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基于蓝牙4.0的数字化焊机同步PC监控系统分析.pdf

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Abswaet 硕士学位论文Keywordswelding quality;Bluetooth 4.0user interface;weldingparameters;monitoring;digital control;database硕士学位论文 基于蓝牙4.0的数字化焊机同步Pc监控系统研究目录摘要IAbstract..III1绪论...11.1 研究背景及意义11.1.1研究背景11.1.2研究意义l1.2 焊接无线监控研究现状和不足..21.3 低功耗蓝牙技术BLE81.4 课题的主要研究内容一82逆变式GMAW焊接电源设计与组装102.1 系统总体方案设计102.2 主电路组成和原理.112.3 焊机机箱设计及组装112.4 系统调试和结果132.5 本章小结133系统硬件电路设计143.1 系统方案设计143.2 焊接蓝牙4.0通信模块设计..143.2.1单芯片蓝牙4.0解决方案143.2.2焊接蓝牙4.O无线传输模块应用电路163.2.3巴伦匹配电路..173.2.4 UART接口通信电路...1 83.2.5无线通信模块抗干扰设计..183.3 焊接电源主控电路193.3.1信号处理器应用电路..193.3.2信号采集滤波电路203.3.3 Um玎通信电路..213.4 本章小结..234数字化焊机控制软件设计与调试244.1 控制系统软件功能分析244.2 PI控制算法24V目录 硕士学位论文4.3 控制系统软件设计244.4 信号处理器ADC模块子程序设计及采样测试一264.5 焊机调试284.5.1输出外特性测试..284.5.2死区测试..284.6本章小结295监控系统软件设计与测试.305.1 PC监控软件功能分析305.2 PC监控软件总体设计305.3 通信协议的制定315.4 焊机监控软件界面设计325.5 监控界面多线程设计335.6 焊接监控系统数据库设计与实现355.6.1数据库设计..365.6.2焊接参数数据库处理流程..365.7 蓝牙4.0通信软件设计..375.7.1低功耗蓝牙BLE的体系结构概述385.7.2蓝牙模块调试环境..425。7.3蓝牙4。O连接参数设置435.7.4蓝牙模块串口通信功能实现..465.7.5蓝牙无线通信实现一475.7.6蓝牙模块软件总体设计..485.7.7蓝牙通信故障分析..505.8 系统测试525.8.1蓝牙无线通信距离及障碍物测试..525.8.2基于蓝牙4.0上位机监控软件测试535.9本章小结55结论...56致谢57参考文献58附录62VI硕士学位论文 基于蓝牙4.0的数字化焊机同步PC监控系统研究图表目录图1.1焊机网络监控系统.2图1.2基于ZigBee的焊机监控框架4图1.3基于蓝牙4.0及以太网的数据采集系统.6图1.4星形拓扑结构.7图2 I基于蓝牙4.0的焊接系统框图10图2.2逆变电源主电路原理..11图2.3焊机前板一12图2.4焊机后板一12图2.5焊机机箱装配体。13图2.6主电路组装图一13图2.7空载中频变压器二次侧电压波形13图2.8二次侧整流后电压波形13图3.1系统功能结构图..14图3.2 CC2540框图.15图3.3焊接蓝牙无线传输模块应用电路1 6图3.4复位电路..16图3.5调试电路。17图3.6供电电路..17图3.7微带巴伦应用电路17图3.8 UART接口电路1 8图3.9蓝牙4.0通信模块实物图19图3.10信号处理器应用电路20图3.11信号采集滤波电路21图3.12 UART电路.22图3.13主控板PCB正面视图..22图3.14主控PCB反面视图...22图3.15电源主控板实物图23图4.1二步时序控制方式..25图4.2焊接工作主程序流程图..25图4.3恒压输出特性控制子程序一26图4.4 ADC模块的框图~26VII图表目录 硕士学位论文图4.5 SOC框图.27图4.6ADC中断处理流程图一27图4.7恒压外特性一28图4.8驱动电路空载输出波形死区一29图5.1监控系统框图一30图5.2焊接参数监控系统软件总体设计..3 l图5.3采集参数设置与监控属性页。33图5.4数据采集与保存..33图5.5监控软件多线程结构。34图5.6焊接参数监控主线程..35图5.7焊接参数数据库处理流程一37图5.8蓝牙体系结构..38图5.9链路层状态机~39图5.10报文结构39图5.1 l L2CAP报文结构40图5.12 Packet Sniffer侦听到的广播包.42图5.13主动扫描数据包流程.43图5.14连接请求数据包流程图43图5.15蓝牙模块建立连接的状态流图44图5.16连接间隔45图5.17从机延迟45图5.18 Client/Server架构..48图5.19发送焊接命令数据流程48图5.20 CC2540嵌入软件架构49图5.21蓝牙通信模块软件流程图50图5.22空中有效起始包5 1图5.23蓝牙错误包5 1图5.24空中有效结束包5l图5.25串口助手接收包数量52图5.26蓝牙4.O主机连接过程.53图5.27蓝牙4.O从机连接过程.53图5.28示波器采集到的工艺参数54图5.29蓝牙采集到的电压电流波形54VIII硕士学位论文 基于蓝牙4.0的数字化焊机同步Pc监控系统研究表1.1几种短距离无线通信技术的比较7表1.2蓝牙协议规范比较表8表4.1恒压外特性实验数据一28表5.1焊接参数设置数据帧~31表5.2协议帧首字节~32表5.3协议帧第二字节..32表5.4协议帧第三字节..32表5.5焊接采集参数基本信息表..36表5.6焊接预置参数基本信息表36表5.7串口命令功能表..47表5.8丢包率与通信距离的关系..53IX硕士学位论文 基于蓝牙4.0的数字化焊机同步PC监控系统研究1绪论1.1研究背景及意义1.1.1 研究背景“十二五”期间,国家对制造业提出了更高要求,高端装备制造将是我国重点发展的七大战略性新兴产业之一【1,2】。智能制造作为高端制造的重点发展方向,是先进制造技术、数字控制技术、现代传感技术以及智能技术深度融合的结果,体现了高效、高品质、节能环保和安全可靠生产的新一代制造标准,代表着装备制造能力的最高水平【31。计算机、电力电子技术和通信技术及无线传感网络的迅猛发展,给制造业注入了新的生机和活力,促进了数字化焊接电源的发展,加快了智能化焊接生产的进程,使人们能够实时感知、无线采集网络覆盖区中的对象信息,控制现场工作过程,把控制及采集信息可靠、安全、快速地传递给监控系统【4l。焊接作为一种应用广泛的金属加工制造技术,在军工、航空航天、电力、石油、化工乃至核工业等领域发挥了重要作用,不断影响着工程的制造水平和整体质量。但目前我国的焊接自动化水平总体较低,仅占焊接流程的30%欧美为80%,智能化技术也很少得到实际应用,大多数焊接电源跟不上现代制造业的信息化需要,不能实现在线控制、远程控制以及智能控制【5J,与世界发达国家和地区相距甚远,主要体现在人工焊接占总体焊接工作量比例远大于自动焊接,即使是部分实现自动焊接的制造厂家,仍在焊接流程衔接、尺寸测量及校正等关键工序依靠人工把关,造成焊接效率偏低、焊接质量控制成本偏高,产品质量一致性较差,传统的焊接近距离操控麻烦,不便对焊接质量进行观察和迅速响应I叫,焊接通信系统存在布线繁琐,不易安装升级、抗干扰能力弱、数据传输速度慢等问题【7J,车间环境脏乱存在安全隐患,严重限制了我国制造业的更高层次的发展。1.1.2 研究意义数字化焊接电源具有稳定、易于集成、可实现多功能焊接的优点[8-13],以数字化电源作为载体,焊接技术不断地朝着焊接过程的网络化、智能化发展。焊接智能化监控系统应用数字化、智能化、信息化技术实现自动、高效、稳定可靠的焊接加工生产,它借助计算机集成生产系统,推动了工业综合自动化技术在实际生产中的应用;应用设备智能接口技术,将焊接自动化设备的加工过程信息、质量信息和车问管理网络实时连接应用工厂智能MES系统实现详细排产与调度、生产过程跟踪、物料配送、产品跟踪和谱系管理、数据采集与系统集成等工作的实时、远程、精细化操控[14_16】11绪论 硕士学位论文焊接无线监控还省去了电缆的复杂度,电缆的连接器易损坏,其维护的复杂度及成本高,无线技术可以很好解决此类问题,而且,设备的可移动性增大,可以快速构建测控系统【1。71,用户可以通过监控系统就可以轻松控制焊接的过程,进行焊接参数无线远程监控,加强了对焊接过程的及时监控,减轻了劳动量,提高生产效率,而且保证了焊接质量,有利于焊接技术向自动化方向发展。1.2焊接无线监控研究现状和不足电子技术和物联网技术的飞速发展,使得数字化焊接电源可以与外部设备进行数据通信,实现了电源的信息化发展,方便了设备的在线升级,为焊接过程无线控制和质量监控提供了保障,促进了焊机过程自动化的发展,提高了焊接智能生产水平。同时社会上各行各业的竞争越来越激烈,焊接工件的加工质量,生产效率以及加工成本都备受管理者的关注,焊接过程控制的自动化也要紧跟快速发展的步伐,更面临着焊接集成化生产的严峻挑战。在焊接加工过程中,由于强磁场的干扰、电网电压的扰动以及焊接电源自身的控制精度等问题,会改变焊接参数的大小,使其偏离给定值,从而直接影响工件的加工质量。因此,对于焊接质量而言,焊接工艺参数的准确及时监控在焊接过程中占据着重要的地位,有必要建立提高焊缝一致性的监控平台,这将对研究焊接过程具有指导意义118,19]。目前,市场上已经出现了许多针对某一焊接过程或焊接方法的焊接监测手段。比如Miyachi Unitek公司生产的MG3焊接监控设备可以实时记录显示焊接电压、电流、位移等信息,并通过RS.232传输到计算机。根据焊接过程的不同需要,一些设备还可以进行相应的软件编程或设置,灵活性高,比如可以实现当焊接电压或电流值高于或低于预设值时的焊接过程自动中断,保证焊接安全和焊接质量。然而此类焊机设备监测系统存在着自身的局限性,由于没有网络功能,难以实现网络化,不能实现远程控制与访问;同时,设备的孤立性导致了不能实现群体化管理,对于焊机设备众多的工厂或试验室难以适用;而且,这类设备体积较大,价格昂贵,劳动密集型企业难以广泛采用。图1.1焊机网络监控系统硕士学位论文 基于蓝牙4.0的数字化焊机同步Pc监控系统研究以松下公司为代表的一些焊接设备生产厂商已经开发出一些基于网络化的焊机监测模块。采集焊接过程的电压和电流信号并通过TCP/IP协议传输给计算机,利用相应的软件,可以通过计算机实时查看并随时调用历史数据和相应的分析结果,既保证了焊接质量,又可以提高企业的管理水平。如文献[201开发了基于串口通信的焊接数据在线采集和分析系统,焊机网络监控系统结构如图1.1所示,节点通过RS232.LAN转换器利用TCP/IP协议接入网络,焊机和电脑之间通过电缆进行通信,采集过程参数并实时记录并显示在电脑上,达到监控管理人员对焊接质量进行分析、管理的目的,系统采用RS232通信,其通信距离短,系统抗干扰性低,而且,上位机利用VB和EXCEL结合来处理数据,不能对历史数据的灵活操作。这类监测系统不能满足焊接设备相对比较多的监测需求,技术应用时需要大量布线,不仅成本高、不美观,而且难以适用于焊接设备频繁移动的场合。针对这一情况,林肯等焊接设备生产厂商也开发过基于无线技术的焊接设备监测系统,但大多数为孤立系统,难以发挥焊接设备群体化管理的作用。文献[20l做出了相应改进,它针对焊接质量和焊接管理效率提出了基于LabVlEW的群组化焊接过程参数远程在线监测系统,利用ZigBee无线通信技术将焊接电信号发送到网络中心节点,实现了焊接电流、电压参数的实时监控、并建立相关数据库,实现企业局域网内的远程访问,提高焊接设备和生产过程的网络化管理水平,但缺乏对焊接过程的控制功能,若传输较大的数据量时,也会出现速率的限制。国外对焊接电源的网络监控的研究在机器人工作站上进行的比较多,美国国家标准与技术研究所研究了一种焊接远程网络监控系统,由Intemet和Intranet网络系统、焊接设备、现场数据采集与控制设备组成,该系统将现场焊接声音、图像、焊接传感数据及机器人焊接位置等信息发送给异地的专家,专家对数据进行分析后,通过Intemet网指导现场工作。Fronius公司研制了一种全数字化焊接电源,这种焊接电源在一台机器上实现了多种焊接方法,可以实时显示焊接规范参数,可通过网络软件升级,是数字化焊接电源的网络控制的最新成果。而在国内,对数字化逆变弧焊电源的网络监控方面的研究较少,还有大量工作要做【211。而且,随着计算机技术的迅猛发展,在相关领域,有关计算机集成生产系统的开发与研究工作己成为热门课题。国外大型企业、特别是石油化工企业均重视信息集成技术的应用,纷纷建立工厂级、公司级甚至超公司级的信息集成系统12到。并且国外已有许多自动化仪器仪表厂家正逐步向综合自动化信息技术整体解决方案供应商转化,如Honeywell、ABB、Rockwell、AspenTech等著名公司1231。他们已不再局限于过程自动化系统与软件领域,而是在其中下层自动化软硬件优势的基础上分别提出了面向企业整体的解决方案,如AspenTech公司实现从获取正确反映系统运行过程参数的原始数据开始,利用数据纠错和优化技术、综合出产品质量、设备生产能力、能源消耗以及错误报警等信息,实现产品质量控制和错误诊断;同时利用过程实时监控软件监视生产状态,优化1绪论 硕士学位论文生产计划,以低消耗、高可靠性和高效益,来安排生产设备的任务量,使生产计划达到最优效果。国外这些企业已基本将业务扩展到从生产底层到管理高层的全面自动化。而我国在焊接制造方面发展相对落后。总之,国内在焊接生产自动化方面还十分不足,自动化信息系统这种具有综合解决能力的产品还有待开发。同时,各国研究工作者针对通信技术在焊接领域中的应用进行了大量的研究。文献124,251通过串121和CAN进行与外部设备的通信,实现多台焊机的集散控制和联网控制,体现了现代化管理高效的特点。不过均以有线通信为主,如果所监控的焊机数量增多,将会增加现场布线的困难,而且成本也会有所提高。随着网络技术的发展,其实时性和可靠性方面的进步,无线技术其在工业的应用中得到越来越广泛的应用,比如,以太网在焊接设备监控与管理领域已发挥主要作用【261。文献【2 7】提到,目前汽车焊接车间已经能够构建一套焊接设备故障自动诊断及焊机群控制系统,该系统保证了系统信息的采集、综合分析和传送准确可靠地进行,彻底改变了过去那种单凭经验诊断故障的工作方法,极大地提高了生产效率及自动化焊接质量。为摆脱物理连接的束缚,不通过电缆实现设备间的互连和信息的传输,成为焊机系统通信技术研究热点,出现了许多无线通信协议[28,291,它们各具特色,有各自的适用领域,我们在对网络协议进行选择时,有必要根据不同的应用领域来选择合适的传输协议。文献【30J对基于Intemet的逆变弧焊电源的远程监控系统进行了研究,设计了微处理器网络接口精简的TCP/IP协议远程监控终端软件的解决方案,实现对逆变弧焊电源的焊接参数进行远程设置,也可以远程检测逆变弧焊电源的工作状态,但在强干扰的环境下,系统的性能得不到很好的保障。文献【3l-34】运用无线射频收芯片和单片机构建了一个焊接无线遥控器,通过无线射频技术RFID完成遥控器对焊机的控制过程,射频识别技术RFID在自动化扫描设备中运用也比较广泛【3 51。生产现场信垮采肇信蛩体输现场骓务嚣图1.2基于ZigBee的焊机监控框架
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