毕业论文-基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究

基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 I摘 要 目前在管道建设中， 管道对接以及管道焊接机器人安装等造成焊枪偏离焊缝坡口中心，实际情况中一般采用手工调整或者忽略焊枪偏差，影响了管道焊接的质量， 严重制约了管道建设的发展。 因此开展智能化管道焊接机器人的控制研究，提高管道焊接质量和效率，具有巨大的经济效益和社会效益。 本文对油气管道环形焊缝的自动化焊接技术，激光跟踪管道焊接机器人系统，焊缝跟踪控制算法等方面进行深入研究。由激光视觉传感器焊缝跟踪图像推导出焊缝跟踪控制算法，根据控制算法和控制要求设计 PLC 控制流程图，编写出 PLC 控制程序。通过定标实验和焊缝跟踪实验调试 PLC 控制程序，达到焊枪对焊缝中心精确定位的目的， 最终完成基于激光跟踪的管道焊接机器人控制系统程序设计。实验表明此系统能够达到我们预期目标。 关键词：激光跟踪，管道焊接， PLC 基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 IIAbstract Recently in the pipeline construction, welding torch deviation from the weld groove center caused by pipeline docking and installation of pipe welding robot. In practice, we usually adjust by hand or ignore the torch deviation. It affects the quality of pipe welding and pipeline construction has seriously hampered the development of pipeline construction. It has great economic and social benefits to carry out research of pipe welding robot intelligent control and improve the quality and efficiency of welding pipes. In this study, I research on welding automation technology of circular seam of oil and gas pipelines, laser tracking pipe welding robot systems, seam tracking control algorithms and so on. Research has got a seam tracking control algorithm already by the image from laser tracking vision sensor. According to the control algorithms and demand, I designed a flow chart and PLC control procedures . In order to precise position seam center , I have made a calibration and seam tracking experiments to debug PLC procedures. Finally, PLC control system procedures of pipe welding robot of laser tracking was designed by me . Experiments show that this system can achieve our target. Keywords： laser tracking ， pipeline welding ， PLC 基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 III目 录 第一章 绪 论. 1 1.1 选题背景.1 1.2 国内外研究动态.2 1.3 研究意义.4 1.4 管道焊接机器人的核心技术.5 1.4.1 传感技术.5 1.4.2 焊缝跟踪图像处理技术.7 1.4.3 焊接机器人移动技术.7 1.4.4 跟踪控制理论与方法.7 1.4.5 焊接机器人控制构架.9 1.5 本文研究的主要内容.10 第 2 章 激光跟踪管道焊接机器人系统.12 2.1 激光跟踪管道焊接机器人系统组成.12 2.2 激光视觉传感器原理及组成.13 2.3 数字信号处理模块及其组成.14 2.4 焊缝跟踪图像处理.15 2.5 本章小结.15 第 3 章 PLC 控制程序设计 .16 3.1 跟踪算法.16 3.2 PLC 可编程控制器的选型.20 3.3 PLC 控制程序设计.21 3.4.1 控制要求.21 3.3.2 I/O口分配.21 3.3.3 流程图设计.22 3.4.4 程序设计.24 3.5 本章小结.24 第 4 章 实验调试及误差分析.25 4.1 DSP 图像像数点与焊枪移动距离的定标.25 4.2 工件旋转速度定标.27 4.3 PLC 采样值与步进电机步数之间的定标.29 4.4 焊接实验.32 4.5 误差分析.31 4.6 本章小结.33 结论. .34 参考文献. 35 致谢. .37 附录 1 . .38 声 明. .42 1第一章 绪 论 1.1 选题背景 我国的油气资源大部分分布在东北和西北 地区，而消费市场绝大部分在东南沿海和中南部的大城市等人口密集地区， 这种产销市场的严重分离使油气产品的输送成为油气资源开发和利用的最大障碍。管输是突破这一障碍的最佳手段，与铁路运输相比， 管道运输是运量大、 安全性更高、 更经济的油气产品输送方式，其建设投资为铁路的一半，运输成本只有1/3。因此，我国政府已将“加强输油气管道建设，形成管道运输网”的发展战略列入了“十五”发展规划。但是传统的管道施工技术与方法难以适应现代管道施工要求， 而管道全位置自动焊接技术是改变这一现状的有效手段。 国外许多公司从20世纪70年代开始使用管道自动焊接工艺， 其技术日趋成熟， 焊接一次合格率已达， 而我国目前还处于起步阶段。自动焊接工艺配备有自动控制系统，工艺性能以焊工的培训成本大大减少。在大口径、厚壁管道焊接中，其速度、质量和工效都是其他方法所不能相比的1。 自从 20世纪 60年代在美国安装使用第一台工业机器人以来 ,具有操作功能多样性的工业机器人就倍受关注 ,成为新的自动化时代的核心技术。 在工业企业界 ,越来越多的厂家采用机器人充当生产过程的重要角色。 焊接是一项技术要求高,劳动环境恶劣的工作 ,在很多情况下人们采用焊接机器人代替人工作业2。焊接机器人是从事焊接（包括切割与 喷涂）的工业机器人。焊接机器人比起传统手工焊接具有稳 定，能够提高焊接质量，提高劳动生产率，改善工人劳动强度，可在有害环境下工作，降 低了对工人操作技术的要求，缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应 的设备投资等优点。因此国内外都非常关注和重视焊接机器人，投入大量 的人力、物力进行研发，尤其是欧美发达国家。 目前焊接机器人在船舶、化工、汽车、 机械制造等行业得到应用，这些场合多数为平板焊或点焊， 机器人能很好地完成焊接工作2。但在对圆形管道的焊接中，由于管道的对接误差， 焊接机器人的系统误差以及安装误差等造成焊枪偏离焊缝坡口中心，造成 熔滴与坡口接触不同，从而导致焊缝的质量差异较大 ,从而影响了管道焊接的质量 ,直接影响生产效率和生产质量。现在大多数情况是忽略它的影响 或者依靠工人的经验进行调整，没有很好的解决办法。目前，国 内基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 2制研究还很不成熟，因此研究焊接机器 人实时跟踪控制有很大的理论意义和实用价值。 1.2 国内外研究动态 焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。自1959年美国推出世界上第一台机器人以来，机器人技术不断的发展成熟，到 20 世纪 80年代初出现了焊接机器人。焊接机器人发展到现在，经历了示教再现、离线编程和自主编程三个阶段3。 国外一些国家在 20 世纪 6070 年代已在大中型管道建设中使用了管道全位置自动焊接技术， 如 1981 年英国的大不列颠输气管道和 1998 年加拿大的联盟管道。美国的 CRC 公司在 1964 年率先将熔化极全位置焊接技术应用于管道施工。到目前为止， CRC 公司生产了 P300， P400， P500 和 P600 四种型号的管道全位置自动焊机。其中 P500 和 P600 是双焊枪管道全位置自动外焊机，它采用了水冷式焊枪、外挂推丝式送丝机构和带有熔滴过渡单元 (CDT)的脉冲焊接电源，焊接参数可编程并储存在可方便更换的控制卡上， 并根据焊接工艺以及焊接材质的变化要求，随时离线编程。 P500 和 P600 适用于窄间隙叠焊或宽间隙排焊，还可完成根焊。生产效率比单焊头自动外焊机提高 40%50%。缺点是焊枪采用强迫水冷却，给实际应用带来许多不便。法国 SERIMER DASA 公司生产的SatumaxBug 双焊头外焊机，采用了风冷式焊枪、外挂推丝式送丝机构和专用的脉冲焊接电源，计算机焊接编程控制单元和焊车运动控制单元分置，可进行在线编程， 可完成根焊、 窄间隙叠焊或宽间隙排焊， 总体性能与 CRC 的 P500 和 P60O类似。其缺点是双焊头的摆动不能单独控制，计算机焊接编程控制单元和焊车运动控制单元体积偏大。目前，生产全位置自动焊接设备的除美国的 CRC 公司、法国的 SERIMER DASA 公司外， 还有德国的 VIETZ 公司、 美国的 MAGNATECH公司、美国的 AMI(ARC MACHINESINC)公司、英国的 Noreast 公司、意大利的PWT 公司等。图 1.1 为美国 AMI 公司研制的 Model 15 Large-Diameter Pipe Weld Head 的照片，图 1.2 为美国 Magnatech Limited 公司 Pipeliner II 的照片4。 基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 3图 1.1 美国 AMI 公司研制的 Model 15 Large-Diameter Pipe Weld Head 图 1.2 美国 Magnatech Limited 公司 Pipeliner II 国内的管道建设虽然起始于 20 世纪 70 年代， 但管道的焊接施工却只停留在手工焊、半自动焊的水平上。从 20 世纪 80 年代开始，国内的许多大专院校、科研机构、 施工单位先后开展管道全位置自动焊接技术的研究工作， 对设备的结构、控制方式作了探讨， 取得了一定的成果。 1985 年哈工大研制成功我国第一台 HY-1型焊接机器人； 1989 年北京机床研究所和华南理工大学研制出焊接自行车前三脚架的 TJR-G1 型弧焊机器人和焊接汽车驾驶室及车身的点焊机器人，上海交通大学研制 “上海 1 号 ”、 “上海 2 号 ”示教机器人也具有弧焊、点焊功能； 20 世纪90 年代末， 广东焊接研究所开发中国第一台点焊机器人 ,1997 年首钢 -摩托曼机器人公司推出第一批国内生产的机器人，其主要产品是焊接机器人； 1999 年北京机械工业自动化研究所机器人中心研制的 AW-600型弧焊机器人工作站 4月通过基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 4国家机械工业局鉴定； 1999 年 7 月 15 日国家 863 计划智能机器人主题专家验收通过了由 “一汽 ”集团、哈尔滨工业大学和沈阳自动化研究所联合开发的“HT-100A”型点焊机器人5。 北京石化学院光机电装备技术北京市重点实验室承担国家 九五、十五“ 863”项目 并成功的研制出了球罐智能焊接机器人、水下干式管道高压焊接机器人。在全位置智能焊接机器人、 管道智能焊接机器人等方面取得了具有自主知识产权的创造性成果并达到了国际先进水平。图 1-3 为北京石化学院 RH2-C 轨道式全位置智能焊接机器人。 图 1.3 RH2-C 轨道式全位置智能焊接机器人 目前国内外对焊接机器人技术研究来看，焊接机器人技术研究现状主要集中在焊缝跟踪技术、多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术、机器人专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术与机器人用焊接工艺方法 5个方面6。其中智能化技术、虚拟现实技术与控制技术是主要发展方向。随着计算机技术、电子技术、通信技术、传感测控技术的不断发展，焊接机器人已朝着智能化、模糊化、柔性化、人性化的方向发展。 1.3 研究意义 研究焊接机器人能够使我们更好的总结前人研究焊接机器人的丰富的研究成果，开阔我们的视野和完善我们的相关的理论知识，更好的用理论来指导我们学习研究和实践。同时希望能够进一步完善焊接机器人技术，为后人研究焊接机器人提供借鉴和参考，为焊接机器人技术的发展，民族工业特别是汽车、船体、飞机制造等工业的发展做出努力和贡献。 基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 5管道输送是一种安全、经济、对环境破坏小的运输方式，未来 10 年内，我国将建成 14 条油气输送管道，形成 “两纵、两横、四枢纽、五气库” ，总长超过数万公里的油气管输新格局。管道的建设地区跨度大，沿线施工环境恶劣，加之管道输送逐步向高压（7.5MPa） 、大口径(1420mm)方向发展，这对管道环焊缝的焊接提出了更高的要求， 管道环焊缝的焊接成为制约整个工程质量和建设周期的关键工序。 鉴于世界范围内油气管线建设潜在的巨大市场， 为提高焊缝质量，减轻工人劳动强度，实现管道建设野外作业自动化，缩短建设周期，研制基于激光跟踪的的管道焊接特种机器人成为当务之急的事7。 当前我国领导人提出科学发展观和节约型社会，继续实施可持续发展战略，而管道焊接机器人能够节省大量的人力、物力、财力等各种资源，因此研究焊接机器人具有重大的战略意义。 1.4 管道焊接机器人的核心技术 1.4.1 传感技术 在焊缝跟踪系统中，传感器是关键，它决定着整个系统对焊缝的跟踪精度。在焊接过程中，传感器必须精确检测焊缝 (坡口 )的位置及形状，在电弧焊接过程中，存在强烈的弧光、烟尘、飞溅、高温辐射及强烈的电磁场干扰等。因此，用于电弧焊接的传感器必须具有很强的抗干扰能力。 目前在移动焊接机器人上采用的传感器主要有电弧传感器、 机械传感器及视觉传感器等8。电弧传感器是从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差信号，不需要在焊枪上附加任何装置，因此其实时性好，可达性及焊枪运动的灵活性都非常好，尤其符合焊接过程低成本自动化的要求。它是利用电弧自身电参数的动静态变化作为特征信号，通过一定的控制策略实现高低及水平两个方向的跟踪控制。但它主要适用于具有对称形状的坡口焊缝跟踪， 并且对定位焊点等特殊情况难于识别。 利用电弧本身作为传感器有很多独到的优势，自 20 世纪 80 年代以来，电弧传感作为一种焊接传感手段倍受各国重视， 国内外许多焊接设备研究和制造机构都在努力开发这一领域；工业发达国家研究起步较早，已研制多种电弧扫描形式(双丝并列、摆动、旋转 )的电弧传感器，适合于埋弧焊、 TIG、 MIG/MAG 的不同焊接，有些已用于焊接生产。 M.Kodama 等采用高频摆动电弧传感器成功实现了焊缝跟踪。国内以清华大学潘际銮院士领导的研究小组这方面工作开展比较早，也最有代表性，取得了卓有成效的成果。清华大学吴世德的博士论文较系统地研究了旋转电弧传感机理和电弧传感器信息处理技术。 湘潭大学的洪波博士也基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 6对电弧传感器的数学模型做了较深入的研究。但据目前已公布的文献表明，电弧传感器容易受实际焊接传感系统中各种复杂多变因素的影响， 旋转电弧传感机理的研究和信号处理技术还未达到令人满意的程度， 大多还处于简单直观定性分析的水平，限制了电弧传感器的发展应用。 典型的机械接触式传感器是依靠导轮或者导杆在焊枪前方检测焊缝位置， 通过焊缝形状对导杆或者导轮的强制力来导向，将焊缝偏差信息反映到检测器内，从而实现焊缝跟踪。接触传感器结构简单，操作方便，价格便宜且不受电弧烟尘及飞溅等干扰，但由于它信息量少，在移动焊接机器人中，主要是与其它传感器配合来完成焊缝跟踪任务，一般很少独立使用。 视觉传感器以其高灵敏度、高精度，抗电磁干扰，与工件无接触，获得焊缝信息丰富，适用于各种坡口形状等优点，越来越受到重视，成为焊缝跟踪传感器研究的热点。目前，视觉传感器的应用已成为焊缝跟踪技术领域的必然趋势。 视觉传感器采集的图像有基于自然光、 弧光的焊缝图像和以激光为主动光源的结构光图像。其中，激光作为主动光源具有高能量，高亮度，单色性好的优点，激光结构光视觉传感器被认为是最有发展前景的焊缝跟踪传感器。 以激光为主动光源的视觉传感器有多种。基于三角测量法原理的激光视觉扫描传感器，通过实时扫描焊接坡口横截面，不但可以获得焊枪与坡口之间的二维偏差信息，还可以检测坡口的形状，因此它既可以用于焊缝的二维跟踪，又可以用于焊接参数的控制，但是扫描控制复杂。图 1.4 是激光视觉扫描传感器示意图。 图 1.4 激光视觉扫描传感器示意图 线阵 CCD 传感器信号处理过程简单，响应速度快，实时性强，只能获得一维图像，所提供的信息量少。面阵 CCD 成像提供的信息量丰富，适应能力强，基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 7通过计算机处理，可以充分发挥它的智能。 多传感器信息融合技术。移动焊接机器人与一般的焊缝跟踪系统不同，现场作业时，空间约束小，自由度大，在焊接过程中具有一定的自主性。现代焊接技术的发展，使焊接系统更加趋于网络化、柔性化和集成化。在焊接过程中，不但要求系统能够进行焊缝跟踪，还要求进行焊接参数的自动控制，或者需要在非常复杂的焊接空间完成焊接任务。因此，多传感信息融合技术是移动焊接机器人传感器技术发展的必然趋势4。 1.4.2 焊缝跟踪图像处理技术 图像处理技术是视觉传感器系统的软核心， 它将视觉传感器所采集的图像信息进行加工处理，提取焊缝的特征信息，通过一定的算法获得偏差信号。图像处理方法一般包括量化、图像预处理、图像识别等步骤，以获取焊缝位置的精确位置。在焊缝的图像处理与边缘检测方面，一方面研究根据所跟踪的特定对象，采用不同处理方法的组合提高处理速度和检测精度； 未来的趋势主要偏向于智能图像处理算法以及一些新型的数学理论 (如分形理论、数学形态学、图像质心算法等 )的融入4。 1.4.3 焊接机器人移动技术 移动焊接机器人的执行机构主要由行走部分和焊枪运动部分组成。 为满足实际焊接要求，行走结构部分一般采用小车形式，行走方式一般有履带式、轮式、步行式和爬行式等。目前移动焊接机器人的行走机构主要是履带式和轮式两类。履带式移动机器人优点是着地面积大 ,壁面适应能力强 ,通过电磁铁吸附控制吸附壁面力的大小 ,缺点是结构复杂 ,转向性差 ,所以这种结构适用于壁面、球面、管道等曲面上的爬行焊接。轮式移 动机器人优点是移动速度快 ,转向性好 ,但着地面积小壁面适应性差 ,所以这种结构适应平面横向大范围变化焊缝的焊接和坡度不是很大的斜面爬坡焊接 ,由于这种移动机器人结构相对简单 ,所以目前在焊接及其它行业中用得都比较多8。 机器人执行机构的终端焊枪的横向与高低调节方式主要有多关节式、柱坐标式、极坐标式和直角坐标式几大类9。 1.4.4 跟踪控制理论与方法 自动控制系统可由图 1-5 所示的框图来表示。由图可见 ,对系统参与控制的信号可能来自 3 个方面 ,即参考输入、被控量和干扰。但当被控量参与系统控制时 ,就不需要引入干扰的补偿控制。所谓干扰就是指除参考输入和反馈量以外的对被控量产生影响的其他因素。 自动控制系统按被控量 输出 是否参与控制的方基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 8式可分为 :开环系统和闭环系统。开环系统又分为给定值操纵的控制方式和干扰补偿控制方式 也称前馈控制 。在给定值操纵的控制方式中 ,既无反馈环节又无干扰补偿环节 ,控制只受给定值的影响 ,而前馈控制方式则有干扰的补偿环节。按给定值的变化情况 ,自动控制系统又可分为恒值系统、随动系统、程序控制系统及自动调节系统（自镇定系统）恒值系统的给定值为恒值 ,随动系统的给定值可根据需要随时给出 ,或是事先不知道的任意时间函数。程序控制系统是给定值预先设定的随动系统 ,自动调节系统可根据偏差产生控制作用 ,对系统进行自动调节 。 图 1.5 自动控制系统方框图 在早期的焊缝跟踪系统中 ,由于传感器本身的精度并不高 ,因此对焊缝跟踪控制系统的精度要求也不高 ,那时重点放在对焊线偏差信号的提取上 ,而对跟踪控制算法研究较少 ,主要采用比例调节方法 (直接纠偏法 ,即得到偏差值后直接控制执行机构实 )施纠偏动作 。随着传感器精度的逐步提高 ,焊接生产过程对焊缝跟踪系统提出了更高的要求 ,而控制理论及算法的迅速发展及时地适应了焊缝跟踪系统的这种需要。根据控制理论 ,仅仅采用比例调节会降低系统的相对稳定性 ,因此引入了 PI、 PD、 PID 等调节方法以提高系统的性能。在 80 年代 ,这些控制算法已在焊缝跟踪系统中得到了应用。进入 90 年代后 ,由于人工智能的兴起 ,模糊控制、神经网络 、专家系统等先后出现 ,尤其是模糊控制理论比较成熟 ,引入焊缝跟踪系统后 ,取得了较好的效果。 实际焊接过程中具有非线形、时变及不确定性 ,而经典和现代控制理论均要求建立精确数学模型。模糊控制是一种新的控制方法 ,它不用数学函数来描述输入和输出参量之间的关系 ,而是运用专家的实践知识 ,根据控制对象的输出结果及其发展趋势是否符合人们的要求 ,来判断输入参量的调整方向。由于加入了人的干预 ,故是一种人工智能控制。模糊控 制系统包括精确量的模糊化 ,模糊控制算法及模糊决策。模糊推理方法有 MAX- PRODUCT 法、最大最小合成法 ,模糊决策有加权平均法、求重心法及隶属度最大值法。自适应模糊控制则还需要加入基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 9性能检测、控制量校正和控制规则修正环节。 人工神经网络通过软件或硬件模拟人脑机能 ,使机器能实现学习、记忆、联想等功能 ,由于人工神经网络采用并行处理方式 ,分布式的信息存储 ,具有信息存储量大、容错性强等特点 ,从自动化的角度来说很适合焊缝跟踪中的视觉模式识别和跟踪智能控制 ,而且一旦用硬件实现 ,运算速度非常快。不过 ,目前国内商品化的神经网络硬件尚未出现 ,一般采用软件模拟的方法实现10。 1.4.5 焊接机器人控制平台 （1）虚拟仪器（Labview）控制 Labview 是基于图形化的软件编程平台,是数 据流图式的语言,程序代码也是图形化的代码,使编程过程更加接近人 的思维,设计者无需写任何文本格式的代码。另外,其具有强大的外部接口能力,可 以实现与 (如 Word ,Excel 等)外部 的应用软件 、C 语言、 Win dows API 、MA TLAB 等编程语言之间的通讯,可 用的外部接口有:DLL s , DDE , MATLAB , Active X 等,用LabVIEW 编写模块程序可轻松实现与现有系统的无缝连接。 管道环焊机器人需要实现运动控制,多种传感信息测量处理、数据库管理以及I/ O 控制等任务1211。但是由于工控机和数据采集卡相对比较昂贵，性价比相对较低，而且虚拟技术还有待进一步完善。 （2）单片机控制 单片机是指一个集成在一块芯 片上的完整计算机系统。 采用单片机为控制芯片具有低成本、低功耗、高速度、高可靠性、体积小、性价比高等特点11。但其扩展性和抗干扰性比PLC差。 （3）DSP控制 数字信号处理器 Digital Signal Processor (DSP)，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器， 主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。采用 DSP 控制器控制能够快速实时的进行各种加、减、乘法运算，处理信号。基于 DSP 的微机控制系统功能完善、工作稳定可靠，机器人跟踪精度高、焊缝质量好， 可以用于实际焊接生产1312。 但是它在控制方面的功能比 PLC 弱，而且比较专业、复杂，普通工人难于掌握。 （4）PLC控制 PLC 即可编程控制器（ Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 10模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。基于 PLC 的管道多层焊视觉图像跟踪系统采用 CCD 获取焊缝区域图像，通过计算机处理控制行走机构，设计的跟踪算法及相应的 PLC 软件程序设计实现了厚板多层焊的焊缝自动跟踪。管道焊接机器人自动跟踪系统可用于厚板多层焊的焊缝自动跟踪。整个焊接过程中均进行实时跟踪， 其跟踪误差在焊缝左右方向小于 0.3mm14。 采用PLC可编程控制器控制具有低功耗、高速度、高可靠性、体积小、功能强大、扩展性强、性价比高、抗干扰能力强等特点,而且配套齐全，功能完善，适用性强易学易用，深受工程技术人员欢迎系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造16151.5 本文研究的主要内容 目前，我国已探明的油气资源多分布在东北和西北地区，而消费市场绝大部分在东南沿海和中南部的大中城市等人口密集地区。 在这种产销严重分离的现状下，落后的油气产品输送方式已成为油气资源开发和利用的最大障碍。管道输送是突破这一障碍的最佳手段。与铁路运输相比，管道运输是一种运量大、安全性更高、更经济的油气产品输送方式，其建设投资为铁路的 1/2，运输成本更只有铁路运输的 1/3。因此，随着沿海地区油气产品需求量的日益增大，急需配套建设长距离、大口径、高压、高耐蚀性油气输送管网。我国政府已将“加强输油气管道建设，形成管道运输网”的发展战略列入了国家长期发展规划。根据有关方面的规划，未来 10 年内，我国将建成 14 条油气输送管道，形成“两纵、两横、四枢纽、五气库” ，总长超过 10 万公里的油气管输格局，这预示着我国即将迎来油气管道建设的高峰期。 面对如此巨大的市场，对管道施工技术提出了新的挑战。而我国还停留在手工焊、半自动焊的水平上，施工速度低及人为因素的干扰，严重制约了油气管道建设的发展。 现有的管道环形焊接设备工作前需要先在大型管道上铺设焊接导向的机械模板或装置，或者在大型管道上画出与焊缝相平行的标记线，以引导焊接设备进行环焊。这种前期辅助工作繁琐、劳动强度大、人员操作水平要求高、效率低，特别是安装焊接导向的机械模板、或是描画所述的标记线，都需要操作人员来完成， 因而其素质的高低和工作态度的好坏， 或者说其工作精度和质量好坏，都将直接影响焊接效果的稳定和优劣， 也影响焊接的工作效率和自动化功能的发挥，甚至会导致质量或安全隐患。 因此，开展管道焊接机器人的研究，对于我国管道输送业基础建设自动化、高效化发展具有十分重要的理论意义和实用价值。 针对大型油气输送管道现场施工条件下对接环形焊缝的自动化焊接技术，在结构光视觉传感器的原理，焊缝图基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 11像的处理方法，管道焊接机器人跟踪控制方法等方面进行深入研究，为开发与研制基于视觉控制的管道环型焊接机器人跟踪控制系统提供理论基础。为此，本文的主要研究内容如下： （ 1） 深入研究激光跟踪管道焊接机器人系统，焊缝跟踪与图像处理方法。 （ 2）推算合理的焊缝坡口中心的计算方法，设计焊缝跟踪控制算法，对焊缝坡口中心精确定位。 （ 3）运用西门子S7-200系列PLC编程控制交流伺服电机和步进电机，达到焊缝跟踪控制的目的。 （ 4）进行管道焊接机器人焊缝跟踪控制实验，验证提出的相关方法的合理性与有效性。 基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 12第 2 章 激光跟踪管道焊接机器人系统 焊接机器人是从事焊接（包括切割与 喷涂）的工业机器人。激光跟踪管道焊接机器人采用结构光视觉传感器采 集信号并把信号送给上位机 DSP 对信号进行处理，处理后发送给下位机 PLC。 2.1 激光跟踪管道焊接机器人系统组成 本文所研究的激光跟踪管道焊接机器人系统由信号采集模块、信号处理模块、控制模块、驱动模块，执行模块组成。信号采集模块即激光视觉传感器，它由激光二极管， CCD 摄像机，传输光纤组成。信号处理模块主要是由 DSP 数字信号处理器组成。控制模块选用西门子 S7-200 系列 PLC。驱动模块由步进电机、交流伺服电机、驱动器组成。执行模块即由电焊机送丝机构，焊枪等组成的电焊机。整个激光跟踪管道焊接机器人系统方框图如图 2.1。 图 2.1 激光跟踪焊接机器人系统方框图 激光跟踪管道焊接机器人属于特种机器人 ，本文重点研究的是北京石油化工学院光机电装备所研制的全位置管道智能焊接机器人，实物图如图 2.2 图 2.2 全位置管道智能焊接机器人 基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 132.2 激光视觉传感器原理及组成 结构光视觉传感器是一种轮廓传感器，主要用于测量定点位置、法向截面尺寸以及棱边位置等，它主要由光源 (激光二极管或半导体激光器等 )和光电探测器(CCD 摄像机等 )以及镜头、带通滤光片、圆柱透镜等辅助元件组成，其中摄像机和光源成一已知角度固定于焊缝上方。该方法可以直接获取焊缝的二维半信息。结构光传感器工作时，半导体激光器发出的光经圆柱透镜后变成一个平面光即线结构光照射到工件上，这样就在工件上形成一条宽度很窄的光带。当该光带被工件反射或散射后，经滤光片保留半导体激光器发出的特定波长的光，而把其它波长的光滤掉，最后进入摄像机成像。由于有角度的存在，当光带照射到待焊工件时，由于各点的深度不同，因而通过镜头成像后，反射到摄像机上的位置就不同， 即结构光光平面与工件表面的交线， 进入摄像机成像为一条变形的光带，此时就可根据光带各点形变程度的不同计算出焊缝沟槽各点的深度。图 2.3 给出了结构光视觉传感器的结构原理图4。 图 2.3 结构光视觉传感器的结构原理图 激光视觉传感器是结构光视觉传感器的一种， 本文所研究的焊接机器人激光视觉传感器如图 2.4 所示，由半导体激光发生器、 CCD 摄像机组成。 二极管激光发生器提供激光光源 , 通过圆柱棱镜变为束状激光。 CCD 摄像机用以获取焊道的图像信息， CCD 摄像机为 MINTRON 厂家 , 分辨率 720480。 基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 14图 2.4 激光视觉传感器 2.3 数字信号处理模块及其组成 数字信号处理模块的核心是 DSP， DSP 也称为数字信号处理器，是一种特别适合数字信号处理运输的微处理器， 其主要应用是实时快速的实验各种数字信号处理算法。 DSP 由中央处理单元和外围设备构成，集成了极强的数字信号处理能力，又集成了数字控制系统所必需的输入、输出、 A/D 转换、事件捕捉等外围设备，功能非常强大，广泛运用于互联网、无线通信、语音识别、音频、视频、影像产品、雷达、声纳、汽车、机器人、 数控机床、运动控制、工业控制和测量、机电一体化、自动化仪器、生物工程、航空航天等领域中。 数字信号处理模块以 TI公司的 TDS320DM642DSP为核心构成 , 扩展相应的视频接口、 I/O 接口和通信接口 , 以完成图像识别、 数据处理及传递功能。 ， DM642的视频口 0 和 1 和视频解码芯片 Philips SAA7115H 相连，实现视频的采集功能，其支持的视频标准有 PAL、 NTSC 和 SECAM 制式。 DM642 通过 I2C 总线对SAA7115H 进行参数设置。结构如图 2.5 所示。 DM642 EVM 板上有两个 UART，为 RS-232 接口， UARTA 是 9 芯 D 型插座， UARTB 是 5 2 双排插针。 图 2.5 TDS642EVM 板结构图 基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 152.4 焊缝跟踪图像处理 焊缝跟踪图像处理主要是运用 DSP 强大的图像处理功能对焊缝图像进行实时处理。首先使用 CCD 摄像机获取焊缝区域图象，并将图象各象素的光强信号转化成电信号，送给 DSP。 DSP 芯片把模拟电信号转换成数字信号并对焊缝跟踪原始图像进行抽取、二值化等处理，处理前后的图像如图 2.6、 2.7 所示，然后提取图像特征位置信息、计算焊缝中心。图象处理得到的焊缝位置信息通过模入模出接口卡转化成 05V 范围内的一个模拟电压值，并送给 PLC。 图 2.6 焊缝跟踪原始图像 图 2.7 抽取、二值化后的焊缝图像 2.5 本章小结 激光跟踪管道焊接机器人系统由信号采集模块、信号处理模块、控制模块、驱动模块， 执行模块组成。 激光传感器是一种结构光视觉传感器， 由激光二极管，CCD 摄像机，传输光纤组。信号处理模块以 TI 公司的 TDS320DM642DSP 为核心构成组成 。 DSP 对焊缝图像抽取、二值化等处理送给下位机 PL基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 16第 3 章 PLC 控制程序设计 本章首先根据管道焊接机器人焊缝图像提出焊缝跟踪算法，由跟踪算法和控制要求设计流程图、源程序。 3.1 焊缝跟踪算法 本系统为激光信号超前采样跟踪系统。如图 3-4、3-5 所示，焊炬与 CCD 固定在焊接机头上，两者位置相对固定，CCD在焊接方向上导前焊炬，两者中心距离为 h。当焊炬由0O点移到 O 点时，因 CCD 未获取这段垾道的坡口信息，这段垾道是CCD的盲区，焊炬在这段无法进行实时跟踪。O点以后的垾道坡口信息均通过CCD获取，所以当焊炬到达O点以后，焊接小车就可以按照坡口的信息自动跟踪焊缝。 图 3.4 基准线为焊炬及 CCD 中心连线 h/6 图 为了方便分析，设定： （ 1）图像采样及处理间隔时间和焊枪调整间隔时间同步； （ 2）在进行下次图像采样时，上次焊枪调整动作已经完成； （ 3） h 为采样间隔点的整数倍，如果 10 所示 h 为采样间隔的 6 倍。以0O点为初始参考点，ie为基准偏差量，im为每一步的焊炬实时跟踪量。 基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 17焊炬自动跟踪过程可以分为三个阶段： （1）焊炬的起始位置调节在垾道0O点。 （2）焊炬从0O点到O点，此段为垾道盲区，只进行识别，不进行跟踪，焊炬与垾道各点的差值为ie，其中 i=0，,6;但垾道各点的调整量为im=0，其中i=0，,6;即不进行跟踪动作。 （3）焊炬到达 O 点以后，系统在进行垾道坡口识别的同时进行自动跟踪。系统在确定对当前焊炬位置进行实时跟踪的调整量时， 主要考虑下一个位置的偏差量，需要提前控制跟踪，其具体计算方法如表3-1： 表 3.1 h/6时的控制算法 偏差量 步进电机调整量 e0 m0=0 e1 m1=0 e2 m2=0 e3 m3=0 e4 m4=0 e5 m5=0 e6 m6=0=e1+m0 e7 m7=e2-e1+m1 e8 m8=e3-e2+m2 e9 m9=e4-e3+m3 e10 m10=e5-e4+m4 e11 m11=e6-e5+m5 e12 m12=e7-e6+e1 e13 m13=e8-e7+e2-e1 e14 m14=e9-e8+e3-e2 e15 m15=e10-e9+e4-e3 e16 m16=e11-e10+e5-e4 e17 m17=e12-e11+e6-e5 e18 m18=e13-e12+e7-e6+e1 e19 m19=e14-e13+ e8-e7+e2-e1 e20 m20=e15-e14+ e9-e8+e3-e2 e21 m21=e16-e15+ e10-e9+e4-e3 e22 m22=e17-e16+ e11-e10+e5-e4 e23 m23=e18-e17+ e12-e11+e6-e5 e24 m24=e19-e18+ e13-e12+e7-e6+e1 e25 m25=e20-e19+ e14-e13+ e8-e7+e2-e1 基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 18由以上计算推导，不难得出这样的结论：就是当基准线分为 h/6 时， 665 +=iiiimeem（ 3-1） 为了找出更加通用的推导式，计算当基准线分为 h/2， h/4， h/8， h/10，其结论如下： 当基准线分为 h/2 时： 221 +=iiiimeem（ 3-2） 当基准线分为 h/4 时： 443 +=iiiimeem（ 3-3） 当基准线分为 h/8 时： 887 +=iiiimeem（ 3-4） 当基准线分为 h/10 时： 10109 +=iiiimeem（ 3-5） 再根据以上的式子，我们可以试推出当基准线分为 h/n 时，那么可以得出结论： nininiimeem+=)1(（ 3-6） 在推导焊缝跟踪算法的过程中，我们发现焊缝发生偏折时也符合上式规律，具体的推导和计算过程如图3.5、表3.2。 基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 19图 3.5 焊缝偏折基准线为焊炬及 CCD 中心连线 h/2 图 表 3.2 h/2时的控制算法 偏差量 步进电机调整量 e0 m0=0 e1 m1=0 e2 m2= e1+m0 e3 m3= e2-e1+m1 e4 m4= e3-e2+ e1 e5 m5= e4-e3+ e2-e1 e6 m6= e5-e4+ e3-e2+ e1 e7 m7= e6-e5+ e4-e3+ e2-e1 e8 m8= e7-e6+ e5-e4+ e3-e2+ e1 e9 m9= e8-e7+m7 e10 m10=e9-e8+m8 e11 m11=e10-e9+m9 e12 m12=e11-e10+m10 e13 m13= e12-e11+m11 e14 m14=e13-e12+m12 故可得出结论： 221 +=iiiimeem（ 3-7） 但在此推算过程中要注意一点的是要考虑矢量方向。 基于激光跟踪的管道焊接机器人的 PLC 控制研究 203.2 PLC 可编程控制器的选型 PLC 即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置， 主要由 CPU、存储器、电源等组成，被广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。西门子S7-200 系列 PLC 具有可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；系统的设计