1.背景

　　焊接是現代制造領(lǐng)域的重要工藝方法之一[1]。在現代社會(huì )高速發(fā)展的今天，傳統的手工焊接方法已不能滿(mǎn)足現代高技術(shù)產(chǎn)品制造的質(zhì)量、數量的要求。因此，保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩定性、提高生產(chǎn)效率和改善勞動(dòng)條件已成為現代焊接制造工藝發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。隨著(zhù)電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數控及機器人技術(shù)的發(fā)展為焊接自動(dòng)化提供了十分有利的技術(shù)基礎，并已滲透到焊接各領(lǐng)域中。在此基礎上，以焊接機器人為核心的焊接自動(dòng)化技術(shù)有了長(cháng)足的發(fā)展。

    2.特種罐體焊接機控制系統介紹

　　焊接現場(chǎng)由于強烈弧光輻射、高溫、電磁干擾等現象及其嚴重，本智能焊接機采用基于工業(yè)控制計算機（工控機）的開(kāi)放式控制系統體系結構，如圖 1所示,主要由傳感器系統、控制單元、執行機構、干擾信號補償裝置、焊槍和懸浮高度及水平方向設置等6部分組成。在焊接過(guò)程中，首先根據制造工藝要求設置好懸浮高度和水平方向初始值，系統上電復位后，總控制器發(fā)出啟動(dòng)命令，執行電機開(kāi)始運動(dòng)，并驅動(dòng)工作云臺行走（焊槍和集成化傳感器都安裝在云臺上）。本系統的工作原理是：根據傳感器系統中輸出電壓值的變化量信息，經(jīng)中央處理器處理后發(fā)出控制指令給執行機構，從而適時(shí)調整焊槍和焊縫的水平、垂直方向的相對位置，實(shí)現整個(gè)焊接過(guò)程的自動(dòng)跟蹤[2]。

圖1系統電氣原理方塊圖

    3.智能傳感器及執行機構

　　本智能控制系統中，傳感器系統采用的是基于C8051F020微處理器的三維智能傳感器（專(zhuān)利號：ZL 200520036413.1），該傳感器針對三維焊縫的不同特征和智能傳感器的空間結構，分別采用GMR高度傳感器聯(lián)合檢測算法和焊縫檢測傳感器判別算法來(lái)實(shí)現對空間焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤檢測。該傳感器通過(guò)RS-232串口與上位PC機進(jìn)行通訊，將焊槍與焊縫的空間位置關(guān)系數據實(shí)時(shí)地傳送給上位機。

　　針對三維焊縫的空間位置特征，本系統中的焊接裝置采用龍門(mén)式機械結構。該裝置有三個(gè)自由度：X、Y、Z。X軸（縱向）和Y軸（橫向） 的運動(dòng)是由直流步進(jìn)電機、齒輪齒條傳動(dòng)、直線(xiàn)導軌等組成的驅動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現, Z 軸（垂直方向）的運動(dòng)是由直流步進(jìn)電機、滾珠絲桿、直線(xiàn)導軌等組成的傳動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現,X軸、Y 軸和Z軸構成笛卡爾直角坐標系,保證焊槍可準確地運動(dòng)到三維空間的任意位置。

　　本系統的執行機構由運動(dòng)控制卡和相應驅動(dòng)單元組成。當工控機發(fā)出運動(dòng)命令后， 由運動(dòng)控制發(fā)出電信號給電機驅動(dòng)器或接口控制電路。其中運動(dòng)控制卡選用一款基于PCI總線(xiàn)的.4軸運動(dòng)控制卡，支持脈沖型電機驅動(dòng)器：產(chǎn)生脈沖序列控制伺服電機驅動(dòng)器和步進(jìn)電機驅動(dòng)器。該運動(dòng)控制卡 有四組運動(dòng)控制模塊，每組有獨立的脈沖發(fā)生器、編碼器計數器、隔離數字量輸入輸出, 每組均可獨立地用于某個(gè)軸的運動(dòng)控制，互不影響 。提供DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP開(kāi)發(fā)庫，可用VC++、VB或BC++開(kāi)發(fā)自己的應用程序。其支持單軸點(diǎn)到點(diǎn)運動(dòng)、任意2—3軸直線(xiàn)插補運動(dòng)、任意兩軸圓形插補運動(dòng)。

    4.系統控制單元

　　作為工業(yè)應用越來(lái)越廣泛的工業(yè)PC機,除了具有一般通用計算機的特點(diǎn)外,還由于在可靠性、抗干擾能力及結構設計等方面采取了相應措施,因而可以長(cháng)期穩定可靠地運行于各種惡劣環(huán)境,具有模塊化、開(kāi)放化、高可靠性等特點(diǎn)[3]。

　　相對于商用PC,工業(yè)PC在結構上做了很大改進(jìn)，以下是工業(yè)PC的結構示意圖：

圖2 工業(yè)PC機結構示意圖

　　通常工業(yè)PC的主板做成插卡的形式，插在無(wú)源底板（passive backplane）上。無(wú)源底板上只有ISA, PCI總線(xiàn)接插件以及電容電阻等無(wú)源器件，因此無(wú)源底板損壞的概率非常低，通常無(wú)更換之憂(yōu)。如果主板損壞，只需要將主板拔出即.可，此外系統的主板和外圍卡有專(zhuān)門(mén)的固定壓條，防止板卡跳出。同時(shí)硬盤(pán)驅動(dòng)器具有硬盤(pán)避振架和減震橡膠墊，能減輕振動(dòng)對硬盤(pán)的損壞。為了使工業(yè)PC能 可靠工作在高粉塵環(huán)境下，在工業(yè)PC的前面入風(fēng)口，具有可更換的防塵網(wǎng)和風(fēng)扇，如下圖所示：

圖3 工業(yè)PC機防塵網(wǎng)和冷風(fēng)扇

　　由于焊接機的工作環(huán)境較差，各種干擾極其嚴重，連續工作時(shí)間長(cháng)，要求整個(gè)焊接控制系統具有較高的可靠性，因此選用了研祥智能獨創(chuàng )專(zhuān)利EPI總線(xiàn)技術(shù)（專(zhuān)利號：200820093243.4）的全長(cháng)卡EPI-1711VNA，作為工業(yè)PC機的核心主板，同時(shí)配套研祥EPI-6113LP4底板一起構成整個(gè)系統的控制平臺。該總線(xiàn)標準采用針孔式板卡結構和歐式插座代替金手指的連接方式, 極大地克服了工業(yè)傳統金手指全長(cháng)卡抗氧化、抗震功能不好的缺點(diǎn),增強了連接方式的可靠性。如圖4和圖5所示，研祥新一代工業(yè)計算機EPI總線(xiàn)采用歐式針孔連接器，插槽與針腳相互配合電連接。同時(shí)在底板上設置有多組針孔式插槽，可以插入多個(gè)功能板，從而擴展整個(gè)工控平臺的功能。這些插槽包括96針的PCI槽、120針的ISA槽、以及同時(shí)具有96針的PCI槽和120針的ISA槽的全長(cháng)槽。功能主板的信號針腳也與底板的PCI、ISA擴展一一對應。

圖4 研祥EPI總線(xiàn)全長(cháng)卡結構圖

圖5 研祥EPI總線(xiàn)全長(cháng)卡與底板關(guān)系結構圖

　　該系列產(chǎn)品配置齊全，內部配置兩個(gè)RS-232串口，一個(gè)10M/100Mbps以太網(wǎng)控制器，四個(gè)SATA硬盤(pán)接口，一個(gè)顯示器接口，鍵盤(pán)接日以及鼠標接口。不但如此，該控制計算機具有強抗干擾能力，外部用19"加固型4U標準上架工業(yè)機箱IPC-8422，冷風(fēng)扇，防塵、，非常適合焊接機的工作環(huán)境。外部配接了顯示器和一個(gè)標準鍵盤(pán)，構成了整個(gè)焊接控制系統的輸人、輸出監視裝置。

　　在電磁兼容性和擴展性方面，該型號工業(yè)PC針對電源方面的干擾、傳輸信道的干擾、空間干擾、地電流的干擾等方面均采取了相應的抑制措施，并在國家電磁測試中心達到FCC A級標準。EPI-1711VNA工業(yè)全長(cháng)卡帶有一個(gè)以太網(wǎng)控制器，為該焊接控制系統實(shí)現遠程Internet在線(xiàn)診斷提供了硬件支持。同時(shí)研祥底板EPI-6113LP4具有4個(gè)PCI槽和7個(gè)ISA槽，除其中一個(gè)PCI槽用于連接運動(dòng)控制卡外，其它完全可以滿(mǎn)足以后系統功能的擴展要求。

    5.結束語(yǔ)

　　本文介紹了以研祥獨創(chuàng )EPI總線(xiàn)工業(yè)全長(cháng)卡EPI-1711VNA為控制核心的焊接控制系統平臺，該多維智能控制系統已在焊接生產(chǎn)現場(chǎng)應用，得到企業(yè)認同，整個(gè)控制系統具有工作穩定可靠、控制精度高、人機界面友好等特點(diǎn)，通過(guò)軟件、硬件的重新配置，可以迅速實(shí)現其他焊接方法的控制過(guò)程。該控制系統的開(kāi)放性保證了系統的進(jìn)一步改進(jìn)和升級的能力。

    參考文獻：

　　[1] 林尚揚，關(guān)橋.《我國制造業(yè)焊接生產(chǎn)現狀與發(fā)展戰略研究》.2003 年12

　　[2] 徐明，朱名日，陳叢生.基于GMR的二維焊縫檢測傳感器的設計與實(shí)現，儀表技術(shù)與傳感器.2006（12）：6-8.

　　[3]付曉軍. 研祥工業(yè)PC在中石化加油IC卡工程中的應用，工業(yè)控制計算機2004年17卷第9期：70-71

    此文摘自中國傳動(dòng)網(wǎng)。