基于C8051F020的全位置自动焊接控制系统的研制

1、第 30卷第 9期 2009年 9月微计算机应用M ICROCOM PU TER APPL ICA T ION SVol130 No19 Sep12009基于 C8051F020的全位置自动焊接控制系统的研制张爱华姚海燕(兰州理工大学电气工程与信息工程学院 兰州730050)摘要 :针对我国目前自动焊设备落后 ,进口设备价格昂贵的现状 ,重新设计了某进口全位置自动焊设备的自动控制系统 。该 系统采用高度集成的混合信号系统级单片机 C8051F020,引入了角度传感器 ,可以实时采集与焊接工艺密切相关的角度信号 , 找到了各控制参数与此信号的函数关系 ,实现了系统参数的平滑改变 ,使系统性能更加

2、优化 。关键词 :全位置焊接 角度传感器 最小二乘法A ll - Position Automa tic W eld ing System s Ba sed on C8051F020ZHAN G A ihua, YAO Haiyan(Lanzhou University of Technology Electrical Engineering and Inform ation Engineering Institute, Lanzhou, 730050, China)Abstract:Because our automatic equipm ents drop behind other cou

3、ntry and imported equipments are very expensive, this paper rede2 signed the autom atic contro l system of an impo rted all - position autom atic welding equipment1 This system used a highly integrated sin2 gle - chip C8051F020, increased an angle senso r fo r real - time signal collection which is

4、closely related to welding arts and crafts,found the function connection between control param eters with this signal, then achieved a smooth change and a more op tim ized system perfo rm ance1Keywords: all - position welding, angle sensor, least square method随着石油天然气资源的不断开发和利用 ,长输管道铺设的重要性逐渐显露 ,管道全位置

5、焊接的应用越 来越多 。由于此种焊接劳动强度大 、生产效率低 ,研制性能优良的全位置自动焊接系统 ,就成为当前管道焊 接装备发展的趋势 1, 2 。目前 ,我国的全位置焊接设备多为进口 3 ,要满足我国目前管道铺设的焊接工作 ,亟须研制出具有可移 植性 、高性价比的全位置自动焊机 ,提高国产焊接设备的自动化水平 。某批国外进口的自动焊设备 ,广泛用于大口径管道的焊接 ,焊接效果令人满意 ,缺点是只能焊接有限几 种直径的管子 ,并且每换一种管径 ,都需要现场编程 ,有时候甚至焊同一个管子也要分几段编程 。这样不仅 增加了设备的操作难度 ,而且使系统参数跳跃性变化 。加上进口设备维修费用高 ,所用

6、单片机和芯片有很 多已经落后 ,故沿用原设备的机械结构 ,重新开发设计其自动控制系统 。1 全位置自动焊接系统组成管道全位置自动焊接就是指在管道相对固定的情况下 ,焊接小车带动焊枪沿轨道围绕管壁运动 ,从而本文于 2009 - 05 - 21收到。 60微计算机应用2009年实现自动焊接 。一般而言 ,全位置自动焊接装置由焊接小车 、行走轨道 、自动控制系统 、系统电源 、保护气体 供给系统等组成 4 ,如图 1,其中自动控制系统是本文要研究的内容。2 系统硬件设计211 硬件总体设计本文设计的全位置自动焊接控制系统 ,包括数 据采集系统 ,键盘输入系统 ,液晶显示系统 ,继电器 控制和焊接小

7、车中所有电机的控制系统 ,用来完成 整机的系统控制 。系统操作简单 ,把全位置自动焊 接的工作过程按工艺分为打底 、盖面 、填充三步 ,每 一步分别根据各自的焊接工艺特点编程 ,不管焊接 何种直径的管子 ,使用时只需选择相应的按钮 ,便可 自动运行一圈 ,不必现场编程 。同时 ,通过液晶显示 器显示出用户操作信息和机器运行信息 ,让人一目 了然 。整体电路框图如图 2所示 。控制芯片是整个控制系统的核心 ,关系到整个系 统的功能和性能 。一开始考虑到此系统将配备在野 外工作的机器上 ,稳定性很重要 ,打算选用 PLC,随 着对 PLC了解的深入 ,发现 PLC 的计算能力不是很 强 ,而且 P

8、LC体积较大 ,此系统要求控制系统放在焊 接小车上沿管壁运动 ,用 PLC极不方便 。虽然现在 小型化的 PLC已经得到广泛应用 ,但是其本身的 IO 口不能满足本系统要求 ,扩充后体积进一步增大 ,比 起单片机系统 ,体积还是要大上不止百倍 ,成本高出 不止千倍 。单片机是超大规模集成电路工艺技术发 展的产物 ,具有集成度高 、通用性和灵活性等诸多优 点 。况且单片机发展到现在 ,可靠性与集成度都不 断提高 ,并追求产品系统最大包容 ,实施线路内嵌 , 减少了外围驱动接口单元及电路板之间的信号传图 1 全位置自动焊接装置示意图图 2 自动焊接系统原理框图递 ,减少了电路板信号传送时的系统信号

9、串扰 ,提高了数据传输和处理的速度 。经对比分析 ,本系统选用了 美国 Silicon Labs公司生产的集模拟 、数字信号于一体的混合信号系统级 SoC芯片 C8051F020。角度数据采集是本系统的新增模块 ,用来采集焊头到管子圆心的连线与重力加速度方向的夹角 的值 。 系统加入此模块后 ,性能的优越性体现在以下几个方面。( 1)全位置焊接中 ,不同位置采用不同的焊接规范 。进口系统通过计算每一段的弧长或者时间作为圆 周分段依据 ,但由于直径不同时弧长或者时间不同 ,所以只能焊几种直径的管子 ,而且每换一种直径都要修 改程序 。本系统采集角度信号作为调速依据 ,找到了不同直径管子的共同点

10、,使自动焊设备的工作范围 增大。(2)进口自动焊系统将各个主要控制参数设置为分段函数 ,其实各参数应该是一个渐变的过程 ,而这种 渐变的自变量正是本模块所采集的角度信号 ,系统增加此模块之后 ,便可以通过曲线拟合 ,找到各参数与 的函数关系 ,实现系统参数的平滑改变 ,使系统性能更加优化。( 3)进口焊接设备需要程序实时记录焊接位置 ,否则一旦异常停车 ,很难找到起焊位置 ,而实时记录又 9期张爱华 等 :基于 C8051F020的全位置自动焊接控制系统的研制61增大了程序量 。增加此模块之后 ,每次开始焊接时都要先采集角度信号 ,从而分配各个电机的速度进行焊 接 。这样就不必记录事故发生位置

11、 ,而且可以从圆周的任何一点起焊。212 数据采集电路选用深圳市华夏磁电子技术开发的 AM E - B002 角度传感器 ,测量范围 0 360,没有检测死 区 ,体积小 ,非接触检测功能 ,宽温度范围 ,是满足苛刻环境应用需求的理想选择 。AM E - B002共引出三根线 : 引脚 1 接 5V 电源 ; 引脚 2 接电源地 ; 引脚 3 为信号输出 ,输出 + 015V + 415V模拟信号 ,用一个 AD转换便可以得到想要的数据 。为了提高数据采集的精度 ,采用分压形式测量 。213 电机控制电路选用常州富兴机电有限责任公司的直流无刷电机及其驱动器 ,需要对其进行正反转控制 、调速控制

12、和 速度脉冲捕捉 。正反转控制用普通的 IO 口便可以实现。速度电压输入可以是 0 - 5V模拟电压 ,也可以是 PWM。本系统选用 PWM ,因为 PWM 具有很强的抗噪 性 ,而且 C8051F020含有可编程计数器阵列模块 ,提供增强的定时器功能 ,需要较少的 CPU 干预 。只要将其 前三个捕捉 /比较模块 CEX0、CEX1、CEX2编程为 16 位 PWM 工作方式 ,就可以通过调节其占空比 ,分别用 来控制行走电机 、送丝电机 、摆动电机的转速 。速度脉冲输出使用 C8051F020的计数器 /定时器即可完成 。将 T1 配置为 16 位定时器 ,随着系统时钟 信号自动累加 ;

13、T0配置为 16位外部计时器 ,用来捕捉行走电机发出的脉冲信号 。两个计数器 /定时器相结 合 ,便可以测出行走电机的转速 ;再将 T2和 T4配置为自动重装载的 16位计数器 ,用来捕捉送丝电机和摆动 电机发出的脉冲信号 。为了避免相互干扰 ,单片机与电机驱动之间采用了光耦隔离 ,此处选用 TLP521。214 键盘及显示电路键盘电路采用中断工作方式 , 由软件译码。液晶屏选用 JRM - 12864H - C 液晶显示模块 , 它采用 ST7920控制 /驱动器 ,内部含有中文字库的图形点阵。本系统主要利用液晶屏实现了显示字母 、数字 、汉字和反白显示等功能 。显示字母和数字主要用在显 示

14、电机转速等 ;显示汉字主要用在提示用户操作和显示机器运行情况等 ; 反白显示主要用于选定摆动电机 速度 ,被选中的反白显示。215 继电器驱动电路被改进的自动焊设备上有一个 12V的继电器和一个 24V的电磁气阀 ,分别用来控制焊接电源和保护气 体的通断 。两者都用三极管 2N3904驱动 ,其前加光耦 TL P521进行隔离 ,线圈两端并联 1N4007续流二极管 防止触点击穿。216 系统电源本系统的电源包括焊接电源 、控制电源 、电动机电源 ,均采用现场的直流发电机供 24V 电 ,其中焊接电 源的通断通过继电器受控制系统的控制。3 系统的软件设计系统的操作和工作过程如下 :上电后 ,自

15、动完成参数初始化 ,时间很短 ,不必等待 。接下来 ,要看哪个按 钮被按下 ,如果使用者想要检查电机运转情况或觉得各电机状态不到位 ,就分别按住让电机单独运行的按 钮 ,直到电机到位后松开 。测试完毕符合要求 ,就可以准备焊接 。先选定摆动电机速度 ,然后打开保护气 体 ,接通焊接电源 ,后两项操作均通过按下按钮来接通相应的继电器 ,没有先后 ,但是必须两项操作都进行 了 ,才能进入下一步程序 。接下来选择进行何种焊接 ,当系统确认已经把相应程序载入 ,便可以进行焊接 了 。在焊接过程中 ,系统实时检测焊枪到管子圆心连线与重力加速度方向的角度 ,先查看焊枪是否已经走 了一圈 ,如果是 ,就停止

16、焊接 ;若不是 ,就根据拟合得到的函数关系式确定电机转速 ,继续焊接 。整个操作过 62微计算机应用2009年程与工作过程 ,液晶都一直显示相应内容 ,包括提示操作者的下一步操作 ,对于操作者按下的按键进行确 认 ,显示机器的工作状态等等 。系统总体流程图见图 3。在焊接过程中 ,焊接小车的行走速度 、送丝速度以及焊枪的左右摆动速度是三个主要参数 。其中摆动 速度是在焊接现场选定输入的 ;焊接小车的行走速度和送丝速度与角度信号 密切相关 ,本系统利用曲线拟 合找到系统参数与 的函数关系 ,在焊接过程中程序实时采集 后 ,直接调用此关系求出各参数值 ,实现自 动控制并使其平滑改变 。下面以填充焊

17、中行走电机速度值的曲线拟合过程为例 ,说明拟合过程。通常在全位置焊接中把整个圆周均分为 24份 。通过查阅资料或实际测量 ,找到在填充焊中每一份的端 点处行走电机的速度值 ,备用 。本系统的曲线拟合采用最小二乘法的多项式拟合 5, 6 ,为了确定拟合次数 ,在 Matlab命令行中分别输入 互相对应的角度与速度值 ,使用样条插值 7 ,然后显示插值图像 ,观察波形 。从插值图像中看出行走速度与 之间大体上为一个三次或四次关系 ,为了拟合结果的准确性 ,先尝试四 次拟合 。运行后发现四次项系数与三次项系数都为 0,所以再尝试二次拟合 ;结果发现二次拟合曲线与插值 曲线相差太远 ,故又尝试三次拟合

18、 ;运行后发现三次拟合曲线与四次拟合曲线很相似 ,后来又经过不断的比 较 ,最终选用了最小二乘法的三次拟合结果 :p = 010000- 0100330138602716504故得到填充焊中行走电机的速度值与 之间的关系式为行走 = - 0100332 + 013860+ 2716504各拟合图像与插值图像示于图 3,其中样条插值图像用红线表示 ,四次拟合图像用绿线表示 ,三次拟合 图像用蓝线表示 ,二次拟合图像用黑线表示。应用同样的方法得到送丝电机的速度值与 之间的关 系式为32送丝 = 010001 - 010115 + 017573+ 2014628同样 ,找到在打底焊和盖面焊中圆周分段

19、端点处电机的 速度值 ,可以分别得出在这两种焊接工艺中行走电机和送丝 电机的速度值相对于 的函数关系式 。3 结束语本文设计的管道全位置自动焊接控制系统 ,以价格低 廉 、性能优越 、使用方便为基本原则 ,通过与老设备的比较 , 本系统性能的优越性表现在以下几个方面 :图 4 拟合图像与插值图像( 1)引入了角度传感器 ,不仅适应了不同直径管道的焊接需求 ,增大了自动焊接设备的应用范围 ,而且 可以使系统实时采集与焊接工艺密切相关的角度信号 ,实时修改系统参数 ,不必现场编程 ,降低了操作难 度 ,减少了操作工的培训费用 ,使系统性能更加优越。( 2)利用最小二乘法对系统中的各参数进行了曲线拟合 ,找到了它们与系统采集信号 之间的函数关 系 ,实现了参数的平滑改变 ,改变了进口系统参数分段变化且在分隔点处出现跳跃的状况 ,使系统性能更加 优化。( 3)增加了液晶显示 ,详细显示用户操作信息和机器运行信息 ,增大了人机交流的程度 。( 4)系统的总体成本下降 ,更有利于自动焊接设备的推广和应用。 9