CN102371414A - 基于网络的管线全位置焊接控制系统 - Google Patents

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李志刚
焦向东
曹军
陈翠和
纪文刚
曹为
李铁香
张立新
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Abstract

一种基于网络的管线全位置焊接控制系统，设有主控单元(4)，主控单元(4)通过控制网络输出各个空间特征点的焊接参数，并通过控制网络与焊车系统(1)实现位置、速度和转矩等数据传输；同时，在两者之间传递配置参数、状态信息等非周期性数据；所有运动控制系统过程参数通过控制网络传递至主控单元(4)；焊车行走控制单元(11)插值计算出当前空间位置的焊接参数；焊接电源(3)计算出匹配的送丝速度并以该位置的焊接参数起弧焊接，以实现焊接工艺参数的连续变化。本发明结构简单，运行可靠；其实现了管线焊接过程的计算机集成控制；且通过控制网络实现了各子系统的协同控制，提高了焊接质量和焊接速度。

Description

基于网络的管线全位置焊接控制系统
技术领域
本发明涉及焊接设备，尤其涉及一种基于网络的管线全位置焊接控制系统。
背景技术
目前，国内外成熟的管线焊机控制系统大多采用集中控制，各功能系统数据交互少、无法实现多子系统间的协同控制，焊接过程人工参与多，焊接质量亟待提高。
现有的管线全位置焊接控制系统主要包括：主控单元、焊车、焊接电源及手控器等，主控单元是由PLC可编程序控制器、单片机或数字信号处理器(DSP)芯片构成，主控单元与焊车、焊接电源以及手控器等的连接通常采用I/O信号直接相连的形式，线缆多，信号易受干扰；控制电机(步进或伺服电机)的驱动器与电机分装在主控单元和焊车上；焊接电源与主控单元之间多采用模拟量设定参数，抗干扰能力差，精度低，能够监控的焊接过程量较少，实现精细焊接非常困难；系统的可扩充性较差，不利于系统功能的扩展；现有的管线全位置焊接控制系统还不能实现焊接过程数据的历史记录与查询，更不能实现焊接系统工艺和设备参数的多种选择等。
管线焊接控制系统需突破的技术瓶颈就是更好地实现各子系统的无缝集成，即焊接过程数据的透明传递。开放的控制网络是实现多传感器融合、多焊接过程协同控制进而提高焊接质量的基本前提。建立开放的管线焊接控制系统的体系结构，实现规范化集成控制是解决问题的关键。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种基于网络的管线全位置焊接控制装置，其由角度传感器测得焊车当前管线空间位置，主控单元通过控制网络输出各个空间特征点的焊接参数，行走控制单元插值计算出当前空间位置的焊接参数，焊接电源以该位置的焊接参数起弧焊接，实现焊接工艺参数的连续变化，同时，建立焊接过程数据库，实现了管线焊接过程的计算机集成控制；且通过控制网络实现了各子系统的协同控制，提高了焊接质量和焊接速度。
本发明的目的是由以下技术方案实现的：
一种基于网络的管线全位置焊接控制系统，设有主控单元(4)，其特征在于：主控单元(4)通过现场总线分别与焊接电源(3)、手控盒(5)、运动控制系统主控单元(2)、焊车系统(1)中的焊枪摆动控制单元(14)、焊车行走控制单元(11)及焊枪高低控制单元(13)相联；焊车行走控制单元(11)与一检测焊车当前所处管道空间位置的倾角检测装置(12)相联；该主控单元(4)通过控制网络输出各个空间特征点的焊接参数，并通过控制网络与焊车系统(1)实现位置、速度和转矩等数据传输；同时，在两者之间传递配置参数、状态信息等非周期性数据；所有运动控制系统过程参数通过控制网络传递至主控单元(4)；焊车行走控制单元(11)插值计算出当前空间位置的焊接参数；焊接电源(3)计算出匹配的送丝速度并以该位置的焊接参数起弧焊接，以实现焊接工艺参数的连续变化。
所述主控单元(4)包括：工业控制计算机(41)、所有设定数值具有掉点保持的焊接数据库(42)及CAN数据采集卡，所有运动控制系统过程参数通过控制网络传递至主控单元(4)中的焊接数据库(42)。
所述焊枪高低控制单元(13)和焊枪摆动控制单元(14)的高低位置、摆动幅度和摆动速度由工业控制计算机(41)与焊车系统(1)通过控制网络实现设定；焊枪摆动控制单元(14)建立摆动坐标系下的绝对定位坐标，采用摆幅范围内的预设边界停车换向标志，实现系统的快速往返摆动运动。
所述手控盒(5)包括：远程控制盒无线接收器、远程控制盒无线发射器、现场总线子站及I/O模块，远程控制盒无线接收器与现场总线子站及I/O模块相联，焊枪摆动控制单元(14)的摆动幅度和摆动速度的偏移量摆动偏移量的调整通过手控盒(5)进行。
所述运动控制系统主控单元(2)通过控制网络实现对焊车行走控制单元(11)中两台行走电机(16)、(18)及其传动机构的同步控制，并根据倾角检测装置(12)的信号输出和预设特征值进行插值计算，实现管线全位置起弧焊接控制。
所述焊车行走控制单元(11)采用主从式耦合控制算法，主电机(16)速度由工业控制计算机(41)与焊接数据库(42)设定，在焊接过程中紧密跟踪设定值，从行走电机(18)以主行走电机(16)的输出作为设定值，在运行过程中紧密跟踪主行走电机(16)，保持和主行走电机(16)的同步，同时，从行走电机(18)的反馈加入到主行走电机(16)回路，使得主行走电机(16)也可以在从行走电机(18)出现动态扰动时与从行走电机(18)保持同步；倾角检测装置(12)接入行走伺服驱动器(17)的模拟量输入端口。
所述倾角检测装置(12)为空间角度检测传感器。
所述焊接电源(3)与送丝系统之间通过RS-232串行接口相联接，焊接电源(3)通过控制网络接收焊接电流、电压等参数的设置，并利用其内部的焊接专家系统推算出送丝速度并设定送丝系统；同时，通过现场总线，工业控制计算机(41)能够读取焊接电源(3)内的所有焊接过程参数并存入焊接数据库(42)中，以备查询和数据挖掘。
本发明的有益效果：
1、本发明采用基于控制网络的管线空间位置与焊接参数相匹配的控制策略，控制网络实现了各子系统的协同控制，提高了焊接质量和焊接速度。
2、本发明行走控制单元的两台行走电机及其传动机构的同步控制是由运动控制系统主控单元通过控制网络实现同步控制；采用主从式耦合控制算法，从行走电机是以主行走电机的输出作为设定值，在运行过程中紧密跟踪主行走电机，保持和主行走电机的同步；同时，从行走电机的反馈加入到主行走电机回路，使得主行走电机也可以在从电机出现动态扰动时与从电机保持同步。
3、本发明焊接数据库中所有设定数值具有掉电保持功能，所有运动系统和焊接系统的过程参数通过控制网络传递，大量经验参数保存在数据库中，同时，大量的运动参数和焊接工艺参数存入数据库中以备数据查询和挖掘。
4、本发明结构简单，运行可靠，使用维护简单。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的管线空间分布样例图。
图3为本发明的焊车行走控制单元电气控制示意图。
图4为本发明的高低调整与摆动控制单元电气控制示意图。
图5为本发明的焊接子系统电气控制示意图。
图6为本发明的数据库子系统画面示意图。
图中主要标号说明：
1-焊车系统，11-焊车行走控制单元，12-倾角检测装置，13-焊枪高低控制单元，14-焊枪摆动控制单元，15-行走伺服驱动器，16-行走电机，17-行走伺服驱动器，18-行走电机，2-运动控制系统主控单元，3-焊接电源，4-主控单元，41-工业控制计算机，42-焊接数据库，5-手控盒。
具体实施方式
如图1，图2所示，本发明主要由焊车系统1，运动控制系统主控单2，焊接电源3，主控单元4和手控盒系统5组成，主控单元4通过现场总线分别与焊接电源3、手控盒5、运动控制系统主控单元2、焊车系统1中的焊枪摆动控制单元14、焊车行走控制单元11及焊枪高低控制单元13相联；焊车行走控制单元11与一检测焊车当前所处管道空间位置的倾角检测装置12相联；其中：主控单元4包括：工业控制计算机41、焊接数据库42及CAN数据采集卡，焊接数据库42中所有设定数值具有掉点保持功能；主控单元4通过控制网络输出各个空间特征点的焊接参数，并通过控制网络与焊车系统1实现位置、速度和转矩等数据传输，也可以在两者之间传递配置参数、状态信息等非周期性数据；所有运动控制系统过程参数通过控制网络传递至焊接数据库42。
如图2及图6所示，主控单元4通过控制网络将焊接数据库42给出的对应图2、参数表和图6的每道焊口的各个空间特征点的焊接速度传入行走控制单元11，倾角检测装置12测得焊车当前所处的管线空间位置，并以此角度值插值计算出当前空间位置的焊接速度去驱动焊车系统1以此速度运行；工业控制计算机41通过网络读入倾角检测装置12当前管线所处的空间角度并插值计算出当前空间位置的焊接电流和焊接电压，焊接电源3内的焊接专家系统推算出匹配的送丝速度并以该位置的焊接参数起弧焊接，实现焊接工艺参数的连续变化，同时，建立焊接数据库42，实现了管线焊接过程的计算机集成控制。
下表为与图2管线空间分布相对应的特征点参数表：
Figure BSA00000237288300051
基于控制网络的速度转矩双闭环增益非线性前馈补偿控制算法用以提高焊车行走平稳性和速度跟踪精度，选择一号行走电机作为主行走电机16，2号行走电机为从行走电机18的主从式耦合控制算法。
如图3所示，焊车行走控制单元11中的两台行走电机16和18及其传动机构的同步控制是由运动控制系统主控单元2通过控制网络实现同步控制。
采用主从式耦合控制算法，从行走电机18以主行走电机16的输出作为设定值，在运行过程中紧密跟踪主行走电机16，保持和主行走电机16的同步；同时，从行走电机18的反馈加入到主行走电机16回路，使得主行走电机16也可以在从行走电机18出现动态扰动时与从行走电机18保持同步；倾角检测装置12接入行走伺服驱动器17的模拟量输入端口。行走电机16和18：为伺服电机。
如图4所示，焊枪摆动控制单元14建立摆动坐标系下的绝对定位坐标，采用摆幅范围内的预设边界停车换向标志，实现系统的快速往返摆动运动。摆动幅度和摆动速度由工业控制计算机41与焊车系统1通过控制网络设定，焊枪摆动控制单元(14)的摆动幅度和摆动速度的偏移量可通过手控盒系统5进行手动修改。
如图5所示，焊接电源3通过CANopen现场总线与工业控制计算机41相联接，焊接电源3与送丝系统之间通过RS-232串行接口相联接；送丝系统内设有焊丝速度检测与闭环装置；通过控制网络，焊接电源3接收焊接电流、电压等参数的设置，利用其内部的焊接专家系统推算出送丝速度并设定送丝系统；同时，通过现场总线，工业控制计算机41能够读取焊接电源3内的所有焊接过程参数并存入焊接数据库42中，以备查询和数据挖掘。
如图6所示，每道焊口的几何尺寸根据工艺要求通过这个画面设置，根据设定的数据，推算出焊枪的摆动参数、焊枪的高度、焊车的运动速度、以及焊接电源的电流和电压等参数。
本实施例的控制设备主要包括：
焊车行走控制单元11由焊车行走驱动电机：Maxon公司80W直流无刷电机EC32，减速机GP 32C 706：1，光电编码器HEDS5540，对应Elmo伺服驱动器：SOL-WHI15/60E01；倾角检测装置12为：QXJT-360-BLV-Φ64(Φ80)空间角度检测传感器组成；
焊枪高低控制单元13、焊枪摆动控制单元14由焊枪高低、摆动电机：Maxon公司5W直流无刷电机EC-max16；减速机GP 16A 690：1，光电编码器MR512，
对应Elmo伺服驱动器：SOL-WHI15/60E01组成；；
运动控制系统主控单元2为：多轴运动控制器MAESTRO
焊接电源为：TPS 4000
主控单元4为：通用工业控制计算机、通用组态平台
手控盒系统5包括：远程控制盒无线接收器、远程控制盒无线发射器、现场总线子站及I/O模块，远程控制盒无线接收器与现场总线子站及I/O模块相联，焊枪摆动控制单元14摆动幅度和摆动速度的偏移量摆动偏移量的调整通过手控盒5进行。
远程控制盒无线接收器、远程控制盒无线发射器、现场总线子站及I/O模块为已知技术。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于网络的管线全位置焊接控制系统，设有主控单元(4)，其特征在于：主控单元(4)通过现场总线分别与焊接电源(3)、手控盒(5)、运动控制系统主控单元(2)、焊车系统(1)中的焊枪摆动控制单元(14)、焊车行走控制单元(11)及焊枪高低控制单元(13)相联；焊车行走控制单元(11)与一检测焊车当前所处管道空间位置的倾角检测装置(12)相联；该主控单元(4)通过控制网络输出各个空间特征点的焊接参数，并通过控制网络与焊车系统(1)实现位置、速度和转矩等数据传输；同时，在两者之间传递配置参数、状态信息等非周期性数据；所有运动控制系统过程参数通过控制网络传递至主控单元(4)；焊车行走控制单元(11)插值计算出当前空间位置的焊接参数；焊接电源(3)计算出匹配的送丝速度并以该位置的焊接参数起弧焊接，以实现焊接工艺参数的连续变化。
2.根据权利要求1所述的基于网络的管线全位置焊接控制系统，其特征在于：所述主控单元(4)包括：工业控制计算机(41)、所有设定数值具有掉点保持的焊接数据库(42)及CAN数据采集卡，所有运动控制系统过程参数通过控制网络传递至主控单元(4)中的焊接数据库(42)。
3.根据权利要求1所述的基于网络的管线全位置焊接控制系统，其特征在于：所述焊枪高低控制单元(13)和焊枪摆动控制单元(14)的高低位置、摆动幅度和摆动速度由工业控制计算机(41)与焊车系统(1)通过控制网络实现设定；焊枪摆动控制单元(14)建立摆动坐标系下的绝对定位坐标，采用摆幅范围内的预设边界停车换向标志，实现系统的快速往返摆动运动。
4.根据权利要求1所述的基于网络的管线全位置焊接控制系统，其特征在于：所述手控盒(5)包括：远程控制盒无线接收器、远程控制盒无线发射器、现场总线子站及I/O模块，远程控制盒无线接收器与现场总线子站及I/O模块相联，焊枪摆动控制单元(14)的摆动幅度和摆动速度的偏移量摆动偏移量的调整通过手控盒(5)进行。
5.根据权利要求1所述的基于网络的管线全位置焊接控制系统，其特 征在于：所述运动控制系统主控单元(2)通过控制网络实现对焊车行走控制单元(11)中两台行走电机(16)、(18)及其传动机构的同步控制，并根据倾角检测装置(12)的信号输出和预设特征值进行插值计算，实现管线全位置起弧焊接控制。
6.根据权利要求1或5所述的基于网络的管线全位置焊接控制系统，其特征在于：所述焊车行走控制单元(11)采用主从式耦合控制算法，主电机(16)速度由工业控制计算机(41)与焊接数据库(42)设定，在焊接过程中紧密跟踪设定值，从行走电机(18)以主行走电机(16)的输出作为设定值，在运行过程中紧密跟踪主行走电机(16)，保持和主行走电机(16)的同步，同时，从行走电机(18)的反馈加入到主行走电机(16)回路，使得主行走电机(16)也可以在从行走电机(18)出现动态扰动时与从行走电机
(18)保持同步；倾角检测装置(12)接入行走伺服驱动器(17)的模拟量输入端口。
7.根据权利要求1、5或6所述的基于网络的管线全位置焊接控制系统，其特征在于：所述倾角检测装置(12)为空间角度检测传感器。
8.根据权利要求1所述的基于网络的管线全位置焊接控制系统，其特征在于：所述焊接电源(3)与送丝系统之间通过RS-232串行接口相联接，焊接电源(3)通过控制网络接收焊接电流、电压等参数的设置，并利用其内部的焊接专家系统推算出送丝速度并设定送丝系统；同时，通过现场总线，工业控制计算机(41)能够读取焊接电源(3)内的所有焊接过程参数并存入焊接数据库(42)中，以备查询和数据挖掘。 
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