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自动焊缝跟踪系统设计和实现

摘 要: 本文介绍了一个基于旋转电弧传感器焊接机器人系统。系统采取惯量小，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；配合步进电机完成整个系统位移单元传动，并进行位置伺服。环境预检测系统完成工作环境检测，确保系统安全运行，DSP主控系统完成整个系统管理和控制，并设计了包含软件保护，机械限位保护，报警保护，电源管理保护在内多种保护方法。为了方便系统维护和升级，预留了标准串口和以太网接口，能够方便对系统进行扩展升级。

关键词：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 1
2设计要求和需求分析 1
3系统总指标分析 2
3.1 系统静态指标 2
3.2系统动态指标 2
3.3运动精度指标 2
3.4智能性指标分析 2
3.5可扩展性指标分析 2
3.6应用指标 2
3.7环境要求 2
3.8装配指标分析 3
4 模块设计指标和方案分析 3
4.1总体设计方案 3
4.2主控系统指标分析和方案比较 4
4.3机械结构指标分析和方案比较 4
4.4 反馈系统模块指标分析和方案比较 6
4.5运动控制模块指标分析和方案比较 7
4.6机械保护模块指标分析和方案比较 7
4.7环境检测保护模块指标分析和方案比较 7
4.8接口扩展模块指标分析和方案比较 8
4.9 电源管理模块指标分析和方案比较 8
4.10 焊接指标分析和方案论证 9
5硬件系统方案实现 9
5.1总控制关键系统实现 9
5.2机械传动结构方案实现 10
5.3反馈系统模块实现 13
5.3.1 电弧传感器分类及选型 13
5.3.2 旋转电弧传感器结构和工作原理 16
5.3.3 跟踪和纠偏原理 17
5.4运动控制模块方案实现 19
5.4.1步进电机选择 19
5.4.2步进电机驱动器选择 21
5.4.3直线步进电机选择 22
5.4.4直线步进电机驱动器选择 23
5.5 机械保护模块方案实现 24
5.6环境检测系统实现 24
5.7接口扩展模块方案实现 26
5.8 电源管理模块方案实现 28
5.9报警模块方案实现 29
6软件控制平台实现 30
6.1传感器控制算法和模型 30
6.1.1 传感器和系统初始化 30
6.1.2 传感器算法分析 30
6.1.3 电弧长度模型和平面拟合算法分析 32
6.2电机驱动算法 34
7 成本估量 34
8 项目总结和改善 35
8.1 项目总结 35
8.2.1 旋转扫描电弧传感器问题和改善 35
8.2.2 系统和无线传感网络通信 35
8.2.3 系统可移植性改善 36
9 心得体会 36
参考文件： 37
附件 分工明细 37

1项目背景
焊接是一门材料连接技术，经过某种物理化学过程使分离材料产生原子或分子间作用力而连接在一起，伴随焊接技术不停发展，它在生产中应用日趋广泛，到现在为止已经成为一个关键加工手段。从日常生活用具，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全部离不开高效率、现代化焊接技术，深入提升焊接质量、改善劳动条件、提升劳动生产率已经成为全部焊接工作者强烈愿望，而采取自动控制技术是实现上述正确路径。焊缝自动跟踪系统研究作为焊接领域一个关键方面，为了进行正确自动焊接，必需进行焊缝自动跟踪。
国外相关焊接实时跟踪控制研究关键集中在焊接传感器选择和控制方法改善上。1985年保加利亚D.Lakov提出了用模糊模型来描述弧焊过程不确定性，借助于配置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估量、估计和控制，实现焊缝自动跟踪。1989年日本S.Mursaami等研究了利用电弧传感弧焊机器人焊缝跟踪模糊控制，该控制系统依据焊枪振幅位置同焊丝和工件距离关系判定焊点水平和垂直位移，并在强烈弧光、高温、烟所以下，采取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，取得了很好效果。美国Ohio州Motoman企业推出了一个最高能够在60in_/min(152cm/min)焊接速度下进行焊缝跟踪电弧传感跟踪系统。
中国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，并取得了有价值结果。1993年清华大学博士廖宝剑在博士生费跃家研究基础上，研制成功了一个空心轴电机驱动旋转扫描传感器，并取得了国家专利。以后江西大学在此基础上在小型化和减震方面做了深入研究，并做了进行一步改善，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处理技术，经过空间变换，进行了扫描电弧传感器信号频域特征分析，提出了特征滤波向量电弧传感信号处理方法。

2设计要求和需求分析
众所周知,焊工能够经过眼睛或工业电视观察焊接熔池来对工件或焊枪进行调整并能达成很高精度。不过这依靠于焊工个人经验、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。所以，很有必需实现焊缝偏差自动控制。但在实际生产中,因为工件加工、安装误差,和工件热变形等使得焊接过程是一个复杂过程，含有时变、非线性及干扰原因多等特点：
（1）耐强光，耐热。所设计跟踪焊接装置应该能够在焊接时产生强光、强热环境下正常工作。
（2）高精度。为了确保焊接零件加工质量并提升效率，首先要确保系统定位精度和加工精度。所以，在跟踪系统各轴位置控制中要求有高定位精度，即在mm数量级内。而在速度控制中，要求有高调速精度、强抗负载扰动能力，也即要求静态和动态速降尽可能小； 
（3）快响应。要求系统有良好快速响应特征，即要求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。依据加工特点，大全部是在中低速负重状态下工作，这么，既要求在低速时电动机伺服系统有大转矩输出又要求转动平稳。

3系统总指标分析
作为一个工业用焊接机器人，在对整个系统进行设计时候，先对其要求指标进行分析和制订。

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于正常焊接运行状态时，对于控制系统所给指令，在达成稳态时，能够做到无偏差跟踪能力，对于阶跃信号和速度信号，考虑到机械结构特征，稳态误差必需控制在0.2%之内，对于加速度信号，稳态误差不得小于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，关键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征。对于阶跃信号，其超调量最大不能超出10%，过渡时间最大不能超出0.1ms，震荡次数不能超出2次。对于正弦响应，关键考虑是其频率特征和相角裕度，工作频率大约为5至12Hz。

3.3运动精度指标
焊枪移动位置精度小于0.2mm，焊缝误差小于1mm，速度精度小于1mm/s，系统响应时间小于0.3s。

3.4智能性指标分析
要求所设计系统含有一定智能性，其中包含系统自检功效，故障尝试自修复功效，故障保护功效，自动循迹跟踪焊缝功效。

3.5可扩展性指标分析
系统应该留有一定对外接口，以满足系统在线编程或离线编程，伴随INTERNET技术发展和物联网技术发展，要求系统需要留有特定接口模块。系统必需含有可升级性，以满足不一样应用场所重新组装和升级。

3.6应用指标
整个系统为220V市电系统，在确保系统正工作前提下，功率应尽可能减小。控制关键系统部分体积为25x25x25cm，电源管理部分因为其功耗相对较大，为了避免其对弱电系统影响，对电源部分进行单独包装，设定为25x25x25cm，而且配置散热风扇。整个系统成本在两万元以下。

3.7环境要求
在使用过程中噪声不能大于40db，整个系统对市电网络和周围环境不存在电磁干扰，电磁兼容性必需控制在国家标准范围之内，无强烈电磁辐射性，工作时对焊枪强光部分做简单屏蔽。系统不含有防水性，防尘等级IP5级，工作环境为90摄氏度以下，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要求，其装配精度必需控制在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- 1总设计方案和模块图
如图4- 1所表示，为系统总设计方案和模块图，整个系统能够分为9个关键模块，系统工作思绪为：
总系统上电，开启工作环境检测系统，检测目前主控平台环境湿度，和温度，假如不符合工作环境要求，尝试进行自动调整，若调整仍然无效，则系统报警，并自动关闭；环境检测符合要求后，DSP主控系统开启，先完成自检功效，假如发觉一些模块处于无法就绪状态，系统尝试软件自动修复，假如修复不成功，则系统自动重启，假如重启后，仍然无法处理问题，系统进行报警动作；系统初始化后，经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经过PWM控制步进电机，完成十字滑架移动，并控制弧焊电源和送丝机构进行焊接；在焊接开始以后，旋转电弧传感器检测电弧电压信息，经过DSP转换为对应位移信息，并进行位移量反馈，组成整个控制系统闭环工作模式；于此同时，系统配置多种传感器也处于监视运行状态，包含机械限位保护，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关键，首先必需有足够资源余量，包含内存资源、系统运行速度和片上中止源。
在通常小型机器人制作中，假如系统需求处理能力要求不高，大多能够考虑使用一般单片机，比如古老51系列单片机，台湾宏晶企业生产STC系列单片机，atmel系列单片机，或飞思卡尔单片机，更高一级能够采取凌阳16位单片机。采取一般单片机设计方案，成本低，对于小型处理系统是很适宜，不过在多需求处理场所，对运算要求比较高焊接机器人场所，就会显得有些力不从心了。
在工业系统中，则更多喜爱使用工控机配合PLC系统设计方案，这么系统构建比较适合于多机控制场所，由一个配置PC处理器工控机，作为整个系统上位机单元控制关键，完成整个系统配置和管理工作，而PLC则关键作为实施单元，完成系统底层检测，反馈和实施功效。这么构建系统，稳定性好，能够完成很复杂功效，而且系统处理能力很强，因为工控机PC关键通常全部能嵌入系统进行管理操作，所以系统可升级性，系统可维护性也强，不过这么构建系统成本很高，只适合于部分规模相对较大工业应用场所，对于单机单独工作焊机机器人，显然是不适宜。
在电子和工业产品中，也有常常使用ARM处理进行系统设计。ARM处理器因为其功耗小功效强和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。其含有很强事务管理功效，关键用于嵌入式系统开发，跑界面和程序是它强项，在信号处理和运算能力上相对较弱。从本系统需求分析能够知道，焊缝轨迹控制和跟踪在很大程度上必需依靠于其对数据实时处理，对数据运算能力要求相对较高，在成本和性能方面进行折中后，决定选择DSP作为主控系统MCU。

4.3机械结构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个关键部分，尤其是对其精度要求比较高，所以必需对该部分设计进行具体指标分析和方案比较。
在现代焊接机器人中，使用较多是臂式传动机构。图4- 2所表示是日本DAIHEN OTC焊接机器人所采取臂式传动机构。

图4- 3日本DAIHEN OTC焊接机器人
臂式传动机构实现焊机机器人灵活性很高，能够实现多轨迹，多角度焊接，不过因为其自由度增多，肯定造成其制造工业和制造成本急剧增加，而且做自由度旋转臂控制也极其复杂，所以本系统不计划采取这么结构进行传动部分设计。
在焊接领域和部分机床中，广泛使用还用龙门式结构位移传动机构，如4-4所表示即为最经典龙门式系统组成。

图4- 5龙门式结构传动系统
龙门式结构传动系统在实现形式上比较轻易，通常是经过三个电机分别控制位移结构三轴移动，实现三轴立体面内位移传动。不过因为其自由度限制，造成其对于竖直方向或倾斜方向焊缝焊接无能为力，所以只能用于特定立体面内焊接。从龙门式构架系统能够看出，整个移动部分系统惯量是很大，对传动丝杠和电机负载能力有一定要求，对于冲击响应，常常会出现短时间内高负载情况，这么对电机正确控制还是有一定影响，尤其是位移机构超调量和稳定性控制，更需要尤其注意。
经过对臂式位移机构和龙门架式系统对比分析，而且吸收了龙门架式部分优点，本系统决定采取十字滑架形式实现整个系统位移机构设计。对于该部分设计，精度要求是第一位，在进行指标确定时，要求机械定位精度达成0.05mm，且需要采取尤其方法消除传动回程差。

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处理和控制所必需相关焊缝信息。主控电路信息关键来自反馈系统（传感器反馈信号），只有反馈系统性能指标达成了要求，经过处理后信号送到各个模块，才能确保整个系统正常运行，满足系统总体指标。
实际系统中，焊接过程会有强光、高温、噪声和强磁场干扰，而且伴有较强振动，全部影响着传感器信息搜集，所以所选择传感器需要有较强抵御能力。考虑到焊缝随机性，传感器必需含有实时或超前跟踪传感能力，用以控制机械结构移动，调整焊枪在下一时刻走向和位置。在满足以上基础要求前提下，应选择检测误差小，工作寿命长，价格低廉传感器产品。
综合上述考虑，对以下多个常见传感器进行比较分析。
(1) 接触式传感器
原理和结构简单，组装轻易，成本很低，不受强光强磁和高温干扰，操作方便、不受电弧烟尘和飞溅影响，。但最大弊端在于精度低，灵敏度不高，扫描范围小，而且因为和工件接触磨损受接头、材料和速度等限制。
(2) 电磁感应式传感器
原理和结构上比较简单，基于电磁感应理论，常见有涡流传感器，霍尔传感器，价格适中，多年来改善生产产品精度比较高，扫描范围较大，但对于强磁场干扰并不能有效地抑制。
(3) 超声传感器
原理是利用发射出超声波在金属内传输时在界面产生发射制成，是一个比较优异焊缝跟踪传感器，跟踪实时性好。不过因为传感器要贴近工件，不可避免地会受到焊接方法和工件尺寸等严格限制。同时需要考虑外界震动、传输时间等原因，对金属表面情况要求也比较高，应用范围也就受到限制。
(4) 视觉传感器
视觉传感最大优势在于所提供信息量丰富，不仅能够跟踪裂缝，而且能够检测坡口位置，宽度，深度，扫描范围广，灵敏度和测量精度很高，抗电磁场干扰能力强，和工件无接触等优点。不过图像处理算法复杂，处理速度慢，受强弧光干扰，需要利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个真正实时跟踪传感器件，检测点就是焊接点，确保焊接参数稳定，响应快。焊接机头周围不需要装备其它尤其装置，焊枪可达性好。电弧本身作为传感器，同时又完成焊接任务，有效降低成本。对弧光、高温和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，但近些年伴随电弧传感器及其技术不停发展，出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。
前四类传感器全部是附加式传感器，这类传感器和电弧是分离，传感器检测点离开电弧有一段距离，在焊接时可能存在传感器前置问题，会影响跟踪效果。综合以上分析，系统采取电弧传感器作为反馈单元关键部件。

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，能够有多个电机驱动方案。
在机械装置自动控制领域，尤其是高精度位置伺服系统中，直流电机应用占有很关键地位，这关键得益于直流电机转矩大，调速范围宽，易于控制且可靠性高，调速能量损耗小等优点。不过同时，因为直流电机结构特征又限制了直流电机愈加广泛应用，关键缺点表现在换向器上。因为有了换向器，使得直流电机造价更高，换向器维护性差，寿命短，同时换向条件深入限制了直流电机容量。从本系统设计要求出发，期望系统寿命长，基础免维护，从而排除了直流电机驱动方案。
交流电机因为没有换向器和电刷，从而消除了所以而引发一系列缺点，电机维护性得到深入提升，不过因为交流电机机械特征和调压特征特点，使得交流电机控制显得有些复杂，在本系统中期望用一个最简单，而又最轻易控制方案实现位置伺服，所以也不考虑使用交流电机。
步进电机因为其结构简单，调试方便，工作可靠，易于控制等优点，使得步进电机得到了深入广泛应用。在目前以数字控制为主控制系统中，步进电机深入凸显了其优良控制特征，因为步进电机驱动是经过脉冲进行，所以单片机或是计算机系统输出脉冲信号，只要经过逻辑转换和功率放大，就能够直接驱动和控制步进电机了，这么就电机控制变得简单而且精度也高了。

4.6机械保护模块指标分析和方案比较
不管是什么样系统设计，首先比较确保系统安全性和稳定性，只有在这个基础上才能够去谈其功效性，本系统设计焊接机器人也不例外。通常对一个运动系统保护能够分为两个部分，一个是软件保护，一个是机械保护。软件保护关键是经过软件算法，对部分位移极限尺寸进行限制，避免其在不安全区域工作状态。不过一个系统软件设计，不管其做得多完善，总会出现部分意想不到缺点或是在软件运行过程中出现死循环、死机状态，在这种情况下，假如位移单元不能立即制动或进行保护，则可能出现安全事故，造成系统损坏乃至更严重事故。所以，必需设计对应机械硬件保护方法，当出现意外情况时，能够经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，最低要求是不出现机械硬碰撞和机构间冲击，在必需情况下，需要强制切断电源，具体设计将在方案实现部分进行具体介绍。

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，关键考虑环境原因有温度和湿度。温度检测保护除了电机外还有一个关键部分就是主控系统板。因为集成芯片对温度有一定要求，在温度过高情况下，极其轻易烧坏，所以必需在主控板关键部分进行温度检测，达成预定温度阀值后开启风扇进行散热处理，假如温度还是无法控制，则控制系统为了实现自我保护，会强行关机。
湿度检测关键也是针对主控系统板。假如空气中湿度过高，或像在南方梅雨天气时碰到湿度很高时候，假如直接开启系统，可能会因为PCB板上凝结小水滴而引发短路烧坏系统，这种情况尤其在系统开始开启时候需要尤其考虑。所以在主控系统开启之前，必需经过另外一个增设小系统，首先完成对湿度检测，只有检测目前湿度符合系统开启环境以后，才自动接通主控DSP板电源，开启系统。假如检测湿度不符合要求，会打开配置加入风扇，对系统进行低温预热，降低主控系统工作环境湿度后，才开启主控系统。湿度检测系统和主控DSP系统应该是两个独立系统，而且开启次序不许可调换。

4.8接口扩展模块指标分析和方案比较
一个系统设计得是否完善，在很大程度上表现在其对外接口扩展部分，只有其留有一定标准接口模块，在进行多机操作和多机通信时候才能充足发挥一个系统功效。伴随工业规模和电子技术发展，多种子系统增多，势必会要求对子系统之间通信提出更高要求。
现在广泛应用两种串口通信协议有RS-232和RS-485，其中RS-485多用在工业应用场所，进行远距离传输，而RS-232则多用在PC机和其它系统之间短距离传输。伴随目前计算机领域发展，个人PC机应用日益广泛，为了方便焊接机器人调试，编程，升级等工作，决定使用RS-232串口，这么即使在个人单机应用场所也能够很方便进行系统调试等工作。伴随INTERNET技术飞跃发展，互联网技术应用也越来越多，即使现在互联网关键用于网络信息通信，不过伴随技术开发，也将会越来越多应用在工业控制场所，形成一个真正广域网。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。现在常见以太网控制器很多一部分全部是用ISA接口，不过伴随PCI总线发展和应用，已经有逐步替换ISA总线趋势，所以本系统中将使用PCI接口以太网控制器进行标准接口扩展。

4.9 电源管理模块指标分析和方案比较
焊接机器人系统是经典多电压电源系统，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取36V以下低压电源，主控系统使用是5V供电电源。因为强电和弱电在一个系统中共存时，必需充足考虑电源分级管理和隔离管理问题。首先，弧焊电源是应该是专用焊接电源，供电电压时220V交流电源，不过其管理必需经过5V系统进行控制，为了达成隔离和保护功效，最好处理方案应该是进行光电隔离，这么两套系统不管哪一套出现电源故障或烧毁全部不会引发二次事故，尤其是对于弱电系统，因为其对电压敏感性，极其轻易受到强电损坏，所以，必需采取光电隔离。
对于电机驱动使用70V以下电源，一个方案能够使用充电电瓶进行供电，不过考虑到电瓶蓄电容量有限性，及其电瓶本身电压纹波效应，尤其是当电瓶放电达成一定值时，其压降是不可反复出现非线性关系，这么对电机精密伺服控制是极其不易，所以在本系统中不易使用蓄电瓶供电方案。
因为220V市电不仅取电形式方便，而且无须要考虑容量和非线性问题，只需要经过整流、降压、滤波和稳压后就能够方便时候，而且整个供电系统电压和电流值能够经过传感器进行正确监控，从而实时地实现过压过流保护。
因为本系统使用多是在室内，对于雷击问题不用尤其考虑，因为现在通常楼宇建筑全部已近考虑了防雷击设计，即使是因为一些偶然原因出现了雷击现象，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，关键考虑是其功率容量和效率。在本系统设计中，弱电整流部分，功率容量指标为300W。

4.10 焊接指标分析和方案论证
鉴于传感器已选择电弧传感器，利用传感器即为焊枪特点，能够节省成本，只需要在电弧传感器（焊枪）上增加部分装置或进行简单改装即可。而焊接方法层出不穷，焊接方法对应地选择电弧焊。电弧焊是利用电弧作为热源熔焊方法。依据系统要求，焊接方法应确保电弧稳定（电弧焊原理是基于电弧长和弧压近似成正比），理论上应适适用于全部焊缝类型和坡口，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。手工自动焊最大优点是设备简单，应用灵活、方便，适用面广，可焊接多种焊接位置，但通常仅适适用于直缝、环缝及多种比较规则缝焊接，电弧不稳定；埋弧自动焊含有生产率高、焊缝质量好、劳动条件好，焊接速度快等特点，但缺点是适应能力差，只能在水平位置焊接长直焊缝或大直径环焊缝；气体保护焊含有保护效果好、电弧稳定、热量集中，焊接成本低，应用范围广等优点，为减小成本采取二氧化碳保护气体，缺点是产生飞溅，这点对于整个系统影响并不大，所以焊接方法采取二氧化碳气体保护焊。
若具体考虑焊接部分其它设备器材，还需要专用焊接电源及控制装置，送丝装置（通常全部安装在焊枪内部），气体流量调整器和连接电缆和软管等。

5硬件系统方案实现
5.1总控制关键系统实现
主控系统部分采取DSP作为整个系统控制芯片，完成整个系统调整和控制。经过方案比较，决定选择TI企业DSP芯片TMS320F2812。该系列芯片是TI企业推出一款32位定点高速DSP芯片，采取8级指令流水线，单周期32 x 32位MAC功效，最高速度每秒钟可实施1.50亿条指令(150MIPS)，确保了控制和信号处理快速性和实时性。另外TMS320F2812片上还集成了丰富外部资源，包含16路12位ADC，6路PWM输出、3个32位通用定时器、128k16位Flash存贮器、18kRAM存贮器，外围中止扩展模块(PIE)可支持45个外围中止，并含有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%，还有虚拟浮点数学函数库提供支持，能够大大缩短数学运算和控制程序开发周期。TMS320F2812很适适用于电机控制、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，完成传感器信息值解算和电机控制，在信息处理中需要包含到大量浮点型运算，而这也正是DSP控制系统强项所在，经过对比选择，决定使用TI企业TMS320F 2812芯片。

5.2机械传动结构方案实现
依据方案选择比较中，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，得到效果图5-1和图5-2所表示。

图5- 1

图5- 2
图5-2所表示，底层导轨和丝杠完成焊枪在X轴方向移动，该丝杠由步进电机1驱动；上层导轨和丝杠完成焊枪在Y轴方向移动，该丝杠由步进电机2驱动；焊枪在Z轴上移动经过和焊枪刚性连接直线电机完成驱动。带摇杆底盘用于焊接之前对钢板进行初步高度定位，这么在开始寻零时候能够愈加快速，也降低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，决定选择滚珠丝杠作为传动形式。丝杠选择应该遵照图5-3所表示规则。
图5- 3丝杠选择规则
经过对方案比较，决定选择日本THK企业生产滚珠丝杠和直线导轨。
滚珠丝杠是一个高效进给丝杠，其滚珠在丝杠丝杆轴和螺母之间滚动。和传统滑动丝杠相比，本产品驱动扭矩最大仅为其三分之一，极为适适用于节省驱动电机功率。
在选择导轨和丝杠时候，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
每分钟往返次数(max)-------2
极限扭矩------------------------40N.M
配合预压------------------------精密预压
额定寿命------------------------100000h
依据上面提出基础要求进行初步选型，从THK企业产品目录中选择精密滚珠丝杠BNFNL5RRG10100LC5，公称直径为20mm，导程为10mm，长度为1100mm，并选择和之配套直线导轨SHS20LC2QZKKHHC10200LP，其公称直径为20mm，长度为1200mm，丝杠和导轨经过精密预压配合后，行程定位误差为11.6um。滚珠丝杠内部结构图5-4所表示

图5- 4滚珠丝杠内部结构图

设计和安装时使用固定支持型，而且精密预压，以是实现精密位移传动，其基础动态额定负荷，基础静态额定负荷，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企业提供设计软件，对所选定滚珠丝杠进行工作寿命核实。
计算整个滚珠丝杠副寿命，得到结果图5-5所表示

图5- 5
从结果进行分析，能够看出，使用寿命时间达成3.99E05h，充足满足整个系统设计寿命要求，平均负荷也抵达了2100N，足以满足系统使用。
为了实现系统愈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，反馈系统和焊接模块使用电弧式传感器能够同时完成跟踪传感及焊缝功效。电弧传感器工作原理是一致，即在焊接过程中，利用焊枪和工件之间距离改变（即弧长改变）引发焊接参数改变（通常采取电压或电流改变），经由系统处理器运算处理，来获取焊枪高度和左右偏差等信息并对相关机构加以控制。实际上，得益于该类传感器和其它传感器不可比拟技术优势，在弧焊机器人领域已广泛采取各类电弧传感器。

5.3.1 电弧传感器分类及选型
现在电弧传感器在实用中关键有以下多个类型：
　　(1)非扫描双丝（多丝）并列型
该类型利用电弧静态特征，当焊枪不对中时，两电弧高度不一样将反应在电流(电压)差上，从而实现焊缝跟踪。但因为要同时用两个参数相同独立回路电源并列进行坡口焊接，实现上有困难，所以实际使用受到限制。
　　(2)摆动式电弧传感器
摆动式电弧传感器利用机械摆动所产生电弧作为传感介质，受机构限制，扫描频率通常很低（5Hz以下），使得灵敏度较低，只能在低速焊接中应用，同时熔池中液态金属流动和填充也阻碍了焊缝坡口识别。
　　(3)旋转扫描式电弧传感器
旋转电弧传感器基础原理和其它电弧传感器相同，尤其之处于于利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，扫描频率通常在5～50Hz。这种设计能克服摆动式低扫描频率带来问题，灵敏度大为提升，能够工作在高速场所，而且焊缝结果也有所改善。
传统旋转电弧传感器利用外置直流电机经过齿轮传动来驱动偏心机构，从而实现焊丝和电弧旋转，图5-6。这类结构问题在于机械结构尺寸较大，机械振动大，附加质量和转矩不得不考虑，也就影响了和之相关一系列装置选择。考虑到焊枪在竖直方向移动，焊枪尺寸应该小而轻，才能在成本上有所降低，所以应该采取更合理装置。

图5- 6 图5- 7
值得一提是，高速旋转扫描电弧传感器在近几年发展很快，90年代很多世界著名企业生产弧焊机器人全部采取了图5-6所表示这种结构，比如日本NKK企业、德国U.DiHthey企业，图5-10所表示日本松下YA-11KMR51型弧焊机器人即采取这种结构。中国在1993年，清华大学研制成功了一个图5-7所表示空心轴电机驱动旋转扫描传感器，并取得了国家专利。其关键特点在于结构小巧，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发阻力和负载不均匀所带来影响也有所减小，运转可靠性大大提升，并含有较高性价比，图5-11所表示为南昌大学研制采取改善结构弧焊机器人。
因为中国在这方面发展地较慢，采取直流空心轴电机旋转电弧传感器现在在市面上基础没有大量生产销售，国外生产厂家较少，价格较高。但这项技术已取得国家专利，中国几所大学、科研院所及部分厂家享受该专利权，能够订做。基于这种原理若是自己组装，成本不轻易估量，应该在一万元以下。本技术含有十分广泛推广前景，在近几年有良好发展趋势。图5-8所表示为小型空心轴直流电机实际产品。

图5- 8 图5- 9 图5- 10
图5-8示为美国Harmonic Drive企业生产FHA系列空心轴直流电机，其关键特点为采取直流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表示空心轴孔径为11mm，孔径大小能够依据实际情况选择适宜电机。由表格能够得到所需要参数，如：最大转矩，最大转速，最大电流，连续转矩，连续转速，连续工作电压和电流等，均为小功率直流电机。该企业还有很多空心轴直流电机系列产品，适用范围很广。图5-9为某系列参数表。

图5- 11
实际中假如需要自己组装旋转电弧传感器，则需要关键原材料有：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，能够选择厂家或院所订做以确保精度和可靠性。考虑到旋转电弧传感器特点满足系统要求和各项指标，所以本文关键讨论利用该传感器搭建弧焊及焊缝跟踪系统。

5.3.2 旋转电弧传感器结构和工作原理
图5-7是这种高速旋转扫描电弧传感器简单结构示意图，实际内部结构比较复杂，图中仅展示了直流电机部分装置。由图能够看出，传感器采取了空心轴设计，焊丝斜穿过电机空心轴，绕本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。通常焊枪内部已安置送丝轮电机，所以不用考虑。而旋转电弧传感器也能认为是一个特殊焊枪，为周全考虑其工作需求，故在空心轴电机外壳上放置了一个小直流电机用以送丝轮转动。该直流电机所实施功效很简单，所以只需要一个体积小，质量轻，转速低，额定转矩小直流电机，考虑到维护性，该电机工作寿命应该较长，而且其控制电压受系统控制单元控制可调，以实现不一样情况下不一样送丝速度。所以，若是组装旋转电弧传感器，还需要安装送丝轮用直流电机（能够选择小功率无刷直流电机）和下面要提到霍尔元件和光电码盘，综合考虑经济效益，宜选择厂家定制该传感器方法。
电极给焊丝供给焊接电压，焊接过程中和钢板平台间有焊接电流流过。为了预防焊接时电极和外壳导电,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。依据电弧焊接原理，焊接电流和电弧焊过程中弧长成正比，依据焊接电流大小，经过数学运算和比较即可知道焊点位置相关信息。而焊接电流检测装置比较小，通常采取霍尔传感器检测焊丝流过电流，安置在空心轴电机外部。图5-12所表示为霍尔传感器检测电流原理，原边电流I和产生磁感强度B成正比（）；同时I和电弧长度H关系为；在霍尔元件上感应电压经过放大后为U，U和B成正比。依据这些关系能够得出：，所以利用电压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经过，在焊接过程中起到保护作用。光电码盘码道部分、整个偏心机构（包含配重块、调心轴承）和空心轴同轴相连，当电机高速旋转同时也带动着这两个部分一起旋转，而光电码盘光源和光敏器件全部和直流电机外壳固连，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，其内部包含了送丝轮和电流检测装置，引出几根电缆或导线分别接到对应电路。

图5- 12 图5- 13
由以上对传感器内部结构简单介绍能够知道其工作过程：弧焊电源供给焊接电压，送丝轮完成焊丝输送（通常维持速度不变，但也能够改变电压来调整送丝速度），空心轴直流电机高速旋转经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和弧长对应电压信号，将电压信号输出到对应电路对信号进行采样处理。和此同时，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，经处理得到空心轴电机旋转速度，以实现电机旋转速度闭环控制；码盘输出信息和霍尔传感器电压信息经由主控电路DSP运算处理，控制实施机构调整焊枪x、y、z三个方向位置。系统这部分步骤图见图5-14。其中，DSP输出信号和实施机构之间需要利用光电隔离器件隔离强电和弱电信号，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情况，经过数学运算能够得到焊缝内部情况，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- 14
参考相关文件可得：旋转电弧传感器工作频率在5-50 Hz之间，本系统扫描频率为25 Hz。并定下了以下参数：焊枪连续移动速度（无特殊情况下）为25 mm/s，即旋转电弧传感器扫描一圈前进1 mm；相关试验研究可得，旋转电弧传感器焊缝误差为0.1 mm，跟踪误差为0.1 mm。

5.3.3 跟踪和纠偏原理
以跟踪V形坡口焊缝为例,将焊枪中心轴线和工件表面保持垂直，图5-15所表示。焊枪轴线在水平方向上和焊缝坡口对称线偏移距离称为偏差（图中设为e），设焊枪在初始化以后旋转起始位置在前进方向上后侧（此时t=0，图5-15所表示），则电弧长度H可由式(1)求得。由以上分析可知，霍尔元件上感应出和原边电流对应电压经过放大后为U，和电弧长度H满足：，所以利用电压U即可得到弧长H信息。这么就从旋转电弧传感器采集到能反应焊枪偏差信息电压信号。

图5- 15 图5- 16
需要说明是，图5-15和图5-16建立在以下基础之上：因为电弧传感器旋转速度远大于焊枪移动速度，故能够认为在一个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轴和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，电弧长度伴随旋转位置不一样而不一样，反应到霍尔传感器检测电压值改变。为