自动焊缝跟踪系统的设计和实现.doc
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1、自动焊缝跟踪系统设计和实现摘 要: 本文介绍了一个基于旋转电弧传感器焊接机器人系统。系统采取惯量小,成本低,灵活性大新型十字滑块系统作为机械传动机构;旋转电弧传感器位置精度高,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传动,并进行位置伺服。环境预检测系统完成工作环境检测,确保系统安全运行,DSP主控系统完成整个系统管理和控制,并设计了包含软件保护,机械限位保护,报警保护,电源管理保护在内多种保护方法。为了方便系统维护和升级,预留了标准串口和以太网接口,能够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;十字滑块目录1项目背景12设计要求和需求分析13系统
2、总指标分析23.1 系统静态指标23.2系统动态指标23.3运动精度指标23.4智能性指标分析23.5可扩展性指标分析23.6应用指标23.7环境要求23.8装配指标分析34 模块设计指标和方案分析34.1总体设计方案34.2主控系统指标分析和方案比较44.3机械结构指标分析和方案比较44.4 反馈系统模块指标分析和方案比较64.5运动控制模块指标分析和方案比较74.6机械保护模块指标分析和方案比较74.7环境检测保护模块指标分析和方案比较74.8接口扩展模块指标分析和方案比较84.9 电源管理模块指标分析和方案比较84.10 焊接指标分析和方案论证95硬件系统方案实现95.1总控制关键系统实
3、现95.2机械传动结构方案实现105.3反馈系统模块实现135.3.1 电弧传感器分类及选型135.3.2 旋转电弧传感器结构和工作原理165.3.3 跟踪和纠偏原理175.4运动控制模块方案实现195.4.1步进电机选择195.4.2步进电机驱动器选择215.4.3直线步进电机选择225.4.4直线步进电机驱动器选择235.5 机械保护模块方案实现245.6环境检测系统实现245.7接口扩展模块方案实现265.8 电源管理模块方案实现285.9报警模块方案实现296软件控制平台实现306.1传感器控制算法和模型306.1.1 传感器和系统初始化306.1.2 传感器算法分析306.1.3 电
4、弧长度模型和平面拟合算法分析326.2电机驱动算法347 成本估量348 项目总结和改善358.1 项目总结358.2.1 旋转扫描电弧传感器问题和改善358.2.2 系统和无线传感网络通信358.2.3 系统可移植性改善369 心得体会36参考文件:37附件 分工明细371项目背景焊接是一门材料连接技术,经过某种物理化学过程使分离材料产生原子或分子间作用力而连接在一起,伴随焊接技术不停发展,它在生产中应用日趋广泛,到现在为止已经成为一个关键加工手段。从日常生活用具,如家用电器、水暖设备等生产到飞机、潜艇、火箭、飞船等尖端科技产品全部离不开高效率、现代化焊接技术,深入提升焊接质量、改善劳动条件
5、、提升劳动生产率已经成为全部焊接工作者强烈愿望,而采取自动控制技术是实现上述正确路径。焊缝自动跟踪系统研究作为焊接领域一个关键方面,为了进行正确自动焊接,必需进行焊缝自动跟踪。国外相关焊接实时跟踪控制研究关键集中在焊接传感器选择和控制方法改善上。1985年保加利亚D.Lakov提出了用模糊模型来描述弧焊过程不确定性,借助于配置非接触式激光传感器,用模糊控制推理对示教机器人运动进行估量、估计和控制,实现焊缝自动跟踪。1989年日本S.Mursaami等研究了利用电弧传感弧焊机器人焊缝跟踪模糊控制,该控制系统依据焊枪振幅位置同焊丝和工件距离关系判定焊点水平和垂直位移,并在强烈弧光、高温、烟所以下,
6、采取基于语言规则模糊滤波器和模糊控制器来设计焊缝跟踪控制系统,取得了很好效果。美国Ohio州Motoman企业推出了一个最高能够在60in_/min(152cm/min)焊接速度下进行焊缝跟踪电弧传感跟踪系统。中国对焊缝跟踪控制技术研究起步较晚。80年代末以清华大学潘际銮院士为首课题组在旋转电弧传感器方面做了大量研究,并取得了有价值结果。1993年清华大学博士廖宝剑在博士生费跃家研究基础上,研制成功了一个空心轴电机驱动旋转扫描传感器,并取得了国家专利。以后江西大学在此基础上在小型化和减震方面做了深入研究,并做了进行一步改善,并制造了样机。清华大学吴世德博士论文较系统研究了电弧传感器信息处理技术
7、,经过空间变换,进行了扫描电弧传感器信号频域特征分析,提出了特征滤波向量电弧传感信号处理方法。2设计要求和需求分析众所周知,焊工能够经过眼睛或工业电视观察焊接熔池来对工件或焊枪进行调整并能达成很高精度。不过这依靠于焊工个人经验、带有主观性、劳动强度大、并受烟尘和弧光影响,也会产生偏差。所以,很有必需实现焊缝偏差自动控制。但在实际生产中,因为工件加工、安装误差,和工件热变形等使得焊接过程是一个复杂过程,含有时变、非线性及干扰原因多等特点:(1)耐强光,耐热。所设计跟踪焊接装置应该能够在焊接时产生强光、强热环境下正常工作。(2)高精度。为了确保焊接零件加工质量并提升效率,首先要确保系统定位精度和加
8、工精度。所以,在跟踪系统各轴位置控制中要求有高定位精度,即在mm数量级内。而在速度控制中,要求有高调速精度、强抗负载扰动能力,也即要求静态和动态速降尽可能小;(3)快响应。要求系统有良好快速响应特征,即要求跟踪指令信号响应要快,位置跟踪误差(位置跟踪精度)要小;(4)低速大转矩。依据加工特点,大全部是在中低速负重状态下工作,这么,既要求在低速时电动机伺服系统有大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焊接机器人,在对整个系统进行设计时候,先对其要求指标进行分析和制订。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焊接运行状态时,对于控制系统所给指令,在达成
9、稳态时,能够做到无偏差跟踪能力,对于阶跃信号和速度信号,考虑到机械结构特征,稳态误差必需控制在0.2%之内,对于加速度信号,稳态误差不得小于0.5%3.2系统动态指标系统动态性能指标,对于焊接机器人来说,关键考虑是整个系统对阶跃输入信号和正弦输入信号动态响应特征。对于阶跃信号,其超调量最大不能超出10%,过渡时间最大不能超出0.1ms,震荡次数不能超出2次。对于正弦响应,关键考虑是其频率特征和相角裕度,工作频率大约为5至12Hz。3.3运动精度指标焊枪移动位置精度小于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系统含有一定智能
10、性,其中包含系统自检功效,故障尝试自修复功效,故障保护功效,自动循迹跟踪焊缝功效。3.5可扩展性指标分析系统应该留有一定对外接口,以满足系统在线编程或离线编程,伴随INTERNET技术发展和物联网技术发展,要求系统需要留有特定接口模块。系统必需含有可升级性,以满足不一样应用场所重新组装和升级。3.6应用指标整个系统为220V市电系统,在确保系统正工作前提下,功率应尽可能减小。控制关键系统部分体积为25x25x25cm,电源管理部分因为其功耗相对较大,为了避免其对弱电系统影响,对电源部分进行单独包装,设定为25x25x25cm,而且配置散热风扇。整个系统成本在两万元以下。3.7环境要求在使用过程
11、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,电磁兼容性必需控制在国家标准范围之内,无强烈电磁辐射性,工作时对焊枪强光部分做简单屏蔽。系统不含有防水性,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装配精度只要是十字滑架精度要求,其装配精度必需控制在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所表示,为系统总设计方案和模块图,整个系统能够分为9个关键模块,系统工作思绪为:总系统上电,开启工作环境检测系统,检测目前主控平台环境湿度,和温度,假如不符合工作环境要求,尝试进行自动调
12、整,若调整仍然无效,则系统报警,并自动关闭;环境检测符合要求后,DSP主控系统开启,先完成自检功效,假如发觉一些模块处于无法就绪状态,系统尝试软件自动修复,假如修复不成功,则系统自动重启,假如重启后,仍然无法处理问题,系统进行报警动作;系统初始化后,经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,将零位传感器坐标变换为焊枪坐标,此时系统进入到正常工作模式;用DSP经过PWM控制步进电机,完成十字滑架移动,并控制弧焊电源和送丝机构进行焊接;在焊接开始以后,旋转电弧传感器检测电弧电压信息,经过DSP转换为对应位移信息,并进行位移量反馈,组成整个控制系统闭环工作模式;于此同时,系统配置多种
13、传感器也处于监视运行状态,包含机械限位保护,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管理和驱动关键,首先必需有足够资源余量,包含内存资源、系统运行速度和片上中止源。在通常小型机器人制作中,假如系统需求处理能力要求不高,大多能够考虑使用一般单片机,比如古老51系列单片机,台湾宏晶企业生产STC系列单片机,atmel系列单片机,或飞思卡尔单片机,更高一级能够采取凌阳16位单片机。采取一般单片机设计方案,成本低,对于小型处理系统是很适宜,不过在多需求处理场所,对运算要求比较高焊接机器人场所,就会显得有些力不从心了。在工业系统中,则更多喜爱使用工控机配合P
14、LC系统设计方案,这么系统构建比较适合于多机控制场所,由一个配置PC处理器工控机,作为整个系统上位机单元控制关键,完成整个系统配置和管理工作,而PLC则关键作为实施单元,完成系统底层检测,反馈和实施功效。这么构建系统,稳定性好,能够完成很复杂功效,而且系统处理能力很强,因为工控机PC关键通常全部能嵌入系统进行管理操作,所以系统可升级性,系统可维护性也强,不过这么构建系统成本很高,只适合于部分规模相对较大工业应用场所,对于单机单独工作焊机机器人,显然是不适宜。在电子和工业产品中,也有常常使用ARM处理进行系统设计。ARM处理器因为其功耗小功效强和16位/32位双指令集支持,加上几百兆级运算速度,
15、使其在电子和工业产品中应用越来越广泛。其含有很强事务管理功效,关键用于嵌入式系统开发,跑界面和程序是它强项,在信号处理和运算能力上相对较弱。从本系统需求分析能够知道,焊缝轨迹控制和跟踪在很大程度上必需依靠于其对数据实时处理,对数据运算能力要求相对较高,在成本和性能方面进行折中后,决定选择DSP作为主控系统MCU。4.3机械结构指标分析和方案比较在焊接机器人设计中,焊枪移动模块设计是整个系统设计一个关键部分,尤其是对其精度要求比较高,所以必需对该部分设计进行具体指标分析和方案比较。在现代焊接机器人中,使用较多是臂式传动机构。图4- 2所表示是日本DAIHEN OTC焊接机器人所采取臂式传动机构。
16、图4- 3日本DAIHEN OTC焊接机器人臂式传动机构实现焊机机器人灵活性很高,能够实现多轨迹,多角度焊接,不过因为其自由度增多,肯定造成其制造工业和制造成本急剧增加,而且做自由度旋转臂控制也极其复杂,所以本系统不计划采取这么结构进行传动部分设计。在焊接领域和部分机床中,广泛使用还用龙门式结构位移传动机构,如4-4所表示即为最经典龙门式系统组成。图4- 5龙门式结构传动系统龙门式结构传动系统在实现形式上比较轻易,通常是经过三个电机分别控制位移结构三轴移动,实现三轴立体面内位移传动。不过因为其自由度限制,造成其对于竖直方向或倾斜方向焊缝焊接无能为力,所以只能用于特定立体面内焊接。从龙门式构架系
17、统能够看出,整个移动部分系统惯量是很大,对传动丝杠和电机负载能力有一定要求,对于冲击响应,常常会出现短时间内高负载情况,这么对电机正确控制还是有一定影响,尤其是位移机构超调量和稳定性控制,更需要尤其注意。经过对臂式位移机构和龙门架式系统对比分析,而且吸收了龙门架式部分优点,本系统决定采取十字滑架形式实现整个系统位移机构设计。对于该部分设计,精度要求是第一位,在进行指标确定时,要求机械定位精度达成0.05mm,且需要采取尤其方法消除传动回程差。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需相关焊缝信息。主控电路信息关键来自反馈系统(传感器反馈
18、信号),只有反馈系统性能指标达成了要求,经过处理后信号送到各个模块,才能确保整个系统正常运行,满足系统总体指标。实际系统中,焊接过程会有强光、高温、噪声和强磁场干扰,而且伴有较强振动,全部影响着传感器信息搜集,所以所选择传感器需要有较强抵御能力。考虑到焊缝随机性,传感器必需含有实时或超前跟踪传感能力,用以控制机械结构移动,调整焊枪在下一时刻走向和位置。在满足以上基础要求前提下,应选择检测误差小,工作寿命长,价格低廉传感器产品。综合上述考虑,对以下多个常见传感器进行比较分析。(1) 接触式传感器 原理和结构简单,组装轻易,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影响,。但最
19、大弊端在于精度低,灵敏度不高,扫描范围小,而且因为和工件接触磨损受接头、材料和速度等限制。(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,常见有涡流传感器,霍尔传感器,价格适中,多年来改善生产产品精度比较高,扫描范围较大,但对于强磁场干扰并不能有效地抑制。(3) 超声传感器原理是利用发射出超声波在金属内传输时在界面产生发射制成,是一个比较优异焊缝跟踪传感器,跟踪实时性好。不过因为传感器要贴近工件,不可避免地会受到焊接方法和工件尺寸等严格限制。同时需要考虑外界震动、传输时间等原因,对金属表面情况要求也比较高,应用范围也就受到限制。 (4) 视觉传感器视觉传感最大优势在于所提供信息
20、量丰富,不仅能够跟踪裂缝,而且能够检测坡口位置,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,和工件无接触等优点。不过图像处理算法复杂,处理速度慢,受强弧光干扰,需要利用特殊光源和滤光元件,成本较高。 (5)电弧传感器电弧传感器特点在于它是一个真正实时跟踪传感器件,检测点就是焊接点,确保焊接参数稳定,响应快。焊接机头周围不需要装备其它尤其装置,焊枪可达性好。电弧本身作为传感器,同时又完成焊接任务,有效降低成本。对弧光、高温和强磁场等抗干扰能力很强,使用寿命长。最大问题在于系统数学模型和控制算法比较复杂,但近些年伴随电弧传感器及其技术不停发展,出现了更高效控制算法和模型和更优
21、质产品,使得其应用也越来越广泛。前四类传感器全部是附加式传感器,这类传感器和电弧是分离,传感器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问题,会影响跟踪效果。综合以上分析,系统采取电弧传感器作为反馈单元关键部件。4.5运动控制模块指标分析和方案比较控制焊枪位移动作,能够有多个电机驱动方案。在机械装置自动控制领域,尤其是高精度位置伺服系统中,直流电机应用占有很关键地位,这关键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。不过同时,因为直流电机结构特征又限制了直流电机愈加广泛应用,关键缺点表现在换向器上。因为有了换向器,使得直流电机造价更高,换向器维护性差,
22、寿命短,同时换向条件深入限制了直流电机容量。从本系统设计要求出发,期望系统寿命长,基础免维护,从而排除了直流电机驱动方案。交流电机因为没有换向器和电刷,从而消除了所以而引发一系列缺点,电机维护性得到深入提升,不过因为交流电机机械特征和调压特征特点,使得交流电机控制显得有些复杂,在本系统中期望用一个最简单,而又最轻易控制方案实现位置伺服,所以也不考虑使用交流电机。步进电机因为其结构简单,调试方便,工作可靠,易于控制等优点,使得步进电机得到了深入广泛应用。在目前以数字控制为主控制系统中,步进电机深入凸显了其优良控制特征,因为步进电机驱动是经过脉冲进行,所以单片机或是计算机系统输出脉冲信号,只要经过
23、逻辑转换和功率放大,就能够直接驱动和控制步进电机了,这么就电机控制变得简单而且精度也高了。4.6机械保护模块指标分析和方案比较不管是什么样系统设计,首先比较确保系统安全性和稳定性,只有在这个基础上才能够去谈其功效性,本系统设计焊接机器人也不例外。通常对一个运动系统保护能够分为两个部分,一个是软件保护,一个是机械保护。软件保护关键是经过软件算法,对部分位移极限尺寸进行限制,避免其在不安全区域工作状态。不过一个系统软件设计,不管其做得多完善,总会出现部分意想不到缺点或是在软件运行过程中出现死循环、死机状态,在这种情况下,假如位移单元不能立即制动或进行保护,则可能出现安全事故,造成系统损坏乃至更严重
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