研祥工控機在移動(dòng)焊接機器人及混合控制系統中的應用案列介紹

   焊接機器人是在工業(yè)機器人基礎上發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)焊接設備，由于焊接過(guò)程中，工件有加工誤差、熱變形、定位誤差等各種影響因素，導致焊接質(zhì)量下降，為保證焊接的可靠性，必須要進(jìn)行焊縫的自動(dòng)跟蹤。核心是開(kāi)發(fā)離性能的傳感器和有效的控制方法，近年來(lái)，CCO傳感器和旋轉電弧傳感器已成為兩大主流傳感器；模糊控制和及其與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、PIO結合的智能控制方法已成為主要的控制方法�！　�

南京研維信息技術(shù)有限公司作為國內知名的工控機供應商，本文介紹適用于大型水平工件(包括小坡度工件)焊接的輪式爬行機器人的構成及相關(guān)的控制方法�！　�

1、焊接機器人的系統構成　　

1.1硬件構成　　機器人系統由小車(chē)j u n體、控制系統、信號采集及檢測電路、交直流電源四部份組成，配上直流弧焊電源、送絲機和保護氣體后就組成了一個(gè)完整的焊接機器人系統�！　�機器人本體包括移動(dòng)小車(chē)、十字滑塊及相應的電機。機器人本體是一個(gè)基于汽車(chē)原理的運動(dòng)機構，同時(shí)承擔負重功能。二個(gè)前輪由步進(jìn)電機驅動(dòng)，負責轉向：二個(gè)后輪由交流伺服電機驅動(dòng)，提供整個(gè)系統前進(jìn)的動(dòng)力；十字滑塊曲直流伺服電機驅動(dòng)且配有限位開(kāi)關(guān)。線(xiàn)性滑軌和滾珠絲桿完成垂直方向和水平方向的精確運動(dòng)，可元級調速，有一定的負重能力和越位保護功能，能夠承載20kg的重量，能帶著(zhù)焊槍快速移動(dòng)，高速度大于100mm/s同時(shí)十字滑快的行程大于60mm，從而保證整個(gè)系統在相當區域內有良好的動(dòng)態(tài)響應�！　】刂葡到y由研祥EVOC工業(yè)控制計算機、GT-400-SVPCI運動(dòng)控制卡、maxon直流伺服電機控制器、松下交流伺服電機控制器MSOA043A1A、美國IM483混合式步進(jìn)電機控制器，恒速旋轉控制卡、送絲控制繼電器組成。研祥工控機為Pentium N2.4.512M內存，基于PICMG總線(xiàn)的卡式計算機，其內裝有AC1820AA/D高速數據采集卡和GT_400_sv_PCI運動(dòng)控制卡�！　⌒盘柌杉�系統及控制接口電路，ISA總線(xiàn)的C1820AA/D采集卡、YOH-HTD-7-300A霍爾電流傳感器組成�！　�

控制電源及變壓器：包括直流5V、12V和交流24V幾個(gè)電壓等級�！　�

機器人小車(chē)、十字滑塊及各控制卡在工控機的統一協(xié)調下，構成一個(gè)有機整體。
     焊接電源和信號的檢測及相關(guān)的控制部件組成電弧傳感系統，包括焊炬、直流焊接電源、霍爾電流傳感器、AID采樣器件、濾波和轉速控制電路。它是整個(gè)系統的關(guān)鍵，完成測位、旋轉伺服控制和電流采樣的功能。為了確定焊炬旋轉時(shí)所處的位置及旋轉速度，在旋轉電機中裝有一個(gè)同鈾的光電碼盤(pán)，其外圈有64個(gè)矩形槽、內圈有1個(gè)矩形槽，當電機運轉時(shí)，矩形槽交替地阻擋和允許從光電管中的發(fā)光管通往光敏接受管的光路，光敏管輸出脈沖信號，反映旋轉的瞬時(shí)位置，用作AID采樣的觸發(fā)脈沖�！　⌒�轉電機的控制一般采用PWM方式，具體的實(shí)現分為數字式和模擬式兩種。通過(guò)OSP進(jìn)行數字處理，計算出相應的控制量后輸出到OAC7625，A/D轉換的結果經(jīng)過(guò)隔離放大后控制PWM模塊SG3525，這是一種數字式的控制方法，此外也有采用單片機的HSO或EPA的高速輸出功能，通過(guò)驅動(dòng)及光電隔離電路完成電壓等級的轉換后對電機進(jìn)行轉速控制�！　∥覀儾捎玫氖菆D2所示的模擬電路的方法，原理是：焊炬旋轉的速度信號經(jīng)隔離放大后，送入LM2907進(jìn)行頻率/電壓轉換，其輸出為一個(gè)與轉速相對應的鋸齒波。此信號和調速旋鈕來(lái)的設定值分別輸入放大器的負、正輸入端，輸出的是PWM電壓，實(shí)現對場(chǎng)效應管IRE540的控制。
　　1.2焊縫跟蹤的實(shí)現　　旋轉電弧傳感器將一周的焊炬運動(dòng)離散為64個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)霍爾傳感器的采集之后送給島。轉換器件以提取各個(gè)點(diǎn)處的電流值。對這些電流值的分析得到當前焊槍下的焊道的信息。當焊縫的左右偏差和高低變化的數值計算出來(lái)后，通過(guò)固高公司的四軸運動(dòng)控制器來(lái)控制小車(chē)車(chē)體和十字滑塊的協(xié)調運動(dòng)，運動(dòng)控制器的核心是ADSP2181數字信號處理器，實(shí)現高性能的控制計算，包括實(shí)時(shí)軌跡規劃、位置、速度或加速度控制、主機命令處理和本身的I/O管理，實(shí)現焊縫的精確跟蹤�！　�2、控制設計　　2.1控制方法　　整個(gè)控制系統采用模糊控制、PI控制、bang-bang控制相結合的方法：設置二個(gè)不同的閥值，在誤差超過(guò)大闕值時(shí)用bang-bang控制；小于大闊值而大于小闕值時(shí)用FUZZY，在誤差接近O時(shí)采用PI方法，加入積分以終消除誤差�！　�2.1.1模糊控制　　當小于大闕值而大于小闕值的時(shí)候，我們采用模糊控制，取偏差e和偏差的變化ec作為模糊控制的輸入量，經(jīng)模糊推理后得到輸出的控制量�！　「鶕�模糊控制規則表，制定出合適的論域，然后我們就可以用重心法解模糊求出控制量U�！　�2.1.2PI控制　　當系統的偏差很小時(shí)采用PI控制，取偏差e做為輸入量，則根據PI控制算法得到控制量U，控制量U的計算公式如下：

當系統的偏差很大時(shí)采用bang-bang控制，取偏差e和偏差的變化ec做為輸入量，根據bang-bang控制的算法，我們可以得到控制量U�！　�2.2控制器設計　　2.2.1控制策略　　由上述的測試數據可知：小車(chē)的反應速度較慢，所以主要靠十字滑塊來(lái)進(jìn)行焊縫的精確、快速跟蹤，而利用小車(chē)進(jìn)行彎曲的焊縫跟蹤。根據引言中的分析，整個(gè)控制系統采用模糊控制、PI控制、bang-bang控制相結合的方法：設置二個(gè)不同的闕值，在誤差超過(guò)大闕值時(shí)用bang-bang控制；小于大闕值而大于小闕值時(shí)用FUZZY，在誤差接近O時(shí)采用PI方法，加入積分以終消除誤差。流程圖如圖3。

　　3、結束語(yǔ)　　設計了FUZZY、FUZZY-P及FUZZY-PI等多種控制方法，在水平直線(xiàn)V字焊縫，Z型V字焊縫上進(jìn)行了多次試驗。旋轉電弧傳感器能夠較好地進(jìn)行彎曲焊縫的跟蹤，試驗說(shuō)明了此類(lèi)機器人工作是可靠、靈活的，有較好的應用前景。