平台 以及人机界面，完成系统管理、焊接数据库维护、运动规划、数据传送和 p m a c 在线指令发送。p m a c 运动控制器和i o 扩展板a c c 8 d 以及p w m 功率放大器一起组成过程控制器。光电编码器和直流伺服电机分别作为焊 机行走、摆动、提升机构的传感元件和执行元件。p w m 功率放大器为伺服 电机提供驱动功率。p m a c 以一定的频率检测并处理编码器传递的速度和 位置信息后输出控制量。控制量经过放大器放大后去控制焊接小车行走、 焊枪摆动、焊枪提升三轴方向的直流伺服电机的协调运动，同时p m a c 还 要执行操作面板和手持操作盒上的手动命令控制。 焊接电流、电弧电压反馈控制系统由工业控制机、a m p c 9 1 0 0 模拟量 输入输出板、电流电压变送器以及弧焊电源构成。检测电路首先对电流电 压的实际值进行测量并经变送器将测量信号调理成0 5 v 的标准信号，送入 一一一一一一一 圈 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章控制系统硬件结构设计及电器元件的选用 a m p c 一9 10 0 板卡上的a d 转换器转换为数字量，然后由工业控制机的c p u 作各种运算处理，再经a m p c 9 1 0 0 板卡上的d a 转换器将c p u 送出的数 字量控制信号转换成模拟量控制信号加到弧焊电源控制电路上，实现对焊 接电流、电弧电压的精确控制。 下面将详细介绍控制系统相关电气元件的工作原理及选用依据。 3 3p c c - 10 0 工业控制计算机 p c c 一1 0 0 型工业控制机为台湾研华公司生产的产品，其主机与液晶显 示器构成整体式机构，小巧轻便，很容易镶嵌于控制箱上，与其它部件组 装成一体。该机自带工业触摸屏，在输入参数或者点击菜单时不需要外带 键盘和鼠标，因此极适合于象管道施工这样的野外作业。其主扳、电源和 机箱符合工业专用标准，c p u 采用5 8 6 型，提供3 2 m 内存和1 0 g 硬盘空间， 带两个i s a 总线插槽，分别作为p m a c 板卡和a m p c 9 1 0 0 模拟量输入输 出板卡与工业控制机之间的接口，使它们能与工业控制机通过i s a 总线进 行通信。其性能和功用满足本系统的需要。 3 4 p m a c 可编程多轴运动控制器 3 4 1p m a c 综述 p m a c l 2 4 ( p r o g r a m b l em u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) 是美国d e l t at a ud a t a s y s t e m s 公司生产的拥有高性能伺服运动的多轴运动控制器。借助于 m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 1 ( 2 0 3 0m h z ) 数字信号处理器，可同时控制1 - 8 个轴的 协调运动。p m a c 运动控制器同时提供了p i d 调节、速度和加速度前馈、 以及阶式位置伺服环滤波器，能有效地解决机械谐振的问题，使运动平稳 可靠。p m a c 软件系统以w i n d o w s 系统为操作平台，既有自身的系统语言， 也可兼容如v b 、v c 等高级语言程序，既可执行运动程序，也可执行p l c 程 序，并可进行伺服环更新。p m a c 实际上是一台完整的计算机，它可以通 过存储在它内部的程序进行独立的操作，也可以通过串口、总线两种方式 与上位机进行通信。 p m a c 运动控制器将极强的处理能力与高度的灵活性结合在一起。这 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章控制系统硬件结构设计及电器元件的选用 一灵活性适合于现今普遍应用中的多总线结构、电机类型、反馈元件以及 指令数据结构。p m a c 运动控制器允许同一控制程序在所有三种总线上运 行，其上的每一个轴允许电机和反馈元件的不同组合。p m a c 拥有多种控 制代码，既有类似于b a s i c 命令的p m a c 控制码，也可执行专用于机床加 工的g 一代码，甚至可将a u t o c a d 图形文件转换成相应运动控制程序而执 行。表3 - 1 列出了p m a c 兼容的总线类型，能控制的电机类型，可接收信 号的反馈元件，以及其拥有的控制码。 表3 1p m c 的灵活性 名称类型 总线i s a 、p c i 、v m e 、s t d 3 2 电机类型 反馈元件 控制码 直流电机( 有刷、无刷、直线) 、交流异步电机、步进电机 增量编码器、绝对编码器、旋转变压器、直线电压位移传感器、 电位计、激光干涉仪、磁致伸缩位移传感器 p m a c 、g 代码、a u t o c a d 转换 p m a c 的c p u 与电机轴的通信是通过被特殊设计的门阵列i c s 来实现 的。每一个i c s 能够控制四个模拟输出通道，四个作为输入的编码器，和 四个来自附件的模拟驱动输入。一片p m a c 可以运用这些门阵列i c s 的一 到四个，我们可以根据自己的需要来规定硬件的配置总数，因此它是一种 完全开放式结构。p m a c 不仅可以象普通p c 机那样运行，还可以通过设置 变量来控制运动过程，不仅具有开环指令，还具有闭环指令，可以对电机 进行自动p i d 调节或者手动p i d 调节，使系统具有高精度的调节性能。 p m a c 不需要额外的附件即可用增量式a b 正交编码器作为位置或速 度的反馈元件。软件解码器可使编码器频率增加1 、2 、4 三种倍数。当电 机与负载耦合不太理想的情况下，用户还可以采用双反馈结构以提高系统 性能：一个位置编码器安装在负载上提供负载位置反馈，一个旋转编码器 安装在电机上提供速度反馈。这种利用内外双反馈通道的结构在高性能的 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章控制系统硬件结构设计及电器元件的选用 应用场合已经非常普遍。 3 4 2p m a c l l t e 的结构 本系统选用p m a c 系列中的四轴运动控制器p m a c l i t e 【2 5 】作为运动 控制核心元件，其结构示意图如图3 3 所示。它采用了i s a 总线结构，既 可以独立脱机运行，也可以插入主机的一个i s a 插槽通过i s a 总线与主机 进行通信，构成主从式双微处理器结构。其输出由d s p g a t e 门阵列控制， 可以并行输出，所以可以实现4 轴联动。p m a c l i t e 主要由中央处理器 c p u d s p 5 6 0 0 1 、a d 、d a 转换器、各种寄存器以及各种接口插槽组成。 下面对p m a c 的常用接口的功能作一介绍。 图3 - 3p m a c - l i t e 结构示意图 j 1 ：p m a c 的显示器接口，可连接a c c l 2 系列的l c d 显示，用于显 示反馈的系统状态信息； j 2 ：操作控制面板接口，当定义1 2 = 1 时，该接口可用作通用输入输出； j 3 ：多路i o 点的扩展接口，该接口本身可提供8 点输入和8 点输出， 如果系统需要的输入输出点较多，而p m a c 卡本身提供不了足够的i o 点， 那么利用该接口连接一d o 扩展板，可提供3 2 点输入和3 2 点输出。此外， 该接口还可连接拨码开关接口板a c c l 6 b c d 、旋转变压器反馈接口板 a c c 8 d o p t 7 、以及安川绝对编码器反馈接1 2 1 板a c c 8 do p t 9 ； j 4 ：p m a c 卡的串行接口； 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章控制系统硬件结构设计及电器元件的选用 j 5 ：带光电隔离的8 点通用输入输出接口： j 6 ：多卡连接时的i o 接口； j 7 ：a d 转换器连接口： j 8 ：提供辅助信号接口，其中包括模拟量输入、位置比较、脉冲方向 输出、标志信号等； j 1 l ：1 - 4 轴的连接口，提供4 路编码器反馈、4 路模拟量输出、4 路电 机回零信号及正负限位信号、4 路电机使能信号、4 路报警信号、以及提供 5 v 直流电源和数字地、1 5 v 直流电源和模拟地。 3 4 3 p m a c 的伺服环 标准的p m a c 运动控制器提供了p i d 和阶式位置伺服环滤波器。p i d 是一种线性调节器，这种调节器是将设定值与实际输出值进行比较构成控 制偏差，并将偏差比例、积分、微分，然后通过线性组合构成控制量去控 制执行机构减小或者消除偏差。其中p 代表比例的增益项，比例增益为 系统提供刚性；“i ”代表积分增益，是用于消除稳态误差的控制参数：“d ” 代表微分增益，是为系统提供稳定性的阻尼项。为使控制系统伺服性能既 具有良好的稳定性和快速性，又可以使静态误差达到最小，就必须进行p i d 参数整定。p m a c 提供了系统闭环状态下自动和手动两种p i d 参数整定方 式。如果用户选择自动方式，p m a c 将自动测试系统状态，确定p 、i 、d 的增益。如果选择手动，用户可以根据先比例，后积分，再微分的过程反 复调整，直到系统状态反应曲线满意为止。p i d 伺服环结构如图3 - 4 所示。 图3 - 4p i d 伺服环结构 镜毒 一 一=产l 鸳 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章控制系统硬件结构设计及电器元件的选用 为进一步减小伺服系统的轨迹误差，p m a c 运动控制器还提供了速度 和加速度前馈。速度前馈的作用是减小微分增益或者测速发电机环路阻尼 所引起的跟踪误差；而惯性所带来的跟踪误差与加速度成正比，因此它可 以由加速度前馈项来补偿。 由于驱动( 电机) 与负载之间很难做到理想的耦合，在系统运行中常 出现滞后、静摩擦、卷曲以及回差，这些问题共同作用会使系统产生机械 谐振从而严重损害系统的性能。p m a c 的数字阶式滤波器和双反馈选项中 同时测量驱动器以及负载的位置和补偿伺服环中的微分运动的能力可以解 决机械谐振的问题。 3 4 4 p m a c 与外部的连接 p m a c 具有扩展的输入输出能力，模拟的和数字的，特殊功能的和一 般功能的。它的i o 有多种特性来保证信号的完整性。 1 正交编码器输入 作为一种标准特性，p m a c 可接受0 - 5 v 的数字正交编码器信号。在 p m a c 的配置中，每个数字信号处理器可连接四个编码器。其用户门阵列 l 拿习编码器目学叫编码器1 裂目 弱 光 毫哇划 a 干工 1 电 赳掌掣碍 隔 离 a i， 兰j 叁里塑! 瞄| 图3 5 编码器输入用户门阵列 四 路 模 拟 鲑 输