一種管道焊接機器人研究

摘要：管道焊接機器人是一種自動焊接設(shè)備，相對于人工焊接方式，可以大大提高焊接效率和焊接質(zhì)量。論文對管道焊接機器人進行了設(shè)計，其機械結(jié)構(gòu)包括行走部分，焊槍擺動部分，焊槍上下調(diào)整部分等，并對其進行了數(shù)學建模。控制部分以DSP為主控單元，以嵌入式系統(tǒng)為輔助接口單元，以手持遙控器為焊接命令單元，從而實現(xiàn)管道的自動焊接。

關(guān)鍵詞：管道；焊接；DSP ；機器人

中圖分類號：TG409

1 前言

近年來，隨著市政管道和石油天然氣管道的建設(shè)越來越多，對焊接工藝和焊接效率的要求都有所增加，這就對焊接設(shè)備提出了更高的要求，不僅要焊接質(zhì)量高，而且還要速度快。為此論文研制一種焊接機器人，取代人工或半自動焊接，從而可以實現(xiàn)焊縫的快速、高效、低缺陷的高質(zhì)量焊接。論文對該焊接機器人進行討論。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)分析

該機器人機械結(jié)構(gòu)主要由焊槍姿態(tài)調(diào)整、焊槍位置調(diào)整、焊接小車行走驅(qū)動等幾部分組成，由于焊接小車是結(jié)構(gòu)對稱的，可以裝一把焊槍，也可以裝兩把焊槍，故以其中一側(cè)為例，如圖1所示。焊槍姿態(tài)調(diào)整部分主要完成干伸長調(diào)整，保證滿足焊接工藝上對焊縫的要求，姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)由電機1帶動滑板2來實現(xiàn)；焊槍位置調(diào)整部分是在焊接過程中完成焊槍的擺寬、擺頻、兩側(cè)位置的停留時間等的功能動作，擺動部分由電機4帶動滑板3來實現(xiàn)；行走驅(qū)動是實現(xiàn)焊槍沿管周運動的驅(qū)動力機構(gòu)，在焊接時，焊接速度即為焊車的行走速度，因此要求焊車行走機構(gòu)行動十分平穩(wěn)，行走機構(gòu)由電機5驅(qū)動。

圖1 焊接小車機械結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)學模型分析

焊接過程中，焊接小車裝夾在專用軌道上，小車帶著焊槍在軌道上行走，從而實現(xiàn)管道的全位置焊接。將焊接小車應(yīng)用多體系統(tǒng)理論分析，其拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 焊接小車的拓撲結(jié)構(gòu)圖

故若已知圓弧焊接軌道建立坐標系點處在大地慣性坐標系中的坐標，則根據(jù)齊次坐標變換即可得到焊槍夾具處的最終坐標，進而也可得出焊絲與焊接管道接觸處的坐標，這樣就建立了焊接小車工作的運動學模型，通過相關(guān)控制系統(tǒng)即可實現(xiàn)焊接小車的工作。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

管道焊接機器人控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了減輕主控制器的負擔，系統(tǒng)采用雙控制器結(jié)構(gòu)，主控制器采用DSP數(shù)字信號處理器，通過相應(yīng)的伺服系統(tǒng)，來實現(xiàn)焊接機器人的各種控制算法。輔助控制器采用ARM芯片，主要負責外圍接口電路的控制：通過CAN總線接口與手持遙控盒相連，接受各種焊接控制命令。

在整個系統(tǒng)中，DSP與ARM之間是通過RS-232接口進行數(shù)據(jù)交換，從而可以保證兩個處理器之間數(shù)據(jù)傳遞的實時性和可靠性。

圖3系統(tǒng)的硬件框圖

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

根據(jù)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，可以在上位機上開發(fā)相應(yīng)的軟件，軟件的開發(fā)過程中運用模塊化方式，為用戶的操作提供了方便。該軟件包含通訊連接模塊、參數(shù)修改模塊、伺服控制模塊指令、在線控制模塊四個重要功能模塊。在這四個模塊中，通訊連接模塊和參數(shù)修改模塊組成了上位機軟件，用于實現(xiàn)通訊設(shè)置、焊接參數(shù)的編輯、修改和保存等功能；在線控制模塊和伺服控制模塊是DSP軟件，用于實現(xiàn)伺服運動控制算法及在線監(jiān)控等功能。

5 結(jié)論

論文論述了設(shè)計管道焊接機器人一種方法，其機械結(jié)構(gòu)包括焊槍姿態(tài)調(diào)整、焊槍位置調(diào)整、焊接小車行走驅(qū)動等幾部分組成，并進行了數(shù)學建模。控制系統(tǒng)使用DSP做主控制器負責連接各伺服電機，使用ARM做輔助控制器負責外圍接口的連接，從而充分發(fā)揮了兩者各自的優(yōu)勢。

參考文獻

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