科研训练报告题 目：基于单片机的焊缝跟踪系统设计学生姓名：王宏友学生学号：201110101018学 院：机械学院班 级：机制11-2指导教师：孙鹏文2014年 12 月 26 日目录1 选题的背景和意义 (1)1.1选题的目的及来源 (1)1.2国内外相关研究现状、发展趋势及研究意义 (2)2 研究内容与预期研究成果 (3)2.1研究目标 (3)2.2主要研究内容 (3)2.3研究方案及技术路线 (6)2.4拟解决的关键技术 (6)2.5预期研究成果 (6)3主要参考文献 (7)1、选题背景和意义1.1 选题背景和目的焊接机器人可以提高效率、优化质量、改善劳动条件，因而发展和应用焊接机器人对我国国民经济起到巨大的作用。
目前的焊接机器人大多为可编程的不教再现机器人，这种机器人可以在其工作空间内精确地完成不教的操作。
在焊接机器人施焊的过程中，如果焊接条件基本稳定，则机器人能够保证焊接质量。
但是，由于各种因素的影响，实际的焊接条件经常发生变化。
例如:由于强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、夹具装夹精度、表面状态、和工件热变形等影响会使焊枪偏离焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败。
因此，焊接条件的这种变化要求焊接机器人能够实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性，这就需要一种可以实时检测并跟踪焊接状态的系统，即焊缝跟踪系统。
早在二十世纪四十年代埋弧焊刚刚诞生，电弧焊走上自动化道路的初期，人们就急待解决焊缝跟踪这一问题。
焊缝自动跟踪系统的完善与否，是决定焊接自动化水平高低的关键。
因而，焊缝自动跟踪技术是焊接自动控制领域中的一项极其重要并迫切需要解决的研究课题。
近几年来，一方面由于窄间隙厚板自动焊、全位置自动焊及弧焊机器人的开发研究，使这一问题更加突出;另一方面半导体传感器、激光及高智能控制技术的发展，又为解决这一问题提供了比较充裕的技术物质基础。
目前，从传统的机械电子式到先进的弧焊机器人式焊缝跟踪系统都得到了广泛的应用。
但是，由于焊接是一个非常复杂的过程，焊接生产中的加工误差、热变形、电磁干扰、卡具误差及其他各种干扰因素的影响，使得许多焊缝跟踪系统还不能得到令人满意的结果(如控制方法落后、系统稳定性差、可靠性差等)。
迄今为止还没有一种能满足所有焊接过程的焊缝跟踪系统，每种焊缝跟踪系统都是针对具体焊接过程设计的。
因此，焊缝跟踪至今仍是一个十分活跃的研究课题。
本课题设计了一套基于单片机作为控制系统的焊缝跟踪系统，它是以PLC作为控制核心，经传感器的实时检测，对焊炬的位置实时进行跟踪修正的系统，从而达到焊接机器人精确焊接的目的。
本研究具有科学研究价值和强烈的工程应用背景。
项目研究成果对于提高我国装备制造业相关领域的制造精度和生产效率提供了必要的理论基础和技术支撑。
对于加速我国从制造业大国向制造业强国的转变有着极其重要的意义。
1.2 国内外相关研究现状、发展趋势及研究意义（1）研究现状及其发展趋势国外关于焊接实时跟踪控制的研究主要集中在焊接传感器的选择以及控制方法的改进上。
1985年保加利亚的kov提出了用模糊模型来描述弧焊过程的不确定性，借助于配置的非接触式激光传感器，用模糊控制推理对示教机器人的运动进行估计、预测和控制，实现焊缝的自动跟踪。
1989年日本的S.Mursaami等研究了利用电弧传感弧焊机器人焊缝跟踪的模糊控制，该控制系统根据焊枪的振幅位置同焊丝与工件的距离关系判断焊点的水平和垂直位移，并在强烈的弧光、高温、烟所以下，采用基于语言规则的模糊滤波器和模糊控制器来设计焊缝跟踪控制系统，取得了较好的效果。
美国Ohio州的Motoman公司推出了一种最高可以在60in_/min(152cm/min)焊接速度下进行焊缝跟踪的电弧传感跟踪系统。
另一分支是焊接过程实时控制专家系统，这是焊接专家系统发展的一个重要方向, 但目前已开发的系统不是很多。
国外已开发的此类专家系统如下表所示。
表1-1 国外已开发系统其中Weldexcel 与NEWCS 两个软件虽已将离线工艺设计与在线实时控制结合起来, 但只是按已经拟订的工艺对工艺参数进行调整。
而Camtech1000和Adaptitech1000则具有真正的实时性, 可完成零件定位、焊接操作、质量检查等功能。
Expert System for Control of Welding Parameters还可给出最优焊接参数,从而控制焊接设备, 保持恒定的熔深和焊道高度。
我国对焊缝跟踪控制技术的研究起步较晚。
80年代末以清华大学潘际銮院士为首的课题组在旋转电弧传感器方面做了大量的研究，并取得了有价值的成果。
1993年清华大学博士廖宝剑在博士生费跃家的研究基础上，研制成功了一种空心轴电机驱动的旋转扫描传感器，并获得了国家专利。
此后江西大学在此基础上在小型化和减震方面做了深入的研究，并做了进行一步的改进，并制造了样机。
清华大学吴世德的博士论文较系统的研究了电弧传感器信息处理技术，通过空间变换，进行了扫描电弧传感器信号的频域特征分析，提出了特征滤波向量的电弧传感的信号处理方法（2）单片机及其发展趋势随着微电子技术和半导体工业的发展，半导体集成电路得到了迅速的发展，到了二十世纪七十年代出现了大规模和超大规模的集成电路。
于是，人们就自然而然的想到将计算机的中央处理器(CPU)制作在一块大规模集成电路芯片中，这样就产生了微处理器(Mieroproeessor)。
随着微处理器的不断发展和完善，人们又在其中制作了存储器(RAM瓜OM)、输入/输出1/O接口电路、定时器/计数器以及户JD转换等电路，这就使微处理器的功能大大增强。
尤其是其中的只读存储器(ROM)可以存放控制中央处理器和外围设备进行工作的程序，这样整个芯片就成了一个独立的控制装置，可以用于实时控制、数据采集与处理等工作，因而称之为微控制器(Mierocontroller)，俗称单片微型计算甲机，或简称单片机。
随着科学技术的不断向前发展，单片机技术也日趋成熟，单片机的功能越来越强大，应用范围也越来越广泛，受到了广大科技界人士的欢迎，使其成为计算机领域的一个重要分支。
到目前为止，由单片机作为控制芯片而设计的各种开发装置、控制设备、电子仪器等种类繁多，不胜枚举。
而将单片机技术应用到焊接领域对于焊接的自动化和智能化有着重要的意义。
本研究具有科学研究价值和强烈的工程应用背景。
项目研究成果可为大型风机叶片纤维铺放控制技术的研究、铺放装备的研制奠定必要的理论基础和技术支撑，对于我区实现兆瓦级风电设备的本地化生产，彻底改善手工铺放的生产现状和落后局面，有着极其重要的现实意义。
2 研究内容与预期研究成果2.1 研究目标（1）建立基于单片机控制实现精确控制焊枪移动的方法；（2）探究对复杂结构的焊接件的焊缝进行自动跟踪的规律。
2.2 主要研究内容在综合了新形势下焊接领域对自动焊接的实际要求及发展趋势后，本课题以焊接机器人为研究对象，通过8031单片作为控制系统，研制出一种可以精确检测跟踪焊接状态以及时纠正偏差的焊接机器人系统。
主要研究内容有：（1）焊缝跟踪系统焊缝跟踪系统如图2-1所示。
它主要由非接触式超声波传感器，扫描装置、机头二维调节装置、单片机控制系统等部分组成。
本系统采用扫描式超声传感焊缝跟踪方法, 即将非接触式超声波传感器置于焊炬前方，用一套扫描装置使传感器在焊道上方横向扫描。
超声传感器发射超声波，遇到焊件金属表面时，超声波信号被反射回来，并由超声传感器接收。
通过计算传感器发射到接收的超声波声程时间,可以得到传感器到工件之间的垂直距离。
根据给定高度与实际检测高度的偏差,可以实现焊炬高度的检测和调整。
利用寻棱边法可以检测焊炬的横向偏差,进而实施横向调整,实现焊缝跟踪。
图2-1 焊缝跟踪系统框图(2)焊缝跟踪中的非接触式超声波传感器的研究焊缝自动跟踪是焊接自动化领域的重要研究课题,而检测焊缝位置的传感器又是焊缝跟踪研究中的关键。
由于电弧焊产生的弧光、高温辐射和强磁场、电场以及金属飞溅、烟尘等严重干扰, 致使目前研究较多的光学和电磁传感器以及电视摄像等焊缝跟踪系统在实际焊接生产中的应用得不到满意的结果。
随着超声波技术的发展,人们发现,超声传感器对电弧焊产生的强光、电、磁场等干扰不敏感,因此,开发、研制新型的非接触式超声波传感器对推动焊缝跟踪系统的研究及应用是非常有意义的。
利用非接触式超声波传感器进行焊缝跟踪,它的关键技术是如何解决超声波的衰减及聚焦问题。
经过理论分析及试验证明,根据焊缝跟踪的实际需要,非接触超声传感器的频率范围应选择0.5～1.5MHz之间,焦距为30～75mm左右为宜。
（3）焊缝跟踪的单片机控制系统的设计焊缝跟踪的单片机控制系统如图2-2所示。
其核心是8031单片机,还包括2764EPROM、74LS373地址锁存器、8155可编程接口等。
当系统通电或复位时,单片机开始执行2764EPROM中固化的程序,对焊缝位置的信息进行实时采集和处理,8031通过P1口输出控制脉冲信号控制步进电机驱动器,进而实现对调整执行机构的控制,实现超声传感焊缝自动跟踪。
超声波传感器的信号(检测信号和同步信号)从8031单片机的INT0和INT1端输入。
8031单片机通过8155接口实现焊缝位置显示和进行控制功能的切换。
图2-2 单片机控制系统框图显示单元采用了8个共阴极LED显示器和8个BCD锁存/8段译码/驱动器—CC4511组成。
8155的PB、PC口将8031单片机处理后的焊缝位置数据送入CC4511进行BCD译码锁存,得到十进制数,进而驱动LED显示器进行显示。
本系统除采用了光电隔离方法、单独电源供电、软硬件滤波等抗干扰措施外,还采用了硬件“看门狗”技术,即采用了集成芯片—MAX1232监视定时器芯片。
MAX1232每隔600ms将发出复位信号使单片机8031复位。
因此,当软件程序正常运行时,在600ms 时间间隔内由单片机8031发出负脉冲信号,使MAX1232重新计时,防止其发出复位信号,从而保证程序正常运行。
而一旦出现干扰影响,软件程序不能正常运行时,则在600 ms 内,由软件控制的MAX1232的重新计时脉冲不能发出,当MAX1232计时到600ms时,就会向8031单片机发出复位脉冲,使整个单片机控制系统复位。
控制软件包括主程序及各子程序:手动调整、高度检测、高度调整、左右偏差检测、左右扫描数显示、高度显示、左右调整等程序。
2.3 研究方案及技术路线（1）焊接跟踪系统的组建1）焊接系统结构设计2）检测及反馈系统的设计3）编写控制程序4）编写用户程序调试工程5）整体连续调试测试（2）PLC程序的设计1）根据实际的控制需要选择PLC及其配套模块，配置硬件系统。