材料成型設(shè)備焊接設(shè)備與鑄造設(shè)備計(jì)算機(jī)控制

材料成型設(shè)備焊接設(shè)備與鑄造設(shè)備計(jì)算機(jī)控制第1頁(yè)/共172頁(yè)

第七章焊接與鑄造設(shè)備及其計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

本章主要對(duì)焊接設(shè)備中弧焊電源、焊接機(jī)器人和差壓鑄造加以論述，在此基礎(chǔ)上著重介紹計(jì)算機(jī)控制弧焊電源、數(shù)字化電源，管道專(zhuān)用焊接機(jī)器人和差壓鑄造設(shè)備計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。第2頁(yè)/共172頁(yè)7.1弧焊電源

本世紀(jì)20年代人們將電弧用于金屬焊接以來(lái)，弧焊電源的發(fā)展大致經(jīng)歷了交流弧焊變壓器、直流弧焊發(fā)電機(jī)、整流弧焊電源和逆變弧焊電源等幾個(gè)階段。這些階段雖然在時(shí)間上有交叉，但各個(gè)階段都有其鮮明的技術(shù)特征。交流弧焊變壓器是最早采用的弧焊電源之一。它通過(guò)變壓器將電網(wǎng)電壓降至適合弧焊的電壓，直接用于電弧焊。這種弧焊電源的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造、易于維修、價(jià)格低廉。它的局限性是：電弧不穩(wěn)定、體積大、浪費(fèi)材料，功耗大。交流弧焊變壓器目前仍應(yīng)用廣泛，運(yùn)用于手工弧焊、埋弧焊和鎢極氬弧焊等。直流弧焊發(fā)電機(jī)也是應(yīng)用較早的弧焊電源，它通過(guò)直流發(fā)電機(jī)以直流電的形式為電弧提供能量。這種弧焊電源耗能多、費(fèi)材料、體積大、噪聲大、難于維修、制造復(fù)雜，動(dòng)態(tài)特性不好。直流弧焊發(fā)電機(jī)雖然在歷史上起過(guò)重要的作用，但目前已處在被淘汰之列。目前只有少量以柴油(汽油)機(jī)為原動(dòng)機(jī)的直流弧焊發(fā)電機(jī)用于邊遠(yuǎn)少電的地區(qū)。整流弧焊電源是出現(xiàn)于本世紀(jì)40年代，它將電網(wǎng)電壓無(wú)經(jīng)過(guò)變壓器降至適合電弧焊的電壓，然后經(jīng)過(guò)整流器將交流整流成直流，并為電弧提供能量進(jìn)行焊接，這類(lèi)弧焊電源的特點(diǎn)是易于制造、易于維修、節(jié)省材料、效率較高，控制特性較好、噪聲小。特別是大功率的晶闡管(SCR)的出現(xiàn)和引入，晶闡管整流弧焊電源由于具有良好的可控性和動(dòng)態(tài)特性，立即在直流弧焊電源中脫穎而出。這類(lèi)弧焊電源在各國(guó)都有重要地位，我國(guó)也正在推廣和普及。整流弧焊電源雖然具有這些優(yōu)點(diǎn)，但是它仍然工作在工頻，不論在材料消耗、電能損耗、體積、重量等都有待于提高和改進(jìn)。第3頁(yè)/共172頁(yè)

逆變弧焊電源是隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，隨著大功率、可控、快速開(kāi)關(guān)器件的出現(xiàn)而出現(xiàn)的。它的工作原理是先將電網(wǎng)電壓整流成直流，然后逆變成中頻或高頻交流電，通過(guò)中頻(高頻)變壓器，獲得適合電弧焊的電壓，在此之后有三種選擇：一是直接提供交流弧焊所需的能量；二是再經(jīng)過(guò)整流，將中頻(高頻)交流變?yōu)橹绷?，提供直流焊所需的能量；三是?jīng)過(guò)整流后再逆變成方波交流用于焊接。逆變弧焊電源具有良好的性能：工作頻率高，銅、鐵損耗大大減少，體積、重量顯著下降，功率因數(shù)高(可達(dá)99%)，效率高(可達(dá)80%-90%），控制特性大為改善，因此逆變弧焊電源將成為弧焊電源發(fā)展的趨勢(shì)。在其出現(xiàn)后的短短十幾年內(nèi)，已成為工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的主導(dǎo)弧焊電源產(chǎn)品．本節(jié)主要以應(yīng)用比較普遍的弧焊整流器為例，對(duì)弧焊電源組成、主電路構(gòu)成、觸發(fā)電路特點(diǎn)和外特性的控制原理分別加以敘述,使讀者對(duì)弧焊電源模擬控制有基本了解，在第八章將對(duì)弧焊電源計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及數(shù)字化加以介紹，使讀者對(duì)弧焊電源整體有全面了解。第4頁(yè)/共172頁(yè)7.1.1弧焊電源的分類(lèi)、特點(diǎn)和用途

（1）弧焊變壓器它把網(wǎng)路電壓的交流電變成適宜于弧焊的低壓交流電，由主變壓器及所需的調(diào)節(jié)部分和指示裝置等組成。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易造易修、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但其電流波形為正弦波，電弧穩(wěn)定性較差、功率因數(shù)低，一般應(yīng)用于手弧焊、埋弧焊和鎢極氬弧焊等方法。（2）矩形波交流弧焊電源它采用半導(dǎo)體控制技術(shù)來(lái)獲得矩形波交流電流，其電弧穩(wěn)定性好，可調(diào)參數(shù)多，功率因數(shù)高。它除了用于交流鎢極氬弧焊（TIG）外，還可用于埋弧焊，甚至可代替直流弧焊電源用于堿性焊條手弧焊。（3）直流弧焊發(fā)電機(jī)一般由特種直流發(fā)電機(jī)和獲得所需外特性的調(diào)節(jié)裝置等組成。它的缺點(diǎn)空載損耗較大、效率低、噪聲大、造價(jià)高、維修難；優(yōu)點(diǎn)是過(guò)載能力強(qiáng)、輸出脈動(dòng)小、可用作各種弧焊方法的電源，也可由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)用于沒(méi)有電源的野外施工。（4）弧焊逆變器它把單相（或三相）交流電經(jīng)整流后，由逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)閹装僦翈兹f(wàn)赫茲的中頻交流電，經(jīng)降壓后輸出交流或直流電。整個(gè)過(guò)程由電子電路控制，使電源具有符合需要的外特性和動(dòng)特性。它具有高效節(jié)電、質(zhì)量輕、體積小、功率因數(shù)高、焊接性能好等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于各種弧焊方法，是一種最有發(fā)展前途的普及型弧焊電源。（5）脈沖弧焊電源焊接電流以低頻調(diào)制脈沖方式饋送，一般是由普通的弧焊電源與脈沖發(fā)生電路組成，也有其他結(jié)構(gòu)形式。它具有效率高、輸入線能量較小、可在較寬范圍內(nèi)控制線能量等優(yōu)點(diǎn)。這種弧焊電源用于對(duì)熱輸人量比較敏感的高合金材料、薄板和全位置焊接，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。（6）弧焊整流器它是把交流電經(jīng)降壓整流后獲得直流電的，它由主變壓器、半導(dǎo)體整流元件以及獲得所需外特性的調(diào)節(jié)裝置等組成。與直流弧焊發(fā)電機(jī)比較，它具有制造方便、價(jià)格低、空載損耗小、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，而且大多數(shù)可以遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)，能自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓、電流的影響。它可用作各種弧焊方法的電源。第5頁(yè)/共172頁(yè)7.1.2弧焊電源外特性的種類(lèi)

從電弧焊接工藝的要求出發(fā)，目前已研制出具有各種各樣外特性形狀的弧焊電源。（1）垂直下降（恒流）特性垂直下降特性也叫恒流特性。其特點(diǎn)是，在工作部分當(dāng)輸出電壓變化時(shí)輸出電流幾乎不變，見(jiàn)圖7-1。（2）緩降特性其特點(diǎn)是當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，輸出電流變化較恒流特性的大。其中一種按接近于1／4橢圓的規(guī)律變化，另一種緩降特性的形狀接近于一斜線，見(jiàn)圖7-1。（3）恒流帶外拖特性其特點(diǎn)是在其工作部分的恒流段，輸出電流基本上不隨輸出電壓變化。但在輸出電壓下降至低于一定值（外拖拐點(diǎn)）之后，外特性轉(zhuǎn)折為緩降的外拖段，隨著電壓的降低輸出電流將有較大的增加，而且外拖拐點(diǎn)和外拖斜率往往可以調(diào)節(jié)，還有其他形式的外拖特性，見(jiàn)圖7-1。（4）平特性平特性有兩種：一種是在運(yùn)行范圍內(nèi)，隨著電流增大，電弧電壓接近于恒定不變（又稱(chēng)恒壓特性）或稍有下降，電壓下降率應(yīng)小于7V／100A。另一種是在運(yùn)行范圍內(nèi)隨著電流增大，電壓稍有增高（有時(shí)稱(chēng)上升特性），電壓上升率應(yīng)小于10V／100A，見(jiàn)圖7-1。（5）下降特性這種外特性的特點(diǎn)是，當(dāng)輸出電流在運(yùn)行范圍內(nèi)增加時(shí)，其輸出電壓隨著急劇下降。在其工作部分每增加100A電流，其電壓下降一般應(yīng)大于7V。根據(jù)斜率的不同有可分為垂直下降（恒流）特性、緩降特性和恒流外拖特性等，見(jiàn)圖7-1。第6頁(yè)/共172頁(yè)7.1.3弧焊電源調(diào)節(jié)特性與動(dòng)特性

電弧電壓和電流是由電弧靜特性和弧焊電源外特性曲線相交的一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)決定的。為了獲得一定范圍的焊接電流和電壓，弧焊電源的外特性必須可以均勻調(diào)節(jié)。下降特性電源的可調(diào)參數(shù)為輸出電流的大小，電弧電壓由弧長(zhǎng)決定，見(jiàn)圖7-2所示。平特性電源的可調(diào)參數(shù)為工作電壓，見(jiàn)圖7-3所示。圖中負(fù)載特性指包括輸出回路電纜壓降在內(nèi)的電源的工作電壓和圖7-2下降外特性電源的可調(diào)參數(shù)工作電流的關(guān)系。所謂弧焊電源的動(dòng)特性是指電弧負(fù)載狀態(tài)發(fā)生突然變化時(shí)，弧焊電源輸出電壓與電流的過(guò)程，可以用弧焊電源的輸出電流和電壓對(duì)時(shí)間的關(guān)系，即u=f（t），I=f（t）來(lái)表示。它說(shuō)明弧焊電源對(duì)負(fù)載瞬態(tài)變化的適應(yīng)能力。動(dòng)特性指標(biāo)有空載到短路的瞬時(shí)短路電流峰值、負(fù)載到短路的瞬時(shí)電流上升率和短路峰值、短路到空載的電壓建立時(shí)間等。動(dòng)特性是弧焊電源的重要性能，它影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定性?，F(xiàn)代弧焊電源通過(guò)控制電路來(lái)改善電源的動(dòng)特性。同時(shí)弧焊電源動(dòng)特性也影響焊接過(guò)程控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。第7頁(yè)/共172頁(yè)圖7-1各種常見(jiàn)的弧焊電源外特性第8頁(yè)/共172頁(yè)圖7-2下降外特性電源的可調(diào)參數(shù)

圖7-3平外特性電源的可調(diào)參數(shù)第9頁(yè)/共172頁(yè)7.1.4晶閘管式弧焊整流器

1.晶閘管弧焊整流器的組成一般晶閘管弧焊整流器的組成如圖7-4所示。主電路由主變壓器T、晶閘管整流器UR和輸出電感L組成。AT為晶閘管的觸發(fā)電路。當(dāng)要求得到下降外特性時(shí)，觸發(fā)脈沖的相位由給定電壓和電流反饋信號(hào)確定；當(dāng)要求得到平外特性時(shí)，觸發(fā)脈沖相位則由給定電壓和電壓反饋信號(hào)確定。此外，還有操縱、保護(hù)電路CB。

2.晶閘管式弧焊整流器的主要特點(diǎn)（1）動(dòng)特性好它與弧焊發(fā)電機(jī)和磁放大器式弧焊整流器相比，內(nèi)部電感要小得多，具有電磁慣性小、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)。在其用作平特性電源時(shí)，可以滿足所需的短路電流增長(zhǎng)速度；而當(dāng)用作下降外特性電源時(shí)，不致有過(guò)大的短路電流沖擊。且在必要時(shí)可以對(duì)其動(dòng)特性指標(biāo)（例如、等）加以控制和調(diào)節(jié)。

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（2）控制性能好由于它可以用很小的觸發(fā)功率來(lái)控制整流器的輸出，并具有電磁慣性小的特點(diǎn)，因而易于控制。通過(guò)不同的反饋方式可以獲得所需的各種外特性形狀。電流、電壓可在寬廣的范圍內(nèi)均勻、精確、快速地調(diào)節(jié)。并且易于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓補(bǔ)償。因此，這種整流器可用作弧焊機(jī)器人的配套電源。（3）節(jié)能與弧焊發(fā)電機(jī)相比，它沒(méi)有機(jī)械損耗，而且其空載電壓可以較低，其效率、功率因數(shù)較高，輸入功率較小，因而可節(jié)約電能。（4）省料與弧焊發(fā)電機(jī)相比，它無(wú)原動(dòng)機(jī)。與磁放大器式硅弧焊整流器相比，它沒(méi)有磁放大器。因而可以節(jié)省材料，減輕重量。（5）噪聲小與弧焊發(fā)電機(jī)相比因其無(wú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部分，噪聲明顯減小。（6）電路較復(fù)雜除主電路之外，還有觸發(fā)電路，使用的電子元器件較多。因而，乖器件的質(zhì)量、組裝的水平等對(duì)電源使用的可靠性有很大影響；同時(shí)，這種電源對(duì)調(diào)試積維修的技術(shù)水平要求也較高。第11頁(yè)/共172頁(yè)

圖7-4晶閘管弧焊整流器的組成第12頁(yè)/共172頁(yè)圖7-5六相半波整流器第13頁(yè)/共172頁(yè)3.六相半波整流電路弧焊整流器必須提供低電壓、大電流，具有一定形狀的外特性，輸出的電流或電壓值要有較寬的調(diào)節(jié)范圍，波形應(yīng)連續(xù)，且脈動(dòng)要小。主電路主要有三相橋式半控、三相橋式全控、六相可控半波和帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路四種，現(xiàn)主要以六相可控半波整流電路為例加以說(shuō)明，基本電路見(jiàn)圖7-5，圖中T為三相變壓器，鐵心有三個(gè)心柱，每個(gè)心柱上各有一相的一個(gè)一次繞組和兩個(gè)二次繞組（分別為a、-a、b、-b和c、-c）。聯(lián)接二次繞組時(shí)，將每相的一個(gè)繞組的同名端，和每相的另一繞組的非同名端接在一起構(gòu)成星形。這樣可以輸出互差60o的六相電壓，其相位關(guān)系見(jiàn)圖7-6。每個(gè)二次繞組各串聯(lián)一晶閘管，六個(gè)晶閘管接成共陰極形式。在陰極和變壓器中點(diǎn)O之間聯(lián)接負(fù)載。第14頁(yè)/共172頁(yè)圖7-6六相電壓矢量圖第15頁(yè)/共172頁(yè)（1）電阻性負(fù)載這時(shí)應(yīng)將圖7-5中的輸出電抗器L短路，只讓電阻Rfz接入電路。半波整流電路與前述橋式整流電路不同，任何時(shí)候只要有一只晶閘管導(dǎo)通，即可將這一相的電壓接到負(fù)載兩端。負(fù)載上承受的是相電壓（忽略了管壓降）。因此要從相電壓波形中求得負(fù)載壓波形。圖7-7a中虛線所示為六相相電壓波形。若將圖7-5中的晶閘管換成二極管，則任何時(shí)侯總是由相電壓最高的二極管導(dǎo)電。而其余五只管子，則由于陽(yáng)極與陰極之間承受反壓而不通電。因此在圖7-7a中，過(guò)了是最高，由管1導(dǎo)電，。過(guò)了則是最高，經(jīng)過(guò)換相由管2代替管1導(dǎo)電，。依此類(lèi)推，隨著相電壓此起彼伏，六只管子自然地在六只管子導(dǎo)電順序見(jiàn)圖7-7b。的波形即為相電壓的包絡(luò)線，如圖7-7a中粗黑線所示。若象圖7-5中那樣，六只管子是晶閘管，而又在各自然換相點(diǎn)依次將其觸發(fā)，則的波形不變?nèi)允窃摪j(luò)線。這就是當(dāng)控制角為零的情況，每周有六個(gè)波峰。第16頁(yè)/共172頁(yè)圖7-7α為零度時(shí)六相半波可控整流波形a）波形

波形a）b）晶閘管導(dǎo)電順序第17頁(yè)/共172頁(yè)圖7-8α=60o時(shí)三相半波可控整流波形

圖7-9α=90o六相半波可控整流電路a）波形b）波形

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當(dāng)α=60o時(shí)，波形如圖7-8所示。由圖可知，α=60o為臨界值，α繼續(xù)增大，則波形和波形將出現(xiàn)不連續(xù)；隨α增大，負(fù)載電壓平均值減小，當(dāng)α=120o時(shí) =0，即要求移相范圍為120o。

（2）電阻電感性負(fù)載將圖7-5中L接入電路，它與串聯(lián)為電阻電感性負(fù)載。接入電感后，即使不連續(xù)，波形也可以較平穩(wěn)。電感值愈大，波形愈平。當(dāng)相電壓為負(fù)時(shí)，電感電動(dòng)勢(shì)仍可維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。圖7-9中粗黑線所示為α=90o時(shí)的波形，這時(shí)負(fù)載電壓平均值為零，即該整流電路要求的移相范圍為90o。與α的關(guān)系為

六相半波可控整流電路與三相橋式全控整流電路一樣，都要用六只晶閘管，整流波形也相似每周都有六個(gè)波峰。前者觸發(fā)電路較簡(jiǎn)單，但每管在一周內(nèi)最多只導(dǎo)電60o（后者為120o），一管導(dǎo)電時(shí)其它管子都休止，因而變壓器和管子的利用率較低。

＝1.35cosα第19頁(yè)/共172頁(yè)4.晶體管觸發(fā)電路

（2）同步電壓為正弦波的觸發(fā)電路圖7-10是ZDK－500型晶閘管式弧焊整流器的觸發(fā)電路。ZDK－500型整流器的主電路是共陰極的帶平衡電抗器雙反星形形式，用六套觸發(fā)電路分別觸發(fā)六個(gè)晶閘管，圖7-10中只畫(huà)出其中的一套。

圖7-10同步電壓為正弦波的晶體管觸發(fā)電路第20頁(yè)/共172頁(yè)圖7-11同步電壓為正弦波的晶體管觸發(fā)電路的電壓波形圖a)輸出電壓波形b）V1集電極電壓波形b)V2基極電壓波形d）V3基極電壓波形e）觸發(fā)脈沖波形第21頁(yè)/共172頁(yè)1）觸發(fā)脈沖的形成圖中共有三級(jí)晶體管電路，構(gòu)成第一級(jí)工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)； 構(gòu)成第二級(jí)為射隨器，起隔離作用；構(gòu)成第三級(jí)，起功翠放大作用。TI為輸出觸發(fā)脈沖的脈沖變壓器。為觸發(fā)電路的直流電源電壓。輸入電壓由直流控制電壓和同步電壓相加產(chǎn)生。電路的波形圖見(jiàn)圖7-11。圖7-11a為輸入電壓波形，設(shè)為某一定正值電壓，與正弦同步電壓相加即得到輸入電壓波形。圖7-11b為集電極電壓波形，0～時(shí)間內(nèi)輸入電壓為正，處于截止，；～時(shí)間內(nèi)輸人電壓為負(fù)，處于飽和=0.3V如此輸入電壓隨同步電壓交變而正負(fù)交替，不斷截止和，為矩形波。經(jīng)和構(gòu)成的微分電路之后，加給基極的電壓如圖7-11c所示為正、負(fù)脈沖。由射隨器輸出給基極的是負(fù)脈沖，如圖7-11d所示。在此負(fù)脈沖作用時(shí)瞬時(shí)導(dǎo)通，有脈沖電流經(jīng)脈沖變壓器初級(jí)繞組，使其有觸發(fā)脈沖產(chǎn)生（見(jiàn)圖7-11e所示）。、構(gòu)成加速電路以改善脈沖波形。 用以保護(hù),因?yàn)楫?dāng)突然截止時(shí)，TI初級(jí)繞組感應(yīng)出較大 電動(dòng)勢(shì)與相加作用于集射極間，易將其擊穿。接上可使這時(shí)的TI的電流經(jīng)它流通，不會(huì)驟減，從而使自感電動(dòng)勢(shì)值不超過(guò)二極管的正向壓降。用以抑制的穿透電流，使截止可靠。第22頁(yè)/共172頁(yè)2）脈沖的移相

由圖7-11可知，觸發(fā)脈沖uM總是出現(xiàn)在V1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟臅r(shí)刻，此時(shí)正值輸入電壓上升沿與的交點(diǎn)（見(jiàn)圖7-11a）。因此只要改變值，即可改變交點(diǎn)位置，從而實(shí)現(xiàn)脈沖移相。令增大，則觸發(fā)脈沖提前；令減小，則后移，在士（同步電壓的幅值）范圍內(nèi)變化，則可令觸發(fā)脈沖移相180o。不過(guò)為使與α之間有近于直線的關(guān)系，只應(yīng)令上述交點(diǎn)在輸入電壓上升沿的中間區(qū)段內(nèi)變化。對(duì)于弧焊整流器，只要求α在0o～90o范圍內(nèi)變化。適當(dāng)選擇與晶閘管電源電壓之間的相位差，即可令觸發(fā)脈沖移相范圍剛好落在輸入電壓的近似線性區(qū)。圖7-12所示為比對(duì)應(yīng)的晶閘管陽(yáng)極電壓滯后90o的情況。的30o處為自然換相點(diǎn)，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)于α=0o。α=0o～90o，是的90o～120o范圍對(duì)應(yīng)的與輸入電壓交點(diǎn)區(qū)如黑粗線所示.這線段線性度好，所以，這種方案是可取的。

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圖7-12觸發(fā)脈沖移相范圍及

圖7-13變壓器接線電源電壓的相位關(guān)系第24頁(yè)/共172頁(yè)

3）同步電壓的產(chǎn)生如何實(shí)現(xiàn)比對(duì)應(yīng)相晶閘管的陽(yáng)極電壓滯后90o呢？在ZDK-500型弧焊整流器中是靠主變壓器和同步變壓器三相繞組接法的適當(dāng)搭配。如圖7-13所示。主變壓器為 接法，同步變壓器為接法。相應(yīng)的電壓矢量圖7-14所示。電網(wǎng)的線電壓（即主變壓器一次繞組的電壓）為，相電壓為。主變壓器正極性組二次相電壓分別與同相，而反極性組二次相電壓分別與其反相。同步變壓器一次繞組電壓為電網(wǎng)相電壓，故正極性組二次相電壓分別與同相；而反極性組分別與其反相。圖7-10是a相晶閘管的觸發(fā)電路。的陽(yáng)極電 壓為，應(yīng)以比其滯后90o的為同步電壓，同理陽(yáng)極 電壓為的晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)以為同步電壓，如此可將陽(yáng)極電壓及對(duì)應(yīng)的同步電壓列出如下表：

第25頁(yè)/共172頁(yè)圖7-14電壓矢量圖陽(yáng)極電壓同步電壓表7-1陽(yáng)極電壓及對(duì)應(yīng)的同步電壓第26頁(yè)/共172頁(yè)

圖7-15晶閘管弧焊整流器閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖第27頁(yè)/共172頁(yè)（1）閉環(huán)控制基本原理圖7-15是晶閘管弧焊整流器閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖。圖中有電壓負(fù)反饋，輸出電壓經(jīng)電壓采樣環(huán)節(jié)（常用電位器分壓）得到與其成正比的反饋量。還有電流負(fù)反饋，輸出電流經(jīng)電流采樣環(huán)節(jié)（常用分流器）得到與其成正比的反饋量。和又分別與給定量、比較及放大，而各自輸出和。最后，經(jīng)綜合、放大得到控制電壓再輸入觸發(fā)電路，以控制觸發(fā)脈沖的相位。因此有：［＋］＝（7-1）式中、為放大環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)。一般值是較大的，所以有只有零點(diǎn)幾伏至幾伏，

＋≈0（7-2）第28頁(yè)/共172頁(yè)

現(xiàn)在可以分幾種情況來(lái)分別討論：

1）只用電壓負(fù)反饋根據(jù)式（7-2）得到：式中m為分壓比，是常數(shù)?？梢?jiàn)取決于。一經(jīng)給定不變，則整流器輸出電壓也不變。用電弧電壓負(fù)反饋時(shí)可得到恒壓外特性，如圖7-16中線1所示。其自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程如下：由于

當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電流增大引起減小時(shí)，由于不變而使增大，進(jìn)而使觸發(fā)脈沖提前、晶閘管導(dǎo)通角增大，所以 得以增大，反之亦反。≈0即≈（7-3）＝第29頁(yè)/共172頁(yè)2）只用電流負(fù)反饋根據(jù)式（7-2）則有：即

式中n是分流比，為常數(shù)。根據(jù)式（7-4），一經(jīng)確定，即不變，在理想的情況下可得恒流外特性。但實(shí)際上，若放大倍數(shù)取得太大，系統(tǒng)將易產(chǎn)生振蕩，所以不能將其取得太大，因而只能得到較為陡降的外特性，如圖7-16中線2所示?！?≈（7-4）第30頁(yè)/共172頁(yè)圖7-16閉用環(huán)控制所獲得的外特性第31頁(yè)/共172頁(yè)4）復(fù)合負(fù)反饋可分為兩種情況：同時(shí)采用電壓、電流負(fù)反饋，根據(jù)式（7-2），當(dāng)、一定時(shí)可得：由式可知，所得到的外特性是斜降的，見(jiàn)圖7-16中的線4。改變n/m或值可改變外特性下降的斜率。按電壓大小采用反饋，當(dāng)電壓大于一定值時(shí)只用電流負(fù)反饋；當(dāng)電壓小于此值時(shí)，同時(shí)采用電流負(fù)反饋和電壓負(fù)反饋，分別根據(jù)式（7-4）和式（7-5），可得如圖7-16中線5所示陡降而在低壓段帶外拖的外特性。

（7-5）第32頁(yè)/共172頁(yè)圖7-17平外特性控制原理圖第33頁(yè)/共172頁(yè)(2)平外特性的控制電路圖7-17所示是一例用于三相橋式全控CO2氣保護(hù)焊整流器的閉環(huán)控制電路。為比例加法器，其輸入信號(hào)之一為給定電壓，它由調(diào)節(jié)并經(jīng)跟隨器隔離后得到；另一個(gè)輸入信號(hào)是將電弧電壓，經(jīng)差動(dòng)放大而形成的電弧電壓反饋量。顯然，的輸出量為：式中為的放大倍數(shù)。為反相器，它輸出—?？蓪ⅰ垒斀o觸路，用以控制觸發(fā)脈沖的相位，從而實(shí)現(xiàn)電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制，獲得平的外特性。和等構(gòu)成過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)。將主回路分流器RS兩端的電流信號(hào)放大為電流量。 構(gòu)成斯密特電壓比較器將，與限定量進(jìn)行比較。當(dāng)電流末超過(guò)允許值時(shí)，輸出正電壓，使飽和，電流反饋不起作用，同時(shí)截止，因而可正常輸人到。一旦電流超允許值，則翻轉(zhuǎn)輸出負(fù)電壓。一方面使飽和，致使 不能輸入；=—＋（）（7-6）第34頁(yè)/共172頁(yè)圖7-18獲得陡降外特性的控制電路第35頁(yè)/共172頁(yè)同時(shí)使截止，從而經(jīng)、、加于反相端。于是、輸出的反向，從而不能觸發(fā)晶閘管，起到過(guò)流保護(hù)的作用。

(3)陡降外特性的控制電路圖7-18所示為用于三相橋式半控整流電路中獲得陡降外特性的控制電路。由比例加法器輸出的控制信號(hào)，取決于其三個(gè)輸入量：偏移信號(hào)、給定信號(hào)和電流反饋信號(hào)。空載時(shí)無(wú)和輸入，僅取決于。由調(diào)定，使足以令主回路晶閘管全導(dǎo)通以產(chǎn)生空載電壓。 取自電位器，并經(jīng)兩級(jí)跟隨器、隔離后輸出。

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電流反饋信號(hào)取自主回路分流器RS兩端。由于三相橋式半控整流電流波形波動(dòng)較大，因而采樣來(lái)的信號(hào)在放大的同時(shí)還需妥善濾波，方能保證閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。差動(dòng)放大器外圍設(shè)有阻容網(wǎng)絡(luò)用以濾除高次諧波。此外，還設(shè)有源低通濾波器及，分別濾除不同頻帶的諧波后才能得到較平穩(wěn)的電流反饋信號(hào)。為使不影響主回路的空載電壓，設(shè)置了晶體管開(kāi)關(guān)V和比較器。空載時(shí)，輸出為零，只有取自的一路輸入而輸出高電位。因而V導(dǎo)通，將的輸入端鉗位于地而無(wú)輸出，使空載電壓僅由整定。當(dāng)主電路有一定電流時(shí)，的輸出使翻轉(zhuǎn)為輸出低電位，因而V截止能輸出。這時(shí)有：

雖然主回路一有電流就有一，但在作用之下已令晶閘管全導(dǎo)通，只要未超過(guò)，則產(chǎn)生的脈沖列，則始終使晶閘管保持全導(dǎo)通。只有當(dāng)＞之后，電流負(fù)反饋才起作用，使外特性轉(zhuǎn)入陡降段。也就是說(shuō)，這里采用的是電流截止負(fù)反饋，截止值由整定。調(diào)節(jié)可改變外特性轉(zhuǎn)入陡降段的電流值。=—［＋（）］一第37頁(yè)/共172頁(yè)圖7-19ZDK-500型弧焊整流器閉環(huán)控制簡(jiǎn)化電路第38頁(yè)/共172頁(yè)圖7-20陡降外特性的獲得原理

圖7-21ZDK-500型焊機(jī)平的外特性第39頁(yè)/共172頁(yè)(4)平陡兩用外特性的控制國(guó)產(chǎn)ZDK－500型晶閘管弧焊整流器采用了電壓負(fù)反饋和電流截止負(fù)反饋，可分別獲得平、陡降兩種外特性。其簡(jiǎn)化了的閉環(huán)控制電路如圖7-19所示。圖中是整流器中的主變壓器一次繞組，、是電流采樣用的電流互感器，其二次繞組內(nèi)電流與負(fù)載電流成正比，該電流流經(jīng)、，得到與負(fù)載電流成比例的電壓，將其輸入整流橋經(jīng)整流濾波得到電流反饋量。為實(shí)現(xiàn)電流截止負(fù)反饋而需用比較電壓。為用于陡降外特性時(shí)的給定電壓。是用于平外特性時(shí)的給定電壓。將焊機(jī)輸出端的電壓經(jīng)分壓取作為電壓反饋量。欲得到陡降外特性時(shí)，將開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至“降”位置。隨著增大電流反饋量亦增大，而與極性相反，故（-）隨著減小。但值較小，當(dāng)不很大時(shí)， 〈（-），二極管VD受反向電壓而不通電。這時(shí)=-使晶閘管全導(dǎo)通，值近于等于。

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當(dāng)增大到使＞（-）時(shí)，VD受正向電壓而通電，則≈（-）即電流截止負(fù)反饋起作用，對(duì)應(yīng)的外特性段轉(zhuǎn)入陡降。改變的大小，可調(diào)轉(zhuǎn)入陡降段時(shí)的電流值。以上結(jié)果示于圖7-20。圖中大于。用前者時(shí)，外特性曲線在達(dá)到較大的電流時(shí)轉(zhuǎn)入陡降段——線段1；用后者時(shí)，則在較小的電流下降入陡降段——線段2。故改變值可調(diào)外特性。

當(dāng)需得到平的外特性時(shí)，只要把開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至“平”位置上。當(dāng)較小時(shí)，（一）〈（一），VD處于反向偏置而不導(dǎo)電。這時(shí)=（一），即有電壓負(fù)反饋，從而得到很平的外特性?？墒钱?dāng)大到超過(guò)一定限度后，則有（一）＞（一）。VD導(dǎo)電，=（一），即電流截止負(fù)反饋起作用使外特性轉(zhuǎn)入陡降段，從而具有過(guò)載保護(hù)作用。獲得的外特性見(jiàn)圖7-21。第41頁(yè)/共172頁(yè)7.2弧焊電源的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家的微機(jī)控制電子弧焊機(jī)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段，并朝著采用高檔單片機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行多功能、多參數(shù)控制、波形控制以及智能化控制的方向發(fā)展．國(guó)內(nèi)對(duì)微機(jī)控制電子弧焊機(jī)的研究也取得了很大進(jìn)展，研制出一些控制系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力、技術(shù)復(fù)雜性以及成本還須進(jìn)一步發(fā)展。采用微機(jī)控制技術(shù)是焊接設(shè)備的發(fā)展方向．單片機(jī)以其較高的靈活性、可靠性和性價(jià)比，已深入到控制系統(tǒng)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域．針對(duì)我國(guó)電焊機(jī)行業(yè)的現(xiàn)狀，為加速傳統(tǒng)技術(shù)的改造，開(kāi)發(fā)可靠、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的單片機(jī)控制弧焊電源系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)的意義．第42頁(yè)/共172頁(yè)7.2.1微機(jī)控制弧焊電源

微機(jī)用于焊接控制的技術(shù)主要有焊接電源和工藝的控制、焊接過(guò)程自適應(yīng)控制、焊接群控和焊接機(jī)器人控制等,其中弧焊電源的微機(jī)控制,對(duì)弧焊質(zhì)量的影響最為直接和重要。

1.微機(jī)控制弧焊電源特點(diǎn)（1）穩(wěn)定性好電源特性由控制算法決定，不會(huì)出現(xiàn)因模擬控制中零飄及元件分散性等因素造成的性能下降或不一致。（2）外特性控制電源外特性由軟件靈活控制，容易實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，通過(guò)不同算法可獲得恒流特性、恒壓特性、斜率不同的其他外特性的任意控制,以滿足各種弧焊方法和場(chǎng)合的需要。（3）動(dòng)特性控制借助于運(yùn)放PID調(diào)節(jié)器組成的電子電抗器對(duì)焊接過(guò)程的短路電流上升率(ｄｉ/ｄｔ)進(jìn)行控制。（4）預(yù)置主要參數(shù)微機(jī)控制的弧焊機(jī)通常具有較好的操作界面，如參數(shù)預(yù)置、數(shù)字顯示等。根據(jù)不同的焊絲直徑、保護(hù)氣體成分進(jìn)行預(yù)置焊接參數(shù),再現(xiàn)記憶,監(jiān)控各組焊接參數(shù),根據(jù)不同需要變換參數(shù)。（5）實(shí)現(xiàn)“單旋鈕”調(diào)節(jié)功能利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制、模糊控制等，使其焊接適應(yīng)性加強(qiáng)，據(jù)工件厚度不同,同時(shí)按所需電弧電壓、電流、電感量實(shí)現(xiàn)一元化調(diào)節(jié)。第43頁(yè)/共172頁(yè)

（6）對(duì)焊接電流的波形控制通過(guò)軟件設(shè)計(jì),可獲得各種脈沖電流波形、脈沖頻率、脈沖電流、基本電流、脈沖寬度、占空比以及脈沖前后沿斜率的任意控制,以便對(duì)電弧功率實(shí)現(xiàn)精確控制。（7）對(duì)焊接工藝程序和焊接故障的控制實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中可能發(fā)生的電流的遞增和衰減、粘絲、滅弧、過(guò)電流、觸嘴等故障進(jìn)行診斷和報(bào)警。（8）易于開(kāi)發(fā)．微機(jī)系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu)，其開(kāi)發(fā)周期短，而且開(kāi)發(fā)成本低．

2．選擇微機(jī)控制弧焊電源原則主要考慮以下原則:

（1）系統(tǒng)功能豐富,即要有性能良好,功能齊全的單片微機(jī)CPU,又要有高速可靠的輸入輸出接口電路,還要有鍵盤(pán)顯示功能。（2）實(shí)時(shí)性好,基于焊接機(jī)器人對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高,弧焊電源系統(tǒng)要保證高響應(yīng)速度的主電源，又要有較高的CPU時(shí)鐘頻率和A/D,D/A轉(zhuǎn)換速度,還要有高效能的控制軟件。（3）適用范圍廣，既要適用于脈沖MIG/MAG焊接,又要適用于CO2焊接或鎢極氬弧焊接。（4）抗干擾能力強(qiáng)，由于焊接工作環(huán)境比較惡劣,因此,弧焊電源系統(tǒng)必須有較強(qiáng)的可靠性設(shè)計(jì)與抗干擾對(duì)策。

3．弧焊電源的微機(jī)控制應(yīng)用于弧焊電源的微機(jī)種類(lèi)是多種多樣的,其中利用單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)多種弧焊工藝參數(shù)和程序的控制。它不僅具有給定值和實(shí)際值的顯示、實(shí)時(shí)檢測(cè)、順序控制、故障診斷和報(bào)警等功能,而且利用撥動(dòng)開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)多種條件下的全過(guò)程工藝參數(shù)的選擇、修改、再現(xiàn)、記憶等功能,還可進(jìn)行功能擴(kuò)充。采用飛利普系列中的80C552型8位單片機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)弧焊逆變器的控制。該單片機(jī)控制的場(chǎng)效應(yīng)管式弧焊逆變器與自動(dòng)焊機(jī)或機(jī)器人配套,用于高要求的場(chǎng)合。第44頁(yè)/共172頁(yè)

圖7-22單片機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖第45頁(yè)/共172頁(yè)

（1）微機(jī)控制弧焊電源的原理圖7-22所示為微機(jī)控制弧焊電源原理框圖,其中設(shè)立如下通道和接口。①模擬量輸出通道:電弧電壓Ｕf(shuō)、焊接電流Ｉf、送絲速度Ｖf、焊接速度Ｖh及備用通道。②模擬量輸入通道:電弧電壓、焊接電流、焊接速度等模擬量的實(shí)值檢測(cè)。③開(kāi)關(guān)量輸出通道:用于啟動(dòng)、應(yīng)答、送氣、送電、引弧、送絲及停止等的程序控制。④開(kāi)關(guān)量輸入通道:用于檢測(cè)各種故障的信號(hào)。⑤其他通道:報(bào)警通道、與機(jī)器人或ＰＣ微機(jī)進(jìn)行通信的接口。系統(tǒng)基本工作原理,是借助鍵盤(pán)、撥動(dòng)開(kāi)關(guān)選擇,并經(jīng)過(guò)模擬量通道輸入焊接全過(guò)程的工藝參數(shù),然后通過(guò)鍵盤(pán)和開(kāi)關(guān)量通道發(fā)出焊接指令。這時(shí),微機(jī)接上弧焊逆變器的各有關(guān)通道,并發(fā)出提前送氣指令,其次是引弧指令,引弧成功后,微機(jī)自動(dòng)把電流遞增到預(yù)定值。待工件預(yù)熱到一定時(shí)間后,微機(jī)發(fā)出啟動(dòng)行走機(jī)構(gòu)指令,并輸出一定數(shù)值的焊接速度信號(hào),微機(jī)在焊接過(guò)程中顯示出實(shí)際焊接電流及電弧電壓值,自動(dòng)進(jìn)行焊接過(guò)程中的參數(shù)變換。收弧時(shí),微機(jī)發(fā)出收弧指令,進(jìn)行收弧處理。收弧完畢,微機(jī)進(jìn)入焊接結(jié)束狀態(tài),并關(guān)閉所有通道。若在焊接過(guò)程中或焊接結(jié)束后微機(jī)檢測(cè)到故障信號(hào),則故障信號(hào)由開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)為數(shù)字量,以中斷方式供微機(jī)進(jìn)行處理,發(fā)出警報(bào),并顯示故障原因,以便操作者查找并排除故障;故障排除后,可以按鍵再次進(jìn)行焊接。第46頁(yè)/共172頁(yè)

（2）微機(jī)控制弧焊電源軟件為了配合機(jī)器人用電需要，對(duì)焊接電源控制系統(tǒng)而言，軟件設(shè)計(jì)同硬件設(shè)計(jì)一樣具有重要意義。編制功能豐富、運(yùn)行快捷、簡(jiǎn)練實(shí)用的高性能軟件是保證焊接機(jī)器人高效率工作、獲得良好的焊接工藝效果的前提條件。為此，考慮到控制的實(shí)用性要求，采用匯編語(yǔ)言編制了各種應(yīng)用軟件，具體包括主程序及一些子程序，數(shù)字鍵盤(pán)顯示工作程序，一元化調(diào)節(jié)計(jì)算工作程序，多功能焊接工作程序等程序。下面對(duì)其中若干程序加以簡(jiǎn)要介紹。隨著焊接電源數(shù)字化，設(shè)計(jì)的操作鍵盤(pán)也應(yīng)數(shù)字化。在焊接前，首先要輸入焊接參數(shù)，如焊接平均電流、焊接材料、焊絲直徑、保護(hù)介質(zhì)及小弧焊接電流，同時(shí)顯示出其輸入條件及功能代碼；在焊接過(guò)程中要實(shí)時(shí)顯示焊接平均電流和平均電壓，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，也要顯示各種故障信號(hào)提示符，如過(guò)欠壓（0V）、過(guò)流（0A）、過(guò)熱（0H）及缺相（DP）等。基于此，編制了數(shù)字鍵盤(pán)顯示工作程序，其程序框圖如圖7-23所示。第47頁(yè)/共172頁(yè)圖7-23數(shù)字鍵盤(pán)顯示工作程序框圖第48頁(yè)/共172頁(yè)圖7-25多功能焊接工作程序框圖第49頁(yè)/共172頁(yè)圖7-24一元化調(diào)節(jié)計(jì)算工作程序框圖第50頁(yè)/共172頁(yè)

在脈沖MIG/MAG焊接時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)一脈一滴控制，必須進(jìn)行單旋鈕一元化調(diào)節(jié)控制。同樣在CO2焊接時(shí)。為了更好地實(shí)現(xiàn)CO2焊接電流波形控制，也必須進(jìn)行單旋鈕一元化調(diào)節(jié)控制。為此設(shè)計(jì)了一元化調(diào)節(jié)計(jì)算工作程序，其程序框圖如圖7-24所示。由于計(jì)算機(jī)控制弧焊電源應(yīng)能滿足多種焊接方法應(yīng)用要求，電源系統(tǒng)必須具有多功能特性?；谶@點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多功能焊接工作程序，其程序框圖如圖7-25所示。通過(guò)該程序，即可實(shí)現(xiàn)脈沖MIG/MAG焊接一脈一滴控制，又可實(shí)現(xiàn)CO2焊接電流波形控制。

4．系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)與抗干擾對(duì)策對(duì)于單片微型計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)而言，特別是在機(jī)器人用焊接電源系統(tǒng)控制場(chǎng)合下，具有高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力是系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制效果的前提和保證。為此，從硬件和軟件兩方面出發(fā)，提出并應(yīng)用了一系列經(jīng)濟(jì)有效的抗干擾技術(shù)。如電弧電壓和電流采樣系統(tǒng)中，均采用了二階低通濾波和模擬信號(hào)光電隔離等硬件措施；在D/A轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)中，也采用了模擬信號(hào)光電隔離等硬件措施；在軟件上，采用了數(shù)字濾波和監(jiān)視定時(shí)器等軟件措施。這樣，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

第51頁(yè)/共172頁(yè)7.2.2數(shù)字化弧焊電源

由于數(shù)字化技術(shù)具有無(wú)比的優(yōu)越性，數(shù)字化產(chǎn)品已深入到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。目前，關(guān)于數(shù)字化焊接電源的研究仍處在探索性研究階段。一般認(rèn)為，數(shù)字化焊接電源實(shí)際上就是將數(shù)字化技術(shù)運(yùn)用到焊接電源的控制環(huán)節(jié)中，尤其是焊接電源的核心控制部分中。若將數(shù)字化核心控制環(huán)節(jié)拓展，將可以實(shí)現(xiàn)核心控制環(huán)節(jié)與外圍電路之間數(shù)字化的信息流通.1.數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)的概念（1）控制系統(tǒng)數(shù)字化數(shù)字電路具有較模擬電路無(wú)比優(yōu)越的特點(diǎn)，如電路的穩(wěn)定性、可靠性、一致性、靈活性等，因此焊接電源傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字控制系統(tǒng)已成為必然趨勢(shì)。數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由微控制器(MCU)、數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)或微處理器加數(shù)字信號(hào)處理芯片組合構(gòu)成。利用微處理器實(shí)現(xiàn)焊接電源的智能控制，利用數(shù)字信號(hào)處理芯片的實(shí)時(shí)高速性對(duì)焊接過(guò)程的電弧信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的信息控制。（2）信號(hào)流通數(shù)字化由于數(shù)字化信號(hào)比模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中不易失真，因此信號(hào)的流通、交換可靠和穩(wěn)定。信號(hào)可以通過(guò)系統(tǒng)總線、I/O口或者特定通信協(xié)議口進(jìn)行數(shù)字化傳輸。（3）焊接電源系統(tǒng)數(shù)字化劃分在充分研究和分析已有焊接電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出合理可行的功能分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化焊接電源的硬件模塊規(guī)劃和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)硬件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化。對(duì)模塊化的硬件運(yùn)用單獨(dú)的微處理器進(jìn)行控制，并通過(guò)數(shù)字接口按照通信協(xié)議和數(shù)字化的控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交換。

第52頁(yè)/共172頁(yè)

（4）焊接電源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化概念利用數(shù)字化焊接電源的數(shù)字化接口，實(shí)現(xiàn)焊接電源系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的通信，這樣一方面可以在網(wǎng)上控制和監(jiān)控焊接過(guò)程，保證焊接質(zhì)量；另一方面焊機(jī)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)從網(wǎng)上下載軟件到焊接電源系統(tǒng)中，便于焊機(jī)升級(jí)和功能的改進(jìn)。由于應(yīng)用了數(shù)字化控制技術(shù)，焊接電源已不再是單純的焊接能量提供源，還應(yīng)具有數(shù)字操作系統(tǒng)平臺(tái)、多特性適應(yīng)調(diào)整、送絲驅(qū)動(dòng)外設(shè)及接口、焊接參數(shù)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整、過(guò)程穩(wěn)定質(zhì)量評(píng)定、保護(hù)及自診斷提示以及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、生產(chǎn)質(zhì)量管理等功能，焊接電源的概念實(shí)際上已拓寬為焊接電源系統(tǒng)。

2．?dāng)?shù)字化焊接電源系統(tǒng)的特征數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)功能如圖7-26所示。數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)由于可以實(shí)現(xiàn)硬件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，軟件的平臺(tái)化，數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)。（1）柔性化控制電源外特性由軟件編程實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)多種外特性適應(yīng)不同焊接方法的要求，實(shí)現(xiàn)焊機(jī)的一機(jī)多用。第53頁(yè)/共172頁(yè)圖7-26數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)功能示意圖第54頁(yè)/共172頁(yè)

（2）智能控制利用微控制器（MCU）強(qiáng)大的控制能力和事件管理能力使焊機(jī)控制引入自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法成為可能，提高了焊機(jī)的智能化。（3）數(shù)字信號(hào)處理

DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和快速運(yùn)算能力為焊接信號(hào)的實(shí)時(shí)處理提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。利用DSP可以對(duì)焊接過(guò)程的信號(hào)如焊接電弧信號(hào)實(shí)時(shí)提取有關(guān)的特征信息，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息控制。同時(shí)基于DSP的電弧評(píng)價(jià)系統(tǒng)可以作為數(shù)字化焊機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，焊機(jī)具有電弧在線的評(píng)價(jià)功能。（4）控制精度高、穩(wěn)定性好數(shù)字控制系統(tǒng)受環(huán)境、溫度以及噪聲的影響較小、可靠性高，16位的數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到10-5的控制精度。模擬系統(tǒng)的性能受元件參數(shù)一致性的影響較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受元件的影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測(cè)試、調(diào)試，生產(chǎn)出一致性優(yōu)良的焊機(jī)。（5）易于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和升級(jí)焊接電源的功能通過(guò)軟件和硬件相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)?？梢蚤_(kāi)發(fā)基本軟、硬件平臺(tái)。通過(guò)模塊化的軟、硬件設(shè)計(jì)，可以以不同的模塊化組合構(gòu)成不同功能的焊機(jī)。焊機(jī)功能的改進(jìn)可以通過(guò)軟件的升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而縮短開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本。第55頁(yè)/共172頁(yè)圖7-27數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)框圖第56頁(yè)/共172頁(yè)3.數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容如下（圖7-27）（1）通信協(xié)議的確定為了各模塊之間能協(xié)同工作以及各模塊設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，必須研究建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。（2）單片機(jī)系統(tǒng)利用單片機(jī)系統(tǒng)事件管理能力強(qiáng)的功能完成焊機(jī)的程序管理以及參數(shù)的給定功能，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)的I/O接口對(duì)外部設(shè)備的控制，研究焊機(jī)的保護(hù)和故障的自診斷系統(tǒng)。

（3）數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)利用DSP數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，一方面研究建立電弧穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，另一方面研究如何通過(guò)DSP的數(shù)字信號(hào)處理提取表征焊接過(guò)程穩(wěn)定性的特征信息作為智能控制的目標(biāo)函數(shù)，從而提高電弧的穩(wěn)定性，研究焊接參數(shù)適應(yīng)控制和焊機(jī)外特性適應(yīng)控制。（4）數(shù)字化送絲系統(tǒng)送絲速度的穩(wěn)定性是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。目前送絲系統(tǒng)多采用模擬技術(shù)控制，研究如何把數(shù)字化控制技術(shù)應(yīng)用于送絲系統(tǒng)中，使送絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性、一致性得到提高，研究送絲控制系統(tǒng)如何與焊接電源之間的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)接口。

第57頁(yè)/共172頁(yè)

（5）數(shù)字化操作面板系統(tǒng)研究焊接工藝參數(shù)和功能的選擇如何通過(guò)操作面板進(jìn)行數(shù)字化的輸入，研究如何進(jìn)行數(shù)字化操作面板系統(tǒng)的信息與單片機(jī)系統(tǒng)及數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的通信。

（6）PC機(jī)系統(tǒng)數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)能與PC機(jī)進(jìn)行通信。研究如何使用PC機(jī)直接設(shè)置焊接工藝參數(shù)控制焊機(jī)的運(yùn)行以及監(jiān)控焊接過(guò)程的焊接質(zhì)量。研究如何用一臺(tái)PC機(jī)同時(shí)控制和監(jiān)控多臺(tái)數(shù)字化焊接電源。研究如何進(jìn)行焊機(jī)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制和監(jiān)控。研究如何建立焊接工藝參數(shù)的專(zhuān)家?guī)煜到y(tǒng)。

4.基于DSP控制的晶閘管ＣＯ2焊接電源ＣＯ2氣體保護(hù)焊具有低成本、高效率的特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于低碳鋼、低合金、薄板鋼結(jié)構(gòu)及全位置焊接的場(chǎng)合,ＣＯ2焊接方法具有廣闊的應(yīng)用前景。目前生產(chǎn)的ＣＯ2焊接電源主要有電磁調(diào)壓式、晶閘管式、逆變式等幾種,其中ＣＯ2焊接電源以其穩(wěn)定的可靠性在市場(chǎng)上占有很大的份額?，F(xiàn)代ＣＯ2焊接電源的控制應(yīng)從傳統(tǒng)的分立元件控制向集成化、柔性化、智能化、數(shù)字化、信息化控制的方向轉(zhuǎn)變,以適應(yīng)現(xiàn)代焊接電源控制的發(fā)展要求。將數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)引入到ＣＯ2焊接電源的控制系統(tǒng)中,研制了基于DSP控制的ＣＯ2焊接電源,建立了ＣＯ2焊接電源的數(shù)字化、信息化控制平臺(tái)，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。第58頁(yè)/共172頁(yè)圖7-28

DSP控制焊接電源原理框圖第59頁(yè)/共172頁(yè)

（1）DSP控制的ＣＯ2焊接電源硬件設(shè)計(jì)美國(guó)Ｔｉ(德州儀器)公司Ｃ24ｘ系列中的ＴＭＳ320Ｆ240芯片是16位ＣＰＵ,指令執(zhí)行速度高達(dá)20ＭＩＰＳ,即單周期指令執(zhí)行時(shí)間為50ｎｓ,具有雙10位16路Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時(shí)間為6.6μｓ,12路比較/ＰＷＭ輸出,3個(gè)16位通用定時(shí)器,基于鎖相環(huán)(ＰＬＬ)的時(shí)鐘模塊,帶實(shí)時(shí)中斷的看門(mén)狗定時(shí)模塊,串行通信接口(ＳＣＩ),串行外設(shè)接口(ＳＰＩ),16Ｋ×16位的片內(nèi)程序ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器,544字×16位片內(nèi)數(shù)據(jù)ＲＡＭ。此芯片既有豐富的微控制器外設(shè)功能又有高性能的DSP內(nèi)核,因此非常適合于數(shù)字信號(hào)處理場(chǎng)合的工業(yè)控制系統(tǒng)?；谝陨线@些特點(diǎn),本文采用ＴＭＳ320Ｆ240DSP芯片作為ＣＯ2焊接電源的控制芯片,其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖7-28所示。第60頁(yè)/共172頁(yè)圖7-29基于DSP控制的晶閘管焊機(jī)數(shù)字觸發(fā)原理圖

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晶閘管焊機(jī)主回路利用DSP豐富的外設(shè)實(shí)現(xiàn)焊機(jī)主回路的數(shù)字觸發(fā),電路如圖7-29所示。首先,來(lái)自主變壓器次級(jí)同一鐵芯上相位相反兩個(gè)繞組的輸入電壓經(jīng)過(guò)電阻Ｒ1～Ｒ6和穩(wěn)壓管ＶＤ1～ＶＤ6加到交流輸入晶體管輸出光耦Ｕ1～Ｕ3上。當(dāng)輸入電壓非零時(shí),Ｕ1～Ｕ3的輸出導(dǎo)通,3腳輸出為高電平。當(dāng)輸入電壓過(guò)零時(shí),Ｕ1～Ｕ3截止,3腳的輸出為低電平從而獲得同步信號(hào)。然后,DSP控制器的事件管理器ＣＡＰ1～ＣＡＰ3腳對(duì)同步信號(hào)的上升沿進(jìn)行捕獲,產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。DSP內(nèi)核立即響應(yīng)中斷,轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序中。檢測(cè)控制面板上決定移相大小電位器的模擬量,此模擬量通過(guò)DSP的Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換模塊變成數(shù)字量,再將這個(gè)數(shù)字通過(guò)對(duì)DSP3個(gè)定時(shí)器的初始化,將移相值送入定時(shí)器。DSP的3個(gè)通用定時(shí)器從而產(chǎn)生三路移相大小可調(diào)的脈沖波形Ｔ1ＰＷＭ、Ｔ2ＰＷＭ、Ｔ3ＰＷＭ。所以,通過(guò)對(duì)同步信號(hào)的捕獲和中斷,再通過(guò)對(duì)通用定時(shí)器,ＰＷＭ口的一些軟件編程就可以產(chǎn)生移相大小可控制的觸發(fā)脈沖。第62頁(yè)/共172頁(yè)圖7-30主程序流程圖第63頁(yè)/共172頁(yè)

（2）基于DSP控制焊接電源的軟件設(shè)計(jì)基于DSP焊接電源控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件由主程序、各個(gè)功能子程序和觸發(fā)中斷服務(wù)程序組成。主程序編程流程圖如圖7-30所示。系統(tǒng)上電復(fù)位之后進(jìn)入主程序,主程序中主要完成的功能是:首先,系統(tǒng)初始化,對(duì)DSP的工作模式進(jìn)行設(shè)置,包括看門(mén)狗(WATCHDOG)寄存器以及DSP的鎖相環(huán)(PLL)控制寄存器,另外將各個(gè)輸出口清零;然后對(duì)觸發(fā)中斷初始化,設(shè)置捕獲單元寄存器的工作狀態(tài),等待焊槍動(dòng)作信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到焊槍合上信號(hào)后進(jìn)行提前送氣、高壓慢送絲引弧,引弧成功后針對(duì)不同的功能選擇開(kāi)關(guān),程序進(jìn)入不同的功能子程序;最后,程序進(jìn)入焊接回?zé)A段焊接結(jié)束。

觸發(fā)中斷服務(wù)程序是整個(gè)基于DSP控制焊接電源控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件的核心,同時(shí)也是DSP豐富的片上外設(shè)功能在該控制系統(tǒng)中得到的最充分的應(yīng)用。觸發(fā)中斷服務(wù)程序流程圖如圖7-31所示。第64頁(yè)/共172頁(yè)圖7-31觸發(fā)中斷服務(wù)程序流程圖第65頁(yè)/共172頁(yè)圖7-32功能子程序流程圖第66頁(yè)/共172頁(yè)

圖7-32為無(wú)一元化、有予流、有收弧或無(wú)收弧的功能子程序編程流程框圖。在主程序中,引弧成功后采樣面板功能選擇開(kāi)關(guān)如一元化有/否、脈沖有/否、焊接收弧有/否、予流有/否等4種選擇開(kāi)關(guān)信號(hào),供轉(zhuǎn)到不同的功能子程序。選擇開(kāi)關(guān)的不同組合可產(chǎn)生16種功能子程序。根據(jù)主回路的形式特點(diǎn),DSP的捕獲單元每3.3ｍs響應(yīng)一次觸發(fā)中斷,從合上焊槍開(kāi)始,在整個(gè)焊接過(guò)程中,觸發(fā)中斷服務(wù)程序都在不停地運(yùn)行。焊接過(guò)程包括引弧、焊接、收弧和回?zé)?個(gè)階段,在中斷服務(wù)程序中設(shè)置了相應(yīng)的檢測(cè)位來(lái)判斷此時(shí)的工作階段。不同階段調(diào)用不同子程序,計(jì)算輸出焊接電壓移相時(shí)間即可得出晶閘管移相時(shí)間,從而控制焊接電壓的輸出值。最后,使能DSP的定時(shí)器模塊,使其輸出移相大小可變且具有一定脈寬的ＰＷＭ波形觸發(fā)晶閘管,從而輸出焊接電壓。以上編寫(xiě)的程序經(jīng)編譯可直接燒入DSP片上的FLASH中,無(wú)需擴(kuò)展存儲(chǔ)器。由于DSP豐富的片上資源,大大減少了控制系統(tǒng)的外圍硬件,控制電路的集成度極高,因而焊機(jī)的可靠性較好。DSP控制的CO2焊機(jī)短路過(guò)渡的頻率均勻、電弧穩(wěn)定,能滿足焊接工藝性能要求。另外,由于DSP可以在線編程,易實(shí)現(xiàn)焊機(jī)的柔性化控制,即在不改變硬件的條件下實(shí)現(xiàn)焊機(jī)的升級(jí)換代。最后,DSP指令執(zhí)行速度的快速性為焊接過(guò)程的數(shù)字信號(hào)處理提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

第67頁(yè)/共172頁(yè)7.3焊接機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人（industrialrobot）一般指用于機(jī)械制造業(yè)中代替人完成具有大批量、高質(zhì)量要求的工作，如汽車(chē)制造、摩托車(chē)制造、艦船制造、某些家電產(chǎn)品、化工等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運(yùn)、包裝、碼垛等作業(yè)的機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的重要組成部分，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種柔性制造系統(tǒng)（FMS）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）和自動(dòng)化工廠（FA）之中。焊接機(jī)器人是機(jī)器人與現(xiàn)代焊接技術(shù)相結(jié)合，用以完成焊接作業(yè)任務(wù)的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。第68頁(yè)/共172頁(yè)7.3.1機(jī)器人基礎(chǔ)1.概述2.機(jī)器人的分類(lèi)關(guān)于機(jī)器人如何分類(lèi)，國(guó)際上沒(méi)有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般按機(jī)器人機(jī)械手的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)分類(lèi)，（見(jiàn)表7-2）；或按機(jī)器人的控制方式分類(lèi)，分為非伺服機(jī)器人（non-servorobots）和伺服控制機(jī)器人（servo-controlledrobots）。按機(jī)器人的智能程度分，一般機(jī)器人，不具有智能，只具有一般編程能力操作功能。智能機(jī)器人，具有不同程度的智能。

第69頁(yè)/共172頁(yè)名稱(chēng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)類(lèi)型說(shuō)明直角坐標(biāo)機(jī)器人手臂具有三個(gè)棱柱關(guān)節(jié)，其軸線按直角坐標(biāo)配置，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡(jiǎn)單直觀，需要較大的操作空間，多做成大型龍門(mén)式或框架式機(jī)器人圓柱坐標(biāo)機(jī)器人手臂至少有一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)棱柱關(guān)節(jié)，其軸線按圓柱坐標(biāo)配置；運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡(jiǎn)單直觀，易于進(jìn)入開(kāi)口部分。極坐標(biāo)機(jī)器人手臂有二個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)棱柱關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)配置，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型較復(fù)雜，占用空間較小，操作范圍大和靈活關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂具有三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，具有最好的操作靈活性和可達(dá)性，工作空間大，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型較復(fù)雜，視覺(jué)上不直觀，結(jié)構(gòu)剛度較差SCARA機(jī)器人它有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，為水平關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，柔順性好，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高速度運(yùn)動(dòng)表7-2機(jī)器人按機(jī)械手的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)分類(lèi)第70頁(yè)/共172頁(yè)圖7-33機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖第71頁(yè)/共172頁(yè)3.機(jī)器人系統(tǒng)的基本構(gòu)成機(jī)器人一般有機(jī)械主體，感測(cè)器，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制器等四部分組成。

(1)機(jī)械主體通常包括機(jī)器人基座，關(guān)節(jié)，末端執(zhí)行器等組成,如圖7-33?；侵螜C(jī)械主體其它部件的基礎(chǔ)，通常有移動(dòng)型和固定型兩類(lèi)。關(guān)節(jié)與人的關(guān)節(jié)相似，在控制器的控制下通?？墒蛊渖系膬蓚€(gè)零部件相對(duì)移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，它使得機(jī)器人的末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)靈巧的動(dòng)作。末端執(zhí)行器是為使機(jī)器人完成其任務(wù)而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)并安裝在機(jī)械接口處的裝置。例如，焊槍、扳手、夾持器等不是機(jī)器人本體的一部分。①腰部結(jié)構(gòu)操作機(jī)腰部包括機(jī)座和腰關(guān)節(jié)，機(jī)座承受機(jī)器人全部重量，要有足夠的強(qiáng)度和剛度，一般用鑄鐵或鑄鋼制造，機(jī)座要有一定的尺寸以保證操作機(jī)的穩(wěn)定，并滿足驅(qū)動(dòng)裝置及電纜的安裝。腰關(guān)節(jié)是負(fù)載最大的運(yùn)動(dòng)軸，對(duì)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)精度影響最大，故設(shè)計(jì)精度要求高.②臂部結(jié)構(gòu)

臂部的作用是連結(jié)腰部和腕部，實(shí)現(xiàn)操作機(jī)在空間中的運(yùn)動(dòng)。手臂的長(zhǎng)度尺寸要滿足工作空間的要求，由于手臂的剛度、強(qiáng)度直接影響機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)剛度，同時(shí)又要靈活運(yùn)動(dòng)，故應(yīng)盡可能選用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，減輕其重量第72頁(yè)/共172頁(yè)圖7-34機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)第73頁(yè)/共172頁(yè)

③腕部結(jié)構(gòu)

腕部用來(lái)連接操作機(jī)手臂和末端執(zhí)行器，并決定末端執(zhí)行器在空間里的姿態(tài)。腕部一般應(yīng)有2～3個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)要緊湊，質(zhì)量較小，各運(yùn)動(dòng)軸采用分離傳動(dòng)。圖7-34a所示為P-100機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)（其中，軸1～軸3為手臂軸，未畫(huà)出）是一種典型的3軸分立型式，圖7-34b為機(jī)器人的手腕原理圖。迄今為止，典型的工業(yè)機(jī)器人僅實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)胳膊和手的某些功能，所以機(jī)器人操作機(jī)也稱(chēng)作機(jī)器人手臂或機(jī)械手，一般簡(jiǎn)稱(chēng)為機(jī)器人。機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以視為一種桿件機(jī)構(gòu)，它的基本結(jié)構(gòu)是將機(jī)構(gòu)學(xué)中的桿件(link:和運(yùn)動(dòng)副(pair)相互連接而構(gòu)成的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈(openloopkinematicschain)。當(dāng)然也有部分閉鏈或全部閉鏈的機(jī)器人機(jī)器人是由桿件和連接它的關(guān)節(jié)(運(yùn)動(dòng)副)構(gòu)成，關(guān)節(jié)由一個(gè)或多個(gè)自由度(degreeoffreedom)組成。桿件是指兩個(gè)關(guān)節(jié)之間的連桿，桿件一般有串聯(lián)桿件和并聯(lián)桿件兩類(lèi)。自由度是表示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活的尺度，意味著獨(dú)立的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)。自由度分為主動(dòng)自由度和被動(dòng)自由度兩類(lèi)，前者指該自由度能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，而后者不能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，只能被動(dòng)地跟隨其他關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。桿件和關(guān)節(jié)的構(gòu)成方法大致可分為兩種。從手臂的全貌看，構(gòu)成手臂的桿件和關(guān)節(jié)是串聯(lián)連接的，稱(chēng)為串聯(lián)桿件機(jī)械手(Seriallinkmanipulator)或開(kāi)式鏈機(jī)械手;而并聯(lián)連接的，則稱(chēng)為并聯(lián)桿件機(jī)械手(parallellinkmanipulator)或閉式鏈機(jī)械手。自由度的構(gòu)成方法將極大地影響機(jī)器人的可動(dòng)范圍和可操作性等性能。第74頁(yè)/共172頁(yè)（2）感測(cè)器（3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)①電力驅(qū)動(dòng)裝置②液壓驅(qū)動(dòng)裝置③氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置（4）控制器控制系統(tǒng)是機(jī)器人的控制和指揮中心，它實(shí)際上也是一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于控制機(jī)器人計(jì)算機(jī)，它通過(guò)輸入設(shè)備接收人或其它控制系統(tǒng)的命令，經(jīng)過(guò)運(yùn)算來(lái)控制和協(xié)調(diào)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)位置，速度，指揮機(jī)器人的機(jī)座，關(guān)節(jié)及手爪執(zhí)行作業(yè)，圖7-35是機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制原理圖。第75頁(yè)/共172頁(yè)圖7-35機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制原理圖第76頁(yè)/共172頁(yè)4.機(jī)器人控制系統(tǒng)（1）機(jī)器人控制系統(tǒng)功能（2）機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本組成（圖7-36）（3）機(jī)器人控制系統(tǒng)分類(lèi)集中控制方式是用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但實(shí)時(shí)性差，難以擴(kuò)展，其構(gòu)成框圖如圖7-37所示。主從控制方式是采用主、從兩級(jí)處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實(shí)現(xiàn)管理、坐標(biāo)變換、軌跡生成和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實(shí)現(xiàn)所有關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制。其構(gòu)成框圖如圖7-38所示。主從控制方式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，適于高精度、高速度控制，但其系統(tǒng)擴(kuò)展性較差，維修困難。分散控制方式是按系統(tǒng)的性質(zhì)和方式將系統(tǒng)控制分成幾個(gè)模塊，每一個(gè)模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略，各模式之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。這種方式實(shí)時(shí)性好，易于實(shí)現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)智能控制，是目前流行的方式，其控制框圖如圖7-39所示。第77頁(yè)/共172頁(yè)圖-7-36機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成框圖第78頁(yè)/共172頁(yè)圖7-37集中控制方式框圖第79頁(yè)/共172頁(yè)圖7-38主從控制方式框圖第80頁(yè)/共172頁(yè)圖7-39分散控制方式框圖第81頁(yè)/共172頁(yè)5.機(jī)器人的示教（1）機(jī)器人的示教分類(lèi)用機(jī)器人代替人進(jìn)行作業(yè)時(shí)，必須預(yù)先對(duì)機(jī)器人發(fā)出指示，規(guī)定機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)該完成的動(dòng)作和作業(yè)的具體內(nèi)容。這個(gè)過(guò)程就稱(chēng)為對(duì)機(jī)器人的示教或?qū)C(jī)器人的編程。對(duì)機(jī)器人的示教有不同的方法，要想讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人們所期望的動(dòng)作，必須賦予機(jī)器人各種信息，首先是機(jī)器人動(dòng)作順序的信息及外部設(shè)備的協(xié)調(diào)信息；其次是與機(jī)器人工作時(shí)的附加條件信息；再次是機(jī)器人的位置和姿態(tài)信息。前兩個(gè)方面很大程度上是與機(jī)器人要完成的工作以及相關(guān)的工藝要求有關(guān)，所以我們重點(diǎn)介紹一下有關(guān)機(jī)器人位置和姿態(tài)的示教。位置和姿態(tài)的示教大致可有以下幾種如圖7-40圖7-40位姿示教框圖第82頁(yè)/共172頁(yè)

（2）機(jī)器人示教過(guò)程在對(duì)機(jī)器人的編程方法中，示教是常用的方法。它是在真實(shí)作業(yè)環(huán)境中的在線編程，可用示教盒方法，下面用弧焊機(jī)器人焊接T型角焊縫來(lái)說(shuō)明示教過(guò)程。圖7-41是用于點(diǎn)焊，弧焊工業(yè)機(jī)器人的示教盒。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)通常用兩種坐標(biāo)來(lái)操作機(jī)械人，關(guān)節(jié)坐標(biāo)和直角坐標(biāo)。按示教盒上的坐標(biāo)軸操作鍵，操作機(jī)械手的每一根軸。圖7-42為關(guān)節(jié)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)示意圖，圖7-43為直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)示意圖。T型焊縫焊接示教完成一共需六步來(lái)完成，如圖7-44第83頁(yè)/共172頁(yè)1-主菜單2-顯示屏3-光標(biāo)功能鍵4-輔助功能鍵5-動(dòng)作類(lèi)型鍵6-數(shù)字7-確認(rèn)鍵8-坐標(biāo)軸操作鍵9-速度鍵10-路徑范圍鍵11-選擇鍵12-翻頁(yè)鍵13-示教狀態(tài)圖7-41機(jī)器人示教盒第84頁(yè)/共172頁(yè)圖7-42關(guān)節(jié)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)示意圖第85頁(yè)/共172頁(yè)圖7-43直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)示意圖第86頁(yè)/共172頁(yè)圖7-44T型焊縫焊接示教過(guò)程示意圖第87頁(yè)/共172頁(yè)

（1）步驟1——開(kāi)始位置（圖7-45）①握緊手握急停開(kāi)關(guān)，這時(shí)伺服電源打開(kāi)，機(jī)械手可以操作了。②按軸操作鍵，移動(dòng)機(jī)械手到預(yù)期的位置，要確保位置安全，并且使工作區(qū)域適合于作業(yè)編程。③用[MOTIONTYPE]鍵選擇關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方式，使關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令“MOVJ”顯示在輸入窗口中=>MOVJVJ=0.78④移動(dòng)光標(biāo)到行數(shù)0000處，按下[SELECT鍵。

J:TESTS:000R1TOOL:*0000NOP0001END⑤在輸入窗口中，將光標(biāo)移至右邊的VJ=*.**處，該處表示速度，然后按住[SHIFT]鍵，同時(shí)上下移動(dòng)光標(biāo)鍵（改變作業(yè)再現(xiàn)速度），直到得到合適的速度。=>MOVJVJ=50.00⑥按確認(rèn)鍵[ENTER]，記錄下步驟1（行號(hào)0001）。0000NOP0001MOVJVJ=50.000002END第88頁(yè)/共172頁(yè)

圖7-45機(jī)械手開(kāi)始位置示意圖第89頁(yè)/共172頁(yè)圖7-46機(jī)械手靠近開(kāi)始作業(yè)位置示意圖第90頁(yè)/共172頁(yè)

（2）步驟2——靠近開(kāi)始作業(yè)位置（圖7-46）首先調(diào)整機(jī)械手的工作姿態(tài)：①用軸操作鍵將機(jī)械手移至接近開(kāi)始作業(yè)的位置。②按確認(rèn)鍵[ENTER]，記錄下步驟2（行號(hào)0002）0000NOP0001MOVJVJ=50.000002MOVJVJ=50.000003END第91頁(yè)/共172頁(yè)7-47機(jī)械手開(kāi)始作業(yè)位置示意圖第92頁(yè)/共172頁(yè)

（3）步驟3——開(kāi)始作業(yè)位置（圖7-47）按照步驟2的姿勢(shì)，將機(jī)械手移至開(kāi)始作業(yè)的位置。①[FST]或[SLW]鍵得到一個(gè)中等速度②不要改變步驟2中的姿勢(shì)，按[COORD]鍵選擇直角坐標(biāo)，用坐標(biāo)軸操作鍵將機(jī)械手移至開(kāi)始焊接點(diǎn)。③將光標(biāo)移到行號(hào)0002處，按[SELECT]鍵。④在輸入窗口中，將光標(biāo)移至右邊的VJ=*.**處，該處表示速度，然后按住[SHIFT]鍵，同時(shí)上下移動(dòng)光標(biāo)鍵（改變作業(yè)再現(xiàn)速度），直到得到合適的速度。將速度設(shè)為12.50%。=>MOVJVJ=12.50⑤按確認(rèn)鍵[ENTER]，記錄下步驟3（行號(hào)0003）。0000NOP0001MOVJVJ=50.000002MOVJVJ=50.000003MOVJVJ=12.500004END第93頁(yè)/共172頁(yè)

圖7-48機(jī)械手作業(yè)結(jié)束位置示意圖第94頁(yè)/共172頁(yè)

（4）步驟4——作業(yè)結(jié)束點(diǎn)（圖7-48）①用坐標(biāo)軸操作鍵將機(jī)械手移至工作結(jié)束點(diǎn)。②按動(dòng)作類(lèi)型鍵，選擇直線運(yùn)動(dòng)類(lèi)型（MOVL）。=>MOVLV=66③將光標(biāo)移至行號(hào)0003，并按[SELECT]鍵。=>MOVLV=66④在輸入窗口中，將光標(biāo)移至右邊的V=*.**處，該處表示速度，然后按住[SHIFT]鍵，同時(shí)上下移動(dòng)光標(biāo)鍵（改變作業(yè)再現(xiàn)速度），直到得到合適的速度。將速度設(shè)為138cm/min。=>MOVLV=138⑤按確認(rèn)鍵[ENTER]，記錄下步驟4（行號(hào)0004）。0000NOP0001MOVJVJ=50.000002MOVJVJ=50.000003MOVJVJ=12.500004MOVLV=1380005END第95頁(yè)/共172頁(yè)圖7-49機(jī)械手離開(kāi)工件和夾具位置示意圖第96頁(yè)/共172頁(yè)

（5）步驟5——離開(kāi)工件和夾具位置（圖7-49