CN104625334B - 粗管对焊自动控制装置及该控制装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

粗管对焊自动控制装置及该控制装置的控制方法，涉及粗管对焊控制技术。它为了解决现有的焊接自动控制系统还无法实现焊接过程的精准控制，导致焊缝质量差、焊接效率低的问题。本发明在控制器内嵌入软件实现的控制模块，通过控制器控制行走电机和送丝电机的运动以及两个电磁阀的开启。当选择自动控制模式时，控制器通过CAN总线发送控制信号，控制相应的执行机构进行焊接，并从CAN总线上读取焊枪的电压电流等参数以进行显示。上述粗管对焊自动控制装置及该控制装置的控制方法能够实现焊接过程的精准控制，且焊缝质量好、焊接效率高。本发明适用于海洋工作平台建造过程中桩管的焊接。

Description

粗管对焊自动控制装置及该控制装置的控制方法

技术领域

本发明涉及粗管对焊控制技术。

背景技术

在海洋工作平台建造过程中，打导管桩是整个过程中最基本的部分，通常桩管的直径为900～1600mm，桩管的长度也比较长，一般为50～80m。工作开始前，需要把整个桩管分成2～3段，每段桩管30m左右，同时会在每段的端部都会焊有桩舌，这样的目的是为了两段桩管对接的时候更加便利。桩管安装过程利用打桩机将定位好的第一段桩管打入海底，在桩管顶端合适的位置搭好临时工作平台(一般距顶端1米处)，接下来焊接工人需要完成对两段桩管的组焊，需要先组对，再利用大型浮吊将另一桩管和第一段桩管找正，再将两段焊接在一起。

在焊接工作中，先用手工焊打底，然后将柔性轨道安装在焊缝以上300～400mm处，柔性轨道一般将整体分为两部分或者四部分，方便安装和拆卸，接着将焊接小车挂在轨道上，调节焊枪的姿态调整机构，确保喷嘴与焊道相距15mm左右，距离太远容易导致引弧不成功，而且会失去保护气在电弧区域形成保护层的作用，并且导致大量气孔，严重影响焊接质量。确保所有焊枪的焊接电源都是可控的，调整焊接起始位置，然后开始焊接。在焊接的过程中，由于焊缝的不一致性，有些焊缝高低不平，坡度和深度也不一样，需要焊接工人通过姿态调整机构调整焊枪最佳的焊接位置。

通过对行走速度和送丝速度的控制来控制焊接电流，焊接电流不能太大，由于是横焊，如果焊接电流太大，一方面导致熔池里的液态金属下坠，导致瘤状，影响下一条焊道的焊接，另一方面影响焊接品质。

每条柔性轨道挂单个或多个焊接小车，每个焊接小车上安装一把或者两把焊枪，这样每个焊接小车只负责半个圆或者四分之一圆的焊缝。在两把焊枪同时工作的情况下，需要对两把焊枪的相对位置作更细微的调整，确保两条焊道不会相互影响。这样一趟半圆，就能直接焊好两条焊道，提高了工作效率。两个焊接小车同时焊接，焊接工人只需要操作自动焊接系统，不时调整焊枪位置。

但现有的焊接自动控制系统还无法实现焊接过程的精准控制，导致焊缝质量差、焊接效率低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的焊接自动控制系统还无法实现焊接过程的精准控制，导致焊缝质量差、焊接效率低的问题，提供一种粗管对焊自动控制装置及该控制装置的控制方法。

本发明所述的粗管对焊自动控制装置包括三个直流伺服电机驱动器8、三个电机9和两个焊接电源，其中一个电机9作为行走电机，用于带动焊接小车沿柔性轨道运动，另外两个电机9作为送丝电机，控制两个焊枪的送丝速度；三个直流伺服电机驱动器8分别用于驱动三个电机9，两个焊接电源用于为两个焊枪提供工作电源；

所述的粗管对焊自动控制装置还包括两个单路直流电压变送器1、两个交流电流传感器2、预送气设置电路4、延时送气设置电路5、焊接控制器6、两个电磁阀3、显示装置7、电源控制器10、变压器11和直流控制电源12；

其中，两个单路直流电压变送器1、两个交流电流传感器2、焊接控制器6和三个直流伺服电机驱动器8位于焊接控制箱内，电源控制器10和变压器11位于电源控制箱内；

所述的焊接控制器6和电源控制器10均采用C8051F040单片机实现；

所述的三个电机9均为直流微电机；

所述的三个直流伺服电机驱动器8均为直流伺服电机驱动器；

所述两个单路直流电压变送器1分别用于测量两个焊枪的输入电压，两个单路直流电压变送器1的电压检测信号输出端分别连接焊接控制器6的两个电压检测信号输入端；

两个交流电流传感器2分别用于测量两个焊枪的输入电流，两个交流电流传感器2的电压电流检测信号输出端分别连接焊接控制器6的两个电流检测信号输入端；

预送气设置电路4的信号输出端连接焊接控制器6的预送气时间信号输入端；

延时送气设置电路5的信号输出端连接焊接控制器6的延时送气时间信号输入端；

焊接控制器6的两个送气控制信号输出端分别连接个电磁阀3的控制信号输入端；

焊接控制器6的显示信号输出端连接显示装置7的信号输入端；

焊接控制器6的两个启动控制信号输出端分别连接两个焊机的启动控制信号输入端；

电源控制箱用于为粗管对焊自动控制装置提供工作电源，变压器11将输入的220V交流电压转换成36V交流电压，为电源控制器10提供工作电源，直流控制电源12将输入的220V交流电压转换成直流电压，为三个电机9提供工作电源，电源控制器10的两个焊接电源控制信号输出端分别连接两个焊接电源的控制信号输入端；

电源控制箱与焊接控制之间通过CAN总线进行数据传输；

所述的电源控制器10内嵌入由软件实现的电源控制模块，该控制模块包括以下单元：

自动焊接模式判断单元：判断接收到的模式选择信号是否为自动焊接模式信号，并在判断结果为是时启动自动控制单元，在判断结果为否时启动半自动控制单元；

电压电流控制单元：接收焊接控制器6通过CAN总线发来的电压和电流信号，并根据该信号控制直流控制电源12产生相应的电压和电流；

所述焊接控制器6内嵌入由软件实现的焊接控制模块，该控制模块包括以下单元：

自动控制单元：自动控制行走电机的行走速度和送丝电机的送丝速度、以及两个电磁阀3的开启和关闭，实现自动焊接过程；

半自动控制单元：在每次接收到用户设定的参数之后，向相应的执行机构发送控制信号；

所述的自动控制单元包括以下单元：

采样单元：接收两个单路直流电压变送器1和两个交流电流传感器2发来的采样数据，并在该单元运行结束之后启动采样数据处理单元；

采样数据处理单元：对采样数据进行处理，得到两个焊机的输入电压和输入电流；并在该单元运行结束之后启动显示信号发送单元；

显示信号发送单元：将采样数据处理单元处理得到的两个焊机的输入电压和输入电流发送给显示单元；并在该单元运行结束之后启动采样单元；

电磁阀及电机控制单元：根据预先设定好的参数控制两个电磁阀3的开启和关闭、以及三个电机9的运行速度；

系统运行状态跑飞判断单元：判断控制模块的运行状态是否跑飞，并在判断结果为是时重启控制模块，在判断结果为否时重新启动系统运行状态跑飞判断单元；

所述系统运行状态跑飞判断单元采用看门狗实现。

上述控制装置的控制方法包括电源控制方法和焊接控制方法，

所述的电源控制方法包括以下步骤：

自动焊接模式判断步骤：判断接收到的模式选择信号是否为自动焊接模式信号，并在判断结果为是时执行自动控制步骤，在判断结果为否时执行半自动控制步骤；

电压电流控制步骤：接收焊接控制器6通过CAN总线发来的电压和电流信号，并根据该信号控制直流控制电源12产生相应的电压和电流；

所述的焊接控制方法包括以下步骤：

自动控制步骤：自动控制行走电机的行走速度和送丝电机的送丝速度、以及两个电磁阀3的开启和关闭，实现自动焊接过程；

半自动控制步骤：在每次接收到用户设定的参数之后，向相应的执行机构发送控制信号，并在该步骤运行结束之后结束所述焊接方法；

所述的自动控制步骤包括以下步骤：

采样步骤：接收两个单路直流电压变送器1和两个交流电流传感器2发来的采样数据，并在该步骤结束之后执行采样数据处理步骤；

采样数据处理步骤：对采样数据进行处理，得到两个焊机的输入电压和输入电流；并在该步骤结束之后执行显示信号发送步骤；

显示信号发送步骤：将采样数据处理步骤处理得到的两个焊机的输入电压和输入电流发送给显示步骤；并在该步骤结束之后执行采样步骤；

电磁阀及电机控制步骤：根据用户设定的参数控制两个电磁阀3的开启和关闭、以及三个电机9的运行速度；并在该步骤运行结束之后结束所述焊接方法；

系统运行状态跑飞判断步骤：判断控制模块的运行状态是否跑飞，并在判断结果为是时重启所述的控制方法，在判断结果为否时返回执行系统运行状态跑飞判断步骤；

所述系统运行状态跑飞判断步骤采用看门狗实现。

本发明中，一个电机9用来控制焊接小车沿轨道运动(即横向运动)，进而带动两个焊枪沿柔性轨道运动，焊枪的纵向位置和高度可通过焊枪的姿态调整机构进行手工调节，另外两个电机9作为送丝电机控制送丝速度，以配合焊枪横向运动速度(即行走电机速度)，电源控制器10根据焊接控制器6发来的信号控制焊机的焊接电压，以此协同控制焊接电流，完成焊接任务，同时，对采集到的焊枪的输入电压和电流进行显示。

本发明将整个控制装置在结构上分为焊接控制箱和电源控制箱两部分，之所以把整个电控系统分为两个部分，是因为在实际的工业现场上，焊机由于体积过于庞大且不适合经常搬动，必须放在固定的集装箱(即电源控制箱)里，而焊接控制箱便于携带，主要是放在工作区旁边，方便操作和看护。由于海桩焊接工作现场的条件限制，往往焊机和焊接控制箱之间有60米左右的距离。把电源控制分开为单个系统，焊接控制箱和电源控制箱之间通过CAN总线通信，由于之间通过数字信号传输并且CAN总线的可靠性，可以最大限度地降低外界对系统的干扰。

焊接控制箱负责对焊接小车的控制，包括对焊机的控制，即引弧、断弧以及实时焊接电压的调节等。其中焊枪的横向移动由行走电机完成，送丝则由送丝电机完成，焊接开始后，在送丝轮的推进下，焊丝与焊件之间产生电弧，并且释放大量的热量，在电弧区域内形成熔池，液态金属冷却后凝固形成焊缝，随着焊枪的移动，形成一条焊缝。焊接控制箱分别对两把焊枪的焊接电压和焊接电流进行采样，并把电压和电流信息发送到CAN总线上，焊接开始之前读取预送气时间的设定值，等待CAN总线上的焊接开始信号，进而去相应的控制电磁阀、送丝电机和行走电机，焊接结束之前也会读取延迟送气时间的设定。焊接控制箱上电之后都会通过状态指示灯来显示当前各个模块的工作状态，可以更好的监控整个系统的正常运行。

电源控制箱负责对焊接电压的调节，并且对焊接开始信号和焊接结束信号的控制。电源控制箱上电之后，主要是先判断是处于自动或者是半自动控制，如果是自动控制，则等待CAN总线上的数据，接收到焊接开始的命令之后，接收关于焊接电压、焊接电流、送气时间等给定信号，将该信号处理后，通过DA输出模拟信号去控制相应的执行机构(如电磁阀和电机等)。

上述粗管对焊自动控制装置及该控制装置的控制方法能够实现焊接过程的精准控制，且焊缝质量好、焊接效率高。

附图说明

图1为实施方式一中焊接控制箱的原理框图；

图2为实施方式一中电源控制箱的原理框图；

图3为实施方式八所述的粗管对焊自动控制装置的控制方法的流程图；

图4为实施方式三中运算放大电路的电路图；

图5为实施方式四中隔离电路的电路图；

图6为实施方式五中达林顿晶体管阵列的电路图；

图7为实施方式六中差分信号电路的电路图；

图8为实施方式七中电压给定电路的电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的粗管对焊自动控制装置包括三个直流伺服电机驱动器8、三个电机9和两个焊接电源，其中一个电机9作为行走电机，用于带动焊接小车沿柔性轨道运动，另外两个电机9作为送丝电机，控制两个焊枪的送丝速度；三个直流伺服电机驱动器8分别用于驱动三个电机9，两个焊接电源用于为两个焊枪提供工作电源；

所述的粗管对焊自动控制装置还包括两个单路直流电压变送器1、两个交流电流传感器2、预送气设置电路4、延时送气设置电路5、焊接控制器6、两个电磁阀3、显示装置7、电源控制器10、变压器11和直流控制电源12；

其中，两个单路直流电压变送器1、两个交流电流传感器2、焊接控制器6和三个直流伺服电机驱动器8位于焊接控制箱内，电源控制器10和变压器11位于电源控制箱内；

所述的焊接控制器6和电源控制器10均采用C8051F040单片机实现；

所述的三个电机9均为直流微电机；

所述的三个直流伺服电机驱动器8均为直流伺服电机驱动器；

所述两个单路直流电压变送器1分别用于测量两个焊枪的输入电压，两个单路直流电压变送器1的电压检测信号输出端分别连接焊接控制器6的两个电压检测信号输入端；

两个交流电流传感器2分别用于测量两个焊枪的输入电流，两个交流电流传感器2的电压电流检测信号输出端分别连接焊接控制器6的两个电流检测信号输入端；

预送气设置电路4的信号输出端连接焊接控制器6的预送气时间信号输入端；

延时送气设置电路5的信号输出端连接焊接控制器6的延时送气时间信号输入端；

焊接控制器6的两个送气控制信号输出端分别连接个电磁阀3的控制信号输入端；

焊接控制器6的显示信号输出端连接显示装置7的信号输入端；

焊接控制器6的两个启动控制信号输出端分别连接两个焊机的启动控制信号输入端；

电源控制箱用于为粗管对焊自动控制装置提供工作电源，变压器11将输入的220V交流电压转换成36V交流电压，为电源控制器10提供工作电源，直流控制电源12将输入的220V交流电压转换成直流电压，为三个电机9提供工作电源，电源控制器10的两个焊接电源控制信号输出端分别连接两个焊接电源的控制信号输入端；电源控制箱与焊接控制之间通过CAN总线进行数据传输；

所述的电源控制器10内嵌入由软件实现的电源控制模块，该控制模块包括以下单元：

自动焊接模式判断单元：判断接收到的模式选择信号是否为自动焊接模式信号，并在判断结果为是时启动自动控制单元，在判断结果为否时启动半自动控制单元；

电压电流控制单元：接收焊接控制器6通过CAN总线发来的电压和电流信号，并根据该信号控制直流控制电源12产生相应的电压和电流；

所述焊接控制器6内嵌入由软件实现的焊接控制模块，该控制模块包括以下单元：

自动控制单元：自动控制行走电机的行走速度和送丝电机的送丝速度、以及两个电磁阀3的开启和关闭，实现自动焊接过程；

半自动控制单元：在每次接收到用户设定的参数之后，向相应的执行机构发送控制信号；

所述的自动控制单元包括以下单元：

采样单元：接收两个单路直流电压变送器1和两个交流电流传感器2发来的采样数据，并在该单元运行结束之后启动采样数据处理单元；

采样数据处理单元：对采样数据进行处理，得到两个焊机的输入电压和输入电流；并在该单元运行结束之后启动显示信号发送单元；

显示信号发送单元：将采样数据处理单元处理得到的两个焊机的输入电压和输入电流发送给显示单元；并在该单元运行结束之后启动采样单元；

电磁阀及电机控制单元：根据预先设定好的参数控制两个电磁阀3的开启和关闭、以及三个电机9的运行速度；

系统运行状态跑飞判断单元：判断控制模块的运行状态是否跑飞，并在判断结果为是时重启控制模块，在判断结果为否时重新启动系统运行状态跑飞判断单元；

所述系统运行状态跑飞判断单元采用看门狗实现。

焊接控制箱的主要功能如下：

1、电压电流检测

单路直流电压变送器1型号为LF-DV11-33A1，该单路直流电压变送器1精度高且线性度好。其功能为将采集到的被测直流电压转换成线性比例的标准直流电压，然后发送给焊接控制器6。单路直流电压变送器1的具体技术参数如表1所示。

表1LF-DV11-33A1参数表

特性	数值	单位
			输入电压	0～65	V
输出电压	0～5	V
			绝缘电阻	≥20	MΩ
响应时间	≤300	ms
			供电电压	15	V

两个交流电流传感器2型号为LF-DI12-33A2，利用互感器电磁隔离原理，将输入的被测交流电流隔离转换成按线性比例输出的标准直流电压。交流电流传感器2的具体技术参数如表2所示。

表2LF-DI12-33A2参数表

特性	数值	单位
			测量范围	0～400	A
输出电压	0～5	V

失调电压	≤20	mV
			响应时间	≤200	mS
供电电压	15	V

2、预送气和延迟送气时间控制

预送气是在焊接开始之前需要提前通一段时间的保护气体，这样可以吹开焊接位置的空气，防止焊接时焊接材料发生氧化，提供最适合电弧燃烧的条件，保证正常引弧。延迟送气和预送气一样，焊接完后，焊接材料仍处于高温状态，如果马上停送保护气，则高温的焊接材料会发生氧化现象。所以现场焊接时可以根据不同情况设定预送气时间和延迟送气时间以保证焊接质量。

3、电机驱动

焊接过程中，焊接电流和焊接电压的稳定性至关重要，直接决定焊接质量。焊接电流的大小取决于送丝速度和行走速度，也就是电机速度，并且焊接过程具有非常强的瞬时性，并且焊缝各处高度不同，如果焊缝较高，则送丝轮的阻力就很大，需要送丝电机有足够的力矩完成送丝速度的调整，稳定焊接电流。这就对电机的性能和带载能力提出了很高的要求。本实施方式选用直流微电机，该电机采用了钢换向器和钢-碳电刷，在大功率工作环境下能够延长电机的使用寿命。该电机还配备有精密的减速箱，在大负载的情况下仍然能够出色的运行，确保系统的稳定性。此外，电机还配备有高精度的编码器，易组成闭环调速。

直流伺服电机驱动器8的型号为MLDS3610，该驱动器最大连续电流10A，最大峰值电流可达20A，过载能力可达800W，这样的特性完全满足了送丝负载较大的情况。并且该驱动器有多种控制模式，模拟信号速度控制模式、PWM信号速度控制模式、R232速度控制模式等，可以根据实际需求选择适当的控制模式，以达到更好的控制效果。设置模式是通过RS232在PC上进行设置，本实施方式选择的是PWM控制模式，实施起来在保证控制质量的情况下更为简单快捷。

使用时，首先设置技术参数，具体技术参数如表3所示。该驱动器支持在线监测，可以非常方便的调整相关的技术参数并观察效果，在调试的时候起到事半功倍的作用。根据不同力矩下，观察反应曲线，确定最佳的PID参数。根据焊接速度的要求适当调整最大速度和最小速度，由于所用的电机(型号为3863-024C)最高转速为5800RPM，相应调整最高速度并且不能超过5800RPM。

表3MLDS3610参数表

装置开机后，焊接控制器6先对系统各项功能进行初始化，包括看门狗、外部晶振、PCA、定时器、ADC和CAN等，还有相关的缓冲数组的初始化，包括CAN接收和发送的缓冲数组、ADC采样的缓冲数组，以及各个状态标志位的初始化。系统初始化尤为重要，初始化对象包括芯片内部和外部的所有外设。对于一些比较重要的数据，如焊机状态标志等，应该根据实际情况声明为volatile或者static，以防止数据越界或者数据被意外篡改。如果不初始化，上电后数组或者状态标志位里面存放的数据是随机的，存在很多不确定性因素，出现问题时很难排查。初始化结束后，由用户选择自动焊接模式或半自动焊接模式，如果选择半自动焊接模式，则用户每设定一个参数，由焊接控制器6发出一个控制信号，以完成相应的焊接步骤。如果选择自动焊接模式，则焊接控制器6接收CAN总线上的数据，包括电压、电流、预送气时间、延迟送气时间，然后对收到的数据进行信息处理，最后发出控制信号去控制电磁阀及相应的电机。具体流程如图3所示。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的粗管对焊自动控制装置的进一步限定，本实施方式中，所述的预送气设置电路4和延时送气设置电路5均采用旋转可变电阻实现。

通常情况下，现场工作人员工作时都会佩戴比较厚的手套，通过按键来设置各个参数不仅操作非常不方便，而且经常会有误操作，旋转可变电阻能够避免上述问题。本实施方式采用高精度的旋转可变电阻进行时间设定，旋转可变电阻相较于按键设定更加方便、快捷、直观。

具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的粗管对焊自动控制装置的进一步限定，本实施方式中，所述的两个单路直流电压变送器1、两个交流电流传感器2、预送气设置电路4和延时送气设置电路5与焊接控制器6之间均通过运算放大电路连接。

本实施方式中，两个单路直流电压变送器1、两个交流电流传感器2、预送气设置电路4和延时送气设置电路5输出的都是0～5V直流电压，而C8051F040单片机的引脚最高只能耐3.3V电压，并且不是标准电压，因此单片机不能对所述的0～5V直流电压直接进行AD采样。所述0～5V直流电压需要先经过运算放大电路把电压降到3.3V以下，再送入单片机进行AD采样。运算放大电路采用LM358运算放大器实现，电路如图4所示。

具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的粗管对焊自动控制装置的进一步限定，本实施方式中，焊接控制器6与三个直流伺服电机驱动器8之间均通过隔离电路连接，焊接控制器6与两个电磁阀3之间均通过光电隔离电路连接，所述光电隔离电路采用光电耦合器实现。

在电路保护方面，因为涉及到强电部分，如果调试过程中或者实际工作中出现问题，后果是非常严重的。所以在硬件电路设计中，对于弱电控制强电的系统在工业中都必须要进行强弱电隔离，以避免强弱电之间的电或磁干扰导致信号传输不正确，从而降低系统稳定性。本实施方式中，单片机输出和两路电磁阀控制信号和三路PWM信号，即单片机发送给直流伺服电机驱动器8的信号，采用光电隔离方法把弱电和强电隔离开防止强弱电的干扰，所用的光电耦合器型号为PC817，这是一种比较常用的线性光耦，当输入端输入信号，发光管会发出光线，照射在光敏管上，光敏管就会导通，从而达到了“电-光-电”的转换隔离。由于在输入端，C8051F040芯片引脚电压虽然是3.3V，但是由于电流信号比较弱，不能驱动光电耦合器，所以在输入端加上拉电阻，光电耦合器引脚的输出方式设置为漏极开路输出。隔离电路的结构如图5所示。

此外，单片机还输出三路急停信号(发生紧急情况时用于控制三个电机9急停)以及状态指示灯信号，在这些信号的传输路径中也设置隔离电路，以实现弱电和强电之间的隔离。

具体实施方式五：结合图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四所述的粗管对焊自动控制装置的进一步限定，本实施方式中，在光电隔离电路的输出端设置达林顿晶体管阵列。

光电隔离电路在一定程度上起到了强弱电隔离的作用，本实施方式中，单片机控制的器件比较多，有些器件电流较大，工作电压较高，所以在光电隔离电路的后级，加入高电压、大电流的达林顿晶体管阵列ULN2003，该达林顿晶体管阵列可以同时驱动七组负载，而且具有高电流增益特性，强带载能力等特点，非常适合控制输出信号多的系统。在光电隔离电路后级加入反向达林顿晶体管，再去控制相应的器件，在安全方面更加有保障。

考虑到工业现场中出现特殊的情况，如某一信号的控制输出出问题，无法正常输出信号，设计中预留出充足的备用端口；又如某些控制芯片故障，根据经验，将容易损坏的芯片(如光电耦合器PC817和达林顿管ULN2003)封装都选择直插式，容易更换和维护。ULN2003电路如图6所示。

具体实施方式六：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的粗管对焊自动控制装置的进一步限定，本实施方式中，所述的三个电机9的编码器反馈信号输出端分别通过三个差分信号电路与三个直流伺服电机驱动器8的编码器反馈信号输入端连接，所述的差分信号电路采用DS26LS31差分芯片实现。

电机编码器反馈信号，在外界干扰小且传输距离短的情况下，可以像传统的一根信号线一根地线的方法传输，不加处理的直接把反馈信号输入焊接控制器6中。但是在干扰环境比较恶劣的焊接工作区中，这样的处理是不合理的，也是不可取的。本实施方式将反馈信号进行差分处理后再送入焊接控制器6中。差分信号是在两根线上的信号传输，并且这两个信号具有相反的相位和相等的振幅。信号接收端需要比较接收到的这两组电压的差值，进而去判断是逻辑0还是逻辑1。经过实际验证，经过差分信号传输的处理，编码器反馈更加稳定，电机运行更加平稳。综合考虑了需要差分的信号比较多和性能方面的问题，本实施方式选用的差分芯片是DS26LS31，差分信号电路如图7所示。

具体实施方式七：结合图8说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的粗管对焊自动控制装置的进一步限定，本实施方式中，电源控制器10与焊接电源之间通过电压给定电路连接，所述电压给定电路包括运算放大电路和滑动变阻器，运算放大电路的同向输入端连接电源控制器10的一个焊接电源控制信号输出端，运算放大电路的反向输入端和输出端分别连接滑动变阻器的两端。

电源控制箱主要包括电压给定和焊接开始信号的控制，焊接开始信号的控制和焊接控制箱的电机控制是一致的，所采用的电路也是光电隔离后级加达林顿管的设计。本实施方式中，焊机的给定电压控制范围为0～5V，而C8051F040的DA输出最高为3.3V，不能满足给定电压的控制，为此需要把DA的输出经过运算放大器处理后才能满足焊机的工作要求，考虑到焊机选型的不同，给定电压的范围有可能超出0～5V的范围，因此在运算放大电路输出端和反向输入端之间接入高精度的滑动变阻器，从而达到了可以调整放大倍数的功能，这种结构增加了对不同的焊机的适应性和普遍性。电压给定电路的结构如图8所示。

具体实施方式八：本实施方式是对实施方式一所述的粗管对焊自动控制装置的进一步限定。在CAN总线的通信协议的规定中，可以根据实际需求自行设置通信的速率。由于CAN总线的通信的高精度要求，一般选用外部振荡器作为系统时钟，本设计采用的是22.1184M的晶振作为系统时钟。

CAN控制器中可以直接利用SFR访问的寄存器只有三个，其他的都必须通过MCU的特殊SFR间接访问。这类特殊的SFR如下几个，分别为CAN0DATH、CAN0DATL和CAN0ADR。每个CAN控制器的寄存器都有一个特定的索引值，访问这些寄存器的时候，先把索引值写进CAN0ADR，这样就可以使用CAN0DATH和CAN0DATL间接访问相应的CAN寄存器。

虽然CAN总线最高可以达到10Mbit/s的传输速率，但是此时通信距离必须在5米之内，即使在1Mbit/s的传输速率情况下，传输距离也必须在40米以下，否则信号传输延迟过大，大于采样时间，有可能会产生位错误，所以必须保证小于采样时间。传输速率和传输距离是一对成反比的关系，如果需要增加传输距离，就必须降低传输速率，设计中电源控制箱和焊接控制箱之间的距离60米左右，在保证传输的准确性下，必须降低传输速率。

修改传输速率需要修改波特率预分频器BRP，根据计算公式计算出相应数值再写入定时寄存器。

CAN0ADR＝BITREG；//将波特率预分频器索引送入地址寄存器

CAN0DAT＝0X182D；//传输速率为120Kbit/s。

在本实施方式中，由于焊接环境干扰非常大，可能性也非常多，所以数据的重要性是不言而喻的，数据的正确传输，数据的正确处理，才能保证正确的控制。针对CAN总线数据传输，硬件层面上CAN总线在工业设计中是非常可靠的，这对数据传输起到一个很大的保障，但是在软件层面上，为了更加安全，设计中加入了CRC校验，CRC校验在数据通信领域是一种很常见的差错校验码，又在软件上了一个保险。

以下为CRC校验的部分程序：

CRC校验有直接计算法和查表法等几种方法，因为直接计算法计算量比较大，比较占用时间，在对实时性比较敏感的情况下不适合采用这种方法。所以采用查表法，通过牺牲内存的方式来提高系统的高效性。上面程序中，AUCH_CRCH和AUCH_CRCL正是事先已经算好的CRC值。

本实施方式涉及到AD采集，这类数据的处理最常用的处理方式是收集几组数据，然后做算术平均。这种方法最为简单，但是也有其局限性，如果一次收集的数据的组数太少，这样缺乏代表性和稳定性，数据波动较大，如果一次收集的数据的组数太多，又缺乏实效性，反应滞后严重。显然这不是很理想的方法，综合考虑了实效性和代表性，选择滑动窗口平均的算法。滑动窗口平均最主要的特点就是简捷性，跟其他的动态测试数据的方法相比较，这种算法更为简单，计算量更小，尤其可以利用递推的形式来计算，节省了存储单元，实时处理一些不平稳的数据。

下面是AD采集的滑动平均程序：

FILTER_NUM是对滑动窗口大小的宏定义，可以根据实际的情况调整窗口大小，选择适合的窗口大小，本设计中用的是10，经过多次的调试测试得出窗口设置为10，此时AD采集到的模拟信号比较稳定，比较符合控制要求。

由于焊接工作对焊接时序要求非常严格，所以就需要非常严格的报文协议，报文协议的制定将在一定程度上决定了整个系统的安全性，同时也决定了系统的调试难度。在调试初期，通过对焊接任务的拆分详细分析，得出一份报文协议，当然报文协议中应该尽量避免漏洞。为了安全起见，CAN总线通信在引弧都有一次握手确认，比如发送焊接开始，焊接控制箱接收到焊接开始信号后执行预送气，结束之后发送预送气结束信号。CAN总线上区分每个节点的方法是程序中每个节点分配一个单独的ID，也就是不同的消息对象。CAN总线通信一次发送8个数据长度，第一个数据我们将其定义为命令码，后面的数据为不同命令码下的功能数据。在现场实际调试过程中，也是总结了很多的问题，也修改了不合理的协议，最后报文协议的稳定版本如表4所示：

表4报文协议表

具体实施方式九：结合图3说明本实施方式，本实施方式是实施方式一所述的粗管对焊自动控制装置的焊接方法，该方法包括电源控制方法和焊接控制方法，

所述的电源控制方法包括以下步骤：

自动焊接模式判断步骤：判断接收到的模式选择信号是否为自动焊接模式信号，并在判断结果为是时执行自动控制步骤，在判断结果为否时执行半自动控制步骤；

电压电流控制步骤：接收焊接控制器6通过CAN总线发来的电压和电流信号，并根据该信号控制直流控制电源12产生相应的电压和电流；

所述的焊接控制方法包括以下步骤：

自动控制步骤：自动控制行走电机的行走速度和送丝电机的送丝速度、以及两个电磁阀3的开启和关闭，实现自动焊接过程；

半自动控制步骤：在每次接收到用户设定的参数之后，向相应的执行机构发送控制信号，并在该步骤运行结束之后结束所述焊接方法；

所述的自动控制步骤包括以下步骤：

采样步骤：接收两个单路直流电压变送器1和两个交流电流传感器2发来的采样数据，并在该步骤结束之后执行采样数据处理步骤；

采样数据处理步骤：对采样数据进行处理，得到两个焊机的输入电压和输入电流；并在该步骤结束之后执行显示信号发送步骤；

显示信号发送步骤：将采样数据处理步骤处理得到的两个焊机的输入电压和输入电流发送给显示步骤；并在该步骤结束之后执行采样步骤；

电磁阀及电机控制步骤：根据用户设定的参数控制两个电磁阀3的开启和关闭、以及三个电机9的运行速度；并在该步骤运行结束之后结束所述焊接方法；

系统运行状态跑飞判断步骤：判断控制模块的运行状态是否跑飞，并在判断结果为是时重启所述的控制方法，在判断结果为否时返回执行系统运行状态跑飞判断步骤；

所述系统运行状态跑飞判断步骤采用看门狗实现。

Claims (8)

1.粗管对焊自动控制装置，包括三个直流伺服电机驱动器(8)、三个电机(9)和两个焊接电源，其中一个电机(9)作为行走电机，用于带动焊接小车沿柔性轨道运动，另外两个电机(9)作为送丝电机，控制两个焊枪的送丝速度；三个直流伺服电机驱动器(8)分别用于驱动三个电机(9)，两个焊接电源用于为两个焊枪提供工作电源；

其特征在于：所述的粗管对焊自动控制装置还包括两个单路直流电压变送器(1)、两个交流电流传感器(2)、预送气设置电路(4)、延时送气设置电路(5)、焊接控制器(6)、两个电磁阀(3)、显示装置(7)、电源控制器(10)、变压器(11)和直流控制电源(12)；

其中，两个单路直流电压变送器(1)、两个交流电流传感器(2)、焊接控制器(6)和三个直流伺服电机驱动器(8)位于焊接控制箱内，电源控制器(10)和变压器(11)位于电源控制箱内；

所述的焊接控制器(6)和电源控制器(10)均采用C8051F040单片机实现；

所述的三个电机(9)均为直流微电机；

所述两个单路直流电压变送器(1)分别用于测量两个焊枪的输入电压，两个单路直流电压变送器(1)的电压检测信号输出端分别连接焊接控制器(6)的两个电压检测信号输入端；

两个交流电流传感器(2)分别用于测量两个焊枪的输入电流，两个交流电流传感器(2)的电流检测信号输出端分别连接焊接控制器(6)的两个电流检测信号输入端；

预送气设置电路(4)的信号输出端连接焊接控制器(6)的预送气时间信号输入端；

延时送气设置电路(5)的信号输出端连接焊接控制器(6)的延时送气时间信号输入端；

焊接控制器(6)的两个送气控制信号输出端分别连接两个电磁阀(3)的控制信号输入端；

焊接控制器(6)的显示信号输出端连接显示装置(7)的信号输入端；

焊接控制器(6)的两个启动控制信号输出端分别连接两个焊枪的启动控制信号输入端；

电源控制箱用于为粗管对焊自动控制装置提供工作电源，变压器(11)将输入的220V交流电压转换成36V交流电压，为电源控制器(10)提供工作电源，直流控制电源(12)将输入的220V交流电压转换成直流电压，为三个电机(9)提供工作电源，电源控制器(10)的两个焊接电源控制信号输出端分别连接两个焊接电源的控制信号输入端；

电源控制箱与焊接控制器之间通过CAN总线进行数据传输；

所述的电源控制器(10)内嵌入由软件实现的电源控制模块，该控制模块包括以下单元：

自动焊接模式判断单元：判断接收到的模式选择信号是否为自动焊接模式信号，并在判断结果为是时启动自动控制单元，在判断结果为否时启动半自动控制单元；

电压电流控制单元：接收焊接控制器(6)通过CAN总线发来的电压和电流信号，并根据该信号控制直流控制电源(12)产生相应的电压和电流；

所述焊接控制器(6)内嵌入由软件实现的焊接控制模块，该控制模块包括以下单元：

自动控制单元：自动控制行走电机的行走速度、送丝电机的送丝速度以及两个电磁阀(3)的开启和关闭，实现自动焊接过程；

半自动控制单元：在每次接收到用户设定的参数之后，向相应的执行机构发送控制信号；

所述的自动控制单元包括以下单元：

采样单元：接收两个单路直流电压变送器(1)和两个交流电流传感器(2)发来的采样数据，并在该单元运行结束之后启动采样数据处理单元；

采样数据处理单元：对采样数据进行处理，得到两个焊枪的输入电压和输入电流；并在该单元运行结束之后启动显示信号发送单元；

显示信号发送单元：将采样数据处理单元处理得到的两个焊枪的输入电压和输入电流发送给显示单元；并在该单元运行结束之后启动采样单元；

电磁阀及电机控制单元：根据预先设定好的参数控制两个电磁阀(3)的开启和关闭、以及三个电机(9)的运行速度；

系统运行状态跑飞判断单元：判断焊接控制模块的运行状态是否跑飞，并在判断结果为是时重启焊接控制模块，在判断结果为否时重新启动系统运行状态跑飞判断单元；

所述系统运行状态跑飞判断单元采用看门狗实现。

2.根据权利要求1所述的粗管对焊自动控制装置，其特征在于：所述的预送气设置电路(4)和延时送气设置电路(5)均采用旋转可变电阻实现。

3.根据权利要求2所述的粗管对焊自动控制装置，其特征在于：所述的两个单路直流电压变送器(1)、两个交流电流传感器(2)、预送气设置电路(4)和延时送气设置电路(5)与焊接控制器(6)之间均通过运算放大电路连接。

4.根据权利要求2所述的粗管对焊自动控制装置，其特征在于：焊接控制器(6)与三个直流伺服电机驱动器(8)之间均通过隔离电路连接，焊接控制器(6)与两个电磁阀(3)之间均通过光电隔离电路连接，所述光电隔离电路采用光电耦合器实现。

5.根据权利要求4所述的粗管对焊自动控制装置，其特征在于：在光电隔离电路的输出端设置达林顿晶体管阵列。

6.根据权利要求4所述的粗管对焊自动控制装置，其特征在于：所述的三个电机(9)的编码器反馈信号输出端分别通过三个差分信号电路与三个直流伺服电机驱动器(8)的编码器反馈信号输入端连接，所述的差分信号电路采用DS26LS31差分芯片实现。

7.根据权利要求1所述的粗管对焊自动控制装置，其特征在于：电源控制器(10)与焊接电源之间通过电压给定电路连接；

所述电压给定电路包括运算放大电路和滑动变阻器，运算放大电路的同向输入端连接电源控制器(10)的一个焊接电源控制信号输出端，运算放大电路的反向输入端和输出端分别连接滑动变阻器的两端。

8.权利要求1所述的粗管对焊自动控制装置的控制方法，其特征在于：该方法包括电源控制方法和焊接控制方法，

所述的电源控制方法包括以下步骤：

自动焊接模式判断步骤：判断接收到的模式选择信号是否为自动焊接模式信号，并在判断结果为是时执行自动控制步骤，在判断结果为否时执行半自动控制步骤；

电压电流控制步骤：接收焊接控制器(6)通过CAN总线发来的电压和电流信号，并根据该信号控制直流控制电源(12)产生相应的电压和电流；

所述的焊接控制方法包括以下步骤：

自动控制步骤：自动控制行走电机的行走速度、送丝电机的送丝速度以及两个电磁阀(3)的开启和关闭，实现自动焊接过程；

半自动控制步骤：在每次接收到用户设定的参数之后，向相应的执行机构发送控制信号，并在该步骤运行结束之后结束所述焊接控制方法；

所述的自动控制步骤包括以下步骤：

采样步骤：接收两个单路直流电压变送器(1)和两个交流电流传感器(2)发来的采样数据，并在该步骤结束之后执行采样数据处理步骤；

采样数据处理步骤：对采样数据进行处理，得到两个焊枪的输入电压和输入电流；并在该步骤结束之后执行显示信号发送步骤；

显示信号发送步骤：将采样数据处理步骤处理得到的两个焊枪的输入电压和输入电流发送给显示步骤；并在该步骤结束之后执行采样步骤；

电磁阀及电机控制步骤：根据用户设定的参数控制两个电磁阀(3)的开启和关闭、以及三个电机(9)的运行速度；并在该步骤运行结束之后结束所述焊接控制方法；

系统运行状态跑飞判断步骤：判断控制模块的运行状态是否跑飞，并在判断结果为是时重启所述的焊接控制方法，在判断结果为否时返回执行系统运行状态跑飞判断步骤；

所述系统运行状态跑飞判断步骤采用看门狗实现。