1. 研究目的与意义（文献综述）

1.研究背景

在中国产业制造以及工业水平不断升级的背景下，管道运输在运输业中的占比越来越大，其运输量大、连续、迅速、安全，可运输矿石、煤炭、建材、化学品和粮食等，如中国“西气东输”工程中大量采用的输气管道，管道运输的大量运用对运输管道的焊接环节提出了更高的要求，此前管道焊接一般采用人工焊接，不仅成本较高，技术工人不容易培养，并且弧光近距离容易对身体造成伤害，在焊接过程中工人有可能会受到心理、生理的变化以及周围环境因素的影响，导致焊接速度过慢，并且管道焊接的质量也难以保证。管道自动焊接机器人的出现，很大程度上解决了这一困境，相比人工焊接，管道自动焊接机器人焊接速度快且平稳，操作简单，并且一般配有智能保护功能，可防止焊接过程中过压、欠压、过流、过热的情况发生。与此配套的是管道自动焊接系统的上位机，其给用户提供了一个良好的人机交互界面，实时显示主要参数、焊枪的各轴运动状态。

2.国内外研究现状
2.1 国外研究现状
与国内相比，国外的管道焊接技术发展应用较早， 最早要数美国的CRC-Evans 国际管道公司，它们在1964 年就把全位置焊接技术应用到管道铺设中。随着计算机技术和自动化技术的发展，CRE-Evans 公司在管道焊接技术上不断完善和发展，在40 年里先后推出P260，M200C,M300C,P300，P400，P500，P600 等多种型号的全位置管道自动焊机，其中P260 适合热焊，P600 适合用于填充、盖面焊;M300C 单焊枪外焊机适合于丘陵地带的焊接。并且P260, P600, M300C 等型焊机在我国的管道工程中也有所使用。如具有激光视觉跟踪功能的P600 双焊枪焊机。美国CRC-Evans 公司生产的P600 型双焊枪自动焊、IWM 内焊机、PFM 坡口机等均在我国西气东输一线、西气东输二线、西气东输三线等重大管道工程中得到应用。美国CRC 公司不但致力于陆地管道建设， 在海底管道建设方面也成绩斐然， 特别针对海底管道在海上建设的独特工作条件，设计并制造出了高技术水平的CRC-Evans 海上全自动焊接系统， 包括焊接设备、对口设备、坡口加工机以及独立的焊接电源等。该全自动焊接系统采用双丝焊技术提高焊接速度， 同时采用了电弧跟踪技术以实现精确焊接施工。除了美国的CRC-Evans 公司外，其它世界发达国家也加入到全位置管道焊接技术领域的生产研发中来，如美国MAGNARECH 公司、英国的NOREAST 公司、德国的VIETZ 公司、意大利的PWT 公司、加拿大的PROLINE公司等。除了一些公司之外，国外的许多大学、研究所及学者都在研究工业机器人如何应用在管道焊接领域。如巴西学者Frederico A.Ramalho Filho , AlexandreQueiroz Bracarense, Eduardo Jose Lima II, Kassio Maciel Kienitz, Emanuel BarbosaRibeiro 及其他们所在的UFM G 焊接机器人实验室2010 年就研制了一种全位置管道焊接机器人-Orbital Welding Robot。国外的全位置焊接机器人技术较为成熟，自动化程度及控制精度都很高，己经在实际工程中应用广泛，而且我国在“西气东输”等实际工程中也引进了一些国外的先进焊接设备，然而国外设备引进成本高昂，维修更新也较麻烦。
2.2 国内研究现状
20 世纪90 年代， 以中国石油天然气管道科学研究院为代表的我国企业开始进行自动焊设备及配套工艺的研发， 并在1998 年， 其自主研发的带铜衬内对口器首次在河南义马—郑州输气管线中与外焊机配合应用， 共计施焊2．6 km（焊接合格率98％），至今该管道运行良好。中国石油天然气管道局自1999 年以来致力于管道自动焊技术的研究， 其自主研制的PAW2000 单焊枪自动焊、PAW3000 双焊枪自动焊、PFM 系列管端坡口整形机、PPC 系列气动内对口器、PPC－C 带铜衬垫内对口器、PIW 系列管道内环缝自动焊机， 曾在西气东输、西气东输二线、西气东输三线、陕京三线、印度东气西输、中哈、中乌、中俄等国内外重大管道工程中发挥了至关重要的作用， 焊接管道总里程约1054 km，其中我国管道工程自动焊应用比例约5％。为了满足高钢级、大管径输气管道建设的技术需求， 中国石油天然气管道局在引进国外焊接新技术、新设备的同时，日趋注重产品的持续升级改造以及新产品、新技术研发， 在PAW3000 双焊枪自动焊技术的基础上， 开发出了新一代的CPP－900 系列自动焊系统， 其性能已达到国外同类产品的技术水平。此外， 我国近年来不断涌现出管道人、熊谷等生产管道自动焊设备的公司， 并在市场中有一定的竞争力。在船舶制造领域，焊接机器人主要在日本、美国等国家得到了应用。受造船焊接机器人系统技术复杂性的影响，国内尽管对焊接机器人进行了应用，但主要依靠从国外引进机器人技术，因此在一定程度上限制了国内船舶焊接机器人技术的发展。目前在国内大量推广的应用的主要是管道外圆自动焊接机系统，其普遍采用带有刚性轨道的焊接小车或磁吸式焊接小车的机械结构。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。

2. 研究的基本内容与方案

3.研究设计的目标、拟采用的技术方案
3.1 预期实现的目标
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。具体预期实现的目标如下：
（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。

（5）系统设置界面主要包括机器人启动时各项参数的初始化，可在上位机上设置串口以及波特率等参数，以及使用上位机软件时的用户登录密码等。

3.2 涉及的关键技术
（1）为保证上位机软件良好的可移植性，选用qt creator 作为开发平台，qt 作为跨平台图形用户界面工具包自其诞生以来，以其广泛的适用性和良好的可移植性，已经扩展到了移动设备开发以及pc 平台程序设计的所有方面，qtcreator 是集成开发环境，具有qt 对象库、c 编辑器等功能。其在各种操作系
统中源码级移植十分简便。
（2）由于在上位机系统中需要查看焊接熔池的相关情况，需采用视频采集传输模块，上位机需要利用wifi 连接到视频传输模块，利用socket 编程与视频模块建立连接。实现双向数据通信。
（3）上位机与下位机拟通过modbus 总线进行连接，主要用于对焊接系统电源各项参数的设置。
（4）存储系统开发日志以及其他关键参数采用mysql 数据库实现，mysql是一种关系数据库管理系统，关系数据库将数据保存在不同的表中，而不是将所有数据放在一个大仓库内，这样就增加了速度并提高了灵活性。
（5）整个上位机开发采用c 语言，c 语言支持数据封装和数据隐藏，支持继承和重用，支持多态性，c 不仅拥有计算机高效运行的实用性特征，同时还致力于提高大规模程序的编程质量与程序设计语言的问题描述能力。对于上位机开发是很适合的选择。

3.3 拟采用的技术路线
上位机主要实现智能焊接系统系统管理，智能焊接机器人的状态显示，以及良好的人机交互界面。根据设计的需求以及设计的关键技术，上位机拟采用的技术路线如图3.1：

3. 研究计划与安排

3．进度安排
设计进度安排如下：
第1-2周：收集与课题相关的教材，期刊，论文等，熟悉相关理论知识。

确定方案，完成开题报告；
第3-5周：熟悉Qt Creator使用，熟悉socket编程设计，熟悉ModBus总线知识；
第6-12周：完成整个上位机系统开发并进行调试；
第13-14周：撰写论文并完成最后的检查；
第 15 周：完善毕业设计论文；
第 16 周：设计论文答辩

4. 参考文献（12篇以上）

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