王　麗

（安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院，安徽 六安 237011）

0　概述

焊接是一種將兩種材料結(jié)合在一起的方法，并且這種結(jié)合是永久性的，一般強(qiáng)度都比較高，從而成為一種專門的加工技術(shù)。焊接加工一方面需要焊工具有熟練的操作技術(shù)，具有豐富的現(xiàn)場(chǎng)處理經(jīng)驗(yàn)，并且具有穩(wěn)定的焊接水平，在另一方面，焊接的環(huán)境一般都比較差，而且是一種高危險(xiǎn)的工作，每年都有在焊接過程中出現(xiàn)事故的事情發(fā)生。在這種情況下，并且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展焊接機(jī)器人就應(yīng)運(yùn)而生，焊接機(jī)器人就可以代替大部分焊工的工作，是一種具有高智能的自動(dòng)化高科技設(shè)備，在一定的環(huán)境條件下，焊接機(jī)器人的焊接水平要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焊接工人的水平，特別適合一些復(fù)雜形狀材料的焊接，具有提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，對(duì)于制造行業(yè)的技術(shù)提高具有很大的推動(dòng)作用。

在國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人的發(fā)展較晚，但是隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，焊接機(jī)器人也暫露頭角，在汽車制造業(yè)和汽車零部件的生產(chǎn)企業(yè)中焊接機(jī)器人的使用占整個(gè)機(jī)器人的76%，其中大部分是以氬弧焊機(jī)器人為主。

1　焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焊接機(jī)器人在焊接的過程中需要有控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備的幫助，才能完成焊接作業(yè)，一般焊接機(jī)器人有操作機(jī)、上位控制器和焊接輔助設(shè)備組成，圖1所示。

圖1　焊接機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)

1.1　總體設(shè)計(jì)思想

焊機(jī)機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)多結(jié)構(gòu)和多機(jī)的操作系統(tǒng)，一般采用的是模塊化的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)的。主機(jī)一般是一個(gè)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，主要完成機(jī)器人在當(dāng)前狀態(tài)中的位置和行為識(shí)別，并且負(fù)責(zé)機(jī)器人所有伺服電機(jī)的控制，還有對(duì)每個(gè)傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。由于主機(jī)需要處理的信息量大，并且要求實(shí)時(shí)性，所以一般都采用高性能的MCU處理器，作為整個(gè)系統(tǒng)的上位機(jī)調(diào)度中心。

在中央處理器之外，重要的組成部分就是伺服控制系統(tǒng)，它屬于下位控制，能夠調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置和力矩的閉環(huán)控制，一般是以DSP為核心控制器件，主機(jī)和伺服控制系統(tǒng)之間一般采用的高速通訊網(wǎng)絡(luò)線，總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2　總體設(shè)計(jì)方案

1.2　焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.2.1控制芯片及其供電設(shè)計(jì)

控制芯片在選擇的過程中有很多的因素需要去考慮，比如加工的難易程度、處理器的速度、控制的精度和功耗都需要考慮。芯片在工作的過程中需要的電壓是3.3V，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，如果外部輔助設(shè)備所需要的電壓不是3.3V，這就需要在設(shè)計(jì)的過程中保證芯片與外圍供電電壓可靠連接的問題。

如圖3所示，是本系統(tǒng)供電電壓設(shè)計(jì)電路圖，在設(shè)計(jì)過程中采用的是LM1068-3.3的低壓差穩(wěn)變壓器作為供電電壓，給系統(tǒng)提供的電壓是3.3V的穩(wěn)定運(yùn)行的電壓，在設(shè)計(jì)圖中有電容C45和C46，它們的作用分別是除去一些可能產(chǎn)生的雜波信號(hào)，起到分流的作用，另外還可以起到保護(hù)電路的作用，使整個(gè)設(shè)計(jì)電路的電壓更加穩(wěn)定，保證元器件能夠正常的運(yùn)行，并且不被雜波信號(hào)干擾。

圖3　供電系統(tǒng)電路圖

1.2.2原理圖的設(shè)計(jì)

在確定控制系統(tǒng)DSP核心芯片之后，就需要對(duì)外圍電路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路圖的設(shè)計(jì)需要有專門的軟件來完成，一般都采用Protel公司和Cadence公司的設(shè)計(jì)工具完成，在本次設(shè)計(jì)中選用的是Protel SE軟件完成原理圖的設(shè)計(jì)。

焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括電路電子DSP、特定模塊的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和電路保護(hù)方面的設(shè)計(jì)，其中DSP電路設(shè)計(jì)主要包括總線接口電路設(shè)計(jì)、數(shù)字接口電路、仿真電路設(shè)計(jì)、故障電路設(shè)計(jì)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)，另外，在控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中還有檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，電路板抗干擾設(shè)計(jì)。

1.2.3時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是整個(gè)電路設(shè)計(jì)中的核心部分，因?yàn)樵跈C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求特別高。如圖4所示的電路圖，在本次設(shè)計(jì)中采用供電外部振蕩器方式，時(shí)鐘頻率設(shè)計(jì)為10Mhz，而且為低電壓設(shè)計(jì)，所以，可以把DSP的時(shí)鐘輸入口與XTA1直接相接，在使用有源的振蕩器時(shí)要注意信號(hào)的電平大小，一般在市面上的輸出信號(hào)電平都為5V或者3.3V，如果是5V的振蕩器，需要經(jīng)過電平的轉(zhuǎn)換后才能和TMS320L的時(shí)鐘輸入口端相接。在實(shí)際的使用過程中，需要對(duì)輸出的頻率經(jīng)過倍頻或者分頻，以滿足不同模塊的接口需求。

圖4　時(shí)鐘電路

1.3　焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)從原理上可以分為三部分：上層開發(fā)環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)開發(fā)程序及底層的控制程序三部分。上層開發(fā)是為了給用戶一個(gè)測(cè)試控制器，方便實(shí)現(xiàn)控制要求的軟件平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)開發(fā)需要滿足控制器在復(fù)雜干擾的環(huán)境中可靠的工作，它的作用就是負(fù)責(zé)在不同網(wǎng)絡(luò)中的通信。對(duì)于底層開發(fā)的程序設(shè)計(jì)主要是針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)功能來考慮，一般采用的是C語言來進(jìn)行編程開發(fā)，是整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1.3.1軟件設(shè)計(jì)主要完成的功能

根據(jù)傳感器的狀態(tài)值實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)和電路電壓之間的自動(dòng)切換，另外就是通過一定的算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置和速度的精確控制，并且不同模式之間可以自由切換。軟件運(yùn)行過程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種故障的檢測(cè)和診斷作業(yè)，包括CAN的通信故障，功率器件的過載故障和系統(tǒng)的運(yùn)行故障等。

1.3.2軟件開發(fā)環(huán)境的簡(jiǎn)介

本次DSP開發(fā)選用的是TM32.LF2407開發(fā)系統(tǒng)，有高效的C編譯器，簡(jiǎn)化的匯編語言，是基于Windows系統(tǒng)的可視化調(diào)用接口，可以兼容不同的仿真接口，代碼工具箱采用CCS推出的軟件集成開發(fā)環(huán)境，利用CCS可以對(duì)程序進(jìn)行一些管理和編譯工作，主要是完善用戶的開發(fā)試驗(yàn)環(huán)境。

1.3.3主程序設(shè)計(jì)

圖5　主程序流程圖

主程序流程圖如圖5所示，程序在執(zhí)行過程中首先是自檢，然后是隨機(jī)寫外部數(shù)據(jù)，最后是對(duì)結(jié)果求補(bǔ)運(yùn)算，并且將它放在后面一個(gè)單元中，其結(jié)構(gòu)如果不為0，則系統(tǒng)自檢出錯(cuò)。主程序流程圖中的系統(tǒng)初始化程序如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)初始化程序

2　機(jī)器人的調(diào)試

在控制面板上有一個(gè)電源的指示燈，可以隨時(shí)查看供電的情況。除了查看供電的情況外，還要看電源的極性。在供電沒有問題的情況下，檢測(cè)各個(gè)伺服電機(jī)的工作情況，主要看伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)是否正常，每個(gè)關(guān)節(jié)是否能夠安裝預(yù)定的程序完成相應(yīng)的動(dòng)作。

圖7　各個(gè)關(guān)節(jié)的軸運(yùn)動(dòng)

3　結(jié)語

本文通過對(duì)硬件、軟件的研究與設(shè)計(jì)，構(gòu)建了焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)。通過測(cè)試與試運(yùn)行，完全符合特定產(chǎn)品工業(yè)生產(chǎn)的需要。