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0前言

    焊接是一門材料連接技術，通過某種物理化學過程使分離的材料產生原子或者分子間的作用力而連接在一起，隨著焊接技術的不斷發展，它在生產中的應用日趨廣泛，到目前為止已經成為一種重要的加工手段。從日常生活用品，如家用電器、水暖設備等的生產到飛機、潛艇、火箭、飛船等尖端科技產品都離不開高效率、現代化的焊接技術，進一步提高焊接質量、改善勞動條件、提高勞動生產率已經成為所有焊接工作者的強烈的愿望，而采用自動控制技術是實現上述的的正確途徑。焊縫自動跟蹤系統的研究作為焊接領域的一個重要的方面，為了進行精確的自動焊接，必須進行焊縫自動跟蹤。

    國外關于焊接實時跟蹤控制的研究主要集中在焊接傳感器的選擇以及控制方法的改進上。1985年保加利亞的D.Lakov提出了用模糊模型來描述弧焊過程的不確定性，借助于配置的非接觸式激光傳感器，用模糊控制推理對示教機器人的運動進行估計、預測和控制，實現焊縫的自動跟蹤。1989年日本的S.Mursaami等研究了利用電弧傳感弧焊機器人焊縫跟蹤的模糊控制，該控制系統根據焊槍的振幅位置同焊絲與工件的距離關系判斷焊點的水平和垂直位移，并在強烈的弧光、高溫、煙所以下，采用基于語言規則的模糊濾波器和模糊控制器來設計焊縫跟蹤控制系統，取得了較好的效果。美國Ohio州的Motoman公司推出了一種最高可以在60in_/min(152cm/min)焊接速度下進行焊縫跟蹤的電弧傳感跟蹤系統。

    我國對焊縫跟蹤控制技術的研究起步較晚。80年代末以清華大學潘際鑾院士為首的課題組在旋轉電弧傳感器方面做了大量的研究，并取得了有價值的成果。1993年清華大學博士廖寶劍在博士生費躍家的研究基礎上，研制成功了一種空心軸電機驅動的旋轉掃描傳感器，并獲得了國家專利。此后江西大學在此基礎上在小型化和減震方面做了深入的研究，并做了進行一步的改進，并制造了樣機。清華大學吳世德的博士論文較系統的研究了電弧傳感器信息處理技術，通過空間變換，進行了掃描電弧傳感器信號的頻域特征分析，提出了特征濾波向量的電弧傳感的信號處理方法。

    1系統總指標分析

    作為一個工業用的焊接機器人，在對整個系統進行設計的時候，先對其要求的指標進行分析和制定。

    1.1系統靜態指標

對于焊接機器人系統，其靜態指標是指機器人處于正常的焊接運行狀態時，對于控制系統所給的指令，在達到穩態時，能夠做到無偏差跟蹤的能力，對于階躍信號和速度信號，考慮到機械結構的特性，穩態誤差必須控制在0.2%之內，對于加速度信號，穩態誤差不得小于0.5%

    1.2系統動態指標

    系統的動態性能指標，對于焊接機器人來說，主要考慮的是整個系統對階躍輸入信號和正弦輸入信號的動態響應特性。對于階躍信號，其超調量最大不能超過10%，過渡時間最大不能超過0.1ms，震蕩次數不能超過2次。對于正弦響應，主要考慮的是其頻率特性和相角裕度，工作頻率大概為5至12Hz。

    1.3運動精度指標

    焊槍移動的位置精度小于0.2mm，焊縫誤差小于1mm，速度精度小于1mm/s，系統響應時間小于0.3s。

    1.4智能性指標分析

    要求所設計的系統具有一定的智能性，其中包括系統自檢功能，故障嘗試自修復功能，故障保護功能，自動循跡跟蹤焊縫功能。

    1.5可擴展性指標分析

    系統應該留有一定的對外接口，以滿足系統在線編程或離線編程，隨著INTERNET技術的發展和物聯網技術的發展，要求系統需要留有特定的接口模塊。系統必須具備可升級性，以滿足不同應用場合的重新組裝和升級。

    1.6應用指標

    整個系統為220V市電系統，在保證系統正工作的前提下，功率應盡量減小。控制核心系統部分體積為25x25x25cm，電源管理部分由于其功耗相對較大，為了避免其對弱電系統的影響，對電源部分進行單獨包裝，設定為25x25x25cm，并且配置散熱風扇。整個系統的成本在兩萬元以下。

    1.7環境要求

    在使用過程中噪聲不能大于40db，整個系統對市電網絡和周圍環境不存在電磁干擾，電磁兼容性必須控制在國家標準范圍之內，無強烈的電磁輻射性，工作時對焊槍的強光部分做簡單的屏蔽。系統不具有防水性，防塵等級IP5級，工作環境為90攝氏度以下，負15攝氏度以上。

    1.8裝配指標分析

    整個系統的裝配精度只要是十字滑架的精度要求，其裝配精度必須控制在0.1mm以內。

    2總體設計方案

圖1總設計方案和模塊圖

    如圖1所示，為系統的總設計方案和模塊圖，整個系統可以分為9個主要的模塊，系統的工作思路為：

    總系統上電，啟動工作環境檢測系統，檢測當前主控平臺的環境濕度，和溫度，如果不符合工作環境要求，嘗試進行自動調節，若調節依然無效，則系統報警，并自動關閉；環境檢測符合要求后，DSP主控系統啟動，先完成自檢功能，如果發現某些模塊處于無法就緒狀態，系統嘗試軟件自動修復，如果修復不成功，則系統自動重啟，如果重啟后，依然無法解決問題，系統進行報警動作；系統初始化后，通過零點尋位傳感器查找初始零位，尋零結束后，進行坐標變換，將零位傳感器的坐標變換為焊槍的坐標，此時系統進入到正常工作模式；用DSP通過PWM控制步進電機，完成十字滑架的移動，并控制弧焊電源和送絲機構進行焊接；在焊接開始之后，旋轉電弧傳感器檢測電弧電壓信息，通過DSP轉換為相應的位移信息，并進行位移量的反饋，構成整個控制系統的閉環工作模式；于此同時，系統配備的各種傳感器也處于監視運行狀態，包括機械限位保護，電源過壓過流保護，系統過熱過濕保護。

3總控制核心系統設計

    主控系統部分采用DSP作為整個系統的控制芯片，完成整個系統的調節和控制。通過方案的比較，決定選用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。該系列芯片是TI公司推出的一款32位定點高速DSP芯片，采用8級指令流水線，單周期32x32位MAC功能，最高速度每秒鐘可執行1.50億條指令(150MIPS)，保證了控制和信號處理的快速性和實時性。另外TMS320F2812片上還集成了豐富的外部資源，包括16路12位ADC，6路PWM輸出、3個32位通用定時器、128k的16位Flash存貯器、18kRAM存貯器，外圍中斷擴展模塊(PIE)可支持45個外圍中斷，并具有McBSP,SPI,SCI和擴展的eCAN總線等接口。TMS320F2812還支持最大1M的外部存貯器擴展。

    TMS320F2812支持C/C++編程語言，其C語言優化器的C編譯效率可達99%，還有虛擬浮點數學函數庫提供支持，可以大大縮短數學運算與控制程序的開發周期。TMS320F2812非常適用于電機控制、電源設計、智能傳感器設計等應用領域。

    在本系統設計中，需要高速的運算速度，完成傳感器信息值的解算和電機的控制，在信息的處理中需要涉及到大量的浮點型運算，而這也正是DSP控制系統的強項所在，通過對比選取，決定使用TI公司的TMS320F2812芯片。

4電弧傳感器的分類及工作原理

    目前電弧傳感器在實用中主要有以下幾種類型：

    (1)非掃描雙絲（多絲）并列型

    該類型利用電弧的靜態特性，當焊槍不對中時，兩電弧的高度不同將反映在電流(電壓)差上，從而實現焊縫跟蹤。但因為要同時用兩個參數相同的獨立回路電源并列進行坡口焊接，實現上有困難，所以實際使用受到限制。

    (2)擺動式電弧傳感器

擺動式電弧傳感器利用機械擺動所產生電弧作為傳感介質，受機構的限制，掃描頻率一般很低（5Hz以下），使得靈敏度較低，只能在低速焊接中應用，同時熔池中的液態金屬的流動和填充也阻礙了焊縫坡口的識別。

    (3)旋轉掃描式電弧傳感器

    旋轉電弧傳感器的基本原理與其他電弧傳感器相同，特別之處在于利用直流電動機驅動偏心機構使得焊絲和電弧旋轉，從而實現電弧的高速掃描，掃描頻率一般在5～50Hz。這種設計能克服擺動式的低掃描頻率帶來的問題，靈敏度大為提高，可以工作在高速場合，并且焊縫結果也有所改善。

    傳統的旋轉電弧傳感器利用外置直流電機通過齒輪傳動來驅動偏心機構，從而實現焊絲與電弧的旋轉。這類結構的問題在于機械結構尺寸較大，機械振動大，附加的質量和轉矩不得不考慮，也就影響了與之相關的一系列裝置的選擇。考慮到焊槍在豎直方向的移動，焊槍尺寸應該小而輕，才能在成本上有所減少，所以應該采用更合理的裝置。

    弧焊電源供應焊接電壓，送絲輪完成焊絲輸送（一般維持速度不變，但也可以改變電壓來調節送絲速度），空心軸直流電機高速旋轉通過偏心裝置使焊絲和電弧旋轉。這個過程中，電流傳感器檢測流過焊絲的焊接電流的大小并得到與弧長對應的電壓信號，將電壓信號輸出到相應電路對信號進行采樣處理。與此同時，光電碼盤測量出電弧每圈掃描的起始位置和相對起始點的瞬時位置，經處理得到空心軸電機旋轉速度，以實現電機旋轉速度的閉環控制；碼盤輸出信息與霍爾傳感器的電壓信息經由主控電路DSP運算處理，控制執行機構調節焊槍的x、y、z三個方向的位置。系統這部分的流程圖見圖2。其中，DSP輸出信號與執行機構之間需要利用光電隔離器件隔離強電與弱電信號，起到保護控制電路的作用。計算機用于實時顯示焊接過程的焊縫情況，經過數學運算可以得到焊縫內部情況，如焊接某瞬時的焊縫截面，縫寬，縫深及裂縫平面走向布局等。

圖5-14電弧焊控制系統流程圖

    參考相關文獻可得：旋轉電弧傳感器的工作頻率在5-50Hz之間，本系統的掃描頻率為25Hz。并定下了以下的參數：焊槍連續移動速度（無特殊情況下）為25mm/s，即旋轉電弧傳感器掃描一圈前進1mm；相關實驗研究可得，旋轉電弧傳感器的焊縫誤差為0.1mm，跟蹤誤差為0.1mm。

5電弧長度模型與平面擬合算法分析

    在進行算法分析之前，先要對焊接過程中的電弧長度建立模型。仍以跟蹤V形坡口焊縫為例。焊槍軸線在水平方向上與焊縫坡口對稱線的偏移距離稱為偏差設為e。設焊槍口端面到焊縫坡口底部的距離為Hc，焊縫坡口與水平面的夾角為β，電弧旋轉半徑為r，旋轉周期為2T，角速度為ω，

    設焊槍旋轉在最右側時t=0，則電弧長度H(t)可由式(1)求得。

    (1)

    即為運動過程中某瞬時的狀態。

    根據有關焊接理論可知,電弧動態變化時,在一定條件下弧長變化H(s)到焊接電流變化I(s)的傳遞函數可以表示為：

    (2)

    其中，

Ka

    為電弧的電位梯度；

Kr

    為與焊絲熔化速度有關的常數；

Kn

    為與干伸長電阻和極區等效電阻有關的常數；

KM

    為與電源特性、焊接材料等有關的常數；P(s)為電源的動態特性。當電源具有極好的動態品質時,P(s)可視為一個比例環節，此時傳遞函數可簡化為一階模型。可見當旋轉頻率一定時，弧長變化規律與電流變化規律成正比關系，所以與電壓變化規律也成正比。

    電弧長度

H(t)

可由式(1)求得,而

，故可將它們離散化為

    由于文中采用的旋轉電弧傳感器在一個掃描周期內采樣64次，因此將離散點取為64個。由空間解析幾何理論可知，一個空間平面的方程可以表示為：

    (3)

    為了便于討論,將上述方程變形為:

    (4)

    引入矢量、矩陣記號,令

    (5)

    對電弧長度進行空間平面擬合就是尋求

    使其滿足下面的條件:

6結論

    整個系統的設計充分考慮到了工業應用型焊接機器人應該具有的特性。首先是安全性和平穩性的要求，采用了包括系統啟動保護，軟件保護，機械限位保護，報警保護在內的保護措施。系統的設計充分考慮了系統的響應速度問題，這個將影響到整個應用系統的快速響應性，也是衡量一個焊接機器人是否具有足夠的應用價值的一個重要指標。在焊縫跟蹤掃面方面，跟蹤誤差和焊縫誤差滿足指標要求，響應時間短，對各類焊縫類型有一定的普適性。在系統的應用拓展方面，充分考慮了系統的可升級性，預留了標準的串口和以太網接口，為系統的調試和升級提供必要的硬件保障，也方便了同類焊接機器人的后續系列產品的開發升級。