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備，相對于人工焊接方式，可以大大提高焊接效率和焊接質量。論文對管道焊接機器人進行了設計，其機械結構包括行走部分，焊槍擺動部分，焊槍上下調整部分等，并對其進行了數學建模。控制部分以DSP為主控單元，以嵌入式系統為輔助接口單元，以手持遙控器為焊接命令單元，從而實現管道的自動焊接。

關鍵詞：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，這就對焊接設備提出了更高的要求，不僅要焊接質量高，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，從而可以實現焊縫的快速、高效、低缺陷的高質量焊接。論文對該焊接機器人進行討論。

2 機械結構設計

2.1 結構分析

該機器人機械結構主要由焊槍姿態調整、焊槍位置調整、焊接小車行走驅動等幾部分組成，由于焊接小車是結構對稱的，可以裝一把焊槍，也可以裝兩把焊槍，故以其中一側為例，如圖1所示。焊槍姿態調整部分主要完成干伸長調整，保證滿足焊接工藝上對焊縫的要求，姿態調整機構由電機1帶動滑板2來實現；焊槍位置調整部分是在焊接過程中完成焊槍的擺寬、擺頻、兩側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；行走驅動是實現焊槍沿管周運動的驅動力機構，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行動十分平穩，行走機構由電機5驅動。

圖1 焊接小車機械結構

2.2 數學模型分析

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，從而實現管道的全位置焊接。將焊接小車應用多體系統理論分析，其拓撲結構圖如圖2所示：

圖2 焊接小車的拓撲結構圖

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，通過相關控制系統即可實現焊接小車的工作。

3 控制系統設計

管道焊接機器人控制系統的硬件結構如圖3所示。為了減輕主控制器的負擔，系統采用雙控制器結構，主控制器采用DSP數字信號處理器，通過相應的伺服系統，來實現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。

在整個系統中，DSP與ARM之間是通過RS-232接口進行數據交換，從而可以保證兩個處理器之間數據傳遞的實時性和可靠性。

圖3系統的硬件框圖

4 控制系統的軟件設計

根據控制系統硬件結構，可以在上位機上開發相應的軟件，軟件的開發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修改模塊組成了上位機軟件，用于實現通訊設置、焊接參數的編輯、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，用于實現伺服運動控制算法及在線監控等功能。

5 結論

論文論述了設計管道焊接機器人一種方法，其機械結構包括焊槍姿態調整、焊槍位置調整、焊接小車行走驅動等幾部分組成，并進行了數學建模。控制系統使用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，從而充分發揮了兩者各自的優勢。

參考文獻

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