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研祥工控机在多维智能焊接系统中的应用

  摘要:简述了以研祥EPI总线工业全长卡EPI-1816VNA为控制核心的焊接控制系统平台。
  
  该总线采用针孔式板卡结构,配套相应功能板和底板、传感器、控制执行模块组成的整个焊接控制系统,运行可靠、稳定。该EPI总线为解决传统工业全长卡今手指接触连接方式抗氧化、振动、防潮湿功能的不足提供了一种新技术,具有很好的学术推广和借鉴价值。
  
  1.背景
  
  焊接是现代制造领域的重要工艺方法之一。在现代社会高速发展的今天,传统的手工焊接方法已不能满足现代高技术产品制造的质量、数量的要求。因此,保证焊接产品质量的稳定性、提高生产效率和改善劳动条件已成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题。随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接自动化提供了十分有利的技术基础,并已渗透到焊接各领域中。在此基础上,以焊接机器人为核心的焊接自动化技术有了长足的发展。
  
  2.特种罐体焊接机控制系统介绍
  
  焊接现场由于强烈弧光辐射、高温、电磁干扰等现象及其严重,本智能焊接机采用基于工业计算机(工控机)的开放式控制系统体系结构,如图1所示,主要由传感器系统、控制单元、执行机构、干扰信号补偿装置、焊枪和悬浮高度及水平方向设置等6部分组成。在焊接过程中,首先根据制造工艺要求设置好悬浮高度和水平方向初始值,系统上电复位后,总控制器发出启动命令,执行电机开始运动,并驱动工作云台行走(焊枪和集成化传感器都安装在云台上)。本系统的工作原理是:根据传感器系统中输出电压值的变化量信息,经*处理器处理后发出控制指令给执行机构,从而适时调整焊枪和焊缝的水平、垂直方向的相对位置,实现整个焊接过程的自动跟踪。
  
  图1系统电气原理方块图
  
  3.智能传感器及执行机构
  
  本智能控制系统中,传感器系统采用的是基于C8051F020微处理器的三维智能传感器(号:ZL200520036413.1),该传感器针对三维焊缝的不同特征和智能传感器的空间结构,分别采用GMR高度传感器联合检测算法和焊缝检测传感器判别算法来实现对空间焊缝的实时跟踪检测。该传感器通过RS-232串口与上位PC机进行通讯,将焊枪与焊缝的空间位置关系数据实时地传送给上位机。
  
  针对三维焊缝的空间位置特征,本系统中的焊接装置采用龙门式机械结构。该装置有三个自由度:X、Y、Z。X轴(纵向)和Y轴(横向)的运动是由直流步进电机、齿轮齿条传动、直线导轨等组成的驱动装置来实现,Z轴(垂直方向)的运动是由直流步进电机、滚珠丝杆、直线导轨等组成的传动装置来实现,X轴、Y轴和Z轴构成笛卡尔直角坐标系,保证焊枪可准确地运动到三维空间的任意位置。
  
  本系统的执行机构由运动控制卡和相应驱动单元组成。当工控机发出运动命令后,由运动控制发出电信号给电机驱动器或接口控制电路。其中运动控制卡选用一款基于PCI总线的.4轴运动控制卡,支持脉冲型电机驱动器:产生脉冲序列控制伺服电机驱动器和步进电机驱动器。该运动控制卡有四组运动控制模块,每组有独立的脉冲发生器、编码器计数器、隔离数字量输入输出,每组均可独立地用于某个轴的运动控制,互不影响。提供DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP开发库,可用VC++、VB或BC++开发自己的应用程序。其支持单轴点到点运动、任意2—3轴直线插补运动、任意两轴圆形插补运动。
  
  4.系统控制单元
  
  作为工业应用越来越广泛的工业计算机,除了具有一般通用计算机的特点外,还由于在可靠性、抗干扰能力及结构设计等方面采取了相应措施,因而可以长期稳定可靠地运行于各种恶劣环境,具有模块化、开放化、高可靠性等特点。
  
  相对于商用计算机,工业计算机在结构上做了很大改进,以下是工业计算机的结构示意图:
  
  图2工业计算机结构示意图
  
  通常工业计算机的主板做成插卡的形式,插在无源底板(passivebackplane)上。无源底板上只有ISA,PCI总线接插件以及电容电阻等无源器件,因此无源底板损坏的概率非常低,通常无更换之忧。如果主板损坏,只需要将主板拔出即.可,此外系统的主板和外围卡有专门的固定压条,防止板卡跳出。同时硬盘驱动器具有硬盘避振架和减震橡胶垫,能减轻振动对硬盘的损坏。为了使工业计算机能可靠工作在高粉尘环境下,在工业计算机的前面入风口,具有可更换的防尘网和风扇,如下图所示:
  
  图3工业计算机防尘网和冷风扇
  
  由于焊接机的工作环境较差,各种干扰极其严重,连续工作时间长,要求整个焊接控制系统具有较高的可靠性,因此选用了研祥智能EPI总线技术(号:200820093243.4)的全长卡EPI-1816VNA,作为工业计算机的核心主板,同时配套研祥EPI-6113LP4底板一起构成整个系统的控制平台。该总线标准采用针孔式板卡结构和欧式插座代替金手指的连接方式,极大地克服了工业传统金手指全长卡抗氧化、抗震功能不好的缺点,增强了连接方式的可靠性。如图4和图5所示,研祥新一代工业计算机EPI总线采用欧式针孔连接器,插槽与针脚相互配合电连接。同时在底板上设置有多组针孔式插槽,可以插入多个功能板,从而扩展整个工控平台的功能。这些插槽包括96针的PCI槽、120针的ISA槽、以及同时具有96针的PCI槽和120针的ISA槽的全长槽。功能主板的信号针脚也与底板的PCI、ISA扩展一一对应。
  
  图4研祥EPI总线全长卡结构图
  
  图4研祥EPI总线全长卡与底板关系结构图
  
  该系列产品配置齐全,内部配置两个RS-232串口,一个10M/100Mbps以太网控制器,四个SATA硬盘接口,一个显示器接口,键盘接口以及鼠标接口。不但如此,该控制计算机具有强抗干扰能力,外部用19"加固型4U标准上架工业机箱IPC-810E,冷风扇,防尘、,非常适合焊接机的工作环境。外部配接了显示器和一个标准键盘,构成了整个焊接控制系统的输人、输出监视装置。
  
  在电磁兼容性和扩展性方面,该型号工业计算机针对电源方面的干扰、传输信道的干扰、空间干扰、地电流的干扰等方面均采取了相应的抑制措施,并在国家电磁测试中心达到FCCA级标准。EPI-1816VNA工业全长卡带有一个以太网控制器,为该焊接控制系统实现远程Internet在线诊断提供了硬件支持。同时研祥底板EPI-6113LP4具有4个PCI槽和7个ISA槽,除其中一个PCI槽用于连接运动控制卡外,其它完全可以满足以后系统功能的扩展要求。
  
  5.结束语
  
  本文介绍了以研祥EPI总线工业全长卡EPI-1816VNA为控制核心的焊接控制系统平台,该多维智能控制系统已在焊接生产现场应用,得到企业认同,整个控制系统具有工作稳定可靠、控制精度高、人机界面友好等特点,通过软件、硬件的重新配置,可以迅速实现其他焊接方法的控制过程。该控制系统的开放性保证了系统的进一步改进和升级的能力。