基于ZigBee技术的焊接设备网络化集群监控系统研究

摘要

焊接质量的优劣极大影响着造船、冶金机械等行业生产质量，从而影响其在市场中的竞争力，然而在我国仍未摆脱劳动密集型的生产模式，焊接设备数目众多，难以有效管理，焊接过程参与人数较多且技术水平参差不齐，焊接过程难免出现波动。为了改善这一问题，急需引入一套网络化集群监控系统，对焊接设备进行网络化集群式在线管理和对焊接过程进行稳定性监测，从而提升焊接生产管理水平，保证焊接质量的稳定。
　　本论文以实际焊接生产中普遍使用的1.4mm药芯焊丝CO2电弧焊作为研究对象，搭建基于数据采集卡和LabVIEW软件的电信号采集系统，在不同焊接规范下，分析其电压概率密度分布、电流概率密度分布和短路时间概率密度分布，提取短路过渡频率、断弧频率和瞬时短路频率三个焊接过程稳定性量化指标用于表征短路过渡特征信息、断弧特征信息和瞬时短路特征信息，从而反映了焊接过程中发生的主要不稳定因素和次要不稳定因素。
　　基于ZigBee无线通信技术，分析无线传感网络的系统组成。结合实际生产需求，在原有的无线网络拓扑结构基础上，建立了新型的双星型网络架构，大大增加了网络监测的节点数目。通过引入中继路由器，设计了根据焊接设备状态的动态调整的数据发送模式，从而提高了无线信号传输质量，并深入分析了ZigBee MAC层的载波监听多路访问冲突避免机制（CSMA/CA），从理论上给出了丢帧问题产生的原因和解决办法。
　　构建基于无线 ZigBee技术的焊接设备网络化集群监控系统，总体结构由现场设备信号采集、ZigBee无线网络、现场服务站和网络化管理四个部分组成。其中，基于AVR Atmega8单片机、霍尔电流和电压传感器、SZ05系列ZigBee无线通信模块，设计了集成于焊接设备内部的电信号采集和发送模块。通过 ZigBee双星型无线传感网络，实时传输焊接过程电信号特征信息。采用Microsoft Visual C++6.0作为软件开发平台，设计开发了现场服务站监测系统软件和局域网统计查询软件，其人机交互界面开发具有功能丰富、使用方便、扩展性强的特点。现场服务站监测系统软件可实时监测所有联网焊接设备状态，管理人员可及时发现设备利用率较低的区域，并关闭长时间处于无工作待机状态的焊接设备，同时相关技术人员可通过监测程序动态掌握设备当前状态，对于采用超过设定规范参数进行焊接的情况予以报警提示，并把超标工作的记录保存。局域网统计查询软件提供对连入局域网并具有足够权限的用户内部访问的功能，使管理人员不用在生产现场，也可及时获得所有焊接设备的工作情况。
　　通过运行基于ZigBee无线通信技术的焊接设备网络化集群监控系统，在节能降耗、降低成本、工艺管理、稳定性监测和网络化管理方面，产生显著的经济效益，有效提升焊接生产数字化水平和焊接过程网络化管理水平。

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上海交通大学学位论文答辩决议书

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 焊接设备监控系统发展现状

1.3 焊接过程监测相关技术发展概况

1.4 GMAW焊接过程稳定性研究现状

1.5 本文主要研究内容与意义

第二章 焊接过程稳定性特征信息提取

2.1 药芯焊丝CO2电弧焊介绍

2.2焊接试验平台搭建

2.3焊接过程电信号特征信息分析

2.4焊接过程稳定性量化指标提取

2.5本章小结

第三章 基于ZigBee技术的无线通信网络构建

3.1 ZigBee无线通信技术介绍

3.2 Zigbee无线传感网络系统组成

3.3 Zigbee无线传感网络应用分析

3.4 ZigBee设备配置优化

3.5 本章小结

第四章 焊接设备网络化集群监控系统设计和应用分析

4.1系统实现功能和总体结构

4.2 系统硬件设计

4.3 系统程序设计

4.4 系统应用分析

4.5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

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