CN103223670A - 一种五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统，包括电源、控制单元、5个电机和锡焊机器人，电源向控制单元提供能源，控制单元包括数字信号处理芯片和LM629运动控制芯片，数字信号处理芯片计算锡焊机器人的轨迹参数预设和路径读取，LM629运动控制芯片处理5个电机的伺服控制，5个电机控制所述锡焊机器人伺服运动。通过上述方式，本发明提供的一种五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统，采用基于DSP和LM629的双核控制模式，大大提高了运算速度，也使得所述控制器设计简单，缩短了开发周期短，在锡焊开始前开启图像采集系统，能使电机自动移动锡焊机器人到达指定位置，提高了系统锡焊精度。

Description

一种五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统

技术领域

本发明涉及锡焊机器人技术领域，特别是涉及一种五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统。

背景技术

在锡焊加工工业中，手工焊接时需要焊工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，因此焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验和稳定的焊接水平。同时焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作，因此新型的自动化焊接生产将成为新世纪接受市场挑战的重要方式。

一般锡焊加工需要五自由度锡焊机器人，一台完整的五自由度锡焊机器人基本包括电机、算法和微处理器几个部分，但现有的自动锡焊机器人长时间运行存在着很多安全问题：

（1）锡焊初期，一般采用人工运动把锡焊机器人推到起始位置，仅依靠人眼进行初始位置的校正，使得精确度大大降低，自动锡焊机器人的电源采用的是一般交流电源整流后的直流电源，当突然停电时会使整个锡焊运动失败。

（2）锡焊机器人的主控芯片采用的多是8位的单片机，计算能力不够，导致焊接系统运行速度较慢。由于自动锡焊机器人在焊点间的频繁点焊，要频繁的刹车和启动，加重了单片机的工作量，单一的单片机无法满足自动锡焊机器人快速启动和停止的要求。由于受周围环境不稳定因素干扰，单片机控制器经常会出现异常，引起锡焊机器人失控，抗干扰能力较差。由于受单片机容量和算法影响，普通锡焊机器人对已经经过的焊点信息没有存储，当遇到掉电情况或故障重启时所有的信息将消失，这使得整个锡焊过程要重新开始或者人工更新路径信息。对于五自由度锡焊机器人的点焊过程来说，一般要求控制其轨迹运动的五个电机的PWM控制信号要同步，由于受单片机计算能力的限制，单一单片机伺服系统很难满足这一条件。

（3）作为自动锡焊机器人的执行电机多采用步进电机，经常会遇到丢失脉冲造成电机失步现象发生，导致系统对于焊点出锡量不一致。步进电机使得机体发热比较严重，有的时候需要对电机本体进行散热。步进电机使系统运转的机械噪声大大增加，不利于环境保护。步进电机的本体一般都是多相结构，控制电路需要采用多个功率管，使得控制电路相对比较复杂，并且增加了控制器价格，并且由于多相之间的来回切换，使得系统的脉动转矩增大，不利于系统动态性能的提高。

（4）在焊接的时候虽然可根据被焊物体的焊点大小来调整送锡量的大小，但是没有考虑焊点的温度，导致焊点不一致。在锡焊过程中，忽略了对烙铁头的清洗，经常导致因为烙铁头上的残留焊锡而产生焊接不良或焊点污秽的情况发生。由于大量采用体积较大的插件元器件，使得伺服控制器的体积较大。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统，能提高运算速度，保证锡焊机器人系统的稳定性和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统，包括电源、控制单元、5个电机和锡焊机器人，所述电源与所述控制单元连接，所述控制单元包括数字信号处理芯片和LM629运动控制芯片，所述LM629运动控制芯片生成信号发送给所述5个电机，所述5个电机分别与所述锡焊机器人上的5个部位连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述伺服控制系统还包括第六电机，所述LM629运动控制芯片生成信号发送给所述第六电机。

在本发明一个较佳实施例中，所述数字信号处理芯片还包括控制人机界面单元、温度检测单元、图像采集单元、数据存储单元和I/O控制单元。

在本发明一个较佳实施例中，所述5个电机和所述第六电机是永磁直流伺服电机，所述永磁直流伺服电机包括512线光电编码盘。

本发明的有益效果是：本发明的五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统，采用基于DSP和LM629的双核控制模式，LM629把DSP从复杂的伺服算法中解脱出来，大大提高了运算速度，也使得所述控制器设计简单，缩短了开发周期短，在锡焊开始前开启图像采集系统，能使电机自动移动锡焊机器人到达指定位置，提高了系统锡焊精度。

附图说明

图1是本发明现有技术中锡焊机器人伺服控制系统的原理图；

图2是本发明五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统一较佳实施例的原理图；

图3是图2中所述五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统的控制器的程序框图；

图4是图2中所述五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统的系统框图。

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。

数字信号处理芯片（DSP）具有快速的计算能力，其中TMS320F2812 是美国TI 公司推出的C2000 平台上的定点32 位DSP 芯片。DSP运行时钟可达150MHz，处理性能可达150MIPS，每条指令周期6.67ns，IO口丰富，对用户的一般应用足够，具有12位的0~3.3v的AD转换、128k×16位的片内FLASH和18K×16位的SRAM，一般的应用系统可以不要外扩存储器。具有独立的算术逻辑单元，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。

LM629是National semiconductor生产的一款用于精密运动控制的专用芯片，有24脚和28脚二种表面安装式封装，在一个芯片内集成了数字式运动控制的全部功能，使得设计一个快速、准确的运动控制系统的任务变得轻松、容易，它的工作频率为6MHz和8MHz，工作温度范围为-40℃~85℃，使用5V电源，具有32位的位置、速度和加速度存器、8位分辨率的PWM脉宽调制输出、16位可编程数字PID控制器和内部的梯形速度发生器。LM629运动控制芯片可实时修改速度、目标位置和PID控制参数，能实时可编程中断、可编程微分项采样间隔和对增量码盘信号进行四倍频，可设置于速度或位置伺服两种工作状态。

请参阅图2，本发明提供了一种五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统，包括电源、控制单元、5个电机和锡焊机器人。所述电源向所述控制单元提供能源，所述电源为交流电源或锂离子电池，当伺服控制系统遇到交流电源断电时，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，且在电池提供电源的过程中，时刻对电池的电流进行观测并保护，避免了大电流的产生，从根本上解决了大电流对锂离子电池的冲击。

所述控制单元包括数字信号处理芯片和LM629运动控制芯片，所述数字信号处理芯片计算所述锡焊机器人的轨迹参数预设和路径读取，所述LM629运动控制芯片处理所述5个电机的伺服控制，所述5个电机控制所述锡焊机器人伺服运动。所述DSP是32位的，所述DSP控制人机界面单元、轨迹参数预设单元、路径读取单元、温度检测单元、图像采集单元、数据存储单元和I/O控制单元，从而实现了DSP与LM629的分工，同时二者之间也可以实时进行数据交换和调用。

所述控制器采用贴片元器件材料，实现了单板控制，节省了控制板占用空间，有利于锡焊机器人体积和重量的减轻。

所述5个电机为电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W，所述伺服控制系统还包括电机Y，所述LM629运动控制芯片控制所述电机Y的出锡量。所述所述电机X、所述电机Z、所述电机U、所述电机R、所述电机W和所述电机Y是永磁直流伺服电机，采用永磁直流伺服电机使得调速范围比较宽，调速比较平稳，所述永磁直流伺服电机采用了512线光电编码盘，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。

请参阅图3和图4，所述五自由度高速锡焊机器人伺服控制系统具体的功能实现为：1、打开电源，自动传送装置把安装在夹具上的加工部件自动传送到工作区域，在打开电源瞬间单片机会对电源电压来源进行判断，当确定是蓄电池供电时，如果电池电压低压的话，将禁止LM629工作，电机X、电机Z、电机U、电机R和电机Y不能工作，同时电压传感器将工作，控制器会发出低压报警信号。

2、启动机器人自动控制程序，通过控制器232串口输入任务或者从硬盘装载任务，电机X、电机Z、电机U工作将执行机构自动移动到初始化点，电机X、电机Z和电机U自锁并释放总线，图像采集系统开启，电机R倾斜一个角度，电机W然后旋转一个角度，自动校正出锡管与起始点的对准位置。

3、在点焊信号有效条件下，延时一定时间，使锡焊机器人准备开始工作。为了能够驱动单自由度自动锡焊机器人自动运动和自动控制出锡量的多少，本控制系统引入了五片LM629，但是通过I/O口与DSP进入实时通讯，由DSP控制其开通和关断。

4、对于基于LM629的系统来说，“忙”状态的检测是整个伺服系统设计的首要部分，在每次运动之前先检测此状态位，判断是否为“忙”，如果是“忙”要进行软件复位，使系统可以进行数据通讯。对于基于LM629的系统来说，复位也是LM629伺服系统操作中重要的一个环节，复位后，查看LM629的状态字，如果不等于84H或者C4H，说明硬件复位失败，必须重新复位，否则LM629不可以正常工作。

5、在自动锡焊机器人运动过程中，DSP会时刻储存所经过的五维空间距离或者是经过的焊点，并根据这些距离信息由DSP计算得到相对下一个五维空间焊点自动锡焊机器人电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W要运行的距离、速度和加速度，DSP与LM629通讯，传输这些参数给LM629，由LM629生成速度运动梯形图，这个梯形包含的面积就是锡焊机器人电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W要运行的距离，再根据电机电流和光电编码盘信息生成控制电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W运行的PWM波和运动方向信号。

6、当到达预定五维焊点位置后，烙铁在设定时间内开始对焊点进行加热，在加热期间，DSP会对焊点信息和烙铁温度进入二次确认，转化为出锡系统电机Y需要运行的距离、速度和加速度以及PID等预设参数，DSP把这些参数传输给出锡系统的LM629由LM629生成出锡系统速度运动梯形图，这个梯形包含的面积就是锡焊机器人出锡系统电机Y要运行的距离，在根据光电编码盘信息生成控制电机Y运行的PWM波和运动方向信号。

7、当完成出锡系统的伺服后，为了防止烙铁温度过高引起焊锡的再次融化，电机Y一般把焊锡丝拉回一个小的距离，并记录此值，然后立即自锁。然后烙铁和出锡系统一起在电机X的作用下向下一个锡焊点移动。

8、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DSP发出中断请求，DSP会对中断做第一时间响应，如果DSP的中断响应没有来得及处理，自动锡焊机器人的电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W和出锡系统的电机Y将原地自锁，防止误操作。

9、装在电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W和电机Y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，LM629内的位置寄存器会根据电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W和电机Y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LM629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五维空间里焊点的具体位置和出锡的实际长度。

10、DSP根据自动锡焊机器人在五维空间里焊点的具体位置与设定位置的对比，经DSP计算后送相应的加速度、速度和位置数据等给LM629的梯形图发生器作为参考值，由梯形图计算出自动锡焊机器人需要更新的实际加速度、速度和位置信号。

11、在锡焊过程中，如果图像采集系统发现有任何位置的焊点出现质量问题，存储器记录下当前五维位置信息，然后DSP根据自动锡焊机器人在焊接部件的具体位置，计算得到并送相应的加速度、速度和位置数据等给LM629的梯形图发生器作为参考值，由梯形图计算出自动锡焊机器人到达更新点需要的实际加速度、速度和位置信号，然后控制电机X、电机Y、电机U、电机R和电机W到达指定位置，然后DSP根据图像采集结果控制电机Y对焊点进行修复，修复完成后开启图像采集系统，在电机X、电机Y、电机U、电机R和电机W的帮助下再回到存储器当初寄存下的位置，重新继续原有的工作。

12、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锡，存储器记录下当前五维位置信息，DSP会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、电机Y、电机U、电机R和电机W把锡焊机器人移动到清洗处，清洗烙铁，完毕后调取相应的位置信息，重新回到存储焊点，继续新的工作。

13、在整个点焊过程中，由梯形图发生器结合电机位置解码决定的数字PID控制器生成功率驱动桥需要的PWM波信号和电机正反转信号，用来实现自动锡焊机器人系统电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W和出锡系统电机Y的伺服控制。

14、如果自动锡焊机器人在运行过程中遇到突然断电时，蓄电池会自动开启立即对锡焊机器人进行供电，当电机的运动电流超过设定值时，LM629的中断命令LPES将会向DSP发出中断请求，此时DSP会立即控制LM629停止工作并存取下当期的焊点信息，不仅有效地避免了电池大电流放电的发生的，而且也保存了焊点数据，使得控制器排除故障接到重新启动命令后可以继续运行其剩余的工作。

15、为了方便锡焊工作系统加入了从人机界面上设置的自动暂停点，如果在锡焊过程中读到了自动暂停点，DSP会控制LM629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LM629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。

16、自动锡焊机器人在运行过程会时刻检测电池电压，当系统出现低压时，传感器会通知控制器开启并发出报警提示，有效地保护了锂离子电池。

17、当完成整个加工部件的锡焊运动后，电机Y会抽回一段已经移出锡线盒的焊锡，然后控制锡焊机器人走出运动轨迹。锡焊机器人根据新的锡焊部件具体位置，重新设定位置零点，等待新的工作。

本发明揭示的五自由度高速锡焊机器人伺服控制系统具有的有益效果为： 

1、采用高性能的32位DSP使系统处理速度大大增加，很好满足锡焊系统快速性的要求。LM629能把DSP从复杂的伺服算法中解脱出来，大大提高了运算速度，也使得控制器设计简单，缩短了开发周期短。

2、在锡焊开始前，开启图像采集系统，帮助电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W自动移动锡焊机器人到达指定位置并校正，提高了系统锡焊精度。

3、在锡焊过程，送锡速度控制可以自动调节，温度传感器把烙铁头的工作温度采集后传送给DSP，DSP根据采集温度、当前点焊运行速度以及图像采集处理的结果，综合计算后来调整送锡电机Y运行的速度大小。在锡焊过程中，烙铁头恒温可调，可根据实际工作速度需要以及图像采集焊点的处理结果来调整烙铁头的温度，工作温度在200℃-480℃之间调节，满足高速运转融化焊锡需要。

4、在锡焊过程，送锡长度控制可以自动调节，当锡焊机器人完成一个焊点的焊接后，控制器立即调出存储器中下一个焊点的信息，DSP可根据被焊物的焊点大小、当前焊锡机器人运行的速度以及图像采集处理的结果，综合计算后来调整送锡电机Y运行的速度和距离。在整个锡焊过程中，充分考虑了锡焊机器人的运行速度和烙铁头温度对出锡系统参数的影响，保证了焊接过程的完成。

5、在锡焊过程中，如果图像采集发现烙铁头残留焊锡过多，会自动暂停当前的点焊工作，保存当前信息，图像采集帮助电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W准确移动到烙铁清洗处进行残留焊锡处理，减少了残留焊锡对焊接的影响。在锡焊过程中，如果图像采集发现有焊点出现质量问题，将储存当前信息，然后运动到有质量问题的焊点进行二次处理，如果系统发现处理不了这个问题，将向人机界面输入再次补焊信息，然后再次进入储存位置，完成剩余任务。

6、采用LM629处理大量的数据与算法，把DSP从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强。

7、LM629根据DSP的预设位置、速度和加速度参数以及光电编码盘信息得到控制电机运转的PWM波，不仅简化了接口电路，而且省去了DSP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。在控制中，DSP根据机器人外围运行情况适时调整LM629内部的PID参数，实现分段P、PD、PID控制和非线性PID控制，使系统满足中速运行时速度的切换。

8、由于具有存储功能，这使得锡焊机器人掉电后或遇到故障重启时系统可以轻易的调取已经点焊好的路径信息，然后可以轻易的从故障点二次点焊完成未完成的任务。

9、LM629的PID控制及运动控制类指令采用双缓冲结构，数据首先由单片机写入主寄存器，只有在写入相关命令后主寄存器的数据才能进一步装入工作寄存器，这样很容易实现单轴伺服运动的任意控制。

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 (4)

1.一种五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于，包括电源、控制单元、5个电机和锡焊机器人，所述电源与所述控制单元连接，所述控制单元包括数字信号处理芯片和LM629运动控制芯片，所述LM629运动控制芯片生成信号发送给所述5个电机，所述5个电机分别与所述锡焊机器人上的5个部位连接。

2.根据权利要求1所述的五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于，所述伺服控制系统还包括第六电机，所述LM629运动控制芯片生成信号发送给所述第六电机。

3.根据权利要求1所述的五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于，所述数字信号处理芯片还包括控制人机界面单元、温度检测单元、图像采集单元、数据存储单元和I/O控制单元。

4.根据权利要求1所述的五自由度中速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于，所述5个电机和所述第六电机是永磁直流伺服电机，所述永磁直流伺服电机包括512线光电编码盘。

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