自动控制元件课程设计报告 自动焊接控制系统.doc

自动控制元件课程设计报告设计题目： 设计一套自动焊接装置，要求能 够自动沿裂缝运动，完成焊接过程 院 系： 班 级： 0804201 设 计 者： 雷昊 1080420103 刘川 1080420110 朱微波 1080420111 2010年11月15日1、 概述焊接是制造业中最重要的工艺技术之一。它在机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工以及建筑和电子等行业中的应用越来越广泛。随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，焊接过程自动化已成为焊接技术新的生长点之一。同时，焊接自动化的发展，有效解决了焊接过程中工人工作环境恶劣的问题，而且除了得到稳定的焊接产品质量和均衡的生产节奏之外，还获得了较高的劳动生产率，焊接自动化已成为必然趋势。采用机器人焊接是焊接自动化的革命性进步，它突破了传统的焊接刚性自动化方式，开拓了一种柔性自动化新方式。刚性自动化焊接设备一般都是专用的，通常用于中、大批量焊接产品的自动化生产，因而在中、小批量产品焊接生产中，焊条电弧焊仍是主要焊接方式，焊接机器人使小批量产品的自动化焊接生产成为可能。就目前的示教再现型焊接机器人而言，焊接机器人完成一项焊接任务，只需人给它做一次示教，它即可精确地再现示教的每一步操作，如要机器人去做另一项工作，无须改变任何硬件，只要对它再做一次示教即可。因此，在一条焊接机器人生产线上，可同时自动生产若干种焊件。焊接机器人的主要优点如下：1) 易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性；2) 提高生产率，一天可 24h 连续生产；3) 改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作：4) 降低对工人操作技术难度的要求；5) 缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；6) 可实现小批量产品焊接自动化； 7) 为焊接柔性生产线提供技术基础。 2、 指标要求机器人通用技术指标 自由度数 这是反映机器人灵活性的重要指标。一般来说，有 个自由度数就可以达到机器人工作空间任何一点，但焊接不仅要达到空间某位置，而且要保证焊枪 ( 割具或焊钳 ) 的空间姿态。因此，对弧焊和切割机器人至少需要 5 个自由度，点焊机器人需要 6 个自由度。但本题要求只需3个自由度即可符合。 负载 指机器人末端能承受的额定载荷，焊枪及其电缆、割具及气管、焊钳及电缆、冷却水管等都属负载。因此，弧焊和切割机器人的负载能力为 6 10kg，点焊机器人如使用一体式变压器和焊钳一体式焊钳，其负载能力应为 60 90kg ，如用分离式焊钳，其负载能力应为 40 50kg。工作空间 厂家所给出的工作空间是机器人未装任何末端操作器情况下的最大可达空间，用图形来表示。应特别注意的是，在装上焊枪 ( 或焊钳 ) 等后，又需要保证焊枪姿态。实际的可焊接空间，会比厂家给出的小一层，需要认真地用比例作图法或模型法核算一下，以判断是否满足实际需要。最大速度 这在生产中是影响生产效率的重要指标。产品说明书给出的是在各轴联动情况下，机器人手腕末端所能达到的最大线速度。由于焊接要求的速度较低，最大速度只影响焊枪 ( 或焊钳 ) 的到位、空行程和结束返回时间。一般情况下，焊接机器人割机器人要视不同的切割方法而定。点到点重复精度 这是机器人性能的最重要指标之一。对点焊机器人，从工艺要求出发，其精度应达到焊钳电极直径的 12 以下，即+ 1 2mm 。对弧焊机器人，则应小于焊丝直径的 12 ，即 02 04mm 。本焊接系统对于精度要求达1mm即可。 轨迹重复精度 这项指标对弧焊机器人和切割机器人十分重要，但各机器人厂家都不给出这项指标，因为测量比较复杂。但各机器人厂家内部都做这项测量，应坚持索要其精度数据，对弧焊和切割机器人，其轨迹重复精度应小于焊丝直径或割具切孔直径的 12 ，一般需要达到 +03 0.5mm 以下。 用户内存容量 指机器人控制器内主计算机存储器的容量大小。这反映了机器人能存储示教程序的长度，它关系到能加工工件的复杂程度。即示教点的最大数量。一般用能存储机器人指令的系数和存储总字节 (Byte) 数来表示，也有用最多示教点数来表示。 插补功能 对弧焊、切割和点焊机器人，都应具有直线插补和圆弧插补功能。自诊断功能 机器人应具有对主要元器件、主要功能模块进行自动检查、故障报警、故障部位显示等功能。这对保证机器人快速维修和进行保障非常重要。因此，自诊断功能是机器人的重要功能，也是评价机器人完善程度的主要指标之一。现在世界上名牌工业机器人都有 30 50 个自诊断功能项，用指定代码和指示灯方式向使用者显示其诊断结果及报警。自保护及安全保障功能 机器人有自保护及安全保障功能。主要有驱动系统过热自断电保护飞动作超限位自断电保护、弘超逮自断电保护等等，它起到防止机器人伤人活损伤周边设备，在机器人的工作部位装有各类触觉触或接近觉传感器，并能使机器人自动停止工作。3、 机械系统设计3.1总体设计思想现在广泛应用的焊接机器人都属于第一代工业机器人，它的基本工作原理是示教再现。示教也称导引，即由用户导引机器人，一步步按实际任务操作一遍，机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，只需给机器人一个启动命令，机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作。这就是示教与再现。实现上述功能的主要工作原理，简述如下：(1) 机器人的系统结构 一台通用的工业机器人，按其功能划分，一般由 3 个相互关连的部分组成：机械手总成、控制器、示教系统，如图 1 所示。机械手总成是机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节、末端操作器、以及内部传感器等组成。它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置，姿态和实现其运动。图 1 工业机器人的基本结构 控制器是机器人的神经中枢。它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、白保护功能软件等，它处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。示教系统是机器人与人的交互接口，在示教过程中它将控制机器人的全部动作，并将其全部信息送入控制器的存储器中，它实质上是一个专用的智能终端。(2) 机器人手臂运动学 机器人的机械臂是由数个刚性杆体由旋转或移动的关节串连而成，是一个开环关节链，开链的一端固接在基座上，另一端是自由的，安装着末端操作器 ( 如焊枪 ) ，在机器人操作时，机器人手臂前端的末端操作器必须与被加工工件处于相适应的位置和姿态，而这些位置和姿态是由若干个臂关节的运动所合成的。因此，机器人运动控制中，必须要知道机械臂各关节变量空间和末端操作器的位置和姿态之间的关系，这就是机器人运动学模型。一台机器人机械臂几何结构确定后，其运动学模型即可确定，这是机器人运动控制的基础。机器人手臂运动学中有两个基本问题。1) 对给定机械臂，己知各关节角矢量 g(f)=gl(t) ，g2(t) ，. gn(i) ，其中 n 为自由度。求末端操作器相对于参考坐标系的位置和姿态，称之为运动学正问题。在机器人示教过程中。机器人控制器即逐点进行运动学正问题运算。2) 对给定机械臂，已知末端操作器在参考坐标系中的期望位置和姿态，求各关节矢量，称之为运动学逆问题。在机器人再现过程中，机器人控制器即逐点进行运动学逆问题运算，将角矢量分解到机械臂各关节。 运动学正问题的运算都采用 D-H 法，这种方法采用 4X4 齐次变换矩阵来描述两个相邻刚体杆件的空间关系，把正问题简化为寻求等价的 4X4 齐次变换矩阵。逆问题的运算可用几种方法求解，最常用的是矩阵代数、迭代或几何方法 ob 在此不作具体介绍，可参考文献 1。 对于高速、高精度机器人，还必须建立动力学模型， 由于目前通用的工业机器人 ( 包括焊接机器人 ) 最大的运动速度都在 3m s 内，精度都不高于 O.1mm ，所以都只做简单的动力学控制，动力学的计算方法可参考文献正 1 。(3) 机器人轨迹规划 机器人机械手端部从起点 ( 包括，位置和姿态 ) 到终点的运动轨迹空间曲线叫路径，轨迹规划的任务是用一种函数来“内插”或“逼近”给定的路径，并沿时间轴产生一系列“控制设定点”，用于控制机械手运动。 目前常用的轨迹规划方法有关节变量空间关节插值法和笛卡尔空间规划两种方法。具体算法可参考文献 1 。(4) 机器人机械手的控制 当一台机器人机械手的动态运动方程已给定。它的控制目的就是按预定性能要求保持机械手的动态响应。但是由于机器人机械手的惯性力、耦合反应力和重力负载都随运动空间的变化而变化，因此要对它进行高精度乙斗高速、高动态晶质的控制是相当复杂而困难的，现在正在为此研究和发展许多新的控制方法。 目前工业机器人上采用的控制方法是把机械手上每一个关节都当作一个单独的伺服机构，即把一个非线性的、关节间耦合的变负载系统，简化为线性的非耦合单独系统。每个关节都有两个伺服环，机械手伺服控制系统见图 2 外环提供位置误差信号，内环由模拟器件和补尝器 ( 具有衰减速度的微分反馈 ) 组成，两个伺服环的增益是固定不变的。因此基本上是一种比例积分微分控制方法 (PID 法 ) 。这种控制方法，只适用于目前速度、精度要求不高和负荷不大的机器人控制，对常规焊接机器人来说，已能满足要求。 图 2 机械手伺服控制体系结构 3.2检测输入环节检测环节设计思路对焊缝的跟踪控制，首先获取焊缝的相对位置与轮廓图像信息。采用CCD传感器来获取焊缝的二维图像，经过空间采样和模数转换后变成一个灰度矩阵，送入计算机的存储器中。经过预处理的数字图像，可借助快速傅里叶变换FFT,小波变换，概率统计等数学工具进行图像的分析和理解，特征提取和模式识别，在根绝一定的控制算法产生相应的控制量，发送到执行机构从而实现对焊缝的跟踪控制。视觉传感系统主要部件的选取以及配置要求此焊接系统的检测环节，选取电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device）来实现对裂缝的检测，CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。CCD传感器光源选取激光机构光光源。系统配置要求：主机板：带pci插槽。Cpu：586；内存： dos环境下使用内存4m以上；显示卡：s3系列的VGA卡；显示卡帧存：1m以上。检测系统设计本系统选用将IA-D2型CCD面阵传感器和激光机构光光源封装在一起，构成激光结构光视觉传感器，设计模型如下图传感器探头机壳内封装了半导体一字激光器1、滤光片2、面阵CCD黑白工业摄像机3和防溅挡板5。传感器探头机壳开孔，供摄像机，激光器的电源线信号线引出。传感器探头通过视频信号线与处理单元相连，传感器机壳底部由有机玻璃制成的放浅板盖住，可以阻挡焊接飞溅物，保护摄像头。传感器探头机壳和焊枪4刚性相连。半导体一字型激光器由安装支架倾斜固定在传感器探头机壳内，并且激光器的位置、角度、可以通过按照支架调整。调整激光器与摄像机的安装角度，使激光结构光平面与摄像机成30度60度角，并使调整摄像机光轴中心线与焊缝5所在被焊工件表面垂直、一字激光器发出的激光束产生结构光平面，倾斜照射在焊接工件的表面，形成焊缝特征激光条纹。摄像机带有滤光片2，能透过激光，同时滤掉弧光和其他自然光的干扰。摄像机采集激光条纹图像，通过视频信号线传送到处理单元。由于激光平面和摄像机经过精准定标，可以确定图像到实际三位空间的转换矩阵，这样就可以有焊缝条纹特征点图像空间的二维坐标，换算出焊缝点坐标系的三维坐标。又因为当焊枪在水平方向左右移动，焊缝条纹图像也随之左右移动。当焊枪在竖直方向上下移动，焊缝条纹也随之上下移动，所以图像上的焊缝特征点的水平偏移和垂直偏移分别代表了焊枪相对于焊缝的相应偏移量。这样也可以用焊缝图像特征点左边于标准位置的水平垂直偏差来掉膘焊枪于焊缝位置的水平偏差和垂直偏差。所以视觉传感器有两种输出方式输出实际焊缝的三位坐标，或者以焊枪于标准焊缝位置的水平。垂直偏差量作为输出，由于输出为标准信号，传感器可以适应各种焊缝跟踪系统，具有一定的普适性。处理单元采用pc104计算机以及其他部件，包括图像采集卡，pc104总线开关量输入输出卡，模拟量输出卡。Pc104计算机及其部件，于控制面板和监视器一起构成处理单元。摄像机采集到焊缝的激光图像，通过图像采集卡转化成数字信号，条用焊缝图像处理模块提取焊缝条纹特征点图像坐标。CCD视频输入线路图检测到图像后期处理 对摄像器捕捉到的图像处理包括，图像增强，滤波，等预处理和提取焊缝的中心线，确定焊缝特征点的后处理。 焊过的图像焊缝不规则，有时存在磨砂等附着物的干扰。 下族图为一焊接缝的处理图像，以及处理的相应方法原图像适应图像增强算法边缘提取进行hotelling变换和Hough变换焊缝中心线放大处理坐标融合确定焊缝位置实验结果以及误差精度评测(本设别用于计算误差的仿真结果来自中国科学院自动化研究所，复杂系统与智能科学实验室，李原博士论文，基于激光机构光焊缝跟踪系统视觉传感器)焊缝跟踪试验采用埋弧焊机器人，在焊缝跟踪视觉传感器的知道下，对二次焊接V字形坡口工件的焊缝进行了跟踪测量，实验过程中视觉系统平均工作周期125ms。下图为传感器测量到的焊缝横纵坐标偏移轨迹，和焊缝图像特征点在水平坐标方向的偏移。图中三条线分别是焊缝左右特征点和中心线随时间变化的轨迹。有图可以看出，对于一条近似直线的焊缝的跟踪，传感器测量的焊缝位置坐标的波动不超过3个像素的误差；并且整个跟踪过程传感器测量结果没有出现偏差，表明传感器工作可靠，视觉传感器距离工件15cm处测量时，工件焊缝偏移1mm对应图像空间8个像素，所以整个焊缝伺服跟踪的误差小于0.5mm，最后整体焊接系统积累误差小于2mm，满足本题目对于焊接误差小于2mm的要求。3.3执行环节负责人 刘川本环节选用一3自由度机械手，机器人的手臂由动力关节和连接杆件构成，用以支撑和调整手腕和末端执行器的位置。手臂部件驱动装置、传动机构、支撑连接件等。机器人手臂安装在机座上，由机座实现手臂的整体回转或升降。在弧焊作业中，要求焊枪跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因此，运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要的指标。一般情况下，焊接速度约取 5 50mms 、轨迹精度约为1mm 。设计内容：（1） 结构选择 弧焊机器人可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式以及全关节型等。由于全关节型弧焊机器人占地面积小、运动空间较广等优点，适用于中小型焊接系统。本套系统即选用全关节型结构。如下图3。（2） 材料及安装方式 机座部分根据整个机器人本体所受全部重量和工作载荷，采用了回转机座的结构，实现了机器人本体的整体回转，作为一种特殊的手臂，采用高强度材料，保证了足够的刚度、强度和承载能力。手臂部分根据其自由度数、运动形式、承受的载荷和运动精度要求，将小臂驱动电机和减速机安装在大臂上，通过平行四连杆机构将运动和动力传递到小臂上。这种设计的优点是将小臂驱动安装在大臂下端，减轻了小臂重量，也就减轻了大臂负载重量，机器人的运动灵活性同时也得到提高。该机器人机座、手臂部分通过加装缓冲和限位装置提高了定位精度，通过可靠的连接，保证了运动精确性和运动刚度，减少了机座与手臂间的运动误差，如下图3。图3弧焊机器人1回转机座；2、3交流伺服电机；4大臂；5连杆；6小臂（3） 电机选择 直流电动机有优良的控制性能，其机械特性“硬”、调速性能好是各类交流电动机所不具备的。 此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。但是直流电机的电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 与直流电动机相比，交流异步电动机具有结构简单、工作可靠、寿命长、成本低、保养维护简便等优点，且自交流电机变频调速系统开发出后，交流异步电动机亦可用于需调速的场合。故综合各方面考虑，本系统选用交流伺服电机。基座配130ST-M15015型号电机，额定转矩15N.m，额定转速1500rpm，额定功率2.3Kw；大臂配150ST-M23020型号电机，额定转矩23N.m，额定转速2700rpm，额定功率4.7Kw；小臂配80ST-M02430型号电机，额定转矩2.4N.m，额定转速3000rpm，额定功率0.75Kw。图4 三相交流电机（左）和直流电机（右）（4） 可工作半径 如图5（a）所示，关节式机器人的上下臂活动范围大，腰部不转动就可以将焊枪从前下部经顶部运动到后下部，如腰部转动，最大工作空间就可以达到接近球面的形状。因此，此种机器人可以选择倒挂在机架上工作，以增加工作范围，如图5（b）。 （a） （b） 图 5 选择大臂长度为2m，小臂长度为1.5，则最大工作半径为 R = 2 m + 1.5 m最大工作平面面积 S = 3.14 * R2 = 38.5 m2 （5） 驱动器选择 基座驱动器为SD30B，工作电压AC220V，工作电流30A；大臂驱动器为SD50MN，工作电压AC220V，工作电流50A；小臂驱动器为SD15M，工作电压AC220V，工作电流15A；工作原理：如上图3所示，回转机座1内的伺服电机驱动整个机座进行回转运动，使各手臂随机座回转，伺服电机3驱动大臂4进行前后摆动，伺服电机2直接驱动连杆5，根据四杆原理间接驱动小臂6进行俯仰运动。3.4反馈校正环节控制过程中元器件的选用电机与驱动器的选用见上部分内容。本次试验采用的角位移传感器为北京七维航测科技发展有限公司生产的R120LC角位移传感器：其简介如下：电气连接：26AWG，PVC绝缘材料类型：角位移传感器(RVDT)特点：低成本分装，免接触转速位置传感器，电位计供电电源：5VDC输出：0.5-4.5Vdc精确度：0.5%工作温度范围：-2585量程：60典型应用：工业控制，跳动臂，旋转阀位置，节气门位置选用该器件的理由：低成本分装说明该件价格不是特高，符合实际中的经济要求。工作温度范围满足要求。量程达度，较好。精度满足要求。执行部分的编程控制一CCD采集的部分经A/D转换后输入计算机经处理后，采用单片机控制电机运转使焊枪达到预定位置。使用单片机的自动焊接控制系统有以下优点：1. 降低操作难度及人工劳动强度2. 减小控制系统体积能适应狭小空间的焊接要求3. 提高设备精度，确保焊接质量二单片机在控制系统中单片机承担的任务是：1. 检测操作命令及输出参数2. 微调焊接过程参数三单片机焊接控制系统的工作原理是：单片机通过两套A/D通道，分别预置焊接参数（如焊接电流，电弧电压和焊接速度）或实时监测现场的焊接参数。预置和实测的焊接参数通过串行口，经译码，锁存，驱动器由LED显示。起焊，停焊，行车等操作命令经过并行口送入计算机。单片机通过对预置参数和实测现场参数的比较，可判断焊接过程参数的准确性和稳定性，经D/A通道，通过控制器对参数进行微调。四单片机自动焊接系统编程与反馈部分设计原理：四、对本系统的评价和心得体会自动焊接系统是我们接触的第一个对所学理论进行实际应用整合的大作业，在做系统的过程中我们的确意识到，所学的理论，假如没有对实际层面上的思考和理解，永远都只是理论，没有实际的意义。 在对系统各个模块进行构思的工作，的确是一个折磨人也很有意思的过程，理论到实际的距离，的确对我们初学者是个很难逾越的沟壑，我们可能知道CCD的工作原理，可能知道plc的控制方法，但是真正的CCD和PLC的各借口的作用和接线方式，的确也是很难掌握的方法，没有实际的经历过真实系统的设计，很难做到真正的掌握。就算现在，我们对于CCD和PLC的掌握也只停留在理论层面，像是真正的PLC 的内部程序的设计，还有CCD的驱动电路，我们依旧十分的模糊。本次系统存在许多的问题，但这些问题都是单凭几周的设计没有办法解决的，要解决这些问题，是需要长期的实际做系统的经验，而我们只是纸上谈兵。比如对CCD的驱动，plc程序的编写，电机驱动器的线路连接都没有细作出来，所以说本次焊接系统都只是个雏形，但是，虽然知识雏形，我们都已受益匪浅了。做出一个完美的系统，只有单一方面的知识是绝对不够的，因为控制系统是一个综合知识的结合体，我们需要机械、电机、机电一体化、计算机软件编程、光学等等方方面面的知识，所以，这就看出来协作对于一个控制系统设计人员是多么的重要。在本次系统的开放中，我们三人分别负责了检测输入环节，处理环节，执行环节，最后团结合作，制作出了焊接自动控制