摘要：本文介紹了一種基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的焊接機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)采用慣量小，成本低，靈活性大的新型十字滑塊系統(tǒng)作為機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的位置精度高，焊縫偏差小，使用各類焊縫類型；配合步進(jìn)電機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)位移單元的傳動(dòng)，并進(jìn)行位置伺服。環(huán)境預(yù)檢測(cè)系統(tǒng)完成工作環(huán)境的檢測(cè)，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，DSP主控系統(tǒng)完成整個(gè)系統(tǒng)的管理和控制，并設(shè)計(jì)了包括軟件保護(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)的各種保護(hù)措施。為了方便系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)，預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)的串口和以太網(wǎng)接口，可以方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展升級(jí)。

1系統(tǒng)總指標(biāo)分析

   作為一個(gè)工業(yè)用的焊接機(jī)器人，在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，先對(duì)其要求的指標(biāo)進(jìn)行分析和制定。

1.1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)器人處于正常的焊接運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，對(duì)于控制系統(tǒng)所給的指令，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，能夠做到無(wú)偏差跟蹤的能力，對(duì)于階躍信號(hào)和速度信號(hào)，考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，穩(wěn)態(tài)誤差必須控制在0.2%之內(nèi)，對(duì)于加速度信號(hào)，穩(wěn)態(tài)誤差不得小于0.5%。

1.2系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)

   系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，對(duì)于焊接機(jī)器人來(lái)說(shuō)，主要考慮的是整個(gè)系統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)和正弦輸入信號(hào)的動(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)，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(yùn)動(dòng)精度指標(biāo)

   焊槍移動(dòng)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(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于0.3s。

1.4智能性指標(biāo)分析

   要求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有一定的智能性，其中包括系統(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。

1.5可擴(kuò)展性指標(biāo)分析

   系統(tǒng)應(yīng)該留有一定的對(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)的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，要求系統(tǒng)需要留有特定的接口模塊。系統(tǒng)必須具備可升級(jí)性，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的重新組裝和升級(jí)。

1.6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)正工作的前提下，功率應(yīng)盡量減小?？刂坪诵南到y(tǒng)部分體積為25x25x25cm，電源管理部分由于其功耗相對(duì)較大，為了避免其對(duì)弱電系統(tǒng)的影響，對(duì)電源部分進(jìn)行單獨(dú)包裝，設(shè)定為25x25x25cm，并且配置散熱風(fēng)扇。整個(gè)系統(tǒng)的成本在兩萬(wàn)元以下。

1.7環(huán)境要求

   在使用過(guò)程中噪聲不能大于40db，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)市電網(wǎng)絡(luò)和周圍環(huán)境不存在電磁干擾，電磁兼容性必須控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，無(wú)強(qiáng)烈的電磁輻射性，工作時(shí)對(duì)焊槍的強(qiáng)光部分做簡(jiǎn)單的屏蔽。系統(tǒng)不具有防水性，防塵等級(jí)IP5級(jí)，工作環(huán)境為90攝氏度以下，負(fù)15攝氏度以上。

1.8裝配指標(biāo)分析

   整個(gè)系統(tǒng)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(nèi)。

2總體設(shè)計(jì)方案

   如圖1所示，為系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)方案和模塊圖，整個(gè)系統(tǒng)可以分為9個(gè)主要的模塊，系統(tǒng)的工作思路為：

   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)的環(huán)境濕度，和溫度，如果不符合工作環(huán)境要求，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)符合要求后，DSP主控系統(tǒng)啟動(dòng)，先完成自檢功能，如果發(fā)現(xiàn)某些模塊處于無(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，將零位傳感器的坐標(biāo)變換為焊槍的坐標(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)，完成十字滑架的移動(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)的位移信息，并進(jìn)行位移量的反饋，構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)的閉環(huán)工作模式；于此同時(shí)，系統(tǒng)配備的各種傳感器也處于監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，包括機(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)。

3總控制核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

   主控系統(tǒng)部分采用DSP作為整個(gè)系統(tǒng)的控制芯片，完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制。通過(guò)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(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)處理的快速性和實(shí)時(shí)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(gè)32位通用定時(shí)器、128k的16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，并具有McBSP,SPI,SCI和擴(kuò)展的eCAN總線等接口。TMS320F2812還支持最大1M的外部存貯器擴(kuò)展。

   TMS320F2812支持C/C++編程語(yǔ)言，其C語(yǔ)言優(yōu)化器的C編譯效率可達(dá)99%，還有虛擬浮點(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)算與控制程序的開發(fā)周期。TMS320F2812非常適用于電機(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，需要高速的運(yùn)算速度，完成傳感器信息值的解算和電機(jī)的控制，在信息的處理中需要涉及到大量的浮點(diǎn)型運(yùn)算，而這也正是DSP控制系統(tǒng)的強(qiáng)項(xiàng)所在，通過(guò)對(duì)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(shí)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(tài)特性，當(dāng)焊槍不對(duì)中時(shí)，兩電弧的高度不同將反映在電流(電壓)差上，從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。但因?yàn)橐瑫r(shí)用兩個(gè)參數(shù)相同的獨(dú)立回路電源并列進(jìn)行坡口焊接，實(shí)現(xiàn)上有困難，所以實(shí)際使用受到限制。

（2）擺動(dòng)式電弧傳感器

   擺動(dòng)式電弧傳感器利用機(jī)械擺動(dòng)所產(chǎn)生電弧作為傳感介質(zhì)，受機(jī)構(gòu)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(yīng)用，同時(shí)熔池中的液態(tài)金屬的流動(dòng)和填充也阻礙了焊縫坡口的識(shí)別。

（3）旋轉(zhuǎn)掃描式電弧傳感器

   旋轉(zhuǎn)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(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)電弧的高速掃描，掃描頻率一般在5～50Hz。這種設(shè)計(jì)能克服擺動(dòng)式的低掃描頻率帶來(lái)的問題，靈敏度大為提高，可以工作在高速場(chǎng)合，并且焊縫結(jié)果也有所改善。

   傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器利用外置直流電機(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)焊絲與電弧的旋轉(zhuǎn)。這類結(jié)構(gòu)的問題在于機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸較大，機(jī)械振動(dòng)大，附加的質(zhì)量和轉(zhuǎn)矩不得不考慮，也就影響了與之相關(guān)的一系列裝置的選擇。考慮到焊槍在豎直方向的移動(dòng)，焊槍尺寸應(yīng)該小而輕，才能在成本上有所減少，所以應(yīng)該采用更合理的裝置。

   弧焊電源供應(yīng)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(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)焊絲的焊接電流的大小并得到與弧長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，將電壓信號(hào)輸出到相應(yīng)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣處理。與此同時(shí)，光電碼盤測(cè)量出電弧每圈掃描的起始位置和相對(duì)起始點(diǎn)的瞬時(shí)位置，經(jīng)處理得到空心軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的閉環(huán)控制；碼盤輸出信息與霍爾傳感器的電壓信息經(jīng)由主控電路DSP運(yùn)算處理，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)焊槍的x、y、z三個(gè)方向的位置。系統(tǒng)這部分的流程圖見圖2。其中，DSP輸出信號(hào)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間需要利用光電隔離器件隔離強(qiáng)電與弱電信號(hào)，起到保護(hù)控制電路的作用。計(jì)算機(jī)用于實(shí)時(shí)顯示焊接過(guò)程的焊縫情況，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算可以得到焊縫內(nèi)部情況，如焊接某瞬時(shí)的焊縫截面，縫寬，縫深及裂縫平面走向布局等。

   旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的工作頻率在5-50Hz之間，本系統(tǒng)的掃描頻率為25Hz。并定下了以下的參數(shù)：焊槍連續(xù)移動(dòng)速度（無(wú)特殊情況下）為25mm/s，即旋轉(zhuǎn)電弧傳感器掃描一圈前進(jìn)1mm；相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究可得，旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的焊縫誤差為0.1mm，跟蹤誤差為0.1mm。

5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)程中的電弧長(zhǎng)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(duì)稱線的偏移距離稱為偏差設(shè)為e。設(shè)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(zhuǎn)半徑為r，旋轉(zhuǎn)周期為2T，角速度為ω，ø=arcsin（e / r）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。

   即為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某瞬時(shí)的狀態(tài)。

   根據(jù)有關(guān)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）的傳遞函數(shù)可以表示為：

   其中，為電弧的電位梯度；為與焊絲熔化速度有關(guān)的常數(shù)；為與干伸長(zhǎng)電阻和極區(qū)等效電阻有關(guān)的常數(shù)；為與電源特性、焊接材料等有關(guān)的常數(shù)；P（s）為電源的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)電源具有極好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)時(shí)，P（s）可視為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，此時(shí)傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為一階模型?？梢姰?dāng)旋轉(zhuǎn)頻率一定時(shí)，弧長(zhǎng)變化規(guī)律與電流變化規(guī)律成正比關(guān)系，所以與電壓變化規(guī)律也成正比。

    電弧長(zhǎng)度H（t）可由式（1）求得,而x(t)=rcoswt y(t)=rsinwt故可將它們離散化為Hi，xi，yi。由于文中采用的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器在一個(gè)掃描周期內(nèi)采樣64次，因此將離散點(diǎn)取為64個(gè)。由空間解析幾何理論可知，一個(gè)空間平面的方程可以表示為：