管道外圆自动焊接机控制系统的研究与实现

发布时间：2020-06-23 14:15

【摘要】：随着社会经济发展,油气输送管道建设量迅速增加,大口径管道自动焊接技术快速发展。油气管道焊接往往在野外环境中进行,对焊接设备的便携性、焊接效率、焊接质量等都有较高的要求。目前国内外普遍采用沿圆形管道外圆横截面行走的自动焊接小车实现打底、填充、盖面等一系列焊接工艺,其在机械结构、操控方式、劳动强度、智能化程度等方面仍然有很大的改进空间。本文提出了一种新型的管道外圆自动焊接机控制系统,其结合数据库技术、云计算技术,将焊接工艺参数和经验数据上传至云端。共享工艺参数和经验数据不仅仅减轻了焊工的劳动强度,也降低了对焊工作业经验的依赖,大大提高了焊接的自动化程度。控制系统分为下位机和上位机两部分。研究设计了基于ARM cortex-M4内核的STM32系列MCU的下位机。采用步进电机和相应的机械传动结构实现对焊枪的夹持运动,完成焊接动作。研究并实现了将麦克劳林公式用于简化步进电机平滑加减速脉宽计算的算法,并应用于基于STM32的步进电机控制。研究了基于MPU6050六轴运动传感器的姿态解算算法和软、硬件实现,并应用于管道外圆焊接位置检测和基于位置的自动焊接工艺参数控制。研究了将uC/OS-III移植并应用到STM32微控制器的过程和原理。上位机采用跨平台的Qt开发环境设计完成。本文研究了Qt开发架构并设计了基于Windows系统的上位机软件,采用方便易用的游戏手柄作为上位机操作的输入设备。焊接熔池视频采集系统是智能化焊接作业的重要部分,对摄像头的快门和动态范围要求较高。本文研究了强逆光焊接熔池视频采集专用摄像头的结构和原理,并分析了熔池和焊接弧光光谱过滤原理。本文采用深圳市恒力佳电子有限公司生产的焊接熔池专用视频采集摄像头HL-3070,实时采集熔池视频,通过WiFi无线视频传输模块传输至上位机,并向焊工实时显示熔池成形状况,从而降低了焊工近距离观察熔池的劳动强度和紫外辐射伤害。焊接电源系统是提供焊接能量、焊丝材料和焊接保护气体的焊接装备。本文采用北京时代科技股份有限公司生产的TDN-3500系列二氧化碳气保焊电源系统,设计了基于STM32的简易ModBus总线主控设备协议和基于上位机的ModBus命令帧生成软件模块,实现对焊接电源系统的电流、电压、启停等参数的调节,从而可实时控制焊接的各项工艺参数。目前,本管道外圆自动焊接机系统正应用于中国化学工程第十六建设有限公司的部分长输管线和化工管线的建设项目中。其一次焊接成功率达96%,较好的满足了管道焊接施工需求。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG409;TE973.3
【图文】：

电路图,最小系统,下位机,电路

图 3-3 下位机最小系统电路本文采用 LQFP100 封装的芯片进行硬件设计，电源为 3.3V。最小系统主要包括复位和在线调试电路、时钟电路、启动模式配置电路等。STM32 微控制器支持内部时钟和外部时钟，内部时钟采用锁相环震荡电路产生时钟信号供内核运行，但内部时钟精度较低，无法为定时器提供基准时钟。芯片外部可采用 25MHz 无源晶振，当芯片上电默认使用内部时钟启动，之后由初始化函数将时钟源配置为外部时钟。U5B 为主控芯片的最小系统接口部分，主控芯片的其余引脚未体现在图中。由于芯片带有片内 RAM 和 Flash，整个系统不需要外接存储设备，简化了系统设计。通过拉高或拉低 BOOT0 和 BOOT1 的输入电平，可设置芯片由内部 Flash启动模式、内部 RAM 启动模式、系统存储器启动模式。本文设置为内部 Flash启动模式，BOOT0 和 BOOT1 均被拉低。ARM cortex-M4 处理器内核支持 JTAG 和 SWD 等多种调试技术。SWD 调试接口占用的芯片引脚更少，最少只需要三根信号线即可支持芯片的在线调试。

电源原理图,下位机,主板,电源

文采用的 RVMDK 开发环境可支持 SWD 调试模式。稳定可靠的电源是系统正常工作的重要保证，下位机主板使用的芯片和电路的电源和信号一般为 3-5V。STM32 微控制器内部集成了先进的电源管能。下位机主板采用 5V 电源供电，而主控芯片需要 3.3V 电源供电，主板成了三端稳压器为主控芯片提供电源。电源电路如图 3-4 所示。

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