0前言

焊接是一門材料連接技術(shù)，通過某種物理化學(xué)過程使分離的材料產(chǎn)生原子或者分子間的作用力而連接在一起，隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，它在生產(chǎn)中的應(yīng)用日趨廣泛，到目前為止已經(jīng)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(shè)備等的生產(chǎn)到飛機(jī)、潛艇、火箭、飛船等尖端科技產(chǎn)品都離不開高效率、現(xiàn)代化的焊接技術(shù)，進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量、改善勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率已經(jīng)成為所有焊接工作者的強(qiáng)烈的愿望，而采用自動控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)上述的的正確途徑。焊縫自動跟蹤系統(tǒng)的研究作為焊接領(lǐng)域的一個重要的方面，為了進(jìn)行精確的自動焊接，必須進(jìn)行焊縫自動跟蹤。

國外關(guān)于焊接實(shí)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(jìn)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(jī)器人的運(yùn)動進(jìn)行估計、預(yù)測和控制，實(shí)現(xiàn)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(jī)器人焊縫跟蹤的模糊控制，該控制系統(tǒng)根據(jù)焊槍的振幅位置同焊絲與工件的距離關(guān)系判斷焊點(diǎn)的水平和垂直位移，并在強(qiáng)烈的弧光、高溫、煙所以下，采用基于語言規(guī)則的模糊濾波器和模糊控制器來設(shè)計焊縫跟蹤控制系統(tǒng)，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(jìn)行焊縫跟蹤的電弧傳感跟蹤系統(tǒng)。

我國對焊縫跟蹤控制技術(shù)的研究起步較晚。80年代末以清華大學(xué)潘際鑾院士為首的課題組在旋轉(zhuǎn)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(xué)博士廖寶劍在博士生費(fèi)躍家的研究基礎(chǔ)上，研制成功了一種空心軸電機(jī)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)掃描傳感器，并獲得了國家專利。此后江西大學(xué)在此基礎(chǔ)上在小型化和減震方面做了深入的研究，并做了進(jìn)行一步的改進(jìn)，并制造了樣機(jī)。清華大學(xué)吳世德的博士論文較系統(tǒng)的研究了電弧傳感器信息處理技術(shù)，通過空間變換，進(jìn)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(tǒng)總指標(biāo)分析

作為一個工業(yè)用的焊接機(jī)器人，在對整個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的時候，先對其要求的指標(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，對于控制系統(tǒng)所給的指令，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)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(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)，對于加速度信號，穩(wěn)態(tài)誤差不得小于0.5%

1.2系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)

系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)，對于焊接機(jī)器人來說，主要考慮的是整個系統(tǒng)對階躍輸入信號和正弦輸入信號的動態(tài)響應(yīng)特性。對于階躍信號，其超調(diào)量最大不能超過10%，過渡時間最大不能超過0.1ms，震蕩次數(shù)不能超過2次。對于正弦響應(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)動精度指標(biāo)

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(tǒng)響應(yīng)時間小于0.3s。

1.4智能性指標(biāo)分析

要求所設(shè)計的系統(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)必須具備可升級性，以滿足不同應(yīng)用場合的重新組裝和升級。

1.6應(yīng)用指標(biāo)

整個系統(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較大，為了避免其對弱電系統(tǒng)的影響，對電源部分進(jìn)行單獨(dú)包裝，設(shè)定為25x25x25cm，并且配置散熱風(fēng)扇。整個系統(tǒng)的成本在兩萬元以下。

1.7環(huán)境要求

在使用過程中噪聲不能大于40db，整個系統(tǒng)對市電網(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家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，無強(qiáng)烈的電磁輻射性，工作時對焊槍的強(qiáng)光部分做簡單的屏蔽。系統(tǒng)不具有防水性，防塵等級IP5級，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)計方案

圖1總設(shè)計方案和模塊圖

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

總系統(tǒng)上電，啟動工作環(huán)境檢測系統(tǒng)，檢測當(dāng)前主控平臺的環(huán)境濕度，和溫度，如果不符合工作環(huán)境要求，嘗試進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，若調(diào)節(jié)依然無效，則系統(tǒng)報警，并自動關(guān)閉；環(huán)境檢測符合要求后，DSP主控系統(tǒng)啟動，先完成自檢功能，如果發(fā)現(xiàn)某些模塊處于無法就緒狀態(tài)，系統(tǒng)嘗試軟件自動修復(fù)，如果修復(fù)不成功，則系統(tǒng)自動重啟，如果重啟后，依然無法解決問題，系統(tǒng)進(jìn)行報警動作；系統(tǒng)初始化后，通過零點(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)，此時系統(tǒng)進(jìn)入到正常工作模式；用DSP通過PWM控制步進(jìn)電機(jī)，完成十字滑架的移動，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)電弧傳感器檢測電弧電壓信息，通過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)成整個控制系統(tǒng)的閉環(huán)工作模式；于此同時，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)，電源過壓過流保護(hù)，系統(tǒng)過熱過濕保護(hù)。

3總控制核心系統(tǒng)設(shè)計

主控系統(tǒng)部分采用DSP作為整個系統(tǒng)的控制芯片，完成整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)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(diǎn)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(zhí)行1.50億條指令(150MIPS)，保證了控制和信號處理的快速性和實(shí)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(kuò)展模塊(PIE)可支持45個外圍中斷，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++編程語言，其C語言優(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、智能傳感器設(shè)計等應(yīng)用領(lǐng)域。

在本系統(tǒng)設(shè)計中，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(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)焊槍不對中時，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用兩個參數(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)擺動式電弧傳感器

擺動式電弧傳感器利用機(jī)械擺動所產(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，同時熔池中的液態(tài)金屬的流動和填充也阻礙了焊縫坡口的識別。

(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機(jī)驅(qū)動偏心機(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(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)通過齒輪傳動來驅(qū)動偏心機(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，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調(diào)節(jié)送絲速度），空心軸直流電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)通過偏心裝置使焊絲和電弧旋轉(zhuǎn)。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(yīng)的電壓信號，將電壓信號輸出到相應(yīng)電路對信號進(jìn)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(diǎn)的瞬時位置，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，起到保護(hù)控制電路的作用。計算機(jī)用于實(shí)時顯示焊接過程的焊縫情況，經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算可以得到焊縫內(nèi)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(tǒng)流程圖

參考相關(guān)文獻(xiàn)可得：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)移動速度（無特殊情況下）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(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，

。設(shè)焊槍旋轉(zhuǎn)在最右側(cè)時t=0，則電弧長度H(t)可由式(1)求得。

(1)

即為運(yùn)動過程中某瞬時的狀態(tài)。

根據(jù)有關(guān)焊接理論可知,電弧動態(tài)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(shù)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(guān)的常數(shù)；

Kn

為與干伸長電阻和極區(qū)等效電阻有關(guān)的常數(shù)；

KM

為與電源特性、焊接材料等有關(guān)的常數(shù)；P(s)為電源的動態(tài)特性。當(dāng)電源具有極好的動態(tài)品質(zhì)時,P(s)可視為一個比例環(huán)節(jié)，此時傳遞函數(shù)可簡化為一階模型?？梢姰?dāng)旋轉(zhuǎn)頻率一定時，弧長變化規(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(zhuǎn)電弧傳感器在一個掃描周期內(nèi)采樣64次，因此將離散點(diǎn)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(jìn)行空間平面擬合就是尋求

,使其滿足下面的條件:

6結(jié)論

整個系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮到了工業(yè)應(yīng)用型焊接機(jī)器人應(yīng)該具有的特性。首先是安全性和平穩(wěn)性的要求，采用了包括系統(tǒng)啟動保護(hù)，軟件保護(hù)，機(jī)械限位保護(hù)，報警保護(hù)在內(nèi)的保護(hù)措施。系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了系統(tǒng)的響應(yīng)速度問題，這個將影響到整個應(yīng)用系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，也是衡量一個焊接機(jī)器人是否具有足夠的應(yīng)用價值的一個重要指標(biāo)。在焊縫跟蹤掃面方面，跟蹤誤差和焊縫誤差滿足指標(biāo)要求，響應(yīng)時間短，對各類焊縫類型有一定的普適性。在系統(tǒng)的應(yīng)用拓展方面，充分考慮了系統(tǒng)的可升級性，預(yù)留了標(biāo)準(zhǔn)的串口和以太網(wǎng)接口，為系統(tǒng)的調(diào)試和升級提供必要的硬件保障，也方便了同類焊接機(jī)器人的后續(xù)系列產(chǎn)品的開發(fā)升級。