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1、I课程设计（论文）课程设计（论文）题 目 焊缝跟踪器运动控制系统的步进电机控制设计焊缝跟踪器运动控制系统的步进电机控制设计 姓 名 学 号 专业班级 指导教师 分 院 完成日期 I摘 要步进电机是一种纯粹的数字控制电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在焊缝跟踪运动系统中通过步进电机的控制来实现精确焊缝跟踪的目的，通过发送控制脉冲信号来控制两个步进电机的运行，控制焊枪的二维运动。本文重点介绍了步进电机的结构和工作原理，阐释了步进电机的驱动以及控制实现。关键词：焊缝跟踪，步进电机II目 录摘 要.I第 1 章概述.11.1焊缝运动跟踪系统的设计背景.11.2焊缝运动跟踪系统的设
2、计要求.21.3焊缝运动跟踪系统的设计方案.21.3.1系统的执行机构.2第 2 章步进电机.42.1步进电机的特点，结构，工作原理.42.1.1步进电机的特点.42.1.2步进电机的结构.42.1.3步进电机的工作原理.62.2步进电机的驱动.72.2.1单电压功率驱动接口.82.2.2双电压功率驱动接口.82.2.3高低功率驱动接口.82.2.4桥式功率驱动接口.92.3步进电机的控制.102.3.1步进电机速度控制.102.3.1步进电机位置控制.112.3.1步进电机加减控制.11第 3 章焊缝运动跟踪系统的实现.143.1焊缝运动跟踪系统框图.143.2焊缝运动跟踪系统的实现流程.1
3、53.2.1基于单片机的步进电机控制.15第 4 章总结与展望.18参考文献.19附 录.19III致 谢.211第 1 章 概述1.1 焊缝运动跟踪系统的设计背景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。焊接作为
4、一项与新兴学科发展紧密相关的综合性先进工艺技术1，其自动化技术涉及材料、机械、电子、信息、控制等多学科交叉领域，其自动生产过程包括备料、切割、装配、焊接、检验等工序组成的一个焊接产品生产全过程的自动化，只有实现这一过程能保证提高焊接质量，同时获得较高的劳动生产率。研究和发展自动化、智能化焊接过程控制系统是保证焊接质量，提高生产效率，改善劳动条件的重要手段，是未来焊接技术的发展方向。一般说来，焊接自动控制系统可由被控对象、检测环节、比较器及控制器、执行机构等组成，而检测环节中的传感器是最有活力的环节。目前焊缝跟踪传感器的传感方式以由早期的接触式和电磁式变为视觉传感方式。自从1970 年美国贝尔实
5、验室研制成功第一只电荷藕合器件CCD 以来， CCD 图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。近年来，随着固体摄像器件特别是CCD 集成光电器件的应用以及计算机图像处理技术的飞速发展，视觉传感器在焊接过程控制、焊缝跟踪以及焊接质量检测等领域得到了广泛应用。使用视觉传感器进行焊缝跟踪，具有跟踪精度高、获取焊缝区的信息丰富、智能化程度高、适应不同接头能力强的优点，还可以同时计算缝隙大小、识别接头形式，能在自动跟踪焊缝的过程中同时对焊接质量进行实时控制，实现智能化焊接。21.2 焊缝运动跟踪系统的设计要求众所周知,焊工可以通过眼睛或者工业电视观察焊接
6、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、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。所以，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。1.3 焊缝运动跟踪系统的设计方案本文所设计的是通过视觉传感器来摄取焊接点前焊缝图像，利用截取图像处理，将图像信息进行分析获得焊缝与焊枪的偏差量，再由发送控制脉冲信号来控制两个步进电机的运行，控制焊枪的二维运动，来实现焊缝运动跟
7、踪的目的。基本上解决了弧光、飞溅等干扰问题，实现了精确的焊缝跟踪。整个焊缝跟踪系统主要由光路系统、传感器系统、数据处理系统和执行机构组成。由激光发射器发射的激光，经过只允许激光通过的滤波片。照射在埋弧焊机机头前方焊道(或坡口)处，摄取图像信息后，通过图像信息进行处理后传递给可编程逻辑控制器，逻辑控制器将焊缝图像信息与焊枪位置进行对比分析，根据偏差来控制步进电机的运转进而控制焊枪的移动。从而实现埋弧焊机机头对焊缝的跟踪，确保焊接质量。1.3.1 系统的执行机构焊缝自动跟踪系统中执行机构的驱动电机直接控制着焊枪的移动，在装置中起着至关重要的作用。所选电机的驱动性能直接关系着焊接精度的大小。步进电机
8、是一种能将脉冲信号转换成角位移或线性位移的执行器件,广泛应用在数控设备中。步进电机的角位移或线性位移与控制脉冲数成正比,所以电机的转速与脉冲频率成正比。通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速,实现电机的快速启停或换向。3步进电机区别于其他控制用途电机的最大特点是，它可接受数字控制信号（电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，因而本身就是一个完成数字模拟转化的执行元件。 而且它能进行开环位置控制，输入一个脉冲信号就得到一个规定的位置增量。这样的增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几乎不必进行系统调整。步进电机在运行中精度没有积累误差的特点，使其广泛应用于各种自动化控制系统，特别是开环控制系统。所以，我们在所设计的跟踪焊缝系统的驱动电机采用步进电机。 4第
