基于CANBUS的双焊炬管道全位置自动焊机控制系统的研究

1、学校代码：10425 学 号：S060030593中国石油大学硕士学位论文（申请工学硕士学位）基于CANBUS勺双焊炬管道全位置自动焊机控制系统的研究学科专业：机械电子工程培养方向：机电系统控制及自动化申请人：孙法强指导教师：焦向东（教授）纪文刚（教授级高工）入学日期： 2006 年 9 月论文完成日期： 2009 年 5 月Study of the Control System of theAll-Position Pipeline Welding Machine Based on the CANBUS(Submitted for the Master Degree of Engineeri

2、ng)bySun FaqiangSupervisor: Professor. Jiao XiangdongProfessor. Ji WengangThe Faculty of Electromechanical EngineeringChina University of Petroleum ， BeijingMay ， 2009目录摘 要 . IABSTRACT . II第1章 前 言 . 11.1引言 . 11.2管道全位置焊接工艺发展及现状 . 11.2.1手工电弧焊 . 11.2.2半自动焊 . 21.2.3全位置自动焊 . 21.3管道焊接设备的国内外现状 . 41.3.1国外发展

3、概况 . 41.3.2国内发展概况 . 51.4本课题的主要任务 . 51.5本章小结 . 6第2章 双焊炬管道全位置自动焊机系统构成 . 72.1全位置管道焊接控制系统要求 . 72.2双焊炬管道全位置自动焊机的基本技术要求 . 72.3双焊炬管道全位置自动焊机的总体设计 . 72.3.1控制系统结构要求 . 72.3.2控制系统设计 . 82.4主控单元系统设计 . 92.4.1主控单元系统构成 . 92.4.2硬件选型 . 102.5焊车控制系统设计 . 142.5.1焊接小车构成 . 142.5.2焊接小车设计与硬件选型 . 152.6本章小结 . 26第3章 双焊炬管道全位置自动焊机

4、运动控制研究 . 273.1永磁同步电机的结构及特点 . 273.2永磁同步电机的矢量控制原理及实现 . 273.2.1永磁同步电机的数学模型 . 273.2.2永磁同步电机的矢量控制方法 . 303.2.3基于 id=0 控制方式的永磁同步电机调速系统 . 313.3速度控制器的控制策略及效果分析 . 333.3.1 PID 控制策略 . 333.3.2 PID 控制测试 . 353.4摆动电机低速运行状态速度平稳性研究 . 353.4.1码盘速度测量误差的改善策略研究 . 363.4.2摩擦力矩引起误差的消除策略研究 . 403.4.3试验分析 . 453.5本章小结 . 48第4章 管道

5、全位置自动焊机控制系统的算法设计 . 494.1焊接控制工艺及要求 . 494.2全位置焊接的空间分段 . 494.3三次 B 样条插值算法简介及应用 . 504.3.1三次 B 样条特点 . 505.3.2三次 B 样条拟合插值算法 . 514.3.3三次 B 样条快速运算的迭代关系式 . 534.4 三次 B 样条曲线的边界端点处理 . 544.5本章小结 . 54第5章 焊机网络测控系统研究 . 555.1网络测控系统分析 . 555.1.1网络测控系统定义 . 555.1.2网络测控系统特点 . 555.2基于 CANopen 的网络测控技术研究 . 565.2.1 CAN 的性能特点

6、 . 565.2.2CANopen 通讯机理 . 565.2.3主站 Maestro 和从站的 CANopen 通讯实现 . 585.2.4主从站通讯检测 . 615.3 Ethernet 与 CAN 总线的异网连接研究 . 615.3.1 Ethernet 体系结构和通信原理 . 615.3.2 TCP/IP 协议 . 635.3.3Ethernet 与 CAN 嵌入式网关设计 . 635.3.4Ethernet 与 CAN 的异网通讯试验 . 645.4本章小结 . 65第6章结论 . 67参考文献 . 68致 谢 . 72摘要管道全位置自动焊机控制系统关键技术以焊枪摆动系统低速控 制、焊

7、车在管道圆周行走速度的平滑过渡和焊接工艺参数的控制最 为重要。外观成型良好、内部质量达标的高质量焊缝主要受焊车运 动精度和焊接参数的合理匹配与有效控制等条件的制约。低速运动 的速度稳定和跟踪精度控制，以及焊接工艺参数合理有效控制，是 实现焊机在管道圆周上稳定焊接， 提高焊接质量和效率的根本保障。通过负载转矩和转动惯量的计算，合理选择伺服电机，在电机 数学模型的基础上，针对交 流伺服系统的非 线性 和耦 合性特 点，提出了 id=0 的矢量控制方案，并设计了 PID 控制器； 针对姿态调整电机低速运行特点，分析了编码器量化误差 对速 度跟踪 的影响 ，提 出四倍 频测速 方案， 通过分 析低速

8、运行时摩擦转矩的不确定性带来的速度不稳定问题，速度控制回路 采用变增益的控制方案。根据管道全位置焊接工艺要求，完成了基 于 CAN 总线的数字通讯系统设计。根据管道全位置自动焊机的控制特点，采用构造三弯 距求解的三次样条插补算法将典型位置点进一步不等分细 化，使运动曲线更加光滑。通过多轴运动控制器和智能电机驱动器组合，实现了 CAN 总线的数字通讯，并计算得到系 统 控 制的 最小 采 样周 期为 2.56ms ；分析研究 CANopen 协议和 TCP/IP 协议的基础上， 设计了 Ethernet 与 CAN 嵌入式网关，实现了异网数据交换，保证了焊接数 据的存储和焊接过程的远程监控。实践

9、表明提高了系统的可靠性和互换性， 焊接过程数据可开放、 透明地传至远程监视系统。关键词 ：管道全位置自动焊 PID 控制 三次 B 样条插值 CAN 总线AbstractiAbstractThe con trol of the weldi ng oscillati on system un der low slidi ng speed the smooth transition of the welding bug speed on the pipeline circumferenee and the control of the welding parameters are the most

10、 importa nt tech no logies in the control system of the all-positi on automatic welding. The external and internal weld quality is mainly affected by the accuracy of welding bug movement and the effectiveness of welding parameters. The accuracy and stability of the low-peed, as well as the effective

11、 con trol of the weld ing parameters are the fun dame ntal guara ntees for improving the welding quality and efficiency.A reas on able servo motor is selected through the calculati on of load torque and moment of inertia. Based on the mathematical model of the motor and the characteristics of the no

12、n-li near and coupli ng, thed=O vector control method was proposed and the PID controller is designed. According to the an alysis with the qua ntizati on error of the en coder on the impact of the speed tracking, put forward the four-frequency multiplier method. In order to elimi nate the in stabili

13、ty of the speed caused by the low-speed fricti on torque, the variable gain con troller is desig ned.In accordance with the features of the all-position pipeline welding process,use cubic spline interpolation algorithm for further refinement of the typical positi on points to make the movi ng curve

14、more smooth.The comb in ati on of the multi-axis moti on con troller and motor driver, mak ing the CAN bus com muni cati on is achieved. The minimum sampli ng period is 2.56ms gotten by calculating. Based on the analysis of CANopen protocol and TCP / IP protocol, Ether net and CAN embedded gateway i

15、s desig ned and the data excha nge of differe nt n etworks is realized.Test shows the reliability and interchangeability of the system is Abstractiiimproved and the process data can be ope nly and tran spare ntly conv eyed to the remote mon itori ng system.Key words: All-position pipeline weldingPID

16、 controller Three B-splinein terpolatio n CAN bus第1章前言11.1引言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中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 成本更只有三分之一。另外，我国作为一个发展中的沿海大国，随着陆 地自然资源逐渐消耗殆尽，人们的目光逐渐转到富饶而未充分开发的海 洋。1994年联合国海洋法公约生效后，

17、各海洋国家都面临着新的 机遇和挑战。海洋及其资源的开发，无疑是解决当今人类社会面临人口 剧增、资源匮乏和环境恶化问题的重要途径。1996年我国制定的中国海洋21世纪议程，提出了有效维护国家海洋权益，合理开发利用 海洋资源，切实保护海洋生态环境，实现海洋资源、环境的可持续利用 和海洋事业协调发展的基本思路。海洋油气勘探开发产业，综合了现代 海洋开发中最有代表性的能源高新技术， 其中一项重要的技术就是海底 管道的铺设和维修，海上油气通过海底管道上岸，对沿海经济的发展具 有重要的意义。1.2管道全位置焊接工艺发展及现状管道焊接的设备和方法也不少，到目前为止，管道施工的焊接方法 主要有手工电弧焊、半自

18、动焊和全自动焊。1.2.1手工电弧焊20世纪20年代开始研制使用的手工电弧焊具有设备简单、操作方 便、对设备要求低等优点。管道的焊接经历了从上向焊到下向焊的发展 过程。目前，我国的管道施工中普遍使用纤维素焊条下向焊工艺，成本 较低，根焊效果好，但要求焊工技术水平高，需要层间清渣、层间加热， 第1章前言2工人劳动强度大，焊接速度缓慢，难以确保焊接质量。1.2.2半自动焊半自动焊因为使用送丝机连续送进焊丝， 较手工焊接更换焊条减少 了焊接接头，节省了时间，可实现焊接过程的连续。一般半自动焊焊接 工艺为保护气体（C02或C02与Ar的混合气体）+实心焊丝，或者使 用自动保护药芯焊丝。药芯焊丝内的药芯

19、可起到焊条药皮的作用， 即冶 金处理的作用以及改善工艺性能的作用 。连续送丝有利于半自动和自 动化生产。因为焊接过程可以连续进行，从而提高了焊接速度和效率。 但因焊接时焊枪仍然由工人操作，工人的劳动强度仍然很大，焊接质量 与速度仍然与工人的技术水平等因素有关。123全位置自动焊目前，在全球范围内管道的自动焊接方法有埋弧自动焊，电阻闪光焊，钨极氩弧焊和熔化极全位置自动焊。未来很有可能采用的创新焊 接技术包括：激光焊接、搅拌摩擦焊。1、埋弧自动焊埋弧自动焊起源于20世纪50年代，因其具有焊接过程稳定、熔敷 率高、焊接效率高、劳动条件好等优点而备受重用。埋弧自动焊利用机 械装置和电气控制系统自动控制

20、送丝和移动电弧，从而实现管口的自动焊接。焊接过程使用粗焊丝（2.4mm以上），大电流，而且没有弧光 辐射，放出的有害气体较少。焊接终了很容易清渣，焊缝的化学成分和 力学性能稳定。由于管道施工是在野外进行，管线连绵数公里，不可能 使管子旋转，从而限制了埋弧焊的使用。但是，在条件允许的情况下， 可以利用埋弧焊预先进行“二接一”2，再运到施工现场，从而节省焊接时间，提高生产效率。2、电阻闪光焊。80年代，前苏联政府提出修建从西伯利亚到苏联西北边境的大型输气管道。当时苏联政府要求在短时期内掌握大型管道的施工技术。由于自然环境极为恶劣，生活条件相当困难，因而提出施工过程机械化、 第1章前言3自动化，确保

21、焊接质量，减少施工人员。经过两年左右时间的研究，巴顿焊接研究所、莫斯科中央管道设计院联合研制出了针对1420 mmx20 m管径的电阻闪光焊接设备3。这种焊接技术主要特点是利用在管口 的两端通以高电压、大电流的交流电，使管口部的金属快速熔化，然后 再用高压顶两端，使管口处的金属熔为一体。这种焊接方法效率高，节 省劳动力，适合于平原地段的自动化施工生产。据有关资料显示，利用 该项技术前苏联一共焊接了近八千公里的管道，其管径主要为1420m。但是这种焊接技术所使用的设备庞大，重达百吨，难以通过一些公 路、桥梁、涵洞，不仅运输困难，而且设备成本极高，一般施工单位难 以承担其高昂的费用。这项焊接技术仅

22、限于前苏联使用，到90年代初期已鲜见有关使用这项技术的报道。3、钨极氩弧焊4问钨极氩弧焊以钨或钨合金为电极，用氩气为保护，具有焊接过程稳 定，保护作用好，焊缝金属纯净，焊道成型好等一系列优点，目前广泛 应用于航空航天、原子能、化工、压力容器的金属焊接，也适用于管道 的焊接，但焊接效率较低，对施工环境要求较高等特点，限制其应用于 大型管道的施工。4、熔化极全位置自动焊管道全位置自动焊接技术的主体是自动焊机。 自动焊机包括导向轨 道、焊接小车、自动控制系统、电源、气源等。导向轨道装卡在管口处， 焊接小车利用导向轨道带动焊枪沿管周自动行走， 采用实心焊丝加气保 护，实现管口的全位置自动焊接 9。5、

23、激光焊20世纪80年代中期，激光焊接作为新技术在欧洲、美国、日本 得到了广泛的关注10。CO2激光发生器尤其适用于固定管道生产线， 但是对于现场环缝焊接，Nd : YAG （掺有Nd3 +的钇铝石榴石）激光 发生器发出的激光束能够穿过光导纤维，因此，可以设计出一个相对简第1章前言4单的系统，使得激光焊枪头在管道上周向移动即可完成焊接。目前， Nd : YAG激光管道焊接的研究主要集中在中、高强度管材的焊接11，方法是：利用充填金属丝的单道和两侧激光焊接，并且通过激光P电弧混合焊接系统，将激光根部焊道与 GMAW 填充道结合起来。其优点是 能够提高焊接速度，可焊材料的截面厚度增加，减少设备装置，

24、减小焊 接变形，并且可以改善临界疲劳工况下的焊接外形。随着Nd : YAG焊接的进一步发展，我们只需比传统的电弧焊接少得多的热输入，即可完成普通尺寸管道的焊接。这可以显著降低焊接热量所造成的金属效应， 减小热效应区。此外，它还有可能简化焊接坡口，减少或根本不需焊条， 以及不再需要对管道进行焊接前的消磁处理12。6、搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊接是英国焊接研究所（TWI）1991年发明的一种固相焊接 技术，已经成为铝及铝合金连接的最佳首选技术，是焊接领域的革命性技术。搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法13，其突出优点是，接头质量非常优异、通常高于母材，而且焊接效率很高， 并且可以进行精

25、确焊接。目前，搅拌摩擦焊的的研究和应用主要还是铝 合金材料，钢材等高熔点材料搅拌摩擦焊接的困难主要是搅拌头磨损很 快。美国MEGASTIR公司研制了配备强制冷却装置的多晶立方氮化硼 PCBN搅拌头，与美国能源部 Oak Ridge National Laboratory合作实现了 钢管的搅拌摩擦焊连接14，且于2003年将该系统应用于野外钢合金天然 气管道的连接。1.3管道焊接设备的国内外现状管道全位置自动焊机采用的熔化极全位置焊接技术最早出现于20世纪60年代末，美国的CRC公司率先将该项技术应用于管道施工。 第1章前言51.3.1国外发展概况熔化极全位置焊接起初只是焊接小车带动焊枪行走，焊

26、接参数（焊 接电流、电压、焊接速度等）均是工人手动控制。随着计算机的发展以 及自动控制技术的日益完善，能够自动跟踪以及自动控制焊接参数的管 道焊接设备（管道全位置自动焊机）也迅猛发展。到目前为止，生产全 位置管道自动焊接设备的有：美国CRC-Evans公司15、法国Serimer Dasa 公司、意大利 Saipem-EMC 公司、荷兰 Vermaat Technics公司、Allseas 公司,英国NOREAST公司16。美国CRC-Evans公司目前主要生产 P6O0 P450 P260和M300四个型号的管道全位置自动焊机17。P600型有单 炬和双炬两种；P450有单丝和双丝（Tand

27、em welding）两种18 ； P260为 单炬自动焊机，主要用于J型铺设中的管线焊接作业19;法国Serimer Dasa公司生产的Saturnax双焊头外焊机，采用风冷式焊枪、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，完成根焊、窄间隙叠焊或宽间隙排 焊20。1.3.2国内发展概况我国的管道建设起始于20世纪70年代管道的焊接施工技术以手工 焊和半自动焊为主。从二十世纪八十年代开始，我国的许多大专院校、 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。截止到目前，国内具有自主知识产权的自动焊机有中国石油天然气集团

28、公 司管道科学研究院研发的PAW2000 （单焊炬）和PAW3000（双焊炬）21。 另外，中国船舶工业集团公司第十一研究所研制的双丝单面MAG焊接技术，实现了 22mm平板对接一次单面焊接双面成型。1.4本课题的主要任务本论文将按照整个课题的开展过程，就下述内容进行全面研究：1、双焊炬管道全位置焊机运动控制研究；2、双焊炬管道全位置焊机车载控制系统设计与实现；3、伺服系统的特性分析以及电机低速运行下平稳性的研究；第1章前言64、管道全位置焊接工艺参数在空间位置上的圆滑过渡策略；5、 网络测控技术研究以及 CAN通讯的运动控制系统与 Ethernet 通讯的监控系统连接实现。1.5本章小结简单

29、叙述了项目研究的目的及意义；多国内外全位置管道焊接工艺 的发展现状和全位置管道焊接设备的现状做了介绍； 明确了课题的主要 任务和重点研究对象。7第2章双焊炬管道全位置自动焊机系统构成第2章 双焊炬管道全位置自动焊机系统构成2.1全位置管道焊接控制系统要求管道全位置焊接控制参数众多，如焊接速度（焊接小车行走速度）、 焊接电压、送丝速度、焊枪的摆幅和摆频等，有效控制是管道全位置焊 接过程自动化的难题之一 22 0由于管道本身及对接缺陷，要提高焊接质 量，需要根据具体情况对焊接工艺参数进行调整，因此需要焊机具有实时性；另外，由于焊接现场自然条件恶劣以及焊接高温高辐射影响，为 保证焊接效率和焊接质量，

30、要求焊机具有高可靠性。2.2双焊炬管道全位置自动焊机的基本技术要求1、 管道尺寸：6一 48（管径400m管子壁厚6mm）2、 适应坡口形式：V型、X型、U型以及各种复合形式3、 焊接电源的控制范围：50A350A4、 焊接电弧电压控制范围：16V30V5、 焊接速度的控制范围：030mm/s&送丝速度：0270mm/s7、 双炬间距：80mm （可调）8、 焊枪类型：气冷9、 焊枪摆动速度：摆幅为2mm时的摆动频率为5 Hz10、焊枪摆动幅度控制范围：050 mm11、 焊枪在坡口边缘停留时间控制范围：03s12、焊枪垂直方向的行程：50 mm13、焊接位置度：114、焊枪调节角度：3015

31、、焊接小车的重量： 15kg2.3双焊炬管道全位置自动焊机的总体设计2.3.1控制系统结构要求第2章 双焊炬管道全位置自动焊机系统构成81、能对包括行走电机、送丝电机、摆动电机和焊炬位置调整电机 实行有效的实时数字控制；2、对来自手持遥控器功能键的命令信号进行译码判读及响应，执 行手动和自动焊接过程的各种动作；3、能对来自角度传感器信号转换和角度判读，为自动焊接程序提 供位置信号；4、实现焊接参数的插值运算和实时调整；5、开发触摸屏的应用程序，对控制参数和焊接工艺参数进行上载、 修改编辑、下载和存储，对控制电路的部分典型标志变量进行检查，判 断并解决部分控制故障；6开发组态软件应用程序，实现焊

32、接工艺参数的存储，对数据分 析处理，模拟焊接过程，从而实现对焊接过程的实时监控。2.3.2控制系统设计双炬焊接系统由双炬焊车、焊接电源2个（集成送丝系统）、控制箱、 手持控制等组成。采用双炬焊接，不仅效率提高，而且第 2个焊炬对焊 道有淬火作用，因而改善了焊道韧性并降低了接头硬度。焊车配备倾角 传感器，通过实时获取的焊车在管道圆周方向的位置信息， 为系统提供 与该位置匹配的焊接电参数和运动参数。工控机通过以太网络与主控制器连接，实现焊接数据的读取、存储、 远程显示和远程监控，控制系统组成如图 2-1所示。9手控宜FLC二，雄楔屏匕主控制器二焊辕二作 申压炸荷谨堂电机遴埜电机焊车行于高低电期|动

33、电机高低电机n Ji探功行走鬲低行违第2章双焊炬管道全位置自动焊机系统构成工腿机图2-1控制系统结构示意图2.4主控单元系统设计2.4.1主控单元系统构成主控单元由主控制器、触摸屏和小型PLC构成，如图2-2所示。主控 制器实现对焊接小车各运动轴的联动控制， 另外还可以完成全位置焊的 工艺参数的控制调节以及插值运算；触摸屏用来输入典型的焊接工艺参 数，可以对焊接工艺参数进行实时读取， 并可按照工艺需求对焊接工艺 行走电机第2章 双焊炬管道全位置自动焊机系统构成10参数实时修改；小型PLC附装在远程控制盒内，实现手动操作的控制功11RS232n PMHTPiFFra, frirrVODQDODD

34、DD1ooalAiL1三飆就器CANenffi;PLC吊I创碣i翼电机澀电圳蟻电潺焊接电源2 2 9 Q。蠱*qQ Q Q 00 f： g OIOO $ Q CRS232图2-2全位置管道自动焊机主控单元系统结构示意图本方案各环节采用数字通讯技术进行数据的传输与交换。主控制器 与触摸屏、远程控制盒与触摸屏之间采用 RS232传输方式；焊接电源和 焊接小车采用从CANopen总线方式与主控制器之间进行通讯。2.4.2硬件选型1、主控制器主控制器选择Elmo公司的Maestro。Maestro是一款基于网络的 多轴运动控制器和监控器，通过它通过它来配合 Elmo自己的智能型驱 动器来使用可以完成许

35、多复杂的多轴运动控制。它还有网络及现场总线 接口，实物图如2-3所示。19匸令因触摸屏单弼踰器第2章 双焊炬管道全位置自动焊机系统构成12第2章双焊炬管道全位置自动焊机系统构成尸.牛勿加 WJFMTC&C白C1/7TQ图2-3 Maestro控制器实物图Maestro控制器具有如下特点：(1)同步运动控制：3D/2D插补功能；(2)顺序运动控制：事件触发式轴控和I/O 控制；(3) CANopen主站：网络管理(NMT)时钟同步； 以太网-CAN网关：通过直接访问来完成各轴的调整，监控和 通常的分析；(5)多轴运动分析及开发工具：多轴运动记录和分析工具、多轴应 用开发环境；(6)可以通过网络浏

36、览器来进行监控； Maestro控制器的性能参数如表2-1所示。第2章 双焊炬管道全位置自动焊机系统构成13表2-1 Maestro控制器的性能参数名称ELMO Maestro 控制器硬件单机操作系统含有SimpllQ核心的实时操作系统程序设计Elmo Metronome 扩展语言；Elmo Studio （IDE）；IEC 61131-3 （mid-2005）启动时间20 Sec调试在线监控所有轴的状态变量，获得/设定参数，在线增益调整，变量保护、记录可控轴数每个CAN节点可以控制最多 64轴；根据网络承 载能力可以控制216个轴的插补可控轴类型智能伺服驱动器（Elmo） , CANopen

37、 DSP-402执行时间1 mSec轴控功能标准：启动/停止/重置/参考，速度，位置 特殊：主从级联，电子齿轮，插补位置通讯协议CANopen DS 301, DSP 401 , DSP 402Tel net, HTTPI/O系统板载光藕隔离16 DI, 16 DO, 4 AI；CANopen DS 401;增量式编码器 20M脉冲/秒连通性通过Maestro API进行变量访问主站功能Heartbeat ； NMT同步接口RS-232； Fast Ethernet （10/100 Mbps）；2 CAN bus供电电压24 VDC处理器300 MH z, Pe ntium 兼容；16 bit

38、 ISA （PC104标准）内存64 MB 内置 flash ； 64 MB RAM （两者可扩展至128 MB）诊断LED电源LAN速度，LAN 工作,Flash 访问尺寸153 mm x 107 mm x 51 mm重量400克（14 盎司）操作温度0 C 40 C2、触摸屏触摸屏是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在第2章 双焊炬管道全位置自动焊机系统构成14显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收

39、触摸信息， 并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收 CPU发来的命令并加以执行。本系统选用性价比较好的台湾HITECH公司的PWS6600C-S触摸屏，其详细说明如表2-2所示。表2-2 PWS6600C-S触摸屏参数说明名称PWS6600C-S显示器种类CTN LCD显示色彩256色显示器尺寸5.7(对角线)IEC 61131-3 (mid-2005)显示面积117.2 88.4mm对比调整经由触控面板及后面的可变电阻调整背光源CCFT寿命75,000 小时(25OC)触控面板模拟式按键一个Menu键及五个使用者定义功能键(F1 . F5)按键压力及寿命操作压力35050gf，寿命

40、1百万次以上输入电源24VD 15%;20W 以下内存4M bytesRAM512 K bytes数据/配方内存512K bytes通讯端口COM1 9 脚的母接头：S232/RS485COM2 25 脚的母接头：S232/RS422/RS485Ether net操作温度0 50 C储存温度-2070 C周围湿度20-90% RH (无结露)抗震性0.5mm 移位,10-55Hz,每轴(X, Y,Z) 2 小时辐射干扰CISPR 22, Class A抗冲击性10重力加速度(G), 11毫秒,每轴(X, Y,Z)三次抗高频噪声IEC61000-6-4外观尺寸(mm)195(W)X145(H)

41、59.1(D)重量0.81 Kg第2章 双焊炬管道全位置自动焊机系统构成15CAN 沁2.5焊车控制系统设计2.5.1焊接小车构成焊接小车控制系统由2个焊车行走电机、1个焊炬摆动电机、1个焊 炬高低调整电机和倾角传感器组成。2个行走电机对焊接小车行走机构 控制。焊接小车行走机构米用“伺服电机f减速器f直齿外圆柱齿轮f 直齿外圆柱齿轮”的传动方式，与刚性导轨上的外圆柱齿轮啮合，进而 驱动整个焊车在锁紧机构的配合下围绕刚性轨道行走转动，伺服电机带刹车；焊接小车的2个焊炬共同控制，焊枪横向摆动机构采用“伺服电 机f齿轮f直线齿条”的传动方式，焊枪高低调整机构采用“伺服电机 f丝杠f螺母”的传动方式。

42、管道铺设属于全位置焊接，要求在不同的位置采取不同的焊接参 数。解决方案是：通过倾斜角传感器来实时获取焊车在管道圆周方向的 位置信息。主控单元根据位置信息，一方面控制焊接电源提供与该位置 匹配的焊接电参数，另一方面控制焊车提供与该位置匹配的焊接运动参 数。焊接小车系统如图2-4所示。程序启动后，焊接小车各个部分按照 预定程序的逻辑顺序协调动作。 在需要时也可由人工干预焊接过程， 而 此时程序可根据干预量自动调整焊接参数并执行。三轴驱动器单轴窕功器图2-4焊接小车系统结构图16第2章双焊炬管道全位置自动焊机系统构成2.5.2焊接小车设计与硬件选型1、行走机构设计(1)行走机构传动设计行走机构是实现

43、焊枪沿管道周向运动的驱动力机构。行走电机带动整个焊接小车沿导轨自动行走，以实现焊接过程。在焊接时，焊接速度 即为焊车的行走速度，因此要求焊车行走机构行动十分平稳。本设计焊接小车行走机构的传动方案如图 2-5所示，动力输出采用“伺服电机f减速器f直齿外圆柱齿轮”的模式；行走驱动齿轮固定在行走传动轴上，与刚性导轨外圆柱面上的轮齿啮合， 从而驱动焊接小车 整体沿着导轨作圆周运动。为了避免外圆柱齿轮副之间的中心距因传动 齿轮承受整个焊接小车的重量、管道或导轨的圆柱度而发生较大变化， 在驱动轴上安装有一对类似火车轮轨式的滚动支撑轮。图2-5焊接小车行走机构传动设计(2)行走机构电机选型设计前面的技术指标

44、中已提出焊接小车的行走速度为01800 mm/min(030mm/s)，如果选定齿轮的模数为m=1.5mm(利用齿轮传动的强度理第2章双焊炬管道全位置自动焊机系统构成17论，这一模数绝对满足使用要求)，在满足不发生根切的前提下可任意 选定齿轮的齿数，这里选Z=20,贝U齿轮的分度圆直径do为：do mz= 30mm(2-1)若取焊接小车的最大行走速度为 Vmax=30mm/s,那么需要行走齿轮 的转速为：n 60叱=19.1 r/min(2-2)do假如焊接时整个焊接小车的重量完全由行走齿轮带动(这只在3点位置且是上爬过程才出现)，而且需克服摩擦阻力以及电缆/气体管路等“拖尾件”的重力，那么需

45、要行走齿轮的输出力矩为：M k m g 号(2-3)式中：k-安全系数；d0-行走轮分度圆直径；m-焊车质量；g-重力加速度；30M=2X 20X 9.8 X 旦=5.88 N m2000因此，要求行走齿轮的输出力矩为5.88N m (焊接小车总重量为 25kg时的输出力矩为7.35N m、焊接小车总重量为30 kg时的输出力矩为 8.82N m)、转速为19.1r/min。行走齿轮与“电机+减速器”的输出轴 相联，则要求齿轮减速器的输出力矩为 5.88N m、输出转速9.1r/min。行走电机选用伺服电机，考虑到伺服电机的转速较高，中间需要配 有较大减速比的齿轮减速器，行走电机的输出轴与齿轮

46、减速器的输入轴 相联。考虑到交流伺服电机的转速-转矩特性，尤其是低速下的转速-转 矩特性较好，这里选用以色列Elmo的交流伺服电机，Elmo还提供与之 配套的直流伺服驱动器。应该特别指出的是，该交流伺服电机具有断电18第2章双焊炬管道全位置自动焊机系统构成时的机械刹车，因此即使在安装焊接小车时，也不会存在所谓的“溜车” 现象。选用的交流伺服电机型号为SA01ACN2，相关参数说明如表2-3所 示。表2-3 SA01ACN2详细参数额定输出功率100 W取大输出功率200 W额定电压85V最大效率83 %额定电流1.4A运行最大电流2.8A额定转速3000rpm最大转速5000rpm额定转矩0.

47、32N m最大转矩0.95N m电机惯量0.0426*10 Kg m2法兰尺寸40mm电机重量0.52Kg反馈器分辨率2048P/R电机转速/转矩特性曲线如图2-6所示。APM-SA01A图2-6电机转速/转矩特性曲线(3)行走机构减速器选型设计减速器选择德国NEUGART GmbH的PLE系列行星减速器，其外 形及其内部结构如图2-7所示。19(2-4)第2章双焊炬管道全位置自动焊机系统构成该减速器的传动比为i=60:1,若要满足行走齿轮的输出转速为19.1 r/min，则要求减速器的输入转速为1146 r/min。假定电机额定转速为3000 r/min，则需要控制其工作转速在 110 01

48、200r/min之间。电机的额定转矩为0.32N?m,那么减速器的输出力矩为：M i1 M电机式中，n -减速器传动效率，选90% ,-传动比；M电机电机的输出力矩。M=0.90 %.32 60=17.28 N m(2-5)综合考虑行走机构中两对闭式齿轮啮合、一对开式齿轮啮合和支撑 轴承的效率影响，这里取闭式齿轮啮合传动的效率为 90%、开式齿轮传 动的效率为80%，每对支撑轴承的效率为90%，则两台行走驱动电机经 减速、传动最后提供给驱动齿轮的扭矩为：17.28 6.9 6.9 68 6.9 6.9 6.9 6=8.16 2=16.32 N m(2-6)大于所需要的输出扭矩5.88N m (

49、焊接小车总重量为25kg时的输 出力矩为7.35 N m、焊接小车总重量为30 kg时的输出力矩为 8.82N m)，因此行走驱动电机和减速器选型满足要求。由于SA01ACN2型电机的法兰尺寸为40M0mm,由此选择减速器 型号为：PLE40-60,该行星减速器采用三级直齿齿轮传动，减速比为 60,额定输出扭矩可达20 Nm,设计寿命达30000h,满足上述设计要 图2-7减速机结构实物图20求。其外形尺寸如图2-8所示，输出轴采用深沟球轴承，最大径向其中第2章双焊炬管道全位置自动焊机系统构成总长 L1 =119mm 箱体长度 L2=64.5mm。图2-8减速机外形尺寸2、焊枪姿态调整组件设计

50、在实际的焊接施工中，由于管子周长存在误差，以及对口时不能完 全将管口校正为圆，所以难免需要在焊接中不断地调整焊枪的杆伸长度 和左右位置；同时由于焊道较宽，焊枪需频繁的摆动，才能保证焊缝的 熔宽。另外，双炬管道全位置自动焊机在焊接宽坡口时可以直接采用排 焊工艺，在起弧时也需要靠位置调整机构确定两把焊枪的起弧点。所以,就必须设计出一套合理的焊枪姿态调整机构，以便使焊枪在焊接过程中完成相对焊缝左右摆动、左右端停留、上下左右姿态可控、焊枪角度调 节等功能。一般而言，焊枪横向(焊缝宽度方向)摆动机构与高低调整机 构是焊车姿态调整组件功能设计的最主要部分。由于焊枪需要在焊接过程中不断调整动作，因此要求焊枪

51、姿态调整组件的驱动部分具有良好的 快速响应性，即能快速启动又能快速停止，同时要求驱动部分具有良好 的自锁性能，即不能由于外力的作用而造成工作点的移位。 本焊机采用 一个摆动电机同时实现两把焊枪的横向直线摆动，两把焊枪的横向摆动 幅度完全一样。同时采用一个高低调整电机同时实现两把焊枪的高低调 整，两把焊枪的高低调整幅度完全一样。(1)焊枪横向摆动机构传动方案设计焊枪横向摆动机构性能的好坏， 将直接影响焊缝的成形质量。根据第2章双焊炬管道全位置自动焊机系统构成21焊接工艺要求，焊枪摆动到焊缝两端时必须有一定时间的停留，停留时 间很短(一般为0.5s)。因此，焊枪横向摆动机构实际上是一个带间歇的 往

52、复直线运动机构，采用交流伺服电机驱动控制技术，由电机控制来实 现间歇；同时由于交流伺服电机可以实现低速控制，因此在摆动电机和丝杠之间不需要使用减速器，而是直接采用采用“伺服电机一输出齿轮 -直线齿条”传动方式。交流伺服电机的输出轴与齿轮轴相连接，通过齿轮-直线齿条啮合 来带动齿条往复移动，驱使焊枪高低调整机构和焊枪组件实现往复摆 动。因为摆动机构同时以悬臂梁的形式承受被往复驱动部分的重量，为了增加整个被往复驱动部分相对于焊接小车主体部分的刚度，提高焊枪工作过程中的成形填充精度，在直线齿条的两侧各对称布置了一根导 柱，导柱在直线轴承的支撑下随同齿条往复移动。(2)等效转矩计算选取电机前面的技术指

53、标中已提出焊枪的有效横向摆动范围为050mm，为了避免“齿轮-齿条”啮合传动到达齿条两端突然换向时因齿侧间隙 的存在而出现动作滞后问题，进而降低传动精度，故确定滑块的有效行 程时流出一定的富裕量，这里取横向摆动组件的有效行程为60mm。设高低机构、焊枪组件的质量为 m=5.0kg，由于焊接时因电弧燃烧 而引起的齿条传动阻力相当小，故焊枪横向摆动电机的阻力矩主要为齿 轮-齿条传动副所承受的传动摩擦扭矩。由于齿条齿廓是直线，所以齿廓上各点的法线都是平行的；又由于齿条在传动时作平动，齿廓上各点 速度的大小和方向都相同，所以齿条齿廓上各点的压力角都相同，且等于齿廓的倾斜角，此角称为齿形角，标准值为 2

54、0焊枪摆动速度为：摆幅为2mm时的摆动频率为5Hz，则齿条的平均 往复速度为：2vosc10mm/s(2-7)1/5仍然选用齿轮-齿条的模数为m=1.5mm(利用齿轮传动的强度理论，第2章双焊炬管道全位置自动焊机系统构成22这一模数绝对满足使用要求)，在满足不发生根切的前提下可任意选定 齿轮的齿数，这里选Z =20,贝U齿轮的分度圆直径do为：do mz= 30 mm(2-8)则对应齿条平均往复速度Vosc的齿轮平均转速为：n 60 Vosc =6.4 r/min(2-9)do除了 “齿轮-齿条”啮合传动的效率损失之外，还需克服直线轴承 的滑动摩擦力，但由于直线轴承的摩擦系数小于0.01，所以

55、此处忽略不计，而采用电机功率富裕的方式予以适当考虑。根据上述等效转矩的计 算值，选用“直流伺服驱动器+SAR5ACN型交流伺服电机”，相关参数 及表2-4所示。表2-4 SAR5ACN型交流伺服电机详细参数额定输出功率50 W取大输出功率100 W额定电压85V最大效率83%额定电流1.2A运仃取大电流2.4 A额定转速3000rpm最大转速5000rpm额定转矩0.16N m最大转矩0.48N m电机惯量0.0240*10-4Kg m2法兰尺寸40mm电机重量0.40Kg反馈器分辨率2048P/RAR5ACN型交流伺服电机的转速/转矩特性曲线如图2-9所示。第2章 双焊炬管道全位置自动焊机系

56、统构成223C.50.4E 0.3捧0.3C.11111111*11V11 d-八一二 l -亠-q= r 1ilknik范圉：111广八-r厂 riiiiii1i1i*r-r_ riiiii*ii1i*r - -r r *- 滯续工作范囲11iiw01000 2010 3DC0 4000 5000转速(tev/fnin)图2-9 AR5ACN型交流伺服电机的转速/转矩特性曲线(3)计算等效转动惯量，验算电机选型的正确性 对于该电机计算等效转动惯量，验算电机选型的正确性。 齿轮轴的转动惯量Jspl=1OOmm,=7.85X 103kg/m3, do=40mmJ sp迪3220.0197 kg

57、cm(2-10)(2-11)(2-12) 齿轮轴与电机联轴器换算系统电机轴上的转动惯量由于联轴器长35mm,内径d1=8mm,外径d2=14mm,所以,J1 (d2 d4) 0.0029 kg cm23221 齿条换算到电机轴上的转动惯量2J h m(-sp)0.0012 kg cm2两个直线轴承换算到电机轴上的转动惯量24(2-14)J eLJ m0.04860.02402.025(2-15)第2章双焊炬管道全位置自动焊机系统构成轴径尺寸为8X19X 6mm,其转动惯量为Jz 0.0005 kg cm2 ,所以总 的等效转动惯量为，2JeL 2 (Jsp Ji Jh Jz)2 0.0243

58、0.0486kg cm(2-13)Elmo公司的SAR5ACN交流伺服电机，其额定力矩为T max 0.16 N m，转动惯量为 Jm 0.0240kg cm2，可得工 0.136 0.085 0.5T max 0 16交流伺服电机带惯性负载的最大自起动频率可用下式近似计算，f1fm(2-16)1L. Jm式中：f-带惯性负载的最大自起动频率；fm-电机本身的最大空载启动频率；Jm-电机转动惯量；JeL -换算的电动机轴上的转动惯量；由于Jm/JeL值较小，所以f1fm,证明交流伺服电机具有良好的启动 能力及快速响应性。(4)焊枪高低调整机构设计焊枪高低调整机构采用“伺服电机+丝杠 -螺母”传

59、动方式，高低 机构主体部分是一个滑块，由伺服电机设法驱动丝杠-螺母中的丝杠，带动“螺母-滑块”组件在垂直方向上做上下运动。伺服电机竖直放置， 在其上部采用齿轮输出；为了增加整个纵向调整部分的刚度， 提高焊枪 工作过程中的成形填充精度，在丝杠-螺母传动副的两侧各对称布置了 一根固定不动的竖直导杆，并通过直线轴承配合以便在导向扶正的同时 25完成直线运动。26第2章双焊炬管道全位置自动焊机系统构成高低调整电机同样选用“直流伺服驱动器 +SAR5ACN型交流伺服 电机”设计高度调节范围为50mm,位置精度为土 0.5mm。3、位置传感器管道铺设属于全位置焊接，要求在不同的位置采取不同的焊接参 数。解

60、决方案是：通过倾斜角传感器来实时获取焊车在管道圆周方向的 位置信息。主控单元根据位置信息，一方面控制焊接电源提供与该位置 匹配的焊接电参数，另一方面控制焊车提供与该位置匹配的焊接运动参 数。图2-10所示的北京天海科科技发展有限公司的产品型号QXJT-BZ-V-360-64其技术参数如表所示。图2-10位置传感器实物图表2-5位置传感器详细参数电源电压924V消耗电流1016mA测1量量程0360输出电压05V存储温度-55150C使用温度055 C中点温漂w 5mV满度温漂工业级0.5%分辨率0.08 7 0.035线性度 0.2%防护等级IP60IP67输出与接线红-正；黑-负 黄-输出4