论文总字数：24260字

摘 要

本文以C8051F020作为数控芯片，设计多层多道焊专用焊接设备焊炬运动控制系统软件，用以实现焊炬位置调整、焊接坡口在线测量以及焊接过程控制等功能。以Keil uVision5 C51作为开发平台进行各个系统的软件编程工作。

焊接专用设备中所用电机均为步进电机。由单片机发送脉冲信号给脉冲分配器，再有由脉冲分配器产生相应的PWM信号来控制电机正反转。根据各个步进电机工作时的频率范围，通过改变PCA可编程计数器阵列的时基信号源及工作方式，为每一个设置不同的脉冲频率来控制相应步进电机的转速。

设计焊炬位置调试程序以便于焊接坡口检测和焊接过程执行中的位置确定。焊接坡口在线测量系统配合接触检测电路，产生相应的接触信号，确定接触点位置，通过计算焊炬的行程对坡口尺寸进行确定，得出坡口参数。由坡口尺寸进行焊道规划，将焊接参数发送给单片机，由焊接过程控制系统程序来控制电机，进行相应的焊接动作，完成高质量的焊接。

关键词：单片机控制；多层多道焊；软件设计；离线编程

Abstract

In this paper, C8051F020 is used as a numerical control chip to design torch motion control system software for multi-layer and multi-pass welding equipment, which is used to realize torch position adjustment, welding groove online measurement and welding process control and other functions. Keil uVision5 C51 was used as the development platform for software programming of various systems.

The motor used in welding special equipment is stepping motor. A pulse signal issent to the pulse distributor by the single chip microcomputer, and the corresponding PWM signal is generated by the pulse distributor to control the positive and. negativerotation Of the motor. According to the frequency range of each stepping motor, thespeed of the corresponding stepping motor is controlled by changing the time base signalsource and working mode of the PCA programmable counter array, and setting differentpulse frequency for each.

Design welding torch position debugging program to facilitate welding groovedetection and welding process in the execution of position determination. 'The weldinggroove on-line measuring system is combined with the contact detection circuit toproduce the corresponding contact signal and determine the position of the contact point.The groove size is determined by calculating the stroke of the welding torch, and thegroove parameters are obtained.The welding pass planning is carried out by the groovesize, the welding parameters are sent to the single chip microcomputer, and the motor iscontrolled by the welding process control system program, and the correspondingwelding action is carried out to complete the high quality welding.

Keywords：MCU control； Multi-layer multi-pass welding；Software design；Offlineprogramming

目录

第一章 绪论 1

1.1 厚板多层多道焊工艺应用 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本课题的研究内容及意义 2

第二章 厚板多层多道焊自动焊装置方案设计 3

2.1 多层多道焊自动焊装置组成 3

2.1.1 多层多道焊焊接装置硬件系统设计 3

2.1.2 焊炬运动系统电机选择与控制 3

2.2 自动焊运动装置软件系统功能 4

2.2.1 数控芯片选择 4

2.2.2 焊炬运动装置软件功能说明 4

第三章 焊炬运动装置调试程序设计 5

3.1 焊炬运动装置及功能实现 5

3.1.1 焊炬运动装置 5

3.1.2 步进电机驱动脉冲PWM设置 5

3.2 手持端操作盘扫描程序设计 8

3.2.1 手持操作盘设计及功能 8

3.2.2 手持端操作盘键盘扫描程序 8

3.3 焊炬位置姿态调整程序设计 11

3.4本章小结 12

第四章 焊接接头坡口测量程序设计 13

4.1 测量方法的选取 13

4.2 焊接接头坡口测量路径规划及计算 13

4.2.1 焊接接头坡口测量路径规划 13

4.2.2 焊接坡口尺寸计算 15

4.3 运动速度和运动距离控制的软件设计技术 15

4.3.1 运动速度控制 15

4.3.2 运动距离控制 16

4.4 焊接坡口测量程序设计 17

第五章 多层多道焊焊接过程控制程序 22

5.1 厚板对接接头焊接规划 22

5.2 焊接功能子程序设计 22

5.2.1 起弧程序设计 22

5.2.2 熄弧程序设计 23

5.2.3 急停程序设计 24

5.3 焊接过程控制程序设计 25

第六章 结论 27

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

“焊接”可以回溯到几千年前，在人类早期的生产工具制造中，就能看到焊接技术的影子。现代焊接工具制造技术的产生和发展与工业革命的产生和发展休戚相关,根据不同时期焊接工具制造方法的发展及其产生和时间,将它总结为两个重要发展阶段。1）第一个重要发展阶段为第二次工业革命，这一阶段奠定了焊接技术发展的第一块基石。2）第二个重要的技术发展主要出现在第三次工业革命,这个重要的阶段在微电子技术、能源、航天、航海技术等多个领域都已经取得重大突破,推动了传统的焊接加工技术的快速发展。随着我国工业化生产的快速推进与发展,传统的手工焊接在提高生产的效率与质量和生产的精度上都很难满足工业生产的需要。由于现代计算机互联网技术以及工业自动化制造技术的迅速进步发展,自动焊接的技术也随之应用而生。焊接设备也在不断地进步，正向着环保、智能、节能、绿色的焊接方向不断发展。

1.1 厚板多层多道焊工艺应用

在世界制造中心不断的向中国迁移的背景下，中国在世界制造行业中发挥着重要的作用，焊接技术作为制造生产行业中重要的技术之一。传统的单道焊或者多层单道焊已不能满足生产需要，例如在我国的超高层建筑行业中，随着该行业的迅速发展，对建筑物的寿命和稳定性提出了更高的要求。也因此新一代高强度钢铁材料被人们发现，因其本身优良的塑性、韧性及高强度等优点开辟了建筑行业新的发展空间，使得建筑物高度不断上升，但是高强钢的焊接性能较差，中厚板、长焊缝焊接量较大所以在厚板焊接中，大量采用多层多道焊来完成焊接工程。

在许多工业产品中，如钢结构建筑的焊接加工产品，存在着焊接母材的厚度大、焊缝成型不美观的问题。为此，在建筑中厚板自动焊接中,解决填充的焊材熔敷输入金属量大,热焊接输入金属总量高,焊件施焊的过程中对焊缝的拘束度比较高以及焊接残余应力较大等诸多问题为其关键所在。所以往往我们需要更多地采用多层多道焊的自动焊接工艺方法来进行焊接。由于后层的焊道对前层的焊道来说具有一次热处理的重要作用,相当于对前层的焊缝来说进行了一次正火的热处理，因而对焊缝的塑性影响很，可以很好地提高焊接质量。

由于中厚板、长焊缝焊接量大，以及焊接环境较差，可能会对工作人员产生潜在威胁，所以企业采用先进的自动化工业焊接设备的自动化是进一步提高自动化焊接的质量，改善焊接工作人员的焊接操作环境的最优解决方案。工业焊接的自动化焊接是把企业的智能化、自动化的焊接过程控制和管理系统与自动化焊接的工具相互巧妙的结合起来，来帮助企业提高焊接生产的效率和自动化焊接的质量以及对焊接人工等技术成本的控制和降低。目前自动化工业焊接设备主要的产品包括各种自动化的焊接操作专机和自动化焊接操作机器人等。

1.2 国内外研究现状

随着我国的经济和科技不断发展，机械制造行业也有了不错的进步，其中自动化焊接机器人的使用大大降低了生产中不利因素的影响。国内焊接机器人经过多年的发展，已经有了点焊、弧焊、激光焊等多种形式，其控制能力也由最初的单一控制发展到多轴同步控制。自动化焊接设备的发展也为焊接的应用提供了更多的机会。焊接企业的自动化机器人设备多采用自动仿真技术,在机器人的仿真中使用了cad/cam、机器人的工作原理等多种仿真技,以视频和动画的形式直接呈现了出来,然后对焊接机器人加工过程进行自动化控制,实现了焊接自动化机器人对加工的真实焊接环境进行仿真编程模拟,自动生成焊接的程序。目前,焊接自动化机器人的离线加工过程仿真和自动化编程在众多焊接企业的生产中已初具规模。近几年国内的自动化焊接加工机器人也已经有了不错的进步和发展,主要生产企业有中国昆山华恒、唐山开元、沈阳新松、及中国烟台得利安等知名品。

随着计算机技术的发展，焊接专用设备的技术水平也在不断的革新。现阶段，焊接专机大多采用的是伺服电机和步进电机驱动，通过单片机技术对其控制，来实现焊接执行，自动化焊接设备的发展前景拭目以待。

1.3 本课题的研究内容及意义

我国的超高层建筑发展迅速，进入黄金时期，对建筑物的寿命和稳定性提出了更高的要求，所以高强钢的应用越来越多，但高强钢的焊接性能较差，中厚板、长焊接接缝的焊接量较大,与此同时,高层建筑的高筋钢结构多在高空中进行焊接施工和作业,承载量很大,施工线和作业现场环境艰难。且不同焊工之间工作的流动连续性差,技术水平不统一。以上这些因素在一定程度上会影响高层建筑钢结构的质量，对高层建筑的施工进度、稳定性和安全性会带来伤。另外，焊接的工作环境较为恶劣、工作强度很大、对技术熟练程度要求高，更重要的是会对焊接人员产生潜在危害，威胁工作人员健康。 出于此，采用自动化焊接工艺是优选的解决方。

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