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(dòng)條件、提高勞動(dòng)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(dòng)控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)上述的的正確途徑。焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究作為焊接領(lǐng)域的一個(gè)重要的方面，為了進(jìn)行精確的自動(dòng)焊接，必須進(jìn)行焊縫自動(dòng)跟蹤。

國外關(guān)于焊接實(shí)時(shí)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(duì)示教機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行估計(jì)、預(yù)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)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(jì)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(duì)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(jià)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(dòng)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(hào)的頻域特征分析，提出了特征濾波向量的電弧傳感的信號(hào)處理方法。

2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。

2.1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%

2.2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)器人來說，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10%，過渡時(shí)間最大不能超過0.1ms，震蕩次數(shù)不能超過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。

2.3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。

2.4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。

2.5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)。

2.6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。控制核心系統(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)的成本在兩萬元以下。

2.7環(huán)境要求

在使用過程中噪聲不能大于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家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，無強(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。

2.8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)。

3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)，電源過壓過流保護(hù)，系統(tǒng)過熱過濕保護(hù)。

4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(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，通過對(duì)比選取，決定使用TI公司的TMS320F2812芯片。

5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)通過齒輪傳動(dòng)來驅(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?？紤]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(gè)過程中，電流傳感器檢測(cè)流過焊絲的焊接電流的大小并得到與弧長對(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)這部分的流程圖如圖2所示。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(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。

6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(duì)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(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，Φ=arcsin（e/r）。設(shè)焊槍旋轉(zhuǎn)在最右側(cè)時(shí)t=0，則電弧長度H（t）可由式（1）求得。

 （1）

即為運(yùn)動(dòng)過程中某瞬時(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，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(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。

6結(jié)論

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮到了工業(yè)應(yīng)用型焊接機(jī)器人應(yīng)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(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)的保護(hù)措施。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了系統(tǒng)的響應(yīng)速度問題，這個(gè)將影響到整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的快速響應(yīng)性，也是衡量一個(gè)焊接機(jī)器人是否具有足夠的應(yīng)用價(jià)值的一個(gè)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(shí)間短，對(duì)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(jí)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(jí)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(jí)。