CN103203750B - 基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统，其包括执行装置、人机界面、总控制装置、伺服装置、图像控制装置、温度控制装置和电池装置，执行装置包括烙铁和出锡管，总控制装置包括数字信号处理芯片和现场可编程门阵列芯片，伺服装置包括机器人伺服装置和出锡伺服装置，图像控制装置包括采集装置和控制装置，电池装置包括交流电源和电池，现场可编程门阵列芯片与伺服装置和图像控制装置相连接，数字信号处理芯片与温度控制装置和人机界面相连接，现场可编程门阵列芯片与数字信号处理芯片相连接，执行装置与伺服装置相连接。本发明具有高速高效的特点。

Description

基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统

技术领域

本发明涉及了一种伺服控制器，特别是涉及了一种基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统。

背景技术

众所周知，锡焊加工的传统方法是通过有经验的焊工可以以根据眼睛所观察到的实际焊点位置适时地调整焊枪的位置、姿态和行走的速度，以适应焊点及焊接轨迹的变化，但是这样会对产品的焊接质量和产量造成影响；另外，手工焊接时，人们对生产产品的成本核算没有量化，无法估计成本，也无法保证焊接的效率。

现在，高技术迅猛发展，自动锡焊机器人也应运而生，但是长时间的运行，让人们发现存在着很多安全问题，即：锡焊时仅仅依靠人眼进行初始位置的校正，精确度大大降低；普通机器人用直流电源，停电时会使整个点焊运动失败；主控芯片采用的多是8位的单片机，计算能力不够，系统运行速度较慢；由于微处理器软件参与系统伺服系统的部分计算，使得系统计算速度低，而且由于采用了专用的运动控制芯片，无法进行扩展设计，也无法实现各种先进运动控制算法；自动锡焊机器人采用的是步进电机，经常会丢失脉冲，对位置的记忆出现错误，而且步进电机发热比较严重，机械噪声大，不利于环境保护，控制电路比较复杂，成本高，运行速度慢；普通机器人采用体积较大的插件元器件，使得伺服控制器的体积较大。

所以为了满足高速、高效生产的需要，必须对现有的基于单片机控制的单自由度自动锡焊机器人控制器进行重新设计，寻求一种高速、高效锡焊伺服器。

发明内容

本发明主要是针对现在市场的要求，提供了一种具有功能多样、高效高速的基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于：包括执行装置、人机界面、总控制装置、伺服装置、图像控制装置、温度控制装置和电池装置，所述执行装置包括烙铁和出锡管，所述总控制装置包括数字信号处理芯片和现场可编程门阵列芯片，所述伺服装置包括机器人伺服装置和出锡伺服装置，所述图像控制装置包括采集装置和控制装置，所述电池装置包括交流电源和电池，所述现场可编程门阵列芯片与所述伺服装置和所述图像控制装置相连接，所述数字信号处理芯片与所述温度控制装置和所述人机界面相连接，所述现场可编程门阵列芯片与所述数字信号处理芯片相连接，所述执行装置与所述伺服装置相连接，所述基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统采用了贴片式元器件，所述伺服装置采用了直流永磁伺服电机，所述伺服装置包括光电编码盘，所述电池采用了锂离子电池，

所述基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统的实施步骤包括：

打开交流电源，机器人进入自锁状态；

设定烙铁的恒定温度，并对其进行加热；

启动控制程序，输入任务，机器人伺服装置对执行装置的位置进行调整；

出锡伺服装置测试烙铁温度，机器人伺服装置移动执行装置到起始点；

图像控制装置对出锡管和起始点的位置进行校正；

数字信号处理芯片接收和储存实际的路径传输参数和焊点信息；

数字信号处理芯片计算和传输机器人伺服装置和出锡伺服装置要运行的距离信息；

现场可编程门阵列芯片接收距离信息，并生成机器人伺服装置和出锡伺服装置的伺服控制信息；

数字信号处理芯片接收伺服控制信息，并计算机器人伺服装置的下一个运行距离；

任务结束后，出锡伺服装置将执行装置拉回，并记录所在的位置信息；

所述现场可编程门阵列芯片接收距离信息，并生成机器人伺服装置和出锡伺服装置的伺服控制信息的具体步骤包括：

现场可编程门阵列芯片接收距离信息，并根据模糊控制原理生成机器人伺服装置运动的速度梯形图；

现场可编程门阵列芯片利用速度梯形图、机器人伺服装置的电流和光电编码盘信息生成机器人伺服装置运动的脉冲宽度调制波；

到达焊点位置后，数字信号处理芯片对焊点信息和烙铁温度进行确认；

利用焊点信息和烙铁温度计算出锡伺服装置的运行距离，并将运行距离传输给现场可编程门阵列芯片；

现场可编程门阵列芯片根据模糊控制原理生成出锡伺服装置的运动的速度梯形图；

现场可编程门阵列芯片根据光电编码盘信息生成出锡伺服装置运行的脉冲宽度调制波和运动方向信号；

所述图像控制装置对出锡管和起始点的位置进行校正的具体步骤包括：

采集装置获取起始点和出锡管的位置图像和位置信息；

对比起始点和出锡管的位置是否相同，并将对比信息传输到控制装置；

控制装置根据对比信息对出锡管进行调整。

本发明的有益效果是：本发明所述的基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统，可以有效的提高锡焊机器人动作的精准度，还可以保证焊接工作的速度和质量，另外，可以控制和降低生产成本，方便操作。

附图说明

图1是本发明基于图像采集的双核单轴全自动高速锡焊机器人伺服控

制器一较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明基于图像采集的双核单轴全自动高速锡焊机器人伺服控

制器一较佳实施例的流程示意图；

附图中各部件的标记如下：1、执行装置，2、人机界面，3、图像控制装置，4、温度控制器，5、伺服装置,6、数字信号处理芯片，7、现场可编程门阵列芯片，8、交流电源，9、电池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2，图1是本发明基于图像采集的双核单轴全自动高速锡焊

机器人伺服控制器一较佳实施例的结构示意图；图2是本发明基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统一较佳实施例的流程示意图。

本发明提供了一种基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统，其包括执行装置1、人机界面2、总控制装置、伺服装置5、图像控制装置3、温度控制装置4和电池装置，所述执行装置1包括烙铁和出锡管，所述总控制装置包括数字信号处理芯片6和现场可编程门阵列芯片7，所述伺服装置5包括机器人伺服装置和出锡伺服装置，所述图像控制装置3包括采集装置和控制装置，所述电池装置包括交流电源8和电池9，所述现场可编程门阵列芯片7与所述伺服装置5和所述图像控制装置3相连接，所述数字信号处理芯片6与所述温度控制装置4和所述人机界面2相连接，所述现场可编程门阵列芯片7与所述数字信号处理芯片6相连接，所述执行装置1与所述伺服装置5相连接。

打开电源后，自动锡焊机器人先进入自锁状态，然后自动打开所述烙铁电源对其加热至某一个恒定的温度，所述机器人伺服装置将所述执行装置1自动移动到废锡回收处，然后自动打开所述出锡伺服装置，并测试所述烙铁温度，等测试完毕后所述出锡伺服装置自动移动所述执行装置1到起始点，此时所述图像控制装置3开启，自动校正出锡管与起始点的位置。所述数字信号处理芯片6接收储存的实际路径传输参数和焊点信息，并把这些环境参数转化为自动锡焊机器人在指定运动轨迹下所述机器人伺服装置和所述出锡伺服装置要运行的距离，然后所述数字信号处理芯片6与所述现场可编程门阵列芯片7进行通讯，所述现场可编程门阵列芯片7根据这些参数再根据电机电流和光电编码盘信息处理机器人伺服装置和所述出锡伺服装置的伺服控制，再把处理数据通讯给所述数字信号处理芯片6，由所述数字信号处理芯片6继续处理后续的运行状态。

当所述图像控制装置3开启时，所述采集装置获取当前出锡管的位置信息，并将其传送至所述控制装置进行计算和判断，如果出锡管与起始点的位置不同，则对其进行校正。

本自动锡焊机器人采用了高性能的32位数字信号处理芯片6，可以使得系统处理速度大大增加，可以很好满足锡焊系统快速性的要求，其运行时钟最快可150MHz，处理性能可达150MIPS，每条指令周期6.67ns，IO口丰富，具有12位的0-3.3v的AD转换等，其具有片内128k*16位的片内FLASH，18K*16位的SRAM，数字信号处理芯片6具有独立的算术逻辑器，拥有强大的数字信号处理能力，此外，大容量的RAM被集成到该芯片内，可以极大地简化外围电路设计，降低系统成本和系统复杂度，也大大提高了数据的存储处理能力。

所述现场可编程门阵列芯片7，让用户可以根据自己的设计需要，通过特定的布局布线工具对所述现场可编程门阵列芯片7内部进行重新组合连接，在最短的时间内设计出自己的专用集成电路，这样就减小成本、缩短开发周期，由于现场可编程门阵列芯片7采用软件化的设计思想实现硬件电路的设计，这样就使得基于所述现场可编程门阵列芯片7设计的系统具有良好的可复用和修改性，所以所述总控制器采用所述现场可编程门阵列芯片7处理单自由度锡焊机器人和出锡伺服控制的数据与算法，把所述数字信号处理芯片6从繁重的工作量中解脱出来，大大提高了运算速度，也使得控制器设计比较简单，缩短了开发周期短，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强。

所述基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统采用了贴片式元器件，实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且有利于锡焊机器人体积和重量的减轻。

所述现场可编程门阵列芯片7根据所述数字信号处理芯片6发出的位置信息，结合永磁直流伺服电机的电流和光电编码盘信号生成控制电机运转PWM波，不仅简化了接口电路，而且省去了数字信号处理芯片6编写位置、速度控制程序，以及各种PID算法的麻烦，使得系统的调试简单。

所述伺服装置5采用了直流永磁伺服电机，直流永磁伺服电机可以使得调速范围比较宽，调速比较平稳，噪声小，防止造成环境污染。

所述伺服装置5包括光电编码盘，为了提高运动速度和精度，本锡焊机器人采用了带有1024线光电编码盘的直流永磁伺服电机替代了传统系统中常用的步进电机，使得运算精度大大提高，效率也相对较高。

所述电池9采用了锂离子电池，在运动过程中，遇到所述交流电源8断电时，锂离子电池会立即提供能源，避免了锡焊系统伺服系统运动的失败，所述总控制装置在电池提供电源的过程中，时刻对电池9的电流进行观测并保护，避免了大电流的产生，所以从根本上解决了大电流对锂离子电池的冲击。

一种基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统，其步骤包括：打开电源，机器人进入自锁状态；设定烙铁的恒定温度，并对其进行加热；启动控制程序，输入任务，机器人伺服装置对执行装置的位置进行调整；出锡伺服装置测试烙铁温度，机器人伺服装置移动执行装置到起始点；图像控制装置3对出锡管和起始点的位置进行校正；数字信号处理芯片6接收和储存实际的路径传输参数和焊点信息；数字信号处理芯片6计算和传输机器人伺服装置和出锡伺服装置要运行的距离信息；现场可编程门阵列芯片7接收距离信息，并生成机器人伺服装置和出锡伺服装置的伺服控制信息；数字信号处理芯片6接收伺服控制信息，并计算机器人伺服装置的下一个运行距离；任务结束后，出锡伺服装置将执行装置拉回，并记录所在的位置信息。

所述现场可编程门阵列芯片7接收距离信息，并生成机器人伺服装置和出锡伺服装置的伺服控制信息的具体步骤包括：现场可编程门阵列芯片7接收距离信息，并根据模糊控制原理生成机器人伺服装置运动的速度梯形图；现场可编程门阵列芯片7利用速度梯形图、机器人伺服装置的电流和光电编码盘信息生成机器人伺服装置运动的脉冲宽度调制波；到达焊点位置后，数字信号处理芯片6对焊点信息和烙铁温度进行确认；利用焊点信息和烙铁温度计算出锡伺服装置的运行距离，并将运行距离传输给现场可编程门阵列芯片7；现场可编程门阵列芯片7根据模糊控制原理生成出锡伺服装置的运动的速度梯形图；现场可编程门阵列芯片7根据光电编码盘信息生成出锡伺服装置运行的脉冲宽度调制波和运动方向信号。

所述图像控制装置3对出锡管和起始点的位置进行校正的具体步骤包括：采集装置获取起始点和出锡管的位置图像和位置信息；对比起始点和出锡管的位置是否相同，并将对比信息传输到控制装置；控制装置根据对比信息对出锡管进行调整。

在运动过程中如果自动锡焊机器人发现焊点距离或者是出锡伺服系统求解出现死循环将向数字信号处理芯片6发出中断请求，数字信号处理芯片6会对中断做第一时间响应，如果数字信号处理芯片6的中断响应没有来得及处理，机器人伺服电机和出锡系统的送锡量伺服电机将原地自锁，防止误操作。

装在机器人伺服电机和送锡量伺服电机上的光电编码盘会输出其位置信号A和位置信号B，光电编码盘的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，现场可编程门阵列芯片7内的位置寄存器会根据机器人伺服电机和送锡量伺服电机的运行方向加1或者是减1；

光电编码盘的位置信号A脉冲和B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就产生一个INDEX信号给现场可编程门阵列芯片7寄存器，记录电机的绝对位置，然后换算成自动锡焊机器人在焊点中的具体位置和出锡的实际长度。

在运动过程中，如果数字信号处理芯片6收到了高速点焊命令，数字信号处理芯片6会第一时间响应，然后控制器根据高速点焊的速度计算后立即提升烙铁温度到达某一个恒定温度，然后再根据自动锡焊机器人在点焊部件的具体位置和应该存在的位置，送相应的位置数据等给现场可编程门阵列芯片7，现场可编程门阵列芯片7根据外围传感信号自动调取其内部相应的PID调节模式，由现场可编程门阵列芯片7根据模糊控制原理计算出自动锡焊机器人机器人伺服电机和出锡系统送锡量伺服电机需要更新的PWM控制信号，控制机器人高速点焊。

在点焊过程中，如果图像采集系统发现有任何位置的焊点出现问题，存储器记录下当前位置信息，然后控制器根据自动锡焊机器人在焊接部件的具体位置，送相应的位置数据等给现场可编程门阵列芯片7，然后由现场可编程门阵列芯片7生成机器人伺服装置到达更新点需要的实际加速度、速度和位置信号，然后控制出锡伺服装置进行二次点焊补偿，然后再回到存储器当初寄存下的位置，重新继续原有的工作。

为了方便点焊工作系统加入了自动暂停点，如果在锡焊过程中读到了自动暂停点，数字信号处理芯片6会通知现场可编程门阵列芯片7生成的PWM波可以使机器人伺服装置以最大的加速度停车，使加工过程出现自动暂停并存储当前信息，直到控制器读到再次按下“开始”按钮信息才可以使现场可编程门阵列芯片7重新工作，并调取存储信息使锡焊机器人从自动暂停点可以继续工作。

在锡焊过程中，如果图像采集系统发现烙铁头存有大量的残留焊锡，数字信号处理芯片6会通知现场可编程门阵列芯片7生成的PWM波使机器人伺服装置停车，而出锡伺服装置自锁，存储器记录下当前位置信息，然后数字信号处理芯片6根据自动锡焊机器人在焊接部件的具体位置，通过图像采集装置帮助电机X自动移动锡焊机器人到清洗处，然后清洗烙铁，完毕后调取相应的位置信息，重新回到存储焊点，重新新的工作。

在运动过程中，如果检测到电机的转矩出现脉动，现场可编程门阵列芯片7会自动补偿转矩，减少了电机转矩对锡焊过程的影响。

本发明所述的基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统，可以有效的提高锡焊机器人动作的精准度，还可以保证焊接工作的速度和质量，另外，可以控制和降低生产成本，方便操作。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于：包括执行装置、人机界面、总控制装置、伺服装置、图像控制装置、温度控制装置和电池装置，所述执行装置包括烙铁和出锡管，所述总控制装置包括数字信号处理芯片和现场可编程门阵列芯片，所述伺服装置包括机器人伺服装置和出锡伺服装置，所述图像控制装置包括采集装置和控制装置，所述电池装置包括交流电源和电池，所述现场可编程门阵列芯片与所述伺服装置和所述图像控制装置相连接，所述数字信号处理芯片与所述温度控制装置和所述人机界面相连接，所述现场可编程门阵列芯片与所述数字信号处理芯片相连接，所述执行装置与所述伺服装置相连接，所述基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统采用了贴片式元器件，所述伺服装置采用了直流永磁伺服电机，所述伺服装置包括光电编码盘，所述电池采用了锂离子电池，

所述基于图像采集的双核单轴高速锡焊机器人伺服控制系统的实施步骤包括：

打开交流电源，机器人进入自锁状态；

设定烙铁的恒定温度，并对其进行加热；

启动控制程序，输入任务，机器人伺服装置对执行装置的位置进行调整；

出锡伺服装置测试烙铁温度，机器人伺服装置移动执行装置到起始点；

图像控制装置对出锡管和起始点的位置进行校正；

数字信号处理芯片接收和储存实际的路径传输参数和焊点信息；

数字信号处理芯片计算和传输机器人伺服装置和出锡伺服装置要运行的距离信息；

现场可编程门阵列芯片接收距离信息，并生成机器人伺服装置和出锡伺服装置的伺服控制信息；

数字信号处理芯片接收伺服控制信息，并计算机器人伺服装置的下一个运行距离；

任务结束后，出锡伺服装置将执行装置拉回，并记录所在的位置信息；

所述现场可编程门阵列芯片接收距离信息，并生成机器人伺服装置和出锡伺服装置的伺服控制信息的具体步骤包括：

现场可编程门阵列芯片接收距离信息，并根据模糊控制原理生成机器人伺服装置运动的速度梯形图；

现场可编程门阵列芯片利用速度梯形图、机器人伺服装置的电流和光电编码盘信息生成机器人伺服装置运动的脉冲宽度调制波；

到达焊点位置后，数字信号处理芯片对焊点信息和烙铁温度进行确认；

利用焊点信息和烙铁温度计算出锡伺服装置的运行距离，并将运行距离传输给现场可编程门阵列芯片；

现场可编程门阵列芯片根据模糊控制原理生成出锡伺服装置的运动的速度梯形图；

现场可编程门阵列芯片根据光电编码盘信息生成出锡伺服装置运行的脉冲宽度调制波和运动方向信号；

所述图像控制装置对出锡管和起始点的位置进行校正的具体步骤包括：

采集装置获取起始点和出锡管的位置图像和位置信息；

对比起始点和出锡管的位置是否相同，并将对比信息传输到控制装置；

控制装置根据对比信息对出锡管进行调整。