自動(dòng)焊縫跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)樣本

自動(dòng)焊縫跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：本文簡(jiǎn)介了一種基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器焊接機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)采用慣量小，成本低，靈活性大新型十字滑塊系統(tǒng)作為機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)電弧傳感器位置精度高，焊縫偏差小，使用各類焊縫類型；配合步進(jìn)電機(jī)完畢整個(gè)系統(tǒng)位移單元傳動(dòng)，并進(jìn)行位置伺服。環(huán)境預(yù)檢測(cè)系統(tǒng)完畢工作環(huán)境檢測(cè)，保證系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)，DSP主控系統(tǒng)完畢整個(gè)系統(tǒng)管理和控制，并設(shè)計(jì)了涉及軟件保護(hù)，機(jī)械限位保護(hù)，報(bào)警保護(hù)，電源管理保護(hù)在內(nèi)各種保護(hù)辦法。為了以便系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)，預(yù)留了原則串口和以太網(wǎng)接口，可以以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展升級(jí)。核心詞：焊縫跟蹤；旋轉(zhuǎn)電弧傳感器；位置伺服；十字滑塊目錄1項(xiàng)目背景 12設(shè)計(jì)規(guī)定和需求分析 13系統(tǒng)總指標(biāo)分析 23.1系統(tǒng)靜態(tài)指標(biāo) 23.2系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo) 23.3運(yùn)動(dòng)精度指標(biāo) 23.4智能性指標(biāo)分析 23.5可擴(kuò)展性指標(biāo)分析 23.6應(yīng)用指標(biāo) 23.7環(huán)境規(guī)定 23.8裝配指標(biāo)分析 34模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)和方案分析 34.1總體設(shè)計(jì)方案 34.2主控系統(tǒng)指標(biāo)分析和方案比較 44.3機(jī)械構(gòu)造指標(biāo)分析和方案比較 44.4反饋系統(tǒng)模塊指標(biāo)分析和方案比較 64.5運(yùn)動(dòng)控制模塊指標(biāo)分析和方案比較 74.6機(jī)械保護(hù)模塊指標(biāo)分析和方案比較 74.7環(huán)境檢測(cè)保護(hù)模塊指標(biāo)分析和方案比較 74.8接口擴(kuò)展模塊指標(biāo)分析和方案比較 84.9電源管理模塊指標(biāo)分析和方案比較 84.10焊接指標(biāo)分析與方案論證 95硬件系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn) 95.1總控制核心系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 95.2機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)造方案實(shí)現(xiàn) 105.3反饋系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn) 135.3.1電弧傳感器分類及選型 135.3.2旋轉(zhuǎn)電弧傳感器構(gòu)造與工作原理 165.3.3跟蹤與糾偏原理 175.4運(yùn)動(dòng)控制模塊方案實(shí)現(xiàn) 195.4.1步進(jìn)電機(jī)選用 195.4.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用 215.4.3直線步進(jìn)電機(jī)選用 225.4.4直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用 235.5機(jī)械保護(hù)模塊方案實(shí)現(xiàn) 245.6環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 245.7接口擴(kuò)展模塊方案實(shí)現(xiàn) 265.8電源管理模塊方案實(shí)現(xiàn) 285.9報(bào)警模塊方案實(shí)現(xiàn) 296軟件控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn) 306.1傳感器控制算法和模型 306.1.1傳感器與系統(tǒng)初始化 306.1.2傳感器算法分析 306.1.3電弧長(zhǎng)度模型與平面擬合算法分析 326.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法 347成本預(yù)計(jì) 348項(xiàng)目總結(jié)與改進(jìn) 358.1項(xiàng)目總結(jié) 358.2.1旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器問(wèn)題與改進(jìn) 358.2.2系統(tǒng)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信 358.2.3系統(tǒng)可移植性改進(jìn) 369心得體會(huì) 36參照文獻(xiàn)： 37附件分工明細(xì) 371項(xiàng)目背景焊接是一門(mén)材料連接技術(shù)，通過(guò)某種物理化學(xué)過(guò)程使分離材料產(chǎn)生原子或者分子間作用力而連接在一起，隨著焊接技術(shù)不斷發(fā)展，它在生產(chǎn)中應(yīng)用日趨廣泛，到當(dāng)前為止已經(jīng)成為一種重要加工手段。從尋常生活用品，如家用電器、水暖設(shè)備等生產(chǎn)到飛機(jī)、潛艇、火箭、飛船等尖端科技產(chǎn)品都離不開(kāi)高效率、當(dāng)代化焊接技術(shù)，進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量、改進(jìn)勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率已經(jīng)成為所有焊接工作者強(qiáng)烈愿望，而采用自動(dòng)控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)上述對(duì)的途徑。焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)研究作為焊接領(lǐng)域一種重要方面，為了進(jìn)行精準(zhǔn)自動(dòng)焊接，必要進(jìn)行焊縫自動(dòng)跟蹤。國(guó)外關(guān)于焊接實(shí)時(shí)跟蹤控制研究重要集中在焊接傳感器選取以及控制辦法改進(jìn)上。1985年保加利亞D.Lakov提出了用模糊模型來(lái)描述弧焊過(guò)程不擬定性，借助于配備非接觸式激光傳感器，用模糊控制推理對(duì)示教機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)計(jì)、預(yù)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)焊縫自動(dòng)跟蹤。1989年日本S.Mursaami等研究了運(yùn)用電弧傳感弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤模糊控制，該控制系統(tǒng)依照焊槍振幅位置同焊絲與工件距離關(guān)系判斷焊點(diǎn)水平和垂直位移，并在強(qiáng)烈弧光、高溫、煙所如下，采用基于語(yǔ)言規(guī)則模糊濾波器和模糊控制器來(lái)設(shè)計(jì)焊縫跟蹤控制系統(tǒng)，獲得了較好效果。美國(guó)Ohio州Motoman公司推出了一種最高可以在60in_/min(152cm/min)焊接速度下進(jìn)行焊縫跟蹤電弧傳感跟蹤系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)對(duì)焊縫跟蹤控制技術(shù)研究起步較晚。80年代末以清華大學(xué)潘際鑾院士為首課題組在旋轉(zhuǎn)電弧傳感器方面做了大量研究，并獲得了有價(jià)值成果。1993年清華大學(xué)博士廖寶劍在博士生費(fèi)躍家研究基本上，研制成功了一種空心軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)掃描傳感器，并獲得了國(guó)家專利。此后江西大學(xué)在此基本上在小型化和減震方面做了進(jìn)一步研究，并做了進(jìn)行一步改進(jìn)，并制造了樣機(jī)。清華大學(xué)吳世德博士論文較系統(tǒng)研究了電弧傳感器信息解決技術(shù)，通過(guò)空間變換，進(jìn)行了掃描電弧傳感器信號(hào)頻域特性分析，提出了特性濾波向量電弧傳感信號(hào)解決辦法。2設(shè)計(jì)規(guī)定和需求分析眾所周知,焊工可以通過(guò)眼睛或者工業(yè)電視觀測(cè)焊接熔池來(lái)對(duì)工件或焊槍進(jìn)行調(diào)節(jié)并能達(dá)到很高精度。但是這依賴于焊工個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、帶有主觀性、勞動(dòng)強(qiáng)度大、并受煙塵和弧光影響,也會(huì)產(chǎn)生偏差。因而，很有必要實(shí)現(xiàn)焊縫偏差自動(dòng)控制。但在實(shí)際生產(chǎn)中,由于工件加工、安裝誤差,以及工件熱變形等使得焊接過(guò)程是一種復(fù)雜過(guò)程，具備時(shí)變、非線性及干擾因素多等特點(diǎn)：（1）耐強(qiáng)光，耐熱。所設(shè)計(jì)跟蹤焊接裝置應(yīng)當(dāng)可以在焊接時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)光、強(qiáng)熱環(huán)境下正常工作。（2）高精度。為了保證焊接零件加工質(zhì)量并提高效率，一方面要保證系統(tǒng)定位精度和加工精度。因而，在跟蹤系統(tǒng)各軸位置控制中規(guī)定有高定位精度，即在mm數(shù)量級(jí)內(nèi)。而在速度控制中，規(guī)定有高調(diào)速精度、強(qiáng)抗負(fù)載擾動(dòng)能力，也即規(guī)定靜態(tài)和動(dòng)態(tài)速降盡量??；

（3）快響應(yīng)。規(guī)定系統(tǒng)有良好迅速響應(yīng)特性，即規(guī)定跟蹤指令信號(hào)響應(yīng)要快，位置跟蹤誤差（位置跟蹤精度）要??；

（4）低速大轉(zhuǎn)矩。依照加工特點(diǎn)，大都是在中低速負(fù)重狀態(tài)下工作，這樣，既規(guī)定在低速時(shí)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)有大轉(zhuǎn)矩輸出又規(guī)定轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。3系統(tǒng)總指標(biāo)分析作為一種工業(yè)用焊接機(jī)器人，在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)候，先對(duì)其規(guī)定指標(biāo)進(jìn)行分析和制定。3.1系統(tǒng)靜態(tài)指標(biāo)對(duì)于焊接機(jī)器人系統(tǒng)，其靜態(tài)指標(biāo)是指機(jī)器人處在正常焊接運(yùn)營(yíng)狀態(tài)時(shí)，對(duì)于控制系統(tǒng)所給指令，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，可以做到無(wú)偏差跟蹤能力，對(duì)于階躍信號(hào)和速度信號(hào)，考慮到機(jī)械構(gòu)造特性，穩(wěn)態(tài)誤差必要控制在0.2%之內(nèi)，對(duì)于加速度信號(hào)，穩(wěn)態(tài)誤差不得不大于0.5%3.2系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，對(duì)于焊接機(jī)器人來(lái)說(shuō)，重要考慮是整個(gè)系統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)和正弦輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。對(duì)于階躍信號(hào)，其超調(diào)量最大不能超過(guò)10%，過(guò)渡時(shí)間最大不能超過(guò)0.1ms，震蕩次數(shù)不能超過(guò)2次。對(duì)于正弦響應(yīng)，重要考慮是其頻率特性和相角裕度，工作頻率大概為5至12Hz。3.3運(yùn)動(dòng)精度指標(biāo)焊槍移動(dòng)位置精度不大于0.2mm，焊縫誤差不大于1mm，速度精度不大于1mm/s，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不大于0.3s。3.4智能性指標(biāo)分析規(guī)定所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備一定智能性，其中涉及系統(tǒng)自檢功能，故障嘗試自修復(fù)功能，故障保護(hù)功能，自動(dòng)循跡跟蹤焊縫功能。3.5可擴(kuò)展性指標(biāo)分析系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)留有一定對(duì)外接口，以滿足系統(tǒng)在線編程或離線編程，隨著INTERNET技術(shù)發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，規(guī)定系統(tǒng)需要留有特定接口模塊。系統(tǒng)必要具備可升級(jí)性，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合重新組裝和升級(jí)。3.6應(yīng)用指標(biāo)整個(gè)系統(tǒng)為220V市電系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)正工作前提下，功率應(yīng)盡量減小。控制核心系統(tǒng)某些體積為25x25x25cm，電源管理某些由于其功耗相對(duì)較大，為了避免其對(duì)弱電系統(tǒng)影響，對(duì)電源某些進(jìn)行單獨(dú)包裝，設(shè)定為25x25x25cm，并且配備散熱電扇。整個(gè)系統(tǒng)成本在兩萬(wàn)元如下。3.7環(huán)境規(guī)定在使用過(guò)程中噪聲不能不不大于40db，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)市電網(wǎng)絡(luò)和周邊環(huán)境不存在電磁干擾，電磁兼容性必要控制在國(guó)標(biāo)范疇之內(nèi)，無(wú)強(qiáng)烈電磁輻射性，工作時(shí)對(duì)焊槍強(qiáng)光某些做簡(jiǎn)樸屏蔽。系統(tǒng)不具備防水性，防塵級(jí)別IP5級(jí)，工作環(huán)境為90攝氏度如下，負(fù)15攝氏度以上。3.8裝配指標(biāo)分析整個(gè)系統(tǒng)裝配精度只要是十字滑架精度規(guī)定，其裝配精度必要控制在0.1mm以內(nèi)。4模塊設(shè)計(jì)指標(biāo)和方案分析4.1總體設(shè)計(jì)方案圖4-SEQ圖4-\*ARABIC1總設(shè)計(jì)方案和模塊圖如REF圖4\h圖4-1所示，為系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案和模塊圖，整個(gè)系統(tǒng)可以分為9個(gè)重要模塊，系統(tǒng)工作思路為：總系統(tǒng)上電，啟動(dòng)工作環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)當(dāng)前主控平臺(tái)環(huán)境濕度，和溫度，如果不符合工作環(huán)境規(guī)定，嘗試進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，若調(diào)節(jié)依然無(wú)效，則系統(tǒng)報(bào)警，并自動(dòng)關(guān)閉；環(huán)境檢測(cè)符合規(guī)定后，DSP主控系統(tǒng)啟動(dòng)，先完畢自檢功能，如果發(fā)現(xiàn)某些模塊處在無(wú)法就緒狀態(tài)，系統(tǒng)嘗試軟件自動(dòng)修復(fù)，如果修復(fù)不成功，則系統(tǒng)自動(dòng)重啟，如果重啟后，依然無(wú)法解決問(wèn)題，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警動(dòng)作；系統(tǒng)初始化后，通過(guò)零點(diǎn)尋位傳感器查找初始零位，尋零結(jié)束后，進(jìn)行坐標(biāo)變換，將零位傳感器坐標(biāo)變換為焊槍坐標(biāo)，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入到正常工作模式；用DSP通過(guò)PWM控制步進(jìn)電機(jī)，完畢十字滑架移動(dòng)，并控制弧焊電源和送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行焊接；在焊接開(kāi)始之后，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器檢測(cè)電弧電壓信息，通過(guò)DSP轉(zhuǎn)換為相應(yīng)位移信息，并進(jìn)行位移量反饋，構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)閉環(huán)工作模式；于此同步，系統(tǒng)配備各種傳感器也處在監(jiān)視運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，涉及機(jī)械限位保護(hù)，電源過(guò)壓過(guò)流保護(hù)，系統(tǒng)過(guò)熱過(guò)濕保護(hù)。4.2主控系統(tǒng)指標(biāo)分析和方案比較主控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)管理和驅(qū)動(dòng)核心，一方面必要有足夠資源余量，涉及內(nèi)存資源、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)速度和片上中斷源。在普通小型機(jī)器人制作中，如果系統(tǒng)需求解決能力規(guī)定不高，大多可以考慮使用普通單片機(jī)，例如古老51系列單片機(jī)，臺(tái)灣宏晶公司生產(chǎn)STC系列單片機(jī)，atmel系列單片機(jī)，或者飛思卡爾單片機(jī)，更高一級(jí)可以采用凌陽(yáng)16位單片機(jī)。采用普通單片機(jī)設(shè)計(jì)方案，成本低，對(duì)于小型解決系統(tǒng)是很適當(dāng)，但是在多需求解決場(chǎng)合，對(duì)運(yùn)算規(guī)定比較高焊接機(jī)器人場(chǎng)合，就會(huì)顯得有些力不從心了。在工業(yè)系統(tǒng)中，則更多喜歡使用工控機(jī)配合PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，這樣系統(tǒng)構(gòu)建比較適合于多機(jī)控制場(chǎng)合，由一種配備PC解決器工控機(jī)，作為整個(gè)系統(tǒng)上位機(jī)單元控制核心，完畢整個(gè)系統(tǒng)配備和管理工作，而PLC則重要作為執(zhí)行單元，完畢系統(tǒng)底層檢測(cè)，反饋和執(zhí)行功能。這樣構(gòu)建系統(tǒng)，穩(wěn)定性好，可以完畢很復(fù)雜功能，并且系統(tǒng)解決能力很強(qiáng)，由于工控機(jī)PC核心普通都能嵌入系統(tǒng)進(jìn)行管理操作，因而系統(tǒng)可升級(jí)性，系統(tǒng)可維護(hù)性也強(qiáng)，但是這樣構(gòu)建系統(tǒng)成本很高，只適合于某些規(guī)模相對(duì)較大工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于單機(jī)單獨(dú)工作焊機(jī)機(jī)器人，顯然是不適當(dāng)。在電子和工業(yè)產(chǎn)品中，也有經(jīng)常使用ARM解決進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。ARM解決器由于其功耗小功能強(qiáng)和16位/32位雙指令集支持，加上幾百兆級(jí)運(yùn)算速度，使其在電子和工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其具備很強(qiáng)事務(wù)管理功能，重要用于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，跑界面和程序是它強(qiáng)項(xiàng)，在信號(hào)解決和運(yùn)算能力上相對(duì)較弱。從本系統(tǒng)需求分析可以懂得，焊縫軌跡控制和跟蹤在很大限度上必要依賴于其對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解決，對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算能力規(guī)定相對(duì)較高，在成本和性能方面進(jìn)行折中后，決定選用DSP作為主控系統(tǒng)MCU。4.3機(jī)械構(gòu)造指標(biāo)分析和方案比較在焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)中，焊槍移動(dòng)模塊設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種核心某些，特別是對(duì)其精度規(guī)定比較高，因而必要對(duì)該某些設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)指標(biāo)分析和方案比較。在當(dāng)代焊接機(jī)器人中，使用較多是臂式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。如圖4-SEQ圖4-\*ARABIC2所示是日本DAIHENOTC焊接機(jī)器人所采用臂式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC3日本DAIHENOTC焊接機(jī)器人臂式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)焊機(jī)機(jī)器人靈活性很高，可以實(shí)現(xiàn)多軌跡，多角度焊接，但是由于其自由度增多，必然導(dǎo)致其制造工業(yè)和制導(dǎo)致本急劇增長(zhǎng)，并且做自由度旋轉(zhuǎn)臂控制也極其復(fù)雜，因而本系統(tǒng)不打算采用這樣構(gòu)造進(jìn)行傳動(dòng)某些設(shè)計(jì)。在焊接領(lǐng)域和某些機(jī)床中，廣泛使用還用龍門(mén)式構(gòu)造位移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如4-SEQ圖4-\*ARABIC4所示即為最典型龍門(mén)式系統(tǒng)構(gòu)成。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC5龍門(mén)式構(gòu)造傳動(dòng)系統(tǒng)龍門(mén)式構(gòu)造傳動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)形式上比較容易，普通是通過(guò)三個(gè)電機(jī)分別控制位移構(gòu)造三軸移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)三軸立體面內(nèi)位移傳動(dòng)。但是由于其自由度限制，導(dǎo)致其對(duì)于豎直方向或者傾斜方向焊縫焊接無(wú)能為力，因而只能用于特定立體面內(nèi)焊接。從龍門(mén)式構(gòu)架系統(tǒng)可以看出，整個(gè)移動(dòng)某些系統(tǒng)慣量是很大，對(duì)傳動(dòng)絲杠和電機(jī)負(fù)載能力有一定規(guī)定，對(duì)于沖擊響應(yīng)，經(jīng)常會(huì)浮現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)高負(fù)載狀況，這樣對(duì)電機(jī)精準(zhǔn)控制還是有一定影響，特別是位移機(jī)構(gòu)超調(diào)量和穩(wěn)定性控制，更需要特別注意。通過(guò)對(duì)臂式位移機(jī)構(gòu)和龍門(mén)架式系統(tǒng)對(duì)比分析，并且吸取了龍門(mén)架式某些長(zhǎng)處，本系統(tǒng)決定采用十字滑架形式實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)位移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于該某些設(shè)計(jì)，精度規(guī)定是第一位，在進(jìn)行指標(biāo)擬定期，規(guī)定機(jī)械定位精度達(dá)到0.05mm，且需要采用特別方式消除傳動(dòng)回程差。4.4反饋系統(tǒng)模塊指標(biāo)分析和方案比較在自動(dòng)焊縫機(jī)器人領(lǐng)域，傳感器提供著系統(tǒng)賴以進(jìn)行解決和控制所必要關(guān)于焊縫信息。主控電路信息重要來(lái)自反饋系統(tǒng)（傳感器反饋信號(hào)），只有反饋系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到了規(guī)定，通過(guò)解決后信號(hào)送到各個(gè)模塊，才干保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)營(yíng)，滿足系統(tǒng)總體指標(biāo)。實(shí)際系統(tǒng)中，焊接過(guò)程會(huì)有強(qiáng)光、高溫、噪聲以及強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，并且伴有較強(qiáng)振動(dòng)，都影響著傳感器信息收集，因此所選取傳感器需要有較強(qiáng)抵抗能力?？紤]到焊縫隨機(jī)性，傳感器必要具備實(shí)時(shí)或者超前跟蹤傳感能力，用以控制機(jī)械構(gòu)造移動(dòng)，調(diào)節(jié)焊槍在下一時(shí)刻走向和位置。在滿足以上基本規(guī)定前提下，應(yīng)選取檢測(cè)誤差小，工作壽命長(zhǎng)，價(jià)格低廉傳感器產(chǎn)品。綜合上述考慮，對(duì)如下幾種常用傳感器進(jìn)行比較分析。接觸式傳感器原理和構(gòu)造簡(jiǎn)樸，組裝容易，成本很低，不受強(qiáng)光強(qiáng)磁和高溫干擾，操作以便、不受電弧煙塵和飛濺影響，。但最大弊端在于精度低，敏捷度不高，掃描范疇小，并且由于與工件接觸磨損受接頭、材料和速度等限制。電磁感應(yīng)式傳感器原理和構(gòu)造上比較簡(jiǎn)樸，基于電磁感應(yīng)理論，常用有渦流傳感器，霍爾傳感器，價(jià)格適中，近年來(lái)改進(jìn)生產(chǎn)產(chǎn)品精度比較高，掃描范疇較大，但對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)干擾并不能有效地抑制。超聲傳感器原理是運(yùn)用發(fā)射出超聲波在金屬內(nèi)傳播時(shí)在界面產(chǎn)生發(fā)射制成，是一種比較先進(jìn)焊縫跟蹤傳感器，跟蹤實(shí)時(shí)性好。但是由于傳感器要貼近工件，不可避免地會(huì)受到焊接辦法和工件尺寸等嚴(yán)格限制。同步需要考慮外界震動(dòng)、傳播時(shí)間等因素，對(duì)金屬表面狀況規(guī)定也比較高，應(yīng)用范疇也就受到限制。視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感最大優(yōu)勢(shì)在于所提供信息量豐富，不但可以跟蹤裂縫，并且可以檢測(cè)坡口位置，寬度，深度，掃描范疇廣，敏捷度和測(cè)量精度很高，抗電磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)，與工件無(wú)接觸等長(zhǎng)處。但是圖像解決算法復(fù)雜，解決速度慢，受強(qiáng)弧光干擾，需要運(yùn)用特殊光源和濾光元件，成本較高。(5)電弧傳感器電弧傳感器特點(diǎn)在于它是一種真正實(shí)時(shí)跟蹤傳感器件，檢測(cè)點(diǎn)就是焊接點(diǎn)，保證焊接參數(shù)穩(wěn)定，響應(yīng)快。焊接機(jī)頭周邊不需要裝備其她特別裝置，焊槍可達(dá)性好。電弧自身作為傳感器，同步又完畢焊接任務(wù)，有效減少成本。對(duì)弧光、高溫以及強(qiáng)磁場(chǎng)等抗干擾能力很強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)。最大問(wèn)題在于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和控制算法比較復(fù)雜，但近些年隨著電弧傳感器及其技術(shù)不斷發(fā)展，浮現(xiàn)了更高效控制算法和模型和更優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，使得其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。前四類傳感器都是附加式傳感器，此類傳感器與電弧是分離，傳感器檢測(cè)點(diǎn)離開(kāi)電弧有一段距離，在焊接時(shí)也許存在傳感器前置問(wèn)題，會(huì)影響跟蹤效果。綜合以上分析，系統(tǒng)采用電弧傳感器作為反饋單元核心部件。4.5運(yùn)動(dòng)控制模塊指標(biāo)分析和方案比較控制焊槍位移動(dòng)作，可以有各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。在機(jī)械裝置自動(dòng)控制領(lǐng)域，特別是高精度位置伺服系統(tǒng)中，直流電機(jī)應(yīng)用占有很重要地位，這重要得益于直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范疇寬，易于控制且可靠性高，調(diào)速能量損耗小等長(zhǎng)處。但是同步，由于直流電機(jī)構(gòu)造特性又限制了直流電機(jī)更加廣泛應(yīng)用，重要缺陷體當(dāng)前換向器上。由于有了換向器，使得直流電機(jī)造價(jià)更高，換向器維護(hù)性差，壽命短，同步換向條件進(jìn)一步限制了直流電機(jī)容量。從本系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定出發(fā)，但愿系統(tǒng)壽命長(zhǎng)，基本免維護(hù)，從而排除了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。交流電機(jī)由于沒(méi)有換向器和電刷，從而消除了因而而引起一系列缺陷，電機(jī)維護(hù)性得到進(jìn)一步提高，但是由于交流電機(jī)機(jī)械特性和調(diào)壓特性特點(diǎn)，使得交流電機(jī)控制顯得有些復(fù)雜，在本系統(tǒng)中但愿用一種最簡(jiǎn)樸，而又最容易控制方案實(shí)現(xiàn)位置伺服，因而也不考慮使用交流電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)由于其構(gòu)造簡(jiǎn)樸，調(diào)試以便，工作可靠，易于控制等長(zhǎng)處，使得步進(jìn)電機(jī)得到了進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。在當(dāng)前以數(shù)字控制為主控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)一步凸顯了其優(yōu)良控制特性，由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)是通過(guò)脈沖進(jìn)行，因而單片機(jī)或者是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸出脈沖信號(hào)，只要通過(guò)邏輯轉(zhuǎn)換和功率放大，就可以直接驅(qū)動(dòng)和控制步進(jìn)電機(jī)了，這樣就電機(jī)控制變得簡(jiǎn)樸并且精度也高了。4.6機(jī)械保護(hù)模塊指標(biāo)分析和方案比較不論是什么樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一方面比較保證系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性，只有在這個(gè)基本上才可以去談其功能性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人也不例外。普通對(duì)一種運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)可以分為兩個(gè)某些，一種是軟件保護(hù)，一種是機(jī)械保護(hù)。軟件保護(hù)重要是通過(guò)軟件算法，對(duì)某些位移極限尺寸進(jìn)行限制，避免其在不安全區(qū)域工作狀態(tài)。但是一種系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，不論其做得多完善，總會(huì)浮現(xiàn)某些意想不到缺陷或者是在軟件運(yùn)營(yíng)過(guò)程中浮現(xiàn)死循環(huán)、死機(jī)狀態(tài)，在這種狀況下，如果位移單元不能及時(shí)制動(dòng)或者進(jìn)行保護(hù)，則也許浮現(xiàn)安全事故，導(dǎo)致系統(tǒng)損壞乃至更嚴(yán)重事故。因而，必要設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)械硬件保護(hù)辦法，當(dāng)浮現(xiàn)意外狀況時(shí)，可以通過(guò)限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行機(jī)械保護(hù)。在對(duì)機(jī)械保護(hù)模塊進(jìn)行指標(biāo)分析時(shí)，最低規(guī)定是不浮現(xiàn)機(jī)械硬碰撞和機(jī)構(gòu)間沖擊，在必要狀況下，需要強(qiáng)制切斷電源，詳細(xì)設(shè)計(jì)將在方案實(shí)現(xiàn)某些進(jìn)行詳細(xì)簡(jiǎn)介。4.7環(huán)境檢測(cè)保護(hù)模塊指標(biāo)分析和方案比較在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，重要考慮環(huán)境因素有溫度和濕度。溫度檢測(cè)保護(hù)除了電機(jī)外尚有一種核心某些就是主控系統(tǒng)板。由于集成芯片對(duì)溫度有一定規(guī)定，在溫度過(guò)高狀況下，極其容易燒壞，因而必要在主控板核心某些進(jìn)行溫度檢測(cè)，達(dá)到預(yù)定溫度閥值后啟動(dòng)電扇進(jìn)行散熱解決，如果溫度還是無(wú)法控制，則控制系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，會(huì)強(qiáng)行關(guān)機(jī)。濕度檢測(cè)重要也是針對(duì)主控系統(tǒng)板。如果空氣中濕度過(guò)高，或者像在南方梅雨天氣時(shí)遇到濕度很高時(shí)候，如果直接啟動(dòng)系統(tǒng)，也許會(huì)由于PCB板上凝結(jié)小水滴而引起短路燒壞系統(tǒng)，這種狀況特別在系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)候需要特別考慮。因而在主控系統(tǒng)啟動(dòng)之前，必要通過(guò)此外一種增設(shè)小系統(tǒng)，一方面完畢對(duì)濕度檢測(cè)，只有檢測(cè)當(dāng)前濕度符合系統(tǒng)啟動(dòng)環(huán)境之后，才自動(dòng)接通主控DSP板電源，啟動(dòng)系統(tǒng)。如果檢測(cè)濕度不符合規(guī)定，會(huì)打開(kāi)配備加入電扇，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行低溫預(yù)熱，減少主控系統(tǒng)工作環(huán)境濕度后，才啟動(dòng)主控系統(tǒng)。濕度檢測(cè)系統(tǒng)和主控DSP系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，并且啟動(dòng)順序不容許調(diào)換。4.8接口擴(kuò)展模塊指標(biāo)分析和方案比較一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)得與否完善，在很大限度上體當(dāng)前其對(duì)外接口擴(kuò)展某些，只有其留有一定原則接口模塊，在進(jìn)行多機(jī)操作和多機(jī)通信時(shí)候才干充分發(fā)揮一種系統(tǒng)功能。隨著工業(yè)規(guī)模和電子技術(shù)發(fā)展，各種子系統(tǒng)增多，勢(shì)必會(huì)規(guī)定對(duì)子系統(tǒng)之間通信提出更高規(guī)定。當(dāng)前廣泛應(yīng)用兩種串口通信合同有RS-232和RS-485，其中RS-485多用在工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播，而RS-232則多用在PC機(jī)和其他系統(tǒng)之間短距離傳播。隨著當(dāng)前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)展，個(gè)人PC機(jī)應(yīng)用日益廣泛，為了以便焊接機(jī)器人調(diào)試，編程，升級(jí)等工作，決定使用RS-232串口，這樣雖然在個(gè)人單機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合也可以很以便進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試等工作。隨著INTERNET技術(shù)奔騰發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用也越來(lái)越多，雖然當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)重要用于網(wǎng)絡(luò)信息通信，但是隨著技術(shù)開(kāi)發(fā)，也將會(huì)越來(lái)越多應(yīng)用在工業(yè)控制場(chǎng)合，形成一種真正廣域網(wǎng)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到系統(tǒng)可發(fā)展性，將加入以太網(wǎng)控制器模塊。當(dāng)前慣用以太網(wǎng)控制器諸多一某些都是用ISA接口，但是隨著PCI總線發(fā)展和應(yīng)用，已有逐漸取代ISA總線趨勢(shì)，因而本系統(tǒng)中將使用PCI接口以太網(wǎng)控制器進(jìn)行原則接口擴(kuò)展。4.9電源管理模塊指標(biāo)分析和方案比較焊接機(jī)器人系統(tǒng)是典型多電壓電源系統(tǒng)，對(duì)于焊槍供電需要專用弧焊電源，而控制十字滑塊電機(jī)則采用36V如下低壓電源，主控系統(tǒng)使用是5V供電電源。由于強(qiáng)電和弱電在一種系統(tǒng)中共存時(shí)，必要充分考慮電源分級(jí)管理和隔離管理問(wèn)題。一方面，弧焊電源是應(yīng)當(dāng)是專用焊接電源，供電電壓時(shí)220V交流電源，但是其管理必要通過(guò)5V系統(tǒng)進(jìn)行控制，為了達(dá)到隔離和保護(hù)功能，最佳解決方案應(yīng)當(dāng)是進(jìn)行光電隔離，這樣兩套系統(tǒng)不論哪一套浮現(xiàn)電源故障或者燒毀都不會(huì)引起二次事故，特別是對(duì)于弱電系統(tǒng)，由于其對(duì)電壓敏感性，極其容易受到強(qiáng)電損壞，因此，必要采用光電隔離。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用70V如下電源，一種方案可以使用充電電瓶進(jìn)行供電，但是考慮到電瓶蓄電容量有限性，及其電瓶自身電壓紋波效應(yīng)，特別是當(dāng)電瓶放電達(dá)到一定值時(shí)，其壓降是不可重復(fù)浮現(xiàn)非線性關(guān)系，這樣對(duì)電機(jī)精密伺服控制是極其不易，因此在本系統(tǒng)中不易使用蓄電瓶供電方案。由于220V市電不但取電形式以便，并且不必要考慮容量和非線性問(wèn)題，只需要通過(guò)整流、降壓、濾波和穩(wěn)壓后就可以以便時(shí)候，并且整個(gè)供電系統(tǒng)電壓和電流值可以通過(guò)傳感器進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控，從而實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)。由于本系統(tǒng)使用多是在室內(nèi)，對(duì)于雷擊問(wèn)題不用特別考慮，由于當(dāng)前普通樓宇建筑都已近考慮了防雷擊設(shè)計(jì)，雖然是由于某些偶爾因素浮現(xiàn)了雷擊現(xiàn)象，對(duì)本系統(tǒng)影響已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)壓和過(guò)流保護(hù)問(wèn)題。對(duì)于電源管理模塊，重要考慮是其功率容量和效率。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，弱電整流某些，功率容量指標(biāo)為300W。4.10焊接指標(biāo)分析與方案論證鑒于傳感器已選用電弧傳感器，運(yùn)用傳感器即為焊槍特點(diǎn)，可以節(jié)約成本，只需要在電弧傳感器（焊槍）上增長(zhǎng)某些裝置或進(jìn)行簡(jiǎn)樸改裝即可。而焊接辦法層出不窮，焊接辦法相應(yīng)地選取電弧焊。電弧焊是運(yùn)用電弧作為熱源熔焊辦法。依照系統(tǒng)規(guī)定，焊接辦法應(yīng)保證電弧穩(wěn)定（電弧焊原理是基于電弧長(zhǎng)與弧壓近似成正比），理論上應(yīng)合用于所有焊縫類型和坡口，并使得焊接后焊縫質(zhì)量要好。電弧焊可分為手工電弧焊、埋弧自動(dòng)焊和氣體保護(hù)焊三種。手工自動(dòng)焊最大長(zhǎng)處是設(shè)備簡(jiǎn)樸，應(yīng)用靈活、以便，合用面廣，可焊接各種焊接位置，但普通僅合用于直縫、環(huán)縫及各種比較規(guī)則縫焊接，電弧不穩(wěn)定；埋弧自動(dòng)焊具備生產(chǎn)率高、焊縫質(zhì)量好、勞動(dòng)條件好，焊接速度快等特點(diǎn)，但缺陷是適應(yīng)能力差，只能在水平位置焊接長(zhǎng)直焊縫或大直徑環(huán)焊縫；氣體保護(hù)焊具備保護(hù)效果好、電弧穩(wěn)定、熱量集中，焊接成本低，應(yīng)用范疇廣等長(zhǎng)處，為減小成本采用二氧化碳保護(hù)氣體，缺陷是產(chǎn)生飛濺，這點(diǎn)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)影響并不大，因此焊接辦法采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。若詳細(xì)考慮焊接某些其她設(shè)備器材，還需要專用焊接電源及控制裝置，送絲裝置（普通都安裝在焊槍內(nèi)部），氣體流量調(diào)節(jié)器和連接電纜和軟管等。5硬件系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)5.1總控制核心系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)某些采用DSP作為整個(gè)系統(tǒng)控制芯片，完畢整個(gè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和控制。通過(guò)方案比較，決定選用TI公司DSP芯片TMS320F2812。該系列芯片是TI公司推出一款32位定點(diǎn)高速DSP芯片，采用8級(jí)指令流水線，單周期32x32位MAC功能，最高速度每秒鐘可執(zhí)行1.50億條指令(150MIPS)，保證了控制和信號(hào)解決迅速性和實(shí)時(shí)性。此外TMS320F2812片上還集成了豐富外部資源，涉及16路12位ADC，6路PWM輸出、3個(gè)32位通用定期器、128k16位Flash存貯器、18kRAM存貯器，外圍中斷擴(kuò)展模塊(PIE)可支持45個(gè)外圍中斷，并具備McBSP，SPI，SCI和擴(kuò)展eCAN總線等接口。TMS320F2812還支持最大1M外部存貯器擴(kuò)展。

TMS320F2812支持C/C++編程語(yǔ)言，其C語(yǔ)言優(yōu)化器C編譯效率可達(dá)99%，尚有虛擬浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)提供支持，可以大大縮短數(shù)學(xué)運(yùn)算與控制程序開(kāi)發(fā)周期。TMS320F2812非常合用于電機(jī)控制、電源設(shè)計(jì)、智能傳感器設(shè)計(jì)等應(yīng)用領(lǐng)域。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要高速運(yùn)算速度，完畢傳感器信息值解算和電機(jī)控制，在信息解決中需要涉及到大量浮點(diǎn)型運(yùn)算，而這也正是DSP控制系統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)所在，通過(guò)對(duì)比選用，決定使用TI公司TMS320F2812芯片。5.2機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)造方案實(shí)現(xiàn)依照方案選取比較中，決定使用十字滑架作為整個(gè)位移單元實(shí)現(xiàn)方案。使用Rhinoceros軟件進(jìn)行三維建模，得到效果如圖5-1和圖5-2所示。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC1圖5-SEQ圖5-\*ARABIC2如圖5-2所示，底層導(dǎo)軌和絲杠完畢焊槍在X軸方向移動(dòng)，該絲杠由步進(jìn)電機(jī)1驅(qū)動(dòng)；上層導(dǎo)軌和絲杠完畢焊槍在Y軸方向移動(dòng)，該絲杠由步進(jìn)電機(jī)2驅(qū)動(dòng)；焊槍在Z軸上移動(dòng)通過(guò)與焊槍剛性連接直線電機(jī)完畢驅(qū)動(dòng)。帶搖桿底盤(pán)用于焊接之前對(duì)鋼板進(jìn)行初步高度定位，這樣在開(kāi)始尋零時(shí)候可以更迅速，也減少了直線電機(jī)位移長(zhǎng)度。為了實(shí)現(xiàn)絲杠間低摩擦系數(shù)和精密機(jī)械傳動(dòng)，決定選取滾珠絲杠作為傳動(dòng)形式。絲杠選取應(yīng)當(dāng)遵循圖5-3所示規(guī)則。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC3絲杠選取規(guī)則通過(guò)對(duì)方案比較，決定選用日本THK公司生產(chǎn)滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌。滾珠絲杠是一種高效進(jìn)給絲杠，其滾珠在絲杠絲桿軸與螺母之間滾動(dòng)。與老式滑動(dòng)絲杠相比，本產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)扭矩最大僅為其三分之一，極為合用于節(jié)約驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率。在選取導(dǎo)軌和絲杠時(shí)候，對(duì)其承受負(fù)載和扭矩等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行估算：承受重量10kg導(dǎo)向部阻力10N每分鐘來(lái)回次數(shù)(max)2極限扭矩40N.M配合預(yù)壓精密預(yù)壓額定壽命100000h依照上面提出基本規(guī)定進(jìn)行初步選型，從THK公司產(chǎn)品目錄中選用精密滾珠絲杠BNFNL5RRG10100LC5，公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為10mm，長(zhǎng)度為1100mm，并選用與之配套直線導(dǎo)軌SHS20LC2QZKKHHC10200LP，其公稱直徑為20mm，長(zhǎng)度為1200mm，絲杠和導(dǎo)軌通過(guò)精密預(yù)壓配合后，行程定位誤差為11.6um。滾珠絲杠內(nèi)部構(gòu)造如圖5-4所示圖5-SEQ圖5-\*ARABIC4滾珠絲杠內(nèi)部構(gòu)造圖設(shè)計(jì)和安裝時(shí)使用固定支持型，并且精密預(yù)壓，以是實(shí)現(xiàn)精密位移傳動(dòng)，其基本動(dòng)態(tài)額定負(fù)荷，基本靜態(tài)額定負(fù)荷，鋼球中心徑為18mm，整個(gè)摩擦系數(shù)為0.05，負(fù)載系數(shù)為1.2。使用THK公司提供設(shè)計(jì)軟件，對(duì)所選定滾珠絲杠進(jìn)行工作壽命核算。計(jì)算整個(gè)滾珠絲杠副壽命，得到成果圖5-5所示圖5-SEQ圖5-\*ARABIC5從成果進(jìn)行分析，可以看出，使用壽命時(shí)間達(dá)到3.99E05h，充分滿足整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命規(guī)定，平均負(fù)荷也到達(dá)了2100N，足以滿足系統(tǒng)使用。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更加精密位移伺服控制。5.3反饋系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)由之前分析論證可知，反饋系統(tǒng)與焊接模塊使用電弧式傳感器可以同步完畢跟蹤傳感及焊縫功能。電弧傳感器工作原理是一致，即在焊接過(guò)程中，運(yùn)用焊槍與工件之間距離變化（即弧長(zhǎng)變化）引起焊接參數(shù)變化（普通采用電壓或電流變化），經(jīng)由系統(tǒng)解決器運(yùn)算解決，來(lái)獲取焊槍高度和左右偏差等信息并對(duì)有關(guān)機(jī)構(gòu)加以控制。事實(shí)上，得益于該類傳感器與其他傳感器不可比擬技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在弧焊機(jī)器人領(lǐng)域已廣泛采用各類電弧傳感器。5.3.1電弧傳感器分類及選型當(dāng)前電弧傳感器在實(shí)用中重要有如下幾種類型：

(1)非掃描雙絲（多絲）并列型該類型運(yùn)用電弧靜態(tài)特性，當(dāng)焊槍不對(duì)中時(shí)，兩電弧高度不同將反映在電流(電壓)差上，從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。但由于要同步用兩個(gè)參數(shù)相似獨(dú)立回路電源并列進(jìn)行坡口焊接，實(shí)現(xiàn)上有困難，因此實(shí)際使用受到限制。

(2)擺動(dòng)式電弧傳感器擺動(dòng)式電弧傳感器運(yùn)用機(jī)械擺動(dòng)所產(chǎn)生電弧作為傳感介質(zhì)，受機(jī)構(gòu)限制，掃描頻率普通很低（5Hz如下），使得敏捷度較低，只能在低速焊接中應(yīng)用，同步熔池中液態(tài)金屬流動(dòng)和填充也阻礙了焊縫坡口辨認(rèn)。

(3)旋轉(zhuǎn)掃描式電弧傳感器旋轉(zhuǎn)電弧傳感器基本原理與其她電弧傳感器相似，特別之處在于運(yùn)用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)使得焊絲和電弧旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電弧高速掃描，掃描頻率普通在5～50Hz。這種設(shè)計(jì)能克服擺動(dòng)式低掃描頻率帶來(lái)問(wèn)題，敏捷度大為提高，可以工作在高速場(chǎng)合，并且焊縫成果也有所改進(jìn)。老式旋轉(zhuǎn)電弧傳感器運(yùn)用外置直流電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)偏心機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)焊絲與電弧旋轉(zhuǎn)，如圖5-6。此類構(gòu)造問(wèn)題在于機(jī)械構(gòu)造尺寸較大，機(jī)械振動(dòng)大，附加質(zhì)量和轉(zhuǎn)矩不得不考慮，也就影響了與之有關(guān)一系列裝置選取?？紤]到焊槍在豎直方向移動(dòng)，焊槍尺寸應(yīng)當(dāng)小而輕，才干在成本上有所減少，因此應(yīng)當(dāng)采用更合理裝置。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC6圖5-SEQ圖5-\*ARABIC7值得一提是，高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器在近幾年發(fā)展不久，90年代許多世界知名公司生產(chǎn)弧焊機(jī)器人都采用了圖5-6所示這種構(gòu)造，例如日本NKK公司、德國(guó)U.DiHthey公司，圖5-10所示日本松下YA-11KMR51型弧焊機(jī)器人即采用這種構(gòu)造。國(guó)內(nèi)在1993年，清華大學(xué)研制成功了一種圖5-7所示空心軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)掃描傳感器，并獲得了國(guó)家專利。其重要特點(diǎn)在于構(gòu)造小巧，機(jī)械振動(dòng)小，省去了傳動(dòng)齒輪，摩擦力矩小，由傳動(dòng)件安裝不良引起阻力和負(fù)載不均勻所帶來(lái)影響也有所減小，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性大大提高，并具備較高性價(jià)比，圖5-11所示為南昌大學(xué)研制采用改進(jìn)構(gòu)造弧焊機(jī)器人。由于國(guó)內(nèi)在這方面發(fā)展地較慢，采用直流空心軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器當(dāng)前在市面上基本沒(méi)有大量生產(chǎn)銷售，國(guó)外生產(chǎn)廠家較少，價(jià)格較高。但這項(xiàng)技術(shù)已獲得國(guó)家專利，國(guó)內(nèi)幾所大學(xué)、科研院所及某些廠家享有該專利權(quán)，可以訂做?；谶@種原理若是自己組裝，成本不容易預(yù)計(jì)，應(yīng)當(dāng)在一萬(wàn)元如下。本技術(shù)具備十分廣泛推廣前景，在近幾年有良好發(fā)展趨勢(shì)。如圖5-8所示為小型空心軸直流電機(jī)實(shí)際產(chǎn)品。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC8圖5-SEQ圖5-\*ARABIC9圖5-SEQ圖5-\*ARABIC10圖5-8示為美國(guó)HarmonicDrive公司生產(chǎn)FHA系列空心軸直流電機(jī)，其重要特點(diǎn)為采用直流24V電源供電，尺寸小巧，質(zhì)量很輕，約在1kg左右甚至更小。其中，F(xiàn)HA-11C表達(dá)空心軸孔徑為11mm，孔徑大小可以依照實(shí)際狀況選取適當(dāng)電機(jī)。由表格可以得到所需要參數(shù)，如：最大轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)速，最大電流，持續(xù)轉(zhuǎn)矩，持續(xù)轉(zhuǎn)速，持續(xù)工作電壓和電流等，均為小功率直流電機(jī)。該公司尚有許多空心軸直流電機(jī)系列產(chǎn)品，合用范疇很廣。圖5-9為某系列參數(shù)表。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC11實(shí)際中如果需要自己組裝旋轉(zhuǎn)電弧傳感器，則需要重要原材料有：氣焊用焊槍，空心軸直流電機(jī)，焊接電源等，但組裝后器件調(diào)試過(guò)程比較復(fù)雜，可以選取廠家或院所訂做以保證精度和可靠性?？紤]到旋轉(zhuǎn)電弧傳感器特點(diǎn)滿足系統(tǒng)規(guī)定和各項(xiàng)指標(biāo)，因此本文重要討論運(yùn)用該傳感器搭建弧焊及焊縫跟蹤系統(tǒng)。5.3.2旋轉(zhuǎn)電弧傳感器構(gòu)造與工作原理圖5-7是這種高速旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器簡(jiǎn)樸構(gòu)造示意圖，實(shí)際內(nèi)部構(gòu)造比較復(fù)雜，圖中僅展示了直流電機(jī)某些裝置。由圖可以看出，傳感器采用了空心軸設(shè)計(jì)，焊絲斜穿過(guò)電機(jī)空心軸，繞自身對(duì)稱中心線作圓錐形狀旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)。在空心軸上端，安裝送絲輪送入焊絲，送絲輪電機(jī)外置在直流電機(jī)外殼。普通焊槍內(nèi)部已安頓送絲輪電機(jī)，因此不用考慮。而旋轉(zhuǎn)電弧傳感器也能以為是一種特殊焊槍，為周全考慮其工作需求，故在空心軸電機(jī)外殼上放置了一種小直流電機(jī)用以送絲輪轉(zhuǎn)動(dòng)。該直流電機(jī)所執(zhí)行功能很簡(jiǎn)樸，因此只需要一種體積小，質(zhì)量輕，轉(zhuǎn)速低，額定轉(zhuǎn)矩小直流電機(jī)，考慮到維護(hù)性，該電機(jī)工作壽命應(yīng)當(dāng)較長(zhǎng)，并且其控制電壓受系統(tǒng)控制單元控制可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)不同狀況下不同送絲速度。因而，若是組裝旋轉(zhuǎn)電弧傳感器，還需要安裝送絲輪用直流電機(jī)（可以選取小功率無(wú)刷直流電機(jī)）和下面要提到霍爾元件與光電碼盤(pán)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，宜選取廠家定制該傳感器方式。電極給焊絲供應(yīng)焊接電壓，焊接過(guò)程中與鋼板平臺(tái)間有焊接電流流過(guò)。為了防止焊接時(shí)電極與外殼導(dǎo)電,旋轉(zhuǎn)電弧傳感器上蓋和偏心機(jī)構(gòu)使用絕緣樹(shù)脂材料,這也使得旋轉(zhuǎn)電弧傳感器重量減輕。依照電弧焊接原理，焊接電流與電弧焊過(guò)程中弧長(zhǎng)成正比，依照焊接電流大小，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算與比較即可懂得焊點(diǎn)位置有關(guān)信息。而焊接電流檢測(cè)裝置比較小，普通采用霍爾傳感器檢測(cè)焊絲流過(guò)電流，安頓在空心軸電機(jī)外部。圖5-12所示為霍爾傳感器檢測(cè)電流原理，原邊電流I與產(chǎn)生磁感強(qiáng)度B成正比（）；同步I與電弧長(zhǎng)度H關(guān)系為；在霍爾元件上感應(yīng)電壓通過(guò)放大后為U，U與B成正比。依照這些關(guān)系可以得出：，因此運(yùn)用電壓U即可得到弧長(zhǎng)H信息?？招妮S電機(jī)內(nèi)部有二氧化碳保護(hù)氣體通過(guò)，在焊接過(guò)程中起到保護(hù)作用。光電碼盤(pán)碼道某些、整個(gè)偏心機(jī)構(gòu)（涉及配重塊、調(diào)心軸承）與空心軸同軸相連，當(dāng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)同步也帶動(dòng)著這兩個(gè)某些一起旋轉(zhuǎn)，而光電碼盤(pán)光源與光敏器件都與直流電機(jī)外殼固連，維持其相對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子空間方向不變。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器實(shí)物見(jiàn)圖5-13，其內(nèi)部涉及了送絲輪與電流檢測(cè)裝置，引出幾根電纜或?qū)Ь€分別接到相應(yīng)電路。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC12圖5-SEQ圖5-\*ARABIC13由以上對(duì)傳感器內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)樸簡(jiǎn)介可以懂得其工作過(guò)程：弧焊電源供應(yīng)焊接電壓，送絲輪完畢焊絲輸送（普通維持速度不變，但也可以變化電壓來(lái)調(diào)節(jié)送絲速度），空心軸直流電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)通過(guò)偏心裝置使焊絲和電弧旋轉(zhuǎn)。這個(gè)過(guò)程中，電流傳感器檢測(cè)流過(guò)焊絲焊接電流大小并得到與弧長(zhǎng)相應(yīng)電壓信號(hào)，將電壓信號(hào)輸出到相應(yīng)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣解決。與此同步，光電碼盤(pán)測(cè)量出電弧每圈掃描起始位置和相對(duì)起始點(diǎn)瞬時(shí)位置，經(jīng)解決得到空心軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度閉環(huán)控制；碼盤(pán)輸出信息與霍爾傳感器電壓信息經(jīng)由主控電路DSP運(yùn)算解決，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)焊槍x、y、z三個(gè)方向位置。系統(tǒng)這某些流程圖見(jiàn)圖5-14。其中，DSP輸出信號(hào)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間需要運(yùn)用光電隔離器件隔離強(qiáng)電與弱電信號(hào)，起到保護(hù)控制電路作用。計(jì)算機(jī)用于實(shí)時(shí)顯示焊接過(guò)程焊縫狀況，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算可以得到焊縫內(nèi)部狀況，如焊接某瞬時(shí)焊縫截面，縫寬，縫深及裂縫平面走向布局等。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC14參照有關(guān)文獻(xiàn)可得：旋轉(zhuǎn)電弧傳感器工作頻率在5-50Hz之間，本系統(tǒng)掃描頻率為25Hz。并定下了如下參數(shù)：焊槍持續(xù)移動(dòng)速度（無(wú)特殊狀況下）為25mm/s，即旋轉(zhuǎn)電弧傳感器掃描一圈邁進(jìn)1mm；有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究可得，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器焊縫誤差為0.1mm，跟蹤誤差為0.1mm。5.3.3跟蹤與糾偏原理以跟蹤V形坡口焊縫為例,將焊槍中心軸線與工件表面保持垂直，如圖5-15所示。焊槍軸線在水平方向上與焊縫坡口對(duì)稱線偏移距離稱為偏差（圖中設(shè)為e），設(shè)焊槍在初始化之后旋轉(zhuǎn)起始位置在邁進(jìn)方向上后側(cè)（此時(shí)t=0，如圖5-15所示），則電弧長(zhǎng)度H可由式(1)求得。由以上分析可知，霍爾元件上感應(yīng)出與原邊電流相應(yīng)電壓通過(guò)放大后為U，與電弧長(zhǎng)度H滿足：，因此運(yùn)用電壓U即可得到弧長(zhǎng)H信息。這樣就從旋轉(zhuǎn)電弧傳感器采集到能反映焊槍偏差信息電壓信號(hào)。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC15圖5-SEQ圖5-\*ARABIC16需要闡明是，圖5-15和圖5-16建立在如下基本之上：由于電弧傳感器旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)不不大于焊槍移動(dòng)速度，故可以以為在一種旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)焊槍移動(dòng)距離為0。以電弧旋轉(zhuǎn)中心作為坐標(biāo)原點(diǎn),焊接方向作為x軸,y軸與x軸形成水平面，焊槍軸線作為z軸，建立空間直角坐標(biāo)系。電弧焊過(guò)程，電弧長(zhǎng)度隨著旋轉(zhuǎn)位置不同而不同，反映到霍爾傳感器檢測(cè)電壓值變化。為了實(shí)時(shí)跟蹤焊縫，對(duì)焊槍自身位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要對(duì)焊縫偏差分析。解決問(wèn)題辦法是運(yùn)用光電碼盤(pán)記錄焊距旋轉(zhuǎn)起點(diǎn)位置信號(hào)以及反映焊距旋轉(zhuǎn)瞬時(shí)位置信號(hào)，而直流電機(jī)轉(zhuǎn)速也就可以間接得到。光電碼盤(pán)形狀如圖5-17所示，碼盤(pán)外圈64個(gè)分度齒，內(nèi)圈1個(gè)分度齒，光源與光敏元件固定在傳感器電機(jī)外殼或是傳感器內(nèi)壁上以保持其相對(duì)電機(jī)空間方向不變。這樣每次旋轉(zhuǎn)一圈會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號(hào)（兩個(gè)脈沖信號(hào)波形分別如圖5-18、圖5-19所示）：外圈產(chǎn)生脈沖信號(hào)反映旋轉(zhuǎn)瞬時(shí)位置，內(nèi)圈產(chǎn)生脈沖信號(hào)反映旋轉(zhuǎn)起點(diǎn)位置，通過(guò)運(yùn)算可以得到旋轉(zhuǎn)速度。當(dāng)保證光源與光敏器件相對(duì)于直流電機(jī)空間位置不變前提下，每次內(nèi)圈產(chǎn)生脈沖信號(hào)時(shí)焊絲、電弧相對(duì)于電機(jī)空間位置就不變，這樣能保證每次采集起始位置相似，因而可以以為每圈電弧起點(diǎn)位置是相對(duì)電機(jī)固定不變，而外圈脈沖信號(hào)則可以反映電弧瞬時(shí)位置，由于在每個(gè)周期中（掃描一圈時(shí)間），內(nèi)圈脈沖信號(hào)與外圈脈沖信號(hào)第一種脈沖重疊，由外圈脈沖信號(hào)相對(duì)于第一種信號(hào)偏移量即可得到該脈沖所相應(yīng)相對(duì)起點(diǎn)位置角度。例如：假設(shè)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，外圈脈沖信號(hào)第10個(gè)脈沖相應(yīng)著相對(duì)電弧起點(diǎn)位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)位置，當(dāng)懂得電弧起點(diǎn)位置和這一時(shí)刻焊槍坐標(biāo)（x,y），則焊點(diǎn)或電弧絕對(duì)位置就可以得到。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC17圖5-SEQ圖5-\*ARABIC18圖5-SEQ圖5-\*ARABIC19與此同步，當(dāng)檢測(cè)到內(nèi)圈脈沖信號(hào)時(shí)，意味著電弧旋轉(zhuǎn)過(guò)一圈，該信號(hào)作為A/D采集觸發(fā)信號(hào)，每個(gè)上升沿到來(lái)，開(kāi)始重新采集模仿電壓信號(hào)，即A/D轉(zhuǎn)換，而內(nèi)圈脈沖信號(hào)保證了每個(gè)采集數(shù)據(jù)周期開(kāi)始相應(yīng)著同一種位置，也能減小系統(tǒng)累積誤差。需要注意是，每次新一圈電壓信號(hào)采集時(shí)，需要保存之前幾種周期信息，同步將更早信息從內(nèi)存中刪除，由于之前幾種周期信息有助于焊槍返回與重新尋跡、跟蹤，即“回溯法”思想。為了提高焊縫跟蹤能力，實(shí)現(xiàn)均勻間隔采樣,必要運(yùn)用轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。為使得焊槍能跟蹤0.1度差別，由此可設(shè)立在一種周期內(nèi)（旋轉(zhuǎn)電弧傳感器工作頻率25Hz，一種周期為0.04s），采樣3200次，也就是說(shuō)沒(méi)兩個(gè)外圈脈沖信號(hào)時(shí)間內(nèi)采樣50次電壓信號(hào)，由此可得在一種周期內(nèi)，采樣點(diǎn)間距為，相應(yīng)采樣頻率為80000Hz。如此一來(lái)，64位碼盤(pán)信號(hào)相稱于位置“粗側(cè)”，而在每?jī)蓚€(gè)碼盤(pán)信號(hào)之間有采樣50次電壓信號(hào)相稱于將兩個(gè)外圈脈沖之間相應(yīng)角度“細(xì)分”，達(dá)到位置“精測(cè)”目。這樣就不需要使用更多位碼盤(pán)，而只需要一片適合A/D轉(zhuǎn)換芯片（普通DSPA/D轉(zhuǎn)換為10位，以上分析可知需要13或14位A/D轉(zhuǎn)換芯片，故不采用DSP自身A/D轉(zhuǎn)換模塊，13位A/D芯片能辨別最小角為，滿足規(guī)定），不但節(jié)約成本，也實(shí)現(xiàn)了較高精度。按照這樣采樣頻率，每當(dāng)電弧掃描一圈時(shí)，得到3200個(gè)焊點(diǎn)位置電壓信息（弧長(zhǎng)信息），運(yùn)用數(shù)學(xué)運(yùn)算可以分析出焊縫走向用以決定焊槍移動(dòng)方向，同步也能判斷出焊槍中心線與否偏離焊縫，若偏離則通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)焊槍位姿，從而實(shí)現(xiàn)了跟蹤與糾偏。5.4運(yùn)動(dòng)控制模塊方案實(shí)現(xiàn)為了驅(qū)動(dòng)絲杠進(jìn)行位移傳動(dòng)，本系統(tǒng)將使用步進(jìn)電機(jī)對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器選用也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理與否一種重要環(huán)節(jié)5.4.1步進(jìn)電機(jī)選用步進(jìn)電機(jī)選用普通都遵循圖5-20所示環(huán)節(jié)。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC20一方面擬定選取是3相步進(jìn)電機(jī)，工作模式是三相雙三拍制。由于焊槍在正常工作是移動(dòng)速度是，滾珠絲杠導(dǎo)程是10mm，步進(jìn)電機(jī)直接連接滾珠絲杠，沒(méi)有通過(guò)減速箱或者加速箱，因此步進(jìn)電機(jī)正常轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)和絲杠轉(zhuǎn)速一致，即，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)過(guò)時(shí)，軸向邁進(jìn)是10mm。當(dāng)前市場(chǎng)上慣用步進(jìn)電機(jī)步距角有，，，初步選定為，在三相雙三拍工作模式下，每轉(zhuǎn)過(guò)一種步距角，邁進(jìn)距離大概為，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)位移精度是0.1mm，可以看到這個(gè)步距角是可以滿足規(guī)定，若為了進(jìn)一步提高定位精度，可以采用驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行細(xì)分，因而步距角選用在這里沒(méi)有特別規(guī)定。，而N=3，慣用步進(jìn)電機(jī)齒數(shù)為=50，從而可以擬定正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，這個(gè)頻率值將在電機(jī)選用后檢查矩頻特性時(shí)作為校驗(yàn)用。普通狀況下，步進(jìn)電機(jī)共振頻率都很低，并且普通如下，因此正常工作頻率遠(yuǎn)不不大于共振頻率，避免了共振失步現(xiàn)象發(fā)生。另一方面擬定所使用步進(jìn)電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩。工作臺(tái)移動(dòng)某些質(zhì)量大概為，可以以為是平均分派到兩個(gè)絲杠上，則每一種絲杠所受摩擦力矩轉(zhuǎn)換到電機(jī)側(cè)摩擦轉(zhuǎn)矩也就是負(fù)載轉(zhuǎn)矩可以初步擬定。依照系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定，最大啟動(dòng)加速度必要達(dá)到，從而可以初步預(yù)計(jì)步進(jìn)電機(jī)所需要最低轉(zhuǎn)矩。由理論力學(xué)知識(shí)，絲杠和工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到電機(jī)側(cè)之后，，其中為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由于沒(méi)有選定型號(hào)，還是未知量，初步擬定電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需要最低轉(zhuǎn)矩可以使用進(jìn)行預(yù)計(jì)。在選型時(shí)候，為了留有一定余量，至少擬定電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為。進(jìn)行電機(jī)初步選型。通過(guò)比較決定選用北京時(shí)代超群電器科技有限公司所生產(chǎn)微型步進(jìn)電機(jī)86BYG350-65，電機(jī)詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)下表。步距角額定電壓48V溫升85Kmax絕緣級(jí)別B環(huán)境溫度額定電流3A靜轉(zhuǎn)矩2.0N/m轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電機(jī)重量1.8Kg重新核算轉(zhuǎn)矩得到可以看到，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩足可以滿足系統(tǒng)需求。所選用步進(jìn)電機(jī)如圖5-21所示。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC21微型步進(jìn)電機(jī)86BYG350-655.4.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用該步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用北京時(shí)代超群電器科技有限公司配套步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3HB606，該驅(qū)動(dòng)器具備如下電器規(guī)格特性。闡明最小值典型值最大值供電電壓(VDC)16跟顧客規(guī)定關(guān)于60峰值輸出電流0.2跟顧客規(guī)定關(guān)于5.8邏輯輸入電流(mA)-15-步進(jìn)脈沖響應(yīng)頻率(KHz)--200脈沖低電平時(shí)間2.5--3HB606步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還具備下列特點(diǎn)，使得其應(yīng)用起來(lái)更加以便可靠1設(shè)有16檔等角度恒力矩細(xì)分，最高辨別率51200步/轉(zhuǎn)2步進(jìn)脈沖地址超過(guò)100ms，線圈電流自動(dòng)減半，減少電機(jī)發(fā)熱3雙極恒流斬波方式，可以輸出更大速度和功率4光電隔離信號(hào)輸入/輸出5驅(qū)動(dòng)電流從0.2A/相到5.8A/相持續(xù)可調(diào)6單電源輸入，電壓范疇是DC16-50V7過(guò)熱，過(guò)流，過(guò)壓保護(hù)所選用驅(qū)動(dòng)器如圖5-22所示。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC223HB606步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DSP控制系統(tǒng)通過(guò)PWM輸出信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行伺服控制，從而完畢整個(gè)工作單元位移動(dòng)作。5.4.3直線步進(jìn)電機(jī)選用實(shí)際中焊縫類型不固定，坡口形狀并非對(duì)稱圖形，焊縫寬度也不固定，若始終保持一種固定焊接半徑顯然會(huì)影響焊接質(zhì)量，也許浮現(xiàn)焊縫寬地方有凹陷，焊縫狹窄地方有隆起，焊接后平面不平整。為理解決這個(gè)問(wèn)題，焊接過(guò)程掃描半徑需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，由之后旋轉(zhuǎn)電弧傳感器內(nèi)部構(gòu)造可知，移動(dòng)偏心塊進(jìn)行調(diào)節(jié)并不實(shí)際，由于會(huì)影響到焊槍動(dòng)平衡，特別在高速旋轉(zhuǎn)狀況下會(huì)有強(qiáng)烈震動(dòng)，影響焊接精度和焊縫跟蹤。因而，系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，工作位移單元在Z方向上安裝位移伺服系統(tǒng)，采用直線步進(jìn)電機(jī)，使得當(dāng)焊槍上下移動(dòng)時(shí)，焊槍高度可調(diào)，雖然焊絲與中心軸線夾角不變，但上下移動(dòng)間接地變化了焊接半徑。而直線步進(jìn)電機(jī)位移精度普通較高，重要控制豎直方向軸向位移，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種可手搖式升降控制臺(tái)，因此Z方向上，焊槍位移是小范疇，可以選用位移傳動(dòng)距離比較短直線電機(jī)進(jìn)行控制，完全可以滿足系統(tǒng)定下指標(biāo)。。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，直線電機(jī)選用重要考慮到所需最大推力，假定位移單元重量為10kg，則最小推力應(yīng)當(dāng)是100N，為了留有最夠系統(tǒng)預(yù)留量，選用最大推力達(dá)到200N直線電機(jī)，在此采用海頓直線電機(jī)有限公司生產(chǎn)直線電機(jī)，35000Size14系列混合式直線步進(jìn)電機(jī)，其最大推力范疇是達(dá)到220N，步長(zhǎng)達(dá)到1.5微米，傳動(dòng)距離范疇是12.7-63.5mm，5V直流供電，每相驅(qū)動(dòng)電流為0.57A，容許溫升為75K。并且該系列電機(jī)內(nèi)置連接器，以便安裝時(shí)進(jìn)行機(jī)械連接。所選用直線電機(jī)如圖5-23所示。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC23直線電機(jī)5.4.4直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用依照所選用直線步進(jìn)電機(jī)參數(shù)，同步選用與其配套使用DCM4010細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，該款驅(qū)動(dòng)器具備下列特性。1供電電壓40V，電流1.0A2可驅(qū)動(dòng)任何1.0A相電流如下兩相步進(jìn)電機(jī)3光隔離信號(hào)輸入420KHz斬波頻率5細(xì)分精度2，4,8,16,32,64，可選6輸入信號(hào)TTL兼容7靜止時(shí)電流可減半，具備電源反保護(hù)功能8最高相應(yīng)頻率達(dá)到100KHz所選用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器如圖5-24所示。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC24直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5.5機(jī)械保護(hù)模塊方案實(shí)現(xiàn)依照系統(tǒng)需要，必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行限位保護(hù)設(shè)計(jì)。在機(jī)器人焊接過(guò)程中，重要保護(hù)部件有焊槍和傳動(dòng)電機(jī)模塊。為了保護(hù)焊槍，不會(huì)發(fā)生直接撞擊鋼板狀況，在與焊槍平行位置上安裝機(jī)械接觸式開(kāi)關(guān)，當(dāng)浮現(xiàn)危險(xiǎn)狀況，焊槍始終往下運(yùn)動(dòng)時(shí)候，機(jī)械限位開(kāi)關(guān)將一方面撞擊到鋼板，與開(kāi)關(guān)信號(hào)相連硬件門(mén)電路產(chǎn)生動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)光電耦合器，直接切斷電機(jī)供電電源和弧焊供電電源，對(duì)焊槍進(jìn)行保護(hù)。為了對(duì)工作臺(tái)在軸向位移上進(jìn)行保護(hù)，在絲杠端位上安裝機(jī)械式限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)發(fā)生工作臺(tái)在軸向位移失控時(shí)，一方面撞擊是機(jī)械限位開(kāi)關(guān)，與開(kāi)關(guān)信號(hào)相連硬件門(mén)電路產(chǎn)生動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)光電耦合器，直接切斷電機(jī)供電電源和弧焊供電電源，對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行限位保護(hù)。通過(guò)兩個(gè)層次機(jī)械限位保護(hù)辦法，基本上可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行最后層次應(yīng)急保護(hù)辦法。5.6環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)由于工作環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是比DSP主控系統(tǒng)先啟動(dòng)，啟動(dòng)后檢測(cè)當(dāng)前工作環(huán)境溫度和濕度，只有當(dāng)溫度和濕度都滿足系統(tǒng)啟動(dòng)規(guī)定之后，才通過(guò)光電耦合器件啟動(dòng)DSP主控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)提前保護(hù)。其工作原理和啟動(dòng)順序如圖5-25所示。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC25環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)選用控制芯片是ATMEL生產(chǎn)ATMEGA16單片機(jī)。該單片機(jī)是8位指令高性能單片機(jī)，內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換模塊，I/O驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到50mA，16KBFlash內(nèi)存，1KBE2PROM，2KBSRAM，最高支持晶振頻率達(dá)到32MHz，足可以勝任環(huán)境檢測(cè)和相應(yīng)溫濕調(diào)節(jié)功能。ATMEGA16最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5-26所示。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC26ATMEGA16最小系統(tǒng)對(duì)溫度和濕度測(cè)量使用瑞士生產(chǎn)溫濕集成傳感器SHT10系列。SHT10系列單芯片傳感器是一款具有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出溫濕復(fù)合傳感器，其應(yīng)用專利工業(yè)COMS過(guò)程微加工技術(shù)，保證產(chǎn)品具備極高可靠性與卓越長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一種電容式聚合體測(cè)濕元件和一種能隙式測(cè)溫元件，并與一種14位A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，具備超快響應(yīng)，抗干擾能力極強(qiáng)特點(diǎn)。SHT10傳感器構(gòu)造如圖5-27所示。其溫度測(cè)量范疇是，最大辨別率達(dá)到；濕度測(cè)量范疇是，最大辨別率達(dá)到，這樣測(cè)量精度已經(jīng)足夠本系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC27溫濕集成傳感器當(dāng)測(cè)量得到溫度和濕度值滿足主控系統(tǒng)啟動(dòng)規(guī)定期，ATMEGA16將通過(guò)MOSFET驅(qū)動(dòng)光耦繼電器，接通DSP主控系統(tǒng)控制電源，啟動(dòng)總系統(tǒng)。如果第一次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)主控系統(tǒng)工作環(huán)境濕度過(guò)高，則啟動(dòng)內(nèi)置小型微加熱電扇，減少主控系統(tǒng)環(huán)境濕度，懂得滿足系統(tǒng)啟動(dòng)規(guī)定。在系統(tǒng)正常工作過(guò)程中，ATMEGA16將隨時(shí)監(jiān)控當(dāng)前溫度和濕度，發(fā)現(xiàn)達(dá)到最低系統(tǒng)設(shè)定閾值時(shí)，將打開(kāi)調(diào)節(jié)裝置，進(jìn)行自控嘗試調(diào)節(jié)，并驅(qū)動(dòng)高亮LED進(jìn)行報(bào)警；如果調(diào)節(jié)無(wú)效，則ATMEGA16強(qiáng)制切斷DSP主控系統(tǒng)供電電源，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。5.7接口擴(kuò)展模塊方案實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)方案比較中擬定了使用RS-232和PCI以太網(wǎng)接口作為系統(tǒng)接口擴(kuò)展模塊。在此分別進(jìn)行RS-232模塊和以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)。由于PC機(jī)串口通信使用電平時(shí)12V，而DSP輸出串口電壓為3.3V，因而一方面需要對(duì)兩者進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛轉(zhuǎn)換芯片是美信公司生產(chǎn)232系列芯片，在此選用MAX232，實(shí)現(xiàn)硬件電平轉(zhuǎn)換。MAX232與DSP之間連接電路如圖5-28所示。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC28為了實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)卡接口擴(kuò)展，本系統(tǒng)選用Realtek公司生產(chǎn)具備PCI接口以太網(wǎng)控制芯片RTL8139實(shí)現(xiàn)RTL8139與DSP接口方案。\o"RTL8139貨源和PDF資料"RTL8139是帶PCI接口10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡控制芯片,它提供32位PCI總線控制,支持IEEE802.3u100Base-T和IEEE802.3x全雙工流量控制;符合PCI2.2原則,支持高檔配備和電源接口(ACPI)和PCI對(duì)當(dāng)代操作系統(tǒng)電源管理,以提高電源管理效率。此外,\o"RTL8139貨源和PDF資料"RTL8139還支持128KBBootROM,提供網(wǎng)絡(luò)喚醒和遠(yuǎn)程喚醒功能;具有2個(gè)2KB收發(fā)FIFO;可以減少網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本,消除使用障礙,并且可以很以便地使網(wǎng)絡(luò)由10M升級(jí)到100M,且?guī)捒梢赃_(dá)到200Mbps。這些功能實(shí)現(xiàn)足可以滿足本系統(tǒng)需求。RTL8139與DSP之間硬件連接關(guān)系如圖5-29所示。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC295.8電源管理模塊方案實(shí)現(xiàn)依照系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案擬定，選用專用弧焊電源作為焊機(jī)供電電源。由于焊槍使用時(shí)候直流弧焊，電流在400A左右，依照電流和容量指標(biāo)，擬定選用松下型號(hào)為YD-630SS交流供電直流輸出弧焊電源。該電源輸入電源為三相380V交流電源，額定輸入為47.6KW，輸出電流范疇是100-630A，空載電壓為77V，額定負(fù)載持續(xù)率為60%，依照本系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)規(guī)定，該弧焊電源滿足設(shè)計(jì)規(guī)定。所選用弧焊電源如圖5-30所示。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC30弧焊電源由于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)電源為48V直流電源，直線步進(jìn)電機(jī)供電為5VDC，驅(qū)動(dòng)DSP主控系統(tǒng)電源為5V，為了獲得低壓直流電源，采用交直變換方案實(shí)現(xiàn)。整個(gè)整流設(shè)計(jì)方案流程如圖5-31所示。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC315.9報(bào)警模塊方案實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，當(dāng)浮現(xiàn)過(guò)熱，過(guò)壓，過(guò)流，欠壓，和機(jī)械故障，且系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)時(shí)候，系統(tǒng)除了進(jìn)行預(yù)訂保護(hù)辦法外，還將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。報(bào)警形式設(shè)計(jì)了兩種。一種是高亮LED頻閃，一種是高音蜂鳴器。6軟件控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)6.1傳感器控制算法和模型6.1.1傳感器與系統(tǒng)初始化實(shí)際使用前，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行初始化工作。一方面，通過(guò)手動(dòng)移動(dòng)或者運(yùn)用接觸式傳感器找到裂縫起始點(diǎn)位置。手動(dòng)移動(dòng)位置精度不高，運(yùn)用接觸式傳感器比手動(dòng)調(diào)節(jié)精度高，并且接觸式傳感器價(jià)格不高，這樣可以減少尋找初始位時(shí)間，也滿足了一定精度。另一方面，運(yùn)用光電碼盤(pán)“尋零”。在未接焊接電源之前，通電使得空心軸直流電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)接受到內(nèi)圈脈沖信號(hào)時(shí)停轉(zhuǎn)，意味著焊絲相對(duì)于電機(jī)空間位置到達(dá)系統(tǒng)“零位”，而“零位”是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)時(shí)就已經(jīng)擬定一種固定位置，之后每次旋轉(zhuǎn)到該位置時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一種脈沖，作為其她瞬時(shí)位置基準(zhǔn)，根據(jù)外圈脈沖信號(hào)相對(duì)同一周期內(nèi)圈脈沖信號(hào)可以擬定電弧及焊點(diǎn)相對(duì)電機(jī)空間位置，以便對(duì)焊縫跟蹤和自身導(dǎo)向。最后，通過(guò)z軸方向上直線電機(jī)調(diào)節(jié)焊槍相對(duì)于鋼板高低位置，調(diào)到適當(dāng)位置，然后給焊槍通以弧焊電源電壓，在焊接起始點(diǎn)附近位置原地掃描一圈，得到焊槍接下來(lái)移動(dòng)方向信息和鋼板平整某些弧壓，將該信息存儲(chǔ)起來(lái)，作為基準(zhǔn)電壓與之后掃描電壓作比較。此后還需要對(duì)解決控制電路進(jìn)行初始化，這樣就完畢了所有初始化工作。之后依照得到導(dǎo)向信息驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)讓焊槍跟蹤裂縫。6.1.2傳感器算法分析與之前分析相似，考慮到電弧傳感器旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)不不大于焊槍移動(dòng)速度，故可以以為在一種旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)焊槍移動(dòng)距離為0，空間直角坐標(biāo)系如圖5-15、圖5-16所示。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器掃描一圈所采集電壓信號(hào)如圖6-1,當(dāng)分析焊槍走向時(shí)還需要將碼盤(pán)輸出信號(hào)與電壓信號(hào)對(duì)照分析才干擬定空間角度方向。圖6-SEQ圖6-\*ARABIC1當(dāng)前，根據(jù)旋轉(zhuǎn)電弧傳感器在焊縫跟蹤中慣用控制算法，本系統(tǒng)可采用辦法重要有如下四種：積分差值法以焊槍邁進(jìn)方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，將焊槍在邁進(jìn)方向左側(cè)旋轉(zhuǎn)半周期和右側(cè)旋轉(zhuǎn)半周期分別進(jìn)行電壓信號(hào)積分，并求出兩個(gè)電壓積分差值。若滿足則闡明偏差為零；若則表白焊槍左偏；若即表達(dá)焊槍右偏。因此依照積分差值符號(hào)和大小可以得到焊槍偏移方向和偏移量，進(jìn)而予以修正。極值比較法依照電弧在左右不同位置時(shí)焊接電壓數(shù)值不同，比較兩側(cè)掃描焊接電壓大小變化關(guān)系（極值或者兩邊電壓變化幅值）來(lái)獲得焊槍位置信息。這種做法很容易實(shí)現(xiàn)，由于左右兩側(cè)幅值容易得到，數(shù)學(xué)運(yùn)算簡(jiǎn)樸，但電弧不穩(wěn)定性使得這種辦法沒(méi)有積分差值法信噪比高。類型比較法當(dāng)電弧在坡口旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果焊槍中心線與焊縫中心對(duì)正，則采樣電壓波形為對(duì)稱波形；若焊槍中心線與焊縫中心存在偏差，則電壓波形變化為非對(duì)稱波形。因此將采樣電壓波形與對(duì)正時(shí)原則電壓波形（可在初始化過(guò)程存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中）相比較，可求出偏差大小和方向，從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。但這種辦法對(duì)焊縫規(guī)定太高，僅合用于各處焊縫坡口變化不大場(chǎng)合，應(yīng)用范疇狹窄。平面擬合法當(dāng)采集了傳感器掃描一圈之后，能充分運(yùn)用檢測(cè)得到信息。由于這些信息通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算可以還原焊槍所在處截面，普通采用最小二乘辦法擬合該平面,稱作特性平面。依照特性平面與坐標(biāo)平面交線斜率來(lái)檢測(cè)焊槍左右偏差和傾角。比較上述四種辦法，極值比較法與類型比較法不太適合于本系統(tǒng)，應(yīng)用范疇也受限制。積分差值法原理比較簡(jiǎn)樸，程序容易編寫(xiě)，但事實(shí)上這種辦法對(duì)坡口截面也有一定約束限制，合用于坡口截面比較對(duì)稱狀況，這點(diǎn)與類型比較法相似。因此本系統(tǒng)宜采用平面擬合法，該算法合用于各類坡口，精度比較高。 平面擬合法長(zhǎng)處是：簡(jiǎn)樸迅速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，滿足焊槍姿態(tài)位置控制規(guī)定；能同步結(jié)算出焊槍偏差和傾角，能更好地焊槍姿態(tài)；(3)充分運(yùn)用了旋轉(zhuǎn)電弧傳感器檢測(cè)得到信息，信息量大，檢測(cè)成果可靠性和精確性高。但僅僅按照此辦法是不夠，只能作為整體思想框架，還需要進(jìn)一步完善。依照特性諧波檢測(cè)理論有關(guān)闡述，由于傳感系統(tǒng)存在著非線形失真,與系統(tǒng)輸入掃描電弧長(zhǎng)度變化相比,傳感器輸出電壓波形發(fā)生了很大變化。因此有必要從電壓信號(hào)中找到一種能反映焊槍位置信息特性量。電弧傳感信號(hào)最后體現(xiàn)為電壓信號(hào)，但其中存在著失真和疊加著大量噪聲干擾。基于特性諧波檢測(cè)理論，科研人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)重復(fù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)電弧掃描輸入信號(hào)一次諧波分量是其特性諧波,其幅值大小表征焊槍位置信息和傾斜限度狀況，其相角正負(fù)體現(xiàn)為焊槍擺動(dòng)方向，并且除低次諧波成分外,其她頻率成分都是一種小量,可以忽視不計(jì),雖然在幅值明顯低次諧波中,也只有特性諧波有檢測(cè)意義。鑒于本文僅討論焊槍與焊接鋼板保持垂直狀況，故只分析如何從一次諧波中分析提取焊接偏差信息。為了簡(jiǎn)化模型，假設(shè)電弧掃描輸入信號(hào)與電壓檢測(cè)信號(hào)是較好一次函數(shù)關(guān)系，低通濾波器濾波效果滿足系統(tǒng)規(guī)定，因此信號(hào)解決只需對(duì)檢測(cè)電壓特性諧波（一次諧波）頻率分量進(jìn)行分析,而不必去考慮系統(tǒng)整個(gè)頻率響應(yīng)特性和其她信號(hào)分量變化。簡(jiǎn)言之就是運(yùn)用濾波器及某些數(shù)學(xué)運(yùn)算得到檢測(cè)電壓信號(hào)一次諧波，再進(jìn)行有關(guān)平面擬合數(shù)學(xué)運(yùn)算。為突出重點(diǎn)，下面對(duì)平面擬合法構(gòu)建特性平面過(guò)程進(jìn)一步討論。6.1.3電弧長(zhǎng)度模型與平面擬合算法分析在進(jìn)行算法分析之前，先要對(duì)焊接過(guò)程中電弧長(zhǎng)度建立模型。仍以跟蹤V形坡口焊縫為例，見(jiàn)圖5-15和圖5-16。焊槍軸線在水平方向上與焊縫坡口對(duì)稱線偏移距離稱為偏差(如圖5-16,設(shè)為e)。設(shè)焊槍口端面到焊縫坡口底部距離為Hc，焊縫坡口與水平面夾角為β，電弧旋轉(zhuǎn)半徑為r，旋轉(zhuǎn)周期為2T，角速度為ω，。設(shè)焊槍旋轉(zhuǎn)在最右側(cè)時(shí)t=0，則電弧長(zhǎng)度H(t)可由式(1)求得。(1)圖6-2、圖6-3所示即為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某瞬時(shí)狀態(tài)。圖6-SEQ圖6-\*ARABIC2圖6-SEQ圖6-\*ARABIC3依照關(guān)于焊接理論可知,電弧動(dòng)態(tài)變化時(shí),在一定條件下弧長(zhǎng)變化H(s)到焊接電流變化I(s)傳遞函數(shù)可以表達(dá)為：(2)其中，為電弧電位梯度；為與焊絲熔化速度關(guān)于常數(shù)；為與干伸長(zhǎng)電阻和極區(qū)等效電阻關(guān)于常數(shù)；為與電源特性、焊接材料等關(guān)于常數(shù)；P(s)為電源動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)電源具備極好動(dòng)態(tài)品質(zhì)時(shí),P(s)可視為一種比例環(huán)節(jié)，此時(shí)傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為一階模型?？梢?jiàn)當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率一定期，弧長(zhǎng)變化規(guī)律與電流變化規(guī)律成正比關(guān)系，因此與電壓變化規(guī)律也成正比。由于電弧傳感器旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)不不大于焊槍移動(dòng)速度,故可以以為在一種旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)焊槍移動(dòng)距離為0。以電弧旋轉(zhuǎn)中心作為坐標(biāo)原點(diǎn),焊接方向作為x軸,焊槍軸線作為z軸建立局部直角坐標(biāo)系（圖5-15和圖5-16），在此坐標(biāo)系中對(duì)一種掃描周期內(nèi)電弧長(zhǎng)度值進(jìn)行最小二乘擬合，則可得到一種擬合平面，此擬合平面即可反映焊槍偏差和傾角狀況。以偏差檢測(cè)為例，設(shè)焊槍傾角為0°,與焊接平面始終保持垂直。此時(shí)電弧長(zhǎng)度沿y軸對(duì)稱,擬合后平面與YOZ面關(guān)系，如圖6-4所示。圖中直線ab表達(dá)擬合平面與YOZ面交線，圖6-4表達(dá)焊槍對(duì)中焊縫，圖6-5表達(dá)焊槍偏左。可以看出，當(dāng)焊槍對(duì)中焊縫時(shí)，直線ab與y軸平行；而當(dāng)焊槍偏左時(shí)，直線ab與y軸成一夾角。偏差越大，夾角越大，并且?jiàn)A角正負(fù)和偏差正負(fù)相相應(yīng)。同理可知，特性平面和XOZ面交線與x軸夾角則反映了焊槍傾角變化狀況。圖6-SEQ圖6-\*ARABIC4圖6-SEQ圖6-\*ARABIC5電弧長(zhǎng)度可由式(1)求得,而，，故可將它們離散化為，，。由于文中采用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器在一種掃描周期內(nèi)采樣64次，因而將離散點(diǎn)取為64個(gè)。由空間解析幾何理論可知，一種空間平面方程可以表達(dá)為：(3)為了便于討論,將上述方程變形為:(4)引入矢量、矩陣記號(hào),令(5)對(duì)電弧長(zhǎng)度進(jìn)行空間平面擬合就是謀求,使其滿足下面條件:(6)這里，運(yùn)用微分法求式(6)解,得：(7)將上式變形為:(8)用矩陣表達(dá)，上述方程組可寫(xiě)為：通過(guò)度析可知是正定矩陣,因而存在逆矩陣，由式(8)可得：(9)將代入式(4)，則可得到所求擬合平面。該平面與XOZ面交線斜率為，與YOZ面交線斜率為。在實(shí)際進(jìn)行擬合時(shí),式中由旋轉(zhuǎn)電弧傳感器采集得到電流經(jīng)轉(zhuǎn)換后獲得。6.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法在工程實(shí)踐中應(yīng)用最普遍辦法是PID算法，此類辦法實(shí)質(zhì)是將檢測(cè)到偏差信號(hào)送入控制器中，按照已建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算，得到控制量，輸送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)操作，從而保證偏差在容許范疇之內(nèi)。但是由于焊接過(guò)程特殊性，往往體現(xiàn)為某些復(fù)雜非線性系統(tǒng)，難以找到適當(dāng)數(shù)學(xué)物理模型，PID控制算法已經(jīng)逐漸退出焊接控制領(lǐng)域。當(dāng)前，在焊接跟蹤領(lǐng)域涉及人工智能理論與辦法重要有模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)等。模糊控制是吸取了人思維具備模糊性特點(diǎn)，使用模糊數(shù)學(xué)中從屬函數(shù)、模糊關(guān)系、模糊推理和決策等工具，得出控制動(dòng)作。簡(jiǎn)樸模糊控制器以檢測(cè)到焊槍偏離焊縫中心線偏差和偏差變化作為模糊控制器輸入，依照模糊控制規(guī)則，誤差及誤差變化率模糊子集產(chǎn)生控制決策表，通過(guò)決策表直接查詢，可以得到每一時(shí)刻控制系統(tǒng)控制動(dòng)作，從而達(dá)到實(shí)時(shí)控制目。模糊控制不需要建立對(duì)象精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，它是一種基于規(guī)則非線性控制辦法。因而，模糊控制非常適合于焊接過(guò)程控制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是在研究人腦構(gòu)造和功能基本上，通過(guò)簡(jiǎn)化、抽象和模仿建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，再通過(guò)相應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能反映類似人腦構(gòu)造和功能來(lái)解決問(wèn)題控制算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在焊接領(lǐng)域更多地應(yīng)用于視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)焊縫類型自動(dòng)辨認(rèn)，將提取出預(yù)解決后焊縫構(gòu)造光圖像特性參數(shù)，送入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進(jìn)行辨識(shí)，可以鑒別出焊縫類型。應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)辨認(rèn)焊縫類型，迅速、穩(wěn)定且可靠性高，是焊縫類型自動(dòng)辨認(rèn)抱負(fù)辦法，但在以電弧傳感器為檢測(cè)元件系統(tǒng)中應(yīng)用并不多見(jiàn)。專家系統(tǒng)是一種具備大量專門(mén)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)程序系統(tǒng)。它應(yīng)用于人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，依照某一領(lǐng)域一種或各種專家提供知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和判斷，模仿人類專家決策過(guò)程，以便解決那些需要人類專家才干解決好復(fù)雜問(wèn)題。專家系統(tǒng)具備下列幾方面特點(diǎn)：?jiǎn)l(fā)性、透明性、靈活性、不擬定性，當(dāng)前焊接專家系統(tǒng)還不夠成熟，尚處在研究階段。分析本系統(tǒng)，傳感器某些和步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型不容易建立，傳遞函數(shù)復(fù)雜，老式PID控制算法已不合用。綜合以上分析，電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法擬定為模糊控制算法，限于自身能力匱乏，在此不對(duì)算法細(xì)節(jié)進(jìn)行闡述。7成本預(yù)計(jì)弧焊電源及焊接設(shè)備1000元旋轉(zhuǎn)電弧傳感器系統(tǒng)(自行設(shè)計(jì))1000元步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)1300元機(jī)械系統(tǒng)800元環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)100元電源管理系統(tǒng)200元DSP主控系統(tǒng)450元各種雜件和加工費(fèi)600元總成本5450元8項(xiàng)目總結(jié)與改進(jìn)8.1項(xiàng)目總結(jié)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮到了工業(yè)應(yīng)用型焊接機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具備特性。一方面是安全性和平穩(wěn)性規(guī)定，采用了涉及系統(tǒng)啟動(dòng)保護(hù)，軟件保護(hù)，機(jī)械限位保護(hù)，報(bào)警保護(hù)在內(nèi)保護(hù)辦法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮了系統(tǒng)響應(yīng)速度問(wèn)題，這個(gè)將影響到整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)迅速響應(yīng)性，也是衡量一種焊接機(jī)器人與否具備足夠應(yīng)用價(jià)值一種重要指標(biāo)。在焊縫跟蹤掃面方面，跟蹤誤差和焊縫誤差滿足指標(biāo)規(guī)定，響應(yīng)時(shí)間短，對(duì)各類焊縫類型有一定普適性。在系統(tǒng)應(yīng)用拓展方面，充分考慮了系統(tǒng)可升級(jí)性，預(yù)留了原則串口和以太網(wǎng)接口，為系統(tǒng)調(diào)試和升級(jí)提供必要硬件保障，也以便了同類焊接機(jī)器人后續(xù)系列產(chǎn)品開(kāi)發(fā)升級(jí)。8．2項(xiàng)目改進(jìn)：8.2.1旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器問(wèn)題與改進(jìn)由于高速構(gòu)造特點(diǎn),在使用過(guò)程中,存在著如下問(wèn)題： (1)小型化問(wèn)題由于十字滑塊z軸方向移動(dòng)滑塊承受重量有限，焊接過(guò)程中傳感器內(nèi)部電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動(dòng)，以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也許產(chǎn)生加速度影響。振動(dòng)問(wèn)題旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器在工作時(shí)振動(dòng)很大，因素在于旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器偏心機(jī)構(gòu)重心偏離了旋轉(zhuǎn)中心，在高速狀況下振動(dòng)尤為明顯。振動(dòng)和較大負(fù)荷都會(huì)影響弧焊機(jī)器人焊接時(shí)焊縫質(zhì)量和焊縫跟蹤精度。這就規(guī)定旋轉(zhuǎn)掃描電弧傳感器重量越輕越好，需要對(duì)傳感器構(gòu)造進(jìn)一步優(yōu)化；并且傳感器動(dòng)平衡和靜平衡檢測(cè)要過(guò)關(guān)，保證高速旋轉(zhuǎn)狀況下不會(huì)強(qiáng)烈振動(dòng)。由于近些年來(lái)焊接技術(shù)發(fā)展迅速，基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器焊接系統(tǒng)也逐漸嶄露頭角。聯(lián)系本系統(tǒng)與實(shí)際狀況，還可以做如下改進(jìn)：焊接半徑可調(diào)，焊槍焊接傾角可調(diào)等。這樣改進(jìn)之后可以使焊縫系統(tǒng)合用于靈活性更強(qiáng)，自動(dòng)化限度更高，例如：在焊縫較寬處，運(yùn)用磁場(chǎng)等手段調(diào)節(jié)焊槍焊接半徑，減慢焊槍移動(dòng)速度，使得融化焊絲材質(zhì)填充寬度增長(zhǎng)，填滿坡口，提高焊接質(zhì)量，而不需要采用通過(guò)焊槍上下移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)掃描與焊接半徑，減少大幅度機(jī)械運(yùn)動(dòng)，也能提高精度；而在焊縫狹小地方，減小焊接半徑，加快移動(dòng)速度，避免焊接后表面不平整。焊槍傾角可調(diào)則可以對(duì)空間各個(gè)方位坡口進(jìn)行焊接，若提高焊槍小型化，則可以在管道等狹小空間環(huán)境工作，拓寬了合用范疇。8.2.2系統(tǒng)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也呈現(xiàn)了蓬勃發(fā)展趨勢(shì)。在隨后科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域里，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會(huì)滲入到生活，工業(yè)生產(chǎn)，科研領(lǐng)域各個(gè)方面，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以考慮設(shè)計(jì)相應(yīng)無(wú)線傳感器接口，采用Zigbee無(wú)線傳感器傳播網(wǎng)絡(luò),將焊接機(jī)器人和周邊電子應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行無(wú)線調(diào)控，無(wú)線維護(hù)和無(wú)線升級(jí)。8.2.3系統(tǒng)可移植性改進(jìn)在系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)時(shí)候，應(yīng)盡量考慮到硬件無(wú)關(guān)性和軟件平臺(tái)無(wú)關(guān)性，這樣將更利于軟件系統(tǒng)移植，為開(kāi)發(fā)同類產(chǎn)品軟件系統(tǒng)提供便利。9心得體會(huì)一種系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，特別是工業(yè)應(yīng)用型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，必要充分考慮各種也許遇到問(wèn)題，必要一方面保證系統(tǒng)是安全，穩(wěn)定，這是任何一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本前提。在資源應(yīng)用日益緊缺今天，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要充分考慮成本問(wèn)題，盡量用至少成本獲得最佳系統(tǒng)性能，使得系統(tǒng)性價(jià)