CN103231376A - 一种五自由度高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高速锡焊机器人伺服控制系统，包括电源、控制器、多个电机和锡焊机器人，电源与控制器连接，控制器包括数字信号处理芯片和基于现场可编程门阵列芯片，基于现场可编程门阵列芯片生成脉冲宽度调制波信号并发送给多个电机，其中五个电机控制所述锡焊机器人的五自由度伺服运动，一个电机控制所述锡焊机器人的出锡量。通过上述方式，本发明提供的一种五自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，采用基于DSP和FPGA的双核控制模式，FPGA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。

Description

一种五自由度高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高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）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）基于微处理器与专用运动控制芯片的控制模式为微处理器根据预设位置计算出电机需要的各种预设，送给专用芯片进行二次计算生成控制电机的PWM波信号，虽然这类运动控制器开发简单、可靠性高，但是由于有微处理器软件参与系统伺服系统的部分计算，使得系统计算速度不是很高，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。此控制模式中一般一个专用控制芯片控制一个电机，并且占用大量的微处理器口地址，对于五自由度锡焊机器人运动系统来说，要用到复杂的控制技术才可以实现。

（4）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。

（5）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高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：提供一种五自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，包括电源、控制器、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机和锡焊机器人，所述电源与所述控制器连接，所述控制器包括数字信号处理芯片和基于现场可编程门阵列芯片，所述基于现场可编程门阵列芯片生成脉冲宽度调制波信号并发送给所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机、所述第四电机、所述第五电机和所述第六电机，所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机、所述第四电机和所述第五电机分别与所述锡焊机器人上的五个位置连接，所述第六电机与所述锡焊机器人的出锡位置连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述电源为交流电源或锂离子电池。

在本发明一个较佳实施例中，所述数字信号处理芯片是32位的。

在本发明一个较佳实施例中，所述控制器采用贴片元器件材料。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机、所述第四电机、所述第五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1024线光电编码盘。

本发明的有益效果是：本发明的五自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，采用基于DSP和FPGA的双核控制模式，FPGA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。

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是本发明五自由度高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中所述五自由度高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中所述五自由度高速锡焊机器人伺服控制系统的锡焊机器人的速度运动曲线图。

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。

基于现场可编程门阵列（FPGA）虽然只是标准的单元阵列，没有一般的集成电路所具有的功能，但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其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FPGA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FPGA设计的系统具有良好的可复用和修改性。

请参阅图2，本发明提供了一种五自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，包括电源、控制器、电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W、电机Y和锡焊机器人。所述电源与所述控制器连接，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。

所述控制器采用基于DSP和FPGA的双核控制模式。所述FPGA生成脉冲宽度调制波信号并发送给电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W、电机Y，电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W控制所述锡焊机器人的五自由度伺服运动，所述电机Y控制所述锡焊机器人的出锡量。所述DSP是32位的，所述DSP控制人机界面功能、路径读取功能、温度检测功能、在线输出功能、数据采集与存储功能和I/O控制功能，从而实现了DSP与FPGA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。

所述电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W、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1024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。

所述五自由度高速锡焊机器人伺服控制系统的实施过程为：电源打开，自动锡焊机器人进入自锁状态，所述控制器自动加热烙铁到设定的一个恒定温度，自动焊锡机器人开始运动到起始点，自动锡焊机器人把储存的实际路径参数和焊点大小信息传输给控制器中的DSP，DSP把这些运动参数传输给FPGA，然后FPGA根据这些参数、各个电机的电流和光电编码盘信息以及当前运行速度等根据模糊规则生成控制电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W和电机Y运动的PWM波，PWM信号经驱动电路后控制电机运动，由FPGA把处理数据通讯给DSP，DSP继续处理后续的运行状态。

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、操作人员把加工部件安装在夹具上，打开电源，在打开电源瞬间DSP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，控制器将封锁FPGA的PWM波输出，此时电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W和电机Y不能工作，同时电压传感器将工作，双核控制器发出低压报警信号，人机界面提示更换电池信息。

2、启动机器人自动控制程序，通过控制器的USB接口输入任务，将锡焊机器人移动到起始点上方，调整好位姿。

3、FPGA生成控制电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W运动的PWM波，通过I/O口与DSP进入实时通讯，由DSP控制其PWM波形的输出和封锁。

4、在自动锡焊机器人运动过程中，DSP会时刻储存所经过的距离或者是经过的五维空间里的焊点信息，并根据这些距离信息确定对下一个五维工作点所述自动锡焊机器人五轴电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W要运行的距离，DSP与FPGA通讯，传输距离参数和当前运行速度给FPGA，由FPGA根据模糊控制原理生成控制电机电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W运动的速度梯形图，梯形图包含的面积就是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，速度梯形图再结合电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W的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行走的PWM波和方向。

5、当电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W共同推动锡焊机器人到达预定焊点位置后，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，然后转化为出锡系统电机Y需要运行的距离等参数，DSP把这些参数传输给FPGA，由FPGA根据模糊控制原理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，再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。

6、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，然后电机Y立即自锁，, DSP调出下一个五维焊点信息，烙铁和出锡系统一起在电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W的作用下向下一个五维空间里的锡焊点自动移动。

7、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，五自由度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，并通过DSP发出警报，然后人工排除故障。

8、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，FPGA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；

9、光电编码盘的位置信号A脉冲、B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就产生一个INDEX信号给FPGA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伺服系统出锡的实际长度。

10、在运动过程中，如果DSP收到了高速点焊命令，DSP会第一时间响应，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，再根据自动锡焊机器人在五维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FPGA，FPGA根据外围传感信号自动调取其内部相应的PID调节模式，由FPGA根据模糊控制原理计算出自动锡焊机器人电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W和出锡系统电机Y需要更新的PWM控制信号，控制机器人进入高速点焊状态。

11、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，此时控制器会立即封锁FPGA的PWM波输出，电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W和电机Y停止工作，从而有效地避免了电池大电流放电的发生。

12、为了能够目测焊点质量和清洗烙铁头上的残留焊锡，系统在人机界面上加入了自动暂停功能，如果在锡焊过程中读到了人机界面上设置的自动暂停点，FPGA会控制电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W以最大的加速度停车，而电机Y立即自锁，并存储当前信息，然后控制器立即封锁电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W的PWM波输出，直到控制器读到再次按下“开始”按钮信息才可以使FPGA重新开启电机X、电机Z、电机U、电机R和电机W的PWM输出，并调取存储信息使锡焊机器人从暂停点可以继续工作。

13、在运动过程中，如果检测到任何一个电机的转矩出现脉动，FPGA会自动对转矩进行补偿，减少了电机转矩抖动对锡焊过程的影响。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DSP开启并发出报警提示，有效地保护了锂离子电池。

14、当完成整个加工部件的锡焊运动后，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，然后经过一个小的延时，走出运动轨迹。锡焊机器人重新设定位置零点，等待下一周期的任务。

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。FPGA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再把温度、当前点焊运行的速度送给FPGA，然后由FPGA来完成送锡电机Y的速度闭环控制。在锡焊过程中，烙铁头恒温可调，可根据实际工作速度需要，工作温度在200℃-480℃之间调节，满足高速运转融化焊锡需要。

3、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把被焊物的焊点大小、当前焊锡机器人运行的速度送给FPGA，然后由FPGA来完成送锡电机Y的伺服闭环控制。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。

4、采用FPGA处理五自由度锡焊机器人和出锡系统伺服控制的数据与算法，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。

5、FPGA根据DSP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，简化了接口电路，省去了DSP编写位置、速度控制程序和各种PID算法的麻烦，使得系统的调试简单。由于FPGA内集成了六路伺服系统PWM生成电路，不仅满足了五自由度伺服电机同步控制的要求，而且也减少了专用运动芯片所占用的空间，有利于控制器向微型化方向的发展。

6、在控制中，FPGA能根据机器人外围运行情况适时调整其内部的PID参数，轻松实现分段P、PD、PID控制和非线性PID控制，使系统满足快速运行时速度的切换。

7、由于所述控制系统具有存储功能，使得锡焊机器人掉电后或遇到故障重启时系统能轻易的调取已经涂胶好的路径信息，从故障点二次点焊完成未完成的任务。

8、在整个锡焊过程中，加入了暂停点设定，有利于在运动过程中目测已经焊接好的焊点提前发现焊接问题，或者存储器记录下当前信息后清洗烙铁头机构，减少因为烙铁头上的残留焊锡而产生焊接不良或是焊点污秽的问题发生。

9、为了能够使电机平稳启动和停车，系统在实现其速度梯形图算法时引入了模糊控制原理，使系统性能更优。

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 (5)

1.一种五自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于，包括电源、控制器、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第五电机、第六电机和锡焊机器人，所述电源与所述控制器连接，所述控制器包括数字信号处理芯片和基于现场可编程门阵列芯片，所述基于现场可编程门阵列芯片生成脉冲宽度调制波信号并发送给所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机、所述第四电机、所述第五电机和所述第六电机，所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机、所述第四电机和所述第五电机分别与所述锡焊机器人上的五个位置连接，所述第六电机与所述锡焊机器人的出锡位置连接。

2.根据权利要求1所述的五自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于，所述电源为交流电源或锂离子电池。

3.根据权利要求1所述的五自由度高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是32位的。

4.根据权利要求1所述的五自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于，所述控制器采用贴片元器件材料。

5.根据权利要求1所述的五自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于，所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机、所述第四电机、所述第五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1024线光电编码盘。

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