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    1.背景

　　焊接是現(xiàn)代制造領(lǐng)域的重要工藝方法之一[1]。在現(xiàn)代社會(huì)高速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的手工焊接方法已不能滿足現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品制造的質(zhì)量、數(shù)量的要求。因此，保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、提高生產(chǎn)效率和改善勞動(dòng)條件已成為現(xiàn)代焊接制造工藝發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控及機(jī)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(chǔ)，并已滲透到焊接各領(lǐng)域中。在此基礎(chǔ)上，以焊接機(jī)器人為核心的焊接自動(dòng)化技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。

    2.特種罐體焊接機(jī)控制系統(tǒng)介紹

　　焊接現(xiàn)場(chǎng)由于強(qiáng)烈弧光輻射、高溫、電磁干擾等現(xiàn)象及其嚴(yán)重，本智能焊接機(jī)采用基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）的開(kāi)放式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，如圖 1所示,主要由傳感器系統(tǒng)、控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、干擾信號(hào)補(bǔ)償裝置、焊槍和懸浮高度及水平方向設(shè)置等6部分組成。在焊接過(guò)程中，首先根據(jù)制造工藝要求設(shè)置好懸浮高度和水平方向初始值，系統(tǒng)上電復(fù)位后，總控制器發(fā)出啟動(dòng)命令，執(zhí)行電機(jī)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)工作云臺(tái)行走（焊槍和集成化傳感器都安裝在云臺(tái)上）。本系統(tǒng)的工作原理是：根據(jù)傳感器系統(tǒng)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(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而適時(shí)調(diào)整焊槍和焊縫的水平、垂直方向的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊接過(guò)程的自動(dòng)跟蹤[2]。

圖1系統(tǒng)電氣原理方塊圖

    3.智能傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　本智能控制系統(tǒng)中，傳感器系統(tǒng)采用的是基于C8051F020微處理器的三維智能傳感器（專利號(hào)：ZL 200520036413.1），該傳感器針對(duì)三維焊縫的不同特征和智能傳感器的空間結(jié)構(gòu)，分別采用GMR高度傳感器聯(lián)合檢測(cè)算法和焊縫檢測(cè)傳感器判別算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)。該傳感器通過(guò)RS-232串口與上位PC機(jī)進(jìn)行通訊，將焊槍與焊縫的空間位置關(guān)系數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送給上位機(jī)。

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

　　本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)控制卡和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)單元組成。當(dāng)工控機(jī)發(fā)出運(yùn)動(dòng)命令后， 由運(yùn)動(dòng)控制發(fā)出電信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或接口控制電路。其中運(yùn)動(dòng)控制卡選用一款基于PCI總線的.4軸運(yùn)動(dòng)控制卡，支持脈沖型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：產(chǎn)生脈沖序列控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該運(yùn)動(dòng)控制卡 有四組運(yùn)動(dòng)控制模塊，每組有獨(dú)立的脈沖發(fā)生器、編碼器計(jì)數(shù)器、隔離數(shù)字量輸入輸出, 每組均可獨(dú)立地用于某個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制，互不影響 。提供DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP開(kāi)發(fā)庫(kù)，可用VC++、VB或BC++開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序。其支持單軸點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、任意2—3軸直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)、任意兩軸圓形插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

    4.系統(tǒng)控制單元

　　作為工業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛的工業(yè)PC機(jī),除了具有一般通用計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)外,還由于在可靠性、抗干擾能力及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面采取了相應(yīng)措施,因而可以長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)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(duì)于商用PC,工業(yè)PC在結(jié)構(gòu)上做了很大改進(jìn)，以下是工業(yè)PC的結(jié)構(gòu)示意圖：

圖2 工業(yè)PC機(jī)結(jié)構(gòu)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。如果主板損壞，只需要將主板拔出即.可，此外系統(tǒng)的主板和外圍卡有專門(mén)的固定壓條，防止板卡跳出。同時(shí)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器具有硬盤(pán)避振架和減震橡膠墊，能減輕振動(dòng)對(duì)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(jī)防塵網(wǎng)和冷風(fēng)扇

　　由于焊接機(jī)的工作環(huán)境較差，各種干擾極其嚴(yán)重，連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，要求整個(gè)焊接控制系統(tǒng)具有較高的可靠性，因此選用了研祥智能獨(dú)創(chuàng)專利EPI總線技術(shù)（專利號(hào)：200820093243.4）的全長(zhǎng)卡EPI-1711VNA，作為工業(yè)PC機(jī)的核心主板，同時(shí)配套研祥EPI-6113LP4底板一起構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的控制平臺(tái)。該總線標(biāo)準(zhǔn)采用針孔式板卡結(jié)構(gòu)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(tǒng)金手指全長(zhǎng)卡抗氧化、抗震功能不好的缺點(diǎn),增強(qiáng)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(jì)算機(jī)EPI總線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(shè)置有多組針孔式插槽，可以插入多個(gè)功能板，從而擴(kuò)展整個(gè)工控平臺(tái)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(zhǎng)槽。功能主板的信號(hào)針腳也與底板的PCI、ISA擴(kuò)展一一對(duì)應(yīng)。

圖4 研祥EPI總線全長(zhǎng)卡結(jié)構(gòu)圖

圖5 研祥EPI總線全長(zhǎng)卡與底板關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

　　該系列產(chǎn)品配置齊全，內(nèi)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(biāo)接口。不但如此，該控制計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)抗干擾能力，外部用19"加固型4U標(biāo)準(zhǔn)上架工業(yè)機(jī)箱IPC-8422，冷風(fēng)扇，防塵、，非常適合焊接機(jī)的工作環(huán)境。外部配接了顯示器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)，構(gòu)成了整個(gè)焊接控制系統(tǒng)的輸人、輸出監(jiān)視裝置。

　　在電磁兼容性和擴(kuò)展性方面，該型號(hào)工業(yè)PC針對(duì)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(yīng)的抑制措施，并在國(guó)家電磁測(cè)試中心達(dá)到FCC A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。EPI-1711VNA工業(yè)全長(zhǎng)卡帶有一個(gè)以太網(wǎng)控制器，為該焊接控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程Internet在線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(yùn)動(dòng)控制卡外，其它完全可以滿足以后系統(tǒng)功能的擴(kuò)展要求。

    5.結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了以研祥獨(dú)創(chuàng)EPI總線工業(yè)全長(zhǎng)卡EPI-1711VNA為控制核心的焊接控制系統(tǒng)平臺(tái)，該多維智能控制系統(tǒng)已在焊接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，得到企業(yè)認(rèn)同，整個(gè)控制系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定可靠、控制精度高、人機(jī)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(xiàn)其他焊接方法的控制過(guò)程。該控制系統(tǒng)的開(kāi)放性保證了系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)和升級(jí)的能力。

    參考文獻(xiàn)：

　　[1] 林尚揚(yáng)，關(guān)橋.《我國(guó)制造業(yè)焊接生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)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(cè)傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，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(yīng)用，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)2004年17卷第9期：70-71

    此文摘自中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)。