管板式換熱器管板環形焊縫自動焊機設計及焊槍定位仿真

徐向前，周好斌，王佳佳,2

（1.西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065；2.鹽城市建湖縣高新區規劃局，江蘇 鹽城224700）

管板式換熱器管板環形焊縫自動焊機設計及焊槍定位仿真

徐向前1，周好斌1，王佳佳1,2

（1.西安石油大學 材料科學與工程學院，西安710065；2.鹽城市建湖縣高新區規劃局，江蘇 鹽城224700）

針對現有管板換熱器管板環焊縫焊接過程中，管板環焊縫定位不準確、焊接質量和效率較低等問題，設計了一種簡單、快捷、定位精確的管板自動焊機。焊接機頭定位與移動是管板焊接的關鍵技術。焊接機頭固定在龍門架結構上，采用步進電機驅動龍門架，實現兩自由度的運動；利用CCD圖像處理實現焊接機頭的定位。C8051F020單片機作為主控芯片完成控制系統的設計，液晶顯示屏和4×4按鍵實現參數顯示和設置。通過Matlab軟件仿真，可獲得鋼管端口圓的半徑和圓心坐標，能夠實現焊接機頭定位。

焊接；環形焊縫CCD圖像傳感器；機械執行機構；仿真

管板式換熱器的管與管板的焊接工藝過程中，存在焊接接頭數量較多、焊接質量要求較高等特點。但目前對于此類管板的焊接，一般通過中心桿或者中心桿加漲芯體實現焊接定位，通常是人工定位，使焊炬繞管口旋轉實現其環焊縫的焊接。該方法主要有通用性差、小直徑焊接困難、定位不準確等缺點。基于以上問題，筆者設計了管板自動焊機，以此實現管板焊接快速和準確。

1 管板自動焊機整體設計

該自動焊機采用龍門式機械結構，實現了焊炬及CCD圖像傳感器固定安裝。焊炬移動至焊接位置是通過龍門架的水平梁和垂直梁的移動實現，龍門架的水平梁和垂直梁由步進電機驅動。焊炬定位通過CCD圖像傳感器對管子端口進行圖像采集，計算處理，獲取坐標值。焊炬定位系統如圖1所示。

圖1 圖像傳感器定位系統

焊機由機架、焊接機頭、控制系統、焊接電源等構成。焊機的控制系統由圖像采集、圖像處理以及電氣控制等構成。總體結構方案如圖2所示。

圖2 總體結構方案示意圖

以C8051F020單片機為主要控制芯片設計了整個控制系統。單片機實現了步進電機的運動控制、液晶顯示器參數顯示、鍵盤參數輸入以及焊機的控制等功能，控制原理如圖3所示。

圖3 控制系統原理結構示意圖

2 焊接機頭的運動設計

2.1 機械結構

如圖2所示的焊機整體方案設計，機架采用龍門式結構，其水平梁和垂直梁均采用獨立的步進電機進行驅動，實現兩個方向的移動，在垂直梁上安裝和固定焊接機頭。龍門式機架的水平梁和垂直梁的移動實現了焊接機頭的移動。

2.2 機頭設計

本研究提出的管板環焊縫焊接的定位是采用光學定位系統來實現的，主要是利用在現有機頭上加裝CCD圖像傳感器及其輔助定位裝置完成。輔助定位裝置包括仰俯機構和軸承機構，實現機頭仰俯及左右擺動，確保焊機的焊炬回轉中心線與焊管的被焊面垂直。機頭上有焊炬及三腳支撐，加裝的CCD圖像傳感器的光學中心線與焊炬中心線平行，其機頭如圖4所示。

圖4 焊接機頭機構圖

定位方法如下：將換熱器的管徑、管間距等參數輸入到控制系統，利用機頭的三腳支撐確定平面，調整焊炬回轉中心線使其與被焊管中心線平行，則CCD圖像傳感器的光學中心線與被焊管的中心線平行，然后進行圖像采集并計算出被焊管中心線與CCD圖像傳感器中心線的距離，進而通過水平和垂直兩個方向的距離調整使焊炬回轉中心線與被焊管中心線共線，最后利用電氣控制系統使焊槍向前移動一個已知距離，進行焊接。

3 基于單片機的控制系統

控制系統是由液晶顯示器、開關量的輸入與輸出、電極驅動等接口電路構成，核心控制器件是C8051F0202單片機，其結構如圖5所示。

圖5 單片機控制系統結構示意圖

3.1 最小應用系統設計

C8051F020單片機有足夠的I/O、中斷、定時/計數器等資源，且有足夠容量的內部存儲器，作為主控芯片沒有大的資源浪費。因此以C8051F020為核心完成了時鐘電路、復位電路、各個數字量和液晶顯示接口電路，其中時鐘電路和復位電路構成了單片機的最小應用系統。

（1）時鐘電路。本研究選用單片機內部振蕩電路，即在AXTL1，AXTL2引腳上外接電容元件，內部振蕩器產生自激振蕩，其接法如圖6所示。

（2）復位電路。本研究設計的復位電路采用芯片MAX823作為其核心，如圖7所示。

圖6 時鐘電路示意圖

圖7 復位電路示意圖

3.2 人機交互接口設計

（1）液晶顯示接口。在各單元設計基礎上，利用單片機I/O口的分時復用方法設計了液晶顯示器接口電路，如圖8所示。

圖8 單片機與LCD顯示器接口連接電路

（2）開關量輸入輸出。設計了8路開關量的輸入與輸出來實現焊接系統的控制，如圖9所示。

3.3 系統軟件設計

系統軟件由焊接主程序、步進電機調節程序、機頭焊接調節程序和液晶顯示程序構成，如圖10所示。焊接主程序開始，系統的核心控制芯片和焊接電源進行參數初始化以及焊接機頭當前位置坐標確定，人機交互模塊啟動可以完成管徑、管間距等參數的輸入，然后利用CCD圖像計算出被焊鋼管中心線與CCD圖像傳感器中心線的距離，進一步推算出焊炬回轉中心與被焊鋼管中心的距離，控制系統驅動水平和垂直兩個方向的步進電機，最終以焊炬回轉中心線與被焊鋼管中心線共線來實現焊接定位，然后進行焊接。

圖9 開關量的輸入與輸出電路接口設計

圖10 控制系統程序流程圖

4 仿真試驗

管板環形焊縫自動焊機焊接過程中的焊槍定位是否準確與CCD圖像傳感器能否準確提取管子的圖像特征有著直接的關系。因此通過Matlab軟件采用邊緣檢測算子提取出管子的邊緣輪廓圖像，再通過最小二乘法對邊緣輪廓曲線進行擬合，從而獲得管子的圓心坐標和半徑，驗證其算法的合理性。圖11所示為實物圖像和利用Matlab軟件進行Roberts算子邊緣檢測的仿真圖像。

圖11 仿真與實物結果對比圖

軟件仿真試驗獲得了較為清晰和完整的圖像邊緣輪廓曲線，再根據最小二乘法進行曲線擬合，提取圓心坐標和半徑值，其像素坐標值為x=120.04、y=180.03、R=82.39。仿真獲得的被焊鋼管的像素半徑和圓心坐標可以映射成為真實的坐標和半徑值，為管板焊接定位系統提供了重要的數據。

5 結 論

本研究分析了現有管板焊機焊接過程中管板定位方式存在的缺陷，設計了一種定位精確、結構簡單的管板自動焊機。該焊機采用龍門架結構固定焊接機頭，充分利用CCD圖像定位方法實現焊炬的自動定位，利用步進電機驅動龍門架移動實現焊炬的二維空間的運動。以C8051F020單片機為主控制芯片，設計管板焊接控制系統，液晶顯示屏與4×4軟膜鍵盤完成焊接參數的輸入和顯示。用Matlab軟件對其進行仿真，獲得管子端口圓的圓心坐標值，檢驗了系統的準確性。

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Design of Automatic Welding Machine for Tube Plate Ring Weld of Tube Type Heat Exchanger and Welding Torch Orientation Simulation

XU Xiangqian1,ZHOU Haobin1,WANG Jiajia1,2
（1.College of Materials Science and Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China;2.Yancheng Jianhu County High-tech Zone Planning Bureau,Yancheng 224700,Jiangsu,China）

A simple,fast and precise positioning tube plate automatic welding machine was designed，according to the welding seam inaccurate positioning,low welding quality and efficiency in the tube plate seam welding of the tube plate exchanger during the welding process.The key of the welding machine is the localization and movement of the welding machine.The welding head is fixed on the gantry structure,and the stepping motor is used to drive the gantry structure and then the welding head’s movement of two degrees of freedom is realized.The positioning of the welding head is realized by using CCD image processing.The design of the control system is completed based on C8051F020 MCU,and the human-computer interaction system includes the liquid crystal display and soft membrane 4×4 keyboard.Simulation by Matlab software,the center coordinates and radius of the pipe port circle can be obtained and welding head position can be achieved.

welding;circumferential weld CCD image sensor;machinery actuator;simulation

TG438.2

B

1001－3938（2015）12-0013-05

徐向前（1979—），男，山東東營人，博士，講師，主要進行材料成型設備及其自動控制方面研究。

2015-11-13

張 歌