遠程焊接

遠程焊接是結合通信技術和嵌入式軟硬體的發展，通過數控焊接設備與網路的結合，可以實現對焊接現場的監測和控制。特別是可以提供豐富的各種網路擴展接口，能夠支持 TCP/IP協定，通過適當的組件網路，可以方便的構建伺服器端和客戶端系統，形成焊接系統的遠程控制，這樣可以方便進行野外等惡劣環境下的自動焊接。

基本介紹

• 中文名：遠程焊接
• 外文名：Remote Welding
• 系統設計：數據採集、伺服器、遠程客戶端
• 套用技術：通信技術和嵌入式軟硬體
• 所屬學科：信息科學與材料科學
• 優點：焊接過程自動化、遠程可控化

簡介

隨著積體電路和計算機的發展，嵌入式系統的套用越來越廣泛，其套用主要分為智慧型儀器和計算機擴展套用。計算機和智慧型控制在焊接領域的套用已經實現了數位化焊機，實現了操作過程的自動化。但對於遠程的焊接監視和控制系統的套用還並不廣泛，而結合通信技術和嵌入式軟硬體的發展，特別是可以提供豐富的各種網路擴展接口，能夠支持 TCP/IP 協定，通過適當的組件網路，可以方便的構建伺服器端和客戶端系統，形成焊接系統的遠程控制，這樣可以方便進行野外等惡劣環境下的自動焊接。方便進行遠程的焊接管理與監控。

現代計算機技術和網際網路套用為焊接自動化也提供了新的發展領域，通過數控焊接設備與網路的結合，可以實現對焊接現場的監測和控制。基於嵌入式 Web 伺服器( Embedded Web Serv-er，EWS) 的思想，並結合數字焊機的可控性，設計了遠程焊接的監測控制系統，通過採集相應的焊接參數，利用嵌入式 Web 伺服器技術，通過瀏覽器實現對焊接現場的遠程實時監控，完成焊接過程的自動化及遠程可控化。

遠程焊接系統整體設計

系統整體結構框圖如圖所示。系統由焊接終端焊接現場的數據採集系統、嵌入式伺服器和遠程客戶端組成。由於焊接需要採集大量信息，以及要求實時性較高，因此焊接遠程監測系統採用DSP加ARM 雙處理器結構，針對焊接的實時性及數據量大的特點，通過 TMS320F2812 構建實時數據採樣平台，主要對焊接過程中的電壓電流，焊縫位置信息等進行採集處理。

控制部分的硬體平台採用S3C2440，帶有板載 100M 網路接口，DM9000 網卡，帶聯接和傳輸指示燈，可以配置一個五線異步串列口，波特率最高115 200bps 另外擴展出兩個串口，Wince 和 linux 下均提供三串口源碼。作業系統可以選擇 LINUX。

焊接現場主要由 1 台數控焊接機和相應的控制及信號感測系統組成。感測系統採用紅外探測器，安裝在焊機橫樑上，可以實時探測是否存在需要焊接或補焊的位置，當滿足焊接要求時，啟動焊接程式，同時將信號傳遞給遠程監控端。遠程客戶端通過網路實現和伺服器端的通信。焊接過程中的電流電壓參數通過感測器傳送給 DSP 進行數據實時採集，並將處理結果傳給遠程控制端，遠程控制端可進行焊接過程實時監測並進行控制，控制信號返回焊接終端，經 DSP 處理後控制焊機擺動和送絲機構，達到對焊接過程的監控。

數據採集系統設計

通過在焊機上安置可以來回移動的單探頭氣介式超音波感測器，當掃描到鋼管的焊縫位置時，可以檢測到待焊焊縫，並將信號送於處理器，啟動焊接程式，自動進行焊接，同時進入焊接過程和遠程服務進程。在軟體設計時，可以利用處理器的軟體時鐘，即“軟體定時器”，當感測信號檢測到符合焊接條件時便產生硬體中斷，當硬體中斷到達時，核心更新。Linux 核心 中 添 加 軟 件 時 鐘，首 先 必 須 分 配struct timer_list 類型，然後調用函式 add_timer( ) ，將該軟體時鐘添加到相應調用 add_timer( ) 函式的CPU 中。為更好的進行焊接過程的控制，在焊槍上安置電磁感應式感測器。實現焊接過程的自動校正，焊接軌跡控制如圖所示。

焊接過程中電壓和電流的採集主要由霍爾電壓感測器和電流感測器實現。霍爾電壓感測器選用KV20AP，閉環式控制。霍爾電流感測器選用CSK3－SOO採集到的信號送入TMS320F2812的A/D轉換單元進行處理，之後將處理結果送於ARM，最後通過網路接口送於客戶端。

嵌入式伺服器的設計

系統可以選擇為Linux，對於通信控制而言，網路的伺服器大多架構在linux服務平台上的。linux系統相對於其他作業系統具有安全性高，硬體要求低，系統性能穩定等一系列優勢。而相對linux而言，其本身屬於開源軟體，便於研究和學習。

S3C2440微處理器的外圍地址空間擴展一片16MB的晶片來存儲採集的各項數據。嵌入式檔案系統在NAND－FLASH存儲晶片中保存了兩個網頁檔案temp．htm和his．htm，分別用來顯示當前焊接參數以及保存歷史數據。

網路傳輸部分的程式擬採用基於windows的客戶端和基於嵌入式Linux的伺服器的總體設計。通過選用嵌入式Web伺服器來完成接收客戶請求、分析請求、回響請求、向客戶端返回請求結構等任務。嵌入式伺服器內部架構如下圖所示。

遠程客戶端

基於windows客戶端裝載在客戶端PC機上，主要完成客戶端連線控制、焊接數據接收以及焊接數據監控顯示過程。而嵌入式的伺服器端則主要完成和客戶端連線控制、數據傳送功能。嵌入式Linux伺服器傳送的數據由焊接現場的感測設備採集後經DSP處理後送入S3C2440，應用程式根據數據暫存器的數據，對應轉化為特定數值進行傳輸。

LINUX網路編程主要是建立Socket套接字接口，在主程式中可以進行對套接字的調用，在此可以利用套接字分別設定本地和遠程端相關信息，如設定焊接遠程連線埠1、遠程地址1、設定本地連線埠2、本地地址2等。通信時，被打包的數據通過主程式調用套接字來實現相關功能。當焊接設備開始運行時，伺服器端的應用程式即將進入和客戶端的通信準備狀態，系統建立一個main主進程，主程式開始後，將建立Socket進程，然後進入BIND綁定和ACCEPT連線函式，主程式開始同時進入焊接數據採集執行緒。其程式結構圖如下圖所示。

遠程焊接機器人

基於IGRIP的焊接機器人遠程控制模式原理較為簡單，硬體組成也不複雜，實現的難點是運動通道組件的開發，採用基於IGRIP的遠程控制方式的優點是：

(1)仿真和控制引擎可以直接採用IGRIP，IGRIP是專用的機器人仿真軟體，而且提供了大量的商品機器人模型庫和機器人的相關共享庫，對機器人的支持更豐富，功能更強大。

(2)IGRIP提供了Nettools網路通訊庫，用戶可以直接調用相關庫函式進行網路通訊程式的開發，大大提高了編程的效率，減少了開發時間和出錯的可能。

這種方式的缺點是：

(1)伺服器缺乏分布性，只有在安裝了IGRIP的機器上才能進行遠程仿真和控制，但IGRIP軟體是有著作權的商業軟體，而且license和硬體綁定在一起。

(2)採用IGRIP作為機器人遠程控制的核心，雖然功能強大，但是需要用戶輸入CLI命令進行仿真和控制，要求用戶對CLI命令很熟悉，而且CLI命令很多，完全是文本方式。普通用戶較難熟練掌握。最好事先在IGRIP中建好機器人及工件模型，在遠程控制時，直接用CLI命令載入進仿真環境就可以了，否則用CLI命令建模，將是一件很繁瑣的工作。

(3)Motion pipeline中的動態程式庫，需要用戶自己開發，並且要和實際的機器人控制程式進行聯調。