發(fā)布時(shí)間：2020-06-23 14:15

【摘要】：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,油氣輸送管道建設(shè)量迅速增加,大口徑管道自動(dòng)焊接技術(shù)快速發(fā)展。油氣管道焊接往往在野外環(huán)境中進(jìn)行,對(duì)焊接設(shè)備的便攜性、焊接效率、焊接質(zhì)量等都有較高的要求。目前國內(nèi)外普遍采用沿圓形管道外圓橫截面行走的自動(dòng)焊接小車實(shí)現(xiàn)打底、填充、蓋面等一系列焊接工藝,其在機(jī)械結(jié)構(gòu)、操控方式、勞動(dòng)強(qiáng)度、智能化程度等方面仍然有很大的改進(jìn)空間。本文提出了一種新型的管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)控制系統(tǒng),其結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)、云計(jì)算技術(shù),將焊接工藝參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳至云端。共享工藝參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅僅減輕了焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度,也降低了對(duì)焊工作業(yè)經(jīng)驗(yàn)的依賴,大大提高了焊接的自動(dòng)化程度。控制系統(tǒng)分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。研究設(shè)計(jì)了基于ARM cortex-M4內(nèi)核的STM32系列MCU的下位機(jī)。采用步進(jìn)電機(jī)和相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍的夾持運(yùn)動(dòng),完成焊接動(dòng)作。研究并實(shí)現(xiàn)了將麥克勞林公式用于簡化步進(jìn)電機(jī)平滑加減速脈寬計(jì)算的算法,并應(yīng)用于基于STM32的步進(jìn)電機(jī)控制。研究了基于MPU6050六軸運(yùn)動(dòng)傳感器的姿態(tài)解算算法和軟、硬件實(shí)現(xiàn),并應(yīng)用于管道外圓焊接位置檢測和基于位置的自動(dòng)焊接工藝參數(shù)控制。研究了將uC/OS-III移植并應(yīng)用到STM32微控制器的過程和原理。上位機(jī)采用跨平臺(tái)的Qt開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)完成。本文研究了Qt開發(fā)架構(gòu)并設(shè)計(jì)了基于Windows系統(tǒng)的上位機(jī)軟件,采用方便易用的游戲手柄作為上位機(jī)操作的輸入設(shè)備。焊接熔池視頻采集系統(tǒng)是智能化焊接作業(yè)的重要部分,對(duì)攝像頭的快門和動(dòng)態(tài)范圍要求較高。本文研究了強(qiáng)逆光焊接熔池視頻采集專用攝像頭的結(jié)構(gòu)和原理,并分析了熔池和焊接弧光光譜過濾原理。本文采用深圳市恒力佳電子有限公司生產(chǎn)的焊接熔池專用視頻采集攝像頭HL-3070,實(shí)時(shí)采集熔池視頻,通過WiFi無線視頻傳輸模塊傳輸至上位機(jī),并向焊工實(shí)時(shí)顯示熔池成形狀況,從而降低了焊工近距離觀察熔池的勞動(dòng)強(qiáng)度和紫外輻射傷害。焊接電源系統(tǒng)是提供焊接能量、焊絲材料和焊接保護(hù)氣體的焊接裝備。本文采用北京時(shí)代科技股份有限公司生產(chǎn)的TDN-3500系列二氧化碳?xì)獗：鸽娫聪到y(tǒng),設(shè)計(jì)了基于STM32的簡易ModBus總線主控設(shè)備協(xié)議和基于上位機(jī)的ModBus命令幀生成軟件模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電源系統(tǒng)的電流、電壓、啟停等參數(shù)的調(diào)節(jié),從而可實(shí)時(shí)控制焊接的各項(xiàng)工藝參數(shù)。目前,本管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)系統(tǒng)正應(yīng)用于中國化學(xué)工程第十六建設(shè)有限公司的部分長輸管線和化工管線的建設(shè)項(xiàng)目中。其一次焊接成功率達(dá)96%,較好的滿足了管道焊接施工需求。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG409;TE973.3
【圖文】：

圖 3-3 下位機(jī)最小系統(tǒng)電路本文采用 LQFP100 封裝的芯片進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，電源為 3.3V。最小系統(tǒng)主要包括復(fù)位和在線調(diào)試電路、時(shí)鐘電路、啟動(dòng)模式配置電路等。STM32 微控制器支持內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘，內(nèi)部時(shí)鐘采用鎖相環(huán)震蕩電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)供內(nèi)核運(yùn)行，但內(nèi)部時(shí)鐘精度較低，無法為定時(shí)器提供基準(zhǔn)時(shí)鐘。芯片外部可采用 25MHz 無源晶振，當(dāng)芯片上電默認(rèn)使用內(nèi)部時(shí)鐘啟動(dòng)，之后由初始化函數(shù)將時(shí)鐘源配置為外部時(shí)鐘。U5B 為主控芯片的最小系統(tǒng)接口部分，主控芯片的其余引腳未體現(xiàn)在圖中。由于芯片帶有片內(nèi) RAM 和 Flash，整個(gè)系統(tǒng)不需要外接存儲(chǔ)設(shè)備，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過拉高或拉低 BOOT0 和 BOOT1 的輸入電平，可設(shè)置芯片由內(nèi)部 Flash啟動(dòng)模式、內(nèi)部 RAM 啟動(dòng)模式、系統(tǒng)存儲(chǔ)器啟動(dòng)模式。本文設(shè)置為內(nèi)部 Flash啟動(dòng)模式，BOOT0 和 BOOT1 均被拉低。ARM cortex-M4 處理器內(nèi)核支持 JTAG 和 SWD 等多種調(diào)試技術(shù)。SWD 調(diào)試接口占用的芯片引腳更少，最少只需要三根信號(hào)線即可支持芯片的在線調(diào)試。

文采用的 RVMDK 開發(fā)環(huán)境可支持 SWD 調(diào)試模式。穩(wěn)定可靠的電源是系統(tǒng)正常工作的重要保證，下位機(jī)主板使用的芯片和電路的電源和信號(hào)一般為 3-5V。STM32 微控制器內(nèi)部集成了先進(jìn)的電源管能。下位機(jī)主板采用 5V 電源供電，而主控芯片需要 3.3V 電源供電，主板成了三端穩(wěn)壓器為主控芯片提供電源。電源電路如圖 3-4 所示。

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