焊接機器人技術(shù)（陳茂愛）（第2版） 課件 第3、4章 機器人本體及

焊接機器人技術(shù)V機器人本體及控制系統(tǒng)第三章

機器人本體由剛性連桿、驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、關(guān)節(jié)及內(nèi)部傳感器(如編碼盤等)等組成。它的主要任務(wù)是控制末端執(zhí)行器(例如焊槍)達到所要求的位置、姿態(tài),并保證末端執(zhí)行器沿著期望的軌跡以一定的速度運動。3.1機器人本體結(jié)構(gòu)

3.1機器人本體結(jié)構(gòu)機械手的幾何結(jié)構(gòu)它的主要任務(wù)是控制末端執(zhí)行器(例如焊槍)達到所要求的位置、姿態(tài)，并保證末端執(zhí)行器沿著期望的軌跡以一定的速度運動。一般情況下,可認為機器人本體是由剛性連桿和關(guān)節(jié)構(gòu)成的，而驅(qū)動器、傳動機構(gòu)及內(nèi)部傳感器可看作關(guān)節(jié)的一部分。這樣，機器人本體就可看作一開環(huán)關(guān)節(jié)鏈。機器人本體可分為如下幾個部分：機身(基座)、上臂、前臂、腕部、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和腰關(guān)節(jié)等。對于焊接機器人，腕部有2~3個關(guān)節(jié),每個關(guān)節(jié)有1個自由度。3.1.1機器人機身

機器人機身又稱底座、基座、機座,是直接連接和支承手臂及行走機構(gòu)的部件。機身既可以是固定式的,也可以是行走式的。固定式機身固定在地面或某一平臺上;行走式機身可沿著軌道行走,或者安裝在龍門架上,隨同龍門架一起沿著軌道行走。機身用來承受機器人的全部重量,其性能對機器人的負荷能力和運動精度具有很大的影響。通常要求機身具有足夠的強度、剛度、精度和平穩(wěn)性。機身的剛度是指機身在外力作用下抵抗變形的能力。一般利用一定外力作用下,沿著該外力作用方向產(chǎn)生的變形量來表征。該變形量越小,則剛度越大。機身的剛度比強度更重要。為了提高剛度,通常選擇抗彎剛度和抗扭剛度均較大的封閉空心截面的鑄鐵或鑄鋼連桿,并適當(dāng)減小壁厚、增大輪廓尺寸。采用這種結(jié)構(gòu)不僅可提高剛度,而且其空心內(nèi)部還可以布置安裝驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)及管線等,使整體結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。機身的支承剛度以及支承物和機身之間的接觸剛度對機器人的性能也具有重要的影響。3.1機器人本體結(jié)構(gòu)3.1.1機器人機身

機身的位置精度可影響手部的位置精度。而影響機身位置精度的因素除剛度外,還有其制造和裝配精度、連接方式、運動導(dǎo)向裝置和定位方式等。導(dǎo)向裝置的導(dǎo)向精度、剛度和耐磨性等對機器人的精度和其他工作性能具有很大的影響。機身的質(zhì)量較大,如果其運動速度和負荷也較大,運動狀態(tài)的急劇變化易引起沖擊和振動。這會影響手部位姿的精度,還可能導(dǎo)致運轉(zhuǎn)異常。為了防止沖擊和振動的發(fā)生,焊接機器人通常采用了有效的緩沖裝置,以吸收能量;而且機身的運動部件,包括驅(qū)動裝置、傳動部件、管線系統(tǒng)及運動測量元件等均采用了緊湊、質(zhì)量輕的結(jié)構(gòu)設(shè)計,以減少慣性力,并提高傳動精度和效率。3.1機器人本體結(jié)構(gòu)3.1.1機器人機身

機身上裝有腰關(guān)節(jié),利用該關(guān)節(jié)可實現(xiàn)臂部升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運動。腰關(guān)節(jié)是負載最大的運動軸,對末端執(zhí)行器的位姿和運動精度影響最大,要求其具有很高的設(shè)計和制造精度,特別是支撐精度。常用的支撐方式有兩種:第一種為普通軸承支撐結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是安裝調(diào)整方便,但腰部高度較高;第二種為環(huán)形十字交叉滾子軸承支撐結(jié)構(gòu),如圖3-4所示,這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是剛度大、負載能力強、裝配方便,但價格相對較高。伺服電動機1通過小錐齒輪2、大錐齒輪3、傳動軸5、小直齒輪4和大直齒輪6驅(qū)動腰關(guān)節(jié)的軸轉(zhuǎn)動。3.1機器人本體結(jié)構(gòu)利用普通軸承支撐腰關(guān)節(jié)軸的機器人機身環(huán)形十字交叉滾子軸承支撐結(jié)構(gòu)3.1.2機器人操作臂

機器人操作臂(簡稱機器臂)用來連接機身和手部,是機器人的主要執(zhí)行部件。其主要作用是支承機器人的腕部和手部,并帶動腕部和手部在空間中運動。臂部各個關(guān)節(jié)均裝有相應(yīng)的傳動和驅(qū)動機構(gòu)。臂部工作時直接承受腕部、末端執(zhí)行器和工件的靜、動載荷,自身頻繁運動且運動狀態(tài)復(fù)雜，因此其受力復(fù)雜。臂部既受彎曲力,也受扭轉(zhuǎn)力，為了保證運動精度，應(yīng)選用抗彎和抗扭剛度較大的封閉形空心截面的剛性連桿作為臂桿。臂部的制造和裝配精度、連接方式、運動導(dǎo)向裝置和定位方式等也影響其位置精度和運動精度。臂桿導(dǎo)向裝置的導(dǎo)向精度、剛度和耐磨性等對機器人的精度和其他工作性能具有很大的影響。3.1機器人本體結(jié)構(gòu)臂部運動狀態(tài)的急劇變化也會引起沖擊和振動。這會影響手部位姿的精度,嚴重時還可能導(dǎo)致運轉(zhuǎn)異常。

臂部包括大臂和小臂,通常由高強度的鋁合金質(zhì)薄壁封閉框架制成。其運動采用齒輪傳動,以保證較大的傳動剛度。

3.1機器人本體結(jié)構(gòu)機器人大臂傳動機構(gòu)示機器人小臂傳動機構(gòu)示意3.1.3腕部及其關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

腕部是機器人本體的末端,用來連接末端執(zhí)行器,其主要作用是在臂部運動的基礎(chǔ)上確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。3.1機器人本體結(jié)構(gòu)具有3個自由度的腕部腕部的3個驅(qū)動電動機和傳動系統(tǒng)安裝在機器人小臂的后部,這樣既降低了腕部的尺寸,又可利用電動機的重量作為配重,起到一定的平衡作用。關(guān)節(jié)4的運動是腕轉(zhuǎn)運動,關(guān)節(jié)5的運動是腕擺運動,關(guān)節(jié)6的運動是腕捻運動

機器人末端執(zhí)行器的運動是由機器人各個關(guān)節(jié)的運動合成的。每個關(guān)節(jié)均有一個驅(qū)動機構(gòu)。3.2.1關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)是機器人在連桿接合部位形成的運動副。根據(jù)運動方式,機器人的關(guān)節(jié)分為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)兩種。焊接機器人的關(guān)節(jié)一般是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),它既是基座與臂部、上臂與小臂、小臂與腕部的連接機構(gòu),又在各個部分之間傳遞運動。3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)由轉(zhuǎn)軸、軸承和驅(qū)動機構(gòu)構(gòu)成。根據(jù)驅(qū)動機構(gòu)與轉(zhuǎn)軸的布置形式,轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)又可分為同軸式、正交式、外部安裝式和內(nèi)部安裝式等幾種。同軸式轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)軸同軸,其優(yōu)點是定位精度高,但需要使用小型減速器,并增加臂部的剛性。正交式轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動機構(gòu)、轉(zhuǎn)軸垂直。這種關(guān)節(jié)的減速機構(gòu)可安裝在基座上,適用于臂部結(jié)構(gòu)要求緊湊的機器人。外部安裝式轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的驅(qū)動機構(gòu)安裝在關(guān)節(jié)外部,適用于重型機器人。內(nèi)部安裝式轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的驅(qū)動電動機和減速機構(gòu)均安裝在關(guān)節(jié)內(nèi)部。3.2.1關(guān)節(jié)根據(jù)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的不同,轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)有柱面關(guān)節(jié)和球面關(guān)節(jié)兩種。焊接機器人常用球面關(guān)節(jié)。球面關(guān)節(jié)中的球軸承可承受徑向和軸向載荷,具有摩擦系數(shù)小、軸和軸承座剛度要求低等優(yōu)點。普通向心球軸承與向心推力球軸承的每個球和滾道之間為兩點接觸,這兩種軸承必須成對使用。四點接觸球軸承的滾道是尖拱式半圓,球與滾道之間有四個接觸點,可通過控制兩滾道之間的過盈量實現(xiàn)預(yù)緊，具有結(jié)構(gòu)緊湊、游隙小、承載能力大、剛度大等優(yōu)點,但成本較高。

3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)3.2.2驅(qū)動裝置（1）驅(qū)動裝置分類根據(jù)動力源的類型,機器人的驅(qū)動裝置可分為液壓式、氣動式、電動式等幾種：液壓式驅(qū)動裝置：利用電動機驅(qū)動的高壓流體泵,如柱塞泵、葉片泵等作為動力。其優(yōu)點是功率大、無需減速裝置、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度好、響應(yīng)快、精度高等,缺點是易產(chǎn)生液壓油泄漏、維護費用高、適用的溫度范圍小(30~80℃)等,一般用于大型重載機器人。焊接機器人一般不用這種

氣動式驅(qū)動裝置：是以氣缸為動力源。其優(yōu)點是簡單易用、成本低、清潔、響應(yīng)速度快等;缺點是功率小、剛度差、精度低、速度不易控制、噪聲大等。電動式驅(qū)動裝置:是利用各種電動機產(chǎn)生的力或力矩來驅(qū)動機器人關(guān)節(jié),實現(xiàn)末端執(zhí)行器位置、速度和加速度控制的。焊接機器人通常使用這種驅(qū)動方式。它具有啟動速度快、調(diào)節(jié)范圍寬、過載能力強、精度高、維護成本低等優(yōu)點,但一般不能直接驅(qū)動,需要利用傳動裝置進行減速。3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)3.2.2驅(qū)動裝置（2）驅(qū)動電動機電動式驅(qū)動裝置采用的驅(qū)動元件有直流伺服電動機、交流伺服電動機或步進電動機等幾種。關(guān)節(jié)驅(qū)動電動機通常要求具有較大的功率質(zhì)量比和轉(zhuǎn)矩慣量比、大的啟動轉(zhuǎn)矩、大的轉(zhuǎn)矩、低的慣量、高的響應(yīng)速度、寬廣的調(diào)速范圍、較大的短時過載能力，因此，焊接機器人多采用伺服電動機。步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)多用于對精度、速度要求不高的小型簡易機器人。（3）伺服電動機及驅(qū)動器的工作原理伺服電動機是綜合利用接收和發(fā)出的電脈沖進行定位的。它接收1個脈沖,就轉(zhuǎn)動一定的角度;同時,每旋轉(zhuǎn)這個角度,也會發(fā)出一個脈沖。這樣,控制系統(tǒng)通過比較發(fā)出的脈沖和收到的脈沖數(shù)量來發(fā)現(xiàn)誤差并調(diào)整誤差,形成閉環(huán)控制,實現(xiàn)更精確的定位。其定位精度可達0.001mm。伺服電動機分為直流（DC）伺服電動機和交流(AC)伺服電動機兩種。3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)3.2.2驅(qū)動裝置（3）伺服電動機及驅(qū)動器的工作原理1)伺服電動機的工作原理直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理與小容量普通他勵直流電動機類似。主要區(qū)別有兩點:一是直流伺服電動機的電樞電流很小,換向容易,無需換向極;二是直流伺服電動機的轉(zhuǎn)子細長、氣隙小,因此,電樞電阻較大,磁路不飽和。直流伺服電動機有有刷和無刷兩種。有刷電動機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、啟動轉(zhuǎn)矩較大,但由于其功率體積比不大、需要維護、轉(zhuǎn)速不高、熱慣性大,而且還會引發(fā)電磁干擾，無刷電動機體積小、轉(zhuǎn)矩更大、慣性小、響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)動平滑穩(wěn)定,但控制線路較復(fù)雜。交流伺服電機又分為永磁同步型AC伺服電動機和異步型AC伺服電動機兩種。永磁同步型交流電動機運行平穩(wěn)、低速伺服性能好，是焊接機器人目前最常用的類型。3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)3.2.2驅(qū)動裝置（3）伺服電動機及驅(qū)動器的工作原理1)伺服電動機的工作原理3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)永磁同步型交流伺服電動機結(jié)構(gòu)永磁同步型交流伺服電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成。定子鐵芯由硅鋼片疊加而成定子凹槽中裝有勵磁繞組和控制繞組,這兩個繞組在空間上相差90°,前者由交流勵磁電源供電,后者用于接入控制電壓信號。轉(zhuǎn)子是由高矯頑力稀土磁性材料制成的永久磁極。伺服電動機的非負載端蓋上裝有光電編碼器,用來輸出反饋脈沖;伺服電動機的驅(qū)動器可將收到的脈沖數(shù)與發(fā)出的脈沖數(shù)進行比較,根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度,控制位移精度。定子控制繞組上未施加控制電壓時,定子內(nèi)的氣隙中只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場,轉(zhuǎn)子靜止不動;當(dāng)控制繞組上施加控制電壓,且控制繞組的電流與勵磁繞組的電流不同相時,定子內(nèi)的氣隙中產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場,驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向同步旋轉(zhuǎn)。在一定的負載下,電動機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的增大而增大;當(dāng)控制電壓消失時,轉(zhuǎn)子即刻停止轉(zhuǎn)動;而當(dāng)控制電壓反相時,伺服電動機將反轉(zhuǎn)。3.2.2驅(qū)動裝置（3）伺服電動機及驅(qū)動器的工作原理2)永磁同步型交流電動機驅(qū)動器的工作原理交流伺服驅(qū)動器又稱交流伺服控制器,由伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、各種接口及反饋系統(tǒng)等組成。新型交流伺服驅(qū)動器是利用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制核心，智能功率模塊(IPM)作為功率驅(qū)動單元，增量式光電編碼器(碼盤)作為測速和位移傳感器。其采用了轉(zhuǎn)矩(電流)、速度、位置三種閉環(huán)控制方式,確保伺服電動機實現(xiàn)高精度定位和穩(wěn)定性。3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)交流伺服驅(qū)動器的組成交流伺服驅(qū)動器的閉環(huán)控制3.2.3傳動裝置（1）直線傳動裝置直線傳動方式可用于直角坐標型機器人的X、Y、Z向驅(qū)動,圓柱坐標結(jié)構(gòu)的徑向驅(qū)動和垂直升降驅(qū)動以及球坐標結(jié)構(gòu)的徑向伸縮驅(qū)動。直線傳動裝置有齒輪齒條傳動、滾珠絲杠副傳動等幾種方式。3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)齒輪齒條傳動：結(jié)構(gòu)簡單、可傳遞的動力和功率大、傳動比大、精度高、穩(wěn)定可靠;但要求較高的安裝精度,且回差較大.滾珠絲杠副傳動:由絲杠和螺母構(gòu)成,在絲杠和螺母的螺旋槽內(nèi)嵌入了滾珠,并通過螺母中的導(dǎo)向槽使?jié)L珠能連續(xù)循環(huán),其優(yōu)點是摩擦力小、傳動效率高、精度高,缺點是制造成本高、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。3.2.3傳動裝置（2）旋轉(zhuǎn)傳動裝置3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)齒輪鏈傳動裝：通過鏈條將主動鏈輪的運動傳遞到從動鏈輪。傳遞能量大、過載能力強、平均傳動比較準確,但穩(wěn)定性差、傳動元件易磨損、易跳齒,因此在焊接機器人中應(yīng)用較少。同步帶傳動：是利用傳動帶內(nèi)表面上等距分布的橫向齒和帶輪上對應(yīng)齒槽之間的嚙合來傳遞運動的。無滑動、傳動平穩(wěn)、緩沖作用好、噪聲小、成本低、重復(fù)定位精度高、傳動比大、傳動速度快,因此在機器人中應(yīng)用較多。是安裝精度要求高,且具有一定的彈性變形。齒輪鏈傳動同步帶傳動3.2.3傳動裝置（2）旋轉(zhuǎn)傳動裝置3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)諧波齒輪：由剛性內(nèi)齒輪(簡稱剛輪)、諧波發(fā)生器和柔性外齒輪(簡稱柔輪)三個主要部件組成。優(yōu)點是傳動比大(單級60~320)、體積小、傳動平穩(wěn)、噪聲小、承載能力大、傳動效率高(、傳動精度高回差小、便于密封、維修和維護方便;但不能獲得中間輸出,而且柔輪剛度較低。諧波齒輪減速器在工業(yè)機器人中應(yīng)用非常廣泛,主要用在機器人手腕關(guān)節(jié)上。RV擺線針輪減速器：由兩級減速機構(gòu)組成，第1級減速機構(gòu)為漸開線圓柱齒輪行星減速機構(gòu)。。第2級減速機構(gòu)為擺線針輪行星減速機構(gòu)。結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、轉(zhuǎn)矩大、剛性好、傳動比范圍大、精度高、回程間隙小、慣性小、耐過載沖擊荷載能力強，具有良好的加速性能,易于實現(xiàn)平穩(wěn)的運轉(zhuǎn)和良好的定位精度。目前這種減速器廣泛用在了機器人的各個關(guān)節(jié)上。3.3.1機器人控制系統(tǒng)的作用如果說機器人本體相當(dāng)于人的手臂,則其控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦。它可接收來自外界的指令及信息,對這些指令和信息進行處理和判斷形成控制指令,向機器人本體發(fā)出動作指令,控制機器人各個關(guān)節(jié)協(xié)同動作,實現(xiàn)預(yù)期的運動位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序等。機器人控制系統(tǒng)還具有如下作用：①記憶功能：存放關(guān)節(jié)運動信息、位置姿態(tài)信息以及控制系統(tǒng)運行信息。②示教及編程功能：配合示教器進行示教,完成示教后編輯成一定的程序進行保存。③與外圍設(shè)備聯(lián)系的功能：通過輸入和輸出接口、通信接口與外圍設(shè)備通信。④傳感器接口：用于連接各種傳感器。⑤位置伺服功能：機器人的運動控制、速度和加速度控制等工作都依賴于位置伺服功能。⑥故障診斷安全保護功能。3.3機器人控制系統(tǒng)3.3.2機器人控制系統(tǒng)軟件機器人控制系統(tǒng)由計算機硬件和軟件兩部分組成。1)控制器系統(tǒng)軟件其類似于計算機的操作系統(tǒng)。該軟件主要實現(xiàn)硬件抽象描述、底層驅(qū)動程序管理、共用功能的執(zhí)行、程序間消息的傳遞、程序包管理等,同時還提供用于編寫和執(zhí)行程序的一些工具與函數(shù)等。2)機器人專用語言編譯軟件機器人專用語言也稱機器人編程語言,是機器人和用戶交流的工具。用戶可通過專用語言編寫程序來控制機器人執(zhí)行任務(wù)。目前還沒有完全統(tǒng)一的機器人專用語言。機器人專用語言主要有兩類:①面向機器人的專用語言：其主要特點是利用語句描述機器人的動作序列。②面向任務(wù)的機器人專用語言：這種語言允許用戶發(fā)出直接命令。3.3機器人控制系統(tǒng)3.3.2機器人控制系統(tǒng)軟件3)機器人運動學(xué)軟件在示教或工作過程中,機器人運動學(xué)軟件可根據(jù)需要進行運動學(xué)正問題和逆問題的求解計算,控制各個關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動,通過各個關(guān)節(jié)的運動合成末端執(zhí)行器的運動姿態(tài)。4)動力學(xué)軟件其用于動力學(xué)正問題和逆問題的求解計算,控制運動精度。5)機器人控制軟件該軟件對各類關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制,以實現(xiàn)期望的位資和運動。6)機器人自診斷軟件7)自保護功能軟件3.3機器人控制系統(tǒng)3.3.2機器人控制系統(tǒng)軟件3.3.3機器人控制系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)硬件由控制器、執(zhí)行器、被控對象和檢測傳感單元四部分組成，其基本控制原理是檢測被控量的實際輸出值,將實際值與給定輸入值進行比較,利用偏差值形成控制信號,發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)以消除偏差,機器人的控制方式有點位控制、軌跡控制、程序控制、自適應(yīng)控制、智能控制及人工智能控制等幾種。點位控制只控制機器人末端執(zhí)行器起始和終止位置的位姿,而不控制路徑,大部分點焊機器人采用這種控制方式。3.3機器人控制系統(tǒng)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖3.3.3機器人控制系統(tǒng)硬件控制系統(tǒng)硬件由控制器、執(zhí)行器、被控對象和檢測傳感單元四部分組成，其基本控制原理是檢測被控量的實際輸出值,將實際值與給定輸入值進行比較,利用偏差值形成控制信號,發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)以消除偏差,機器人的控制方式有點位控制、軌跡控制、程序控制、自適應(yīng)控制、智能控制及人工智能控制等幾種。點位控制只控制機器人末端執(zhí)行器起始和終止位置的位姿,而不控制路徑,大部分點焊機器人采用這種控制方式。3.3機器人控制系統(tǒng)工業(yè)機器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖3.3.3機器人控制系統(tǒng)硬件控制器是控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)控制算法的處理方式不同,其分為串行、并行兩種結(jié)構(gòu)類型。1)串行結(jié)構(gòu)控制器串行結(jié)構(gòu)控制器實際上就是由串行機處理機器人控制算法的一種控制器,根據(jù)采用的CPU數(shù)量,可分為三種：①單CPU控制器用1個CPU實現(xiàn)全部控制功能,采用的是集中控制方式。②雙CPU控制器采用2個CPU,以主從方式進行控制。兩個CPU共用一個內(nèi)存,交換數(shù)據(jù)都通過該內(nèi)存。③多CPU控制器利用多個CPU,通過上、下位機進行二級分布式控制，上位機負責(zé)整個系統(tǒng)的組織管理，下位機由多個CPU組成,負責(zé)進行實時控制。3.3機器人控制系統(tǒng)上、下位機二級分布控制式控制器3.3.3機器人控制系統(tǒng)硬件2)并行結(jié)構(gòu)控制器并行結(jié)構(gòu)控制器是將算法映射到并行結(jié)構(gòu)的CPU,進行機器人運動學(xué)和動力學(xué)的并行計算。其有兩種實現(xiàn)方式:第一種是基于現(xiàn)有并行處理器結(jié)構(gòu),開發(fā)并行算法;第二種是首先開發(fā)算法的并行性,然后設(shè)計支持該算法的并行處理器結(jié)構(gòu),實現(xiàn)最佳并行效率。目前，并行結(jié)構(gòu)控制器的應(yīng)用尚不廣泛。3.3機器人控制系統(tǒng)3.3.4機器人控制器用微型計算機（1）單片機單片機也稱微控制器(MCU),是集成在單塊芯片上的完善的微型計算機系統(tǒng)，這種芯片采用超大規(guī)模集成技術(shù),集成了中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、必要的I/O接口、中斷系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換器、定時器/計數(shù)器等。3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)單片機實物及結(jié)構(gòu)組成框圖3.3.4機器人控制器用微型計算機（1）單片機單片機的CPU和PC機的CPU一樣,由運算器、控制器和寄存器構(gòu)成；運算器負責(zé)數(shù)據(jù)處理和計算,控制器負責(zé)發(fā)出控制信號,而寄存器用于暫時存放數(shù)據(jù)信息和控制信息。單片機中的ROM和RAM分別對應(yīng)PC機的硬盤和內(nèi)存，用于儲存數(shù)據(jù)。通過遍布其四周的引腳連接外部設(shè)備。通過大量的引腳同時進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞椒Q為并行通信。單片機中設(shè)有時鐘電路、定時/計數(shù)器和中斷系統(tǒng),它們和控制器一起保證了整個單片機的有序運行。程序運行過程中出現(xiàn)需要緊急處理的特殊情況時或者先權(quán)更高的任務(wù)需要處理時,處理器就會自動停止當(dāng)前的操作,并轉(zhuǎn)而進行新的任務(wù)處理,處理完畢后又返回之前被暫停的程序位置繼續(xù)運行,這種控制方式稱為中斷控制。單片機完成指定的任務(wù)是通過執(zhí)行程序來實現(xiàn)的,而單片機的程序是由一條條指令構(gòu)成的。單片機主要面向?qū)崟r控制,而PC機主要面向數(shù)據(jù)處理。3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)3.3.4機器人控制器用微型計算機（2）ARM嵌入式計算機ARM類嵌入式計算機是芯片制造商利用ARM公司的內(nèi)核架構(gòu)研發(fā)生產(chǎn)的一類單片機。ARM內(nèi)核采用了精簡指令集(RISC)。所謂精簡指令,是指能夠在高時鐘頻率下單周期內(nèi)完成操作的簡單、高效指令。使用這種指令集時,復(fù)雜的任務(wù)通過軟件設(shè)計調(diào)用更多的指令來完成,由于軟件的靈活性比硬件大,因此這種架構(gòu)的微型計算機具有體積小、功耗低、成本低、控制性能好等優(yōu)點。（3）AVR單片機AVR單片機是基于RISC的高速8位單片機。其采用的精簡指令集是利用字長作為指令長度單位,也就是說操作數(shù)與操作碼均安排在一個字之中。大多數(shù)指令都是單周期指令,而且還可預(yù)取指令,進行流水作業(yè),因此執(zhí)行速度極快,且可靠性極強。3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)3.3.4機器人控制器用微型計算機（2）AVR單片機它有如下特點：①硬件和軟件結(jié)構(gòu)簡單,在很低的軟/硬件成本下保證了很快的執(zhí)行速度和很高的可靠性,②內(nèi)嵌便于擦寫的Flash程序存儲器,便于用戶進行產(chǎn)品開發(fā)、調(diào)試和生產(chǎn)。③內(nèi)嵌EEProm,可長期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù),避免斷電丟失。④內(nèi)嵌大容量RAM,并且可擴展外部RAM,因此,可利用高級語言開發(fā)系統(tǒng)程序。⑤由于中斷服務(wù)時間短、串口功能強因此,不但通信速度快,而且可實現(xiàn)多機通信。⑥具有硬件產(chǎn)生校驗碼、硬件檢測和校驗偵錯、兩級接收緩沖、波特率自動調(diào)整定位等，通信可靠性高。⑦配有多個復(fù)位源、看門狗電路、掉電檢測電路,提高了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。3.2焊接機器人關(guān)節(jié)及其驅(qū)動機構(gòu)Cortex-M3嵌入式計算機芯片結(jié)構(gòu)框圖1.工業(yè)機器人本體由幾部分構(gòu)成?各起著什么作用?2.什么是關(guān)節(jié)?常用的焊接機器人有哪些關(guān)節(jié)?各個關(guān)節(jié)的作用是什么?3.機器人位置精度和運動精度的影響因素有哪些?4.焊接機器人的腰關(guān)節(jié)位于哪個部位?通常采用哪種支撐結(jié)構(gòu)?5.焊接機器人的各個關(guān)節(jié)通常采用什么驅(qū)動方式?采用哪種驅(qū)動裝置?有何特點?6.焊接機器人的關(guān)節(jié)可用的電動驅(qū)動元件有哪些?最常用的是哪種?為什么?7.簡述焊接機器人伺服電動機驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)及工作原理。8.工業(yè)機器人的傳動裝置有哪些?各有何特點?9.焊接機器人常用哪種傳動裝置?為什么?10.簡述機器人控制系統(tǒng)的組成。11.機器人控制系統(tǒng)的軟件有哪些?各起著什么作用?12.機器人控制器的結(jié)構(gòu)形式有幾種?焊接機器人常用的結(jié)構(gòu)形式是哪種?為什么?13.機器人控制器常用的微型計算機有幾種?各有何特點?習(xí)題V機器人本體及控制系統(tǒng)第四章4.1.1位移傳感器位移傳感器可用來測量關(guān)節(jié)的角位移或線位移,也可用來測量速度。機器人中常用的位移傳感器有電阻式位移傳感器和光電編碼器兩種。（1）電阻式位移傳感器電阻式位移傳感器可把位置變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓娮枋轿灰苽鞲衅鲗嶋H上就是高精度

滑動變阻器，被測量對象的位移導(dǎo)致滑動觸頭

移動,觸頭的移動距離正比于被測對象的移動距

離,這樣觸頭變化前后的電阻值與總電阻之比就

反映了位置變化量。電阻式位移傳感器的輸出

信號Vout可用下式計算：4.1內(nèi)部傳感器Vp為電源輸入電壓;R為傳感器的總電阻;Ri為反映位移量的電阻;xp為最大位移,x為位移量。電阻式位移傳感器原理4.1.1位移傳感器（1）電阻式位移傳感器作為位移傳感器的滑動電阻器通常使用導(dǎo)電塑料式電阻器(也稱噴鍍薄膜式電阻器,通常噴鍍碳膜)。這種電阻器的優(yōu)點是尺寸小、成本低、輸出連續(xù)、精度高、噪聲低、掉電后位置信息不會失去。電阻式位移傳感器可用來檢測關(guān)節(jié)或連桿的位置。由于滑動觸點對電阻鍍膜層表面的磨損作用，這種電阻式位移傳感器的可靠性和壽命有限，因此已逐漸被成本不斷降低的光電編碼器取代。聯(lián)合使用電阻式位移傳感器和編碼器可顯著提高檢測精度,并降低輸入要求;電阻式位移傳感器負責(zé)檢測起始位置,而編碼器負責(zé)檢測運動過程中的當(dāng)前位置。4.1內(nèi)部傳感器電阻式位移傳感器實物4.1.1位移傳感器（2）光電編碼器光電編碼器是焊接機器人關(guān)節(jié)最常用的位移傳感器,是一種通過光電轉(zhuǎn)換原理將位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號的裝置,有旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種：前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。焊接機器人上只使用了旋轉(zhuǎn)式編碼器。4.1內(nèi)部傳感器光電編碼器類型4.1.1位移傳感器（2）光電編碼器增量式光電編碼器由光柵盤、指示盤、發(fā)光器件和感光器件等組成。光柵盤是一個開有放射狀長孔的金屬盤,或者是一個涂有放射長條狀擋光涂層的透明塑料或玻璃盤；兩個相鄰?fù)腹饪字g的間距稱為一個柵節(jié),柵節(jié)的總數(shù)量稱為脈沖數(shù),是衡量光柵分辨率的指標。發(fā)光器件通常采用紅外發(fā)光管;感光器件通常采用硅光電池和光敏三極管等高頻光敏元件。4.1內(nèi)部傳感器旋轉(zhuǎn)式編碼器4.1.1位移傳感器（2）光電編碼器編碼器是利用兩套光電轉(zhuǎn)換裝置輸出相位差為90°的方波脈沖A、B相來判斷旋轉(zhuǎn)方向的。當(dāng)順時針方向旋轉(zhuǎn)時,A相信號導(dǎo)前B相信號90°;逆時針方向旋轉(zhuǎn)時,A相信號滯后B相信號90°。另外，增量式編碼器還設(shè)置了一個Z相脈沖(它為單圈脈沖,每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出一個脈沖,用于基準點定位)。增量式編碼器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長(機械平均壽命可在幾萬小時以上)、抗干擾能力強、可靠性好、精度高。其缺點是不能輸出電動機轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。通常需要利用一個接近開關(guān)來檢測機械零位,如果電動機帶動機械裝置觸發(fā)了接近開關(guān),則系統(tǒng)認為達到了零位,以該位置作為參考計算每一時刻的位置。絕對式編碼器可直接輸出表征位移量大小的數(shù)字量。它由多路光源(一般為發(fā)光二極管)、光電碼盤和光敏元件構(gòu)成。碼盤與伺服電動機同軸安裝,其一側(cè)布置光源,而在另一側(cè)對應(yīng)的碼道布置光敏元件。4.1內(nèi)部傳感器4.1.1位移傳感器（2）光電編碼器絕對式編碼器碼盤上設(shè)有若干同心碼道,每條碼道布置有相間的透光和不透光扇形區(qū)。碼道越多,精度越高,對于一個N位二進制編碼器,其碼盤應(yīng)有N條碼道。一個圓周方向上的扇形區(qū)數(shù)量稱為扇面數(shù),扇面數(shù)越大,分辨率越高。碼盤旋轉(zhuǎn)到某一特定位置時,每個光敏元件均會輸出相應(yīng)的電平信號。正對著透明區(qū)域的光敏元件導(dǎo)通,輸出低電平信號,表示二進制的“0”;而正對著不透明區(qū)域的光敏元件截止,輸出高電平信號。絕對式編碼器的優(yōu)點是能直接輸出指示位置的數(shù)字、沒有累積誤差、掉電后位置信息不會丟失。4.1內(nèi)部傳感器絕對式編碼器的結(jié)構(gòu)4.1.1位移傳感器（3）磁性編碼器磁性編碼器通常由磁盤或磁條、傳感器及控制電路三部分組成。磁盤或磁條運動時,傳感器檢測磁場變化,并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟芊从澄灰屏康碾娦盘枴Ｅc光電編碼器不同的是,磁性編碼器抗干擾能力強、皮實耐用。光電編碼器中的氣隙必須保持清潔和透明,而磁性編碼器對灰塵、污垢、油脂等污染物以及振動不敏感。1)磁性旋轉(zhuǎn)編碼器磁性旋轉(zhuǎn)編碼器由磁盤、讀取頭和控制電路組成。磁盤圓周裝有一定數(shù)量的磁極,磁盤轉(zhuǎn)動時,磁極產(chǎn)生的空間漏磁場會發(fā)生變化,該變化可反映位移的變化。磁極數(shù)量越多,其分辨率越高。4.1內(nèi)部傳感器絕對式編碼器的碼盤磁性旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)4.1.1位移傳感器（3）磁性編碼器1)磁性旋轉(zhuǎn)編碼器讀取頭一般采用感應(yīng)磁場變化的磁阻器件,也可采用感應(yīng)電壓變化的霍爾效應(yīng)器件。讀取頭可將檢測到的磁場變化轉(zhuǎn)換為電信號變化。而控制電路對該信號進行放大、分頻或內(nèi)插,生產(chǎn)反映位移量的數(shù)字信號輸出。4.1內(nèi)部傳感器磁性旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)2)線性磁編碼器線性磁編碼器是利用線性磁條來代替磁盤。其讀取頭可檢測磁條運動過程中因磁極位置變化,產(chǎn)生的磁場變化,以反映位置信息。絕對式線性磁編碼器磁條的每個位置均對應(yīng)一個唯一的二進制數(shù)字,用于讀取頭確定位置。增量式線性編碼器的磁條上設(shè)有一個或多個參考標記,用于斷電后歸位。4.1.2速度傳感器和加速度傳感器速度傳感器用來檢測機器人關(guān)節(jié)的運動速度。在使用光電編碼器作為位移傳感器時,通常無需使用速度傳感器,因為利用單位時間間隔內(nèi)的角位移可直接計算出機器人的運動速度。測速發(fā)電機是將速度轉(zhuǎn)換成電壓信號的裝置。輸出電壓u與測量的速度n成正比。將測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子與機器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動電動機的驅(qū)動軸同軸連接,即可測出機器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動速度。加速度傳感器是測量機器人關(guān)節(jié)加速度的裝置。焊接機器人的運動速度和加速度通常較小,因此一般不使用加速度傳感器。4.1內(nèi)部傳感器測速發(fā)電機原理4.1.3力傳感器力或力矩傳感器有電阻應(yīng)變片式、壓阻式、壓電式、電容式、電感式等幾種。無論哪種力傳感器,其工作原理都是先利用彈性元件把力或力矩轉(zhuǎn)換成位移量或變形量,再利用某種傳感元件將位移量或變形量轉(zhuǎn)換成電信號輸出。電阻應(yīng)變片式和壓阻式力傳感器的工作原理類似,都是利用力或力矩作用,敏感元件的電阻變化來引起電信號變化,通過電信號變化來確定力或力矩的大小。電阻應(yīng)變片式傳感器的敏感元件是金屬箔片或金屬絲,通過力的作用幾何尺寸的變化引起電阻的變化;而壓阻式傳感器的敏感元件是半導(dǎo)體,通過力的作用電阻率的變化引起電阻的變化。由于在壓力作用下,敏感元件的電阻變化都較小,因此,這兩種傳感器中的敏感元件通常連接成電橋,通過外力作用下電橋的不平衡輸出來反映外力的大小,提高檢測精度。壓阻式傳感器的敏感元件(通常稱為基片,或稱膜片)材料主要為硅片和鍺片。壓阻式傳感器的精度高、響應(yīng)速度快、可靠性好,但溫度影響較大,必須進行溫度補償。壓電式傳感器是利用晶體材料的壓電效應(yīng)來測量力的大小,常用的壓電晶體材料有石英和鈦酸鋇等。4.1內(nèi)部傳感器4.2外部傳感器外部傳感器是檢測機器人所處環(huán)境及狀況的傳感器。焊接機器人可利用這類傳感器檢測外部環(huán)境條件的變化,并根據(jù)這種變化情況調(diào)整或校正焊接工藝參數(shù),確保焊接質(zhì)量。4.2.1接近傳感器（1）電渦流式接近傳感器電渦流式接近傳感器是依據(jù)交變磁場在金屬體內(nèi)引起的感應(yīng)渦流大小隨金屬體表面與線圈的距離變化而變化進行測量的，這種傳感器由探頭線圈、振蕩器、檢測電路和放大器等組成。4.1內(nèi)部傳感器電渦流式接近傳感器的測量原理電渦流式接近傳感器的組成框圖（2）光電式接近傳感器1)激光接近傳感器激光接近傳感器由激光發(fā)射器和激光接收器等組成,如圖4-12所示。這種傳感器的優(yōu)點是能實現(xiàn)遠距離的無接觸測量、速度快、精度高、量程大、抗光電干擾能力強等。激光接近傳感器可用作接近開關(guān),也可用作測距傳感器。在焊接機器人中其主要用作接激光接近傳感器可分為直接反射式、鏡面反射式、對射式、光纖式等幾種。4.1內(nèi)部傳感器激光接近傳感器的組成框圖（2）光電式接近傳感器1)激光接近傳感器直接反射式激光接近傳感器,其發(fā)射器發(fā)出的信號經(jīng)過被檢測物體反射回來,而接收器根據(jù)接收到的反射光束的變化情況來對被檢測物進行判斷。鏡面反射式激光接近傳感器,其發(fā)射器發(fā)出的光線由一個反射鏡反射回接收器,出現(xiàn)被檢測體時,被檢測物阻斷光線,接收器接收的反射信號發(fā)生變化。4.1內(nèi)部傳感器直接反射式激光接近傳感器的原理鏡面反射式激光接近傳感器的原理（2）光電式接近傳感器1)激光接近傳感器對射式激光接近傳感器,其接收器和發(fā)射器同軸放置,并直接接收發(fā)射器發(fā)出的光線,如果被檢測物體出現(xiàn),則被檢測物會阻斷發(fā)射器和接收器之間的光線,接收器接收的光信號發(fā)生變化。光纖式激光接近傳感器采用了塑料或玻璃光纖來傳導(dǎo)激光束,其特點是可對遠距離的被檢測物體進行檢測。4.1內(nèi)部傳感器對射式激光接近傳感器的原理（2）光電式接近傳感器1)激光接近傳感器2)紅外線接近傳感器紅外線接近傳感器由紅外光發(fā)射器和紅外光敏接收器組成。紅外光發(fā)射器用來發(fā)射經(jīng)調(diào)制的紅外光信號,紅外光信號投射出去后如果遇到被檢測物,則反射回來的能量會根據(jù)被檢測物的距離發(fā)生變化;紅外光敏接收器可對接收到的信號進行判斷,得出被檢測物的位置信息。這種傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快、體積小等優(yōu)點,可裝在機器人的末端執(zhí)行器上,易于檢測出工作空間內(nèi)是否存在外物。4.1內(nèi)部傳感器光纖式激光接近傳感器的原理（3）超聲波式接近傳感器超聲波是振動頻率高于20kHz的聲波,由于頻率高、波長短,因此具有繞射現(xiàn)象小、方向性好、反射回波強等特點。超聲波式接近傳感器由超聲波發(fā)生器、接收器和控制器等組成。根據(jù)發(fā)射器和接收器的布置形式,超聲波式傳感器又可分為反射式、對射式兩種。4.1內(nèi)部傳感器超聲波發(fā)生器用來沿著一定方向發(fā)射超聲波,并同時啟動計時器計時;超聲波在傳播途中碰到被檢測物時返回反射波,超聲波接收器收到反射波后立即停止計時。這種傳感器的特點是檢測速度快、測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便,因此應(yīng)用廣泛。在弧焊機器人中,超聲波式接近傳感器通常用來測距,一般不用作接近開關(guān)。超聲波式接近傳感器的優(yōu)點是對環(huán)境中的粉塵,被測物的透明度、表面顏色和表面油污均不敏感;其缺點是響應(yīng)速度較慢,而且環(huán)境風(fēng)速、溫度、壓力等均可影響測量精度。反射式超聲波接近傳感器的組成及基本原理4.2.2電弧電參數(shù)傳感器電弧電參數(shù)主要有焊接電流和電弧電壓。這兩個焊接工藝參數(shù)直接決定了焊接過程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量,機器人在焊接過程中通常需要對其進行實時測量并調(diào)控。焊接機器人中通常使用霍爾電流傳感器和電壓傳感器。傳感器采集的數(shù)據(jù)由主控計算機通過數(shù)據(jù)采集卡進行接收并處理。4.1內(nèi)部傳感器霍爾電流傳感器的原理原邊電流In(被測量的電流)產(chǎn)生的磁場可通過副邊電流Im產(chǎn)生的磁場進行補償,使得霍爾元件始終處于零磁通的狀態(tài)。N1和N2分別是原邊和副邊的線圈圈數(shù)。由于數(shù)據(jù)采集卡一般采集電壓信號,因此需要在副邊電流輸出端連接一個測量電阻Rm,將測量電阻兩端的電壓Um作為數(shù)據(jù)采集卡的電壓輸入?；魻栯娏鱾鞲衅鞯氖褂梅椒ǚ浅：唵?將焊接電纜從中心孔中穿過即可。4.2.2電弧電參數(shù)傳感器閉環(huán)霍爾電壓傳感器的工作原理與閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理基本相同,唯一的區(qū)別是霍爾電壓傳感器要先把被測電壓轉(zhuǎn)化為電流。這需要在輸入端接入一個限流電阻。原邊電流與被測電壓之間的比值由這個限流電阻Ri確定。電壓傳感器輸出端輸出的電流是通過電阻Rm轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞斔偷綌?shù)據(jù)采集卡中的。一般情況下,限流電阻Ri較大,電壓傳感器的輸入電流較小,產(chǎn)生的磁場強度也較小,因此其測量精度對周圍磁場比較敏感。在使用過程中,霍爾電壓傳感器應(yīng)盡量遠離載有焊接電流的電纜,防止焊接電流產(chǎn)生的磁場影響測量精度?；魻栯妷簜鞲衅鞯妮斎攵藨?yīng)分別連接焊槍的導(dǎo)電嘴和工件4.1內(nèi)部傳感器霍爾電壓傳感器的原理4.2.3焊縫跟蹤傳感器采用傳感器實時監(jiān)測相關(guān)幾何參數(shù)并及時對焊接參數(shù)作出相應(yīng)調(diào)整的方法可以間接地消除坡口尺寸和裝配誤差。這種控制分為兩大類:一類是通過偏差檢測及糾正操作使得電弧中心線始終對準坡口角平分線,這類控制稱為焊縫跟蹤控制;另一類是通過檢測坡口尺寸變化并使弧焊電源自動適應(yīng)這種變化,輸出適合當(dāng)前坡口尺寸的電參數(shù),保證焊縫成形質(zhì)量,這類控制稱為焊縫質(zhì)量自適應(yīng)控制。目前焊縫跟蹤傳感器應(yīng)用較多,而焊縫質(zhì)量自適應(yīng)控制傳感器還不是很常見。焊縫跟蹤傳感器有電弧式、機械接觸式、激光式、超聲式等幾種,應(yīng)用較廣的是電弧跟蹤傳感器和激光視覺傳感器。（1）電弧跟蹤傳感器電弧跟蹤傳感器是通過檢測焊接電弧自身的電信號來計算焊槍擺動中心點(TCP)行走軌跡和預(yù)期行走軌跡的偏差,用此偏差來控制電弧擺動裝置做出糾正的。4.1內(nèi)部傳感器4.2.3焊縫跟蹤傳感器（1）電弧跟蹤傳感器圖中x-y-z為工件坐標系,x方向為焊接方向;o-n-a為工具坐標系,TCP為擺動中心,也是工具坐標系的原點。焊槍一方面沿著x方向行走,另一方面在工具坐標系中以正弦波軌跡擺動。圖顯示出了擺動中心預(yù)期軌跡點。在理想情況下,工具坐標系的a軸位于坡口角的平分線上,擺動軌跡的兩個頂點與工件的距離相等。電弧跟蹤傳感器的基本原理是焊接電流的大小隨著導(dǎo)電嘴與工件的距離l變化而變化。式中,U、I、l分別為電弧電壓、焊接電流和弧長;β1、β2、β3和β4均為常數(shù)。熔化極氣體保護焊通常采用平特性電源,電弧電壓保持不變,因此,由式(4-2)可看出,其焊接電流隨著弧長的增大而減小。4.1內(nèi)部傳感器擺動中心點的理性軌跡4.2.3焊縫跟蹤傳感器（1）電弧跟蹤傳感器電弧沿著橫向(垂直于焊槍行走方向)擺動,焊接電流將周期性地發(fā)生變化。如果擺動中心位于預(yù)期軌跡上,即焊槍行走沒有偏差,則電流變化曲線遵循正弦波規(guī)律,每個1/4半波內(nèi)的電流平均值是恒定值(IL*=IR*=I*),。因此,利用相鄰兩個1/4半波平均電流的偏離量就可判斷是否偏離。如果有偏差,則電流變化曲線不再遵循正弦波規(guī)律,每個1/4半波內(nèi)的電流平均值將偏離I*。4.1內(nèi)部傳感器電弧跟蹤傳感器的原理4.2.3焊縫跟蹤傳感器（1）電弧跟蹤傳感器電弧跟蹤傳感器是目前焊接機器人最常用的實時跟蹤傳感器。這種傳感器具有如下優(yōu)點。①它是一種非接觸型傳感器,傳感精度不受工件表面狀態(tài)的影響;②它是通過檢測電弧本身電流的變化進行控制,因此不受弧光、煙氣的影響;③可進行高低和橫向兩維跟蹤;④在焊槍旁不需要附加裝置,不占用空間,焊槍的可達性不受影響;⑤成本較低。電弧跟蹤傳感器主要用于熔化極氣體保護焊,要求接頭形式為角接、厚板搭接(工件厚度大于2.5mm)或開有對稱坡口(V、U和Y形坡口等)的對接,不能用于I形坡口對接。其缺點是不能在起弧之前找到焊縫起點,而且影響電弧穩(wěn)定性的干擾因素都會影響傳感器的精度。對于短路過渡CO2氣體保護焊,焊接電流隨著電弧狀態(tài)的變化而變化,需要采取措施保證檢測信號的穩(wěn)定性。4.1內(nèi)部傳感器4.2.3焊縫跟蹤傳感器（1）電弧跟蹤傳感器電弧跟蹤傳感器的擺動頻率較低,通常小于5Hz,因此不能用于高速焊接和薄板的搭接。為了解決這一問題,研究人員提出了高速旋轉(zhuǎn)電弧法。將焊槍固定在偏心齒輪上,利用電動機帶動該偏心齒輪旋轉(zhuǎn),這樣電弧將會高速旋轉(zhuǎn),其旋轉(zhuǎn)頻率可達100Hz。TIG焊采用了陡降外特性電源,導(dǎo)電嘴到工件的距離發(fā)生變化時,焊接電流并不發(fā)生變化,而電弧電壓會發(fā)生變化。4.1內(nèi)部傳感器電弧跟蹤傳感器在管-管馬鞍形接頭焊接中的應(yīng)用4.2.3焊縫跟蹤傳感器如果擺動中心位于預(yù)期軌跡上焊槍行走沒有偏差。焊槍擺動到熔池前部邊緣Cf和后部邊緣Cr時,弧長最長,電弧電壓最大;而擺動到熔池左邊緣L和右邊緣R時,弧長最短,電弧電壓最小。焊槍每擺動一圈,電弧電壓的波形經(jīng)歷一個周期,而兩個半波是相同。如果焊槍的擺動中心偏離理想軌跡,即有偏差(比如偏向右側(cè))。電弧電壓的最大值相對于熔池前部邊緣Cf前移,而在熔池尾部邊緣Cr后移;而且焊槍旋轉(zhuǎn)一圈,電弧電壓變化周期的兩個半波是不對稱的,即相對于Cf點不對稱。通過求出Cf點左右兩邊相同時間間隔內(nèi)的電弧電壓積分就可判斷偏差量,利用該偏差量可進行糾偏控制。4.1內(nèi)部傳感器高速旋轉(zhuǎn)電弧跟蹤傳