摘 要

随着社会经济的发展，石油管道运输建设量不断增加，相关技术也要求不断提高。然而管道的人工焊接成本越来越高，且焊接质量没有保证，因此研发智能焊接设备势在必行。所谓智能焊接设备就是尽可能使产业区域自动化处理，从而降低人工工作强度，减少人工费用。

本文所设计的全位置管道焊接小车控制系统主要是完成对水平、垂直和摇摆步进电机的驱动控制以及实时调整小车的行程与运动速度，实现对焊枪的精确控制。本文采用51单片机控制步进电机,实现对小车的运动控制；对于焊枪的控制，通过将步进电机与丝杆滑块结构、双丝杆滑块、滑轮滑块连接，从而实现了对焊枪的水平、垂直与弧度运动的控制。对于小车的姿态判断，本文采用MPU6050模块作为姿势器件，完成对小车姿态的检测^[12]，然后把它数据上传至上位机。通过测试，可以实现对小车运动的控制以及焊枪的水平、垂直移动和弧度摆动控制，以及焊枪的姿态判断。

关键词：51单片机、步进电机、MPU6050

Abstract

With the development of social economy, the construction of oil pipeline transportation has been increasing, and related technologies are also required. However, the cost of manual welding of pipes is getting higher and higher, and the quality of welding is not guaranteed, so it is imperative to develop intelligent welding equipment. The so-called intelligent welding equipment is to automate the processing of industrial areas as much as possible, thereby reducing the labor intensity and reducing labor costs.

The all-position pipe welding trolley control system designed in this paper mainly completes the driving control of the horizontal, vertical and oscillating stepping motors and adjusts the stroke and movement speed of the welding torch in real time to achieve precise control of the welding torch. In this paper, 51 single-chip microcomputer is used to control the stepping motor to realize the motion control of the trolley. For the control of the welding gun, the welding motor is realized by connecting the stepping motor with the screw rod slider structure, the double screw rod slider and the pulley slider. Control of horizontal, vertical and radian motion. For the posture judgment of the car, this paper uses the MPU6050 module as the posture device to complete the detection of the attitude [12], and then uploads its data to the upper computer. Through testing, it is possible to control the movement of the trolley and the horizontal, vertical and arc swing control of the welding torch, as well as the posture judgment of the trolley.

Keywords: 51 single chip、Stepper motor、MPU60

目录

第1章 绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2 石油天然气输送管道建设与发展 1

1.3管道自动焊接技术的发展现状 1

1.3.1国内管道自动焊接技术的发展现状 1

1.3.2国外管道自动焊接技术的发展状况 2

1.4 论文结构组织 2

第2章 系统总体设计方案 4

2.1 小车运动系统设计 4

2.2 焊枪姿态控制部分设计 4

2.3 小车姿态检测部分设计 5

2.4 控制系统通信部分设计 6

2.5 本章总结 6

第3章 系统具体设计 7

3.1 步进电机控制系统设计 7

3.1.1 步进电机的基本介绍 7

3.1.2步进电机的控制系统原理 8

3.1.3 键盘控制电路 9

3.1.4 单片机的最小系统电路 10

3.1.5 液晶显示电路 11

3.1.6 步进电机的驱动电路 14

3.1.7 控制系统的软件设计 16

3.1.8 步进电机的慢启动问题探究 20

3.1.9 单片机控制多个步进电机 22

3.2 姿态检测-MPU6050模块 24

3.2.1 MPU6050基本介绍 26

3.2.2 MPU6050姿态检测原理 27

3.2.3 MPU6050的I2C测试 27

3.2.4 MPU6050检测数据的上传 29

3.2.5 使用Processing软件对MPU6050数据进行3D建模 30

3.3通信模块设计 30

3.3.1 通信协议 30

3.3.2 ModBus软件设计 32

3.3.3 步进电机通信模块介绍 33

第4章 控制系统测试 35

4.1 步进电机部分测试 35

4.2 MPU6050模块姿态测试 35

第5章 总结与展望 37

参考文献 38

致谢 39

第1章 绪论

1.1课题背景及研究意义

随着时代的发展，现代工业的发展越来越需要油气。而管道运输是油气运输的主要形式，所以，为了更好的进行油气运输，必须要加强管道的建设。所谓的管道建设就是逐步完成从人工操作到机器自动化操作。同时，由于在管道建设过程中，所涉及的地区之大，施工环境之复查，都要求我们的企业调到自身的管道建设能力。因而，我们需要推进焊接智能化，除了能够提高工作质量，促进自动焊接技术的不断发展外，还能够大幅度降低操作技术难度，降低该行业对工人的要求门槛^[10]。

本文研究的目的就是通过选择合适的嵌入式开发平台，设计管道焊接装置的控制主板，完成对水平、垂直和摇晃步进电机的驱动管制，采用陀螺仪实现对焊枪姿态的判断，实时调整焊枪的行程及速度，完成对焊枪的准确控制。设计出全位置管道焊接小车的控制系统。

1.2 石油天然气输送管道建设与发展

管道运输是石油天然气运输中最主要的一种方式。它的主要特点是运送量大，适合于长途运输，相对于其他方式的运输也比较安全可靠。因而，在各国经济发展的过程中，特别是重工业的发展中，各国政府都特别重视管道建设的发展。基于上述的种种理由，研究具有更高效率，更高可靠性的全位置管道自动焊接机对我国重工业以及民生发展具有非常重要的意义。我国的管道建设从上个世纪未开始发展起来，经过几十年的发展，特别是由于石油产业的不断发展倒逼管道建设的发展，在新世纪我国的管道建设取得了长足的进步，不过有关的核心技术与创新能力还比较低，仍需要不断努力。

1.3管道自动焊接技术的发展现状

1.3.1国内管道自动焊接技术的发展现状

对于国内来说，目前主要采用的是带有刚性轨道的焊接小车或者磁吸式焊接小车的机械结构。以佛山一家公司生产的JYR1101系列管道外圆焊接机为例，它主要是采用步进电机控制小车的行走以及焊枪的摆动。小车的轮子为磁铁，因此，当焊接管道时，能够保障小车牢牢的吸附在管道上。工人则是手拿着遥控器在一旁进行操作，实时根据情况进行调整。尽管这种类型的产品相较于人工操作已经有很大进步，不过由于仍然需要人工近距离实时监控，所以它的劳动强度亦然很大。同时，由于它为了保证小车和管道之间牢牢吸附，所以小车的轮子采用了磁铁。不过，这样的处理带来的不好后果就是限定了它的使用范围，即它只能应用于铁制管道。另一方面，因为管道表面会存在铁屑，长久使用的话，会导致小车轮子表面吸附过多铁屑，影响小车的行走，所以，仍需要设计一款即可以适应各种材质的管道环境，又需要避免出现上述的吸附过多铁质从而不利于行走的现象。

1.3.2国外管道自动焊接技术的发展状况

国外目前普遍采用以焊接小车的形式实现管道的全位置自动焊接。以PWT公司发布的DWS.03管道自动焊接机系统为例，该系统通过计算机自动控制焊接小车行走的速度、焊接电流等参数。同时可以通过传感器检测焊接小车相对于管道的俯仰角，将360度等分为每15度一个弧长，针对不同的俯仰角设置不同的焊接参数。上位机采用表格界面形式控制，需要一次性将所有参数填入表格，然后启动焊接机进行焊接，焊接过程中再实时进行调整。