自动焊缝跟踪系统的设计与实现样本

自动焊缝跟踪系统设计与实现摘要：本文简介了一种基于旋转电弧传感器焊接机器人系统。系统采用惯量小，成本低，灵活性大新型十字滑块系统作为机械传动机构；旋转电弧传感器位置精度高，焊缝偏差小，使用各类焊缝类型；配合步进电机完毕整个系统位移单元传动，并进行位置伺服。环境预检测系统完毕工作环境检测，保证系统安全运营，DSP主控系统完毕整个系统管理和控制，并设计了涉及软件保护，机械限位保护，报警保护，电源管理保护在内各种保护办法。为了以便系统维护和升级，预留了原则串口和以太网接口，可以以便对系统进行扩展升级。核心词：焊缝跟踪；旋转电弧传感器；位置伺服；十字滑块目录1项目背景 12设计规定和需求分析 13系统总指标分析 23.1系统静态指标 23.2系统动态指标 23.3运动精度指标 23.4智能性指标分析 23.5可扩展性指标分析 23.6应用指标 23.7环境规定 23.8装配指标分析 34模块设计指标和方案分析 34.1总体设计方案 34.2主控系统指标分析和方案比较 44.3机械构造指标分析和方案比较 44.4反馈系统模块指标分析和方案比较 64.5运动控制模块指标分析和方案比较 74.6机械保护模块指标分析和方案比较 74.7环境检测保护模块指标分析和方案比较 74.8接口扩展模块指标分析和方案比较 84.9电源管理模块指标分析和方案比较 84.10焊接指标分析与方案论证 95硬件系统方案实现 95.1总控制核心系统实现 95.2机械传动构造方案实现 105.3反馈系统模块实现 135.3.1电弧传感器分类及选型 135.3.2旋转电弧传感器构造与工作原理 165.3.3跟踪与纠偏原理 175.4运动控制模块方案实现 195.4.1步进电机选用 195.4.2步进电机驱动器选用 215.4.3直线步进电机选用 225.4.4直线步进电机驱动器选用 235.5机械保护模块方案实现 245.6环境检测系统实现 245.7接口扩展模块方案实现 265.8电源管理模块方案实现 285.9报警模块方案实现 296软件控制平台实现 306.1传感器控制算法和模型 306.1.1传感器与系统初始化 306.1.2传感器算法分析 306.1.3电弧长度模型与平面拟合算法分析 326.2电机驱动算法 347成本预计 348项目总结与改进 358.1项目总结 358.2.1旋转扫描电弧传感器问题与改进 358.2.2系统与无线传感网络通信 358.2.3系统可移植性改进 369心得体会 36参照文献： 37附件分工明细 371项目背景焊接是一门材料连接技术，通过某种物理化学过程使分离材料产生原子或者分子间作用力而连接在一起，随着焊接技术不断发展，它在生产中应用日趋广泛，到当前为止已经成为一种重要加工手段。从寻常生活用品，如家用电器、水暖设备等生产到飞机、潜艇、火箭、飞船等尖端科技产品都离不开高效率、当代化焊接技术，进一步提高焊接质量、改进劳动条件、提高劳动生产率已经成为所有焊接工作者强烈愿望，而采用自动控制技术是实现上述对的途径。焊缝自动跟踪系统研究作为焊接领域一种重要方面，为了进行精准自动焊接，必要进行焊缝自动跟踪。国外关于焊接实时跟踪控制研究重要集中在焊接传感器选取以及控制办法改进上。1985年保加利亚D.Lakov提出了用模糊模型来描述弧焊过程不拟定性，借助于配备非接触式激光传感器，用模糊控制推理对示教机器人运动进行预计、预测和控制，实现焊缝自动跟踪。1989年日本S.Mursaami等研究了运用电弧传感弧焊机器人焊缝跟踪模糊控制，该控制系统依照焊枪振幅位置同焊丝与工件距离关系判断焊点水平和垂直位移，并在强烈弧光、高温、烟所如下，采用基于语言规则模糊滤波器和模糊控制器来设计焊缝跟踪控制系统，获得了较好效果。美国Ohio州Motoman公司推出了一种最高可以在60in_/min(152cm/min)焊接速度下进行焊缝跟踪电弧传感跟踪系统。国内对焊缝跟踪控制技术研究起步较晚。80年代末以清华大学潘际銮院士为首课题组在旋转电弧传感器方面做了大量研究，并获得了有价值成果。1993年清华大学博士廖宝剑在博士生费跃家研究基本上，研制成功了一种空心轴电机驱动旋转扫描传感器，并获得了国家专利。此后江西大学在此基本上在小型化和减震方面做了进一步研究，并做了进行一步改进，并制造了样机。清华大学吴世德博士论文较系统研究了电弧传感器信息解决技术，通过空间变换，进行了扫描电弧传感器信号频域特性分析，提出了特性滤波向量电弧传感信号解决办法。2设计规定和需求分析众所周知,焊工可以通过眼睛或者工业电视观测焊接熔池来对工件或焊枪进行调节并能达到很高精度。但是这依赖于焊工个人经验、带有主观性、劳动强度大、并受烟尘和弧光影响,也会产生偏差。因而，很有必要实现焊缝偏差自动控制。但在实际生产中,由于工件加工、安装误差,以及工件热变形等使得焊接过程是一种复杂过程，具备时变、非线性及干扰因素多等特点：（1）耐强光，耐热。所设计跟踪焊接装置应当可以在焊接时产生强光、强热环境下正常工作。（2）高精度。为了保证焊接零件加工质量并提高效率，一方面要保证系统定位精度和加工精度。因而，在跟踪系统各轴位置控制中规定有高定位精度，即在mm数量级内。而在速度控制中，规定有高调速精度、强抗负载扰动能力，也即规定静态和动态速降尽量小；

（3）快响应。规定系统有良好迅速响应特性，即规定跟踪指令信号响应要快，位置跟踪误差（位置跟踪精度）要小；

（4）低速大转矩。依照加工特点，大都是在中低速负重状态下工作，这样，既规定在低速时电动机伺服系统有大转矩输出又规定转动平稳。3系统总指标分析作为一种工业用焊接机器人，在对整个系统进行设计时候，先对其规定指标进行分析和制定。3.1系统静态指标对于焊接机器人系统，其静态指标是指机器人处在正常焊接运营状态时，对于控制系统所给指令，在达到稳态时，可以做到无偏差跟踪能力，对于阶跃信号和速度信号，考虑到机械构造特性，稳态误差必要控制在0.2%之内，对于加速度信号，稳态误差不得不大于0.5%3.2系统动态指标系统动态性能指标，对于焊接机器人来说，重要考虑是整个系统对阶跃输入信号和正弦输入信号动态响应特性。对于阶跃信号，其超调量最大不能超过10%，过渡时间最大不能超过0.1ms，震荡次数不能超过2次。对于正弦响应，重要考虑是其频率特性和相角裕度，工作频率大概为5至12Hz。3.3运动精度指标焊枪移动位置精度不大于0.2mm，焊缝误差不大于1mm，速度精度不大于1mm/s，系统响应时间不大于0.3s。3.4智能性指标分析规定所设计系统具备一定智能性，其中涉及系统自检功能，故障尝试自修复功能，故障保护功能，自动循迹跟踪焊缝功能。3.5可扩展性指标分析系统应当留有一定对外接口，以满足系统在线编程或离线编程，随着INTERNET技术发展和物联网技术发展，规定系统需要留有特定接口模块。系统必要具备可升级性，以满足不同应用场合重新组装和升级。3.6应用指标整个系统为220V市电系统，在保证系统正工作前提下，功率应尽量减小。控制核心系统某些体积为25x25x25cm，电源管理某些由于其功耗相对较大，为了避免其对弱电系统影响，对电源某些进行单独包装，设定为25x25x25cm，并且配备散热电扇。整个系统成本在两万元如下。3.7环境规定在使用过程中噪声不能不不大于40db，整个系统对市电网络和周边环境不存在电磁干扰，电磁兼容性必要控制在国标范畴之内，无强烈电磁辐射性，工作时对焊枪强光某些做简朴屏蔽。系统不具备防水性，防尘级别IP5级，工作环境为90摄氏度如下，负15摄氏度以上。3.8装配指标分析整个系统装配精度只要是十字滑架精度规定，其装配精度必要控制在0.1mm以内。4模块设计指标和方案分析4.1总体设计方案图4-SEQ图4-\*ARABIC1总设计方案和模块图如REF图4\h图4-1所示，为系统总设计方案和模块图，整个系统可以分为9个重要模块，系统工作思路为：总系统上电，启动工作环境检测系统，检测当前主控平台环境湿度，和温度，如果不符合工作环境规定，尝试进行自动调节，若调节依然无效，则系统报警，并自动关闭；环境检测符合规定后，DSP主控系统启动，先完毕自检功能，如果发现某些模块处在无法就绪状态，系统尝试软件自动修复，如果修复不成功，则系统自动重启，如果重启后，依然无法解决问题，系统进行报警动作；系统初始化后，通过零点寻位传感器查找初始零位，寻零结束后，进行坐标变换，将零位传感器坐标变换为焊枪坐标，此时系统进入到正常工作模式；用DSP通过PWM控制步进电机，完毕十字滑架移动，并控制弧焊电源和送丝机构进行焊接；在焊接开始之后，旋转电弧传感器检测电弧电压信息，通过DSP转换为相应位移信息，并进行位移量反馈，构成整个控制系统闭环工作模式；于此同步，系统配备各种传感器也处在监视运营状态，涉及机械限位保护，电源过压过流保护，系统过热过湿保护。4.2主控系统指标分析和方案比较主控系统是整个系统管理和驱动核心，一方面必要有足够资源余量，涉及内存资源、系统运营速度和片上中断源。在普通小型机器人制作中，如果系统需求解决能力规定不高，大多可以考虑使用普通单片机，例如古老51系列单片机，台湾宏晶公司生产STC系列单片机，atmel系列单片机，或者飞思卡尔单片机，更高一级可以采用凌阳16位单片机。采用普通单片机设计方案，成本低，对于小型解决系统是很适当，但是在多需求解决场合，对运算规定比较高焊接机器人场合，就会显得有些力不从心了。在工业系统中，则更多喜欢使用工控机配合PLC系统设计方案，这样系统构建比较适合于多机控制场合，由一种配备PC解决器工控机，作为整个系统上位机单元控制核心，完毕整个系统配备和管理工作，而PLC则重要作为执行单元，完毕系统底层检测，反馈和执行功能。这样构建系统，稳定性好，可以完毕很复杂功能，并且系统解决能力很强，由于工控机PC核心普通都能嵌入系统进行管理操作，因而系统可升级性，系统可维护性也强，但是这样构建系统成本很高，只适合于某些规模相对较大工业应用场合，对于单机单独工作焊机机器人，显然是不适当。在电子和工业产品中，也有经常使用ARM解决进行系统设计。ARM解决器由于其功耗小功能强和16位/32位双指令集支持，加上几百兆级运算速度，使其在电子和工业产品中应用越来越广泛。其具备很强事务管理功能，重要用于嵌入式系统开发，跑界面和程序是它强项，在信号解决和运算能力上相对较弱。从本系统需求分析可以懂得，焊缝轨迹控制和跟踪在很大限度上必要依赖于其对数据实时解决，对数据运算能力规定相对较高，在成本和性能方面进行折中后，决定选用DSP作为主控系统MCU。4.3机械构造指标分析和方案比较在焊接机器人设计中，焊枪移动模块设计是整个系统设计一种核心某些，特别是对其精度规定比较高，因而必要对该某些设计进行详细指标分析和方案比较。在当代焊接机器人中，使用较多是臂式传动机构。如图4-SEQ图4-\*ARABIC2所示是日本DAIHENOTC焊接机器人所采用臂式传动机构。图4-SEQ图4-\*ARABIC3日本DAIHENOTC焊接机器人臂式传动机构实现焊机机器人灵活性很高，可以实现多轨迹，多角度焊接，但是由于其自由度增多，必然导致其制造工业和制导致本急剧增长，并且做自由度旋转臂控制也极其复杂，因而本系统不打算采用这样构造进行传动某些设计。在焊接领域和某些机床中，广泛使用还用龙门式构造位移传动机构，如4-SEQ图4-\*ARABIC4所示即为最典型龙门式系统构成。图4-SEQ图4-\*ARABIC5龙门式构造传动系统龙门式构造传动系统在实现形式上比较容易，普通是通过三个电机分别控制位移构造三轴移动，实现三轴立体面内位移传动。但是由于其自由度限制，导致其对于竖直方向或者倾斜方向焊缝焊接无能为力，因而只能用于特定立体面内焊接。从龙门式构架系统可以看出，整个移动某些系统惯量是很大，对传动丝杠和电机负载能力有一定规定，对于冲击响应，经常会浮现短时间内高负载状况，这样对电机精准控制还是有一定影响，特别是位移机构超调量和稳定性控制，更需要特别注意。通过对臂式位移机构和龙门架式系统对比分析，并且吸取了龙门架式某些长处，本系统决定采用十字滑架形式实现整个系统位移机构设计。对于该某些设计，精度规定是第一位，在进行指标拟定期，规定机械定位精度达到0.05mm，且需要采用特别方式消除传动回程差。4.4反馈系统模块指标分析和方案比较在自动焊缝机器人领域，传感器提供着系统赖以进行解决和控制所必要关于焊缝信息。主控电路信息重要来自反馈系统（传感器反馈信号），只有反馈系统性能指标达到了规定，通过解决后信号送到各个模块，才干保证整个系统正常运营，满足系统总体指标。实际系统中，焊接过程会有强光、高温、噪声以及强磁场干扰，并且伴有较强振动，都影响着传感器信息收集，因此所选取传感器需要有较强抵抗能力。考虑到焊缝随机性，传感器必要具备实时或者超前跟踪传感能力，用以控制机械构造移动，调节焊枪在下一时刻走向和位置。在满足以上基本规定前提下，应选取检测误差小，工作寿命长，价格低廉传感器产品。综合上述考虑，对如下几种常用传感器进行比较分析。接触式传感器原理和构造简朴，组装容易，成本很低，不受强光强磁和高温干扰，操作以便、不受电弧烟尘和飞溅影响，。但最大弊端在于精度低，敏捷度不高，扫描范畴小，并且由于与工件接触磨损受接头、材料和速度等限制。电磁感应式传感器原理和构造上比较简朴，基于电磁感应理论，常用有涡流传感器，霍尔传感器，价格适中，近年来改进生产产品精度比较高，扫描范畴较大，但对于强磁场干扰并不能有效地抑制。超声传感器原理是运用发射出超声波在金属内传播时在界面产生发射制成，是一种比较先进焊缝跟踪传感器，跟踪实时性好。但是由于传感器要贴近工件，不可避免地会受到焊接办法和工件尺寸等严格限制。同步需要考虑外界震动、传播时间等因素，对金属表面状况规定也比较高，应用范畴也就受到限制。视觉传感器视觉传感最大优势在于所提供信息量丰富，不但可以跟踪裂缝，并且可以检测坡口位置，宽度，深度，扫描范畴广，敏捷度和测量精度很高，抗电磁场干扰能力强，与工件无接触等长处。但是图像解决算法复杂，解决速度慢，受强弧光干扰，需要运用特殊光源和滤光元件，成本较高。(5)电弧传感器电弧传感器特点在于它是一种真正实时跟踪传感器件，检测点就是焊接点，保证焊接参数稳定，响应快。焊接机头周边不需要装备其她特别装置，焊枪可达性好。电弧自身作为传感器，同步又完毕焊接任务，有效减少成本。对弧光、高温以及强磁场等抗干扰能力很强，使用寿命长。最大问题在于系统数学模型和控制算法比较复杂，但近些年随着电弧传感器及其技术不断发展，浮现了更高效控制算法和模型和更优质产品，使得其应用也越来越广泛。前四类传感器都是附加式传感器，此类传感器与电弧是分离，传感器检测点离开电弧有一段距离，在焊接时也许存在传感器前置问题，会影响跟踪效果。综合以上分析，系统采用电弧传感器作为反馈单元核心部件。4.5运动控制模块指标分析和方案比较控制焊枪位移动作，可以有各种电机驱动方案。在机械装置自动控制领域，特别是高精度位置伺服系统中，直流电机应用占有很重要地位，这重要得益于直流电机转矩大，调速范畴宽，易于控制且可靠性高，调速能量损耗小等长处。但是同步，由于直流电机构造特性又限制了直流电机更加广泛应用，重要缺陷体当前换向器上。由于有了换向器，使得直流电机造价更高，换向器维护性差，寿命短，同步换向条件进一步限制了直流电机容量。从本系统设计规定出发，但愿系统寿命长，基本免维护，从而排除了直流电机驱动方案。交流电机由于没有换向器和电刷，从而消除了因而而引起一系列缺陷，电机维护性得到进一步提高，但是由于交流电机机械特性和调压特性特点，使得交流电机控制显得有些复杂，在本系统中但愿用一种最简朴，而又最容易控制方案实现位置伺服，因而也不考虑使用交流电机。步进电机由于其构造简朴，调试以便，工作可靠，易于控制等长处，使得步进电机得到了进一步广泛应用。在当前以数字控制为主控制系统中，步进电机进一步凸显了其优良控制特性，由于步进电机驱动是通过脉冲进行，因而单片机或者是计算机系统输出脉冲信号，只要通过逻辑转换和功率放大，就可以直接驱动和控制步进电机了，这样就电机控制变得简朴并且精度也高了。4.6机械保护模块指标分析和方案比较不论是什么样系统设计，一方面比较保证系统安全性和稳定性，只有在这个基本上才可以去谈其功能性，本系统设计焊接机器人也不例外。普通对一种运动系统保护可以分为两个某些，一种是软件保护，一种是机械保护。软件保护重要是通过软件算法，对某些位移极限尺寸进行限制，避免其在不安全区域工作状态。但是一种系统软件设计，不论其做得多完善，总会浮现某些意想不到缺陷或者是在软件运营过程中浮现死循环、死机状态，在这种状况下，如果位移单元不能及时制动或者进行保护，则也许浮现安全事故，导致系统损坏乃至更严重事故。因而，必要设计相应机械硬件保护办法，当浮现意外状况时，可以通过限位开关进行机械保护。在对机械保护模块进行指标分析时，最低规定是不浮现机械硬碰撞和机构间冲击，在必要状况下，需要强制切断电源，详细设计将在方案实现某些进行详细简介。4.7环境检测保护模块指标分析和方案比较在本系统设计中，重要考虑环境因素有温度和湿度。温度检测保护除了电机外尚有一种核心某些就是主控系统板。由于集成芯片对温度有一定规定，在温度过高状况下，极其容易烧坏，因而必要在主控板核心某些进行温度检测，达到预定温度阀值后启动电扇进行散热解决，如果温度还是无法控制，则控制系统为了实现自我保护，会强行关机。湿度检测重要也是针对主控系统板。如果空气中湿度过高，或者像在南方梅雨天气时遇到湿度很高时候，如果直接启动系统，也许会由于PCB板上凝结小水滴而引起短路烧坏系统，这种状况特别在系统开始启动时候需要特别考虑。因而在主控系统启动之前，必要通过此外一种增设小系统，一方面完毕对湿度检测，只有检测当前湿度符合系统启动环境之后，才自动接通主控DSP板电源，启动系统。如果检测湿度不符合规定，会打开配备加入电扇，对系统进行低温预热，减少主控系统工作环境湿度后，才启动主控系统。湿度检测系统和主控DSP系统应当是两个独立系统，并且启动顺序不容许调换。4.8接口扩展模块指标分析和方案比较一种系统设计得与否完善，在很大限度上体当前其对外接口扩展某些，只有其留有一定原则接口模块，在进行多机操作和多机通信时候才干充分发挥一种系统功能。随着工业规模和电子技术发展，各种子系统增多，势必会规定对子系统之间通信提出更高规定。当前广泛应用两种串口通信合同有RS-232和RS-485，其中RS-485多用在工业应用场合，进行远距离传播，而RS-232则多用在PC机和其他系统之间短距离传播。随着当前计算机领域发展，个人PC机应用日益广泛，为了以便焊接机器人调试，编程，升级等工作，决定使用RS-232串口，这样虽然在个人单机应用场合也可以很以便进行系统调试等工作。随着INTERNET技术奔腾发展，互联网技术应用也越来越多，虽然当前互联网重要用于网络信息通信，但是随着技术开发，也将会越来越多应用在工业控制场合，形成一种真正广域网。在本系统设计中，考虑到系统可发展性，将加入以太网控制器模块。当前惯用以太网控制器诸多一某些都是用ISA接口，但是随着PCI总线发展和应用，已有逐渐取代ISA总线趋势，因而本系统中将使用PCI接口以太网控制器进行原则接口扩展。4.9电源管理模块指标分析和方案比较焊接机器人系统是典型多电压电源系统，对于焊枪供电需要专用弧焊电源，而控制十字滑块电机则采用36V如下低压电源，主控系统使用是5V供电电源。由于强电和弱电在一种系统中共存时，必要充分考虑电源分级管理和隔离管理问题。一方面，弧焊电源是应当是专用焊接电源，供电电压时220V交流电源，但是其管理必要通过5V系统进行控制，为了达到隔离和保护功能，最佳解决方案应当是进行光电隔离，这样两套系统不论哪一套浮现电源故障或者烧毁都不会引起二次事故，特别是对于弱电系统，由于其对电压敏感性，极其容易受到强电损坏，因此，必要采用光电隔离。对于电机驱动使用70V如下电源，一种方案可以使用充电电瓶进行供电，但是考虑到电瓶蓄电容量有限性，及其电瓶自身电压纹波效应，特别是当电瓶放电达到一定值时，其压降是不可重复浮现非线性关系，这样对电机精密伺服控制是极其不易，因此在本系统中不易使用蓄电瓶供电方案。由于220V市电不但取电形式以便，并且不必要考虑容量和非线性问题，只需要通过整流、降压、滤波和稳压后就可以以便时候，并且整个供电系统电压和电流值可以通过传感器进行精准监控，从而实时地实现过压过流保护。由于本系统使用多是在室内，对于雷击问题不用特别考虑，由于当前普通楼宇建筑都已近考虑了防雷击设计，虽然是由于某些偶尔因素浮现了雷击现象，对本系统影响已经转变为过压和过流保护问题。对于电源管理模块，重要考虑是其功率容量和效率。在本系统设计中，弱电整流某些，功率容量指标为300W。4.10焊接指标分析与方案论证鉴于传感器已选用电弧传感器，运用传感器即为焊枪特点，可以节约成本，只需要在电弧传感器（焊枪）上增长某些装置或进行简朴改装即可。而焊接办法层出不穷，焊接办法相应地选取电弧焊。电弧焊是运用电弧作为热源熔焊办法。依照系统规定，焊接办法应保证电弧稳定（电弧焊原理是基于电弧长与弧压近似成正比），理论上应合用于所有焊缝类型和坡口，并使得焊接后焊缝质量要好。电弧焊可分为手工电弧焊、埋弧自动焊和气体保护焊三种。手工自动焊最大长处是设备简朴，应用灵活、以便，合用面广，可焊接各种焊接位置，但普通仅合用于直缝、环缝及各种比较规则缝焊接，电弧不稳定；埋弧自动焊具备生产率高、焊缝质量好、劳动条件好，焊接速度快等特点，但缺陷是适应能力差，只能在水平位置焊接长直焊缝或大直径环焊缝；气体保护焊具备保护效果好、电弧稳定、热量集中，焊接成本低，应用范畴广等长处，为减小成本采用二氧化碳保护气体，缺陷是产生飞溅，这点对于整个系统影响并不大，因此焊接办法采用二氧化碳气体保护焊。若详细考虑焊接某些其她设备器材，还需要专用焊接电源及控制装置，送丝装置（普通都安装在焊枪内部），气体流量调节器和连接电缆和软管等。5硬件系统方案实现5.1总控制核心系统实现主控系统某些采用DSP作为整个系统控制芯片，完毕整个系统调节和控制。通过方案比较，决定选用TI公司DSP芯片TMS320F2812。该系列芯片是TI公司推出一款32位定点高速DSP芯片，采用8级指令流水线，单周期32x32位MAC功能，最高速度每秒钟可执行1.50亿条指令(150MIPS)，保证了控制和信号解决迅速性和实时性。此外TMS320F2812片上还集成了丰富外部资源，涉及16路12位ADC，6路PWM输出、3个32位通用定期器、128k16位Flash存贮器、18kRAM存贮器，外围中断扩展模块(PIE)可支持45个外围中断，并具备McBSP，SPI，SCI和扩展eCAN总线等接口。TMS320F2812还支持最大1M外部存贮器扩展。

TMS320F2812支持C/C++编程语言，其C语言优化器C编译效率可达99%，尚有虚拟浮点数学函数库提供支持，可以大大缩短数学运算与控制程序开发周期。TMS320F2812非常合用于电机控制、电源设计、智能传感器设计等应用领域。在本系统设计中，需要高速运算速度，完毕传感器信息值解算和电机控制，在信息解决中需要涉及到大量浮点型运算，而这也正是DSP控制系统强项所在，通过对比选用，决定使用TI公司TMS320F2812芯片。5.2机械传动构造方案实现依照方案选取比较中，决定使用十字滑架作为整个位移单元实现方案。使用Rhinoceros软件进行三维建模，得到效果如图5-1和图5-2所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC1图5-SEQ图5-\*ARABIC2如图5-2所示，底层导轨和丝杠完毕焊枪在X轴方向移动，该丝杠由步进电机1驱动；上层导轨和丝杠完毕焊枪在Y轴方向移动，该丝杠由步进电机2驱动；焊枪在Z轴上移动通过与焊枪刚性连接直线电机完毕驱动。带摇杆底盘用于焊接之前对钢板进行初步高度定位，这样在开始寻零时候可以更迅速，也减少了直线电机位移长度。为了实现丝杠间低摩擦系数和精密机械传动，决定选取滚珠丝杠作为传动形式。丝杠选取应当遵循图5-3所示规则。图5-SEQ图5-\*ARABIC3丝杠选取规则通过对方案比较，决定选用日本THK公司生产滚珠丝杠和直线导轨。滚珠丝杠是一种高效进给丝杠，其滚珠在丝杠丝杆轴与螺母之间滚动。与老式滑动丝杠相比，本产品驱动扭矩最大仅为其三分之一，极为合用于节约驱动电机功率。在选取导轨和丝杠时候，对其承受负载和扭矩等力学参数进行估算：承受重量10kg导向部阻力10N每分钟来回次数(max)2极限扭矩40N.M配合预压精密预压额定寿命100000h依照上面提出基本规定进行初步选型，从THK公司产品目录中选用精密滚珠丝杠BNFNL5RRG10100LC5，公称直径为20mm，导程为10mm，长度为1100mm，并选用与之配套直线导轨SHS20LC2QZKKHHC10200LP，其公称直径为20mm，长度为1200mm，丝杠和导轨通过精密预压配合后，行程定位误差为11.6um。滚珠丝杠内部构造如图5-4所示图5-SEQ图5-\*ARABIC4滚珠丝杠内部构造图设计和安装时使用固定支持型，并且精密预压，以是实现精密位移传动，其基本动态额定负荷，基本静态额定负荷，钢球中心径为18mm，整个摩擦系数为0.05，负载系数为1.2。使用THK公司提供设计软件，对所选定滚珠丝杠进行工作寿命核算。计算整个滚珠丝杠副寿命，得到成果图5-5所示图5-SEQ图5-\*ARABIC5从成果进行分析，可以看出，使用寿命时间达到3.99E05h，充分满足整个系统设计寿命规定，平均负荷也到达了2100N，足以满足系统使用。为了实现系统更加精密位移伺服控制。5.3反馈系统模块实现由之前分析论证可知，反馈系统与焊接模块使用电弧式传感器可以同步完毕跟踪传感及焊缝功能。电弧传感器工作原理是一致，即在焊接过程中，运用焊枪与工件之间距离变化（即弧长变化）引起焊接参数变化（普通采用电压或电流变化），经由系统解决器运算解决，来获取焊枪高度和左右偏差等信息并对有关机构加以控制。事实上，得益于该类传感器与其他传感器不可比拟技术优势，在弧焊机器人领域已广泛采用各类电弧传感器。5.3.1电弧传感器分类及选型当前电弧传感器在实用中重要有如下几种类型：

(1)非扫描双丝（多丝）并列型该类型运用电弧静态特性，当焊枪不对中时，两电弧高度不同将反映在电流(电压)差上，从而实现焊缝跟踪。但由于要同步用两个参数相似独立回路电源并列进行坡口焊接，实现上有困难，因此实际使用受到限制。

(2)摆动式电弧传感器摆动式电弧传感器运用机械摆动所产生电弧作为传感介质，受机构限制，扫描频率普通很低（5Hz如下），使得敏捷度较低，只能在低速焊接中应用，同步熔池中液态金属流动和填充也阻碍了焊缝坡口辨认。

(3)旋转扫描式电弧传感器旋转电弧传感器基本原理与其她电弧传感器相似，特别之处在于运用直流电动机驱动偏心机构使得焊丝和电弧旋转，从而实现电弧高速扫描，扫描频率普通在5～50Hz。这种设计能克服摆动式低扫描频率带来问题，敏捷度大为提高，可以工作在高速场合，并且焊缝成果也有所改进。老式旋转电弧传感器运用外置直流电机通过齿轮传动来驱动偏心机构，从而实现焊丝与电弧旋转，如图5-6。此类构造问题在于机械构造尺寸较大，机械振动大，附加质量和转矩不得不考虑，也就影响了与之有关一系列装置选取。考虑到焊枪在竖直方向移动，焊枪尺寸应当小而轻，才干在成本上有所减少，因此应当采用更合理装置。图5-SEQ图5-\*ARABIC6图5-SEQ图5-\*ARABIC7值得一提是，高速旋转扫描电弧传感器在近几年发展不久，90年代许多世界知名公司生产弧焊机器人都采用了图5-6所示这种构造，例如日本NKK公司、德国U.DiHthey公司，图5-10所示日本松下YA-11KMR51型弧焊机器人即采用这种构造。国内在1993年，清华大学研制成功了一种图5-7所示空心轴电机驱动旋转扫描传感器，并获得了国家专利。其重要特点在于构造小巧，机械振动小，省去了传动齿轮，摩擦力矩小，由传动件安装不良引起阻力和负载不均匀所带来影响也有所减小，运转可靠性大大提高，并具备较高性价比，图5-11所示为南昌大学研制采用改进构造弧焊机器人。由于国内在这方面发展地较慢，采用直流空心轴电机旋转电弧传感器当前在市面上基本没有大量生产销售，国外生产厂家较少，价格较高。但这项技术已获得国家专利，国内几所大学、科研院所及某些厂家享有该专利权，可以订做。基于这种原理若是自己组装，成本不容易预计，应当在一万元如下。本技术具备十分广泛推广前景，在近几年有良好发展趋势。如图5-8所示为小型空心轴直流电机实际产品。图5-SEQ图5-\*ARABIC8图5-SEQ图5-\*ARABIC9图5-SEQ图5-\*ARABIC10图5-8示为美国HarmonicDrive公司生产FHA系列空心轴直流电机，其重要特点为采用直流24V电源供电，尺寸小巧，质量很轻，约在1kg左右甚至更小。其中，FHA-11C表达空心轴孔径为11mm，孔径大小可以依照实际状况选取适当电机。由表格可以得到所需要参数，如：最大转矩，最大转速，最大电流，持续转矩，持续转速，持续工作电压和电流等，均为小功率直流电机。该公司尚有许多空心轴直流电机系列产品，合用范畴很广。图5-9为某系列参数表。图5-SEQ图5-\*ARABIC11实际中如果需要自己组装旋转电弧传感器，则需要重要原材料有：气焊用焊枪，空心轴直流电机，焊接电源等，但组装后器件调试过程比较复杂，可以选取厂家或院所订做以保证精度和可靠性。考虑到旋转电弧传感器特点满足系统规定和各项指标，因此本文重要讨论运用该传感器搭建弧焊及焊缝跟踪系统。5.3.2旋转电弧传感器构造与工作原理图5-7是这种高速旋转扫描电弧传感器简朴构造示意图，实际内部构造比较复杂，图中仅展示了直流电机某些装置。由图可以看出，传感器采用了空心轴设计，焊丝斜穿过电机空心轴，绕自身对称中心线作圆锥形状旋转摆动。在空心轴上端，安装送丝轮送入焊丝，送丝轮电机外置在直流电机外壳。普通焊枪内部已安顿送丝轮电机，因此不用考虑。而旋转电弧传感器也能以为是一种特殊焊枪，为周全考虑其工作需求，故在空心轴电机外壳上放置了一种小直流电机用以送丝轮转动。该直流电机所执行功能很简朴，因此只需要一种体积小，质量轻，转速低，额定转矩小直流电机，考虑到维护性，该电机工作寿命应当较长，并且其控制电压受系统控制单元控制可调，以实现不同状况下不同送丝速度。因而，若是组装旋转电弧传感器，还需要安装送丝轮用直流电机（可以选取小功率无刷直流电机）和下面要提到霍尔元件与光电码盘，综合考虑经济效益，宜选取厂家定制该传感器方式。电极给焊丝供应焊接电压，焊接过程中与钢板平台间有焊接电流流过。为了防止焊接时电极与外壳导电,旋转电弧传感器上盖和偏心机构使用绝缘树脂材料,这也使得旋转电弧传感器重量减轻。依照电弧焊接原理，焊接电流与电弧焊过程中弧长成正比，依照焊接电流大小，通过数学运算与比较即可懂得焊点位置有关信息。而焊接电流检测装置比较小，普通采用霍尔传感器检测焊丝流过电流，安顿在空心轴电机外部。图5-12所示为霍尔传感器检测电流原理，原边电流I与产生磁感强度B成正比（）；同步I与电弧长度H关系为；在霍尔元件上感应电压通过放大后为U，U与B成正比。依照这些关系可以得出：，因此运用电压U即可得到弧长H信息。空心轴电机内部有二氧化碳保护气体通过，在焊接过程中起到保护作用。光电码盘码道某些、整个偏心机构（涉及配重块、调心轴承）与空心轴同轴相连，当电机高速旋转同步也带动着这两个某些一起旋转，而光电码盘光源与光敏器件都与直流电机外壳固连，维持其相对电机转子空间方向不变。旋转电弧传感器实物见图5-13，其内部涉及了送丝轮与电流检测装置，引出几根电缆或导线分别接到相应电路。图5-SEQ图5-\*ARABIC12图5-SEQ图5-\*ARABIC13由以上对传感器内部构造简朴简介可以懂得其工作过程：弧焊电源供应焊接电压，送丝轮完毕焊丝输送（普通维持速度不变，但也可以变化电压来调节送丝速度），空心轴直流电机高速旋转通过偏心装置使焊丝和电弧旋转。这个过程中，电流传感器检测流过焊丝焊接电流大小并得到与弧长相应电压信号，将电压信号输出到相应电路对信号进行采样解决。与此同步，光电码盘测量出电弧每圈扫描起始位置和相对起始点瞬时位置，经解决得到空心轴电机旋转速度，以实现电机旋转速度闭环控制；码盘输出信息与霍尔传感器电压信息经由主控电路DSP运算解决，控制执行机构调节焊枪x、y、z三个方向位置。系统这某些流程图见图5-14。其中，DSP输出信号与执行机构之间需要运用光电隔离器件隔离强电与弱电信号，起到保护控制电路作用。计算机用于实时显示焊接过程焊缝状况，通过数学运算可以得到焊缝内部状况，如焊接某瞬时焊缝截面，缝宽，缝深及裂缝平面走向布局等。图5-SEQ图5-\*ARABIC14参照有关文献可得：旋转电弧传感器工作频率在5-50Hz之间，本系统扫描频率为25Hz。并定下了如下参数：焊枪持续移动速度（无特殊状况下）为25mm/s，即旋转电弧传感器扫描一圈迈进1mm；有关实验研究可得，旋转电弧传感器焊缝误差为0.1mm，跟踪误差为0.1mm。5.3.3跟踪与纠偏原理以跟踪V形坡口焊缝为例,将焊枪中心轴线与工件表面保持垂直，如图5-15所示。焊枪轴线在水平方向上与焊缝坡口对称线偏移距离称为偏差（图中设为e），设焊枪在初始化之后旋转起始位置在迈进方向上后侧（此时t=0，如图5-15所示），则电弧长度H可由式(1)求得。由以上分析可知，霍尔元件上感应出与原边电流相应电压通过放大后为U，与电弧长度H满足：，因此运用电压U即可得到弧长H信息。这样就从旋转电弧传感器采集到能反映焊枪偏差信息电压信号。图5-SEQ图5-\*ARABIC15图5-SEQ图5-\*ARABIC16需要阐明是，图5-15和图5-16建立在如下基本之上：由于电弧传感器旋转速度远不不大于焊枪移动速度，故可以以为在一种旋转周期内焊枪移动距离为0。以电弧旋转中心作为坐标原点,焊接方向作为x轴,y轴与x轴形成水平面，焊枪轴线作为z轴，建立空间直角坐标系。电弧焊过程，电弧长度随着旋转位置不同而不同，反映到霍尔传感器检测电压值变化。为了实时跟踪焊缝，对焊枪自身位置进行调节，必要对焊缝偏差分析。解决问题办法是运用光电码盘记录焊距旋转起点位置信号以及反映焊距旋转瞬时位置信号，而直流电机转速也就可以间接得到。光电码盘形状如图5-17所示，码盘外圈64个分度齿，内圈1个分度齿，光源与光敏元件固定在传感器电机外壳或是传感器内壁上以保持其相对电机空间方向不变。这样每次旋转一圈会产生两个脉冲信号（两个脉冲信号波形分别如图5-18、图5-19所示）：外圈产生脉冲信号反映旋转瞬时位置，内圈产生脉冲信号反映旋转起点位置，通过运算可以得到旋转速度。当保证光源与光敏器件相对于直流电机空间位置不变前提下，每次内圈产生脉冲信号时焊丝、电弧相对于电机空间位置就不变，这样能保证每次采集起始位置相似，因而可以以为每圈电弧起点位置是相对电机固定不变，而外圈脉冲信号则可以反映电弧瞬时位置，由于在每个周期中（扫描一圈时间），内圈脉冲信号与外圈脉冲信号第一种脉冲重叠，由外圈脉冲信号相对于第一种信号偏移量即可得到该脉冲所相应相对起点位置角度。例如：假设电机顺时针旋转，外圈脉冲信号第10个脉冲相应着相对电弧起点位置顺时针转过位置，当懂得电弧起点位置和这一时刻焊枪坐标（x,y），则焊点或电弧绝对位置就可以得到。图5-SEQ图5-\*ARABIC17图5-SEQ图5-\*ARABIC18图5-SEQ图5-\*ARABIC19与此同步，当检测到内圈脉冲信号时，意味着电弧旋转过一圈，该信号作为A/D采集触发信号，每个上升沿到来，开始重新采集模仿电压信号，即A/D转换，而内圈脉冲信号保证了每个采集数据周期开始相应着同一种位置，也能减小系统累积误差。需要注意是，每次新一圈电压信号采集时，需要保存之前几种周期信息，同步将更早信息从内存中删除，由于之前几种周期信息有助于焊枪返回与重新寻迹、跟踪，即“回溯法”思想。为了提高焊缝跟踪能力，实现均匀间隔采样,必要运用转速信号进行转速闭环控制。为使得焊枪能跟踪0.1度差别，由此可设立在一种周期内（旋转电弧传感器工作频率25Hz，一种周期为0.04s），采样3200次，也就是说没两个外圈脉冲信号时间内采样50次电压信号，由此可得在一种周期内，采样点间距为，相应采样频率为80000Hz。如此一来，64位码盘信号相称于位置“粗侧”，而在每两个码盘信号之间有采样50次电压信号相称于将两个外圈脉冲之间相应角度“细分”，达到位置“精测”目。这样就不需要使用更多位码盘，而只需要一片适合A/D转换芯片（普通DSPA/D转换为10位，以上分析可知需要13或14位A/D转换芯片，故不采用DSP自身A/D转换模块，13位A/D芯片能辨别最小角为，满足规定），不但节约成本，也实现了较高精度。按照这样采样频率，每当电弧扫描一圈时，得到3200个焊点位置电压信息（弧长信息），运用数学运算可以分析出焊缝走向用以决定焊枪移动方向，同步也能判断出焊枪中心线与否偏离焊缝，若偏离则通过执行机构调节焊枪位姿，从而实现了跟踪与纠偏。5.4运动控制模块方案实现为了驱动丝杠进行位移传动，本系统将使用步进电机对其进行驱动。步进电机及其驱动器选用也是系统设计合理与否一种重要环节5.4.1步进电机选用步进电机选用普通都遵循图5-20所示环节。图5-SEQ图5-\*ARABIC20一方面拟定选取是3相步进电机，工作模式是三相双三拍制。由于焊枪在正常工作是移动速度是，滚珠丝杠导程是10mm，步进电机直接连接滚珠丝杠，没有通过减速箱或者加速箱，因此步进电机正常转速应当和丝杠转速一致，即，当丝杠转过时，轴向迈进是10mm。当前市场上惯用步进电机步距角有，，，初步选定为，在三相双三拍工作模式下，每转过一种步距角，迈进距离大概为，而系统设计位移精度是0.1mm，可以看到这个步距角是可以满足规定，若为了进一步提高定位精度，可以采用驱动器进行细分，因而步距角选用在这里没有特别规定。，而N=3，惯用步进电机齿数为=50，从而可以拟定正常运营时，这个频率值将在电机选用后检查矩频特性时作为校验用。普通状况下，步进电机共振频率都很低，并且普通如下，因此正常工作频率远不不大于共振频率，避免了共振失步现象发生。另一方面拟定所使用步进电机静转矩。工作台移动某些质量大概为，可以以为是平均分派到两个丝杠上，则每一种丝杠所受摩擦力矩转换到电机侧摩擦转矩也就是负载转矩可以初步拟定。依照系统设计规定，最大启动加速度必要达到，从而可以初步预计步进电机所需要最低转矩。由理论力学知识，丝杠和工作台转动惯量折算到电机侧之后，，其中为电机转动惯量，由于没有选定型号，还是未知量，初步拟定电机驱动所需要最低转矩可以使用进行预计。在选型时候，为了留有一定余量，至少拟定电机输出转矩为。进行电机初步选型。通过比较决定选用北京时代超群电器科技有限公司所生产微型步进电机86BYG350-65，电机详细参数见下表。步距角额定电压48V温升85Kmax绝缘级别B环境温度额定电流3A静转矩2.0N/m转动惯量电机重量1.8Kg重新核算转矩得到可以看到，电机输出转矩足可以满足系统需求。所选用步进电机如图5-21所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC21微型步进电机86BYG350-655.4.2步进电机驱动器选用该步进电机驱动器选用北京时代超群电器科技有限公司配套步进电机驱动器3HB606，该驱动器具备如下电器规格特性。阐明最小值典型值最大值供电电压(VDC)16跟顾客规定关于60峰值输出电流0.2跟顾客规定关于5.8逻辑输入电流(mA)-15-步进脉冲响应频率(KHz)--200脉冲低电平时间2.5--3HB606步进电机驱动器还具备下列特点，使得其应用起来更加以便可靠1设有16档等角度恒力矩细分，最高辨别率51200步/转2步进脉冲地址超过100ms，线圈电流自动减半，减少电机发热3双极恒流斩波方式，可以输出更大速度和功率4光电隔离信号输入/输出5驱动电流从0.2A/相到5.8A/相持续可调6单电源输入，电压范畴是DC16-50V7过热，过流，过压保护所选用驱动器如图5-22所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC223HB606步进电机驱动器DSP控制系统通过PWM输出信号给驱动器，对步进电机进行伺服控制，从而完毕整个工作单元位移动作。5.4.3直线步进电机选用实际中焊缝类型不固定，坡口形状并非对称图形，焊缝宽度也不固定，若始终保持一种固定焊接半径显然会影响焊接质量，也许浮现焊缝宽地方有凹陷，焊缝狭窄地方有隆起，焊接后平面不平整。为理解决这个问题，焊接过程扫描半径需要进行调节，由之后旋转电弧传感器内部构造可知，移动偏心块进行调节并不实际，由于会影响到焊枪动平衡，特别在高速旋转状况下会有强烈震动，影响焊接精度和焊缝跟踪。因而，系统机械机构设计中，工作位移单元在Z方向上安装位移伺服系统，采用直线步进电机，使得当焊枪上下移动时，焊枪高度可调，虽然焊丝与中心轴线夹角不变，但上下移动间接地变化了焊接半径。而直线步进电机位移精度普通较高，重要控制竖直方向轴向位移，由于系统设计了一种可手摇式升降控制台，因此Z方向上，焊枪位移是小范畴，可以选用位移传动距离比较短直线电机进行控制，完全可以满足系统定下指标。。在本系统设计中，直线电机选用重要考虑到所需最大推力，假定位移单元重量为10kg，则最小推力应当是100N，为了留有最够系统预留量，选用最大推力达到200N直线电机，在此采用海顿直线电机有限公司生产直线电机，35000Size14系列混合式直线步进电机，其最大推力范畴是达到220N，步长达到1.5微米，传动距离范畴是12.7-63.5mm，5V直流供电，每相驱动电流为0.57A，容许温升为75K。并且该系列电机内置连接器，以便安装时进行机械连接。所选用直线电机如图5-23所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC23直线电机5.4.4直线步进电机驱动器选用依照所选用直线步进电机参数，同步选用与其配套使用DCM4010细分步进驱动器，该款驱动器具备下列特性。1供电电压40V，电流1.0A2可驱动任何1.0A相电流如下两相步进电机3光隔离信号输入420KHz斩波频率5细分精度2，4,8,16,32,64，可选6输入信号TTL兼容7静止时电流可减半，具备电源反保护功能8最高相应频率达到100KHz所选用直线电机驱动器如图5-24所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC24直线电机驱动器5.5机械保护模块方案实现依照系统需要，必要对系统进行限位保护设计。在机器人焊接过程中，重要保护部件有焊枪和传动电机模块。为了保护焊枪，不会发生直接撞击钢板状况，在与焊枪平行位置上安装机械接触式开关，当浮现危险状况，焊枪始终往下运动时候，机械限位开关将一方面撞击到钢板，与开关信号相连硬件门电路产生动作，驱动光电耦合器，直接切断电机供电电源和弧焊供电电源，对焊枪进行保护。为了对工作台在轴向位移上进行保护，在丝杠端位上安装机械式限位开关，当发生工作台在轴向位移失控时，一方面撞击是机械限位开关，与开关信号相连硬件门电路产生动作，驱动光电耦合器，直接切断电机供电电源和弧焊供电电源，对工作台进行限位保护。通过两个层次机械限位保护办法，基本上可以对整个系统进行最后层次应急保护办法。5.6环境检测系统实现由于工作环境监测系统是比DSP主控系统先启动，启动后检测当前工作环境温度和湿度，只有当温度和湿度都满足系统启动规定之后，才通过光电耦合器件启动DSP主控系统，从而实现主控系统提前保护。其工作原理和启动顺序如图5-25所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC25环境检测系统选用控制芯片是ATMEL生产ATMEGA16单片机。该单片机是8位指令高性能单片机，内部集成A/D转换模块，I/O驱动电流达到50mA，16KBFlash内存，1KBE2PROM，2KBSRAM，最高支持晶振频率达到32MHz，足可以胜任环境检测和相应温湿调节功能。ATMEGA16最小系统设计如图5-26所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC26ATMEGA16最小系统对温度和湿度测量使用瑞士生产温湿集成传感器SHT10系列。SHT10系列单芯片传感器是一款具有已校准数字信号输出温湿复合传感器，其应用专利工业COMS过程微加工技术，保证产品具备极高可靠性与卓越长期稳定性。传感器包括一种电容式聚合体测湿元件和一种能隙式测温元件，并与一种14位A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接，具备超快响应，抗干扰能力极强特点。SHT10传感器构造如图5-27所示。其温度测量范畴是，最大辨别率达到；湿度测量范畴是，最大辨别率达到，这样测量精度已经足够本系统设计和使用。图5-SEQ图5-\*ARABIC27温湿集成传感器当测量得到温度和湿度值满足主控系统启动规定期，ATMEGA16将通过MOSFET驱动光耦继电器，接通DSP主控系统控制电源，启动总系统。如果第一次检测发现主控系统工作环境湿度过高，则启动内置小型微加热电扇，减少主控系统环境湿度，懂得满足系统启动规定。在系统正常工作过程中，ATMEGA16将随时监控当前温度和湿度，发现达到最低系统设定阈值时，将打开调节装置，进行自控尝试调节，并驱动高亮LED进行报警；如果调节无效，则ATMEGA16强制切断DSP主控系统供电电源，对系统进行保护。5.7接口扩展模块方案实现从系统方案比较中拟定了使用RS-232和PCI以太网接口作为系统接口扩展模块。在此分别进行RS-232模块和以太网模块设计。由于PC机串口通信使用电平时12V，而DSP输出串口电压为3.3V，因而一方面需要对两者进行电平转换。当前应用最广泛转换芯片是美信公司生产232系列芯片，在此选用MAX232，实现硬件电平转换。MAX232与DSP之间连接电路如图5-28所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC28为了实现以太网卡接口扩展，本系统选用Realtek公司生产具备PCI接口以太网控制芯片RTL8139实现RTL8139与DSP接口方案。\o"RTL8139货源和PDF资料"RTL8139是带PCI接口10M/100M自适应网卡控制芯片,它提供32位PCI总线控制,支持IEEE802.3u100Base-T和IEEE802.3x全双工流量控制;符合PCI2.2原则,支持高档配备和电源接口(ACPI)和PCI对当代操作系统电源管理,以提高电源管理效率。此外,\o"RTL8139货源和PDF资料"RTL8139还支持128KBBootROM,提供网络唤醒和远程唤醒功能;具有2个2KB收发FIFO;可以减少网络维护成本,消除使用障碍,并且可以很以便地使网络由10M升级到100M,且带宽可以达到200Mbps。这些功能实现足可以满足本系统需求。RTL8139与DSP之间硬件连接关系如图5-29所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC295.8电源管理模块方案实现依照系统设计方案拟定，选用专用弧焊电源作为焊机供电电源。由于焊枪使用时候直流弧焊，电流在400A左右，依照电流和容量指标，拟定选用松下型号为YD-630SS交流供电直流输出弧焊电源。该电源输入电源为三相380V交流电源，额定输入为47.6KW，输出电流范畴是100-630A，空载电压为77V，额定负载持续率为60%，依照本系统设计参数规定，该弧焊电源满足设计规定。所选用弧焊电源如图5-30所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC30弧焊电源由于驱动步进电机电源为48V直流电源，直线步进电机供电为5VDC，驱动DSP主控系统电源为5V，为了获得低压直流电源，采用交直变换方案实现。整个整流设计方案流程如图5-31所示。图5-SEQ图5-\*ARABIC315.9报警模块方案实现在系统运营过程中，当浮现过热，过压，过流，欠压，和机械故障，且系统无法进行自动修复时候，系统除了进行预订保护办法外，还将发出报警信号。报警形式设计了两种。一种是高亮LED频闪，一种是高音蜂鸣器。6软件控制平台实现6.1传感器控制算法和模型6.1.1传感器与系统初始化实际使用前，应当进行初始化工作。一方面，通过手动移动或者运用接触式传感器找到裂缝起始点位置。手动移动位置精度不高，运用接触式传感器比手动调节精度高，并且接触式传感器价格不高，这样可以减少寻找初始位时间，也满足了一定精度。另一方面，运用光电码盘“寻零”。在未接焊接电源之前，通电使得空心轴直流电机转子旋转，当接受到内圈脉冲信号时停转，意味着焊丝相对于电机空间位置到达系统“零位”，而“零位”是在系统设计出来时就已经拟定一种固定位置，之后每次旋转到该位置时都会产生一种脉冲，作为其她瞬时位置基准，根据外圈脉冲信号相对同一周期内圈脉冲信号可以拟定电弧及焊点相对电机空间位置，以便对焊缝跟踪和自身导向。最后，通过z轴方向上直线电机调节焊枪相对于钢板高低位置，调到适当位置，然后给焊枪通以弧焊电源电压，在焊接起始点附近位置原地扫描一圈，得到焊枪接下来移动方向信息和钢板平整某些弧压，将该信息存储起来，作为基准电压与之后扫描电压作比较。此后还需要对解决控制电路进行初始化，这样就完毕了所有初始化工作。之后依照得到导向信息驱动执行机构让焊枪跟踪裂缝。6.1.2传感器算法分析与之前分析相似，考虑到电弧传感器旋转速度远不不大于焊枪移动速度，故可以以为在一种旋转周期内焊枪移动距离为0，空间直角坐标系如图5-15、图5-16所示。旋转电弧传感器扫描一圈所采集电压信号如图6-1,当分析焊枪走向时还需要将码盘输出信号与电压信号对照分析才干拟定空间角度方向。图6-SEQ图6-\*ARABIC1当前，根据旋转电弧传感器在焊缝跟踪中惯用控制算法，本系统可采用办法重要有如下四种：积分差值法以焊枪迈进方向为基准，将焊枪在迈进方向左侧旋转半周期和右侧旋转半周期分别进行电压信号积分，并求出两个电压积分差值。若满足则阐明偏差为零；若则表白焊枪左偏；若即表达焊枪右偏。因此依照积分差值符号和大小可以得到焊枪偏移方向和偏移量，进而予以修正。极值比较法依照电弧在左右不同位置时焊接电压数值不同，比较两侧扫描焊接电压大小变化关系（极值或者两边电压变化幅值）来获得焊枪位置信息。这种做法很容易实现，由于左右两侧幅值容易得到，数学运算简朴，但电弧不稳定性使得这种办法没有积分差值法信噪比高。类型比较法当电弧在坡口旋转时，如果焊枪中心线与焊缝中心对正，则采样电压波形为对称波形；若焊枪中心线与焊缝中心存在偏差，则电压波形变化为非对称波形。因此将采样电压波形与对正时原则电压波形（可在初始化过程存储在存储器中）相比较，可求出偏差大小和方向，从而实现焊缝跟踪。但这种办法对焊缝规定太高，仅合用于各处焊缝坡口变化不大场合，应用范畴狭窄。平面拟合法当采集了传感器扫描一圈之后，能充分运用检测得到信息。由于这些信息通过数学运算可以还原焊枪所在处截面，普通采用最小二乘办法拟合该平面,称作特性平面。依照特性平面与坐标平面交线斜率来检测焊枪左右偏差和倾角。比较上述四种办法，极值比较法与类型比较法不太适合于本系统，应用范畴也受限制。积分差值法原理比较简朴，程序容易编写，但事实上这种办法对坡口截面也有一定约束限制，合用于坡口截面比较对称状况，这点与类型比较法相似。因此本系统宜采用平面拟合法，该算法合用于各类坡口，精度比较高。 平面拟合法长处是：简朴迅速、实时性强，满足焊枪姿态位置控制规定；能同步结算出焊枪偏差和倾角，能更好地焊枪姿态；(3)充分运用了旋转电弧传感器检测得到信息，信息量大，检测成果可靠性和精确性高。但仅仅按照此办法是不够，只能作为整体思想框架，还需要进一步完善。依照特性谐波检测理论有关阐述，由于传感系统存在着非线形失真,与系统输入扫描电弧长度变化相比,传感器输出电压波形发生了很大变化。因此有必要从电压信号中找到一种能反映焊枪位置信息特性量。电弧传感信号最后体现为电压信号，但其中存在着失真和叠加着大量噪声干扰。基于特性谐波检测理论，科研人员通过实验重复验证发现电弧扫描输入信号一次谐波分量是其特性谐波,其幅值大小表征焊枪位置信息和倾斜限度状况，其相角正负体现为焊枪摆动方向，并且除低次谐波成分外,其她频率成分都是一种小量,可以忽视不计,虽然在幅值明显低次谐波中,也只有特性谐波有检测意义。鉴于本文仅讨论焊枪与焊接钢板保持垂直状况，故只分析如何从一次谐波中分析提取焊接偏差信息。为了简化模型，假设电弧扫描输入信号与电压检测信号是较好一次函数关系，低通滤波器滤波效果满足系统规定，因此信号解决只需对检测电压特性谐波（一次谐波）频率分量进行分析,而不必去考虑系统整个频率响应特性和其她信号分量变化。简言之就是运用滤波器及某些数学运算得到检测电压信号一次谐波，再进行有关平面拟合数学运算。为突出重点，下面对平面拟合法构建特性平面过程进一步讨论。6.1.3电弧长度模型与平面拟合算法分析在进行算法分析之前，先要对焊接过程中电弧长度建立模型。仍以跟踪V形坡口焊缝为例，见图5-15和图5-16。焊枪轴线在水平方向上与焊缝坡口对称线偏移距离称为偏差(如图5-16,设为e)。设焊枪口端面到焊缝坡口底部距离为Hc，焊缝坡口与水平面夹角为β，电弧旋转半径为r，旋转周期为2T，角速度为ω，。设焊枪旋转在最右侧时t=0，则电弧长度H(t)可由式(1)求得。(1)图6-2、图6-3所示即为运动过程中某瞬时状态。图6-SEQ图6-\*ARABIC2图6-SEQ图6-\*ARABIC3依照关于焊接理论可知,电弧动态变化时,在一定条件下弧长变化H(s)到焊接电流变化I(s)传递函数可以表达为：(2)其中，为电弧电位梯度；为与焊丝熔化速度关于常数；为与干伸长电阻和极区等效电阻关于常数；为与电源特性、焊接材料等关于常数；P(s)为电源动态特性。当电源具备极好动态品质时,P(s)可视为一种比例环节，此时传递函数可简化为一阶模型。可见当旋转频率一定期，弧长变化规律与电流变化规律成正比关系，因此与电压变化规律也成正比。由于电弧传感器旋转速度远不不大于焊枪移动速度,故可以以为在一种旋转周期内焊枪移动距离为0。以电弧旋转中心作为坐标原点,焊接方向作为x轴,焊枪轴线作为z轴建立局部直角坐标系（图5-15和图5-16），在此坐标系中对一种扫描周期内电弧长度值进行最小二乘拟合，则可得到一种拟合平面，此拟合平面即可反映焊枪偏差和倾角状况。以偏差检测为例，设焊枪倾角为0°,与焊接平面始终保持垂直。此时电弧长度沿y轴对称,拟合后平面与YOZ面关系，如图6-4所示。图中直线ab表达拟合平面与YOZ面交线，图6-4表达焊枪对中焊缝，图6-5表达焊枪偏左。可以看出，当焊枪对中焊缝时，直线ab与y轴平行；而当焊枪偏左时，直线ab与y轴成一夹角。偏差越大，夹角越大，并且夹角正负和偏差正负相相应。同理可知，特性平面和XOZ面交线与x轴夹角则反映了焊枪倾角变化状况。图6-SEQ图6-\*ARABIC4图6-SEQ图6-\*ARABIC5电弧长度可由式(1)求得,而，，故可将它们离散化为，，。由于文中采用旋转电弧传感器在一种扫描周期内采样64次，因而将离散点取为64个。由空间解析几何理论可知，一种空间平面方程可以表达为：(3)为了便于讨论,将上述方程变形为:(4)引入矢量、矩阵记号,令(5)对电弧长度进行空间平面拟合就是谋求,使其满足下面条件:(6)这里，运用微分法求式(6)解,得：(7)将上式变形为:(8)用矩阵表达，上述方程组可写为：通过度析可知是正定矩阵,因而存在逆矩阵，由式(8)可得：(9)将代入式(4)，则可得到所求拟合平面。该平面与XOZ面交线斜率为，与YOZ面交线斜率为。在实际进行拟合时,式中由旋转电弧传感器采集得到电流经转换后获得。6.2电机驱动算法在工程实践中应用最普遍办法是PID算法，此类办法实质是将检测到偏差信号送入控制器中，按照已建立数学模型进行运算，得到控制量，输送给执行机构执行相应操作，从而保证偏差在容许范畴之内。但是由于焊接过程特殊性，往往体现为某些复杂非线性系统，难以找到适当数学物理模型，PID控制算法已经逐渐退出焊接控制领域。当前，在焊接跟踪领域涉及人工智能理论与办法重要有模糊控制、人工神经网络和专家系统等。模糊控制是吸取了人思维具备模糊性特点，使用模糊数学中从属函数、模糊关系、模糊推理和决策等工具，得出控制动作。简朴模糊控制器以检测到焊枪偏离焊缝中心线偏差和偏差变化作为模糊控制器输入，依照模糊控制规则，误差及误差变化率模糊子集产生控制决策表，通过决策表直接查询，可以得到每一时刻控制系统控制动作，从而达到实时控制目。模糊控制不需要建立对象精准数学模型，它是一种基于规则非线性控制办法。因而，模糊控制非常适合于焊接过程控制。人工神经网络控制是在研究人脑构造和功能基本上，通过简化、抽象和模仿建立神经网络模型，再通过相应计算机系统，实现能反映类似人脑构造和功能来解决问题控制算法。人工神经网络控制技术在焊接领域更多地应用于视觉跟踪系统焊缝类型自动辨认，将提取出预解决后焊缝构造光图像特性参数，送入人工神经网络分类器进行辨识，可以鉴别出焊缝类型。应用神经网络自动辨认焊缝类型，迅速、稳定且可靠性高，是焊缝类型自动辨认抱负办法，但在以电弧传感器为检测元件系统中应用并不多见。专家系统是一种具备大量专门知识与经验程序系统。它应用于人工智能技术和计算机技术，依照某一领域一种或各种专家提供知识和经验，进行推理和判断，模仿人类专家决策过程，以便解决那些需要人类专家才干解决好复杂问题。专家系统具备下列几方面特点：启发性、透明性、灵活性、不拟定性，当前焊接专家系统还不够成熟，尚处在研究阶段。分析本系统，传感器某些和步进电机精准数学模型不容易建立，传递函数复杂，老式PID控制算法已不合用。综合以上分析，电机驱动算法拟定为模糊控制算法，限于自身能力匮乏，在此不对算法细节进行阐述。7成本预计弧焊电源及焊接设备1000元旋转电弧传感器系统(自行设计)1000元步进电机系统1300元机械系统800元环境检测系统100元电源管理系统200元DSP主控系统450元各种杂件和加工费600元总成本5450元8项目总结与改进8.1项目总结整个系统设计充分考虑到了工业应用型焊接机器人应当具备特性。一方面是安全性和平稳性规定，采用了涉及系统启动保护，软件保护，机械限位保护，报警保护在内保护办法。系统设计充分考虑了系统响应速度问题，这个将影响到整个应用系统迅速响应性，也是衡量一种焊接机器人与否具备足够应用价值一种重要指标。在焊缝跟踪扫面方面，跟踪误差和焊缝误差满足指标规定，响应时间短，对各类焊缝类型有一定普适性。在系统应用拓展方面，充分考虑了系统可升级性，预留了原则串口和以太网接口，为系统调试和升级提供必要硬件保障，也以便了同类焊接机器人后续系列产品开发升级。8．2项目改进：8.2.1旋转扫描电弧传感器问题与改进由于高速构造特点,在使用过程中,存在着如下问题： (1)小型化问题由于十字滑块z轴方向移动滑块承受重量有限，焊接过程中传感器内部电机高速旋转产生振动，以及运动过程中也许产生加速度影响。振动问题旋转扫描电弧传感器在工作时振动很大，因素在于旋转扫描电弧传感器偏心机构重心偏离了旋转中心，在高速状况下振动尤为明显。振动和较大负荷都会影响弧焊机器人焊接时焊缝质量和焊缝跟踪精度。这就规定旋转扫描电弧传感器重量越轻越好，需要对传感器构造进一步优化；并且传感器动平衡和静平衡检测要过关，保证高速旋转状况下不会强烈振动。由于近些年来焊接技术发展迅速，基于旋转电弧传感器焊接系统也逐渐崭露头角。联系本系统与实际状况，还可以做如下改进：焊接半径可调，焊枪焊接倾角可调等。这样改进之后可以使焊缝系统合用于灵活性更强，自动化限度更高，例如：在焊缝较宽处，运用磁场等手段调节焊枪焊接半径，减慢焊枪移动速度，使得融化焊丝材质填充宽度增长，填满坡口，提高焊接质量，而不需要采用通过焊枪上下移动来调节扫描与焊接半径，减少大幅度机械运动，也能提高精度；而在焊缝狭小地方，减小焊接半径，加快移动速度，避免焊接后表面不平整。焊枪倾角可调则可以对空间各个方位坡口进行焊接，若提高焊枪小型化，则可以在管道等狭小空间环境工作，拓宽了合用范畴。8.2.2系统与无线传感网络通信随着当代科学技术发展，物联网技术也呈现了蓬勃发展趋势。在随后科学应用领域里，基于无线传感器网络物联网技术将会渗入到生活，工业生产，科研领域各个方面，在本系统设计中，可以考虑设计相应无线传感器接口，采用Zigbee无线传感器传播网络,将焊接机器人和周边电子应用系统构成一种无线网络，对焊接机器人进行无线调控，无线维护和无线升级。8.2.3系统可移植性改进在系统软件开发时候，应尽量考虑到硬件无关性和软件平台无关性，这样将更利于软件系统移植，为开发同类产品软件系统提供便利。9心得体会一种系统开发，特别是工业应用型系统开发应用，在进行方案设计时，必要充分考虑各种也许遇到问题，必要一方面保证系统是安全，稳定，这是任何一种系统设计基本前提。在资源应用日益紧缺今天，系统设计要充分考虑成本问题，尽量用至少成本获得最佳系统性能，使得系统性价