自动焊缝跟踪系统的设计与实现样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。自动焊缝跟踪系统的设计与实现摘 要: 本文介绍了一种基于旋转电弧传感器的焊接机器人系统。系统采用惯量小, 成本低, 灵活性大的新型十字滑块系统作为机械传动机构; 旋转电弧传感器的位置精度高, 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的传动, 并进行位置伺服。环境预检测系统完成工作环境的检测, 确保系统的安全运行, DSP主控系统完成整个系统的管理和控制, 并设计了包括软件保护, 机械限位保护, 报警保护, 电源管理保护在内的各种保护措施。为了方便系统的维护和升级, 预留了标准的串口和以太网接口, 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12设计要求和需求分析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环境要求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机械结构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机械保护模块的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硬件系统方案的实现95.1总控制核心系统的实现95.2机械传动结构方案的实现105.3反馈系统模块的实现135.3.1 电弧传感器的分类及选型135.3.2 旋转电弧传感器结构与工作原理165.3.3 跟踪与纠偏原理175.4运动控制模块的方案实现195.4.1步进电机的选取195.4.2步进电机驱动器的选取215.4.3直线步进电机的选取225.4.4直线步进电机驱动器的选取235.5 机械保护模块方案实现245.6环境检测系统的实现245.7接口扩展模块的方案实现265.8 电源管理模块方案的实现285.9报警模块的方案实现296软件控制平台的实现306.1传感器的控制算法和模型306.1.1 传感器与系统的初始化306.1.2 传感器的算法分析306.1.3 电弧长度模型与平面拟合算法分析326.2电机驱动的算法347 成本估计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的问题与改进358.2.2 系统与无线传感网络的通信358.2.3 系统的可移植性改进369 心得体会36参考文献: 37附件 分工明细371项目背景焊接是一门材料连接技术, 经过某种物理化学过程使分离的材料产生原子或者分子间的作用力而连接在一起, 随着焊接技术的不断发展, 它在生产中的应用日趋广泛, 到当前为止已经成为一种重要的加工手段。从日常生活用品, 如家用电器、 水暖设备等的生产到飞机、 潜艇、 火箭、 飞船等尖端科技产品都离不开高效率、 现代化的焊接技术, 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的强烈的愿望, 而采用自动控制技术是实现上述的的正确途径。焊缝自动跟踪系统的研究作为焊接领域的一个重要的方面, 为了进行精确的自动焊接, 必须进行焊缝自动跟踪。国外关于焊接实时跟踪控制的研究主要集中在焊接传感器的选择以及控制方法的改进上。1985年保加利亚的D.Lakov提出了用模糊模型来描述弧焊过程的不确定性, 借助于配置的非接触式激光传感器, 用模糊控制推理对示教机器人的运动进行估计、 预测和控制, 实现焊缝的自动跟踪。1989年日本的S.Mursaami等研究了利用电弧传感弧焊机器人焊缝跟踪的模糊控制, 该控制系统根据焊枪的振幅位置同焊丝与工件的距离关系判断焊点的水平和垂直位移, 并在强烈的弧光、 高温、 烟因此下, 采用基于语言规则的模糊滤波器和模糊控制器来设计焊缝跟踪控制系统, 取得了较好的效果。美国Ohio州的Motoman公司推出了一种最高能够在60in_/min(152cm/min)焊接速度下进行焊缝跟踪的电弧传感跟踪系统。中国对焊缝跟踪控制技术的研究起步较晚。80年代末以清华大学潘际銮院士为首的课题组在旋转电弧传感器方面做了大量的研究, 并取得了有价值的成果。1993年清华大学博士廖宝剑在博士生费跃家的研究基础上, 研制成功了一种空心轴电机驱动的旋转扫描传感器, 并获得了国家专利。此后江西大学在此基础上在小型化和减震方面做了深入的研究, 并做了进行一步的改进, 并制造了样机。清华大学吴世德的博士论文较系统的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的频域特征分析, 提出了特征滤波向量的电弧传感的信号处理方法。2设计要求和需求分析众所周知,焊工能够经过眼睛或者工业电视观察焊接熔池来对工件或焊枪进行调整并能达到很高的精度。可是这依赖于焊工个人的经验、 带有主观性、 劳动强度大、 并受烟尘和弧光的影响,也会产生偏差。因此, 很有必要实现焊缝偏差的自动控制。但在实际生产中,由于工件的加工、 安装误差,以及工件的热变形等使得焊接过程是一个复杂的过程, 具有时变、 非线性及干扰因素多等特点: ( 1) 耐强光, 耐热。所设计的跟踪焊接装置应该能够在焊接时产生的强光、 强热环境下正常工作。( 2) 高精度。为了保证焊接零件的加工质量并提高效率, 首先要保证系统的定位精度和加工精度。因此, 在跟踪系统各轴位置控制中要求有高的定位精度, 即在mm的数量级内。而在速度控制中, 要求有高的调速精度、 强的抗负载扰动的能力, 也即要求静态和动态速降尽可能小; ( 3) 快响应。要求系统有良好的快速响应特性, 即要求跟踪指令信号的响应要快, 位置跟踪误差( 位置跟踪精度) 要小; ( 4) 低速大转矩。根据加工特点, 大都是在中低速负重状态下工作, 这样, 既要求在低速时电动机伺服系统有大的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的焊接机器人, 在对整个系统进行设计的时候, 先对其要求的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于正常的焊接运行状态时, 对于控制系统所给的指令, 在达到稳态时, 能够做到无偏差跟踪的能力, 对于阶跃信号和速度信号, 考虑到机械结构的特性, 稳态误差必须控制在0.2%之内, 对于加速度信号, 稳态误差不得小于0.5%3.2系统动态指标系统的动态性能指标, 对于焊接机器人来说, 主要考虑的是整个系统对阶跃输入信号和正弦输入信号的动态响应特性。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, 主要考虑的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的位置精度小于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的系统具有一定的智能性, 其中包括系统自检功能, 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该留有一定的对外接口, 以满足系统在线编程或离线编程, 随着INTERNET技术的发展和物联网技术的发展, 要求系统需要留有特定的接口模块。系统必须具备可升级性, 以满足不同应用场合的重新组装和升级。3.6应用指标整个系统为220V市电系统, 在保证系统正工作的前提下, 功率应尽量减小。控制核心系统部分体积为25x25x25cm, 电源管理部分由于其功耗相对较大, 为了避免其对弱电系统的影响, 对电源部分进行单独包装, 设定为25x25x25cm, 而且配置散热风扇。整个系统的成本在两万元以下。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, 电磁兼容性必须控制在国家标准范围之内, 无强烈的电磁辐射性, 工作时对焊枪的强光部分做简单的屏蔽。系统不具有防水性, 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的装配精度只要是十字滑架的精度要求, 其装配精度必须控制在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所示, 为系统的总设计方案和模块图, 整个系统能够分为9个主要的模块, 系统的工作思路为: 总系统上电, 启动工作环境检测系统, 检测当前主控平台的环境湿度, 和温度, 如果不符合工作环境要求, 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; 环境检测符合要求后, DSP主控系统启动, 先完成自检功能, 如果发现某些模块处于无法就绪状态, 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, 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, 将零位传感器的坐标变换为焊枪的坐标, 此时系统进入到正常工作模式; 用DSP经过PWM控制步进电机, 完成十字滑架的移动, 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, 经过DSP转换为相应的位移信息, 并进行位移量的反馈, 构成整个控制系统的闭环工作模式; 于此同时, 系统配备的各种传感器也处于监视运行状态, 包括机械限位保护, 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的管理和驱动核心, 首先必须有足够的资源余量, 包括内存资源、 系统运行速度和片上中断源。在一般的小型机器人制作中, 如果系统需求的处理能力要求不高, 大多能够考虑使用普通单片机, 比如古老的51系列单片机, 台湾宏晶公司生产的STC系列单片机, atmel系列单片机, 或者飞思卡尔的单片机, 更高一级的能够采用凌阳的16位单片机。采用普通单片机设计的方案, 成本低, 对于小型的处理系统是很合适的, 可是在多需求处理场合, 对运算要求比较高的焊接机器人场合, 就会显得有些力不从心了。在工业系统中, 则更多的喜欢使用工控机配合PLC的系统设计方案, 这样的系统构建比较适合于多机控制场合, 由一个配置PC处理器的工控机, 作为整个系统的上位机单元控制核心, 完成整个系统的配置和管理工作, 而PLC则主要作为执行单元, 完成系统底层的检测, 反馈和执行功能。这样构建的系统, 稳定性好, 能够完成很复杂的功能, 而且系统的处理能力很强, 由于工控机的PC核心一般都能嵌入系统进行管理操作, 因此系统可升级性, 系统可维护性也强, 可是这样构建的系统成本很高, 只适合于一些规模相对较大的工业应用场合, 对于单机单独工作的焊机机器人, 显然是不合适的。在电子和工业产品中, 也有经常使用ARM处理进行系统设计的。ARM处理器由于其功耗小功能强和16位/32位双指令集的支持, 加上几百兆级的运算速度, 使其在电子和工业产品中的应用越来越广泛。其具有很强的事务管理功能, 主要用于嵌入式系统的开发, 跑界面和程序是它的强项, 在信号处理和运算能力上相对较弱。从本系统的需求分析能够知道, 焊缝轨迹的控制和跟踪在很大程度上必须依赖于其对数据的实时处理, 对数据的运算能力要求相对较高, 在成本和性能方面进行折中后, 决定选用DSP的作为主控系统的MCU。4.3机械结构指标分析和方案比较在焊接机器人的设计中, 焊枪移动模块的设计是整个系统设计的一个关键部分, 特别是对其精度的要求比较的高, 因此必须对该部分的设计进行详细的指标分析和方案比较。在现代的焊接机器人中, 使用较多的是臂式传动机构。如图4- 2所示是日本DAIHEN OTC焊接机器人所采用的臂式传动机构。图4- 3日本DAIHEN OTC焊接机器人臂式传动机构实现的焊机机器人灵活性很高, 能够实现多轨迹, 多角度的焊接, 可是由于其自由度的增多, 必然导致其制造工业和制造成本的急剧增加, 而且做自由度旋转臂的控制也极其的复杂, 因此本系统不打算采用这样的结构进行传动部分的设计。在焊接领域和一些机床中, 广泛使用的还用龙门式结构的位移传动机构, 如4-4所示即为最经典的龙门式系统的构成。图4- 5龙门式结构传动系统龙门式结构的传动系统在实现形式上比较容易, 一般是经过三个电机分别控制位移结构的三轴移动, 实现三轴立体面内的位移传动。可是由于其自由度的限制, 导致其对于竖直方向或者倾斜方向的焊缝的焊接无能为力, 因此只能用于特定的立体面内的焊接。从龙门式构架的系统能够看出, 整个移动部分的系统惯量是很大的, 对传动丝杠和电机的负载能力有一定的要求, 对于冲击响应, 经常会出现短时间内的高负载情况, 这样对电机的精确控制还是有一定的影响的, 特别是位移机构超调量和稳定性的控制, 更需要特别的注意。经过对臂式位移机构和龙门架式系统的对比分析, 而且吸收了龙门架式的一些优点, 本系统决定采用十字滑架的形式实现整个系统位移机构的设计。对于该部分的设计, 精度要求是第一位的, 在进行指标确定时, 要求机械定位精度达到0.05mm, 且需要采用特别的方式消除传动的回程差。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须的有关焊缝信息。主控电路的信息主要来自反馈系统( 传感器的反馈信号) , 只有反馈系统的性能指标达到了要求, 经过处理后的信号送到各个模块, 才能保证整个系统的正常运行, 满足系统总体指标。实际系统中, 焊接过程会有强光、 高温、 噪声以及强磁场的干扰, 而且伴有较强的振动, 都影响着传感器的信息收集, 因此所选择的传感器需要有较强的抵抗能力。考虑到焊缝的随机性, 传感器必须具备实时或者超前的跟踪传感能力, 用以控制机械结构的移动, 调整焊枪在下一时刻的走向和位置。在满足以上基本要求的前提下, 应选择检测误差小, 工作寿命长, 价格低廉的传感器产品。综合上述考虑, 对以下几种常见的传感器进行比较分析。(1) 接触式传感器 原理和结构简单, 组装容易, 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的影响, 。但最大的弊端在于精度低, 灵敏度不高, 扫描范围小, 而且由于与工件接触磨损受接头、 材料和速度等的限制。(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, 常见的有涡流传感器, 霍尔传感器, 价格适中, 近年来改进生产的产品精度比较高, 扫描范围较大, 但对于强磁场的干扰并不能有效地抑制。(3) 超声传感器原理是利用发射出的超声波在金属内传播时在界面产生发射制成, 是一种比较先进的焊缝跟踪传感器, 跟踪的实时性好。可是由于传感器要贴近工件, 不可避免地会受到焊接方法和工件尺寸等的严格限制。同时需要考虑外界震动、 传播时间等因素, 对金属表面状况要求也比较高, 应用的范围也就受到限制。 (4) 视觉传感器视觉传感的最大优势在于所提供的信息量丰富, 不但能够跟踪裂缝, 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, 与工件无接触等优点。可是图像处理算法复杂, 处理速度慢, 受强弧光的干扰, 需要利用特殊的光源和滤光元件, 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的器件, 检测点就是焊接点, 保证焊接参数的稳定, 响应快。焊接机头周围不需要装备其它特别的装置, 焊枪的可达性好。电弧本身作为传感器, 同时又完成焊接的任务, 有效减少成本。对弧光、 高温以及强磁场等的抗干扰能力很强, 使用寿命长。最大的问题在于系统的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, 出现了更高效的控制算法和模型和更优质的产品, 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, 这类传感器与电弧是分离的, 传感器的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的问题, 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的核心部件。4.5运动控制模块指标分析和方案比较控制焊枪的位移动作, 能够有多种电机驱动方案。在机械装置的自动控制领域, 特别是高精度位置伺服系统中, 直流电机的应用占有很重要的地位, 这主要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。可是同时, 由于直流电机的结构特征又限制了直流电机的更加广泛应用, 主要缺点体现在换向器上。由于有了换向器, 使得直流电机的造价更高, 换向器维护性差, 寿命短, 同时换向条件进一步限制了直流电机的容量。从本系统的设计要求出发, 希望系统寿命长, 基本免维护, 从而排除了直流电机的驱动方案。交流电机由于没有换向器和电刷, 从而消除了因此而引起的一系列缺点, 电机的维护性得到进一步的提高, 可是由于交流电机的机械特性和调压特性的特点, 使得交流电机的控制显得有些复杂, 在本系统中希望用一种最简单, 而又最容易控制的方案实现位置的伺服, 因而也不考虑使用交流电机。步进电机由于其结构简单, 调试方便, 工作可靠, 易于控制等优点, 使得步进电机得到了进一步广泛的应用。在当前以数字控制为主的控制系统中, 步进电机进一步凸显了其优良的控制特性, 由于步进电机的驱动是经过脉冲进行的, 因此单片机或者是计算机系统输出的脉冲信号, 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, 这样就电机的控制变得简单而且精度也高了。4.6机械保护模块的指标分析和方案比较不论是什么样的系统的设计, 首先比较保证系统的安全性和稳定性, 只有在这个基础上才能够去谈其功能性, 本系统设计的焊接机器人也不例外。一般对一个运动系统的保护能够分为两个部分, 一个是软件保护, 一个是机械保护。软件保护主要是经过软件算法, 对一些位移的极限尺寸进行限制, 避免其在不安全区域的工作状态。可是一个系统的软件设计, 不论其做得多完善, 总会出现一些意想不到的缺陷或者是在软件运行的过程中出现死循环、 死机的状态, 在这种情况下, 如果位移单元不能及时制动或者进行保护, 则可能出现安全事故, 导致系统的损坏乃至更严重的事故。因此, 必须设计相应的机械硬件保护措施, 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, 最低的要求是不出现机械硬碰撞和机构间的冲击, 在必要的情况下, 需要强制切断电源, 具体的设计将在方案实现部分进行详细的介绍。4.7环境检测保护模块指标分析和方案比较在本系统的设计中, 主要考虑的环境因素有温度和湿度。温度检测保护除了电机外还有一个核心部分就是主控系统板。因为集成芯片对温度有一定要求, 在温度过高的情况下, 极其容易烧坏, 因此必须在主控板的核心部分进行温度检测, 达到预定的温度阀值后启动风扇进行散热处理, 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。湿度检测主要也是针对主控系统板的。如果空气中的湿度过高, 或者像在南方梅雨天气时遇到湿度很高的时候, 如果直接启动系统, 可能会由于PCB板上凝结的小水滴而引起短路烧坏系统, 这种情况特别在系统开始启动的时候需要特别的考虑。因此在主控系统启动之前, 必须经过另外一个增设的小系统, 首先完成对湿度的检测, 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板的电源, 启动系统。如果检测湿度不符合要求, 会打开配备的加入风扇, 对系统进行低温预热, 降低主控系统工作环境的湿度后, 才启动主控系统。湿度检测系统和主控DSP系统应该是两个独立的系统, 而且启动顺序不允许调换。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, 在很大程度上体现在其对外的接口扩展部分, 只有其留有一定的标准接口模块, 在进行多机操作和多机通信的时候才能充分发挥一个系统的功能。随着工业规模和电子技术的发展, 各种子系统的增多, 势必会要求对子系统之间的通信提出更高的要求。当前广泛应用的两种串口通信协议有RS-232和RS-485, 其中RS-485多用在工业应用场合, 进行远距离的传输, 而RS-232则多用在PC机和其它系统之间的短距离传输。随着当前计算机领域的发展, 个人PC机的应用日益广泛, 为了方便焊接机器人的调试, 编程, 升级等工作, 决定使用RS-232串口, 这样即使在个人单机的应用场合也能够很方便的进行系统的调试等工作。随着INTERNET技术的飞跃发展, 互联网技术的应用也越来越多, 虽然当前互联网主要用于网络信息的通信, 可是随着技术的开发, 也将会越来越多的应用在工业的控制场合, 形成一个真正的广域网。在本系统的设计中, 考虑到系统的可发展性, 将加入以太网控制器模块。当前常见的以太网控制器很多一部分都是用ISA接口, 可是随着PCI总线的发展和应用, 已经有逐渐取代ISA总线的趋势, 因此本系统中将使用PCI接口的以太网控制器进行标准接口的扩展。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的多电压电源系统, 对于焊枪的供电需要专用的弧焊电源, 而控制十字滑块的电机则采用36V以下的低压电源, 主控系统使用的是5V供电电源。由于强电和弱电在一个系统中共存时, 必须充分的考虑电源的分级管理和隔离管理问题。首先, 弧焊电源是应该是专用的焊接电源, 供电电压时220V的交流电源, 可是其管理必须经过5V系统进行控制, 为了达到隔离和保护的功能, 最好的解决方案应该是进行光电隔离, 这样两套系统不论哪一套出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, 由于其对电压的敏感性, 极其容易受到强电的损坏, 因此, 必须采用光电隔离。对于电机驱动使用的70V以下的电源, 一个方案能够使用充电电瓶进行供电, 可是考虑到电瓶的蓄电容量的有限性, 及其电瓶本身电压的纹波效应, 特别是当电瓶放电达到一定的值时, 其压降是不可重复浮现的非线性关系, 这样对电机的精密伺服控制是极其不易的, 因此在本系统中不易使用蓄电瓶供电方案。由于220V市电不但取电形式方便, 而且不必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的时候, 而且整个供电系统的电压和电流值能够经过传感器进行精确的监控, 从而实时地实现过压过流保护。由于本系统的使用多是在室内的, 对于雷击问题不用特别考虑, 因为现在一般的楼宇建筑都已近考虑了防雷击的设计, 即使是由于某些偶然的原因出现了雷击现象, 对本系统的影响已经转变为过压和过流的保护问题。对于电源管理模块, 主要考虑的是其功率容量和效率。在本系统的设计中, 弱电整流部分, 功率容量指标为300W。4.10 焊接指标分析与方案论证鉴于传感器已选用电弧传感器, 利用传感器即为焊枪的特点, 能够节省成本, 只需要在电弧传感器( 焊枪) 上增加一些装置或进行简单改装即可。而焊接的方法层出不穷, 焊接方法相应地选择电弧焊。电弧焊是利用电弧作为热源的熔焊方法。根据系统的要求, 焊接的方法应确保电弧的稳定( 电弧焊的原理是基于电弧长与弧压近似成正比) , 理论上应适用于所有焊缝类型和坡口, 并使得焊接后的焊缝质量要好。电弧焊可分为手工电弧焊、 埋弧自动焊和气体保护焊三种。手工自动焊的最大优点是设备简单, 应用灵活、 方便, 适用面广, 可焊接各种焊接位置, 但一般仅适用于直缝、 环缝及各种比较规则的缝的焊接, 电弧不稳定; 埋弧自动焊具有生产率高、 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的环焊缝; 气体保护焊具有保护效果好、 电弧稳定、 热量集中, 焊接成本低, 应用范围广等优点, 为减小成本采用二氧化碳保护气体, 缺点是产生飞溅, 这点对于整个系统的影响并不大, 因此焊接方法采用二氧化碳气体保护焊。若详细考虑焊接部分的其它设备器材, 还需要专用的焊接电源及控制装置, 送丝装置( 一般都安装在焊枪内部) , 气体流量调整器和连接电缆和软管等。5硬件系统方案的实现5.1总控制核心系统的实现主控系统部分采用DSP作为整个系统的控制芯片, 完成整个系统的调节和控制。经过方案的比较, 决定选用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。该系列芯片是TI公司推出的一款32位定点高速DSP芯片, 采用8级指令流水线, 单周期32 x 32位MAC功能, 最高速度每秒钟可执行1.50亿条指令(150MIPS), 保证了控制和信号处理的快速性和实时性。另外TMS320F2812片上还集成了丰富的外部资源, 包括16路12位ADC, 6路PWM输出、 3个32位通用定时器、 128k的16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, 并具有McBSP, SPI, SCI和扩展的eCAN总线等接口。TMS320F2812还支持最大1M的外部存贮器扩展。TMS320F2812支持C/C+编程语言, 其C语言优化器的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与控制程序的开发周期。TMS320F2812非常适用于电机控制、 电源设计、 智能传感器设计等应用领域。在本系统设计中, 需要高速的运算速度, 完成传感器信息值的解算和电机的控制, 在信息的处理中需要涉及到大量的浮点型运算, 而这也正是DSP控制系统的强项所在, 经过对比选取, 决定使用TI公司的TMS320F 2812芯片。5.2机械传动结构方案的实现根据方案的选择比较中, 决定使用十字滑架作为整个位移单元的实现方案。使用Rhinoceros软件进行三维建模, 得到的效果如图5-1和图5-2所示。图5- 1图5- 2如图5-2所示, 底层导轨和丝杠完成焊枪在X轴方向的移动, 该丝杠由步进电机1驱动; 上层导轨和丝杠完成焊枪在Y轴方向的移动, 该丝杠由步进电机2驱动; 焊枪在Z轴上的移动经过与焊枪刚性连接的直线电机完成驱动。带摇杆的底盘用于焊接之前对钢板进行初步的高度定位, 这样在开始寻零的时候能够更快速, 也减少了直线电机的位移长度。为了实现丝杠间的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。丝杠的选择应该遵循图5-3所示的规则。图5- 3丝杠选择规则经过对方案的比较, 决定选用日本THK公司生产的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, 极为适合用于节省驱动电机功率。在选择导轨和丝杠的时候, 对其承受的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根据上面提出的基本要求进行初步选型, 从THK公司的产品目录中选取精密滚珠丝杠BNFN L5RRG10100LC5, 公称直径为20mm, 导程为10mm, 长度为1100mm, 并选取与之配套的直线导轨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。滚珠丝杠的内部结构如图5-4所示图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, 以是实现精密的位移传动, 其基本动态额定负荷, 基本静态额定负荷, 钢球的中心径为18mm, 整个摩擦系数为0.05, 负载系数为1.2。使用THK公司提供的设计软件, 对所选定的滚珠丝杠进行工作寿命的核算。计算整个滚珠丝杠副的寿命, 得到结果图5-5所示图5- 5从结果进行分析, 能够看出, 使用寿命时间达到3.99E05h, 充分满足整个系统设计的寿命要求, 平均负荷也到达了2100N, 足以满足系统的使用。为了实现系统的更加精密的位移伺服控制。5.3反馈系统模块的实现由之前的分析论证可知, 反馈系统与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的功能。电弧传感器的工作原理是一致的, 即在焊接过程中, 利用焊枪与工件之间的距离变化( 即弧长的变化) 引起的焊接参数变化( 一般采用电压或电流的变化) , 经由系统的处理器运算处理, 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。事实上, 得益于该类传感器与其它传感器不可比拟的技术优势, 在弧焊机器人领域已广泛采用各类电弧传感器。5.3.1 电弧传感器的分类及选型当前电弧传感器在实用中主要有以下几种类型: (1)非扫描双丝( 多丝) 并列型 该类型利用电弧的静态特性, 当焊枪不对中时, 两电弧的高度不同将反映在电流(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的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 摆动式电弧传感器利用机械摆动所产生电弧作为传感介质, 受机构的限制, 扫描频率一般很低( 5Hz以下) , 使得灵敏度较低, 只能在低速焊接中应用, 同时熔池中的液态金属的流动和填充也阻碍了焊缝坡口的识别。(3)旋转扫描式电弧传感器 旋转电弧传感器的基本原理与其它电弧传感器相同, 特别之处在于利用直流电动机驱动偏心机构使得焊丝和电弧旋转, 从而实现电弧的高速扫描, 扫描频率一般在550Hz。这种设计能克服摆动式的低扫描频率带来的问题, 灵敏度大为提高, 能够工作在高速场合, 而且焊缝结果也有所改进。传统的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, 从而实现焊丝与电弧的旋转, 如图5-6。这类结构的问题在于机械结构尺寸较大, 机械振动大, 附加的质量和转矩不得不考虑, 也就影响了与之相关的一系列装置的选择。考虑到焊枪在竖直方向的移动, 焊枪尺寸应该小而轻, 才能在成本上有所减少, 因此应该采用更合理的装置。 图5- 6 图5- 7值得一提的是, 高速旋转扫描电弧传感器在近几年发展很快, 90年代许多世界著名公司生产的弧焊机器人都采用了图5-6所示的这种结构, 比如日本NKK公司、 德国的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结构。中国在1993年, 清华大学研制成功了一种图5-7所示的空心轴电机驱动的旋转扫描传感器, 并获得了国家专利。其主要特点在于结构小巧, 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起的阻力和负载不均匀所带来的影响也有所减小, 运转可靠性大大提高, 并具有较高的性价比, 图5-11所示为南昌大学研制的采用改进结构的弧焊机器人。由于中国在这方面发展地较慢, 采用直流空心轴电机的旋转电弧传感器当前在市面上基本没有大量生产销售, 国外的生产厂家较少, 价格较高。但这项技术已获得国家专利, 国内几所大学、 科研院所及部分厂家享有该专利权, 能够订做。基于这种原理若是自己组装, 成本不容易估计, 应该在一万元以下。本技术具有十分广泛的推广前景, 在近几年有良好的发展趋势。如图5-8所示为小型空心轴直流电机的实际产品。 图5- 8 图5- 9 图5- 10图5-8示为美国的Harmonic Drive公司生产的FHA系列的空心轴直流电机, 其主要特点为采用直流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表示空心轴孔径为11mm, 孔径大小能够根据实际情况选择合适的电机。由表格能够得到所需要的参数, 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。该公司还有许多空心轴直流电机系列的产品, 适用范围很广。图5-9为某系列的参数表。图5- 11实际中如果需要自己组装旋转电弧传感器, 则需要的主要原材料有: 气焊用焊枪, 空心轴直流电机, 焊接电源等, 但组装后的器件调试过程比较复杂, 能够选择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的特点满足系统的要求和各项指标, 因此本文主要讨论利用该传感器搭建的弧焊及焊缝跟踪系统。 5.3.2 旋转电弧传感器结构与工作原理 图5-7是这种高速旋转扫描电弧传感器的简单结构示意图, 实际的内部构造比较复杂, 图中仅展示了直流电机部分的装置。由图能够看出, 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的旋转摆动。在空心轴上端, 安装送丝轮送入焊丝, 送丝轮的电机外置在直流电机外壳。一般的焊枪内部已安置送丝轮的电机, 因此不用考虑。而旋转电弧传感器也能认为是一种特殊的焊枪, 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的直流电机用以送丝轮的转动。该直流电机所执行的功能很简单, 因此只需要一个体积小, 质量轻, 转速低, 额定转矩小的直流电机, 考虑到维护性, 该电机的工作寿命应该较长, 而且其控制电压受系统控制单元控制可调, 以实现不同情况下的不同送丝速度。因此, 若是组装旋转电弧传感器, 还需要安装送丝轮用的直流电机( 能够选择小功率无刷直流电机) 和下面要提到的霍尔元件与光电码盘, 综合考虑经济效益, 宜选择厂家定制该传感器的方式。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。根据电弧焊接原理, 焊接电流与电弧焊过程中的弧长成正比, 根据焊接电流的大小, 经过数学运算与比较即可知道焊点位置的相关信息。而焊接电流的检测装置比较小, 一般采用霍尔传感器检测焊丝流过的电流, 安置在空心轴电机外部。图5-12所示为霍尔传感器检测电流的原理, 原边电流I与产生的磁感强度B成正比( ) ; 同时I与电弧长度H关系为; 在霍尔元件上感应的电压经过放大后为U, U与B成正比。根据这些关系能够得出: , 因此利用电压U即可得到弧长H的信息。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的作用。光电码盘的码道部分、 整个偏心机构( 包括配重块、