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，PLCI基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究AbstractRecentlyinthepipelineconstruction,weldingtorchdeviationfromtheweldgroovecentercausedbypipelinedockingandinstallationofpipeweldingrobot.Inpractice,weusuallyadjustbyhandorignorethetorchdeviation.Itaffectsthequalityofpipeweldingandpipelineconstructionhasseriouslyhamperedthedevelopmentofpipelineconstruction.Ithasgreateconomicandsocialbenefitstocarryoutresearchofpipeweldingrobotintelligentcontrolandimprovethequalityandefficiencyofweldingpipes.Inthisstudy,Iresearchonweldingautomationtechnologyofcircularseamofoilandgaspipelines,lasertrackingpipeweldingrobotsystems,seamtrackingcontrolalgorithmsandsoon.Researchhasgotaseamtrackingcontrolalgorithmalreadybytheimagefromlasertrackingvisionsensor.Accordingtothecontrolalgorithmsanddemand,IdesignedaflowchartandPLCcontrolprocedures.Inordertoprecisepositionseamcenter,IhavemadeacalibrationandseamtrackingexperimentstodebugPLCprocedures.Finally,PLCcontrolsystemproceduresofpipeweldingrobotoflasertrackingwasdesignedbyme.Experimentsshowthatthissystemcanachieveourtarget.Keywords：lasertracking，pipelinewelding，PLCII基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究目录第一章绪论.11.1选题背景.11.2国内外研究动态.21.3研究意义.41.4管道焊接机器人的核心技术.51.4.1传感技术.51.4.2焊缝跟踪图像处理技术.71.4.3焊接机器人移动技术.71.4.4跟踪控制理论与方法.71.4.5焊接机器人控制构架.91.5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.122.1激光跟踪管道焊接机器人系统组成.122.2激光视觉传感器原理及组成.132.3数字信号处理模块及其组成.142.4焊缝跟踪图像处理.152.5本章小结.15第3章PLC控制程序设计.163.1跟踪算法.163.2PLC可编程控制器的选型.203.3PLC控制程序设计.213.4.1控制要求.213.3.2I/O口分配.213.3.3流程图设计.223.4.4程序设计.243.5本章小结.24第4章实验调试及误差分析.254.1DSP图像像数点与焊枪移动距离的定标.254.2工件旋转速度定标.274.3PLC采样值与步进电机步数之间的定标.294.4焊接实验.324.5误差分析.314.6本章小结.33结论.34参考文献.35致谢.37附录1.38声明.42III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1基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究制研究还很不成熟，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SERIMERDASA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SERIMERDASA公司外，还有德国的VIETZ公司、美国的MAGNATECH公司、美国的AMI(ARCMACHINESINC)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Model15Large-DiameterPipeWeldHead的照片，图1.2为美国MagnatechLimited公司PipelinerII的照片4。2基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究图1.1美国AMI公司研制的Model15Large-DiameterPipeWeldHead图1.2美国MagnatechLimited公司PipelinerII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3基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究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1.3RH2-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。4基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究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5基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究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，6基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究通过计算机处理，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7基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究式可分为: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8基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究性能检测、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、WindowsAPI、MATLAB等编程语言之间的通讯,可用的外部接口有:DLLs,DDE,MATLAB,ActiveX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1112。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DigitalSignalProcessor(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1213。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（ProgrammablelogicController，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9基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究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15161.5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10基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究像的处理方法，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。11基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究第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12基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究2.2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。13基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究图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PhilipsSAA7115H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。DM642EVM板上有两个UART，为RS-232接口，UARTA是9芯D型插座，UARTB是52双排插针。图2.5TDS642EVM板结构图14基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究2.4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PL15基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究第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O点移到O点时，因CCD未获取这段垾道的坡口信息，这段0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O点为初始参考点，0ei为基准偏差量，m为每一步的焊炬实时跟踪量。i16基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究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O点。0（2）焊炬从O点到O点，此段为垾道盲区，只进行识别，不进行跟踪，焊0炬与垾道各点的差值为e，其中i=0，,6;但垾道各点的调整量为im=0，其i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3.1h/6时的控制算法偏差量步进电机调整量e0m0=0e1m1=0e2m2=0e3m3=0e4m4=0e5m5=0e6m6=0=e1+m0e7m7=e2-e1+m1e8m8=e3-e2+m2e9m9=e4-e3+m3e10m10=e5-e4+m4e11m11=e6-e5+m5e12m12=e7-e6+e1e13m13=e8-e7+e2-e1e14m14=e9-e8+e3-e2e15m15=e10-e9+e4-e3e16m16=e11-e10+e5-e4e17m17=e12-e11+e6-e5e18m18=e13-e12+e7-e6+e1e19m19=e14-e13+e8-e7+e2-e1e20m20=e15-e14+e9-e8+e3-e2e21m21=e16-e15+e10-e9+e4-e3e22m22=e17-e16+e11-e10+e5-e4e23m23=e18-e17+e12-e11+e6-e5e24m24=e19-e18+e13-e12+e7-e6+e1e25m25=e20-e19+e14-e13+e8-e7+e2-e117基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究由以上计算推导，不难得出这样的结论：就是当基准线分为h/6时，mem（3-1）=+ei5i6i6i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：i1i2i2+meem（3-2）i当基准线分为h/4时：i3i4i4+meem（3-3）i当基准线分为h/8时：meem（3-4）=+i7i8i8i当基准线分为h/10时：i9i10i10+meem（3-5）i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：me=ii+em(（3-6）n1)inin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。18基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究图3.5焊缝偏折基准线为焊炬及CCD中心连线h/2图表3.2h/2时的控制算法偏差量步进电机调整量e0m0=0e1m1=0e2m2=e1+m0e3m3=e2-e1+m1e4m4=e3-e2+e1e5m5=e4-e3+e2-e1e6m6=e5-e4+e3-e2+e1e7m7=e6-e5+e4-e3+e2-e1e8m8=e7-e6+e5-e4+e3-e2+e1e9m9=e8-e7+m7e10m10=e9-e8+m8e11m11=e10-e9+m9e12m12=e11-e10+m10e13m13=e12-e11+m11e14m14=e13-e12+m12故可得出结论：i1i2i2+meem（3-7）i但在此推算过程中要注意一点的是要考虑矢量方向。19基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究3.2PLC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、建造工作量小，维护方便，容易改造；易学易用，深受工程技术人员欢迎；体积小，重量轻，能耗低等特点。激光跟踪的管道焊接机器人选用西门子S7-200系列PLC。为满足控制要求和程序设计，CPU模块选用CPU224DC/DC/DC14输入、10输出模块，数字量扩展模块选用EM22324VDC8输入、8输出数字混合模块，模拟量扩展模块选用EM2354输入、1输出混合模块。CPU224模块的尺寸为120.58062，损耗7W，电流供应280mA,最大允许扩展模块7个，定时器256个，计数器256个，高速计数器6个，4K用户存储空间，2KEEPROM。EM223模块的尺寸为71.28062，损耗3W。EM235模块的尺寸为71.28062，损耗2W。图3-1CPU224DC/DC/DC14输入、10输出模块图3.2EM22324VDC8输入、8输出数字混合模块20基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究图3.3EM2354输入、1输出模拟混合模块3.3PLC控制程序设计3.3.1控制要求基于激光跟踪的管道焊接机器人系统的移动执行机构主要有2台交流伺服电机，及一台步进电机。一台交流伺服电机负责驱动焊接机器人在管道轴线方向直线行走，一台交流伺服电机负责驱动卡工件旋转，步进电机负责驱动焊枪在垂直焊缝水平方向移动。转三台电机要协调工作，完成对焊缝的定位。因此，需要PLC精确的控制伺服电机正转、反转，需要给步进电机发生脉冲，驱动焊枪移动。程序设计的最终目的实现对管道对接环形焊缝的跟踪控制，达到焊枪实时对准焊缝坡口中心。在设计第一个交流伺服电机即控制卡盘旋转的电机时，用I1.1控制它的启动，I0.7，AIW10、Q0.3、AQW0设定伺服电机旋转的转速，I1.3控制电机的停止。在设计第二个交流伺服电机即控制焊接小车在管道轴线方向上直线行走的电机时，用I2.4控制小车前进，I2.5控制小车后退，AIW2、AQW4设定小车行走速度。在设计焊枪在垂直焊缝水平方向移动时，I2.0作为步进水平向左移动开关，I2.1作为步进水平向右移动开关，Q2.6作为步进电机控制焊枪向右移动使能，Q2.7作为步进电机控制焊枪向左移动使能，Q0.0发脉冲给步进电机。AIW0实时存储焊枪偏离焊缝坡口中心的信号。3.3.2I/O口分配根据设计要求和CPU224、EM223、EM235参数性能分配I/O，具体分配情况表3.3。21基于激光跟踪的管道焊接机器人的PLC控制研究表3.3PLCI/O口分配输入注释输出注释模拟输入注释模拟输出注释I0.7定速Q0.0脉冲AIW0偏差信号AQW0旋转速度I1.1启动Q0.2直走AIW2直行速度AQW4直行速度I1.3停止Q0.3旋转AIW10旋转速度I2.0步左Q0.5步进I2.1步右Q2.6右使能I2.4前进Q2.7左使能I2.5后退3.3.3流程设计程序流程对源程序设计具有指导作用，根据控制要求和I/O口分配，设计程序流程图。PLC存储器里可能存储了之前的数值，首先需要给PLC复位，对PLC的存储器清零初始化。初始化后，需要设定各个工件旋转的速度，由工件旋转速度和我们设定的CCD与焊枪连线的距离为3等分点计算出采样时间。初始参考值设定后，激光传感器扫描焊缝，采集信号送给DSP，DSP对信号处理并发送给PLC，PLC对信号进行采样，获取焊缝信息存储焊缝初始位置信息。获取初始位置后，需