CN113996896A - 管桩焊接小车控制系统及焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管桩焊接小车控制系统及焊接系统，包括控制器，所述控制器包括：主控模块、运动控制模块、接口电路、焊缝跟踪模块、气源控制模块、焊接电源控制模块和手持仪接口。本发明的管桩焊接小车控制系统通过设置运动控制模块控制驱动管桩焊接小车运动的步进电机工作，以控制管桩焊接小车运动，在实现随钻跟管桩的焊接控制要求的同时，可以大大降低运动控制难度和研发成本，在具有可扩展性的同时，能够快速实现产品化和市场化。

Description

管桩焊接小车控制系统及焊接系统

技术领域

本发明涉及焊接设备技术领域，特别是涉及一种管桩焊接小车控制系统及焊接系统。

背景技术

大直径随钻跟管桩施工过程中需要进行上下管桩的端部焊接，目前均为人工焊接，国外SERIMAX的钢管无缝焊接系统采用野外专用的焊接室，焊接室可以用吊车按需移动，焊接室内主要应用基于钢质轨道的焊接小车，该焊接小车采用人机协同模式，可以实现天燃气等圆形管道的野外快速焊接；唐山开元自动焊接装备有限公司研发的埋弧焊焊接小车应用于压力容器、钢构建筑、桥梁等，采用轮式小车可以在固定直线轨道上进行作业；成都熊谷加世电器有限公司的焊接小车，能够对天燃气、水电压力钢管等管道进行焊接。

目前市场上较多的为用于天燃气、石油、污水等管道焊接的焊接小车，管道焊接小车可以实现垂直焊接、横向焊接和水平焊接等多种位置焊接，没有用于随钻跟管桩的专用焊接设备。由于随钻跟管桩接头的特殊钢质结构和管桩结构的加工工艺原因，施工过程中可能会出现一定的变形和直径的误差；由于管桩为竖向布置，接桩部位是侧向剪力薄弱点，焊接为横焊，焊接处坡口较大等因素，管桩焊接对焊接小车的轨道、对误差适应性、施工效率和焊接质量提出了很高的要求。目前市场上用于管道焊接和一般管桩的焊接设备不适用于随钻跟管桩的焊接。

发明内容

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种管桩焊接小车控制系统，包括控制器，所述控制器包括：主控模块、运动控制模块、接口电路、焊缝跟踪模块、气源控制模块、焊接电源控制模块和手持仪接口；其中

所述接口电路设置于所述主控模块上，与所述主控模块相连接；

所述运动控制模块与所述主控模块相连接，并经由所述接口电路与驱动管桩焊接小车运动的步进电机相连接，用于在根据接收到的所述主控模块发送的运动控制信号，控制所述步进电机工作，以控制所述管桩焊接小车运动；

所述焊缝跟踪模块，与所述主控模块相连接，用于对焊缝位置及焊缝形状进行计算并输出至所述主控模块，所述主控模块基于计算结果控制焊机工作；

所述气源控制模块与焊接气体供给管路上的压力计、流量计及气源相连接，用于基于所述压力计及所述流量计侦测的数据对所述气源进行控制；

所述焊接电源控制模块与所述主控模块相连接，用于在接收到电源控制信号时对所述焊接小车及所述焊机的电源进行控制；

所述手持仪接口设置于所述主控模块上，与所述主控模块相连接；所述主控模块经由所述手持仪接口与手持仪相连接，用于在接收到所述手持仪发送的操作指令时生成相应的控制信号。

可选地，所述步进电机包括：X轴闭环步进电机、Y轴闭环步进电机、Z轴闭环步进电机及D轴闭环步进电机；所述运动控制模块通过控制所述步进电机实现对所述焊接小车X轴、Y轴、Z轴和D轴的四自由度运动控制。

可选地，所述X轴闭环步进电机、所述Y轴闭环步进电机、所述Z轴闭环步进电机及所述D轴闭环步进电机还均与所述主控模块相连接，向所述主控模块反馈编码信息及状态信号，所述主控模块还用于基于所述编码信息及所述状态信号反馈更新运动控制信号至所述运动控制模块，所述运动控制模块基于反馈更新的运动控制信号控制所述X轴闭环步进电机、所述Y轴闭环步进电机、所述Z轴闭环步进电机及所述D轴闭环步进电机工作。

可选地，还包括声光报警控制模块，与声光报警装置相连接，用于在所述管桩焊接小车工作异常时发出报警控制信号。

可选地，还包括程序存储模块，与所述主控模块相连接，用于在突然断电时对实时程序进行保存，以确保上电重启时所述管桩焊接小车控制系统继续工作。

可选地，还包括：无线云网关、云服务器及终端；所述无线云网关与所述控制器及所述云服务器通信连接，用于将所述控制器的数据上传至所述云服务器，所述云服务器与所述终端相连接，用于将接收到的数据发送至所述终端。

本发明还提供一种焊接系统，包括：

如上述任一方案中所述的管桩焊接小车控制系统；

管桩焊接小车，与所述控制器相连接，用于在所述控制器的控制下工作；

焊机，位于所述管桩焊接小车上，与所述控制器相连接，用于在所述控制器的控制下工作；

气源，与所述控制器相连接，用于在所述控制器的控制下经由焊接气体供给管路提供焊接气体；所述焊接气体供给管路上设有压力计及流量计；

焊枪，位于所述焊机上，与所述焊机及所述气源相连接；

手持仪，经由所述手持仪接口与所述主控模块相连接。

可选地，所述焊机内只有电流检测模块，所述电流检测模块与所述焊枪的电流输出端及所述主控模块相连接，所述主控模块基于所述焊枪的输出电流生成运动控制信号。

可选地，所述管桩焊接小车控制系统还包括声光报警控制模块，用于在所述管桩焊接小车工作异常时发出报警控制信号；所述焊接系统还包括声光报警装置，所述声光报警装置与所述声光报警控制模块相连接，用于在接收到所述报警控制信号时发出声光报警。

如上所述，本发明的管桩焊接小车控制系统及焊接系统，具有以下有益效果：

本发明的管桩焊接小车控制系统通过设置运动控制模块控制驱动管桩焊接小车运动的步进电机工作，以控制管桩焊接小车运动，在实现随钻跟管桩的焊接控制要求的同时，可以大大降低运动控制难度和研发成本，在具有可扩展性的同时，能够快速实现产品化和市场化；

本发明的焊接系统采用运动控制模块与驱动管桩焊接小车运动的步进电机相结合，以控制管桩焊接小车运动，在实现随钻跟管桩的焊接控制要求的同时，可以大大降低运动控制难度和研发成本，在具有可扩展性的同时，能够快速实现产品化和市场化。

附图说明

图1至图3为本发明实施例一中的管桩焊接小车控制系统结构框图。

图4为本发明实施例二中的焊接系统的一种工作流程图。

元件标号说明：1、控制器；11、主控模块；12、运动控制模块；13、接口电路；14、焊缝跟踪模块；15、气源控制模块；16、焊接电源控制模块；17、手持仪接口；18、声光报警控制模块；19、程序存储模块；2、无线云网关；3、云服务器；4、终端；41、PC终端；42、移动终端；43、Web终端。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

大直径随钻跟管桩施工过程中需要进行上下管桩的端部焊接，目前均为人工焊接，国外SERIMAX的钢管无缝焊接系统采用野外专用的焊接室，焊接室可以用吊车按需移动，焊接室内主要应用基于钢质轨道的焊接小车，该焊接小车采用人机协同模式，可以实现天燃气等圆形管道的野外快速焊接；唐山开元自动焊接装备有限公司研发的埋弧焊焊接小车应用于压力容器、钢构建筑、桥梁等，采用轮式小车可以在固定直线轨道上进行作业；成都熊谷加世电器有限公司的焊接小车，能够对天燃气、水电压力钢管等管道进行焊接。

目前市场上较多的为用于天燃气、石油、污水等管道焊接的焊接小车，管道焊接小车可以实现垂直焊接、横向焊接和水平焊接等多种位置焊接，没有用于随钻跟管桩的专用焊接设备。由于随钻跟管桩接头的特殊钢质结构和管桩结构的加工工艺原因，施工过程中可能会出现一定的变形和直径的误差；由于管桩为竖向布置，接桩部位是侧向剪力薄弱点，焊接为横焊，焊接处坡口较大等因素，管桩焊接对焊接小车的轨道、对误差适应性、施工效率和焊接质量提出了很高的要求。目前市场上用于管道焊接和一般管桩的焊接设备不适用于随钻跟管桩的焊接。

实施例一

请参阅图1所示，本发明提供一种管桩焊接小车控制系统，所述管桩焊接小车控制系统可以包括控制器1，所述控制器1包括：主控模块11、运动控制模块12、接口电路13、焊缝跟踪模块14、气源控制模块15、焊接电源控制模块16和手持仪接口17；其中，所述接口电路13设置于所述主控模块11上，所述接口电路13与所述主控模块11相连接；所述运动控制模块12与所述主控模块11相连接，并经由所述接口电路13与驱动管桩焊接小车(未示出)运动的步进电机(未示出)相连接，用于在根据接收到的所述主控模块11发送的运动控制信号，控制所述步进电机工作，以控制所述管桩焊接小车运动；所述焊缝跟踪模块14，所述焊缝跟踪模块14与所述主控模块11相连接，用于对焊缝位置及焊缝形状进行计算并输出至所述主控模块11，所述主控模块11基于计算结果控制焊机工作；所述气源控制模块15与焊接气体供给管路(未示出)上的压力计(未示出)、流量计(未示出)及气源(未示出)相连接，用于基于所述压力计及所述流量计侦测的数据对所述气源进行控制；所述焊接电源控制模块16与所述主控模块11相连接，用于在接收到电源控制信号时对所述焊接小车及所述焊机的电源进行控制；所述手持仪接口17设置于所述主控模块11上，所述手持仪接口17与所述主控模块11相连接；所述主控模块11经由所述手持仪接口17与手持仪(未示出)相连接，用于在接收到所述手持仪发送的操作指令时生成相应的控制信号。

本发明的管桩焊接小车控制系统通过设置所述运动控制模块11控制驱动管桩焊接小车运动的步进电机工作，以控制管桩焊接小车运动，在实现随钻跟管桩的焊接控制要求的同时，可以大大降低运动控制难度和研发成本，在具有可扩展性的同时，能够快速实现产品化和市场化。

具体的，所述运动控制模块11可以集成在所述主控模块11上，当然也可以独立于所述主控模块11之外。所述焊缝跟踪模块14可以集成在所述主控模块11上，当然也可以独立于所述主控模块11之外。

作为示例，所述步进电机可以包括：X轴闭环步进电机、Y轴闭环步进电机、Z轴闭环步进电机及D轴闭环步进电机；所述运动控制模块12通过控制所述步进电机实现对所述焊接小车X轴、Y轴、Z轴和D轴的四自由度运动控制。

具体的，所述运动控制模块12经所述接口电路13后，一路输入输出端与所述X轴闭环步进电机相连，一路输入输出端与所述Y轴闭环步进电机相连，一路输入输出端与所述Z轴闭环步进电机相连，一路输入输出端与所述D轴闭环步进电机相连。

在一个示例中，所述X轴闭环步进电机、所述Y轴闭环步进电机、所述Z轴闭环步进电机及所述D轴闭环步进电机还均与所述主控模块11相连接，向所述主控模块11反馈编码信息及状态信号，所述主控模块11还用于基于所述编码信息及所述状态信号反馈更新运动控制信号至所述运动控制模块12，所述运动控制模块12基于反馈更新的运动控制信号控制所述X轴闭环步进电机、所述Y轴闭环步进电机、所述Z轴闭环步进电机及所述D轴闭环步进电机工作。

在另一个示例中，请参阅图2，所述管桩焊接小车控制系统还可以包括声光报警控制模块18，所述声光报警控制模块18与声光报警装置(未示出)相连接，用于在所述管桩焊接小车工作异常时发出报警控制信号。

具体的，所述主控模块11上可以具有IO(输入输出)接口，所述声光报警控制模块18可以经由所述IO接口及继电器(未示出)与所述声光报警装置相连接。

在又一个示例中，所述管桩焊接小车控制系统还可以包括程序存储模块19，所述程序存储模块19与所述主控模块11相连接，所述程序存储模块19用于在突然断电时对实时程序进行保存，以确保上电重启时所述管桩焊接小车控制系统继续工作。

具体的，所述控制器1可以嵌入式控制器，譬如STM32嵌入式控制器；当然，在其他示例中，所述控制器1也可以为采用DSP系统、PLC系统、Arduino系统的控制器；由于DSP系统具有比较好的数据处理能力，在控制要求不高的情况下可以完全代替STM32系统；由于PLC系统体积较大，其控制箱可集成于管桩焊接小车，也可以不集成于管桩焊接小车；而且PLC系统也可以实现基于BIM的管桩智能焊接系统的搭建；Arduino开源类的控制系统可以直接替代STM32控制系统作为嵌入式控制系统。

在有一个示例中，请参阅图3，所述管桩焊接小车控制系统还包括：无线云网关2、云服务器3及终端4；所述无线云网关2与所述控制器1及所述云服务器3通信连接，所述无线云网关2用于将所述控制器1的数据上传至所述云服务器3，所述云服务器3与所述终端4相连接，所述云服务器3用于将接收到的数据发送至所述终端4。

具体的，所述无线云网关2可以为4G模块；所述云服务器3及所述终端4可以作为管理平台。

通过设置所述无线云网关2、所述云服务器3及所述终端4，可以实现与云服务器3及所述终端4等管理平台及所述终端4互联互通，实现远程施工管理与监控，可以实现远程协同施工服务。

具体的，所述终端4可以包括PC终端41、移动终端42及Web终端43中的至少一种。

本发明的焊接系统焊接作业时，可以采用大回拉式焊接轨迹设计，可以实现大坡口的焊接质量，并避免焊料熔水流动等情况；可以通过改变焊接方法，来实现同样的焊接效果和效率。

本发明的焊接系统实现了随钻跟管桩焊接过程的全自动化作业，同时可以根据不同的随钻跟管桩进行技术参数调整；可实现大回拉式堆焊及层叠式多道焊接工艺，可以充分保证类似随钻管桩等较大坡口的CO₂气体保护焊接作业，同时相比人工能够保证更好的焊接质量和焊接效率，真正实现了随钻跟管桩的机器代替人工。

实施例二

请结合图1至图3，本发明还提供一种焊接系统，所述焊接系统包括：如上述任一方案中所述的管桩焊接小车控制系统；管桩焊接小车，所述管桩焊接小车与所述控制器1相连接，用于在所述控制器1的控制下工作；焊机，所述焊机位于所述管桩焊接小车上，所述焊机与所述控制器1相连接，用于在所述控制器1的控制下工作；气源，所述气源与所述控制器1相连接，所述气源用于在所述控制器1的控制下经由焊接气体供给管路提供焊接气体；所述焊接气体供给管路上设有压力计及流量计；焊枪，所述焊枪位于所述焊机上，所述焊枪与所述焊机及所述气源相连接；手持仪，所述手持仪经由所述手持仪接口17与所述主控模块11相连接。

本发明的焊接系统采用所述运动控制模块12与驱动管桩焊接小车运动的步进电机相结合，以控制管桩焊接小车运动，在实现随钻跟管桩的焊接控制要求的同时，可以大大降低运动控制难度和研发成本，在具有可扩展性的同时，能够快速实现产品化和市场化。

具体的，所述焊枪上具有焊枪头。

可选地，所述焊机内只有电流检测模块，所述电流检测模块与所述焊枪的电流输出端及所述主控模块相连接，所述主控模块基于所述焊枪的输出电流生成运动控制信号。

可选地，在所述管桩焊接小车控制系统还包括声光报警控制模块时，所述焊接系统还包括声光报警装置，所述声光报警装置与所述声光报警控制模块相连接，用于在接收到所述报警控制信号时发出声光报警。

具体的，手持仪上有触摸显示屏和设置按钮，可对相关技术参数进行预设置，还可实时监控各传感器数据，可根据现场工艺要求进行参数调整。

请结合图4，本发明的焊接系统的工作方法包括如下步骤：

S1：检查各设备准备就绪后，系统开启，各模块初始化，系统默认进入调试模式；

S2：人工在手持仪上进行各电机及传感器的技术参数设置，人工对焊机的初始电压和初始电流进行设置，并进行高度确认及各按钮工作正常；

S3：人工通过手持仪进行焊枪头的焊丝位置对准，并进行预焊接；

S4：当找到合适位置时，人工通过手持仪将人工模式调整为人机协同模式，焊接小车系统开始自动运行；

S5：同时由于轨道与管桩的相对位置及管桩的加工误差等，焊丝头与焊接坡口的相对位置会有变化，需要人工通过手持仪对Z轴和D轴进行实时的微调；

S6：当目标工件的弧度与轨道相对误差较小，而且通过预焊接可以判断具备自动焊接条件时，可以人工通过手持仪将人工模式调至自动模式，此时人员只需要进行实时监督即可；

S7：当出现突发事件时，施工人员可以根据情况通过手持仪进行断电、模式更换、带电停止等模式转换，以保证焊接小车和施工人员的安全；

S8：当系统启动时，由所述运动控制模块12控制X轴和Y轴的运动，由所述主控模块11根据焊枪的输出电流发出控制信号至运动控制模块，进而控制Z轴闭环步进电机和D轴闭环步进电机，进而实现Z轴和D轴的同步控制；X、Y轴的控制为位置闭环控制，而位置由于齿轮间隙等因素影响，会存在运动误差，但其误差在允许范围内。所述运动控制模块12接收X轴、Y轴、Z轴和D轴的编码反馈和状态信号，并输送至所述主控模块11；所述主控模块11根据相应的编码信息分析，实时反馈控制信号至闭环步进电机的运动控制模块12；所述程序存储模块19实时对程序的重要数据进行备份，当发生断电时，程序数据不丢失，待重启电源，所述主控模块11自动调用其程序数据并接着继续进行作业；

S9：在S8过程中，基于4G模块(即所述无线云网关2)的管理平台(所述云服务器3级所述终端4)可以实现远程的协同施工、远程控制、远程管理等，实现控制室与施工现场零距离。

S10：待焊接结束，关闭焊接小车控制系统，清除焊渣。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种管桩焊接小车控制系统，其特征在于，包括控制器，所述控制器包括：主控模块、运动控制模块、接口电路、焊缝跟踪模块、气源控制模块、焊接电源控制模块和手持仪接口；其中

所述接口电路设置于所述主控模块上，与所述主控模块相连接；

所述运动控制模块与所述主控模块相连接，并经由所述接口电路与驱动管桩焊接小车运动的步进电机相连接，用于在根据接收到的所述主控模块发送的运动控制信号，控制所述步进电机工作，以控制所述管桩焊接小车运动；

所述焊缝跟踪模块，与所述主控模块相连接，用于对焊缝位置及焊缝形状进行计算并输出至所述主控模块，所述主控模块基于计算结果控制焊机工作；

所述气源控制模块与焊接气体供给管路上的压力计、流量计及气源相连接，用于基于所述压力计及所述流量计侦测的数据对所述气源进行控制；

所述焊接电源控制模块与所述主控模块相连接，用于在接收到电源控制信号时对所述焊接小车及所述焊机的电源进行控制；

所述手持仪接口设置于所述主控模块上，与所述主控模块相连接；所述主控模块经由所述手持仪接口与手持仪相连接，用于在接收到所述手持仪发送的操作指令时生成相应的控制信号。

2.根据权利要求1所述的管桩焊接小车控制系统，其特征在于：所述步进电机包括：X轴闭环步进电机、Y轴闭环步进电机、Z轴闭环步进电机及D轴闭环步进电机；所述运动控制模块通过控制所述步进电机实现对所述焊接小车X轴、Y轴、Z轴和D轴的四自由度运动控制。

3.根据权利要求2所述的管桩焊接小车控制系统，其特征在于：所述X轴闭环步进电机、所述Y轴闭环步进电机、所述Z轴闭环步进电机及所述D轴闭环步进电机还均与所述主控模块相连接，向所述主控模块反馈编码信息及状态信号，所述主控模块还用于基于所述编码信息及所述状态信号反馈更新运动控制信号至所述运动控制模块，所述运动控制模块基于反馈更新的运动控制信号控制所述X轴闭环步进电机、所述Y轴闭环步进电机、所述Z轴闭环步进电机及所述D轴闭环步进电机工作。

4.根据权利要求1所述的管桩焊接小车控制系统，其特征在于：还包括声光报警控制模块，与声光报警装置相连接，用于在所述管桩焊接小车工作异常时发出报警控制信号。

5.根据权利要求1所述的管桩焊接小车控制系统，其特征在于：还包括程序存储模块，与所述主控模块相连接，用于在突然断电时对实时程序进行保存，以确保上电重启时所述管桩焊接小车控制系统继续工作。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的管桩焊接小车控制系统，其特征在于：还包括：无线云网关、云服务器及终端；所述无线云网关与所述控制器及所述云服务器通信连接，用于将所述控制器的数据上传至所述云服务器，所述云服务器与所述终端相连接，用于将接收到的数据发送至所述终端。

7.一种焊接系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至6中任一项所述的管桩焊接小车控制系统；

管桩焊接小车，与所述控制器相连接，用于在所述控制器的控制下工作；

焊机，位于所述管桩焊接小车上，与所述控制器相连接，用于在所述控制器的控制下工作；

气源，与所述控制器相连接，用于在所述控制器的控制下经由焊接气体供给管路提供焊接气体；所述焊接气体供给管路上设有压力计及流量计；

焊枪，位于所述焊机上，与所述焊机及所述气源相连接；

手持仪，经由所述手持仪接口与所述主控模块相连接。

8.根据权利要求7所述的焊接系统，其特征在于：所述焊机内只有电流检测模块，所述电流检测模块与所述焊枪的电流输出端及所述主控模块相连接，所述主控模块基于所述焊枪的输出电流生成运动控制信号。

9.根据权利要求7所述的焊接系统，其特征在于：所述管桩焊接小车控制系统还包括声光报警控制模块，用于在所述管桩焊接小车工作异常时发出报警控制信号；所述焊接系统还包括声光报警装置，所述声光报警装置与所述声光报警控制模块相连接，用于在接收到所述报警控制信号时发出声光报警。

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