CN103240741A - 一种四自由度高速锡焊机器人伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，包括电源模块、控制模块、4个电机、动作模块和图像采集模块，电源模块与控制模块连接，控制模块包括基于现场可编程门阵列芯片和数字信号处理芯片，基于现场可编程门阵列芯片生成速度梯形图，再与电源模块产生的电流结合生成脉冲宽度调制波信号并发送给4个电机，4个电机与动作模块连接，数字信号处理芯片通过图像采集模块与动作模块上的点焊位置连接。通过上述方式，本发明提供的一种四自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，自动化程度和运算精度大大提高，定位极其精确，能很好的提高机器人的锡焊效率，满足了控制要求及出锡系统的全数字控制，有利于向微型化方向发展。

Description

一种四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，特别是涉及一种四自由度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。

一般锡焊加工需要四自由度锡焊机器人，一台完整的四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）在锡焊初期，都是人工运动把锡焊机器人推到起始位置，仅仅依靠人眼进行初始位置的校正，使得精确度大大降低。

（2）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点焊运动失败。

（3）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。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。

（4）对于速度响度较快的基于微处理器和专用运动控制芯片的控制模式，先有微处理器根据预设位置计算出电机需要的各种预设，再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。

（5）在基于微处理器和专用运动控制芯片的控制模式中，一般需要一个专用控制芯片控制一个电机，会占用大量的微处理器口地址，对于多轴运动的系统来说，要用到复杂的控制技术才可以实现。

（6）作为自动锡焊机器人的执行机构采用的是步进电机，经常会遇到丢失脉冲的问题出现，导致对位置的记忆出现错误。步进电机使得机体发热比较严重，有的时候需要进行散热。步进电机会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。步进电机使得系统一般不适合在高速运行，力矩相对较小。容易控制不当，导致有的时候步进电机产生共振。

（8）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，经常导致因为残留焊锡而产生焊接不良或焊点污秽的情况发生。

（9）在所有的锡焊过程中，没有对点焊过的结果进行自动观测和补偿，有的时候使得整个曲线上焊锡量不一致，需要采用人工二次修补。

（10）对于四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四个电机的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。

（11）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四自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，所述伺服控制系统设计简单、处理速度快、稳定可靠。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种四自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，包括电源模块、控制模块、4个电机、动作模块和图像采集模块，所述电源模块与所述控制模块连接，所述控制模块包括基于现场可编程门阵列芯片和数字信号处理芯片，所述基于现场可编程门阵列芯片生成速度梯形图，再与所述电源模块产生的电流结合生成脉冲宽度调制波信号并发送给所述4个电机，所述4个电机与所述动作模块连接，所述数字信号处理芯片通过所述图像采集模块与所述动作模块上的点焊位置连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述电源模块为蓄电池或交流电源。

在本发明一个较佳实施例中，所述伺服控制系统还包括第五电机和出锡模块，所述第五电机与所述出锡模块连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述4个电机为永磁直流伺服电机，所述永磁直流伺服电机中包括512线光电编码盘。

本发明的有益效果是：本发明的四自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，自动化程度和运算精度大大提高，定位极其精确，能很好的提高机器人的锡焊效率，满足了四自由度伺服电机运动同步控制的要求以及出锡系统的全数字控制，减少了专用运动芯片所占用的空间，有利于向微型化方向发展。

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是本发明四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中所述四自由度高速锡焊机器人伺服控制系统的程序框图；

图4是图2中所述四自由度高速锡焊机器人伺服控制系统的速度运动曲线图。

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，本发明提供一种四自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，包括电源模块、控制模块、电机X、电机Z、电机U、电机R、电机Y、动作模块和图像采集模块。所述电源模块与所述控制模块连接，所述电源模块采用蓄电池和交流电源共用。

所述控制模块包括基于现场可编程门阵列芯片和数字信号处理芯片，所述基于现场可编程门阵列芯片生成速度梯形图，再与所述电源模块产生的电流结合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和所述电机R，所述电机X、所述电机Z、所述电机U和所述电机R与所述动作模块连接，所述数字信号处理芯片通过所述图像采集模块与所述动作模块上的点焊位置连接。

所述电机Y与所述出锡模块连接控制出锡量。所述5个电机为永磁直流伺服电机，所述永磁直流伺服电机中包括512线光电编码盘。

请参阅图3和图4，所述四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需要点焊部件自动传送到工作区域。

（2）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，将封锁FPGA的PWM波输出，此时电机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，双核控制器会发出低压报警信号，人机界面提示更换电池。

（3）启动机器人自动控制程序，通过控制器的USB接口通过人机界面输入任务。系统自动打开烙铁电源对其加热至某一个设定的恒定温度，电机X、电机Z、电机U和电机R工作将烙铁头和出锡管自动移动到废锡回收处，打开电机Y出锡测试烙铁温度，等测试完毕后电机X、电机Z、电机U和电机R自动移动执行结构到起始点，此时图像采集系统开启，自动校正出锡管与起始点的对准位置，控制器时刻检测烙铁温度，防止过高或过低引起焊接不良。

（4）在系统正常工作条件下，DSP调出锡焊机器人需要行走的路径参数和焊点信息，传输给FPGA，由FPGA根据模糊规则生成锡焊机器人开始工作的梯形运动曲线，保证锡焊机器人根据外围的点焊速度平稳的加速和平稳的减速。

（5）由FPGA生成控制四自由度伺服电机X、电机Z、电机U和电机R运动的PWM波，以及出锡系统驱动电机Y的PWM波，但是FPGA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四维空间焊点信息，并根据这些信息确定对下一个四维工作点自动锡焊机器人电机X、电机Z、电机U和电机R要运行的距离，DSP与FPGA通讯，传输距离参数、焊点信息和需要运行速度给FPGA，再由FPGA根据模糊控制原理生成控制电机X、电机Z、电机U和电机R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和电机R要运行的距离，速度梯形图再结合电机X、电机Z、电机U和电机R的电流和光电编码盘信息生成控制各个电机行走的PWM波和运动方向。

（7）当电机X、电机Z、电机U和电机R自动推动执行机构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，根据模糊规则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电机Y的速度运动梯形图，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，然后再根据电机Y的电流和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，然后立即自锁。烙铁和出锡系统一起在电机X、电机Z、电机U和电机R的作用下向下一个四维空间里的锡焊点移动。

（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和出锡系统的电机Y将原地自锁，防止误操作。

（10）装在电机X、电机Z、电机U、电机R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FPGA寄存器，记录电机的绝对位置，换算成自动锡焊机器人在四维空间里焊点的具体位置和出锡的实际长度。

（11）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四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R和出锡系统电机Y需要更新的PWM控制信号，控制机器人高速点焊状态，并加大烙铁温度，温度检测时刻检测其数值进行补偿，保证高速点焊温度的要求。

（12）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，存储器会记录下当前焊点在四维空间里的位置信息，DSP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信息给FPGA，由FPGA结合各个外围传感器参数根据模糊控制规则生成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，控制电机X、电机Z、电机R和电机U到达指定位置，开启图像采集利用电机Y对焊点进行二次点焊补偿，再回到存储器当初寄存下的四维控制位置，重新继续原有的工作。

（13）如果自动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、电机R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，DSP会通知FPGA生成的PWM波使机器人伺服电机X、电机Z、电机U和电机R以最大的加速度停车，而电机Y自锁，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FPGA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。

（15）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，DSP会通知FPGA生成的PWM波使机器人伺服电机X、电机Z、电机U和电机R停车，而电机Y自锁，存储器记录下当前位置信息，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Z、电机U和电机R自动移动锡焊机器人到清洗处，清洗烙铁，完毕后调取存储的四维空间里相应的位置信息，重新回到存储焊点，开始新的工作。

（16）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。

（17）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。

（18）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，再立即自锁，经过一个小的延时，电机X、电机Z、电机U和电机R帮助锡焊机器人走出运动轨迹。锡焊机器人重新设定位置零点，等待下一周期的任务。

本发明揭示的四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）加入了图形采集处理模块，可以帮助自动运动控制系统初始化定位和发现故障点，自动化程度大大提高。在初期运动过程中，由自动装置把锡焊机器人推到初始位置，然后图像采集系统开启，帮助出锡管对准初始位置，使得初始位置定位极其精确。

（2）由于采用高性能的DSP，使得系统处理速度大大增加，可以很好满足点焊系统快速性的要求。由FPGA处理锡焊机器人的两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。

（3）在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于DSP和FPGA双核控制器时刻都在对自动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，避免了自动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。

（4）采用全贴片元器件材料，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。

（5）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，由FPGA来完成送锡电机Y的速度闭环控制。

（6）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。

（7）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。

（8）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。直流永磁伺服电机使得调速范围比较宽，调速比较平稳。

（9）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，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，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。

（10）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，也可以轻易的从故障点二次点焊完成未完成的任务。

（11）由于FPGA内集成了五路伺服系统PWM生成电路，不仅满足了四轴伺服电机运动同步控制的要求以及出锡系统的全数字控制，而且也减少了专用运动芯片所占用的空间，有利于控制器微型化方向发展。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

（12）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。

（13）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。如果图像采集系统发现有任何位置或任何锡焊点出现问题，控制器会对上述位置或焊点进行二次修补。

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)

1.一种四自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于，包括电源模块、控制模块、4个电机、动作模块和图像采集模块，所述电源模块与所述控制模块连接，所述控制模块包括基于现场可编程门阵列芯片和数字信号处理芯片，所述基于现场可编程门阵列芯片生成速度梯形图，再与所述电源模块产生的电流结合生成脉冲宽度调制波信号并发送给所述4个电机，所述4个电机与所述动作模块连接，所述数字信号处理芯片通过所述图像采集模块与所述动作模块上的点焊位置连接。

2.根据权利要求1所述的四自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于，所述电源模块为蓄电池或交流电源。

3.根据权利要求1所述的四自由度高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五电机和出锡模块，所述第五电机与所述出锡模块连接。

4.根据权利要求1所述的四自由度高速锡焊机器人伺服控制系统，其特征在于，所述4个电机为永磁直流伺服电机，所述永磁直流伺服电机中包括512线光电编码盘。

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