摘 要

近几十年来，计算机行业和通信行业的发展十分迅猛，促使现代焊接技术从传统手工焊接向智能化焊接过渡，在工业中使用焊接机器人已经变得十分常见。即便如此，焊接机器人的设计仍然处于一种比较早期的阶段，焊接过程比较复杂，一般人难以熟知，并且在操作焊接机器人时，操作焊接机器人的人机界面操作效果不佳。针对这一问题，本文设计了一种智能管道焊接系统，重点完成了管道焊接系统上位机部分的设计。本文简要介绍了智能管道焊接系统的国内外发展现状。上位机系统结合了数据库技术和网络通信技术，利用Qt Creator开发平台设计出一种人机交互较为方便的焊接上位机软件，该上位机软件可以精准的向控制焊接机器人发送各种指令，具有实时在人机界面上显示焊接参数、传输熔池视频图像以及利用数据库中的数据设置焊接工艺参数和执行各种焊接模式的功能。

关键字：智能焊接系统；数据库；人机界面

Abstract

In recent decades, the computer industry and the communications industry have developed rapidly, prompting the transition of modern welding technology from traditional manual welding to intelligent welding. It has become common to use welding robots in the industry. Even so, the design of the welding robot is still in an early stage, the welding process is more complicated, it is difficult for most people to know, and the operation of the welding robot is not good when the welding robot is operated. Aiming at this problem, this paper designs an intelligent pipe welding system, which focuses on the design of the upper part of the pipe welding system. This paper briefly introduces the development status of intelligent pipeline welding systems at home and abroad. The upper computer system combines database technology and network communication technology, and uses Qt Creator development platform to design a welding upper computer software with convenient human-computer interaction. The upper computer software can accurately send various commands to the control welding robot with real-time. Display welding parameters, transfer molten pool video images, and use the data in the database to set welding process parameters and perform various welding modes on the human-machine interface.

Keywords: intelligent welding system; database; man-machine interface

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及来源 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 研究设计的目标和内容 2

1.3.1研究设计的目标 2

1.3.2 研究设计的内容 3

1.4 论文主要内容及章节安排 3

第2章 上位机系统总体方案设计 4

2.1 开发技术介绍 4

2.1.1 Qt Creator简介 4

2.1.2 MYSQL数据库介绍 4

2.2 智能焊接机系统简介 5

2.3 智能管道焊接系统上位机软件总体设计 6

2.3.1 需求分析 6

2.3.2 上位机软件的功能逻辑结构 7

2.4 上位机模块方案设计 8

2.4.1 人机界面 8

2.4.2 通信单元 9

2.4.3 视频显示单元 9

2.4.4 数据库单元 10

2.4.5 本章小结 10

第3章 上位机系统模块设计 11

3.1 人机界面设计 11

3.2 通信程序设计 12

3.2.1 网络接口程序设计 12

3.2.2 ModBus通信协议设计 14

3.2.3 游戏手柄与上位机的通信 16

3.3 数据库功能实现 18

3.3.1 焊接参数存入数据库功能实现 18

3.3.2 使用数据库中的焊接参数 19

3.4 视频显示功能实现 20

3.4.1 视频流的接收 21

3.5 本章小结 24

第4章 上位机系统功能测试评价 25

4.1 系统通信功能测试 25

4.2 上位机焊接参数指令发送测试及游戏手柄功能测试 26

4.3 上位机数据库功能测试 29

4.4 熔池视频显示功能测试 30

4.5本章小结 31

第5章 总结与展望 32

5.1 总结 32

5.2 展望 32

参考文献 33

致 谢 34

第1章 绪论

1.1课题研究背景及来源

金属焊接是一种常见的工业生产工序，其在制造业中是占比非常大的第三产业，而如今在我国焊接工艺中占主导地位的仍然是人工焊接。工人在进行手工焊接时，劳动强度较大，在长时间的工作下，焊接工人容易受到生理上和心理上各种因素的影响，导致焊接质量参差不齐，并且在某些特定的场合之下，焊工的人身安全无法得到有效保障。近年来出现了各种智能化的焊接机器人，其大大改善了上述人工焊接存在的不足之处，为了与焊接机器人进行更好的交互，使其模拟人工手动方式，本文研究设计了一种具有良好人机交互界面的智能焊接机上位机系统。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

早在上世纪90年代，我国就开始着手自动焊接设备以及与其配套的焊接工艺的研究，并且从1999年以后，我国天然气管道科学研究院开始致力于研究管道自动焊接技术，但是最初的我国焊接机器人技术大都是从国外进行引进，限制了我国焊接机器人技术的发展。在国内科技工作者的不断努力下，我国焊接机器人工业已经形成了完整的体系，自主研发并提供技术支持。到目前为止，国内焊接机器人的发展已经达到一个比较好的局面，焊接机器人广泛应用在工业制造、管道运输、船舶建造等等方面，比如在钢桥梁板单元焊接时以及部分实现自动化焊接，但钢主梁节段焊接仍以手工焊接为主[^[1]]。而中国天然气管道局研发的一些列管道焊接机器人在国家一些重点工程中如西气东输管道工程中发挥了重要的作用。目前国内采用的管道焊接机器人普遍采用刚性轨道或者是磁吸式的焊接小车[^[2]]。虽然在焊接工艺和焊接机器人技术方面取得了较大成就，但是焊接机器人的使用却仍然没有很方便。以武汉优弧焊接设备有限公司生产的WH501智能焊接机为例,其采用链条式紧固设计,适合多种直径管道的焊接。焊接控制通过标准的无线手柄实现,焊接员无需目视游戏手柄,可实现盲操作。焊接自带数字陀螺仪,实现焊接方位的指示,并且保存焊接参数。使得下次焊接可以共享优质的焊接工艺参数。

1.2.2 国外研究现状

与国内的机器人发展技术比较而言，国外的焊接机器人技术发展起步非常早。比如美国的CRC-Evans国际管道公司，该公司早在上世纪70年代就开始研制全位置管道焊接机器人，并成功的将这种技术应用到管道焊接中。伴随着近40年的计算机技术和自动化技术的发展，CRC-Evans公司对其管道焊接机器人技术不断的完善和发展，针对不同的焊接场景和实际的焊接需要，该公司在后续推出了如P600等各种各样型号的全位置管道焊接机器人。这些焊接机器人最早应用于管道焊接中，之后，我国也引入了如P600、M300C等型号的焊接机器人。并且广泛应用于我国早期的一些大型工程比如西气东输二线等重大管道工程中。除此之外，国外的学者也研究了一些比较先进的焊接机器人，如2010年UFMG焊接机器人实验室研制的一种管道焊接机器人，自动化程度和控制精度都比较高。另外意大利还有一款比较先进的焊接机器人型号DWS.03型管道自动焊接机器人，这款型号的焊机机器人的生产公司是意大利PWT公司，DWS.03使用的是基于美国ITW焊接技术的PWT全管道自动焊接系统，PWT系统的控制软件通过对管道焊接过程中的参数的自动编程实现了对管道的自动焊接。在焊接过程中，可以利用该系统设置一些在管道焊接中的关键参数，DWS.03中的焊接小车装有陀螺仪装置，可以将焊接车的俯仰角变化数据发送到控制系统软件，并且可以根据俯仰角的变化设置不同焊接参数到焊接机中焊接，从而实现不同俯仰角对应不同焊接参数的全自动焊接功能[^[3]]。PWT对于焊接机中可以设置的焊接参数有：焊接速度、送丝速度、摆幅、停留时间、摆动速度、干伸长、焊接电压、电弧长度、焊接电流等参数[^[4]]。

1.3 研究设计的目标和内容

1.3.1研究设计的目标

上位机作为焊接控制系统的控制装置，需要对下位机发送相关指令以便控制焊接系统完成相应的任务，同时需要能够在上位机中看到焊接系统的各种状态，包括焊枪姿态、焊接熔池视频等，其应包括控制模块和视频显示模块。具体实现的目标如下：

1. 设计基于Windows10系统的软件系统，具有良好的人机交互界面。
2. 上位机界面可实时显示陀螺仪数据，以便实时调整焊枪姿态与行程。 界面具有视频显示功能，以便观察焊接系统熔池视频，具有调节车速、启动小车、以及控制小车速度的各种按钮。
3. 具有存储系统日志的功能，保存焊接机的焊接日志，以及本次焊接中的优质参数，建立数据库，不断优化焊接过程。
4. 上位机与下位机的通讯，利用ModBus总线完成上位机与下位机的通讯。

1.3.2 研究设计的内容

本文的主要研究内容是基于对国内某些已经研制成功的智能焊接机的基础之上，对其上位机系统进行优化研究，力求能实现一个具有良好人机界面的上位机系统，使人机界面更加人性化，降低操作难度，同时使焊接机器人的焊接动作能够模拟人工焊接时的动作。

1.4 论文主要内容及章节安排

本上位机系统以Qt Creator平台为开发工具，结合MySQL数据库，进行了无线通信接口程序的设计、数据库操作接口程序的设计、以及无线视频传输程序的设计。论文的主要章节安排如下：

第一章：绪论部分，该部分主要研究了课题的研究背景、国内外研究的现状、对本设计研究和要实现的目标、以及涉及到的一些关键技术和开发平台进行了介绍。