（材料加工工程专业论文）arm控制的伺服点焊枪的研制.pdf

摘要 电极压力是电阻点焊的主要参数之一，电极压力的恒定性、可调性对于保证 焊点的质量是非常重要的，但是，目前生产中普遍使用的气动焊枪，不具备调节 电极压力的功能。本文的目的就是研制一种新型的伺服驱动的悬挂式点焊枪，该 焊枪能够在焊接的过程中对电极压力进行实时的调节，从而实现复杂的焊接循 环，提高焊接质量。 焊枪采用伺服电机作为动力装置，以滚珠丝杠为主要传动机构，结构简单紧 凑，运动平稳灵活。压力控制系统采用3 2 位的a r m 微处理器作为核心，与采 用传统的单片机相比，系统的工作频率大幅提高，硬件功能更加强大，更适合电 极压力的实时控制。此外，在系统中移植了u c o s - i i 实时操作系统，并在此基 础上构建了一个分层次的、多任务的、消息机制的软件系统，充分发挥了a r m 的性能，提高了系统的稳定性和实时性。 利用伺服焊枪进行了焊接试验，在焊接过程中，伺服电机工作在力矩模式下， 采用开环的控制方式，利用电压信号控制电极的压力和速度，通过驱动器的反馈 信号检测电极的压力和位置，使用口控制焊接电源。 实验结果证明，本课题研制的伺服焊枪的机械装置的精度和响应速度均能够 满足焊接的需要，而且可以实现快速渐进，低速爬行，电极轻接触，快速预压等 功能，有助于延长电极寿命和提高焊接效率。而且，使用伺服焊枪进行了低碳钢 焊接试验，采用马鞍形的加压方式，与恒定压力条件相比，焊接中飞溅大幅减少， 焊点强度和塑性增加，焊接质量有明显提高。 关键词：伺服焊枪；a r m ：电阻点焊；u c o s i i a b s tr a c t e 1 e c t r o d ep r e s s u r ei so n eo f t h em a i nf a c t o ro fr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ，、h o e s s t a b l i l i t ya i l dc o n v e n i b i l 时a r ev e r yi m p o r t a n tt oa s s u r i n gg o o dw e l d i n gq u a l i t y b u t a * d m e nw e l d i n gg u nw h i c hi sw i d e l yu s e di nf a c t o r i e sc a nn o tc h a n g ee l e c t d e p r e s s u r ea ta 1 1 s ot h i sp a p e rt e n d s t od e s i g nan e wt y p eo fh a n g i n gs p o tw e l d i n gs e v o g u n w h i c hi sc a p a b l eo fc h a n g i n gt h e e l e c t r o d ep r e s s u r ei nr e a lt i m ed u r i n gw e l d i n g p r o c e s s ，i no r d e rt oc a t t yo u tc o m p l e x w e l d i n gc i r c l e sa n di m p r o v ew e l d i n gq u a l i t y t h eg u ni sd r i v e nb ys e r v om o t o ra n dh a sa b a l ls c r e wa si t sm a m t r a n s 删s s l o n p a r t i ti sd e s i g n e ds i m p l y a n dc o m p a c t l ya n d m o v e ss m o o t h l ya n df e x i b l e l y t h e s y s t e me m p o l y s3 2 b i ta r m m i c r o c o n t r o l l e ra st h ec o n t r o l l i n gc o r e c o m p a r e dt 0 u s i n gt r a d i t i o h a lm c u ，t h es y s t e mi sp r o v i d e dw i t hm u c hh i g h e rf r e q u n e n c y a n dm o r e p o 、e r f i l l lh a r d w a r e m o r eo v e r , r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s i i i sm i g r a t e di n t o t h es v s t e m ，b a s eo nw h i c h al a y e d ，m u l t i - t a s k sa n dm e s s a g e d r i v e ns o 撇es y s t e m l s f o u n d e d ，w h i c hf u l l ym a k e sg o o du s eo ft h ea d v a n t a g eo fa r m a n db r i n g sb e t t e r s t a b i l i t ya n dm o r er a p i dr e s p o n s e d u r i n gs p o tw e l d i n g ，s e r v om o t o ri sw o r k i n g i nt h et o r q u em o d e e l e c t r o d e s p r e s s u r ea i l dm o v m gs p e e dc a nb ec o n t r o l l e db ya n a l o gv o l t a g ei n p u t e l e c t r o d e 7 s p r e s s u r ea n dp o s i t i o nc a nb em e a s u r e db yt h e a n dt h ew e l d i n gc u r r e n tc a nb ec o n t r o l l e d f e e d b a c ks i g n a lf r o mt h em o t o r d r i v e b yc o m m o l li 0 t h u sa no p e nl o o p c o n t r o l l i n gs y s t e mi sf 0 珊e d 一一 e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h eg u n sa c c u r a c y a n dr e s p o n s et i m ec a na l lm e e t t h ew e l d i n gn e e d sa n di th a sm a n ym o r ef u n c t i o n s ，s u c ha sh i g h s p e e d r c a c h i n g ， l o w - s p e e dc r a w l i n g ，g e n t l ye l e c t r o d et o u c h i n g ，s h o r t - t i m e p r e 。p r e s s m ga n d8 0o n w h i c ha r ev e r yi m p o r t a n tt oe x p a n de l e c t r o d el i f ea n di m p r o v ew e l d i n ge t t l c l e n c y f u r t h e rm o r e ，t h es e r v og u nc a l lo f f e rs a d d l es h a p e de l e c t r o d ep r e s s u r e mt h em l l d s t e e lw e l d i n ge x p e r i m e n t i nc o m p a r i s o nw i t hc o n s t a n te l e c t r o d ep r e s s 哦，i tc a n e f f i c i e n t l vr e d u c ew e l d i n ge x p u l s i o n ，i m p r o v et h e w e l d si n t e n s i o na n dp l a s t i c i t y , a n d o b v i o u s l yi m p r o v e t h ew e l d i n gq u a l i t y s e r v og u n ，a r m ，r e s i s t a n ts p o tw e l d i n g ，u c o s - i i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：钞争 签字日期：，刁年7 月，j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解本叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：矽率 签字日期：7 年7 月，彦日 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 伺服焊枪在汽车工业的应用前景 电阻焊作为一种高效、廉价，机械化和自动化程度较高的连接技术，在汽车 工业中得到了广泛的应用。无论是在汽车车身组装中，还是汽车零部件的生产中， 电阻焊工艺都占据了相当重要且相当数量比例的地位。 汽车车身是整个汽车零部件的载体，车身制造质量的优劣对整车的质量起着 决定性的作用。电阻焊是车身装配时的主要工艺手段，在车身底板、侧围、车架、 车顶、车门及车身总成等部分的焊装中，大量采用电阻点焊工艺。每一辆轿车车 身上，约有4 0 0 0 6 0 0 0 个电阻点焊焊点。因此，提高点焊质量对保证车身装配质 量，控制车体误差有着深远的意义i l l 。 当前国内外汽车工业车身点焊主要应用气动焊枪，经过多年发展与创新，气 动焊枪的技术已经比较成熟，在气动控制技术、焊接质量控制与焊接效率等方面 有了较大的提高。但随着汽车工业的发展，气动焊枪逐步暴露了一些缺点，对柔 性焊接件的冲击较大、控制定位精度不高、效率较低、电极磨损较大、与机器人 的集成度较低、维护成本比较高，已经不太适应现代汽车工业的发展要求。 和气动焊枪相比，伺服焊枪有着突出的优点： ( 1 ) 可编程的自动化的控制，伺服焊枪能够提高焊接过程的生产率； ( 2 ) 伺服焊枪可以得到焊接过程中所需的锻压力，从而可以提高焊点质量； ( 3 ) 由于焊接过程中的参数( 如电极力和电极位移) 可从伺服电机中获得，伺 服焊枪为过程监控、诊断和补偿提供了新的可能； ( 4 ) 由于电极运动的可控性，电极与工件接触时冲击小，噪声低，有助于改 善工作环境，提高电极寿命； ( 5 ) 伺服焊枪采用伺服电机作为动力装置，由伺服控制器实现对伺服电机的 高效、准确控制，易于实现与机器人的有效集成，从而实现对焊枪的高精度定位 与柔性焊接控制。 它的唯一缺点就是，其重要组成部件，伺服电机、控制器、滚珠丝杠等成本 很高，导致伺服焊枪的投资成本比气动焊枪高出5 倍，这成为阻碍伺服焊枪广泛 应用的致命弱点。目前在日本只有丰田等少数公司将伺服焊枪应用到汽车车身装 配生产线上，而美国只有大约2 0 0 只伺服焊枪被应用 9 1 。 但是，使用伺服焊枪的生产成本却比气动焊枪低很多，文献4 8 表明，如果 第一章绪论 用伺服焊枪代替气动焊枪，电极寿命可从原先可焊1 5 0 0 个点提高到可焊3 0 0 0 个 点，节约了电极更换的成本。而a b b 公司研究表明：在两种焊枪分别完成8 3 3 9 1 4 3 个焊点时，气动焊枪所花费的成本为7 9 4 8 美元，而伺服焊枪只需2 3 2 8 美元，这 主要因为气动焊枪采用空气加压方式，大部分成本用于空气供应和气压管理上 1 4 9 1 o 所以，考虑到伺服焊枪创造的综合经济效益，而且考虑到随着汽车生产的高 度自动化与高效化，对焊接质量与焊接效率要求会的不断提高，伺服焊枪很可能 成为未来汽车装配生产线上主要的点焊设备。 1 2 电极压力对电阻点焊质量的影响 电阻点焊具有复杂的热过程，众多影响焊接质量的因素可大致分为电参数( 如 焊接电流、动态电阻、焊接时间等) 和物理参数( 如电极压力等) 两大类，其中焊接 电流和电极压力是形成电阻焊接头最基本的条件【2 1 捌。然而，压力在点焊过程不 同阶段所起的作用不尽相同，对电焊质量的影响机制也不同。 ( 1 ) 预压阶段 电阻点焊工艺的预压阶段给定了点焊过程起始的导电区域和接触电阻分布， 对熔核形成、喷溅及电极烧损都有很大影响，对点焊质量有重要影响。 为了建立稳定的电流通道，保证焊接过程获得重复性好的电流密度，必须把 握好预压时间和预压力的大小。预压时间短，可以提高生产效率，但是预压时间 必须充足以保证通电时电极压力恒定。 对厚板或者刚度大的冲压零件，可以先加大预压力，而后再回复到焊接时的 电极力，使接触电阻恒定而又不太小，以提高热效率。 电极力在预压阶段的动态变化主要对电极的使用寿命有影响，而对焊接质量 无明显影响u 饥1 7 j m 。国内外已有一些学者对锥台形电极和球形电极条件下的电阻 点焊预压接触行为进行了研究。针对薄板点焊过程预压阶段进行了弹塑性有限元 分析结果表明，在锥形电极作用下，工件之间接触压力均匀分布有利于防止飞溅， 如果能够消除电极与工件接触区边缘的应力集中，电极周边的磨损将大为减少， 有利于提高电极寿命一一。1 。 ( 2 ) 通电阶段 在焊接通电阶段，电极力的动态变化会影响工件接触面间动态电阻的变化， 因此它与熔核的形成及焊接质量密切相关。电极力作为一个重要的焊接参数，可 用于焊接过程的监测和焊接质量的在线控制卅。刘桂梅等设计了一种压电晶体 2 第一章绪论 式电极力测试传感器，并用它在焊接过程中直接连续地测试电极力的动态变化， 发现监控电极力是探测焊接区金属飞溅的最有效方法之一m 。 在他们的实验中，用交流焊机对低碳钢进行焊接。如图1 - 1 所示，在通电阶段， 电极力是波动的，而且在每一通电半周，由于电磁力作用和金属软化使电极力减 小。在发生飞溅之前，电极力会猛然增加，飞溅发生时，电极力又突然减小。但 在气缸压力的作用下，很快再次接触，又形成一次冲击振动，表现为电极力又突 然升高，然后衰减地趋于稳定。可见，气缸的加压方式导致了飞溅的产生，飞溅 的产生又导致了电极压力的波动变化。如果在发生飞溅之前减小电极压力，就可 以避免飞溅的产生“。这预示着，使用伺服焊枪，在焊接过程中通过监测电极 力的动态变化，实现焊接过程的自适应控制有望获得成功。 1 0 9 z 曼 工j 迁6 蚕 耋 脚 三 上 l o 时同讹 图1 一l 电极力与飞溅 4 0 3 0 2 0 l o o 一1 0 以| d 一3 0 4 0 2 垂 壤 脚 ( 3 ) 维持阶段 在焊接的维持阶段，不再输入热量，熔核快速散热、冷却结晶。由于熔核体 积小，冷却速度高。液体金属处于封闭的塑性壳内，如无外力，冷却收缩时将产 生三维拉应力，极容易产生缩孔、裂纹等缺陷，故在冷却时有必要保持足够的电 极压力来压缩熔核体积，补偿收缩，减少缺陷瞄“。 另外，对于不同材料的电阻点焊，要制定不同的工艺，有的还需要给予复杂 的焊接循环。在这些规范之中，大部分都涉及到对电极压力的特殊要求。 譬如镀锌钢板，它在汽车工业中应用越来越广泛，电阻焊是镀锌钢板最主要 的焊接方法。焊接过程中，工件连接点( 熔核) 部位的锌层熔化后应充分挤出， 否则会显著降低焊点的连接强度。因此，为了保证将这部分液态锌充分挤出，应 使用较大的电极压力，一般比非镀锌钢高2 0 2 5 。熔核处的液态锌总有一 第一章绪论 部分残留下来，参与熔核的结晶过程，在强大的电磁力的作用下，结晶过程中以 条状分布在钢的枝晶晶界上。如果锻压阶段的电极压力不够大，则液态锌的原部 位可能会形成结晶缩孔，而晶界上的锌造成裂纹1 。 综上，电极压力对焊接质量有着重要的影响，在实际焊接过程中，压力并非 孤立地变化着，其他焊接参数的变化，会相应影响到电极压力的变化，电极压力 的变化，也会影响到其他焊接参数的变化，而且各参数间的影响又是相互制约的 p 1 ，这种交错的影响，给焊接质量控制带来了很大的困难。压力可调的伺服焊枪 的发明，可以为人们深入研究电极压力对焊接质量的影响机理，提供试验手段， 这必将给电阻点焊带来深远的意义。 1 3 国内外的研究情况 对于伺服焊枪的新特征，以及其对焊接过程的影响，国内学者已经从成本消 耗、生产率和技术效益几个方面，将伺服焊枪与气动焊枪进行了对比分析，结论 显示，采用伺服焊枪进行生产，综合效益更高p 1 。 张旭强等采用美国g m 公司的a c 型伺服焊枪及与其集成的机器人进行实验， 对伺服焊枪与气动焊枪在渐进、预压与焊接三个阶段的焊接特性进行对比分析， 结果表明，伺服焊枪在控制电极接触方式、缩短预压时间、施加锻压力等方面都 具有传统气动焊枪不可比拟的优点1 。 张小云等基于p l c 控制器设计了一套伺服焊枪点焊控制系统，该系统集成了 伺服焊枪和焊接控制器等设备，如图1 - 2 所示。焊接过程中，电极定位利用伺服 电机的位置环来实现，电极力则通过采集安装在电极杆上的l o a d c e l l 压力传感器 的反馈压力信号来进行闭环控制，与焊接控制器的通讯则由系统的i o 模块来完 成。该伺服焊枪系统在焊接过程中电极定位迅速、电极力稳定，并能够有效地提 高焊接质量，减少焊接喷溅，延长电极寿命“。 该系统与本课题有许多相似之处，但是也存在一些差异。 ( 1 ) 本课题可以实现压力的动态调节，这是两者最大的区别； ( 2 ) 本课题采用3 2 位a r m 微处理器，更适合复杂控制； ( 3 ) 本课题引入了实时操作系统，系统更稳定可靠； ( 4 ) 本课题中，电机轴和丝杠直接相连，未采用减速器或齿带等中间装置， 结构简单，产生误差的环节少，同时由于转动惯量减少，使伺服特性有较大改善； ( 5 ) 本课题中，伺服电机在焊接时运行在扭矩控制模式，直接对电极压力进 行控制和检测，更迅速灵敏。 ( 6 ) 本课题设计的是广泛应用于汽车工业的悬挂式点焊枪，具有较高的实用 4 第一章绪论 价值。 图1 2 伺服点焊系统集成 张延松等利用伺服焊枪系统从伺服编码器中反馈电极位移的特性，采用从电 极位移中提取焊点压痕的方法来进行焊点质量在线检测和评价，取得了好的效果 1 1 0 l 。 在他们的实验中，当电极力达到预设值时记录编码器反馈值v 1 ，焊接过程电 极压力恒定，焊接完毕时，记录此刻编码器反馈值v 2 ，与前者相比较的差值 v 2 v 1 ，再乘以焊枪标定时电极位移与编码器脉冲反馈值的比例系数，得出焊接 前后的电极位移，即为焊点压痕。 这种质量评价方法不需要附加另外的检测设备，使用起来简洁方便，可以取 代目前常用的焊点离线抽样破坏性检测的方法，减少人力和物力开支，提高工厂 的生产效率。 综上所述，目前伺服焊枪在国内生产中应用较少，在理论研究上，也处于起 步阶段，设计和制造伺服焊枪的研究就更加稀少。在涉及焊枪研制的研究中，均 没有实现电极压力的实时调节，这是目前研究的缺陷，也是本课题提出的原因。 1 4 本课题的研究内容 汽车车身焊装线上的电阻焊设备主要是悬挂式点焊机，一个车身焊装车间一 般有2 0 0 - - - 3 0 0 台悬挂式点焊机，用于车身的各个部位的装配点焊，特别用于点焊 第一章绪论 焊接位置复杂多变的部件。但是，大部分悬挂式点焊机都是气动焊枪，如果能够 将优点众多的伺服焊枪应用到悬挂式点焊机上，意义非同小可，这也正是本课题 研究的实用价值。 本课题通过改造普通气动焊枪，研制一种伺服驱动的悬挂式点焊枪，既要发 挥伺服焊枪的一般优点，还要满足压力实时调节的设计要求。 为了达到机构紧凑，反应灵敏的目的，伺服焊枪的机械装置尽量减少传动的 中间环节，主要由电动机、联轴器、丝杠和电极臂组成，怎样选择各个功能部件， 如何确定其组装尺寸，怎样设计使其具有稳定、精度高、反应快的特点，都成为 了本科题的研究内容。 由于点焊过程的时间很短，一般只在2 0 个周波( o 4 秒) 以内，在这么短的 时间内，需要对电极压力进行若干次调节，对上位控制器的计算速度提出了要求。 本课题采用的a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器，频率高达1 8 0 m h z ，外设接口丰富。以 a r m 为核心的硬件电路的设计，也是本课题研究的内容之一。 本课题的软件设计一开始就打下了良好的框架和基础，采用了实时的操作系 统作为软件系统的底层核心。这涉及到操作系统的选型，移植，测试，底层驱动 程序的开发等多个方面的研究内容。操作系统的引入，可以构建一个稳定健壮， 丰富灵活的软件系统，使其适合于复杂的上层应用，还有利于软硬件的升级。 对伺服焊枪提出了以下主要性能指标： ( 1 ) 额定压力：3 0 0 0 n ； ( 2 ) 压力响应时间：1 0 m s 左右； ( 3 ) 压力波动：2 3 ( 相对于额定压力) 。 为了验证设计的伺服焊枪性能是否达到预期的指标，需要设计一系列的验证 实验。最后需要进行焊接试验，实现马鞍形压力调节，达到提高焊接质量的目的。 6 第二章机械设计部分 第二章机械设计部分 2 1 机械系统总体设计 2 1 1 系统组成 系统采用a r m 控制器来控制伺服焊枪单一轴，以实现整个点焊过程。伺服 焊枪点焊控制系统主要由伺服焊枪、a r m 控制系统、信号调理模块等设备组成， 它们之间的集成如图2 1 所示。 伺服焊枪的机械结构由以下几部分组成弘卅： ( 1 ) 动力机构：采用伺服电机作为动力装置，这是区别于气动焊枪的主要特 征； ( 2 ) 传动机构：传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器，而且已成为伺服系 统的一部分，它要根据伺服控制的要求进行选择设计，以满足整个机械系统良好 的伺服性能。伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的 变速机构，所以本系统没有采用减速机，选用滚珠丝杠作为主要传动机构； ( 3 ) 导向机构：导向机构的作用是支承和导向，它为机械系统中各运动装置 能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障，本系统的轴承、导向连杆等就 属于导向机构； ( 4 ) 执行机构：本系统的执行机构是电极臂，它是完成操作任务的直接装置， 它根据控制器发出的操作指令的要求在动力源的带动下完成张开、合拢、压紧等 焊接操作。 图2 1 伺服点焊控制系统框图 第二章机械设计部分 2 1 2 功能需求 电阻点焊一般分为预压、焊接、保持、休止四个阶段1 2 1 ，但在实际的焊接过 程中，预压之前焊枪由预定位置到达工件阶段( 渐进阶段) ，对电极定位精度与 生产效率有较大的影响川。在此，将点焊过程分为渐进、预压、焊接、保持、休 止五个阶段。 v 1v 2v 3t 1t 2t 3t 4s ls 2s 4 ( r r a i n )( r m i n )( r m i n )( s )( s )( s )( s )( 姗)( m m )( 姗) 1 8 06 01 8 01 51 5 0 12 2 2 5 7 53 0 电极的运动情况如图2 2 所示，各阶段的速度和时间参看表2 1 。首先在渐 进阶段，焊枪电极开始运动时，以较快的渐进速度v 1 运动t l 时间，在快接近 工件时，降为较低的爬行速度v 2 运动，电极速度降为爬行速度时与工件的距离 为爬行距离s 2 ，爬行速度与爬行距离的确定以综合考虑焊接效率与电极寿命为 准。在时间t 3 内，电极与工件接触，速度几乎为零。焊接结束之后，电极以速 度v 3 返回。 v ( r m i n ) v l v 2 2 1 3 性能指标 厂l 乃弼， t 1 防u i 图2 - 2 电极运动v - t 关系 对伺服焊枪提出的基本要求首先是电极压力的调节范围，根据现有的气动悬 挂式焊枪的压力范围，并且考虑到成本和机械的重量，选择一个较常用的压力范 围：最大值在3 0 0 k g f 以上，这可以适应较大厚度范围的低碳钢的焊接。 快速响应性是衡量伺服系统动态性能的一项重要指标1 3 4 1 。在焊接预压阶 段，电极压力快速上升到指定值，能够大幅度的提高生产效率。在焊接通电过程 第二章机械设计部分 中，电极压力迅速地按照给定值改变和调整，有利于减少飞溅。实现复杂的焊接 循环，即要求时间的准确性，又要求压力控制的快速性。焊接过程一般都在几秒 之内，通电的时间更短，所以压力的响应时间在1 0 m s 左右，才有意义。 精度是伺服系统的一项重要的性能要求，它是指其输出量复现输入指令信号 的精确程度卜”1 。对于伺服焊枪，精度要求主要是针对压力、位置、速度三个 参数而言。压力的精度是本系统的首先考虑的问题，波动应该在2 0 0 3 之内。 2 1 4 控制方式 伺服焊枪的组成和数控机床颇有相似之处【5 0 1 ，在分析本系统特点的基础上， 参考数控机床的常见控制方式，确定采用开环控制方式。如图2 3 所示，电机驱 动器内部已经存在电流环、位置环的闭环控制，上位控制器通过驱动器来控制电 机，系统中未在执行机构上安置压力和位置传感器，直接使用电机驱动器提供的 位置和电流信号。 2 2 电机的选型计算 2 2 1 选择依据 图2 3 伺服焊枪控制框图 电动机种类繁多，控制电机中，应用比较广泛的是步进电动机和伺服电动机 3 6 1 ，两者在性能上差别很大。 ( 1 ) 以往伺服电机在位置控制方式上不如步进电机方便，但是如今全数字式 交流伺服系统发展很快，已经做到了类似步进电机的位置控制方式。 ( 2 ) 伺服电机有着优越的低频特性，步进电机在低速时易出现低频振动现象， 9 第二章机械设计部分 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。在焊接通电过 程中，电极夹紧，移动距离很小，速度几乎为零，更适合使用伺服电机p 。 ( 3 ) 而且，步进电机的输出力矩随转速升高而下降，交流伺服电机为恒力矩 输出，力矩的恒定是本课题的重要性能，如果力矩波动太大，就达不到对电极压 力的精确控制。 ( 4 ) 步进电机一般不具有过载能力，交流伺服电机具有较强的过载能力，最 大转矩为额定转矩的三倍。在焊接过程中，熔核受热膨胀力瞬间可能很大，这要 求电机具有一定的过载能力。 ( 5 ) 另外，在运行性能、速度响应性能方面，伺服电机都比步进电机好。 所以，从焊接控制的实际需求出发，在比较各种电机性能的基础之上，选择 伺服电机作为动力装置。 2 2 2 负载扭矩计算 额定扭矩是电机重要参数之一，也是本课题最重要的参数，扭矩不够将导致 电极压力不够，这是绝对不允许的。额定扭矩要根据负载情况、加速要求和丝杠 的参数来综合确定3 6 1 。在本课题中，对于空载时的加速性能没有特别要求，而 在压紧状态，压力的调节所需要走的位移很微小，也可以忽略加速性能，因此只 考虑负荷扭矩。电机传动轴的驱动扭矩p 满足以下公式： p l t o 兰茁 ( 2 1 ) 2 n r i 式中h 向负载( k g f ) ，忽略摩擦阻力，i ： = - 3 0 0 ； f 一导程( c m ) ，k 0 5 ； ，7 一正效率，r = 0 8 ； k 一安全系数，t o = 3 。 代入式( 2 1 ) 得： l 8 7 9 n m 。 2 2 3 负载惯量匹配计算 在伺服系统中，通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比，以提高伺服 系统的响应速度。在忽略传动装置惯量和摩擦阻力的前提下，根据旋转运动方程 和负载角加速度最大的原则3 1 ，3 2 1 ，得： 眈5 等- 协2 ) 1 0 第二章机械设计部分 式中j 。广电动机m 的转子的转动惯量( k gc m 2 ) ； j 产负载转动惯量( k gc m 2 ) ； 卜齿轮系g 的总传动比。 为了减少中间环节，不采用减速机，传动比i = l 。传动装置j l 换算到电动机轴 上的转动惯量与电动机转子的转动惯量j m 满足式( 2 2 ) 的关系时，达到了惯性 负载和转矩的最佳匹配。 折算到电机轴上的惯量j l 是电极惯量j l 、丝杠惯量j 2 、联轴器及锁紧螺母惯量 j 3 、轴承惯量j 4 之和。在这些部件中只有电极作直线运动，按照公式( 2 3 ) 计算 转动惯量，其余均按旋转体公式( 2 4 ) 计算。 ，：型( 2 3 ) 。 矽 式中 ，一丝杠导程( m m ) ，l = 5 ： w 一电极臂重量( k g ) ，w = 5 。 j ：堕! 咝( 2 4 ) 3 2 式中卜回转体长度( n u n ) ； d 一回转体直径( m m ) 。 将各个部件的尺寸代入式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 得： j l = 0 0 3 埏c m z j 2 = 0 2 3 蚝c m 上 j 3 = 7 6 5k g e m 2 j 4 = 1 1 5k gc m 2 j l = j 1 + j 2 + j s 韵产9 0 6k gc m 。 因此，可以估算出电机转动惯量的范围是： 9 0 6 蝇c m 2 j m 3 6 2 4 蚝c 。 2 2 4 选型结果 最后选定了罗升企业有限公司的东元t s b l 3 1 2 1 0 2 a 型交流永磁同步电机。 其额定功率：1 0 0 0 w ，额定扭矩：9 5 4 5 n m ，额定转速：1 0 0 0 r m i n ，瞬间最大扭 矩：2 8 6 4 5 n m ，转子惯量：1 2 2 5k g c m ，机械时定数：0 8 2 m s ，电气时定数： 6 5 5 m s ，重量1 0 3 k g 。 伺服电机配置t s t a 3 0 驱动器，以提供与上位机通讯的接口。该驱动器主电 路和控制电路都可以用2 2 0 v 单相电源，使用起来很方便。t s t a 3 0 驱动器内部 采用s v p w m 控制，向外界提供了位置、速度、转矩、位置速度、速度转矩、 第二章机械设计部分 位置转矩六种控制模式。 2 3 滚珠丝杠选型 滚珠丝杠是伺服焊枪的主要传动装置，它既传递扭矩，也传递运动。它将旋 转运动变成直线运动的特点很适合电机到电极运动的转换3 9 1 。 与其他运动转换装置相比，滚动螺旋传动具有效率高、运动平稳、工作寿命 长、定位精度高、同步性好、可靠性高的特点。 2 3 1 定性选择 ( 1 ) 精度本课题丝杠主要用于传递力，对定位精度要求并不高，采用7 级 精度即可，即在任意3 0 0 m m 行程内行程变动量为0 0 5 m m p 川。 ( 2 ) 循环方式 电阻点焊的电极压力规范有大有小，复杂的循环还要求压力 实时改变，当压力减少时，相当于电极反向移动，设备的机构要求紧凑小巧，所 以对滚珠丝杠的刚性，滚珠反向的灵活性提出了要求，从而决定了滚珠丝杠采用 内循环方式。 ( 3 ) 安装方式滚珠丝杠副丝杠的常见安装方式有四种，焊接过程中电极的 位移小，所需丝杠比较短，这就允许选择一端固定一端自由的安装方式。 2 3 2 指标的计算 ( 1 ) 导程p h ( m m ) 1 4 0 l导程的确定，一方面需要从施加电极压力的快速性 来考虑，另一方面需要从焊接效率来考虑，并需要考虑丝杠的尺寸规范。 p h _ ( 2 - 5 ) n 一 式中r 傩一电极最大线速度( m m m i n ) ，v 二：5 0 0 0 m m m i n n 一一丝杠最大转速( 1 m i n ) ，n 一：1 0 0 0 m i n 代入公式( 2 5 ) 得： p h = 5 m m ( 2 ) 额定动载荷c a m ( n ) 简单的，把整个焊接过程看成对称的3 个阶段， 前后阶段，推力很小，时间较长，可以取f i = f 3 = 5 0 n ，t 1 = t 3 = 1 s ，n l = n 3 = 5 0 0 ，中 间施压阶段，推力较大，时间较短，可以取f 2 = 3 0 0 0 ，t 2 = 0 0 1 s ，n 2 = 5 0 0 。首先按 照公式( 2 6 ) 计算当量载荷f m ，然后按照公式( 2 7 ) 计算当量转速n m ，最后 按照公式( 2 8 ) 计算额定动载荷。 1 2 第二章机械设计部分 f m ： 铲繁 只( 6 0 n 。l ) 3 c 锄：l o o l l 式中f a 一精度系数，7 级取0 8 ； l 1 1 - 预期使用寿命，取1 5 0 0 0 h ； - 可靠性系数，9 9 取0 2 1 ； f 一荷性质系数，伴有冲击和振动取2 ； 代入式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 8 ) 得： f ：2 3 8 4 4 n ”m = 5 0 0 r m i n c a m = 5 7 5 0 8 n ( 3 ) 底径d 2 m ( m m ) d 2 m = a q 匣毒 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 式中a 支撑方式系数，一端固定一端自由，取0 0 7 8 ； f o _ 导轨静摩擦力，本课题没有导轨，以电极臂阻力代替，取1 0 n ； 瓦一定位精度，取0 0 2 m m ； 卜丝杠两轴承支点间距，l = 9 3 。 代入公式( 2 9 ) 得： d 2 m = 16 8 m m ( 4 ) 额定静载荷c ( n ) c 木f m 戤 ( 2 1 0 ) 式中卜静态安全系数，有冲击和振动时取2 3 ，此处取3 。 f m 觚_ 丝杠的最大轴向载荷，取3 0 0 0 n 代入公式( 2 1 0 ) 得： c o a 9 0 0 0 n ( 5 ) 丝杠长度l ( m m ) ：丝杠长度= 最大行程+ 螺帽的长度+ 2 轴端预留量。 2 3 3 选型结果 最后选择了日本黑田精工滚珠丝杠g y 2 0 0 5 d s h u l r 0 6 0 0 a ，其基本特性参 第二章机械设计部分 数如表2 1 所示。： 表2 - 1 滚珠丝杠主要参数 公称外径公称导程螺母长度额定静载荷额定动载荷 ( n u 玎)( n n )( m m )( n )( n ) 2 054 01 4 7 0 06 2 0 0 2 4 滚动轴承的选择 滚动轴承用来支承丝杠轴端，有很多种类，由于在本课题的工作条件下，轴 向的压力较大，所以，需要选择能够承受较大轴向压力的轴承。这类轴承中，应 用得最多的式6 0 度角接触球轴承和滚针、推力滚子组合轴承。此处选择前者， 即6 0 度角接触球轴承，因为后者摩擦力矩很大。 2 5 轴的设计 2 5 1 估算轴的最小直径 转轴的设计，一般是先按轴所传递的转矩估算出轴上受扭转轴段的最小直 径，并以其作为基本参考尺寸进行轴的结构设计1 4 1 。 d c i 仁 v 刀 ( 2 1 1 ) 式中 d 轴的估算基本直径( m m ) c 计算常数，取决于轴的材料及受载情况，取c = 10 2 卜轴传递的功率( k w ) ，取1 k w n 轴的转速( r m i n ) ，取1 0 0 0 代入公式( 2 1 1 ) 得： d 1 0 2 m m 2 5 2 轴端形式 如图2 4 所示，丝杠全长1 9 4 m m ，螺纹部分长1 3 5 m m ，从左往右，ll m m 的 轴段安装角轴承，1 8 m m 的轴段安装锁紧螺母，最右边的轴段安装联轴器。 1 4 第二章机槭设计部分 2 6 机械装置图 图2 4 丝杠轴端尺寸 如图2 - 5 所示，这是最后设计并n i 而成的x 型伺服驱动点焊枪 图厶5 机械装置图 从右往左，依次是电机、连接套、x 型焊枪。连接套将电机和x 型焊枪连接 固定在一起，内部还有联轴器、轴承、丝杠等部件。连接套是个半封闭的圆筒， 其上开有一个窗口，用于联轴器的紧固。从图中可以看出，丝杠采用一端固定， 一端自由的固定方式，自由端的长度取决于焊枪张开的最大角度。丝杠螺母和焊 第二章机械设计部分 枪的活动臂通过连杆来连接，丝杠螺母推动连杆前进，连杆在前进的同时绕支点 转动，它具有两个方向的自由度，以适合x 型焊枪两臂的杠杆一样的移动特点。 第三章硬件设计 3 1 硬件系统框图 第三章硬件设计 如图3 1 所示，控制板硬件系统以a r m 微处理器为核心，周边器件包括存 储器、调试口、l c d 、键盘、a d 、d a 、i o 等。 图3 1 控制板硬件框图 如图3 2 所示，围绕a r m 核心，l c d 接受来自a r m 的显示控制信号，键 伺驱调 服 编码 动 速度反馈电压删开发板 理 电 、 器 位置分周p a 电 ic d i 机y 。路 工一。“ l 位置分周p a i o a r m 电源 位置分周p b 核心 加 位置分周p b l 扭矩控制电压 d a 速度限制电压键盘 图3 - 2 控制信号流向图 1 7 第三章硬件设计 盘发送中断信号，d a 接收a r m 的数字信号，并将转换的模拟信号输出到伺服 驱动器，a d 接收伺服驱动器的模拟信号，并将转换的数字信号输出到a r m 。 a d 有两路：一路是检测负载扭矩反馈电压，反馈电压直接表征了电机扭矩 的实际大小；另一路是检测速度反馈电压。d a 有两路：一路是a r m 输出的扭 矩控制信号，另一路是a r m 输出的速度限制信号。i o 口用来产生和检测伺服 驱动器输出的位置分周信号。 开发板和伺服驱动器之间，需要调理电路来进行协调，因此，设计了信号转 换的模块。该模块包括电压调整、差动转换电路和电源控制电路。电压调整电路 实现电压的匹配，差动转换电路将伺服输出的位置周波差动信号转换成单路脉 冲，达到实时检测电极位移的目的，电源控制电路实现焊接电流的通断。 3 2a r m 微处理器 新型的伺服焊枪应该具有快速调节转矩电枢电流的能力，但是，点焊的周期 很短，在短的时间内，进行若干次的压力调节，要求中央处理器的频率很高。 由于系统的惯性，压力的调节需要采用特殊的控制算法，算法越复杂，需求 的计算时间越长，这对微处理器的计算速度提出了更高的要求。 3 2 位的a r m 处理器频率可以达到1 8 0 m h z ，速度为2 0 0 m i p s ，总线运行频 率6 0 m h z ，工作频率比传统的单片机提高了1 0 倍，完全可以胜任复杂快速的应 用“4 5 1 。 另外，a r m 拥有丰富的外设，支持很多标准的接口，扩展性极好。 经过比较，在3 2 位的a r m 处理器中，选择了a t m e l 公司的a r m 9 系列 的a t 91r m 9 2 0 0 作为嵌入式微处理器，使用基于a t 91r m 9 2 0 0 的f f t - r m 9 2 0 0 开发板进行实验。 3 3 系统启动过程 与普通的单片机的启动过程不同，a r m 的启动过程相当复杂，熟悉a r m 的 启动的过程是进行开发的第一步一印“。 如图3 3 所示，a r m 拥有多达4 g 的地址空间，其中，内部的存储域可以细 分为域0 、内部r o m 、内部s r a m 、u s b 和未定义区间。内部存储域0 所映射 的内容，会根据b m s 引脚的电平和重映射命令而发生改变。 a r m 加电启动时，最先执行的代码在0 x 0 地址，0 x 0 地址到底映射的是哪个 存储器的代码并不是固定不变的。当b m s 引脚如果检测到高电平l ，内部r o m 第三章硬件设计 的代码映射到o x o ；如果b m s = o ，外部存储域0 ( 地址为o x l 0 0 00 0 0 0 ) 的代码 映射到地址0 x 0 。因此，a r m 有2 种启动方式，即内部r o m 启动和外部启动。 系统从内部r o m 启动之后，已经固化在内部r o m 中的引导程序就开始执 行。这个引导程序会尝试从a r m 支持的各种存储器中下载应用程序( 依次尝试 s p i 的d a t a f l a s h ，t w i 的e e p r o m 和n c s 0 的8 位并行存储器) ，如果失败， a r m 将利用d e b u g 串口和u s b 口尝试上载。通常使用d e b u g 串口上载，上 载开始时，可以看到w i n d o w s 超级终端不断打印的c 字符。此时，可以通 过m o d e m 协议完成上载。上载完成后，程序存放到a r m 的内部s r a m 中，之 后a r m 自动进行重新映射，内部s r a m 被映射到地址为0 x 0 ，p c 设置为0 ，开 始执行刚刚上载的应用程序。 jl 。o x 0 0 0 00 0 0 0 区域0 未确定 区域l 内部r o m 内 部 2 5 6 m 存 区域2 内部s r a m 储 区域3u s b 主机 空 间 r0 x o f f 行f 髓 未定义区域 1r 2 5 6 m 。 片选0 j r ) x l f 髓强f r 2 5 6 m 。 l 片选1 r2 x 2 f 髓f 髓 外 2 5 6 m 。 l 片选2 部 r ) x 3 f m f 珏r 总 2 5 6 m 。 l 片选3 线 r ) x 4 仟f f 仟f f 2 5 6 m 。 l 片选4 接 r ) ) 【5 f 砸伍f r 口 2 5 6 m 。 l 片选5 r ) x 6 任f r f 髓 l 2 5 6 m 片选6 ，) x 7