一种管道焊接机器人研究

摘要：管道焊接机器人是一种自动焊接设备，相对于人工焊接方式，可以大大提高焊接效率和焊接质量。论文对管道焊接机器人进行了设计，其机械结构包括行走部分，焊枪摆动部分，焊枪上下调整部分等，并对其进行了数学建模。控制部分以DSP为主控单元，以嵌入式系统为辅助接口单元，以手持遥控器为焊接命令单元，从而实现管道的自动焊接。

关键词：管道；焊接；DSP ；机器人

中图分类号：TG409

1 前言

近年来，随着市政管道和石油天然气管道的建设越来越多，对焊接工艺和焊接效率的要求都有所增加，这就对焊接设备提出了更高的要求，不仅要焊接质量高，而且还要速度快。为此论文研制一种焊接机器人，取代人工或半自动焊接，从而可以实现焊缝的快速、高效、低缺陷的高质量焊接。论文对该焊接机器人进行讨论。

2 机械结构设计

2.1 结构分析

该机器人机械结构主要由焊枪姿态调整、焊枪位置调整、焊接小车行走驱动等几部分组成，由于焊接小车是结构对称的，可以装一把焊枪，也可以装两把焊枪，故以其中一侧为例，如图1所示。焊枪姿态调整部分主要完成干伸长调整，保证满足焊接工艺上对焊缝的要求，姿态调整机构由电机1带动滑板2来实现；焊枪位置调整部分是在焊接过程中完成焊枪的摆宽、摆频、两侧位置的停留时间等的功能动作，摆动部分由电机4带动滑板3来实现；行走驱动是实现焊枪沿管周运动的驱动力机构，在焊接时，焊接速度即为焊车的行走速度，因此要求焊车行走机构行动十分平稳，行走机构由电机5驱动。

图1 焊接小车机械结构

2.2 数学模型分析

焊接过程中，焊接小车装夹在专用轨道上，小车带着焊枪在轨道上行走，从而实现管道的全位置焊接。将焊接小车应用多体系统理论分析，其拓扑结构图如图2所示：

图2 焊接小车的拓扑结构图

故若已知圆弧焊接轨道建立坐标系点处在大地惯性坐标系中的坐标，则根据齐次坐标变换即可得到焊枪夹具处的最终坐标，进而也可得出焊丝与焊接管道接触处的坐标，这样就建立了焊接小车工作的运动学模型，通过相关控制系统即可实现焊接小车的工作。

3 控制系统设计

管道焊接机器人控制系统的硬件结构如图3所示。为了减轻主控制器的负担，系统采用双控制器结构，主控制器采用DSP数字信号处理器，通过相应的伺服系统，来实现焊接机器人的各种控制算法。辅助控制器采用ARM芯片，主要负责接口电路的控制：通过CAN总线接口与手持遥控盒相连，接受各种焊接控制命令。

在整个系统中，DSP与ARM之间是通过RS-232接口进行数据交换，从而可以保证两个处理器之间数据传递的实时性和可靠性。

图3系统的硬件框图

4 控制系统的软件设计

根据控制系统硬件结构，可以在上位机上开发相应的软件，软件的开发过程中运用模块化方式，为用户的操作提供了方便。该软件包含通讯连接模块、参数修改模块、伺服控制模块指令、在线控制模块四个重要功能模块。在这四个模块中，通讯连接模块和参数修改模块组成了上位机软件，用于实现通讯设置、焊接参数的编辑、修改和保存等功能；在线控制模块和伺服控制模块是DSP软件，用于实现伺服运动控制算法及在线监控等功能。

5 结论

论文论述了设计管道焊接机器人一种方法，其机械结构包括焊枪姿态调整、焊枪位置调整、焊接小车行走驱动等几部分组成，并进行了数学建模。控制系统使用DSP做主控制器负责连接各伺服电机，使用ARM做辅助控制器负责接口的连接，从而充分发挥了两者各自的优势。

参考文献

[1] 闫政，梁君直，陈江. 采用DSP控制的高效管道双焊矩全位置自动焊机研究[J].电焊机，2005，35（4）：38-43.

[2] 闫政，梁君直，陈江.PAW2000管道全位置自动焊机[J]. 电焊机，2005，35（6）：47-53.

[3] 苗新刚，汪苏等.双焊矩管道焊接机器人控制系统的软件研究[J]. 计算机科学 .2009.36（4A）：294-296.

[4] Miao xingang， Wang su， etc. Research of Welding Robot Controlled by PMAC and ARM Two Processors[C]. 2009 Internation Asia Conference on Informatics in Control， Automation， and Robotics. 2009.2.1-2：111-113.