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1、焊枪二维位置控制系统设计 1 前言近20年来，随着数字化、自动化、计算机、机械设计技术的发展，以及对焊接质量的高度重视，自动焊接已发展成为一种先进的制造技术，自动焊接设备在各工业的应用中所发挥的作用越来越大，应用范围正在迅速扩大。在现代工业生产中，焊接生产过程的机械化和自动化是焊接机构制造工业现代化发展的必然趋势。未来的焊接工艺，一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源；运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。另一方面要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制
2、；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机；在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件1。2 选题背景2.1 题目来源生产实际2.2 研究的目的和意义焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，发电厂、化工厂等建设中所涉及的焊接操作，其焊缝质量需要那些经过优质培训的焊工操作才能保证，一般人难以达到，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣2，导致自动化焊接的需求越来越多。自动化焊接的意义主要有以下几个方面3：（1）稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接
3、干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用自动化焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长度等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。 （2）改善了工人的劳动条件。采用自动化焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等的危害。 （3）提高劳动生产率。机器没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。 （4）产品周期明确，容易控制产品产量。自动化的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。 焊枪二维位置控制系统是对焊接时焊枪的平面移
4、动进行控制，是自动化焊接中的一部分。本次设计的目的在于了解焊枪二维位置控制系统在实际工业生产中的应用并对它改进和创新。2.3 国内外焊接自动化现状焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截止2005 年，全世界在役工业机器人约为91.4 万台，其中日本装备的工业机器人总量达到了50 万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年，全球机器人的数
5、量在迅速增加。 我国自上世纪70 年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，近些年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过40% , 焊接机器人的增长率超过了60% ；2004年国产工业机器人数量突破1400 台，进口机器人数量超过9000 台，其中绝大多数应用于焊接领域；2005 年我国新增机器人数量超过了5000 台，但仅占亚洲新增数量的6% ，远小于韩国所占的15% ，更远小于日本所占的69% 。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业
6、的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了精品我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面4。2.4 焊接自动化
7、技术发展趋势电子技术、计算机微电子信息和自动化技术的发展，推动了焊接自动化技术的发展。特别是数控技术、柔性制造技术和信息处理技术等单元技术的引入，促进了焊接自动化技术革命性的发展。（1）焊接过程控制系统的智能化是焊接自动化的核心问题之一，也是未来研究的重要方向。最具代表性的是焊接过程的模糊控制、神经网络控制，以及专家系统的研究。（2）焊接柔性化技术也是今后着力研究的内容。在未来的研究中，用微电子技术改造传统焊接工艺装备，是提高焊接自动化水平的根本途径。将数控技术配以各类焊接机械设备，以提高其柔性化水平，是当前的一个研究方向；另外，焊接机器人与专家系统的结合，实现自动路径规划、自动校正轨迹、自动
8、控制熔深等功能，是研究的重点。（3）焊接控制系统的集成是人与技术的集成和焊接技术与信息技术的集成。集成系统中信息流和物质流是其重要的组成部分，促进其有机地结合，可大大降低信息量和实时控制的要求。注意发挥人在控制和临机处理的响应和判断能力，建立人机对话的友好界面，使人和自动系统和谐统一，是集成系统的不可低估的因素。（4）提高焊接电源的可靠性、质量稳定性和可控性，以及优良的动感特性，也是今后着重研究的方向。开发研制具有调节电弧运动、送丝和焊枪姿态，能探测焊缝坡口形状、温度场、熔池状态、熔透情况，适时提供焊接规范参数的高性能焊机，并应积极开发焊接过程的计算机模拟技术。使焊接技术由“技艺”向“科学”演
9、变。是实现焊接自动化的一个重要方面5。2.5 自动化焊接设备介绍随着产品种类的增多及对产品质量要求的不断提高，对焊接工艺要求越来越高，所以许多原来由人工焊接的产品对焊接自动化设备的需求及要求也越来越多。自动化设备工程应用特点：（1）工件在工位上的定位根据产品的实际情况，轴向及圆周方向均以某一管接的孔（或管接头）作为基准。 （2）工件的上下料（上下线）采用人工模式，附件的上料为人工理料、自动上料。 （3）焊接为自动焊接，焊枪做多自由度运动，工件可作旋转运动，以达到所需位置的焊缝。 （4）采用微机或单片机控制整个自动生产过程，有人机操作界面，人工操作方便。2.6 摆动机构的作用丝极摆动在焊接过程中
10、有着重要的实际意义，可以增加焊道宽度，对于焊接宽度不均匀的焊缝可以增进焊道表面美观。同时，摆动焊接可以降低焊层厚度，容易实现多层多道焊接，有利于提高焊缝金属的机械性能。摆动焊接过程的基本要求是摆动速度、摆动幅度可调。更高一些的要求是除了摆动速度、摆动幅度无级可调外，左右摆幅处停留时间也可以调节。其中摆动速度要求线性可调，甚至摆动速度在摆动过程中可以变速调节。这样的摆动系统有利于实现复杂焊接工艺对焊枪运动轨迹的要求6-8。2.7 本文的主要研究内容利用滚珠丝杠螺母副设计行走机构和摆动机构，以单片机为核心，通过程序控制电机实现焊枪移动和摆动是本次设计的核心和难点。在控制系统方面，步进电机的选择、控
11、制电路设计、脉冲分配等问题是设计的重点。选择合适型号的步进电机才能对焊枪在平面上的运动进行有效的控制，控制电路设计包括了步进电机驱动电路和单片机外围电路，由于有两个步进电机，要使焊枪沿一定轨迹行走，就要对两个步进电机进行正确的脉冲分配。3 方案论证方案一：机械摆动，采用直流电机带动凸轮旋转，驱动焊枪摆动。摆频通过调整直流电机速度实现，摆幅及两端驻留时间大小等通过凸轮实现。方案二：电控摆动，以单片机为核心，通过程序控制步进电机旋转，滚珠丝杠螺母副将步进电机的旋转运动转变为焊枪直线运动，实现焊枪摆动。采用方案二，方案一虽然工作可靠，成本较低，但摆动参数修改困难，且不直观，只适用于变化较少的场合使用
12、，而方案二摆动参数通过面板上的拨码开关可以很方便的设定和修改，灵活性强。单片机控制的焊枪摆动机构示意图如下：图1 单片机控制焊枪摆动机构示意图如上图所示，步进电机驱动器驱动步进电机转动，滚珠丝杠将步进电机的旋转运动转变为焊枪的直线运动，步进电机正转或反转即可实现焊枪在Y方向上的左移或右移。同样，焊枪的行走机构也采用单片机控制步进电机带动滚珠丝杠旋转，实现焊枪在X方向上的移动。4 控制系统的选择及设计4.1 步进电机工作原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个
13、脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。目前，常用的步进电机有反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机等。永磁式步进电机输出力矩大，动态性能好，但步距角大；反应式步进电机结构简单，生产成本低，步距角小，但动态性能差；混合式步进电机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角
14、小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电机，它有时也称作永磁感应子式步进电机，目前应用最为广泛9。4.1.1 反应式步进电机工作原理以三相反应式步进电机为例，反应式步进电机定子铁性上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对的两个极上的线圈串联，构成一项励磁绕组。相邻两个磁极间的夹角为60度，每个定子磁极上均匀分布5个齿，齿槽距相等，齿距角为9度。转子铁心上无绕组，只有均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为9度。 图2 步进电机剖面结构如果不断地按ABCA给绕组轮流通电，转子顺时针转动，如按ACBA给绕组轮流通电，转子逆时针转动。由此可见，步进电机的转动方向取决于定子绕组的通电顺序。三相步进电机
15、有三种工作方式：a.三相单三拍，定子绕组的通电顺序为ABCA；b.三相双三拍,定子绕组通电顺序为ABACBCAB；c.三相六拍，定子绕组通电顺序为AABBBCCCAA。4.1.2 混合式步进电机工作原理混合式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子磁极只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。4.1.3 步进电机的特点（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。（2）步进电机外表允许的最高温度：步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在130摄氏度以上，有的甚至在200摄氏度以上，所以步进电机外表温度在80-90摄氏度完全正常。（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。（4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步
