CN103231380A - 一种五轴中速全自动锡焊机器人伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五轴中速全自动锡焊机器人伺服控制系统，包括电源、控制单元、多个电机和锡焊机器人，电源与控制单元连接，控制单元包括DSP和LM629运动控制芯片，LM629运动控制芯片生成脉冲宽度调制波信号并发送给多个电机，其中5个电机控制锡焊机器人的五自由度伺服运动，一个电机控制锡焊机器人的出锡量。通过上述方式，本发明提供的一种五轴中速全自动锡焊机器人伺服控制系统，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。

Description

一种五轴中速全自动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，特别是涉及一种五轴中速全自动锡焊机器人伺服控制系统。

背景技术

众所周知，锡焊加工是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作，还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。同时焊接工的焊接技能、焊接速度和情绪波动对焊接质量有一定影响，也无法量化每天使用焊接辅料，因此对工厂来说人工极大的提高了生产成本并延长了焊接时间，这使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）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接点信息没有存储，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，但没有考虑焊点的温度，导致焊点不一致。

（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轴中速全自动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：提供一种五轴中速全自动锡焊机器人伺服控制系统，包括电源、控制单元、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上的出锡位置连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述数字信号处理芯片与人机界面单元、路径读取单元、轨迹参数预设单元、温度检测单元、数据存储单元和I/O控制单元连接。

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装有512线光电编码盘的永磁直流伺服电机。

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。

本发明的有益效果是：本发明的五轴中速全自动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是本发明五轴中速全自动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中所述五轴中速全自动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中所述五轴中速全自动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轴中速全自动锡焊机器人伺服控制系统，包括电源、控制单元、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单元连接，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运动控制芯片生成脉冲宽度调制波信号并发送给所述电机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，所述电机X、所述电机Z、所述电机U、所述电机R和所述电机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与人机界面单元、路径读取单元、轨迹参数预设单元、温度检测单元、数据存储单元和I/O控制单元连接，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。

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轴中速全自动锡焊机器人伺服控制系统，包括电源、控制单元、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单元连接，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运动控制芯片生成脉冲宽度调制波信号并发送给所述电机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，所述电机X、所述电机Z、所述电机U、所述电机R和所述电机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与人机界面单元、路径读取单元、轨迹参数预设单元、温度检测单元、数据存储单元和I/O控制单元连接，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。

Y需要运行的距离、速度和加速度以及PID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、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、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，将禁止所有LM629工作，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，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串口输入锡焊任务，将锡焊机器人移动到起始点上方，调整好位姿。

3、五片LM629是通过I/O口与DSP进入实时通讯，由DSP控制其开通和关断。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伺服系统操作中一个重要环节，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。

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焊点，并根据这些距离信息由DSP计算得到相对下一个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生成电机X、电机Z、电机U、电机R、电机W和速度运动梯形图，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在五维空间里相对与前一个五维空间焊点要运行的距离，再根据电机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运行的PWM波和运动方向信号。

5、当电机X、电机Z、电机U、电机R帮助锡焊机器人到达预定五维空间焊点位置后，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、电机U、电机R和电机W停车，烙铁进入休眠状态，电机Y自锁，并存储当前信息，然后人为清洗残留焊锡。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，并调取存储信息和开启烙铁使锡焊机器人从暂停点可以继续工作。

13、在运动过程中，如果检测到电机的转矩出现脉动，控制器会自动补偿，减少了电机转矩对锡焊过程的影响。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，传感器会通知控制器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一般在LM629的控制下反向运动把焊锡丝拉回一个小的距离，并记录此值，立即自锁，经过一个延时，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。LM529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根据这个温度再结合当前点焊运行的速度来调整送锡电机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，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可根据被焊物的焊点大小以及当前焊锡机器人运行的速度，来调整送锡电机Y运行的速度与距离。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。

4、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。

5、控制电机运转的PWM波是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的，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。

6、在控制中，DSP根据锡焊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。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DSP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，这样很容易实现三自由度伺服运动的任意控制，也使得三自由度的同步控制成为可能。

7、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，可轻易的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。

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)

1.一种五轴中速全自动锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于，包括电源、控制单元、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上的出锡位置连接。

2.根据权利要求1所述的五轴中速全自动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与人机界面单元、路径读取单元、轨迹参数预设单元、温度检测单元、数据存储单元和I/O控制单元连接。

3.根据权利要求1所述的五轴中速全自动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装有512线光电编码盘的永磁直流伺服电机。

4.根据权利要求1所述的五轴中速全自动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。

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