管道全位置自动焊接控制系统研制硕士学位论文Word格式.docx

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May,2009

兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：

学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。

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导师签名：

学位论文原创性声明

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

日期：

目录

摘要I

AbstractII

插图索引III

第1章绪论1

1.1研究背景1

1.2研究目的和意义1

1.3国内外研究现状2

1.4本文研究内容及主要工作3

1.5论文结构安排4

第2章控制系统总体方案5

2.1管道全位置自动焊接设备组成5

2.2硬件总体方案7

2.2.1控制芯片选取7

2.2.2硬件总体框图8

2.2.3数据采集模块作用8

2.2.4电机选取10

2.3软件总体方案11

第3章控制系统硬件构成14

3.1各模块硬件电路14

3.1.1数据采集模块14

3.1.2电机驱动模块15

3.1.3继电器驱动模块16

3.1.4人机接口模块18

3.2硬件抗干扰措施及保护措施19

3.2.1器件连接抗干扰措施19

3.2.2功率计算及保险丝选用23

3.2.3印制电路板抗干扰措施24

第4章控制系统软件设计26

4.1各模块子程序26

4.1.1发生PWM波子程序26

4.1.2捕捉脉冲子程序27

4.1.3信号采集子程序29

4.1.4液晶显示子程序30

4.2软件抗干扰措施31

4.2.1设置“看门狗”31

4.2.2重复功能设定32

4.2.3不用引脚处理32

4.3系统中主要参数拟合32

4.3.1最小二乘法原理32

4.3.2最小二乘拟合Matlab实现34

第5章控制系统调试42

5.1系统总体调试43

5.2各模块功能调试44

5.2.1发生PWM波功能模块调试44

5.2.2脉冲捕捉功能模块调试45

5.2.3模拟量采集功能模块调试46

5.2.4液晶显示功能模块调试47

结论与展望50

参考文献51

致谢55

附录A攻读学位期间所发表的学术论文目录56

附录B控制器电路图57

摘要

近年来，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，研制性能优良的管道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。

目前自动焊接设备存在的缺点是以弧长作为参数变化和分段的依据，导致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，这样不仅增加了设备的操作难度，而且使系统参数发生跳跃性变化，本文针对某批进口的自动焊接设备，重新设计了自动控制系统，使管道全位置自动焊设备可以应对多种不同的焊接环境，并根据焊接现场的实际情况进行实时调节。

本文对自动焊接设备控制系统的研究，主要从以下方面着手进行：

针对硬件方面，加入角度传感器，增加实时采集功能，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，降低操作难度，使系统性能更加优越；

在软件方面，利用最小二乘法对系统中的各个变化的参数进行拟合，找到各个参数与焊头到管子圆心的连线及重力加速度方向的夹角之间的函数关系，实现系统中各参数的平滑改变，使系统性能更加优化。

重新设计的系统不但具有快速、准确、可靠的特点，而且性价比较高，还方便了人与机器之间的交流，降低了操作难度。

同时，本文的软硬件设计方案也为焊接控制领域的发展与应用提供了新的参考。

关键词：

全位置自动焊接；

角度传感器；

最小二乘法

Abstract

Inrecentyears,withthecontinuousexploitureanduseofoilandnaturalgasresources,theimportanceofpavinglong-distancepipelinesexhibitsgradually,theapplicationofall-positionpipeweldingisincreasing.Thisweldingislabor-intensiveandlowproductivity,sodesigninganall-positionautomaticweldingsystemsbecomesthetrendatthedevelopmentoftheequipmentforpipelinewelding.Atpresent,automaticweldingequipmentusesarclengthasthebasisforparameters’changeandsub-paragraph,leadingtoonlyalimitednumberofpipecanbewelding,anddifferentdiameterneedsdifferentprogramming.Thiswayincreasesthedifficultyoftheoperationandandmakesthesystemparameterschangejumpily.Thispaperredesignstheautomaticcontrolsystemscontraposinganimportedautomaticweldingequipment.Thenall-positionautomaticweldingequipmentcanbeseasonedwithvariousofweldingenvironment,andhavereal-timeadjustmentbasingontheactualsituationofthelocale.

Thispapermainlyresearchesinseveralfacetsasfollows.Tohardwarethisarticleaddsananglesensortoincreasethereal-timeacquisitionfunction,whichisdesignedtomeetthedifferentdiameterofweldedpipes,increasethescopeofapplication.Andthisequipmentcangivethesystemareal-timeacquisition,whichiscloselyrelatedtoweldingartsandcrafts,toreworksystemparametersinrealtime.Workersdonothavetoprogramcontinually,thenthedifficultyoftheoperationisreduced,thesystemhaveamoresuperiorperformance;

Tosoftware,Makeallofthevariationalsystemparametersdocurvefittingtofindtheirfunctionandrelationshipbetweenθ,sothatallparameterscanchangesmoothly,thenamoreoptimizedsystemperformancewillappear.

Thecontrolsystemreferredinthispapernotonlyhasthefast,accurate,reliableandlowratioatperformancetopricecharacter,butalsomakeiteasierforpeopletocommunicationwiththemachineandreducethedifficultytooperation.Atthesametime,thehardwareandsoftwareschemereferredinthispaperprovideanewreferenceforthedevelopmentandapplicationofweldingcontrolfield.

KeyWords:

All-positionautomaticwelding,Anglesensor,Leastsquaremethod

插图索引

图2.1全位置自动焊接装置示意图5

图2.2焊接小车示意图6

图2.3自动焊接系统原理框图8

图2.4全位置焊接圆周分段示意9

图2.5系统总体流程图12

图3.1模拟量的测量电路14

图3.2电机驱动引脚图15

图3.3电机驱动与单片机的连接16

图3.412V继电器的驱动17

图3.524V电磁气阀的驱动17

图3.6液晶显示器与单片机的连接19

图3.7电源的抗干扰措施20

图4.1发生PWM波程序流程图27

图4.2测行走电机转速程序流程图28

图4.3测送丝和摆动电机转速程序流程图29

图4.4模拟量采集程序流程图30

图4.5液晶显示初始化流程图31

图4.6行走速度样条插值运行结果35

图4.7行走速度四次最小二乘法拟合运行结果36

图4.8行走速度二次最小二乘法拟合运行结果37

图4.9行走速度三次最小二乘法拟合运行结果37

图4.10行走速度四次与三次最小二乘法拟合运行结果比较38

图4.11送丝速度样条插值运行结果39

图4.12送丝速度五次最小二乘法拟合运行结果39

图4.13送丝速度三次最小二乘法拟合运行结果40

图4.14送丝速度五次与四次最小二乘法拟合运行结果比较40

图5.1系统调试环境42

图5.2调试板与PC机的连接43

图5.3同时发生三路互相独立的PWM波45

图5.4ST7920工作于8位并行模式数据传输时序图49

第1章绪论

1.1研究背景

近年来，随着国民经济的迅猛发展，我国产业结构发生了重大变化，能源需求快速增加。

当前，除了煤炭以外，石油及天然气等是工农业生产应用的主要能源，而我国的油气资源大部分分布在东北和西北地区，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。

管道运输是突破这一障碍的最佳手段，与铁路运输相比，管道运输运量更大、安全性更高、更经济，其建设投资为铁路的一半，运输成本只有三分之一，因此在世界各国迅猛发展[1-3]。

随着石油天然气及石油化工工业的高速发展和管线钢性能的不断提高，长输油气管道加速朝着长距离、厚壁化、大口径、高压力输送方向发展，在管道施工中逐渐开始应用自动焊技术[4]。

于是对自动焊技术的掌控程度就成为管道工程施工成败的关键，它直接关系到工程质量、施工效率、施工成本、以及管线运行期间的安全性、可靠性和经济效益[5-7]。

目前，我国加快了油气干线管网和配套设施的规划建设，正经历着一个管道建设的高峰期，逐步完善全国油气管线网络，建成西油东送、北油南运成品油管道，同时适时建设第二条西气东输管道及陆路进口油气管道[8]，形成“两纵、两横、四枢纽、五气库”，总长超过万公里的油气管输格局。

仅西气东输二线，全长就有4859千米，加上若干条支线，管道总长度超过7000千米[9,10]。

鉴于西气东输管道工程施工焊接的特殊性，焊接时很难通过钢管的转动而使熔池始终处于平焊位置，施工中必须进行全位置焊接，但此种焊接劳动强度大、生产效率低，于是人们逐渐把目光转移到研制全位置自动焊接设备上。

另外，对于管径较小、管壁较薄的管道，焊接时我们常选用手工焊和半自动焊，但西气东输工程距离长，管材强度高，施工周期短，技术要求严，单纯依靠传统的手工焊或半自动焊，远不能满足工程要求，采用自动焊技术是必然的技术依托，它有着广阔前景，是一个重要的发展方向[11,12]。

1.2研究目的和意义

随着管道建设用钢管强度等级的提高，管径和壁厚的增大，自动焊在管道焊接施工过程中应用越来越广泛。

自动焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，其主要优点是：

稳定和高焊接质量，劳动强度小，焊接产品的均一性好；

生产效率高，焊接过程受人为因素影响小，可实现小批量产品焊接自动化，提高了焊接过程的自动化程度[13]。

相信随着电力供应的改善以及电脑系统不断适应现场焊接，自动焊将成为管线施工的主要焊接方式[14]。

全位置焊接是失效事故的多发位置，是施工中必须确保的关键技术，他不仅直接关系到工程的焊接质量、施工效率和成本，而且对管线运行期间的安全可靠性和经济效益也有重要影响。

因此，开展管道全位置自动焊接控制系统研制，提高焊接技术水平，是现代优质、高效施工的必然要求。

全位置自动焊虽在设备的稳定性、工艺的成熟性方面还存在许多不足，但具有很好的发展前景，未来必将以多功能、高质量、操作简单易用、节能及高度自动化为发展方向[15]。

管道全位置自动焊接技术也是我国油气管道重点发展技术[16]。

《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》（国务院8号文件）是国务院自1983年发布第110号文件以来，专门针对装备制造业发布的文件。

它的颁布，对于装备制造业来说，既有非常重要的现实意义，又有深层次的历史意义。

国家提出要加快振兴装备制造业，这其中就包括自动焊接设备。

通过对全位置自动焊接机的研制，可以使我们的自动焊接降低成本，提高效率，不依赖于国外，从而使我们的西气东输二线工程更加顺利的完成！

未来的管道建设，为获得施工的高效率和高质量，必定会不断提高焊接自动化水平。

研制性能优良的自动焊装备，是当前管道焊接装备发展的趋势。

我国要适应管道建设面临的新形势、新问题，只有大力发展和采用先进的焊接设备。

野外管道全位置自动焊作为提高管道的施工质量，加快施工进度的重要手段，在今后我国的管道建设中必将成为重要的技术依托和支撑。

研制自动焊接设备，特别是焊接质量好、生产效率高的自动焊接设备是我国新形势下管道建设的客观要求，对提高我国管道施工建设的技术水平，适应高速发展的管道建设需求，有着十分重大的意义。

1.3国内外研究现状

国内外的管道现场对接技术都经历了手工焊、半自动焊、自动焊的发展历程。

在国外，经过几十年的发展，管道对接技术的机械化和自动化程度已经很高，管道接头质量也能很好地控制，实现了低成本、高效率。

前苏联研制的管道闪光对焊机，在前苏联时期累计焊接大口径管道数万公里。

其显著特点在于效率高、环境适应能力强。

美国CRC公司研制的CRC多头气体保护管道自动焊接系统，由管端坡口机、内对口器与内焊机组合系统、外焊机三大部分组成，到目前为止，累计焊接管道长度超过30000千米。

法国、前苏联等国家也都研制了类似的管道内外自动焊技术，已成为当今世界大口径管道自动焊技术发展主流方向[17-19]。

我国钢质管道环缝焊接技术也经历了几次大的变革，七十年代采用传统焊接方法，低氢型焊条手工电弧焊上向焊技术，八十年代推广手工电弧焊下向焊技术，为纤维素焊条和低氢型焊条下向焊，九十年代应用自保护药芯焊丝半自动焊技术，后来就开始推广全位置自动焊技术[20]。

尽管从焊接设备拥有量和焊接材料消耗量来看，我国已经是一个焊接的大国，但从先进技术应用的深度与广度、焊接自动化率、焊接机器人拥有量、大型复杂焊接系统的自主开发能力、原创性科研成果数量、劳动生产率和生产管理水平等方面看，我国还不是一个焊接的强国。

国内以焊接为主要生产工艺的企业，自动化水平相对较低，多数仍然是手工生产或者半自动化生产，管道全位置自动焊设备的研制工作虽然一直在进行，但多数产品仍处于试验阶段。

同时，国内焊接自动化水平分布不均，自动化程度最高的是汽车制造业，其次是航空航天、车辆和造船业，而大部分中小企业，受到投资成本的限制，对焊接自动化呈现可望而不可及的态度。

经过近几年的大力发展，尤其是随着西气东输工程的顺利完工，我国的管道全位置自动焊也有了突破性进展，逐步取代了大量的手工焊，既保证了施工质量，又提高了工效，标志着我国油气管道焊接技术已达到了一定水平[21-23]。

但我国的管道自动焊接技术仍然处于起步阶段，同发达国家相比，我国的管道对接技术自动化程度还不够高，设计管径和输送压力还较小，国产焊接设备在管道野外施工中还不够稳定，国产焊接材料性能还不能完全达到要求。

当前，焊接设备还有很大一部分依赖进口[24,25]。

到目前为止，生产全位置自动焊接设备的只有美国的CRC公司，德国的VIETZ公司，美国的MAGNATECH公司，荷兰的VERAWELD公司，英国的Noreast公司，法国的SERIMERDASA公司，意大利的PWT公司[26-28]。

鉴于此，针对我国管道建设的具体情况，自主进行管道施工焊接技术的研究以及焊接设备开发显得十分重要。

我们应该采取措施，寻找契机，发展我国焊接自动化和焊接机器人技术，这是科学工作者光荣的历史使命。

1.4本文研究内容及主要工作

目前，我国的全位置焊接设备多为进口，要满足我国目前管道铺设的焊接工作，亟须在充分了解焊接装置基础上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，逐步地达到国际先进水平。

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，缺点是以弧长作为参数变化和分段的依据，导致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。

为了设计出价格低廉、性能优越、使用方便的管道全位置自动焊接控制系统，主要做了如下工作：

1．开发设计控制系统的硬件电路，增添了实时采集焊头在管道中位置的模块，提高了系统适应性和焊接质量。

2．对系统中用到的参数进行拟合，找到控制参数与采集信息之间的函数关系，并编写整套系统的程序。

3．通电调试整体电路，并根据调试结果优化系统。

1.5论文结构安排

本论文的第一章为绪论，讲述全位置自动焊接控制系统的研究背景、目的意义、国内外的研究现状，说明了本课题的研究内容；

第二章给出了全位置自动焊接系统的组成，讲述了自动控制系统的总体方案，给出了系统总体硬件图和软件总流程，并就电路中主要器件进行选择；

第三章是全位置自动焊接控制系统的硬件电路部分，详细论述了电路每一部分的原理及应用；

第四章是全位置自动焊接控制系统的软件部分，讲述了系统每一部分的编程步骤，详细论述了利用最小二乘法进行系统参数拟合的步骤，找到了系统控制参数与采集信息之间的函数关系，并给出了填充焊中行走速度和送丝速度与焊头到管子圆心的连线与重力加速度方向的夹角θ之间的函数关系式；

第五章分别针对总体电路和各模块电路进行调试，提出系统研制中需要注意的问题；

最后提出课题的研究结论及展望。

第2章控制系统总体方案

2.1管道全位置自动焊接设备组成

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[29,30]，如图2.1。

图2.1全位置自动焊接装置示意图

1．焊接小车

焊接小车是实现自动焊接过程的驱动机构，它安装在焊接轨道上，带着焊枪沿管壁作圆周运动，实现自动焊接，具有体积小、重量轻、操作方便等特点。

焊接小车由焊接机头、安装底板、行走机构、送丝机构、焊枪摆动机构等组成，如图2.2。

焊接机头是受控于爬行小车的长柄焊枪，其端部是带有耐高温烧嘴与送丝嘴，连丝于送丝机构的连通体系，由于焊枪另一端与爬行小车操纵机构相联系，可以按照选型开关选择的焊条运行方式进行送丝焊接。

行走机构、送丝机构和焊枪摆动机构是它的核心部分，由电机和齿轮传动机构组成，均由单片机实现自动控制。

为使电机执行计算机控制单元发出的位置和速度指令，电机应带有测速反馈机构，以保证电机在管道环缝的各个位置准确对位，而且要求动态性能好，具有较好的速度跟踪功能、较