CN103231377A - 双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器及方法，在单DSP控制器中引入了FPGA，形成了基于DSP与FPGA的双核控制器，把原有单片机实现多控制器集中设计，并考虑电池在这个系统的作用，其中工作量最大的三自由度锡焊机器人伺服系统和出锡系统伺服交给FPGA处理，而人机界面、路径读取、温度检测、在线输出、数据采集与存储、I/O控制等功能交给DSP完成。通过上述方式，本发明基于DSP与FPGA三自由度高速锡焊机器人伺服控制系统及其控制方法以FPGA为处理核心，能够实现数字信号的实时处理，同时把DSP从复杂的工作中解脱出来，实现了DSP与FPGA的分工，同时能够实时进行数据交换和调用，实现了信号处理算法和响应中断，实现了数据通信和存储实时信号。

Description

双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器及方法

技术领域

本发明涉及锡焊机器人控制领域，特别是涉及一种双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器及方法。

背景技术

众所周知，锡焊加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，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。

焊接与其它工业加工过程不一样，手工焊接时，有经验的焊工可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。但是对工厂来说，要招聘一个熟练的焊接工，就目前的工人心态以及工厂对员工的成本核算成为了一个正负交错对立的局面，这是手工焊接的一个瓶颈；

此外，人工焊接会受到焊接工的工艺水平的限制，焊接质量和产量随之而受到影响，同时受到焊接工的技能影响，产品焊接的效率和成本核算也是无法去量化。

在高技术迅猛发展的今天，传统的生产方式已日趋落后，随着电子产品的大批量生产，手工采用烙铁工具逐点焊接PCB板上引脚焊点的方法，再也不能适应市场要求、生产效率与产品质量。

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。由于锡焊机器人是新型自动化的主要工具，直接将机器人变为直接生产力，它在改变传统的生产模式，提高生产效率及对市场的适应能力方面显示出极大的优越性。

在一些特殊的锡焊动作中，锡焊机器人不仅需要反复在一条直线上或者一个二维的平面上进行直线或圆弧点焊或者是按照一定的规律对一些位置进行点对点的点焊，而且由于在一个复杂的电路板上器件高度不一致，这个时候机器人需要在相对于电路板二维平面垂直的方向运动一个距离，这个时候一台三自由度锡焊机器人可以很快的完成上述动作。

一台完整的三自由度锡焊机器人大致分为以下几个部分：

1）电机：在这个系统中，执行电机有四个，三个电机根据微处理器的指令来执行锡焊机器人在一个三维空间直接行走的相关动作，另外一个电机根据微处理器的指令执行焊接需要出锡量的多少；

2）算法：算法是锡焊机器人的灵魂。锡焊机器人必须采用一定的智能算法才能准确快速的从三维空间里的一点到达另外一点，形成点对点的运动，或者曲线轨迹的运动，并且根据外界不同条件计算出锡量的大小；

3）微处理器：微处理器是锡焊机器人的核心部分，是锡焊机器人的大脑。锡焊机器人所有的信息，包括焊点位置、出锡量多少、电机状态信息以及四个电机相互配合运动等都需要经过微处理器处理并做出相应的判断。

三自由度自动锡焊机器人结合了多学科知识，对于提升在校学生的动手能力、团队协作能力和创新能力，促进学生课堂知识的消化和扩展学生的知识面都非常有帮助。

但是由于国内研发此机器人的单位较少，相对研发水平比较落后，研发的单片机自动锡焊机器人结构如图1，长时间运行发现存在着很多安全问题，即：

作为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；

作为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；

基于微处理器与专用运动控制芯片的控制模式一般先有微处理器根据预设位置计算出电机需要的各种预设，然后送给专用芯片进行二次计算生成控制电机的PWM波信号，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的部分无法计算，使得系统计算速度一般也不是很高，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；

在基于微处理器与专用运动控制芯片的控制模式汇总，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，对于三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；

作为自动锡焊机器人的执行机构采用的多是步进电机，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；

由于采用步进电机，其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；

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；

由于受到周围环境不稳定因素的干扰，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；

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；

对于三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三个电机的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；

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。

随着现代制造工艺的技术发展，伺服控制方式主要由软件伺服来实现，从而使在伺服系统中使用现代控制理论算法成为可能。这种嵌入式的微型系统拓展了伺服系统的应用范围，促进了伺服系统多样化的发展。采用高速微处理器和高性能数字信号处理器（DSP）作为伺服控制核心的控制策略，逐步取代计算能力较弱的单片机控制方式成为必然。

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三自由度自动锡焊机器人控制器进行重新设计，寻求一种基于数字信号处理器的高速、高效锡焊伺服系统。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器及方法，采用了基于DSP与FPGA双核控制器的全新控制模式，以FPGA为处理核心，能够实现数字信号的实时处理，同时把DSP从复杂的工作中解脱出来，实现了DSP与FPGA的分工，二者之间能够进行通讯，能够实时进行数据交换和调用，实现了信号处理算法和响应中断，实现了数据通信和存储实时信号。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器，包括：DSP与FPGA双核控制器、用于三自由度锡焊机器人伺服系统的电机U、电机Z和电机X、用于三自由度锡焊机器人出锡系统的电机Y和用于三自由度锡焊机器人温度控制的温度检测模块，所述DSP与FPGA双核控制器分别连接电机U、电机Z和电机X，所述DSP与FPGA双核控制器连接电机Y，所述DSP与FPGA双核控制器与温度检测模块相互连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述DSP与FPGA双核控制器包括FPGA现场可编程门阵列和DSP数字信号处理芯片，所述FPGA现场可编程门阵列用于控制三自由度锡焊机器人的伺服系统和出锡系统，所述DSP数字信号处理芯片用于控制人机界面、路径读取、温度检测、在线输出、数据采集与存储或I/O控制。

在本发明一个较佳实施例中，所述DSP数字信号处理芯片为TMS320F2812 芯片。

在本发明一个较佳实施例中，所述电机为直流永磁伺服电机，所述直流永磁伺服电机上装载有光电编码盘。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器的方法，包括如下步骤：

1）、操作人员把加工部件安装在三自由度锡焊机器人的夹具上；

2）、打开电源，在打开电源的瞬间DSP会对电源电压的来源进行判断：当确定是蓄电池供电时，如果电池电压是低压，双核控制器将封锁FPGA的PWM波输出，此时电机X、电机Z、电机U和电机Y都不能工作，同时电压传感器工作，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；

3）、启动三自由度锡焊机器人的自动控制程序，通过双核控制器的USB接口输入任务；

4）、将三自由度锡焊机器人移动到起始点的上方，调整好位置；

5）、为了能够驱动三自由度锡焊机器人电机X、电机Z、电机U和出锡系统伺服电机Y的运动，本控制系统引入FPGA，由其生成控制四个电机运动的PWM波，但是通过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；

6）在三自由度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焊点，并根据这些距离信息确定对下一个三维工作点锡焊机器人的三轴：电机X、电机Z和电机U要运行的距离，DSP然后与FPGA通讯，传输距离参数和当前运行速度给FPGA，

然后由FPGA根据模糊控制原理生成控制电机X、电机Z和电机U运动的速度梯形图，其中速度梯形图包含的面积就是三自由度锡焊机器人电机X、电机Z和电机U要运行的距离，速度梯形图再结合电机X、电机Z和电机U的电流和光电编码盘的信息生成控制电机X、电机Z和电机U行走的PWM波和方向；

7）当电机X、电机Z和电机U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行二次确认，然后转换为出锡系统电机Y需要运行的距离等参数，DSP把这些参数传输给FPGA，然后由FPGA根据模糊控制原理生成出锡系统速度运动梯形图，这个速度运动梯形图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，然后再根据光电编码盘的信息生成控制电机Y运行的PWM波和运动方向信号；

8）当完成出锡系统的伺服后，电机Y一般把焊锡丝拉回一个小的距离，并记录此值，然后电机Y立即自锁，然后DSP调出下一个焊点信息，烙铁和出锡系统一起在电机X、电机Z和电机U的作用下向下一个锡焊点自动移动；

9）在运动过程中，如果三自由度锡焊机器人发现焊点距离或者出锡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DS P的中断响应没有来得及处理，三自由度锡焊机器人的电机X、电机Z、电机U和出锡系统的电机Y将原地自锁，防止误操作，并通过DSP芯片发出警报，然后人工排除故障；

10）装载在电机X、电机Z、电机U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和电机Y的运行方向加一或者是减一；

11）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焊点中的具体位置和出锡伺服系统出锡的实际长度；

12）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，然后双核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一个恒定温度，然后再根据三自由度锡焊机器人在三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和出锡系统电机Y需要更新的PWM控制信号，控制三自由度锡焊机器人进入高速点焊状态；

13）如果三自由度锡焊机器人在运行过程中遇到突然断电，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和电机Y停止工作；

14）系统在人机界面上设置有自动暂停功能，如果在焊锡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和电机U以最大的加速度停车，而电机Y立即自锁，并存储当前信息，然后双核控制器立即封锁电机X、电机Z和电机U的PWM波输出，直到双核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和电机U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；

15）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；

16）自动锡焊机器人在运行过程中时刻检测电池电压，当系统出现低压时，电压传感器会通知DSP开启并发出报警提示，有效地保护了锂离子电池；

17）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；

18）三自由度锡焊机器人重新设定位置零点，等待下一周期的任务。

本发明的有益效果是：采用了基于DSP与FPGA双核控制器的全新控制模式，以FPGA为处理核心，能够实现数字信号的实时处理，同时把DSP从复杂的工作中解脱出来，实现了DSP与FPGA的分工，二者之间能够进行通讯，能够实时进行数据交换和调用，实现了信号处理算法和响应中断，实现了数据通信和存储实时信号。

附图说明

图1是单片机控制的三自由度锡焊机器人的控制原理图；

图2是本发明的基于DSP与FPGA三自由度高速锡焊机器人伺服控器的原理图；

图3是本发明的基于DSP与FPGA三自由度高速锡焊机器人伺服控器的程序框图；

图4是本发明的基于DSP与FPGA三自由度高速锡焊机器人的速度运动曲线图；

附图中各部件的标记如下：1、DSP与FPGA双核控制器。

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2至图4，本发明实施例包括：

一种双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器，包括：DSP与FPGA双核控制器1、用于三自由度锡焊机器人伺服系统的电机U、电机Z和电机X、用于三自由度锡焊机器人出锡系统的电机Y和用于三自由度锡焊机器人温度控制的温度检测模块。

其中，所述电机为直流永磁伺服电机，所述直流永磁伺服电机上装载有光电编码盘。

所述DSP与FPGA双核控制器1分别连接电机U、电机Z和电机X，所述DSP与FPGA双核控制器1连接电机Y，所述DSP与FPGA双核控制器1还连接温度检测模块。

所述DSP与FPGA双核控制器1包括FPGA现场可编程门阵列和DSP数字信号处理芯片：

所述FPGA现场可编程门阵列用于控制三自由度锡焊机器人的伺服系统和出锡系统；所述DSP数字信号处理芯片用于控制人机界面、路径读取、温度检测、在线输出、数据采集与存储或I/O控制。

DSP数字信号处理芯片由于其快速的计算能力，不仅广泛应用于通信与视频信号处理，也逐渐应用在各种高级的控制系统中，所述DSP数字信号处理芯片为TMS320F2812 芯片。

TMS320F2812是美国TI公司推出的C2000平台上的定点32位芯片，适合用于工业控制、电机控制等，用途广泛。其运行时钟可达150MHz，处理性能可达150MIPS，每条指令周期6.67ns，I/O口丰富，能够满足用户一般的应用要求，具有两个串口和十二位的0~3.3V的A/D转换等。

此外，它还具有片内128k*16位的片内FLASH，18k*16位的SRAM，一般的应用系统可以不要外扩存储器，加上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）的硬件实现方法是最近几年出现的一种全新的设计思想，虽然FPGA本身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，这样可以减小成本，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。

本发明为了提高运算速度，保证自动锡焊机器人的稳定性和可靠性，在单DSP控制器中引入了FPGA，形成了基于DSP与FPGA的双核控制器1，此双核控制器1把原有单片机实现的多控制器系统集中设计，并充分考虑电池在这个系统的作用，实现单一控制器同步控制三自由度点焊机器人伺服和出锡系统伺服的功能。

锡焊机器人控制系统中工作量最大的三自由度锡焊机器人伺服系统和出锡系统伺服交给FPGA处理，充分发挥FPGA数据处理速度较快的特点，而人机界面、路径读取、温度检测、在线输出、数据采集与存储、I/O控制等功能交给DSP完成，这样就实现了DSP与FPGA的分工，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。

本发明中，对于包括FPGA现场可编程门阵列和DSP数字信号处理芯片的DSP与FPGA双核控制器1，其控制原理图如图2所示，控制过程为：

在电源打开的状态下，自动锡焊机器人先进入自锁状态，然后DSP与FPGA双核控制器1自动加热烙铁到设定的一个恒定温度，自动锡焊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双核控制器1中的DSP芯片，DSP芯片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和电机Y运动的PWM波，PWM信号经驱动电路后控制电机运动，然后由FPGA把处理数据传递给DSP芯片，由DSP芯片继续处理后续的运行状态。

如图3和图4所示，本发明具体功能的实现步骤如下：

1）、操作人员把加工部件安装在夹具上；

2）、打开电源，在打开电源的瞬间DSP会对电源电压的来源进行判断，当确定是蓄电池供电时，如果电池电压是低压的话，控制器将封锁FPGA的PWM波输出，此时电机X、电机Z、电机U和电机Y不能工作，同时电压传感器将工作，双核控制器1发出低压报警信号，人机界面提示更换电池信息；

3）、启动机器人自动控制程序，通过控制器的USB接口输入任务；

4）、将锡焊机器人移动到起始点上方，调整好位置；

5）、为了能够驱动三自由度自动锡焊机器人电机X、电机Z、电机U和出锡系统伺服电机Y的运动，本控制系统引入FPGA，由其生成控制四个电机运动的PWM波，但是通过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；

6）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焊点，并根据这些距离信息确定对下一个三维工作点自动锡焊机器人三轴：电机X、电机Z和电机U要运行的距离，DSP然后与FPGA通讯，传输距离参数和当前运行速度给FPGA，然后由FPGA根据模糊控制原理生成控制电机X、电机Z和电机U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和电机U要运行的距离，速度梯形图再结合电机X、电机Z和电机U的电流和光电编码盘信息生成控制电机X、电机Z和电机U行走的PWM波和方向；

7）当电机X、电机Z和电机U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行二次确认，然后转换为出锡系统电机Y需要运行的距离等参数，DSP把这些参数传输给FPGA，然后由FPGA根据模糊控制原理生成出锡系统四度运动梯形图，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，然后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；

8）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，然后DSP调出下一个焊点信息，烙铁和出锡系统一起在电机X、电机Z和电机U的作用下向下一个锡焊点自动移动；

9）在运动过程中如果自动锡焊机器人发现焊点距离或者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，三自由度自动锡焊机器人的电机X、电机Z、电机U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；

10）装载电机X、电机Z、电机U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和电机Y的运行方向加一或者是减一；

11）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焊点中的具体位置和出锡伺服系统出锡的实际长度；

12）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，然后控制器根据高度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三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；

13）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；

14）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，如果在焊锡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和电机U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和电机U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和电机U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；

15）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；

16）自动锡焊机器人在运行过程中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；

17）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；

18）锡焊机器人重新设定位置零点，等待下一周期的任务。

本发明双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器及方法的有益效果是：

一、由于采用高性能的32位DSP，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；

二、在运送过程中，充分考虑了电池在这个系统有中的作用，基于DSP与FPGA控制器时刻都在对锡焊机器人的运行状态进行监测和运算，当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，并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，所以从根本上解决了大电流对锂离子电池的冲击；

三、由FPGA处理锡焊机器人的三自由度锡焊机器人伺服和出锡系统的伺服控制，一方面把DSP从复杂的伺服算法中解脱出来，大大提高了运算速度，另外一方面也使得控制器设计比较简单，缩短了开发周期短；

四、本发明基本实现全贴片元器件材料，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；

五、在锡焊过程中，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；

六、在锡焊过程中，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，DSP与FPGA双核控制器1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；

七、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的需要；

八、为了提高运动速度和精度，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；

九、由于采用直流永磁伺服电机，使得调速范围比较宽，调速比较平稳；

十、由于本发明的DSP与FPGA双核控制器1采用FPGA处理三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；

十一、FPGA根据DSP发出的位置信息，结合直流永磁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；

十二、在控制过程中，FPGA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；

十三、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涂胶好的路径信息，然后可以轻易地从故障点二次点焊完成未完成的任务；

十四、由于FPGA内集成了四路伺服系统PWM生成电路，不仅满足了三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；

十五、在整个锡焊过程中，加入了暂停点设定，这样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；

十六、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；

十七、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)

1.一种双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器，其特征在于，包括：DSP与FPGA双核控制器、用于三自由度锡焊机器人伺服系统的电机U、电机Z和电机X、用于三自由度锡焊机器人出锡系统的电机Y和用于三自由度锡焊机器人温度控制的温度检测模块，所述DSP与FPGA双核控制器分别连接电机U、电机Z和电机X，所述DSP与FPGA双核控制器连接电机Y，所述DSP与FPGA双核控制器与温度检测模块相互连接。

2.根据权利要求1所述的双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器，其特征在于，所述DSP与FPGA双核控制器包括FPGA现场可编程门阵列和DSP数字信号处理芯片，所述FPGA现场可编程门阵列用于控制三自由度锡焊机器人的伺服系统和出锡系统，所述DSP数字信号处理芯片用于控制人机界面、路径读取、温度检测、在线输出、数据采集与存储或I/O控制。

3.根据权利要求2所述的双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器，其特征在于，所述DSP数字信号处理芯片为TMS320F2812 芯片。

4.根据权利要求1所述的双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器，其特征在于，所述电机为直流永磁伺服电机，所述直流永磁伺服电机上装载有光电编码盘。

5.一种双核三自由度高速锡焊机器人伺服控器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、操作人员把加工部件安装在三自由度锡焊机器人的夹具上；

2）、打开电源，在打开电源的瞬间DSP会对电源电压的来源进行判断：当确定是蓄电池供电时，如果电池电压是低压，双核控制器将封锁FPGA的PWM波输出，此时电机X、电机Z、电机U和电机Y都不能工作，同时电压传感器工作，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；

3）、启动三自由度锡焊机器人的自动控制程序，通过双核控制器的USB接口输入任务；

4）、将三自由度锡焊机器人移动到起始点的上方，调整好位置；

5）、为了能够驱动三自由度锡焊机器人电机X、电机Z、电机U和出锡系统伺服电机Y的运动，本控制系统引入FPGA，由其生成控制四个电机运动的PWM波，但是通过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；

6）在三自由度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焊点，并根据这些距离信息确定对下一个三维工作点锡焊机器人的三轴：电机X、电机Z和电机U要运行的距离，DSP然后与FPGA通讯，传输距离参数和当前运行速度给FPGA，

然后由FPGA根据模糊控制原理生成控制电机X、电机Z和电机U运动的速度梯形图，其中速度梯形图包含的面积就是三自由度锡焊机器人电机X、电机Z和电机U要运行的距离，速度梯形图再结合电机X、电机Z和电机U的电流和光电编码盘的信息生成控制电机X、电机Z和电机U行走的PWM波和方向；

7）当电机X、电机Z和电机U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行二次确认，然后转换为出锡系统电机Y需要运行的距离等参数，DSP把这些参数传输给FPGA，然后由FPGA根据模糊控制原理生成出锡系统速度运动梯形图，这个速度运动梯形图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，然后再根据光电编码盘的信息生成控制电机Y运行的PWM波和运动方向信号；

8）当完成出锡系统的伺服后，电机Y一般把焊锡丝拉回一个小的距离，并记录此值，然后电机Y立即自锁，然后DSP调出下一个焊点信息，烙铁和出锡系统一起在电机X、电机Z和电机U的作用下向下一个锡焊点自动移动；

9）在运动过程中，如果三自由度锡焊机器人发现焊点距离或者出锡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DS P的中断响应没有来得及处理，三自由度锡焊机器人的电机X、电机Z、电机U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；

10）装载在电机X、电机Z、电机U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和电机Y的运行方向加一或者是减一；

11）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焊点中的具体位置和出锡伺服系统出锡的实际长度；

12）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，然后双核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一个恒定温度，然后再根据三自由度锡焊机器人在三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和出锡系统电机Y需要更新的PWM控制信号，控制三自由度锡焊机器人进入高速点焊状态；

13）如果三自由度锡焊机器人在运行过程中遇到突然断电，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和电机Y停止工作；

14）系统在人机界面上设置有自动暂停功能，如果在焊锡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和电机U以最大的加速度停车，而电机Y立即自锁，并存储当前信息，然后双核控制器立即封锁电机X、电机Z和电机U的PWM波输出，直到双核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和电机U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；

15）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；

16）自动锡焊机器人在运行过程中时刻检测电池电压，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；

17）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；

18）三自由度锡焊机器人重新设定位置零点，等待下一周期的任务。

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