自动焊缝跟踪系统设计实现

自动焊缝跟踪系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 实现 ..页眉.. Harbin Institute of Technology Harbin Institute of Technology 课程名称, 自动控制元件 院 系,航天学院控制科技与工程系 班 级, 0804102班 设 计 者,洪学寰 1080410210 吴钊君 1080410226 敦晓彪 1080410219 页脚.. ..页眉.. 摘 要: 本文介绍了一种基于旋转电弧传感器的焊接机器人系统。系统采用惯量小～成本低～灵活性大的新型十字滑块系统作为机械传动机构,旋转电弧传感器的位置精度高～焊缝偏差小～使用各类焊缝类型,配合步进电机完成整个系统位移单元的传动～并进行位置伺服。环境预检测系统完成工作环境的检测～确保系统的安全运行～DSP主控系统完成整个系统的管理和控制～并设计了包括软件保护～机械限位保护～报警保护～电源管理保护在内的各种保护措施。为了方便系统的维护和升级～预留了 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的串口和以太网接口～可以方便对系统进行扩展升级。 关键词:焊缝跟踪,旋转电弧传感器,位置伺服,十字滑块 页脚.. ..页眉.. 目录 1项目背景 ...................................................................................................................... 1 2设计要求和需求分析 .................................................................................................... 1 3系统总指标分析 ........................................................................................................... 2 3.1 系统静态指标....................................................................................................... 2 3.2系统动态指标 ....................................................................................................... 2 3.3运动精度指标 ....................................................................................................... 2 3.4智能性指标分析 .................................................................................................... 2 3.5可扩展性指标分析 ................................................................................................ 2 3.6应用指标 ............................................................................................................... 2 3.7环境要求 ............................................................................................................... 3 3.8装配指标分析 ....................................................................................................... 3 4 模块设计指标和 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 分析............................................................................................ 3 4.1总体设计方案 ....................................................................................................... 3 4.2主控系统指标分析和方案比较 .............................................................................. 4 4.3机械结构指标分析和方案比较 .............................................................................. 4 4.4 反馈系统模块指标分析和方案比较...................................................................... 6 4.5运动控制模块指标分析和方案比较 ...................................................................... 7 4.6机械保护模块的指标分析和方案比较 ................................................................... 7 4.7环境检测保护模块指标分析和方案比较 ............................................................... 8 4.8接口扩展模块指标分析和方案比较 ...................................................................... 8 4.9 电源管理模块指标分析和方案比较...................................................................... 8 4.10 焊接指标分析与方案论证 .................................................................................. 9 5硬件系统方案的实现 .................................................................................................... 9 页脚.. ..页眉.. 5.1总控制核心系统的实现 ......................................................................................... 9 5.2机械传动结构方案的实现 ................................................................................... 10 5.3反馈系统模块的实现 .......................................................................................... 13 5.3.1 电弧传感器的分类及选型 ........................................................................... 13 5.3.2 旋转电弧传感器结构与工作原理 ................................................................ 16 5.3.3 跟踪与纠偏原理.......................................................................................... 17 5.4运动控制模块的方案实现 ................................................................................... 19 5.4.1步进电机的选取........................................................................................... 19 5.4.2步进电机驱动器的选取................................................................................ 21 5.4.3直线步进电机的选取 ................................................................................... 22 5.4.4直线步进电机驱动器的选取 ........................................................................ 23 5.5 机械保护模块方案实现 ...................................................................................... 24 5.6环境检测系统的实现 .......................................................................................... 24 5.7接口扩展模块的方案实现 ................................................................................... 26 5.8 电源管理模块方案的实现 .................................................................................. 27 5.9报警模块的方案实现 .......................................................................................... 28 6软件控制平台的实现 .................................................................................................. 28 6.1传感器的控制算法和模型 ................................................................................... 28 6.1.1 传感器与系统的初始化............................................................................... 28 6.1.2 传感器的算法分析 ...................................................................................... 29 6.1.3 电弧长度模型与平面拟合算法分析 ............................................................ 30 6.2电机驱动的算法 .................................................................................................. 32 7 成本估计 ................................................................................................................... 33 8 项目总结与改进 ........................................................................................................ 33 8.1 项目总结 ............................................................................................................ 33 页脚.. ..页眉.. 8.2.1 旋转扫描电弧传感器的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 与改进 ................................................................ 34 8.2.2 系统与无线传感网络的通信 ........................................................................... 34 8.2.3 系统的可移植性改进 ...................................................................................... 34 9 心得体会 ................................................................................................................... 34 参考文献: ................................................................................................................... 37 附件 分工明细 .............................................................................................................. 38 页脚.. ..页眉.. 1项目背景 焊接是一门材料连接技术，通过某种物理化学过程使分离的材料产生原子或者分子间的作用力而连接在一起，随着焊接技术的不断发展，它在生产中的应用日趋广泛，到目前为止已经成为一种重要的加工手段。从日常生活用品，如家用电器、水暖设备等的生产到飞机、潜艇、火箭、飞船等尖端科技产品都离不开高效率、现代化的焊接技术，进一步提高焊接质量、改善劳动条件、提高劳动生产率已经成为所有焊接工作者的强烈的愿望，而采用自动控制技术是实现上述的的正确途径。焊缝自动跟踪系统的研究作为焊接领域的一个重要的方面，为了进行精确的自动焊接，必须进行焊缝自动跟踪。 国外关于焊接实时跟踪控制的研究主要集中在焊接传感器的选择以及控制方法的改进上。1985年保加利亚的D.Lakov提出了用模糊模型来描述弧焊过程的不确定性，借助于配置的非接触式激光传感器，用模糊控制推理对示教机器人的运动进行估计、预测和控制，实现焊缝的自动跟踪。1989年日本的S.Mursaami等研究了利用电弧传感弧焊机器人焊缝跟踪的模糊控制，该控制系统根据焊枪的振幅位置同焊丝与工件的距离关系判断焊点的水平和垂直位移，并在强烈的弧光、高温、烟所以下，采用基于语言规则的模糊滤波器和模糊控制器来设计焊缝跟踪控制系统，取得了较好的效果。美国Ohio州的Motoman公司推出了一种最高可以在60in_/min(152cm/min)焊接速度下进行焊缝跟踪的电弧传感跟踪系统。 我国对焊缝跟踪控制技术的研究起步较晚。80年代末以清华大学潘际銮院士为首的课题组在旋转电弧传感器方面做了大量的研究，并取得了有价值的成果。1993年清华大学博士廖宝剑在博士生费跃家的研究基础上，研制成功了一种空心轴电机驱动的旋转扫描传感器，并获得了国家专利。此后江西大学在此基础上在小型化和减震方面做了深入的研究，并做了进行一步的改进，并制造了样机。清华大学吴世德的博士论文较系统的研究了电弧传感器信息处理技术，通过空间变换，进行了扫描电弧传感器信号的频域特征分析，提出了特征滤波向量的电弧传感的信号处理方法。 2设计要求和需求分析 众所周知,焊工可以通过眼睛或者工业电视观察焊接熔池来对工件或焊枪进行调整并能达到很高的精度。但是这依赖于焊工个人的 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 、带有主观性、劳动强度大、并受烟尘和弧光的影响,也会产生偏差。因此，很有必要实现焊缝偏差的自动控制。但在实际生产中,由于工件的加工、安装误差,以及工件的热变形等使得焊接过程是一个复杂的过程，具有时变、非线性及干扰因素多等特点: (1)耐强光，耐热。所设计的跟踪焊接装置应该能够在焊接时产生的强光、强热环境下正常工作。 (2)高精度。为了保证焊接零件的加工质量并提高效率，首先要保证系统的定位精度和加工精度。因此，在跟踪系统各轴位置控制中要求有高的定位精度，即在mm的数量级内。而在速度控制中，要求有高的调速精度、强的抗负载扰动的能力，也即要求静态和动态速降尽可能小; 页脚.. ..页眉.. (3)快响应。要求系统有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，位置跟踪误差(位置跟踪精度)要小; (4)低速大转矩。根据加工特点，大都是在中低速负重状态下工作，这样，既要求在低速时电动机伺服系统有大的转矩输出又要求转动平稳。 3系统总指标分析 作为一个工业用的焊接机器人，在对整个系统进行设计的时候，先对其要求的指标进行分析和制定。 3.1 系统静态指标 对于焊接机器人系统，其静态指标是指机器人处于正常的焊接运行状态时，对于控制系统所给的指令，在达到稳态时，能够做到无偏差跟踪的能力，对于阶跃信号和速度信号，考虑到机械结构的特性，稳态误差必须控制在0.2%之内，对于加速度信号，稳态误差不得小于0.5% 3.2系统动态指标 系统的动态性能指标，对于焊接机器人来说，主要考虑的是整个系统对阶跃输入信号和正弦输入信号的动态响应特性。对于阶跃信号，其超调量最大不能超过10%，过渡时间最大不能超过0.1ms，震荡次数不能超过2次。对于正弦响应，主要考虑的是其频率特性和相角裕度，工作频率大概为5至12Hz。 3.3运动精度指标 焊枪移动的位置精度小于0.2mm，焊缝误差小于1mm，速度精度小于1mm/s，系统响应时间小于0.3s。 3.4智能性指标分析 要求所设计的系统具有一定的智能性，其中包括系统自检功能，故障尝试自修复功能，故障保护功能，自动循迹跟踪焊缝功能。 3.5可扩展性指标分析 系统应该留有一定的对外接口，以满足系统在线编程或离线编程，随着INTERNET技术的发展和物联网技术的发展，要求系统需要留有特定的接口模块。系统必须具备可升级性，以满足不同应用场合的重新组装和升级。 3.6应用指标 整个系统为220V市电系统，在保证系统正工作的前提下，功率应尽量减小。控制核心系统部分体积为25x25x25cm，电源管理部分由于其功耗相对较大，为了避免其对弱电系统页脚.. ..页眉.. 的影响，对电源部分进行单独包装，设定为25x25x25cm，并且配置散热风扇。整个系统的成本在两万元以下。 3.7环境要求 在使用过程中噪声不能大于40db，整个系统对市电网络和周围环境不存在电磁干扰，电磁兼容性必须控制在国家标准范围之内，无强烈的电磁辐射性，工作时对焊枪的强光部分做简单的屏蔽。系统不具有防水性，防尘等级IP5级，工作环境为90摄氏度以下，负15摄氏度以上。 3.8装配指标分析 整个系统的装配精度只要是十字滑架的精度要求，其装配精度必须控制在0.1mm以内。 4 模块设计指标和方案分析 4.1总体设计方案 图4- 1总设计方案和模块图 如图4- 1所示，为系统的总设计方案和模块图，整个系统可以分为9个主要的模块，系统的工作思路为: 总系统上电，启动工作环境检测系统，检测当前主控平台的环境湿度，和温度，如果不符合工作环境要求，尝试进行自动调节，若调节依然无效，则系统报警，并自动关闭;环境检测符合要求后，DSP主控系统启动，先完成自检功能，如果发现某些模块处于无法就绪状态，系统尝试软件自动修复，如果修复不成功，则系统自动重启，如果重启后，依然无法解页脚.. ..页眉.. 决问题，系统进行报警动作;系统初始化后，通过零点寻位传感器查找初始零位，寻零结束后，进行坐标变换，将零位传感器的坐标变换为焊枪的坐标，此时系统进入到正常工作模式;用DSP通过PWM控制步进电机，完成十字滑架的移动，并控制弧焊电源和送丝机构进行焊接;在焊接开始之后，旋转电弧传感器检测电弧电压信息，通过DSP转换为相应的位移信息，并进行位移量的反馈，构成整个控制系统的闭环工作模式;于此同时，系统配备的各种传感器也处于监视运行状态，包括机械限位保护，电源过压过流保护，系统过热过湿保护。 4.2主控系统指标分析和方案比较 主控系统是整个系统的管理和驱动核心，首先必须有足够的资源余量，包括内存资源、系统运行速度和片上中断源。 在一般的小型机器人制作中，如果系统需求的处理能力要求不高，大多可以考虑使用普通单片机，比如古老的51系列单片机，台湾宏晶公司生产的STC系列单片机，atmel系列单片机，或者飞思卡尔的单片机，更高一级的可以采用凌阳的16位单片机。采用普通单片机设计的方案，成本低，对于小型的处理系统是很合适的，但是在多需求处理场合，对运算要求比较高的焊接机器人场合，就会显得有些力不从心了。 在工业系统中，则更多的喜欢使用工控机配合PLC的系统设计方案，这样的系统构建比较适合于多机控制场合，由一个配置PC处理器的工控机，作为整个系统的上位机单元控制核心，完成整个系统的配置和管理工作，而PLC则主要作为执行单元，完成系统底层的检测，反馈和执行功能。这样构建的系统，稳定性好，可以完成很复杂的功能，而且系统的处理能力很强，由于工控机的PC核心一般都能嵌入系统进行管理操作，因此系统可升级性，系统可维护性也强，但是这样构建的系统成本很高，只适合于一些规模相对较大的工业应用场合，对于单机单独工作的焊机机器人，显然是不合适的。 在电子和工业产品中，也有经常使用ARM处理进行系统设计的。ARM处理器由于其功耗小功能强和16位/32位双指令集的支持，加上几百兆级的运算速度，使其在电子和工业产品中的应用越来越广泛。其具有很强的事务管理功能，主要用于嵌入式系统的开发，跑界面和程序是它的强项，在信号处理和运算能力上相对较弱。从本系统的需求分析可以知道，焊缝轨迹的控制和跟踪在很大程度上必须依赖于其对数据的实时处理，对数据的运算能力要求相对较高，在成本和性能方面进行折中后，决定选用DSP的作为主控系统的MCU。 4.3机械结构指标分析和方案比较 在焊接机器人的设计中，焊枪移动模块的设计是整个系统设计的一个关键部分，特别是对其精度的要求比较的高，因此必须对该部分的设计进行详细的指标分析和方案比较。 页脚.. ..页眉.. 在现代的焊接机器人中，使用较多的是臂式传动机构。如图4- 2所示是日本DAIHEN OTC焊接机器人所采用的臂式传动机构。 图4- 3日本DAIHEN OTC焊接机器人 臂式传动机构实现的焊机机器人灵活性很高，可以实现多轨迹，多角度的焊接，但是由于其自由度的增多，必然导致其制造工业和制造成本的急剧增加，而且做自由度旋转臂的控制也极其的复杂，因此本系统不打算采用这样的结构进行传动部分的设计。 在焊接领域和一些机床中，广泛使用的还用龙门式结构的位移传动机构，如4-4所示即为最经典的龙门式系统的构成。 图4- 5龙门式结构传动系统 龙门式结构的传动系统在实现形式上比较容易，一般是通过三个电机分别控制位移结构的三轴移动，实现三轴立体面内的位移传动。但是由于其自由度的限制，导致其对于竖直方向或者倾斜方向的焊缝的焊接无能为力，因此只能用于特定的立体面内的焊接。从龙门式构架的系统可以看出，整个移动部分的系统惯量是很大的，对传动丝杠和电机的负载能力有一页脚.. ..页眉.. 定的要求，对于冲击响应，经常会出现短时间内的高负载情况，这样对电机的精确控制还是有一定的影响的，特别是位移机构超调量和稳定性的控制，更需要特别的注意。 通过对臂式位移机构和龙门架式系统的对比分析，并且吸收了龙门架式的一些优点，本系统决定采用十字滑架的形式实现整个系统位移机构的设计。对于该部分的设计，精度要求是第一位的，在进行指标确定时，要求机械定位精度达到0.05mm，且需要采用特别的方式消除传动的回程差。 4.4 反馈系统模块指标分析和方案比较 在自动焊缝机器人领域，传感器提供着系统赖以进行处理和控制所必须的有关焊缝信息。主控电路的信息主要来自反馈系统(传感器的反馈信号)，只有反馈系统的性能指标达到了要求，经过处理后的信号送到各个模块，才能保证整个系统的正常运行，满足系统总体指标。 实际系统中，焊接过程会有强光、高温、噪声以及强磁场的干扰，并且伴有较强的振动，都影响着传感器的信息收集，所以所选择的传感器需要有较强的抵抗能力。考虑到焊缝的随机性，传感器必须具备实时或者超前的跟踪传感能力，用以控制机械结构的移动，调整焊枪在下一时刻的走向和位置。在满足以上基本要求的前提下，应选择检测误差小，工作寿命长，价格低廉的传感器产品。 综合上述考虑，对以下几种常见的传感器进行比较分析。 (1)接触式传感器 原理和结构简单，组装容易，成本很低，不受强光强磁和高温干扰，操作方便、不受电弧烟尘和飞溅的影响，。但最大的弊端在于精度低，灵敏度不高，扫描范围小，并且由于与工件接触磨损受接头、材料和速度等的限制。 (2)电磁感应式传感器 原理和结构上比较简单，基于电磁感应理论，常见的有涡流传感器，霍尔传感器，价格适中，近年来改进生产的产品精度比较高，扫描范围较大，但对于强磁场的干扰并不能有效地抑制。 (3)超声传感器 原理是利用发射出的超声波在金属内传播时在界面产生发射制成，是一种比较先进的焊缝跟踪传感器，跟踪的实时性好。但是由于传感器要贴近工件，不可避免地会受到焊接方法和工件尺寸等的严格限制。同时需要考虑外界震动、传播时间等因素，对金属表面状况要求也比较高，应用的范围也就受到限制。 (4)视觉传感器 视觉传感的最大优势在于所提供的信息量丰富，不仅可以跟踪裂缝，而且可以检测坡口位置，宽度，深度，扫描范围广，灵敏度和测量精度很高，抗电磁场干扰能力强，与工件无接触等优点。但是图像处理算法复杂，处理速度慢，受强弧光的干扰，需要利用特殊的光源和滤光元件，成本较高。 (5)电弧传感器 电弧传感器特点在于它是一种真正实时跟踪传感的器件，检测点就是焊接点，保证焊接参数的稳定，响应快。焊接机头周围不需要装备其他特别的装置，焊枪的可达性好。电弧本身作为传感器，同时又完成焊接的任务，有效减少成本。对弧光、高温以及强磁场等的抗干页脚.. ..页眉.. 扰能力很强，使用寿命长。最大的问题在于系统的数学模型和控制算法比较复杂，但近些年随着电弧传感器及其技术不断发展，出现了更高效的控制算法和模型和更优质的产品，使得其应用也越来越广泛。 前四类传感器都是附加式传感器，这类传感器与电弧是分离的，传感器的检测点离开电弧有一段距离，在焊接时可能存在传感器前置的问题，会影响跟踪效果。综合以上分析，系统采用电弧传感器作为反馈单元的核心部件。 4.5运动控制模块指标分析和方案比较 控制焊枪的位移动作，可以有多种电机驱动方案。 在机械装置的自动控制领域，特别是高精度位置伺服系统中，直流电机的应用占有很重要的地位，这主要得益于直流电机转矩大，调速范围宽，易于控制且可靠性高，调速能量损耗小等优点。但是同时，由于直流电机的结构特征又限制了直流电机的更加广泛应用，主要缺点体现在换向器上。由于有了换向器，使得直流电机的造价更高，换向器维护性差，寿命短，同时换向条件进一步限制了直流电机的容量。从本系统的设计要求出发，希望系统寿命长，基本免维护，从而排除了直流电机的驱动方案。 交流电机由于没有换向器和电刷，从而消除了因此而引起的一系列缺点，电机的维护性得到进一步的提高，但是由于交流电机的机械特性和调压特性的特点，使得交流电机的控制显得有些复杂，在本系统中希望用一种最简单，而又最容易控制的方案实现位置的伺服，因而也不考虑使用交流电机。 步进电机由于其结构简单，调试方便，工作可靠，易于控制等优点，使得步进电机得到了进一步广泛的应用。在当前以数字控制为主的控制系统中，步进电机进一步凸显了其优良的控制特性，由于步进电机的驱动是通过脉冲进行的，因此单片机或者是计算机系统输出的脉冲信号，只要经过逻辑转换和功率放大，就可以直接驱动和控制步进电机了，这样就电机的控制变得简单而且精度也高了。 4.6机械保护模块的指标分析和方案比较 不管是什么样的系统的设计，首先比较保证系统的安全性和稳定性，只有在这个基础上才可以去谈其功能性，本系统设计的焊接机器人也不例外。通常对一个运动系统的保护可以分为两个部分，一个是软件保护，一个是机械保护。软件保护主要是通过软件算法，对一些位移的极限尺寸进行限制，避免其在不安全区域的工作状态。但是一个系统的软件设计，不管其做得多完善，总会出现一些意想不到的缺陷或者是在软件运行的过程中出现死循环、死机的状态，在这种情况下，如果位移单元不能及时制动或者进行保护，则可能出现安全事故，导致系统的损坏乃至更严重的事故。因此，必须设计相应的机械硬件保护措施，当出现意外情况时，能够通过限位开关进行机械保护。在对机械保护模块进行指标分析时，最低的要求是不出现机械硬碰撞和机构间的冲击，在必要的情况下，需要强制切断电源，具体的设计将在方案实现部分进行详细的介绍。 页脚.. ..页眉.. 4.7环境检测保护模块指标分析和方案比较 在本系统的设计中，主要考虑的环境因素有温度和湿度。温度检测保护除了电机外还有一个核心部分就是主控系统板。因为集成芯片对温度有一定要求，在温度过高的情况下，极其容易烧坏，因此必须在主控板的核心部分进行温度检测，达到预定的温度阀值后启动风扇进行散热处理，如果温度还是无法控制，则控制系统为了实现自我保护，会强行关机。 湿度检测主要也是针对主控系统板的。如果空气中的湿度过高，或者像在南方梅雨天气时遇到湿度很高的时候，如果直接启动系统，可能会由于PCB板上凝结的小水滴而引起短路烧坏系统，这种情况尤其在系统开始启动的时候需要特别的考虑。因此在主控系统启动之前，必须通过另外一个增设的小系统，首先完成对湿度的检测，只有检测当前湿度符合系统启动环境之后，才自动接通主控DSP板的电源，启动系统。如果检测湿度不符合要求，会打开配备的加入风扇，对系统进行低温预热，降低主控系统工作环境的湿度后，才启动主控系统。湿度检测系统和主控DSP系统应该是两个独立的系统，而且启动顺序不允许调换。 4.8接口扩展模块指标分析和方案比较 一个系统设计得是否完善，在很大程度上体现在其对外的接口扩展部分，只有其留有一定的标准接口模块，在进行多机操作和多机通信的时候才能充分发挥一个系统的功能。随着工业规模和电子技术的发展，各种子系统的增多，势必会要求对子系统之间的通信提出更高的要求。 目前广泛应用的两种串口通信协议有RS-232和RS-485，其中RS-485多用在工业应用场合，进行远距离的传输，而RS-232则多用在PC机和其它系统之间的短距离传输。随着当前计算机领域的发展，个人PC机的应用日益广泛，为了方便焊接机器人的调试，编程，升级等工作，决定使用RS-232串口，这样即使在个人单机的应用场合也可以很方便的进行系统的调试等工作。随着INTERNET技术的飞跃发展，互联网技术的应用也越来越多，虽然目前互联网主要用于网络信息的通信，但是随着技术的开发，也将会越来越多的应用在工业的控制场合，形成一个真正的广域网。在本系统的设计中，考虑到系统的可发展性，将加入以太网控制器模块。目前常用的以太网控制器很多一部分都是用ISA接口，但是随着PCI总线的发展和应用，已经有逐渐取代ISA总线的趋势，因此本系统中将使用PCI接口的以太网控制器进行标准接口的扩展。 4.9 电源管理模块指标分析和方案比较 焊接机器人系统是典型的多电压电源系统，对于焊枪的供电需要专用的弧焊电源，而控制十字滑块的电机则采用36V以下的低压电源，主控系统使用的是5V供电电源。由于强电和弱电在一个系统中共存时，必须充分的考虑电源的分级管理和隔离管理问题。首先，弧焊电源是应该是专用的焊接电源，供电电压时220V的交流电源，但是其管理必须通过5V系统进行控制，为了达到隔离和保护的功能，最好的解决方案应该是进行光电隔离，这样两套系统不管哪一套出现电源故障或者烧毁都不会引起二次事故，特别是对于弱电系统，由于其对电压的敏感性，极其容易受到强电的损坏，所以，必须采用光电隔离。 对于电机驱动使用的70V以下的电源，一个方案可以使用充电电瓶进行供电，但是考虑到电瓶的蓄电容量的有限性，及其电瓶本身电压的纹波效应，特别是当电瓶放电达到一定的页脚.. ..页眉.. 值时，其压降是不可重复浮现的非线性关系，这样对电机的精密伺服控制是极其不易的，所以在本系统中不易使用蓄电瓶供电方案。 由于220V市电不仅取电形式方便，而且不必要考虑容量和非线性问题，只需要经过整流、降压、滤波和稳压后就可以方便的时候，而且整个供电系统的电压和电流值可以通过传感器进行精确的监控，从而实时地实现过压过流保护。 由于本系统的使用多是在室内的，对于雷击问题不用特别考虑，因为现在一般的楼宇建筑都已近考虑了防雷击的设计，即使是由于某些偶然的原因出现了雷击现象，对本系统的影响已经转变为过压和过流的保护问题。 对于电源管理模块，主要考虑的是其功率容量和效率。在本系统的设计中，弱电整流部分，功率容量指标为300W。 4.10 焊接指标分析与方案论证 鉴于传感器已选用电弧传感器，利用传感器即为焊枪的特点，可以节省成本，只需要在电弧传感器(焊枪)上增加一些装置或进行简单改装即可。而焊接的方法层出不穷，焊接方法相应地选择电弧焊。电弧焊是利用电弧作为热源的熔焊方法。根据系统的要求，焊接的方法应确保电弧的稳定(电弧焊的原理是基于电弧长与弧压近似成正比)，理论上应适用于所有焊缝类型和坡口，并使得焊接后的焊缝质量要好。 电弧焊可分为手工电弧焊、埋弧自动焊和气体保护焊三种。手工自动焊的最大优点是设备简单，应用灵活、方便，适用面广，可焊接各种焊接位置，但一般仅适用于直缝、环缝及各种比较规则的缝的焊接，电弧不稳定;埋弧自动焊具有生产率高、焊缝质量好、劳动条件好，焊接速度快等特点，但缺点是适应能力差，只能在水平位置焊接长直焊缝或大直径的环焊缝;气体保护焊具有保护效果好、电弧稳定、热量集中，焊接成本低，应用范围广等优点，为减小成本采用二氧化碳保护气体，缺点是产生飞溅，这点对于整个系统的影响并不大，所以焊接方法采用二氧化碳气体保护焊。 若详细考虑焊接部分的其他设备器材，还需要专用的焊接电源及控制装置，送丝装置(一般都安装在焊枪内部)，气体流量调整器和连接电缆和软管等。 5硬件系统方案的实现 5.1总控制核心系统的实现 主控系统部分采用DSP作为整个系统的控制芯片，完成整个系统的调节和控制。通过方案的比较，决定选用TI公司的DSP芯片TMS320F2812。该系列芯片是TI公司推出的一款32位定点高速DSP芯片，采用8级指令流水线，单周期32 x 32位MAC功能，最高速度每秒钟可执行1.50亿条指令(150MIPS)，保证了控制和信号处理的快速性和实时性。另外TMS320F2812片上还集成了丰富的外部资源，包括16路12位ADC，6路PWM输出、3个32位通用定时器、128k的16位Flash存贮器、18kRAM存贮器，外围中断扩展模块(PIE)可支持45个外围中断，并具有McBSP, SPI, SCI和扩展的eCAN总线等接口。TMS320F2812还支持最大1M的外部存贮器扩展。 TMS320F2812支持C/C++编程语言，其C语言优化器的C编译效率可达99%，还有虚拟浮点数学函数库提供支持，可以大大缩短数学运算与控制程序的开发周期。TMS320F2812非常适用于电机控制、电源设计、智能传感器设计等应用领域。 页脚.. ..页眉.. 在本系统设计中，需要高速的运算速度，完成传感器信息值的解算和电机的控制，在信息的处理中需要涉及到大量的浮点型运算，而这也正是DSP控制系统的强项所在，通过对比选取，决定使用TI公司的TMS320F 2812芯片。 5.2机械传动结构方案的实现 根据方案的选择比较中，决定使用十字滑架作为整个位移单元的实现方案。使用Rhinoceros软件进行三维建模，得到的效果如图5-1和图5-2所示。 图5- 1 图5- 2 页脚.. ..页眉.. 如图5-2所示，底层导轨和丝杠完成焊枪在X轴方向的移动，该丝杠由步进电机1驱动;上层导轨和丝杠完成焊枪在Y轴方向的移动，该丝杠由步进电机2驱动;焊枪在Z轴上的移动通过与焊枪刚性连接的直线电机完成驱动。带摇杆的底盘用于焊接之前对钢板进行初步的高度定位，这样在开始寻零的时候能够更快速，也减少了直线电机的位移长度。 为了实现丝杠间的低摩擦系数和精密机械传动，决定选择滚珠丝杠作为传动形式。丝杠的选择应该遵循图5-3所示的规则。 图5- 3丝杠选择规则 通过对方案的比较，决定选用日本THK公司生产的滚珠丝杠和直线导轨。 滚珠丝杠是一种高效进给丝杠，其滚珠在丝杠丝杆轴与螺母之间滚动。与传统滑动丝杠相比，本产品驱动扭矩最大仅为其三分之一，极为适合用于节省驱动电机功率。 在选择导轨和丝杠的时候，对其承受的负载和扭矩等力学参数进行估算: 承受重量-------------------------10kg 导向部阻力---------------------10N 每分钟往返次数(max)-------2 极限扭矩------------------------40N.M 配合预压------------------------精密预压 页脚.. ..页眉.. 额定寿命------------------------100000h 根据上面提出的基本要求进行初步选型，从THK公司的产品目录中选取精密滚珠丝杠BNFN2001L5RRG10100LC5，公称直径为20mm，导程为10mm，长度为1100mm，并选取与之配套的直线导轨SHS20LC2QZKKHHC10200LP，其公称直径为20mm，长度为1200mm，丝杠和导轨经过精密预压配合后，行程定位误差为11.6um。滚珠丝杠的内部结构如图5-4所示 图5- 4滚珠丝杠内部结构图 设计和安装时使用固定支持型，并且精密预压，以是实现精密的位移传动，其基本动态 CaN,42000CoaN,73600额定负荷，基本静态额定负荷，钢球的中心径为18mm，整个摩擦系数为0.05，负载系数为1.2。使用THK公司提供的设计软件，对所选定的滚珠丝杠进行工作寿命的核算。 计算整个滚珠丝杠副的寿命，得到结果图5-5所示 页脚.. ..页眉.. 图5- 5 从结果进行分析，可以看出，使用寿命时间达到3.99E05h，充分满足整个系统设计的寿命要求，平均负荷也到达了2100N，足以满足系统的使用。 为了实现系统的更加精密的位移伺服控制。 5.3反馈系统模块的实现 由之前的分析论证可知，反馈系统与焊接模块使用电弧式传感器可以同时完成跟踪传感及焊缝的功能。电弧传感器的工作原理是一致的，即在焊接过程中，利用焊枪与工件之间的距离变化(即弧长的变化)引起的焊接参数变化(一般采用电压或电流的变化)，经由系统的处理器运算处理，来获取焊枪高度和左右偏差等信息并对相关机构加以控制。事实上，得益于该类传感器与其它传感器不可比拟的技术优势，在弧焊机器人领域已广泛采用各类电弧传感器。 5.3.1 电弧传感器的分类及选型 目前电弧传感器在实用中主要有以下几种类型: (1)非扫描双丝(多丝)并列型 该类型利用电弧的静态特性，当焊枪不对中时，两电弧的高度不同将反映在电流(电压)差上，从而实现焊缝跟踪。但因为要同时用两个参数相同的独立回路电源并列进行坡口焊接，页脚.. ..页眉.. 实现上有困难，所以实际使用受到限制。 (2)摆动式电弧传感器 摆动式电弧传感器利用机械摆动所产生电弧作为传感介质，受机构的限制，扫描频率一般很低(5Hz以下)，使得灵敏度较低，只能在低速焊接中应用，同时熔池中的液态金属的流动和填充也阻碍了焊缝坡口的识别。 (3)旋转扫描式电弧传感器 旋转电弧传感器的基本原理与其他电弧传感器相同，特别之处在于利用直流电动机驱动偏心机构使得焊丝和电弧旋转，从而实现电弧的高速扫描，扫描频率一般在5,50Hz。这种设计能克服摆动式的低扫描频率带来的问题，灵敏度大为提高，可以工作在高速场合，并且焊缝结果也有所改善。 传统的旋转电弧传感器利用外置直流电机通过齿轮传动来驱动偏心机构，从而实现焊丝与电弧的旋转，如图5-6。这类结构的问题在于机械结构尺寸较大，机械振动大，附加的质量和转矩不得不考虑，也就影响了与之相关的一系列装置的选择。考虑到焊枪在竖直方向的移动，焊枪尺寸应该小而轻，才能在成本上有所减少，所以应该采用更合理的装置。 图5- 6 图5- 7 值得一提的是，高速旋转扫描电弧传感器在近几年发展很快，90年代许多世界著名公司生产的弧焊机器人都采用了图5-6所示的这种结构，比如日本NKK公司、德国的U.DiHthey公司，图5-10所示日本松下YA-11KMR51型弧焊机器人即采用这种结构。我国在1993年，清华大学研制成功了一种图5-7所示的空心轴电机驱动的旋转扫描传感器，并获得了国家专利。其主要特点在于结构小巧，机械振动小，省去了传动齿轮，摩擦力矩小，由传动件安装不良引起的阻力和负载不均匀所带来的影响也有所减小，运转可靠性大大提高，并具有较高的性价比，图5-11所示为南昌大学研制的采用改进结构的弧焊机器人。 由于我国在这方面发展地较慢，采用直流空心轴电机的旋转电弧传感器目前在市面上基本没有大量生产销售，国外的生产厂家较少，价格较高。但这项技术已获得国家专利，国内几所大学、科研院所及部分厂家享有该专利权，可以订做。基于这种原理若是自己组装，成本不容易估计，应该在一万元以下。本技术具有十分广泛的推广前景，在近几年有良好的发展趋势。如图5-8所示为小型空心轴直流电机的实际产品。 页脚.. ..页眉.. 图5- 8 图5- 9 图5- 10 图5-8示为美国的Harmonic Drive公司生产的FHA系列的空心轴直流电机，其主要特点为采用直流24V电源供电，尺寸小巧，质量很轻，约在1kg左右甚至更小。其中，FHA-11C表示空心轴孔径为11mm，孔径大小可以根据实际情况选择合适的电机。由表格可以得到所需要的参数，如:最大转矩，最大转速，最大电流，连续转矩，连续转速，连续工作电压和电流等，均为小功率直流电机。该公司还有许多空心轴直流电机系列的产品，适用范围很广。图5-9为某系列的参数表。 图5- 11 实际中如果需要自己组装旋转电弧传感器，则需要的主要原材料有:气焊用焊枪，空心轴直流电机，焊接电源等，但组装后的器件调试过程比较复杂，可以选择厂家或院所订做以保证精度和可靠性。考虑到旋转电弧传感器的特点满足系统的要求和各项指标，所以本文主要讨论利用该传感器搭建的弧焊及焊缝跟踪系统。 页脚.. ..页眉.. 5.3.2 旋转电弧传感器结构与工作原理 图5-7是这种高速旋转扫描电弧传感器的简单结构示意图，实际的内部构造比较复杂，图中仅展示了直流电机部分的装置。由图可以看出，传感器采用了空心轴设计，焊丝斜穿过电机空心轴，绕自身对称中心线作圆锥形状的旋转摆动。在空心轴上端，安装送丝轮送入焊丝，送丝轮的电机外置在直流电机外壳。一般的焊枪内部已安置送丝轮的电机，所以不用考虑。而旋转电弧传感器也能认为是一种特殊的焊枪，为周全考虑其工作需求，故在空心轴电机外壳上放置了一个小的直流电机用以送丝轮的转动。该直流电机所执行的功能很简单，所以只需要一个体积小，质量轻，转速低，额定转矩小的直流电机，考虑到维护性，该电机的工作寿命应该较长，并且其控制电压受系统控制单元控制可调，以实现不同情况下的不同送丝速度。因此，若是组装旋转电弧传感器，还需要安装送丝轮用的直流电机(可以选择小功率无刷直流电机)和下面要提到的霍尔元件与光电码盘，综合考虑经济效益，宜选择厂家定制该传感器的方式。 电极给焊丝供应焊接电压，焊接过程中与钢板平台间有焊接电流流过。为了防止焊接时电极与外壳导电,旋转电弧传感器上盖和偏心机构使用绝缘树脂材料,这也使得旋转电弧传感器重量减轻。根据电弧焊接原理，焊接电流与电弧焊过程中的弧长成正比，根据焊接电流的大小，经过数学运算与比较即可知道焊点位置的相关信息。而焊接电流的检测装置比较小，一般采用霍尔传感器检测焊丝流过的电流，安置在空心轴电机外部。图5-12所示为霍尔传感器检测电流的原理，原边电流I与产生的磁感强度B成正比();同时I与电弧长B,kI1 度H关系为;在霍尔元件上感应的电压经过放大后为U，U与B成正比。根据这I,kL，c22 U,kL，c些关系可以得出:，所以利用电压U即可得到弧长H的信息。 空心轴电机内部有二氧化碳保护气体通过，在焊接过程中起到保护的作用。光电码盘的码道部分、整个偏心机构(包括配重块、调心轴承)与空心轴同轴相连，当电机高速旋转的同时也带动着这两个部分一起旋转，而光电码盘的光源与光敏器件都与直流电机的外壳固连，维持其相对电机转子的空间方向不变。旋转电弧传感器的实物见图5-13，其内部包括了送丝轮与电流检测装置，引出几根电缆或导线分别接到相应的电路。 图5- 12 图5- 13 由以上对传感器内部结构的简单介绍可以知道其工作过程:弧焊电源供应焊接电压，送丝轮完成焊丝输送(一般维持速度不变，但也可以改变电压来调节送丝速度)，空心轴直流电机高速旋转通过偏心装置使焊丝和电弧旋转。这个过程中，电流传感器检测流过焊丝的焊接电流的大小并得到与弧长对应的电压信号，将电压信号输出到相应电路对信号进行采样处理。与此同时，光电码盘测量出电弧每圈扫描的起始位置和相对起始点的瞬时位置，经处理页脚.. ..页眉.. 得到空心轴电机旋转速度，以实现电机旋转速度的闭环控制;码盘输出信息与霍尔传感器的电压信息经由主控电路DSP运算处理，控制执行机构调节焊枪的x、y、z三个方向的位置。系统这部分的流程图见图5-14。其中，DSP输出信号与执行机构之间需要利用光电隔离器件隔离强电与弱电信号，起到保护控制电路的作用。计算机用于实时显示焊接过程的焊缝情况，经过数学运算可以得到焊缝内部情况，如焊接某瞬时的焊缝截面，缝宽，缝深及裂缝平面走向布局等。 图5- 14 50 Hz之间，本系统的扫描频率为参考相关文献可得:旋转电弧传感器的工作频率在5- 25 Hz。并定下了以下的参数:焊枪连续移动速度(无特殊情况下)为25 mm/s，即旋转电弧传感器扫描一圈前进1 mm;相关实验研究可得，旋转电弧传感器的焊缝误差为0.1 mm，跟踪误差为0.1 mm。 5.3.3 跟踪与纠偏原理 以跟踪V形坡口焊缝为例,将焊枪中心轴线与工件表面保持垂直，如图5-15所示。焊枪轴线在水平方向上与焊缝坡口对称线的偏移距离称为偏差(图中设为e)，设焊枪在初始化之后的旋转起始位置在前进方向上的后侧(此时t=0，如图5-15所示)，则电弧长度H可由式(1)求得。由以上分析可知，霍尔元件上感应出的与原边电流对应的电压经过放大后为U， U,kL，c与电弧长度H满足:，所以利用电压U即可得到弧长H的信息。这样就从旋转电弧传感器采集到能反映焊枪偏差信息的电压信号。 图5- 15 图5- 16 页脚.. ..页眉.. 需要说明的是，图5-15和图5-16建立在如下基础之上:由于电弧传感器的旋转速度远大于焊枪的移动速度，故可以认为在一个旋转周期内焊枪的移动距离为0。以电弧旋转中心作为坐标原点,焊接方向作为x轴,y轴与x轴形成水平面，焊枪轴线作为z轴，建立空间直角坐标系。 电弧焊过程，电弧长度随着旋转位置的不同而不同，反映到霍尔传感器的检测电压值的变化。为了实时跟踪焊缝，对焊枪自身位置进行调整，必须对焊缝偏差分析。解决问题的方法是利用光电码盘记录焊距旋转起点位置的信号以及反映焊距旋转瞬时位置的信号，而直流电机的转速也就可以间接得到。 光电码盘形状如图5-17所示，码盘外圈64个分度齿，内圈1个分度齿，光源与光敏元件固定在传感器的电机外壳或是传感器内壁上以保持其相对电机的空间方向不变。这样每次旋转一圈会产生两个脉冲信号(两个脉冲信号的波形分别如图5-18、图5-19所示):外圈产生的脉冲信号反映旋转的瞬时位置，内圈产生的脉冲信号反映旋转的起点位置，经过运算可以得到旋转速度。当保证光源与光敏器件相对于直流电机的空间位置不变的前提下，每次内圈产生的脉冲信号时的焊丝、电弧相对于电机的空间位置就不变，这样能保证每次采集的起始位置相同，因此可以认为每圈电弧的起点位置是相对电机固定不变的，而外圈的脉冲信号则可以反映电弧的瞬时位置，因为在每个周期中(扫描一圈的时间)，内圈脉冲信号与外圈脉冲信号的第一个脉冲重合，由外圈脉冲信号相对于第一个信号的偏移量即可得到该脉冲所对应的相对起点位置的角度。比如:假设电机顺时针旋转，外圈脉冲信号的第10个脉冲 ,,360/64*10,56.25的位置，当知道电弧起点位置和对应着相对电弧起点位置顺时针转过 这一时刻的焊枪坐标(x,y)，则焊点或电弧的绝对位置就可以得到。 图5- 17 图5- 18 图5- 19 与此同时，当检测到内圈脉冲信号时，意味着电弧旋转过一圈，该信号作为A/D采集的触发信号，每个上升沿到来，开始重新采集模拟电压信号，即A/D转换，而内圈的脉冲信号保证了每个采集数据周期的开始对应着同一个位置，也能减小系统的累积误差。需要注意的是，每次新的一圈的电压信号的采集时，需要保存之前几个周期的信息，同时将更早的信息从内存中删除，因为之前几个周期的信息有利于焊枪的返回与重新寻迹、跟踪，即“回溯法”的思想。 为了提高焊缝跟踪能力，实现均匀间隔采样 ,必须利用转速信号进行转速闭环控制。为使得焊枪能跟踪0.1度的差别，由此可设置在一个周期内(旋转电弧传感器工作频率25Hz，一个周期为0.04s)，采样3200次，也就是说没两个外圈脉冲信号时间内采样50次电压信 ,,360/3200,0.1125号，由此可得在一个周期内，采样点的间距为，对应的采样频率为80000Hz。如此一来，64位码盘信号相当于位置的“粗侧”，而在每两个码盘信号之间有采样50次电压信号相当于将两个外圈脉冲之间对应的角度的“细分”，达到位置的“精测”目的。这样就不需要使用更多位的码盘，而只需要一片适合的A/D转换芯片(一般的DSP页脚.. ..页眉.. 的A/D转换为10位，以上分析可知需要13或14位的A/D转换芯片，故不采用DSP自身的 ,,A/D转换模块，13位的A/D芯片能分辨的最小角为，满足要求)，不360/3072,0.1172仅节约成本，也实现了较高的精度。按照这样的采样频率，每当电弧扫描一圈时，得到3200个焊点位置的电压信息(弧长信息)，利用数学运算可以分析出焊缝的走向用以决定焊枪的移动方向，同时也能判断出焊枪中心线是否偏离焊缝，若偏离则通过执行机构调整焊枪位姿，从而实现了跟踪与纠偏。 5.4运动控制模块的方案实现 为了驱动丝杠进行位移的传动，本系统将使用步进电机对其进行驱动。步进电机及其驱动器的选取也是系统设计合理与否的一个重要环节 5.4.1步进电机的选取 步进电机的选取一般都遵循图5-20所示的步骤。 图5- 20 ABBCCD,,首先确定选择的是3相步进电机，工作模式是三相双三拍制。由于 25/mms焊枪在正常的工作是移动的速度是，滚珠丝杠的导程是10mm，步进电机直接连接滚珠丝杠，没有经过减速箱或者加速箱，所以步进电机正常转速应该和丝杠的转速一致，即 360:nrsr,,2.5/150/min，当丝杠转过时，轴向前进是10mm。现在市场上常用的步进 0.9/1.80.6/1.21.8/3.60.6/1.2电机步距角有，，，初步选定为，在三相双三拍的工作 0.0333mm模式下，每转过一个步距角，前进的距离大概为，而系统设计的位移精度是0.1mm，可以看到这个步距角是可以满足要求的，若为了进一步提高定位精度，可以采用驱动器进行细分，因此步距角的选取在这里没有特别的要求。 页脚.. ..页眉.. 60f，而N=3，常用的步进电机齿数为=50，从而可以确定正常运行Zn,,150rNZ,r 时，这个频率值将在电机选取后检验矩频特性时作为校验用的。通常情况下，fHz,375 100Hz步进电机的共振频率都很低，而且通常以下，所以正常的工作频率远大于共振频率，避免了共振失步现象的发生。 其次确定所使用的步进电机的静转矩。工作台移动部分的质量大概为，可以认为10Kg是平均分配到两个丝杠上，则每一个丝杠所受的摩擦力矩转换到电机侧的摩擦转矩也就是负载转矩可以初步确定。 TKgNKgmmNm,,,10/2*10/*0.05*100.025L 20.625/ms根据系统设计的要求，最大启动加速度必须达到，从而可以初步估计步进电机所需要的最低转矩。 d,,dTTJ,，,,5**25392.7/,rads eLdtdt 2由理论力学的知识，丝杠和工作台的转动惯量折算到电机侧之后， Jgcm,,24500 ，其中为电机的转动惯量，由于没有选定型号，还是未知量，初步确定JJJJ,，e0e 电机驱动所需要的最低转矩可以使用J进行估计。 0 d,0.025/2450*16*392.70.987TTJNmeNm,，,，,,, ，，eLdt 2Nm,在选型的时候，为了留有一定的余量，至少确定电机的输出转矩为。 进行电机的初步选型。通过比较决定选用北京时代超群电器科技有限公司所生产的微型步进电机86BYG350-65，电机的详细参数见下表。 步距角 0.6/1.2:: 额定电压 48V 温升 85K max 绝缘等级 B 环境温度 ,:，:20~50CC 额定电流 3A 静转矩 2.0N/m 转动惯量 1032gcm, 电机重量 1.8Kg 页脚.. ..页眉.. 重新核算转矩得到 d,TTJNmeNm,，,，，,,,0.025/(24501320)*16*392.71.505 ，，eLdt 可以看到，电机的输出转矩足可以满足系统的需求。所选用的步进电机如图5-21所示。 图5- 21微型步进电机86BYG350-65 5.4.2步进电机驱动器的选取 该步进电机的驱动器选用北京时代超群电器科技有限公司的配套步进电机驱动器 3HB606，该驱动器具有以下的电器规格特性。 说明 最小值 典型值 最大值 供电电压(VDC) 16 跟用户要求有关 60 峰值输出电流 0.2 跟用户要求有关 5.8 逻辑输入电流- 15 - (mA) 步进脉冲响应频- - 200 率(KHz) 脉冲低电平时间 2.5 - - 3HB606步进电机驱动器还具有下列的特点，使得其应用起来更加方便可靠 1 设有16档等角度恒力矩细分，最高分辨率51200步/转 2 步进脉冲地址超过100ms，线圈电流自动减半，减少电机发热 3 双极恒流斩波方式，可以输出更大的速度和功率 4 光电隔离信号输入/输出 5 驱动电流从0.2A/相到5.8A/相连续可调 6 单电源输入，电压范围是 DC 16-50V 7 过热，过流，过压保护 页脚.. ..页眉.. 所选用的驱动器如图5-22所示。 图5- 22 3HB606步进电机驱动器 DSP控制系统通过PWM输出信号给驱动器，对步进电机进行伺服控制，从而完成整个工作单元的位移动作。 5.4.3直线步进电机的选取 实际中的焊缝类型不固定，坡口形状并非对称图形，焊缝宽度也不固定，若始终保持一个固定的焊接半径显然会影响焊接质量，可能出现焊缝宽的地方有凹陷，焊缝狭窄的地方有隆起，焊接后的平面不平整。为了解决这个问题，焊接过程的扫描半径需要进行调整，由之后的旋转电弧传感器内部结构可知，移动偏心块进行调节并不实际，因为会影响到焊枪的动平衡，尤其在高速旋转的情况下会有强烈震动，影响焊接精度和焊缝跟踪。因此，系统的机械机构设计中，工作位移单元在Z方向上安装位移伺服系统，采用直线步进电机，使得当焊枪上下移动时，焊枪高度可调，虽然焊丝与中心轴线的夹角不变，但上下的移动间接地改变了焊接半径。而直线步进电机的位移精度一般较高，主要控制竖直方向的轴向位移，由于系统设计了一个可手摇式的升降控制台，所以Z方向上，焊枪的位移是小范围的，可以选用位移传动距离比较短的直线电机进行控制，完全可以满足系统定下的指标。。 在本系统的设计中，直线电机的选取主要考虑到所需的最大推力，假定位移单元的重量为10kg，则最小推力应该是100N，为了留有最够的系统预留量，选取最大推力达到200N的直线电机，在此采用海顿直线电机有限公司生产的直线电机，35000 Size 14系列混合式直线步进电机，其最大推力范围是达到220N，步长达到1.5微米，传动距离范围是页脚.. ..页眉.. 12.7-63.5mm，5V直流供电，每相驱动电流为0.57A，允许温升为75K。并且该系列的电机 内置连接器，方便安装时进行机械连接。所选取的直线电机如图5-23所示。 图5- 23 直线电机 5.4.4直线步进电机驱动器的选取 根据所选取的直线步进电机的参数，同时选取与其配套使用的DCM4010细分步进驱动 器，该款驱动器具有下列的特性。 1 供电电压40V，电流1.0A 2 可驱动任何1.0A相电流以下的两相步进电机 3 光隔离信号输入 4 20KHz斩波频率 5 细分精度2，4,8,16,32,64，可选 6 输入信号TTL兼容 7 静止时电流可减半，具有电源反保护功能 8 最高相应频率达到100KHz 所选用的直线电机驱动器如图5-24所示。 图5- 24 直线电机驱动器 页脚.. ..页眉.. 5.5 机械保护模块方案实现 根据系统的需要，必须对系统进行限位保护的设计。在机器人焊接的过程中，主要保护的部件有焊枪和传动电机模块。 为了保护焊枪，不会发生直接撞击钢板的情况，在与焊枪平行的位置上安装机械接触式开关，当出现危险情况，焊枪一直往下运动的时候，机械限位开关将首先撞击到钢板，与开关信号相连的硬件门电路产生动作，驱动光电耦合器，直接切断电机的供电电源和弧焊供电电源，对焊枪进行保护。 为了对工作台在轴向位移上进行保护，在丝杠的端位上安装机械式限位开关，当发生工作台在轴向的位移失控时，首先撞击的是机械限位开关，与开关信号相连的硬件门电路产生动作，驱动光电耦合器，直接切断电机的供电电源和弧焊供电电源，对工作台进行限位保护。 通过两个层次的机械限位保护措施，基本上能够对整个系统进行最后层次的应急保护措施。 5.6环境检测系统的实现 因为工作环境监测系统是比DSP主控系统先启动的，启动后检测当前工作环境的温度和湿度，只有当温度和湿度都满足系统启动要求之后，才通过光电耦合器件启动DSP主控系统，从而实现主控系统的提前保护。其工作原理和启动顺序如图5-25所示。 图5- 25 环境检测系统选用的控制芯片是ATMEL生产的ATMEGA16单片机。该单片机是8位指令高性能单片机，内部集成A/D转换模块，I/O的驱动电流达到50mA，16KB的Flash内存，1KB的E2PROM，2KB的SRAM，最高支持的晶振频率达到32MHz，足可以胜任环境检测和相应的温湿调节功能。ATMEGA16的最小系统设计如图5-26所示。 页脚.. ..页眉.. 图5- 26 ATMEGA16的最小系统 对温度和湿度的测量使用瑞士生产的温湿集成传感器SHT10系列。SHT10系列单芯片传感器是一款含有已校准的数字信号输出温湿复合传感器，其应用专利的工业COMS过程微加工技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包含一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接，具有超快响应，抗干扰能力极强的特点。SHT10传感器的结构如图5-27 ,:40~123.8C0.01:C所示。其温度测量范围是，最大分辨率达到;湿度测量范围是0~100%RH0.03%RH，最大分辨率达到，这样的测量精度已经足够本系统的设计和使用。 图5- 27 温湿集成传感器 页脚.. ..页眉.. 当测量得到的温度和湿度值满足主控系统的启动要求时，ATMEGA16将通过MOSFET驱动光耦继电器，接通DSP主控系统的控制电源，启动总系统。如果第一次检测发现主控系统工作环境的湿度过高，则启动内置的小型微加热风扇，降低主控系统环境的湿度，知道满足系统的启动要求。 在系统正常的工作过程中，ATMEGA16将随时监控当前的温度和湿度，发现达到最低系统设定阈值时，将打开调节装置，进行自控尝试调节，并驱动高亮LED进行报警;如果调节无效，则ATMEGA16强制切断DSP主控系统的供电电源，对系统进行保护。 5.7接口扩展模块的方案实现 从系统的方案比较中确定了使用RS-232和PCI以太网接口作为系统的接口扩展模块。在此分别进行RS-232模块和以太网模块的设计。 由于PC机串口通信使用的电平时12V的，而DSP输出的串口电压为3.3V，因此首先需要对两者进行电平的转换。目前应用最广泛的转换芯片是美信公司生产的232系列芯片，在此选用MAX232，实现硬件的电平转换。MAX232与DSP之间的连接电路如图5-28所示。 图5- 28 为了实现以太网卡的接口扩展，本系统选用Realtek公司生产的具有PCI接口的以太网控制芯片RTL8139实现RTL8139与DSP接口的方案。RTL8139是 带PCI接口的10M/100M自适应网卡控制芯片,它提供32位PCI总线控制,支持IEEE802.3u 100Base-T和IEEE802.3x的全双工流量控制;符合PCI 2.2标准,支持高级配置和电源接口(ACPI)和PCI对现代操作系统的电源管理,以提高电源管理的效率。此外,RTL8139还支持128KB的Boot ROM,提供网络唤醒和远程唤醒功能;含有2个2KB的收发FIFO;能够降低网络维护成本,消除使用障碍,而且可以很方便地使网络由10M升级到100M,且带宽可以达到200Mbps。这些功能的实现足可以满足本系统的需求。RTL8139与DSP之间的硬件连接关系如图5-29所示。 页脚.. ..页眉.. 图5- 29 5.8 电源管理模块方案的实现 根据系统设计方案的确定，选用专用的弧焊电源作为焊机的供电电源。因为焊枪使用的时候直流弧焊，电流在400A左右，根据电流和容量指标，确定选取松下的型号为YD-630SS的交流供电直流输出弧焊电源。该电源的输入电源为三相380V交流电源，额定输入为47.6KW，输出电流范围是100-630A，空载电压为77V，额定负载持续率为60%，根据本系统设计的参数要求，该弧焊电源满足设计要求。所选取的弧焊电源如图5-30所示。 图5- 30 弧焊电源 页脚.. ..页眉.. 由于驱动步进电机的电源为48V直流电源，直线步进电机的供电为5VDC，驱动DSP主控系统的电源为5V，为了获得低压的直流电源，采用交直变换的方案实现。整个整流设计的方案流程如图5-31所示。 图5- 31 5.9报警模块的方案实现 在系统的运行过程中，当出现过热，过压，过流，欠压，和机械故障，且系统无法进行自动修复的时候，系统除了进行预订的保护措施外，还将发出报警信号。 报警形式设计了两种。一种是高亮LED的频闪，一种是高音蜂鸣器。 6软件控制平台的实现 6.1传感器的控制算法和模型 6.1.1 传感器与系统的初始化 实际使用前，应该进行初始化工作。 首先，通过手动移动或者利用接触式传感器找到裂缝的起始点位置。手动移动的位置精度不高，利用接触式传感器比手动调整的精度高，并且接触式传感器的价格不高，这样可以减少寻找初始位的时间，也满足了一定的精度。 其次，利用光电码盘“寻零”。在未接焊接电源之前，通电使得空心轴直流电机转子旋转，当接收到内圈脉冲信号时停转，意味着焊丝相对于电机的空间位置到达系统的“零位”，而“零位”是在系统设计出来时就已经确定的一个固定的位置，之后每次旋转到该位置时都会产生一个脉冲，作为其他瞬时位置的基准，依据外圈的脉冲信号相对同一周期的内圈脉冲信号可以确定电弧及焊点相对电机的空间位置，方便对焊缝跟踪和自身导向。 最后，通过z轴方向上的直线电机调节焊枪相对于钢板的高低位置，调到合适的位置，然后给焊枪通以弧焊电源电压，在焊接起始点附近位置原地扫描一圈，得到焊枪接下来的移动方向信息和钢板平整部分的弧压，将该信息存储起来，作为基准电压与之后的扫描电压作页脚.. ..页眉.. 比较。此后还需要对处理控制电路进行初始化，这样就完成了所有的初始化工作。之后根据得到的导向信息驱动执行机构让焊枪跟踪裂缝。 6.1.2 传感器的算法分析 与之前的分析相似，考虑到电弧传感器的旋转速度远大于焊枪的移动速度，故可以认为在一个旋转周期内焊枪的移动距离为0，空间直角坐标系如图5-15、图5-16所示。旋转电弧传感器扫描一圈所采集的电压信号如图6-1 ,当分析焊枪走向时还需要将码盘输出信号与电压信号对照分析才能确定空间角度方向。 图6- 1 目前，依据旋转电弧传感器在焊缝跟踪中常用的控制算法，本系统可采用的方法主要有以下四种: (1)积分差值法 以焊枪的前进方向为基准，将焊枪在前进方向左侧旋转的半周期和右侧旋转的半周期分 udt,udt别进行电压信号的积分，并求出两个电压积分的差值。若满足则说明偏差为RL,, udt,udtudt,udt零;若则表明焊枪左偏;若即表示焊枪右偏。所以根据积分RLRL,,,, 差值的符号和大小可以得到焊枪的偏移方向和偏移量，进而给予修正。 (2)极值比较法 根据电弧在左右不同的位置时焊接电压数值的不同，比较两侧扫描焊接电压的大小变化关系(极值或者两边电压变化的幅值)来获得焊枪位置信息。这种做法很容易实现，因为左右两侧幅值容易得到，数学运算简单，但电弧的不稳定性使得这种方法没有积分差值法的信噪比高。 (3)类型比较法 当电弧在坡口旋转时，如果焊枪中心线与焊缝中心对正，则采样电压波形为对称波形;若焊枪中心线与焊缝中心存在偏差，则电压波形变化为非对称波形。所以将采样的电压波形与对正时的标准电压波形(可在初始化过程存储在存储器中)相比较，可求出偏差的大小和方向，从而实现焊缝的跟踪。但这种方法对焊缝的要求太高，仅适用于各处的焊缝坡口变化不大的场合，应用范围狭窄。 (4)平面拟合法 页脚.. ..页眉.. 当采集了传感器扫描一圈之后，能充分利用检测得到的信息。因为这些信息经过数学运算可以还原焊枪所在处的截面，通常采用最小二乘方法拟合该平面,称作特征平面。根据特征平面与坐标平面交线的斜率来检测焊枪的左右偏差和倾角。 比较上述四种方法，极值比较法与类型比较法不太适合于本系统，应用的范围也受限制。积分差值法原理比较简单，程序容易编写，但事实上这种方法对坡口截面也有一定的约束限制，适用于坡口截面比较对称的情况，这点与类型比较法相似。所以本系统宜采用平面拟合法，该算法适用于各类坡口，精度比较高。 平面拟合法的优点是: (1)简单快速、实时性强，满足焊枪姿态位置控制的要求; (2)能同时结算出焊枪偏差和倾角，能更好地焊枪的姿态; (3)充分利用了旋转电弧传感器检测得到的信息，信息量大，检测结果可靠性和准确性高。 但仅仅按照此方法是不够的，只能作为整体的思想框架，还需要进一步完善。根据特征谐波检测理论的相关论述，由于传感系统存在着非线形失真,与系统输入的扫描电弧长度变化相比,传感器输出的电压波形发生了很大的变化。所以有必要从电压信号中找到一个能反映焊枪位置信息的特征量。电弧传感信号最终表现为电压信号，但其中存在着失真和叠加着大量的噪声干扰。基于特征谐波检测理论，科研人员经过实验反复验证发现电弧扫描输入信号的一次谐波分量是其特征谐波,其幅值大小表征焊枪位置信息和倾斜程度的情况，其相角的正负表现为焊枪摆动的方向，并且除低次谐波成分外,其他频率成分都是一个小量,可以忽略不计,即使在幅值明显的低次谐波中,也只有特征谐波有检测的意义。鉴于本文仅讨论焊枪与焊接钢板保持垂直的情况，故只分析如何从一次谐波中分析提取焊接偏差信息。 为了简化模型，假设电弧扫描输入信号与电压检测信号是很好的一次函数关系，低通滤波器的滤波效果满足系统要求，所以信号处理只需对检测电压的特征谐波(一次谐波)的频率分量进行分析,而不必去考虑系统的整个频率响应特性和其他信号分量的变化。简言之就是利用滤波器及一些数学运算得到检测电压信号的一次谐波，再进行相关的平面拟合数学运算。为突出重点，下面对平面拟合法构建特征平面的过程进一步讨论。 6.1.3 电弧长度模型与平面拟合算法分析 在进行算法分析之前，先要对焊接过程中的电弧长度建立模型。仍以跟踪V形坡口焊缝为例，见图5-15和图5-16。焊枪轴线在水平方向上与焊缝坡口对称线的偏移距离称为偏差(如图5-16,设为e)。设焊枪口端面到焊缝坡口底部的距离为Hc，焊缝坡口与水平面的夹角为β，电弧旋转半径为r，旋转周期为2T，角速度为ω，。设焊枪旋转在,,arcsin(e/r)最右侧时t=0，则电弧长度H(t)可由式(1)求得。 ,T,,,,,,Hc,rsintsin,(cost，sin)rtan0,t,，,,2,,,T3T,,,,,,H(t),Hc,rsintsin，(cost，sin)rtan，,t,，,,,22, (1) ,3T,,,,,,Hc,rsintsin,(cost，sin)rtan，,t,2T,2,, 图6-2、图6-3所示即为运动过程中某瞬时的状态。 页脚.. ..页眉.. 图6- 2 图6- 3 根据有关焊接理论可知,电弧动态变化时,在一定条件下弧长变化H(s)到焊接电流变化I(s)的传递函数可以表示为: k(s，k)P(s)I(s)arG(s),, (2) H(s)[1,kP(s)]s，kP(s)，kNMr 其中，为电弧的电位梯度;为与焊丝熔化速度有关的常数;为与干伸长电阻和kkkaNr 极区等效电阻有关的常数;为与电源特性、焊接材料等有关的常数;P(s)为电源的动态kM 特性。当电源具有极好的动态品质时,P(s)可视为一个比例环节，此时传递函数可简化为一阶模型。可见当旋转频率一定时，弧长变化规律与电流变化规律成正比关系，所以与电压变化规律也成正比。 由于电弧传感器的旋转速度远大于焊枪的移动速度,故可以认为在一个旋转周期内焊枪的移动距离为0。以电弧旋转中心作为坐标原点,焊接方向作为x轴,焊枪轴线作为z轴建立局部直角坐标系(图5-15和图5-16)，在此坐标系中对一个扫描周期内的电弧长度值进行最小二乘拟合，则可得到一个拟合平面，此拟合平面即可反映焊枪偏差和倾角情况。 以偏差检测为例，设焊枪的倾角为0?,与焊接平面始终保持垂直。此时电弧长度沿y轴对称,拟合后的平面与YOZ面的关系，如图6-4所示。图中直线ab表示拟合平面与YOZ面的交线，图6-4表示焊枪对中焊缝，图6-5表示焊枪偏左。可以看出，当焊枪对中焊缝时，直线ab与y轴平行;而当焊枪偏左时，直线ab与y轴成一夹角。偏差越大，夹角越大，而且夹角的正负和偏差的正负相对应。同理可知，特征平面和XOZ面交线与x轴的夹角则反映了焊枪倾角变化情况。 图6- 4 图6- 5 H(t)电弧长度可由式(1)求得,而x(t),rcos,t，y(t),rsin,t，故可将它们离散化为Hxy，，。由于文中采用的旋转电弧传感器在一个扫描周期内采样64次，因此将离散iii 点取为64个。由空间解析几何理论可知，一个空间平面的方程可以表示为: Z,Ax，By，C (3) 页脚.. ..页眉.. 为了便于讨论,将上述方程变形为: (4) Z,,，,x，,x01122 引入矢量、矩阵记号,令 T,,,,,()012 1xx，，1112,, (5) 1xx2122,,X,,,？？？ ,,1xxn1n2，， 对电弧长度进行空间平面拟合就是寻求,使其满足下面的条件: , nn2222,(H,,x,),min,(H,,x,) (6) iijjiijj,,,,ijij1010 这里，利用微分法求式(6)的解,得: x,1(i,1,2,？,n),i0 n2 ,(H,,x,)x,0(k,0,1,2) (7) iikik,,ij10 将上式变形为: 22nnn ,Hx,,,xx,,,(,xx),(k,0,1,2) (8) iikijikijik,1,1,0,0,1iijji 用矩阵表示，上述方程组可写为: TT XH,(XX), TT,1通过分析可知XX是正定矩阵,因而存在逆矩阵，由式(8)可得: (XX) T,1T (9) ,,(XX)XH 将代入式(4)，则可得到所求的拟合平面。该平面与XOZ面交线的斜率为，与YOZ,,1面交线的斜率为。在实际进行拟合时,式中由旋转电弧传感器采集得到的电流经转换,H2 后获得。 6.2电机驱动的算法 在工程实践中应用最普遍的方法是PID算法，这类方法的实质是将检测到的偏差信号送入控制器中，按照已建立的数学模型进行运算，得到控制量，输送给执行机构执行相应的操作，从而保证偏差在允许的范围之内。但是由于焊接过程的特殊性，往往表现为一些复杂的非线性系统，难以找到合适的数学物理模型，PID控制算法已经逐步退出焊接控制领域。目前，在焊接跟踪领域涉及的人工智能理论与方法主要有模糊控制、人工神经网络和专家系统等。 模糊控制是吸收了人的思维具有模糊性的特点，使用模糊数学中的隶属函数、模糊关系、模糊推理和决策等工具，得出控制动作。简单模糊控制器以检测到的焊枪偏离焊缝中心线的偏差和偏差变化作为模糊控制器的输入，根据模糊控制规则，误差及误差变化率的模糊子集产生控制决策表，通过决策表的直接查询，可以得到每一时刻控制系统的控制动作，从而达页脚.. ..页眉.. 到实时控制的目的。模糊控制不需要建立对象的精确数学模型，它是一种基于规则的非线性控制方法。因此，模糊控制非常适合于焊接过程的控制。 人工神经网络控制是在研究人脑结构和功能的基础上，通过简化、抽象和模拟建立神经网络模型，再通过相应的计算机系统，实现能反映类似人脑结构和功能来处理问题的控制算法。人工神经网络控制技术在焊接领域更多地应用于视觉跟踪系统的焊缝类型自动识别，将提取出预处理后焊缝结构光图像的特征参数，送入人工神经网络分类器进行辨识，可以判别出焊缝类型。应用神经网络自动识别焊缝类型，迅速、稳定且可靠性高，是焊缝类型自动识别的理想方法，但在以电弧传感器为检测元件的系统中的应用并不多见。 专家系统是一个具有大量的专门知识与经验的程序系统。它应用于人工智能技术和计算机技术，根据某一领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家才能处理好的复杂问题。专家系统具有下列几方面特点:启发性、透明性、灵活性、不确定性，目前焊接专家系统还不够成熟，尚处于研究阶段。 分析本系统，传感器部分和步进电机的精确的数学模型不容易建立，传递函数复杂，传统的PID控制算法已不适用。综合以上分析，电机驱动的算法确定为模糊控制算法，限于自身能力的匮乏，在此不对算法细节进行论述。 7 成本估计 弧焊电源及焊接设备 1000元 旋转电弧传感器系统(自行设计) 1000元 步进电机系统 1300元 机械系统 800元 环境检测系统 100元 电源管理系统 200元 DSP主控系统 450元 各种杂件和加工费 600元 总成本 5450元 8 项目总结与改进 8.1 项目总结 整个系统的设计充分考虑到了工业应用型焊接机器人应该具有的特性。首先是安全性和平稳性的要求，采用了包括系统启动保护，软件保护，机械限位保护，报警保护在内的保护措施。系统的设计充分考虑了系统的响应速度问题，这个将影响到整个应用系统的快速响应性，也是衡量一个焊接机器人是否具有足够的应用价值的一个重要指标。在焊缝跟踪扫面方面，跟踪误差和焊缝误差满足指标要求，响应时间短，对各类焊缝类型有一定的普适性。在系统的应用拓展方面，充分考虑了系统的可升级性，预留了标准的串口和以太网接口，为系页脚.. ..页眉.. 统的调试和升级提供必要的硬件保障，也方便了同类焊接机器人的后续系列产品的开发升级。 8(2 项目的改进: 8.2.1 旋转扫描电弧传感器的问题与改进 由于高速的结构特点,在使用过程中,存在着以下问题: (1)小型化问题 由于十字滑块的z轴方向移动滑块承受的重量有限，焊接过程中传感器内部电机的高速旋转产生振动，以及运动过程中可能产生的加速度的影响。 (2)振动问题 旋转扫描电弧传感器在工作时的振动很大，原因在于旋转扫描电弧传感器偏心机构的重心偏离了旋转中心，在高速情况下振动尤为明显。 振动和较大的负荷都会影响弧焊机器人焊接时的焊缝质量和焊缝跟踪精度。这就要求旋转扫描电弧传感器的重量越轻越好，需要对传感器结构进一步优化;并且传感器的动平衡和静平衡检测要过关，保证高速旋转情况下不会强烈振动。 由于近些年来焊接技术发展迅速，基于旋转电弧传感器的焊接系统也逐渐崭露头角。联系本系统与实际情况，还可以做以下改进:焊接半径可调，焊枪焊接倾角可调等。这样的改进之后可以使焊缝系统适用于灵活性更强，自动化程度更高，比如:在焊缝较宽处，利用磁场等手段调整焊枪焊接半径，减慢焊枪移动速度，使得融化的焊丝材质填充宽度增加，填满坡口，提高焊接质量，而不需要采用通过焊枪的上下移动来调节扫描与焊接的半径，减少大幅度的机械运动，也能提高精度;而在焊缝狭小的地方，减小焊接半径，加快移动速度，避免焊接后表面不平整。焊枪倾角可调则可以对空间各个方位的坡口进行焊接，若提高焊枪的小型化，则可以在管道等狭小空间环境工作，拓宽了适用范围。 8.2.2 系统与无线传感网络的通信 随着现代科学技术的发展，物联网技术也呈现了蓬勃发展的趋势。在随后的科学应用领域里，基于无线传感器网络的物联网技术将会渗透到生活，工业生产，科研领域的各个方面，在本系统的设计中，可以考虑设计相应的无线传感器接口，采用Zigbee无线传感器传输网络,将焊接机器人和周边的电子应用系统组成一个无线网络，对焊接机器人进行无线调控，无线维护和无线升级。 8.2.3 系统的可移植性改进 在系统软件开发的时候，应尽可能的考虑到硬件的无关性和软件平台的无关性，这样将更利于软件系统的移植，为开发同类产品的软件系统提供便利。 9 心得体会 一个系统的开发，特别是工业应用型系统的开发应用，在进行方案的设计时，必须充分考虑各种可能遇到的问题，必须首先确保系统是安全的，稳定的，这是任何一个系统设计的页脚.. ..页眉.. 基本前提。在资源应用日益紧缺的今天，系统的设计要充分考虑成本问题，尽可能的用最少的成本获得最佳的系统性能，使得系统的性价比最高。 经验积累是我们在学习的过程中的一个重要环节。任何一个想法的浮现，都需要经验的积累和沉淀，因此平时在学习的过程中，要随时注意进行笔记的积累和总结。在各种技术朝着网状形式发展的今天，一个系统的设计往往是各种交叉学科问题的综合，因此在平时的积累中，即使我们仅仅是学习控制学科，也必须对其它各种学科有一定的涉及和积累，须知道，只有厚积，方可薄发。 任何一个系统的设计，都要特别主要各种细节问题，因为一个系统最后运行的成败，往往是因为一个不起眼的细节问题处理不好而导致的，因此，既需要全局的眼光，更需要注重局部的细节，只有在全局的基础上对细节问题进行细化处理，才可能得到一个相对完善的系统。在进行方案的定夺的时候，要采用折中的方法，任何一个方案都不会是十全十美的，必须在某些环节上进行取舍，进行折中。 ——吴钊君 课程设计对于我们而言的确是个历练的过程。当初做这道题的时候，觉得很困难，真正体会到理论与实际的差距有多大。即便我们学了很多知识，但在实际设计一个系统时仍然不知所措，甚至在网上查找各类电机时，一系列的参数也让人看得眼花，不知道某些参数意味着什么，与什么相关。我想真正做一个系统设计的时候，仅仅靠所学的知识远远不够，我们需要了解市场，了解相关科技的发展，如何选择合适的系统是需要经过理论分析论证的，而如何做出一个性能稳定，符合指标而又兼顾经济效益的系统，需要的是对市场的了解和技术的掌握。 诚然，我们的教育中很少提及对经济效益的重视，所以导致了我们在做设计时会盲目地选择一些成本高的产品，这些都是不必要的浪费，而且很多器件的潜力也没有完全利用到，这点是我们需要开始注意培养的意识。设计的过程也让我们学到不少的知识，了解到先进的科技，阅读了不少的文献，也锻炼了信息检索的能力。但也让我们感受到，国内的技术相对国外的差距，比如空心轴直流电机，国内的生产技术并不能做到小而精的程度，可能我们更需要的是创造性、发散性的思维。而且在系统设计中，需要注意细节，考虑要充分。发现问题可能会带来其他的问题，这就需要我们权衡利弊，选择最优的想法。 当我们完成这个课程设计，其实还有不少需要改进的地方，还有很多我们现在并不能理解的知识，还要不断学习。仔细想，就说旋转电弧传感器，事实上它的原理和控制算法理解起来并不困难，但是这个想法的产生并不容易，而且技术上的水平也制约了一个思想的能否实现。除了学习，我们更需要加强创新能力的培养，也需要更多的将理论与实际联系起来，才能在以后的学习工作中做好每一个工程项目。 ——洪学寰 在这次的课程设计中，感受最深的就是小组之间的讨论会吧。之前听很多学长说，大学生最好能进进实验室，去体会一下实验室的氛围。通过这次课程设计，通过小组之间关于实验方案的讨论，关于元件的选取，大到传感器的选择，小到某一个小的机械机构。大家查阅资料，提出方案，讨论，否掉，再查阅资料，提出方案，再否掉，就这样，思维的激烈碰撞终于达到共识，找出我们认为最好的实现方法。 页脚.. ..页眉.. 其次是知识的综合运用。课程设计不同于作业，需要考虑各方面的内容，有很多方面的知识是之前从未接触过的，很多软件是之前没有听说过的，我们都需要去现学。有压力就会有动力，带着任务去学习，让我学起东西格外地关注和迅速。 最后是对于课上知识过深刻地理解吧。说实话，上元件的时候很多知识只是停留在课本，很浅显。而这次课程设计，让我需要更深入地了解每一款电机，每一款驱动器，每一种传感器，实践是体验真理的唯一标准，我真正地体会到了。 ——敦晓彪 页脚.. ..页眉.. 参考文献: [1] 潘际銮编著,现代弧焊控制,北京:机械工业出版社,2000; [2] 廖宝剑,以电弧为传感器的多自由度智能焊接系统研究,清华大学博士论文,1993; [3] 吴世德,电弧传感器焊缝跟踪的信息处理技术,清华大学博士论文,1997; [4] 胡绳荪，李顺华，孙栋.焊缝跟踪模糊控制器的研究.电焊机学报,2000 [5] 刘和平 严利平. TMS320F2812 DSP 结构、原理及应用. 第 1 版,北京: 北京航空航天大学出版社，2002 [6] 金建敏. 弧焊机器人焊接路径预规划的研究. [博士学位论文] 1996 [7] 路井荣. 弧焊机器人焊炬姿态优化的研究.[博士学位论文] 1999 [8] 廖宝剑,潘际銮?旋转扫描电弧传感器焊缝双向跟踪系统的研究〔A〕?中国科协首届青年学术年会论文集:工科分册:上〔C〕?北京:中国科学技术出版社,1992? [9] 贾剑平，张华，潘际銮(用于弧焊机器人的新型高速电弧传感器的研究[J](南昌大学学报(2000: [10] 熊震宇,张 华,贾剑平,等.旋转电弧传感器的研制.[J].仪表技术与传感器,2003. [11] 吕学勤,张 轲,吴毅雄.焊缝自动跟踪的发展现状与展望[J].机械工程学报,2003. [12] 薛家祥,余文松,黄石生.模糊逻辑用于弧焊过程的控制[J].电焊机,1999. [13] 梅晓榕，柏桂珍，张卯瑞.自动控制元件及线路.科学出版社.2007 [14] 蒋秀珍，马慧萍.机密机械学基础.科学出版社.2009 [15] 裴润，宋申明.自动控制原理.哈尔滨工业大学出版社.2006 [16] 陈希有.电路理论基础.高等教育出版社.2004 [17] 王淑娟，蔡惟铮，齐名等.模拟电子技术基础.高等教育出版社.2009 [18] 潘际銮.空心轴电机驱动的旋转扫描焊炬. [P].中国专利CN2143540,1993-10-13. 页脚.. ..页眉.. 附件 分工明细 吴钊君 系统静态指标系统、动态指标运动精度、指标智能性指标分析 吴钊君 可扩展性指标分析、应用指标环境要求、装配指标分析 吴钊君 机械结构指标分析和方案比较、运动控制模块指标分析和方案比较 吴钊君 步进电机及其驱动器的选取 洪学寰 反馈系统模块指标分析和方案比较、焊接指标分析与方案论证 洪学寰 电弧传感器的分类及选型、旋转电弧传感器结构、跟踪与纠偏原理 洪学寰 直线步进电机的选取 洪学寰 传感器的控制算法和模型、电机驱动的算法 洪学寰 项目背景、设计要求和需求分析 三维立体图形设计与绘制 敦晓彪 敦晓彪 各保护模块的指标分析和方案比较 敦晓彪 成本估计、项目总结与改进 敦晓彪 文字整合与排版 全体 系统总指标分析 全体 总控制核心系统的实现、系统各模块方案实现 全体 总体设计方案、主控系统指标分析和方案比较 页脚..